CN117288234A - 邻近度传感器和天线 - Google Patents

Abstract

一种具有堆叠式电极结构的电容式邻近度传感器，其中内部电极被上部电极部分地遮蔽。当其他电极被保持到接地或保持到屏蔽电位时，测量所选电极的自电容。以这种方式，邻近度传感器估计正在靠近的主体的介电常数的值。

Description

邻近度传感器和天线

技术领域

本公开涉及一种邻近度传感器（proximity sensor），用于检测与用户身体部分的接近度，从而排除水滴或其他类似污染的不想要的影响。本发明的实施例涉及所连接的便携式设备，比如蜂窝电话、平板电脑或笔记本电脑，其在配备有本发明的邻近度传感器的情况下能够可靠地检测用户何时接近。特殊但非排他性的实施例是如下便携式连接的设备：其无线电发射功率是考虑用户的邻近度来适配的，以限制对RF能量的暴露。本发明的另一特殊应用是在可佩戴设备中，该可佩戴设备诸如智能手表、运动手表、耳塞等，其中邻近度传感器有利地用作输入设备。

背景技术

在许多应用中，重要的是检测身体部分是否在装置的短距离处。在所连接的便携式设备（诸如，蜂窝电话、平板电脑和笔记本电脑）的特殊情况下，这个信息在若干重要功能方面是有帮助的，所述功能比如限制所吸收的RF能量剂量，或者当电话被拿到耳朵时通过关闭显示器来限制功率消耗，或者激活特殊功能。

邻近度传感器的另一重要功能是：在便携式电话中，当用户将电话拿到耳朵时禁用触觉屏幕。没有这个，用户可能会通过用他/她的脸颊或手指触摸到屏幕而不经意地挂断呼叫或者触发不想要的动作。

在诸如智能手表、运动手表和无线耳机等之类的可佩戴设备中，存在对小型化邻近度传感器的日益增长的需求。可佩戴设备中的空间非常有限，并且常规的开关按钮是不合期望的。如上面所描述的，使用邻近度传感器以及输入设备，例如以用于增加或减小再现音量、拒绝或接受呼叫、开始蓝牙®配对或任何其他有用的功能。本发明的设备也可以用作可佩戴设备中的真正的邻近度传感器，例如以检测耳塞是否被插入用户的耳朵中。

避免错误的检测与感测邻近度的能力一样重要。便携式电话中使用的许多邻近度传感器利用电极容量中的改变来对身体部分的靠近进行响应。这个技术是有吸引力的，因为传感器是简单的导电电极，易于集成在印刷电路板上。然而，它可能会导致错误的检测，因为常规的电容式系统不能够在一定距离处的大对象与较近距离处的小对象之间进行辨别。它们也不能够在人类身体的部分（诸如，用户的手部或头部）与无生命对象（比如桌面）的靠近之间进行区分。

其他邻近度检测技术是可用的，例如基于光学检测。然而，这些系统的缺点是功率消耗、所需要的部件以及它们在移动设备中的集成的成本、以及无法在不同的对象之间进行辨别。

欧洲专利EP2876407 B1以申请人的名义描述了借助于连接到浮动可变电压参考的电荷放大器来读取的电容式传感器。相同文献描述了此类传感器在触敏显示器中的使用。

电容式邻近度传感器确定检测区域中的导电主体和电介质主体两者的存在。电介质主体对所测量电容的影响将根据其尺寸、与传感器的距离、以及材料的极化率而改变，后者是通过材料的相对介电常数ϵ_r（也简称为材料的介电常数或电容率）来测量的。出于本公开的目的，导电主体可以被视为具有非常高的介电常数的电介质主体。在本领域中，当所测量的电容超过某个给定阈值时，邻近度传感器确定主体正在靠近。然而，根据正在靠近的主体的大小和介电常数，这可能发生在不同的距离处，并且常规传感器不能够在这些因素之间进行辨别。

发明内容

本公开提出了一种具有在不同介电常数的对象之间进行辨别的能力的邻近度检测器。以这种方式，不同性质的正在靠近的主体可以触发不同的动作，并且邻近度阈值可以被校正成较少依赖于介电常数。

根据本发明，这些目的通过所附权利要求的目的来实现，并且尤其是通过一种用于检测邻近于便携式设备的检测区域中的导电或电介质主体的存在的电容式邻近度传感器来实现，该传感器包括堆叠式结构，该堆叠式结构在第一层上具有面向检测区域的第一电极，并且在第二层上具有内部电极，其中第一电极具有多个孔，所述多个孔允许内部电极与检测区域中的导电和/或电介质主体之间的部分电容式耦合，使得第一电极部分地遮蔽（screen）内部电极，该电容式邻近度传感器包括被配置成确定一个电极的电容的一个或多于一个电容读取单元和被配置成生成屏蔽电位的屏蔽控制单元，该屏蔽电位遵循其电容由电容读取单元测量的电极的电位，该电容式邻近度传感器包括读出电路，该读出电路被配置成：通过将该屏蔽电位施加到另一电极来确定或者第一电极、或者内部电极的第一电容，并且在将另一电极保持在固定电位处的同时来确定或者第一电极、或者内部电极的第二电容；以及基于所述第一电容和第二电容来确定检测区域中的主体的介电常数。

当测量第二电容时使用的固定电位可以是接地电位，但是实际上这个电位的绝对值不是相关的。

从属权利要求涉及本发明的重要且有用的特征，然而所述特征不是必要的，比如基于所述第一电容和第二电容对距检测区域中的主体的距离的确定、或者将距离或介电常数或二进制邻近度值传输到主机系统的数字接口。数据作为多位二进制变量在合适的总线上传输，该总线优选地是比如I2C的串行总线，以减少互连的数目。

本发明的传感器还可以具有中断请求端子，一旦已经检测到邻近，它可以通过该端子来请求主机系统（微控制器）的注意。

根据权利要求1所述的电容式邻近度传感器，其中所述孔以孔洞或条带的规则网格来布置。

虽然本发明的传感器的电极可以以许多方式来获得，但是特别方便的实现是当它们由多层印刷电路的铜蚀刻出来时。相同电路也可以在集成电路中包括传感器的电子元件。

关于本领域中已知的事物，本发明提供了如下优点：即，它可以容易地集成在电子便携式设备中，并且在小包装中提供丰富的信息。电极是利用标准的PCD制造技术容易地可获得的，并且不占用大量空间。介电常数以及可选地距离的确定有助于针对错误的靠近进行辨别。该单元还可以用来实现非常灵敏的输入设备，该输入设备在没有移动部分的情况下对手指触摸作出反应，并且不容易被错误事件、污染或水所触发。

重要的是，邻近度检测器在低频处操作，并且对射频信号相当不敏感。然后，有可能将一个或所有电极与无线电电路电容式地耦合，并且让它们承担作为天线的双重任务。无线电电路可以是发射器和/或接收器，或者最优选地是数字双向无线电接口，诸如蓝牙®接口、WiFi接口、蜂窝电话接口。电极可以采取平面天线的结构，而不改变其作为邻近度传感器的有效性。可以使用去耦合电感器来阻挡邻近度传感器的输入处的射频信号。

如将在以下公开中更清楚的，本发明的邻近度检测器使用当第一电极和内部电极在相同电位处、或者相反地它们中的一个被保持到固定电位时出现的电场的不同配置。在前一情况下，电场靠近简单平坦电极的电场，并且远离检测器延伸。在后一种情况下，电场在电极之间的空间中更强，并且在远离检测器移动时迅速衰减。将示出的是，本发明使用这个差异来估计正在靠近的主体的介电常数或者还有距离，并且通过适当的数据总线将这个量的估计传输到以数字变量编码的主机系统。

附图说明

本发明的示例性实施例在本描述中被公开，并且通过附图来说明，在附图中：

图1以非常简化的概念表示示意性地图示了根据本发明的检测器、以及连接到其的主机系统——数字处理器。

图2示出了便携式电话中的本发明的可能实现方式，检测器被组装在印刷电路板上。这个图还图示了检测区域中的一些电介质/导电主体。

图3示出了印刷电路板中的由本发明使用的感测电极的可能实现。

图4是根据第一测量模式在不同距离处本发明的检测器与检测区域中的两个主体之间的静电感应的理想化表示。

图5是在第二测量模式中检测器和与图4中相同的主体之间的静电感应的另一理想化表示。

图6示出了确定介电常数的一种可能方法。

具体实施方式

图1表示可以在本发明的框架中使用的电容式邻近度传感器的简化电路。该传感器包括读取至少两个电极的电容的电子电路80，优选地是集成电路。示例示出了两个电极：连接到该集成电路的第一电容式输入31的第一电极25（也称为“外部电极”）、以及连接到该集成电路的第二电容式输入32的内部电极20。第一电极被堆叠在内部电极25上方，并且将内部电极25与在第一电极上方的检测区域90部分地遮蔽。第一电极25具有一系列孔，其允许内部电极25与检测区域中的电荷之间的部分电容式耦合。

电极堆叠29可选地由连接到电路80的屏蔽控制端子的内部电极下方的有源屏蔽电极23完成，并且优选地还由有源屏蔽23下方的无源遮蔽物27来完成。

图1中表示的示例是单通道传感器。集成电路80被配置成读取电极29的单个堆叠。然而，这不是对本发明的限制。电路80可以被配置成在不离开本公开的范围的情况下读取若干电极堆叠。

第一电极25连接到电路80的第一电容式输入和电容测量电路53（例如，电容至电压转换器），所述电容测量电路53生成与第一电极25的自电容相关的信号。可以使用若干电路来实现这个。在可能的实现方式中，电容测量单元在电极上外加可变电压，并且通过电流积分器电路来确定对应的电荷，由此电容由电荷与电压改变之间的比率给出。

第一电极25的电容易于被附近的导电或电介质主体所改变，并且电容的这个改变被用来检测此类主体的邻近度。然而，邻近度引发的改变比该电极的固有电容加上将该电极链接到测量电路的连接线的固有电容更小得多。优选地，该电路包括由处理器65可配置的偏移减法电路50，以从电容测量电路的输出中减去任意基线值。然后，所得到的值在A/D转换器55中被转换成合适的数字表示，并且被传送到数字处理器65以用于进一步加工（elaboration）。

有利地，用于内部电极的输入端子32可以置于屏蔽模式中，其中它连接到屏蔽控制器单元51，或者置于接地模式中，其中它连接到固定电位，该固定电位可以是接地参考。屏蔽控制器单元51生成屏蔽电位，该屏蔽电位紧密地遵循在任何给定时刻处测量的电容式输入的电位。以这种方式，在屏蔽模式中的电极并不对所测量的电容有所贡献。

将领会的是，屏蔽电位通常是遵循有源输入端子的可变电压的可变电位。至少在测量发生所处的频带中，两者应当相同。例如，恒定电压偏移是不相关的。

在所表示的示例中，第一输入31和第二输入32两者可以被设置到测量模式、屏蔽模式或接地，如通过开关S1、S2所符号化的那样，并且内部电极具有电容测量电路53和偏移补偿单元50的其自己的实例，而多路复用器54被用来将电容信号中的任一个传递到ADC55。然而，这不是严格要求的。

电容式邻近度IC 80具有用于与主机系统100进行通信的端子，所述主机系统100可以是微控制器。这些可以包括数字总线37（例如I2C总线），以用于传输任何期望的数字变量、以及邻近度二进制输出36，所述输出36用于发信号通知检测区域中的主体的靠近。

图2是便携式设备40中的电容式邻近度传感器的示意性表示。这里，便携式设备40被具体实施为具有触敏显示器、扬声器110、扩音器105的智能电话，但是这些不是必要的特征。设备40可以是平板电脑、膝上型电脑、诸如智能手表之类的可佩戴设备、训练手表、蓝牙®扬声器、耳机、诸如路由器或Wi-Fi接入点之类的网络设备，或者实际上是需要邻近度感知的任何种类的电子便携式设备。因为简明的缘故，本公开将仅指代“智能电话”，要理解的是，这不是本发明的限制特征。

便携式设备40具有印刷电路板26，电子部件被焊接在所述印刷电路板26上。在那些当中，集成电路电容式邻近度传感器80被焊接在PCB 26上。电极堆叠29被制造在PCB上，并且通过PCB中的导电轨迹连接到集成电路80，并且不一定直接与其相邻。这相当大地简化了电路的布局。

图3以剖面示出了堆叠式结构29。为了清晰起见，这个图中的垂直尺度已经被拉长。连接到第一电容式输入31的第一电极25是蚀刻在PCB层中的导电图案，并且完全覆盖下面的层20、23。堆叠的最低层级包含接地平面27，但是如果布局中需要，它也可以包括可变电压处的轨迹。

连接到集成电路80的第二电容式输入32的内部电极20在第一电极25的层下方的层上，并且可以是铜的实心区域。优选地，内部电极20被第一电极25完全覆盖。它没有完全从检测区域90被遮蔽，因为第一电极25具有准许一定量的电容式耦合的开口45。换句话说，第一电极25由于其开口45而从检测区域90部分地遮蔽第二电极20。

开口45的设置、数目和形状不是关键的，只要它们留下合理的耦合程度。一般来说，电极25的实心/开放面积比（solid/open area ration）应当接近1，但是大量的偏差是可能的。

堆叠式结构29具有有源屏蔽电极23，所述有源屏蔽电极23在内部电极20的层级下方和无源遮蔽层27下方的PCB的层级上连接到电容电路80的屏蔽端子34。在附图中，电极25、20、23、27处于印刷电路板的紧邻的层上，但是这不是要求。也不要求第一电极25在PCB的最顶层上。

图4和5以简化的方式图示了面向电极25和20的检测区域90中的两个主体220、230。所述电极通过便携式设备（例如，显示面板）的外壳（envelope）75与检测区域90分离，所述外壳75对静电耦合具有可忽略或恒定的影响，并且可以被忽略或减去。主体220、230在距电极的不同距离处，具有不同的大小，并且它们的介电常数可能不同。

在图4中，内部电极20在屏蔽模式中，并且第一电极25在测量模式中，并且在这个配置中，传感器集成电路80的ADC测量第一电极25的第一电容C1。在这个配置中，内部电极20可以被视为与第一电极25等电位。

在图5中，内部电极20在接地模式中，被固定到恒定电位，并且在这个配置中，传感器集成电路80的ADC测量第一电极25的第二电容C2。可以领会到的是（即使各图仅仅是简化表示），两个配置中的电场是不同的：虽然在图4中，电场与平坦电极的电场相当，但是在图5中的场被更多地限制在第一电极与内部电极之间的空间中，并且没有到达距电极那么远的地方。

本发明从如下观察导出：即，即使主体230与感测电极25更靠近得多，主体230和220两者都有助于改变C1的值。另一方面，在这个配置中，主体220对C2值具有更小得多的影响，因为电场在远离感测电极移动时会快速地变得非常小。因此，根据C1和C2的值来确定正在靠近的主体的介电常数的值的估计是可能的。

图6是示出了在距感测电极随机距离处具有第一介电常数（圆圈）和高于第一介电常数的第二介电常数（十字线）的两个主体的C1和C2值的标绘图，具有不可避免的叠加噪声。如由C1和C2的不同变化范围所要求的那样，C1轴上和C2轴上的单位是任意且不同的。介电常数不能从单独C1或C2的值中推导出，但是如果ϵ_r中的差异不被噪声淹没，两个组就可以基于C1和C2的组合知识来分离。可以找到分割线250，并且通过观察C1和C2的测量结果处于分割线的哪一侧上来辨别主体是具有第一介电常数还是第二介电常数是可能的。

因此，电容式传感器的数字处理器65被配置或编程为基于如上面的所测量的C1和C2的值来确定介电常数。示例中解释的图形方法仅仅是实现这个结果的许多可能性之一。

在实施例中，基于C1和C2之间的比率来估计相对介电常数的值。通常，相对介电常数的值可以从数字处理器65可以计算的C1和C2的适当数学函数的值来推导出。在测试和模拟中，利用合理的努力，可以通过实验和通过经验来预先确定合适的数学函数。等效地，C1和C2的每个可能组合的最可能的ϵ_r值可以通过测量来预先计算或预先确定，并且被存储在双条目查找表中，数字处理器可以使用C1和C2的测量值来对该双条目查找表进行寻址。查找表的大小可以通过量化C1和C2的值、使用变量的变换或通过其他已知技术来管理。

在本发明的扩展中，不是介电常数或者除了介电常数之外，处理器65可以被编程来估计距正在靠近的主体的距离。

所观察到的是，在不离开本发明的情况下，第一电极25和内部电极20的作用可以互换。电容式传感器可以使用在第一电极保持在屏蔽电位处来替代C1时测量的内部电极的电容、以及在第一电极保持在固定电位处来替代C2时测量的内部电极的电容。

返回到图1的示图，处理器65通过观察感测电极的电容来判定主体是否在检测区域90中靠近，并且使用如所公开的C1和C2来计算表示正在靠近的主体的介电常数的数字值。这可以是处理器65中运行的一个合适软件的结果。集成电路80可以通过断言数字输出36来发信号通知检测区域中的主体的邻近度。这可以引起主机系统100中的动作。所估计的介电常数的值、以及可能地所估计的距离的值可以链接到主机系统可通过总线37读取的预定义寄存器。

图中的参考符号

20 内部电极

21 防护环

23 屏蔽

24 防护环

25 第一电极

26 印刷电路板

27 接地平面

28 电介质层

29 电极堆叠

31 第一电容输入

32 第二电容输入

34 屏蔽端子

36 邻近度信号

37 数字总线

40 便携式设备

41 过孔

45 开口

50 偏移校正

51 屏蔽控制电路

53 电容测量电路

54 多路复用器

55 模拟/数字转换器

65 数字处理器

75 玻璃

80 电容式邻近度集成电路

90 检测区域

100 主机系统

105 扩音器

110 扬声器

220 主体

230主体

250 分割线

Claims (9)

1.一种用于检测邻近便携式设备的检测区域中导电或电介质主体的存在的电容式邻近度传感器，所述传感器包括堆叠式结构，所述堆叠式结构在第一层上具有面向检测区域的第一电极，并且在第二层上具有内部电极，其中第一电极具有多个孔，所述多个孔允许内部电极与检测区域中的导电和/或电介质主体之间的部分电容式耦合，使得第一电极部分地遮蔽内部电极，所述电容式邻近度传感器包括被配置成确定一个电极的电容的一个或多于一个电容读取单元和被配置成生成屏蔽电位的屏蔽控制单元，所述屏蔽电位遵循其电容由电容读取单元测量的电极的电位，所述电容式邻近度传感器包括读出电路，所述读出电路被配置成：通过将所述屏蔽电位施加到另一电极来确定或者第一电极、或者内部电极的第一电容，并且在将另一电极保持在固定电位处的同时来确定或者第一电极、或者内部电极的第二电容；以及基于所述第一电容和第二电容来确定检测区域中的主体的介电常数。

2.根据权利要求1所述的电容式邻近度传感器，其中所述读出电路被配置成：基于所述第一电容和第二电容来确定所述电容式邻近度传感器与检测区域中的主体之间的距离。

3.根据权利要求1所述的电容式邻近度传感器，其中所述孔以孔洞或条带的规则网格来布置。

4.根据权利要求1所述的电容式邻近度传感器，其中所述固定电位是接地电位。

5.根据权利要求1所述的电容式邻近度传感器，包括用于与主机系统通信的数据传输接口，所述数据传输接口被配置成传输以下各项中的一个或多于一个：

逻辑邻近度信号，其指示主体在检测区域中，

邻近度值，其将所述电容式邻近度传感器与检测区域中的主体之间的距离编码为二进制变量，所述距离由第一电容和第二电容来确定，

介电常数值，其将检测区域中的主体的介电常数编码为二进制变量。

6.根据前述权利要求所述的电容式邻近度传感器，其中所述数据传输接口是串行总线，例如I2C总线。

7.根据权利要求4所述的电容式邻近度传感器，包括：当在检测区域中检测到主体时被断言的中断请求输出。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的电容式邻近度传感器，其中第一电极和内部电极被蚀刻在多层印刷电路板的导电层中。

9.根据权利要求8所述的电容式邻近度传感器，其中第一电极和/或内部电极电容式地耦合到无线电电路，并且提供用于所述无线电电路的天线。