CN110719348B - 智能邻近检测器 - Google Patents

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Abstract

智能邻近检测器。一种用于在移动设备、诸如智能电话和所连接的平板设备中使用的电容性邻近传感器，其中它用于当设备被带至耳朵的时候关断显示器（70）。所述电容性传感器被布置用于基于由读出电路（80）所见的电容的时间变化来拒绝例如通过水的凝结、进入或热漂移所引发的假检测。另外，邻近传感器可以整合来自运动传感器、温度传感器或其它传感器的信号，用于辨别假邻近信号。

Description

智能邻近检测器
技术领域
本发明涉及邻近传感器和用于检测身体部分的邻近的方法。本发明的实施例具体地涉及无线移动设备、比如移动电话、个人计算机或平板设备，其被配备有本发明的邻近传感器，并且基于该传感器所生成的邻近信号，可以抑制显示器和/或触敏面板，和/或适配无线电传送器的RF功率。
背景技术
通常期望的是检测身体部分是否处于装置的短距离处。在手机和无线连接的移动设备（包括平板设备和其它类似终端）的特殊情况中。该形式的邻近检测可以被用作对于装置的输入，但是对于RF发射设备，已知使用邻近指示来适配瞬时RF功率，用于遵从SAR（特定吸收率）规程。SAR是当人体极邻近于无线电发射设备（电话、平板设备、膝上型计算机等等）的时候在人体中辐射的RF能量的量的度量。
依赖于邻近检测的便携式连接的设备的其它有用功能是：当便携式电话被带至耳朵用于呼叫的时候禁用便携式电话的触摸屏，以免用户可能通过用脸颊或耳朵触摸屏幕而触发不想要的动作，并且在相同的情形中关断屏幕背光以节约能量。
已知被布置用于检测靠近于对象的身体的传感器，包括基于电感性、光学、热和电容性的传感器。在手机市场中，现今最常见的方法是用于检测靠近RF天线的对象的基于电容性的传感器。
电容性传感器通常被实现为PCB上的金属化焊盘，但是在许多情况中，现有元件、诸如天线（即导电线）可以兼作电容性检测器，使得可以在没有表面惩罚的情况下添加检测器。
用于移动通信设备中的邻近感测的电容性传感器的示例在以申请人名义的专利申请EP2988479中被描述，所述专利申请的内容由此通过引用被包括。
已知传感器系统的限制是其对环境因素的灵敏度，所述环境因素比如例如温度和湿度改变。已知的是：由于水或冰的凝结，已知传感器生成误触发信号。当便携式设备经受具有陡峭热梯度的严重环境条件的时候，这特别重要。本发明旨在减轻该问题。
发明内容
根据本发明，这些目的借助于所附权利要求的对象、特别是通过用于便携式设备的邻近传感器来被实现，所述传感器被布置用于检测邻近于便携式设备的用户的身体部分；所述传感器包括：第一电极，其与在便携式设备外部的便携式用户的身体部分电容性可耦合；第二电极，其与在便携式设备外部的便携式用户的身体部分电容性可耦合；读出电路，其被操作地布置用于获取由第一电极所见的电容，所述邻近传感器被布置成基于所述电容来生成邻近信号，并且基于以下来拒绝假邻近信号：由读出电路所读取的电容时间中的变化；和/或从便携式设备的传感器所获取的信号。
其它要求保护的特征取得合期望的优点和附加特征，并且包括：如下能力：在不同靠近方向之间进行辨别，并且生成定向邻近信号，其通过获取第二电极的电容并且通过使用第一和第二电极的电容来确定邻近度、例如通过测试在所述电容之间的差或比率，或通过测试具有所述电容作为分量的向量落在笛卡尔平面的给定区中。当对假事件的辨别基于电容时间中的变化的时候，这可以是第一电极、第二电极（在电话的背部上）的电容，要不然是参照设备的电容，其较少受物理邻近影响，但是当例如存在强热漂移、或者水或冰的凝结的时候仍变化。
邻近信号优选地当设备靠近于用户的身体部分、例如当电话被带至用户的耳朵用于呼叫的时候用于抑制触敏显示器。优选地，如果便携式设备包括无线电天线，则所述第一电极或第二电极可以是该天线的部分，通过合适的解耦电路同时被连接到电容读出电路以及连接到RF收发器。
当电容信号的时间导数超过给定阈值的时候，具体变体可以拒绝邻近信号。如果存在漂移抑制滤波器，则该测试应当在该漂移抑制滤波器的动作之前被做出，并且可以连同漂移抑制一起被实现。
在拒绝假邻近事件中也可以考虑针对其它传感器、比如运动传感器（加速度计、定位传感器、罗盘、陀螺仪、倾斜仪）或其它传感器（温度、环境光、大气压）而到来的数据。关于从其它传感器所收集的数据是否与用户靠近传感器兼容来做出判定。相反，例如如果传感器所收集的数据表明移动设备事实上静止，或存在严重的温度漂移，则邻近信号被拒绝并且例如不被应用以关断显示器。
此外，当本发明被应用到具有触敏屏幕的便携式智能电话的时候，第一电极将优选地在电话的顶部上，而第二电极将优选地在电话本身的背部上，与显示器相对。第二电极和/或第一电极可以具有在下方的屏蔽电极，和/或在邻近处或上方的防护电极。优选地，屏蔽和防护电极可以选择性地被连接到电压源，或被留在高阻抗浮动状态中。
在本发明的上下文中，方向“向上”、“向下”、“前”、“后”是指便携式设备、诸如移动电话的正常定向，其中屏幕面向用户并且扬声器向上。
此外，词语“定向”当被应用到邻近检测的时候指示信号以这样的方式被处理使得在所确定的方向上、例如在电极前方的导电主体以比其它方向上、例如电极后方的类似特性的其它导电主体更高的灵敏度来被检测。该定向灵敏度可以包括组合两个或更多电极的读数。
附图说明
借助于作为示例被给出并且通过附图所图示的实施例的描述，将更好地理解本发明，在所述附图中：
图1和2示意性并且以横截面示出了电容性传感器，所述电容性传感器包括防护电极和背部屏蔽，其远离导电主体，相应地关于靠近的导电手指。
图3示出了便携式设备，其在顶部上具有电容性感测电极，并且在背部上具有电容性感测电极。第一电极兼作RF天线。
图4示出了电容性电极/天线组合的解耦方案。
图5示意性地图示了可以在本发明的框架中被采用的数字处理器的架构。
图6示出了根据本发明的实施例的邻近检测器的结构。
图7在本发明的实施例中绘制基于由两个电极所见的电容的定向邻近函数的值。
图8绘制在便携式设备的环境测试期间在漂移抑制之前经滤波的电容的变化以及结果得到的邻近标志。
图9在图表中示出了用于生成定向邻近信号和全向SAR信号的步骤。
具体实施方式
尽管本发明适用于大量设备，包括但不限于手机、平板设备和膝上型计算机，但是本描述的示例可以简单地是指电话。这不应当被解释为对本发明的限制，而是仅仅被解释为示例，其为了简明缘故而聚焦于特殊实现方式。
现在将参照附图来重现适合用于本发明的电容性邻近检测器的运转。如图1中所图示的，电容性传感器可以将印刷电路板或PCB 157上的导电层20用作感测电极。在示例中，电极20被接地的环形防护电极25围绕，背对着屏蔽电极23，并且被介电叠覆158覆盖，但是这些特征中没有任何一个是必需的，因为形状可以是圆的，如所示出的，或任何其它形状。防护电极25可以用于增强检测的方向性，从而横向地屏蔽主要电极。在可能的变体中，防护电极25可以部分地或完全地覆盖主要电极20，要不然它可以被配置为叠覆主要电极的栅格。通过将防护电极选择性地连接到接地，或与感测电极20相同的电势，人们可以改变电场在电极上方延伸所处的距离、以及随此的检测范围。
在自由空间中，远离其它导电主体，感测电极的电容将具有基线值： Csensor =Cenv，其根据在电极与所有周围的导体之间的电感应来被确定。
在传感器邻近处的导电主体，如图2中所示的手指，修改电场分布，并且一般引发感测电极的电容的增加：Csensor = Cenv + Cuser。
将很好地认识到，增加的Cuser与基线电容Cenv相比可以小得多。在典型情况中，Cuser可以是Cenv的1%，或甚至更小。在另一方面，Cenv难以可靠地预测或模拟，因为它取决于若干不可控的效应。虽然如此，可以通过以下公式来估计Cuser：
Figure 520230DEST_PATH_IMAGE001
其中A是在两个电极之间的公共区域，因此在用户的手指/手掌/脸部和传感器电极20之间的公共区域，d是其距离，并且ε0、εr标示绝对和相对介电常数（dielectricpermittivity）。忽略导电效应。
图3图示了便携式设备，例如智能电话40。电话40包括在前侧上的触敏屏幕面板70，以及麦克风105和扬声器110，其相应地在屏幕70下方、上方。电话的合期望的功能是当设备被带至耳朵用于电话交谈的时候，屏幕70应当被禁用以降低功耗，并且应当忽略在屏幕和用户脸颊之间的任何接触。
便携式设备40必要地通过某种形式的无线电连接与邻域中和/或互联网中的其它设备连接。这典型地包括Wi-Fi（IEEE 802.11），和/或蓝牙®，和/或移动电话网络。当用户靠近于无线电来源的时候，其组织从电磁射频场吸收能量；通过特定规程来限制吸收率（SAR）。便携式设备40的另一所期望的功能是当用户在附近的时候应当限制RF功率，以遵从这些规则，而不一直损伤连接性。
便携式设备40包括用于电容性测量用户身体的一部分的邻近度的至少两个电极。第一电极30还被用作用于无线电通信的RF天线，并且通常被装配成靠近设备的顶部。第二电极60用于空间辨别和方向性，并且可以被装配在电话的背部上、在触摸屏70后方和/或与其相对。
借助于合适的解耦，相同的导体可以被用作电容性感测电极和RF天线二者。图4图示了一种可能的布置，其中导体30既借助于高通网络——通过电容器C符号表示——被连接到RF收发器57，也通过低通网络——通过电感器L符号表示——被连接到邻近检测电路80。当邻近检测电路感测到用户靠近于天线30的时候，它告知主机100，其使得RF传送器57降低发射功率。在具体实现方式中，天线可以具有复杂的结构，其中可以添加多个分段、以及屏蔽和防护电极，而不偏离一般概念。
便携式设备40也包括一个或若干主机处理器100，所述主机处理器100可以通过“芯片上系统”组装件来被具体化，所述“芯片上系统”组装件包括通用处理器，可能地包含若干计算核、（一个或多个）图形处理器、存储器、以及用于外围支持的资源，以及电容性读出电路80，以及优选地还有RF收发器57和一个或若干传感器，例如运动传感器、陀螺仪、加速度计、倾斜仪、温度计、罗盘、环境光传感器等等。图中这些元件的布置单纯地作为示例被给出。这些元件可以用其它方式被布置，并且不一定通过分离的物理设备被具体化。
图6示出了邻近检测电路80，所述邻近检测电路80被布置成读取由两个电极30和60所见的电容，如在图3的设备中所示出的。电极可以具有背部屏蔽33、63，所述背部屏蔽33、63被永久地接地、或连接到屏蔽控制单元51，其允许将它们约束在期望的电压处或保持它们浮动。第二电极60具有防护65，所述防护65的电容通过分离的读出通道被读取。尽管电路80被绘制有用于读取由三个电极所见的电容的三个读出通道，但是这不是本发明的限制特征，并且在需要时，通道的数目可以更低或更高。
优选地，读出电路80还被连接到参照电容Cref，并且读取其值连同电极30、60的值。这用于校准目的。
电极通过复用器54被连接到电容至电压子电路53，所述复用器54进而逐一读取所有通道IN0-IN2。优选地利用复用循环来同时操作开关S0-S1。复用器是有利的，但是不是本发明的基本特征：并行实现方式也是可能的。
电容至电压子电路53将由电极所见的电容转换成合适的电压信号，并且继之以可编程的偏移消减子电路50。如已经提及的，邻近信号Cuser被叠加到大得多的基线值Cenv，其既不预先已知也不稳定。数字处理器65可以估计基本电容的值，并且通过在偏移消减子电路50中编程合适的值来补偿它。经补偿的电容信号通过ADC 55被转换成数字值。
邻近检测电路80可以借助于合适的数据总线DB与主机处理器100通信，并且产生一个定向邻近逻辑标志（PROX）和全向SAR标志，所述定向邻近逻辑标志（PROX）用信号向主机通知应当抑制屏幕70的操作，所述全向SAR标志指示用户身体的一部分靠近于天线30并且应当适配RF功率。图8在工作流图表中图示了该方法。主机系统100通常被连接到传感器90并且具有对其值的访问。然而，这些还能可用于读出电路80，要么直接地，要么通过使用主机100作为代理。
图5以简化方式示出了通过数字处理器65为每个通道实施的处理的可能的架构。来自ADC的原始样本R(n)被输入滤波器210处理，以移除噪声并且产生“有用的”信号U(n)。输入滤波器210可以是线性低通滤波器，或非线性的一个。“有用的”信号可以被视为在噪声抑制之后在电极处所见的电容的部分Cuse的度量，其对于确定邻近度是有用的。漂移估计单元212确定被叠加到U(n)样本的漂移分量，其在215处被减去。最后，235代表附加的处理，包括消除抖动、上溢/下溢检测（其可以触发基线补偿）等等。
经处理的样本D(n)可以被馈送到辨别器218以生成邻近标志，或与用于定向检测的其它电极的读数相组合，如下所述。
重要地，邻近检测器80基于由第一电极30、相应地由第二电极60所见的电容来生成定向邻近信号（PROX）。处于与电话的各种空间关系中的不同对象将在不同程度上影响由第一和第二电极所见的电容，并且这可以用于定向辨别。
当例如用户将电话靠近耳朵的时候，由第一和第二电极所见的电容二者将以给定的比例增大。这应当对照其它情形被辨别，当用户在手中握持电话，并且与顶电极30相比相当更多地加载背电极60，并且手指滑动的时候，当在握持电话的时候设备在屏幕上滑动手指的时候，所述其它情形不应触发邻近信号、比如设备紧握。
在本发明的可能的变体中，邻近传感器基于在由第一和第二电极所见的电容之间的比率、或基于其差、或基于第一和第二电容的线性组合来判定是否要提出邻近标志。
在优选的变体中，邻近检测电路80基于在具有第一和第二电容作为分量的向量在笛卡尔平面中的定位来判定是否提出邻近标志。图7绘制了该情形。D-标示背电极60的电容，并且D+是顶电极30的电容。设备紧握事件群聚在特定的区265中，而手指滑动事件大部分落在区267中。当电话被带至耳朵的时候，由两个电极所见的电容上升，其在给定的近似内遵循曲线250。检测电路80被布置成当通过D+和D-所定义的向量位于在下阈值线260与上阈值线262之间的区255（白色）中的时候提出邻近触发。下阈值和上阈值优选可通过主机系统编程，或被预加载在邻近电路80的固件中，并且可以被参数化为分段线性函数，或以任何其它方式被参数化。
在与定向邻近信号（PROX）的同时，邻近电路还生成单向邻近信号（SAR），所述单向邻近信号（SAR）用于降低RF功率。在有利的变体中，基于由顶电极30所见的电容来生成SAR信号，所述顶电极30也是RF天线。这可以简单地通过对照阈值来比较D+数字信号而被进行。更复杂的处理也是可能的，并且可以考虑例如：
● D+信号的改变率。用户的靠近预期是逐渐的。如果电极30也是RF天线，则突然的改变是噪声事件的指示，或负载匹配电路的干预的指示。
● D+信号的变化。小变化指示电话可以是搁在桌上，而不是靠近于身体部分。
● D-信号的贡献来自于其它电极。
在图8的绘图中，水平轴指示时间（尺度使得整个轴跨越数小时），并且垂直轴是在噪声抑制之后以及在漂移减去之前从读出电路80的输入之一所得到的电容Cuse。不连续性453对应于通过DAC 50的编程而对偏移的补偿。该示例示出了在被连接到电话背部上的防护电极65（参见图6）的IN1输入处读取的电容，但是对任何其它输入的读取将会示出相同或相似的行为，并且本发明也可以应用于那些输入。
在环境测试期间获取图8的绘图，在所述环境测试中，电话被放置在受控的温度腔室中，其中它逐渐被冷却（阴影区480），并且在某个时间之后，从小室中被提取，并且被允许加热到室温（阴影区490）。邻近信号（PROX0）在冷却间隔480期间显示若干假转变，并且在加热阶段490中有更多，在所述加热阶段490中，冰凝结在电话上，然后融化并且蒸发。
发明人已经认识到这些假信号与Cuse信号的陡峭变化统计相关联，如绘图8所示的。相反，合理的触发相关联于如下电容读数：所述电容读数是平坦的、或具有中等斜率。
优选地，检测电路80被布置成计算在其输入之一处读取的电容之一的变化。操作地，这可以被计算为样本滑动窗口中的平均斜率，在每个扫描时段更新。该斜率然后对照正和负阈值被比较，并且如果它超过它们中任一个（图9的流程图中的步骤320），则邻近信号被拒绝，并且例如不被应用于移动电话的显示器。如所提及的，拒绝步骤可以基于来自第一电极30、背电极60、参照通道、或在便携式设备40中或其上的另一未表示的电极的信号的斜率。
在本发明的优选变体中，还在拒绝中考虑来自传感器90的信号。该数据融合可以发生在邻近检测电路80中——如果传感器信号对其而言可访问——或在主机系统100中。例如，邻近检测器可以考虑传感器是否指示电话正在被移动，或相反是静止的，并且在第二情况中判定邻近信号是假的并且拒绝它。在同一行中，温度传感器的读数可以指示邻近信号通过强热漂移、而不是用户的靠近来被引发，并且因此应当被拒绝。通过电话的传感器所传达的所有信息可以用于智能地拒绝假邻近信号。
各图中所使用的参考符号
20 感测电极
25 防护电极
30 顶/第一电极 / RF天线
33 屏蔽电极
40 便携式设备
50 偏移补偿
51 屏蔽控制
53 电容至电压转换器
54 复用器
55 模拟至数字转换器
57 RF收发器
60 背电极/第二电极
63 屏蔽电极
65 部分防护电极
67 数字处理器
70 显示器
80 邻近检测电路
90 传感器
100 主机
105 麦克风
110 扬声器
124 屏蔽电极
137 基底
138 保护膜
210 原始滤波器
212 漂移估计
215 加法器
218 比较器
220 有用的样本
230 所估计的漂移
235 附加的处理
240 经漂移消减的样本
250 预期的靠近
260 下阈值线
262 上阈值线
265 设备紧握事件的预期的区
267 手指滑动事件的预期的区
270 可用的新样本
290 判定步骤：基于两个电极的定向邻近度
295 关断显示器，或对邻近标志作出反应
300 开启显示器，或对邻近标志的重置作出反应
320 针对高漂移的测试
350 针对传感器信息的测试
450 有用的电容值
453 偏移补偿步骤
460 邻近信号
480 热瞬变：插入在环境腔室中
490 热瞬变：从环境腔室提取。

Claims (8)

1.一种用于具有触敏屏幕的便携式设备的邻近传感器，所述传感器被布置用于检测邻近于便携式设备的用户的身体部分；所述传感器包括：在所述便携式设备的顶部上的第一电极，其与在便携式设备外部的便携式设备的用户的身体部分可电容性耦合；在与触敏屏幕相对的所述便携式设备的背部上的第二电极，其与在便携式设备外部的便携式设备的用户的身体部分可电容性耦合；读出电路，其被操作地布置用于获取由第一电极所见的电容和由第二电极所见的电容，所述邻近传感器被布置成基于所述电容来生成邻近信号，并且基于由所述读出电路所读出的电容的时间中的变化来拒绝假邻近信号，其中当电容的时间导数超过给定阈值时拒绝假邻近信号。
2.根据权利要求1所述的邻近传感器，其中所述邻近信号是定向邻近信号并且基于由第一电极所见的电容和由第二电极所见的电容。
3.根据权利要求2所述的邻近传感器，所述第一电极是便携式设备的射频天线的部分，并且通过解耦元件被连接到无线电传送器以及连接到读出电路。
4.根据权利要求1所述的邻近传感器，所述读出电路被布置成：还获取参照设备的电容，所述参照设备的电容与由第一电极所见的电容和由第二电极所见的电容相比较少地受到物理邻近的影响；以及基于所述参照设备的电容的时间中的变化来拒绝假邻近信号。
5.根据权利要求1所述的邻近传感器，包括逻辑电路，所述逻辑电路被布置成基于所述邻近信号来抑制触敏屏幕。
6.根据权利要求1所述的邻近传感器，其中当由读出电路所读取的电容的时间导数超过阈值的时候拒绝假邻近信号。
7.根据权利要求1所述的邻近传感器，其中便携式设备包括以下各项中的一个或多个传感器：加速度计；陀螺仪；环境光传感器、温度传感器、罗盘；倾斜仪。
8.根据权利要求7所述的邻近传感器，其中当从便携式设备的传感器所获取的信号不与用户靠近移动设备兼容的时候拒绝假邻近信号。
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