CN113867573A - 水拒绝接近检测器和方法 - Google Patents

Abstract

水拒绝接近检测器和方法。一种接近传感器，以及配备有接近传感器的便携式设备，具有至少两个叠加的感测电极，一个部分地遮蔽另一个。通过首先读取一个电极的电容，然后读取另一个电极的电容，在将反电极的电势设置到地或设置到保护时，本发明的传感器在身体部分或另外的电等效对象与在较近距离处的水滴之间进行辨别。

Description

水拒绝接近检测器和方法

技术领域

本发明涉及接近传感器和方法，所述方法用于检测接近度何时接近用户的身体部分、拒绝水滴或其他类似污染物的不需要的影响。本发明的实施例特别地涉及比如蜂窝电话平板计算机或膝上型计算机的连接的便携式设备，其配备有本发明的接近传感器，能够可靠地确定用户何时靠近。特殊但不独有的实施例是便携式连接的设备，其无线电发射的功率是考虑到用户的接近度而适配的，以便将阐述（exposition）限制到RF能量。

背景技术

检测身体部分是否在装置的短距离处经常是重要的。特别是在比如蜂窝电话平板计算机和膝上型计算机的连接的便携式设备的情况下，该信息在若干重要功能中是有帮助的，若干重要功能比如限制RF能量的吸收剂量，或当电话被带到耳边时通过关闭显示器来限制功耗。

接近传感器的另一个重要功能是，在便携式电话中，当用户将电话带到耳边时，禁用触屏（tactile screen）。否则，用户可能由于用他/她的脸颊或手指触摸屏幕而不经意地切断呼叫或触发不需要的动作。

然而，避免假检测是同样重要的。许多用在便携式电话中的接近传感器利用响应于身体部分的接近的电极的电容（capacity）改变。该技术被广泛地接受，因为传感器是简单的传导电极，易于在印刷电路板上集成。然而，其可以引起假检测，因为常规电容式系统不能在一定距离处的大对象和在较近距离处的小对象之间进行辨别。

由于水的大介电常数和导电性，所以水是特别关注的源。检测器上水的薄膜或一些水滴可以将电极感知的电容改变到足以生成假接近信号。

其他接近检测技术是可用的，例如，基于光学检测，并且可以在一些情况下辨别水。然而，这些系统的缺点是功耗，和所需部件的成本以及它们在移动设备中集成的成本。

在本申请人的名下的欧洲专利申请EP2876407描述了电容式传感器，借助于连接到浮动可变电压参考（floating variable voltage reference）的电荷放大器对其进行读取。相同的文件描述了在触敏显示器中使用此类传感器。

本发明提出了接近检测器，其将水辨别添加到电容式系统的有利性质。

发明内容

根据本发明，这些目标借助于所附权利要求书的目的实现。

虽然本发明适用于设备的大阵列，设备例如膝上型计算机、平板计算机、e阅读器、电子测量仪器，并且也适用于非便携式设备，但是为了简要起见，本说明书将简单地提及“移动电话”。但是，这不应被认为是本发明的限制性特征。

附图说明

利用通过示例的方式给出并由附图图示的实施例的描述的帮助，本发明将被更好地理解，其中：

图1如电容式接近传感器可以在便携式电话中使用的那样示意性地示出了电容式接近传感器。

图2示出了具有与身体部分有关并且与水膜有关的电容式传感器的便携式电话，以及

图3绘制了来自身体部分的接近和来自水膜的期望的电容信号。

图4示意性地图示了先进的多通道电容式传感器。

图5是用于将电容转换为电压的简化的理想化电路。

图6和图7示出了在图4的检测器中的两个电场分布。

图8是由在不同配置下的电容式传感器读取的电容的散点图。

具体实施方式

图1如电容式接近检测器可以在本发明的框架中采用的那样示意性地示出了电容式接近检测器的结构。检测器包括连接到用于确定感测电极20的电容的输入终端IN的感测电极20。通过将确定幅度的可变电势

应用到输入终端IN、对输入电流积分以获得电荷

可以确定电极的电容，其涉及

的电容。例如，输入电势可以按照正弦曲线或平方律（square law）变化。图5示出了可以用于该目的的简化电路。见多识广的读者将认识到终端IN是低阻抗节点，其电势归功于反应（reaction）与电压源47的输出相同，并且输出信号V具有与源47的输出信号相同的形状，具有与电容20成比例的幅度。对于附加信息，读者被引导向专利申请EP2876407，通过引用将其合并于此。

电容式传感器读出电路80可以包括电容到电压转换单元53，其生成与电极20看到的电容成比例的电压信号。如在EP2876407中所描述的那样，这可以通过具有与可变参考电势相关联的虚拟接地输入的电荷放大器实现，但履行相同功能的其他电路也是可用的并且被包含在本发明的框架中。电容式传感器读出电路80的操作原理在于用户的头部和身体具有远高于自由空间的介电常数的介电常数。因此，当用户将头部或另外的身体接近电极20时，它的电容增加微小但可测量的量。

电容性检测的一个困难是由用户的接近度确定的电容改变被叠加到大基线值上，所述基线值是恒定的或缓慢漂移的。本发明的传感器优选地包括偏移减法（offsetsubtraction）单元50，其被布置为在总电容在ADC 55中被转换为数字值之前，针对总电容减去可编程的值，以增强接近感应的变化并且最佳地利用后者的动态范围。

在附图中，偏移补偿单元50被表示为单独的框，其作用于由电容到电压转换器53生成的模拟信号。虽然这是可能的和有利的实现，但是其不是仅有的一个；本发明不限于此实施例，并且示意图1的框（blocs）应该被解释为功能元件而不是物理上的单独实体。在变型中，偏移的减法可以在电容到电压转换器53中或在ADC 55中执行。并且，如果接近检测器读出电路80包括若干输入通道，如它将被进一步详细说明的那样，则偏移补偿可以针对每个通道在独立单元中或在共享补偿电路中完成。

在电容式接近检测器中的另一个困难在于输入电极20可以拾取在它的环境中生成的所有种类的信号和干扰，包括来自其嵌入其中的电话的那些信号和干扰。虽然此类干扰可以通过信号处理被过滤，但是优选的是从开始就减弱它们。出于该目的，检测器可以提供保护电极（shield electrode）23，其在感测电极20下面，以便相对于电话内部的电子设备对其进行遮蔽。优选地，感测电极连接到保护控制单元51的输出终端，其遵从输入终端IN的可变电势。以该方式，保护23对电极20所见的电容没有贡献。

数字处理器65加工（elaborate）由ADC 55生成的数字信号并且基于电极20的电容提供接近信号PROX。其通过总线DB与例如移动电话的主机系统进行通信，并且可以由有线或可编程逻辑的任何形式被实现。数字处理器65负责比如精细偏移减法、噪声过滤之类的功能，并且实现决定算法，所述决定算法当在输入IN处读取的电容与在接近的用户的身体的一部分兼容时断言（assert）PROX信号。

虽然图1表示了仅一个输入终端，但是本发明的传感器不限制于此，如它在下文中将清楚的那样。

图2和图3图示了当设备被暴露于滴状或薄膜的水时在电容式接近检测中出现的问题。从表面（face）和从一侧来表示便携式电话100，并且电容传感器20被放置在显示70之上，优选地接近于电话扬声器，其经常是用户带到接近耳朵的点。优选地，感测电极20和显示器被透明的和介电保护层75覆盖，介电保护层75例如是薄玻璃板。虽然未被表示，但是电极20可以是RF天线的一部分，或与其接近，如果接近信号被用于服从SAR限制，则这是有利的。

如在图2的右侧部分中看到的那样，电极20的电容可以因为用户在离传感器电极足够近的距离d处移动身体部分200而改变或由于在电话表面上的水滴或薄膜形式的水300而改变。虽然水的量可以是少的，但是由于它的近距离和高介电常数，它可以对电极20的电容有相当大的贡献。

图3例证了该情况。它是作为时间的函数的电极20的电容的绘图。绘图的左侧部分示出了与用户将头部接近扬声器的相对应的电容的改变145。右侧部分148绘制了当水滴落到电极20正上方的玻璃上时预期的改变。如可以理解的那样，水的贡献虽然较小，但是不能通过阈值

的合理选择被清楚的分离。

图4示出了根据本发明的方面的先进的电容式传感器。所述传感器具有多个电容输入，表示了其中的两个：S0和S1。输入的增加可以通过简单地重复图1的单个输入结构获得，或按照复用架构，其中一些部件或功能在输入之间共享。在绘出的示例中，两个输入IN0、IN1具有独立的电容到电压转换器53和偏移补偿50，并且偏移减去的（offset-subtracted）信号通过复用器54由共同的ADC 55数字化。然而，其他架构是可能的。

两个输入S0和S1连接到两个感测电极。主电极25直接面向感测区域，所述感测区域是与电话表面相邻的外部区域，并且参考电极20在主电极后面，主电极25至少部分遮蔽参考电极20。

参考电极可以例如是固体导电垫，并且主电极可以具有导致部分遮蔽的任何结构。好的结果已经通过将主电极图案化（patterning）为导电网格或图案化为由电介质分开的导电条的阵列来获得，两者都具有包括在0.1mm与5mm之间的间距（pitch），但其他结构是可能的。

优选地，保护电极23被定位在参考电极20下面，如在之前的示例中那样，但是再一次，这不是必要的特征。

重要地，在外部分别连接到参考电极、连接到主电极的接近传感器的输入IN0、IN1可以由电容到电压单元53处理，以读取与其连接的电容，或否则与预定特性的电压相关联。在附图中，该功能由开关S0、S1表示，但这不是本发明的必要特征。如果电容到电压转换器具有与图5的结构相似的结构，例如，在不具有实际开关的情况下，输入终端的电势可以由电压源47确定。

电容式检测器89的动作组合了电容的两个读数。所考虑的第一电容是主电极25的电容，其在将被连接作为保护的参考电极20保持在与主电极25相同的电势时被测量。所考虑的第二电容是参考电极20的电容，其在将主电极25的电势保持固定、例如固定在如绘出的接地电势处时被测量。

图6和图7通过示例的方式图示了在这些情况下可能出现的电场。重要的是认识到这些图不是实际模拟。在真实的用例中，电场将被电话中许多导体和电介质的存在扭曲，其与主电极和参考电极25、20耦合。

然而，图6和图7图示了两个读数由电场的截然不同的分布表征，使得在第一电容中具有大权重（weight）的元件根据它们的位置可能对第二电容没什么贡献，并且反之亦然。这在实际设备中也是如此，虽然场分布可能与所呈现的示例有很大的不同。

更详细地可以看到，在图6的情况下，电场线如何延伸超过测量区域中的主电极25、玻璃75以及水层300，并且达到身体部分200。因此，期望第一电容将通过身体部分200的存在和水300的存在来相似地确定，犹如电极20和25不曾分离，因为该场类似于简单扁平电极的场。

在图7的情况下，相反地，电场集中在主电极25和参考电极20之间的间隙中，其以减小的强度与水膜300重叠，并且被预期在身体部分200处相当弱。因此，水300的存在在第二电容的值中应比身体部分200的值更重地加权。

即使电场在实际用例中可能是截然不同的，在将反电极（counter electrode）保持在保护电势处或保持在固定电势处时读取的两个电容仍旧探索感测的体积（volume）的不同区域，并且可以利用此来拒绝由水感应的假接近信号。重要的是记住接近传感器对例如当电话被带到头部时感应的电容的改变做出响应，并且不对它们的平均值做出响应，这些平均值通过偏移补偿单元50被减去，并且优选地也通过在处理单元65中发生的数字处理被减去。

图8绘制了根据利用在便携式设备中的本发明的电容式接近传感器的一系列测试的第一电容读出

的变化对第二电容读出

的变化。圆圈标记对应于接近移动设备的身体部分，十字和星标记对应于在不同配置中的水滴或水溅（water splash）。

如可以看到的那样，当身体部分接近电话时，第一和第二电容读出近似地沿着线分组，这指示即使绝对读出值根据所述部分的接近度、其大小以及诸如此类变化，

之间的比改变也小。

水感应检测在另一方面趋向于是更分散的，并且优选地在一些设备中在真实的事件（genuine event）之下（十字），或在其他设备中在它们之上（星）。比

与水事件不同，而且它们趋向于是更分散的。

数字处理器65被可操作地布置为基于第一电容

并且基于第二电容

生成接近信号。这可以通过选择基本上包括所有真正的接近（圆圈）的策略来实现，并且拒绝至少水感应信号（十字和星）的大部分。例如，当被当作在二维平面中的坐标的第一电容和第二电容定位预定义的接受区域（轮廓189）之内的点时，或当比

位于预定的间隔（楔形物187）中时，或通过基于

和

的另一适当的选择算法，可以断言PROX信号。

虽然本说明书仅示出了一个主电极和一个参考电极，前者相对于检测体积部分地遮蔽后者，但是本发明不限于一对。实际上便携式设备可以包括如在图4中所描述的若干电容式传感器，或电容式传感器读出电路80可以具有超过两个输入以读取多个电极的对，如上面公开的，每对包括一个主电极和一个参考电极，一些电极相对于测量体积部分地遮蔽一些其他电极。

电容式传感器读出电路80可以按顺序读取它的输入，而将不活跃的输入保持在接地处或保持在保护电势处，如在上述示例中那样，并且通过组合来自在电话上的不同位置处的多个电极的读数，提供关于接近身体的附加信息，例如其相对于电话的方向，同时如所公开的那样辨别水。

Claims (9)

1.一种电容式接近传感器，所述传感器被配置用于检测身体部分的接近度并且用于拒绝水或污染物，其包括：面向感测区域的一个主电极以及一个参考电极，由此主电极相对于感测区域部分地遮蔽参考电极；读出电路，其被可操作地布置用于通过将相同的电势应用于主电极并且应用于参考电极来获取主电极的第一电容，并且用于在将主电极保持在固定电势处时获取参考电极的第二电容，以及决定单元，其被布置为基于所述第一电容和第二电容生成接近信号。

2.根据权利要求1所述的接近传感器，其中所述参考电极是导电垫，并且所述主电极是导电网格或叠加到参考电极的条的阵列。

3.根据权利要求2所述的接近传感器，其中所述网格的间距或条的所述阵列的间距包括在0.1mm与5 mm之间。

4.根据权利要求1所述的接近传感器，其包括在参考电极下面的屏幕电极，读出电路，其被布置为将屏幕电极保持在参考电极的电势处。

5.根据权利要求1所述的接近传感器，其中决定单元被可操作地布置为当被当作二维平面中的坐标的第一电容和第二电容定位在预定义的接受区域之内的点时生成接近信号。

6.根据权利要求1所述的接近传感器，其中决定单元被可操作地布置为当第一电容和第二电容之间的比位于在预定的间隔内时生成接近信号。

7.一种确定在传感器和身体部分之间的接近度的方法，包括：测量面向感测体积的主电极的第一电容；测量参考电极的第二电容，由此主电极相对于感测体积部分地遮蔽参考电极，由此在将相同的电势应用于主电极并且应用于参考电极时测量第一电容，并且在将主电极保持在固定电势处时测量第二电容，使得第一电容的测量和第二电容的测量在电场的分布中不同，由此第一电容和第二电容响应于感测体积中的不同区域中的身体。

8.根据权利要求7所述的方法，包括基于所述第一和第二电容拒绝接近主电极的水和污染物。

9.根据权利要求8所述的方法，包括当被当作二维平面中的坐标的第一电容和第二电容定位在确定的区域内的点时或当第一电容和第二电容之间的比位于预定的间隔内时生成接近信号。

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