CN206862376U

CN206862376U - 电容式接近传感器和三维电容式传感器

Info

Publication number: CN206862376U
Application number: CN201621157255.XU
Authority: CN
Inventors: 太田垣贵康; 后藤贤介
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2026-10-25
Also published as: US20170115773A1; US10088963B2; US10430008B2; US20190012019A1; US20190004631A1; US10310694B2; US20170115774A1; US20170115772A1; US10114515B2; US10073574B2

Abstract

本公开涉及电容式接近传感器和三维电容式传感器。电容式接近传感器包括：感测元件；电连接到所述感测元件的集成电路；以及电压源，所述电压源耦接到第一外部电容器、第二外部电容器、第一可变电容器和第二可变电容器。通过本实用新型，可以获得改进的电容式接近传感器和三维电容式传感器。

Description

电容式接近传感器和三维电容式传感器

技术领域

本公开的各方面涉及电容式传感器，并且更具体地，涉及电容式接近传感器和三维电容式传感器。

背景技术

电容式传感器通过检测传输电极与感测电极之间形成的电容的变化进行工作。在物体接近触摸表面和/或在触摸表面上移动时，感测电路可识别物体并确定物体的位置、压力、方向、速度和加速度。

具有触摸感测表面的电子装置可利用各种电容感测装置，以允许用户做出选择并通过相对于电容感测元件移动他们的手指(或触笔)来移动物体。互电容触摸传感器不仅具有检测感测表面上触摸事件的能力，还具有检测接近事件的能力，其中物体不接触感测表面但是紧邻感测表面。互电容触摸传感器通过测量电容感测元件的电容并寻找指示导电物体的接触或存在的电容变化进行工作。当导电物体(例如手指、手、脚或其它物体)与电容感测元件接触或非常靠近电容感测元件时，检测到电容变化和导电物体。可利用电路测量电容触摸感测元件的电容变化，并且该电路可将测出的电容感测元件的电容转换为数字值。

互电容触摸传感器检测接近感测表面的物体的能力受到电子装置的尺寸和操作规范的限制。为了减小电子装置的尺寸，还会减小操作组件诸如微处理器芯片、印刷电路板、显示器、存储器芯片、硬盘驱动器、电池、互连电路、指示器、输入机构等的尺寸。然而，期望在增强触摸传感器的功能性的同时能够维持操作规格诸如运行功率规格。

电容式传感器还可用于测量容器内的某些物质诸如流体的体积和/ 或水平。用于这类应用的电容式传感器可提供更加准确的测量值，并且可比常规指示器更加可靠。

实用新型内容

本实用新型要解决的一个技术问题是提供改进的电容式接近传感器和三维电容式传感器。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种电容式接近传感器，所述电容式接近传感器包括：感测元件，所述感测元件包括：第一电极和第二电极，其中所述第一电极和所述第二电极形成第一感测电容器；第一参比电容器；第一外部电容器，所述第一外部电容器在第一节点处与所述第一感测电容器串联耦接；以及第二外部电容器，所述第二外部电容器在第二节点处与所述参比电容器串联耦接；电连接到所述感测元件的集成电路，所述集成电路包括：第一可变电容器，所述第一可变电容器与所述第一外部电容器并联耦接；第二可变电容器，所述第二可变电容器与所述第二外部电容器并联耦接；以及差分放大器；以及电压源，所述电压源耦接到所述第一外部电容器、所述第二外部电容器、所述第一可变电容器和所述第二可变电容器。

在一个实施例中，所述第一感测电容器和所述第一外部电容器在所述第一节点处耦接；并且所述第一参比电容器和所述第二外部电容器在所述第二节点处耦接。

在一个实施例中，所述第一节点电连接到所述差分放大器的第一输入端子；并且所述第二节点电连接到所述差分放大器的第二输入端子。

在一个实施例中，所述第一电极和所述第二电极沿着所述感测元件的表面共面；所述第一电极包括传输电极；所述第二电极包括接收电极；所述第一电极围绕所述第二电极。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种电容式接近传感器，所述电容式接近传感器包括：感测元件，所述感测元件包括：多个多操作电极，其中所述多操作电极被构造成作为接收电极和传输电极中的一者进行工作；以及传输电极，其中：所述传输电极和所述多操作电极形成感测电容器；并且所述多个多操作电极和所述传输电极沿着所述感测元件的表面共面；以及电耦接至所述感测元件的电路，其中所述电路包括开关装置，所述开关装置被构造成：将所述多操作电极中的一个选择性地耦接至放大器；以及将其余的每个多操作电极选择性地耦接至所述放大器或电压源中的一者。

在一个实施例中，所述传输电极围绕每个多操作电极。

在一个实施例中，所述多操作电极沿着所述感测元件的所述表面在一个方向上对齐。

根据本实用新型的又另一方面，提供了一种三维电容式传感器，所述三维电容式传感器包括：第一感测平面，所述第一感测平面包括：第一多操作电极；以及第一传输电极；第二感测平面，所述第二感测平面被定位成与所述第一感测平面相距预定距离并且平行于所述第一感测平面，其中所述第二感测平面包括：第二多操作电极；以及第二传输电极；以及耦接到所述第一感测平面和所述第二感测平面的电路，所述电路包括多个开关装置，以将每个多操作电极选择性地耦接到下列中的一者：放大器，以及电压源。

在一个实施例中，所述三维电容式传感器还包括第三感测平面，所述第三感测平面正交于所述第一感测平面和所述第二感测平面并在所述第一感测平面和所述第二感测平面之间延伸，其中所述第三感测平面包括：第三多操作电极；以及第三传输电极。

在一个实施例中，所述三维电容式传感器还包括第三感测平面，所述第三感测平面被定位成与所述第一感测平面和所述第二感测平面中的至少一者相距预定距离并且平行于所述至少一者，其中所述第三感测平面包括：第三多操作电极；以及第三传输电极。

本实用新型取得的一个有益效果是提供改进的电容式接近传感器和三维电容式传感器。

附图说明

当结合以下示例性附图考虑时，可通过参照具体实施方式而得到对本技术的更完整的理解。在以下附图中，通篇以类似附图标记指代各附图当中的类似元件和步骤。

图1代表性地示出了根据本技术的第一示例性实施方案的电容式接近传感器；

图2以图形方式示出了根据本技术的示例性实施方案的电容式接近传感器与感测表面的距离和电容之间的关系；

图3代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的电容式接近传感器；

图4以图形方式示出了根据本技术的示例性实施方案的电容式接近传感器与感测表面的距离和输出电压之间的关系；

图5是根据本技术的示例性实施方案的电容式接近传感器的等效电路图；

图6是根据本技术的示例性实施方案的电容式接近传感器的等效电路图；

图7是根据本技术的示例性实施方案的电容式接近传感器的等效电路图；

图8代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的电容式接近传感器；

图9是根据本技术的示例性实施方案的电容式接近传感器的等效电路图；

图10是根据本技术的示例性实施方案的电容式接近传感器的局部电路图；

图11至图13代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的电容式接近传感器的操作；

图14至图16代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的多平面电容式接近传感器；

图17代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的多平面电容式传感器；

图18至图19代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的电容式传感器；

图20代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的三维电容式传感器；

图21代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的三维电容式传感器；

图22代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的三维电容式传感器；以及

图23代表性地示出了根据本技术的示例性实施方案的三维电容式传感器。

具体实施方式

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求提交于2015年10月26日的美国临时专利申请序列号62/246,238的权益，并且将该美国临时专利申请的公开内容全文以引用方式并入本文。

本技术可按照功能块组件和电路图进行描述。这样的功能块和电路图可通过被构造成执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的组件实现。例如，本技术可采用各种类型的电容器、放大器、功率源等，它们可执行各种各样的功能。根据本技术的各个方面的用于电容式接近传感器的方法和设备可与任何电子装置和/或装置输入应用程序诸如移动电话、音频装置、游戏装置、电视、个人计算机等一起运作。

参见图1、图3、图4和图5，在本技术的各种实施方案中，电容式传感器100可通过测量传感器100的电容和/或输出电压(Vout)的变化来检测物体。在各种实施方案中，电容式传感器100可包括联合运行以形成感测场125并测量感测场125的变化的感测元件105和操作电路。

电容式传感器100可在感测元件105的表面310上生成感测场125 诸如电场。在各种实施方案中，电容式传感器100可作为接近传感器工作以检测感测场125内的物体。感测场125可在感测元件105的表面310与最大检测距离305之间的区域内形成，其中感测元件105可在物体120诸如人指尖或笔尖等进入感测场125时检测到物体120。同样地，物体120不需要物理接触感测元件105就可引起电容变化。

在各种实施方案中，电容式传感器100通过测量和/或检测由于物体 120进入感测场125而引起的感测元件105的静息电容和输出电压的变化来检测物体120。一般来讲，参见图1、图2和图4，随着物体120的接近，诸如当一个人手指靠近感测元件105(减小距离315，图3)时，物体120 吸收感测场125的一部分，从而减少感测元件105所检测的能量并减小电容。随着物体120越来越接近感测元件105的表面310，物体120吸收感测场125的更多部分，并且可继续减小电容，从而使Vout增大。由于Vout 根据感测元件105所检测到的能量而变化，所以定量或以其他方式估计物体120和感测元件105的表面310之间的距离315可以是可能的。

在各种实施方案中，当Vout达到和/或超过预定阈值时，电容式传感器100可进行检测。例如，参见图4，电容式传感器100可对第一预定阈值405进行响应并又对第二预定阈值410进行响应。当Vout达到预定阈值中的一个以触发输出电路(未示出)在ON(接通)和OFF(关断)之间切换状态时，电容式传感器100可向控制器(未示出)传输信号，所述状态可指示电子装置诸如移动电话的一些输入选择。

感测元件105可产生感测场125并且对物体进入感测场125和/或在感测场内进行响应。感测元件105可包括响应于感测场125的任何合适的装置或系统。感测元件105可包括输入装置，诸如按钮、开关、拨号盘、滑块、按键或小键盘、导航板、触摸板、触摸屏等。感测元件105可在绝缘基板(未示出)(诸如电子装置如移动电话、个人计算机等中的PCB基板)内形成。例如，参见图3、图8、图14至图17，在各种实施方案中，感测元件105可包括被适当地构造用于形成感测场125的多个电极135。在各种实施方案中，至少一个电极135可包括驱动电极110(即，传输电极)，并且至少一个电极135可包括接收电极115，其中传输电极110和接收电极115形成具有电容值CA1的感测电容器Cs。电极135可具有任意物理布置，并且可针对具体应用形成为具有任何形状或尺寸。

参见图3，在一个示例性实施方案中，感测元件105包括第一电极 135a和第二电极135b，其中第一电极135a和第二电极135b可以是共面的。在本实施方案中，第一电极135a可包括传输电极110，并且第二电极135b可包括接收电极115，其中第一电极135a和第二电极135b一起形成感测电容器Cs。例如，感测元件105可具有总表面积A，其中第一电极135a 可具有通常由感测元件105的表面310的尺寸限定的第一表面积A1。第二电极135b可具有由第一电极135a围绕并被电介质130分隔的第二表面积 A2，其中电介质围绕第二电极135b。接收电极115可耦接到电压源510 (图5)。

参见图8，在一个另选的实施方案中，感测元件105可包括被适当地构造用于产生感测场125的多个电极。在本实施方案中，感测元件105 可包括被构造成作为传输电极110(即，单操作电极)工作的电极135。感测元件105还包括被适当地构造成作为传输电极110和接收电极115工作的多个多操作电极140。例如，仅一个多操作电极140可作为接收电极115工作，而其余多操作电极140作为传输电极110工作。同样地，作为接收电极115工作的多操作电极140与作为传输电极110工作的其余多操作电极形成感测电容器Cs。

多操作电极可与电极135共面，其中所述多个多操作电极140嵌套在电极135内并被电极135围绕。电介质130可围绕每个多操作电极140，使它们与电极135隔离。在一个示例性实施方案中，多操作电极140沿着一个方向对齐并且彼此基本上等距间隔。在可供选择的实施方案中，多操作电极140可以竖直和水平地对齐以形成阵列。

感测场125可表现出在感测元件105的表面310上方以及作为接收电极115工作的多操作电极140的横向方向上增大的灵敏度。在本实施方案中，电极135可具有第三表面积A3，并且每个多操作电极140可具有第四表面积A4，其中第四表面积A4都是相等的。

参见图9和图14至图23，在一个另选的实施方案中，电容式传感器100可被构造用于检测体积、三维空间内物体的位置、三维空间内物体是否存在以及三维空间的其它特征。例如，电容式传感器100的感测元件 105可被布置在多个平面上以在平面所产生的空间内形成感测区域。每个平面可被适当地构造以根据期望的功能或应用作为传输电极110或接收电极 115工作。

具体参见图14至图16，感测元件105可包括沿着第一平面 1205a、第二平面1205b和第三平面1205c布置的三个表面310。第一平面 1205a和第二平面1205b可被定位成基本上彼此平行，并且第三平面1205c 可在第一平面1205a与第二平面1205b之间正交定位。每个表面310可包括两个电极，其中电极中的一个包括被较大电极135围绕的多操作电极140。如上所述，多操作电极140可作为传输电极110和/或接收电极115工作。这组平行平面(例如第一平面1205a和第二平面1205b)上的两个多操作电极140可至少基本上彼此对齐，其中第一平面1205a直接定位在第二平面 1205b的对面。

在任何指定的时间，仅一个多操作电极140作为接收电极115工作，并且其余多操作电极140作为传输电极110工作。这样，感测电容器 Cs在作为接收电极115工作的多操作电极140与作为传输电极110工作的其余电极之间形成。

感测元件105可基于多操作电极140的操作形成多个感测场125，以产生具有较高灵敏度的区域1230。例如，灵敏度较高的区域1230可包括子空间，该子空间邻近作为接收电极115工作的多操作电极140。

在第三实施方案中，并且参见图17，感测元件105可沿着平行平面布置以测量这两个平面之间的电容。例如，感测元件105可包括与第二平面1300b间隔预定距离的第一平面1300a。感测元件105还可被构造成通过包括与第二平面1300b间隔第二预定距离的第三平面1300c来测量两个以上平面之间的电容。每个平面可被构造成作为传输电极110和/或接收电极 115(即，多操作电极140)工作。在各种实施方案中，每个平面1300还可作为高阻抗电极工作。根据本实施方案，每个平面1300可具有基本上相等的面积，并且电极140可对齐。

在电容式传感器100的又一个另选的实施方案中，并且参见图18 至图19，感测元件105可布置在三维容器1400的多个平面上。例如，容器 1400的两个或更多个侧面包括多操作电极140以形成感测场125，其中第一侧1430作为接收电极115工作，并且第二侧1435作为传输电极110工作。每个多操作电极140可被构造成作为接收电极115和传输电极110工作，如上所述。

根据各种实施方案，可对多操作电极140的操作进行序列化，其中在任何指定的时间，仅一个多操作电极140作为接收电极115工作，并且一个电极140作为传输电极110工作。例如，如图18所示，多操作电极 140可被布置在容器1400的相对侧上以形成水平感测场125以及形成感测电容器Cs。作为另外一种选择，并且如图19所示，传输电极110和接收电极115可被布置在容器1400的非平行侧上以形成弯曲的感测场125以及形成感测电容器Cs。

容器1400可具有包括高度1405、宽度1415和长度1420的预定尺寸。这样，容器1400可具有等于高度1405、宽度1415和长度1420的乘积的最大体积(即体积＝高度×宽度×长度)。容器1400内可填充材料1425，诸如具有预定介电常数的液体，达到水平1410。于是，可基于容器尺寸、电容数据和介电常数计算材料1425的体积。

可根据期望的功能或应用调整感测元件105的具体布置。例如，参见图20，感测元件105可包括在三个以上平面上形成的多操作电极140。在另一个布置中，参见图21和图23，感测元件105可包括间隔预定距离的两个平行电极140并且能够在这两个电极140之间容纳一个或多个物体。在又一个布置中，参见图22，电极140可被设置在彼此不平行的位置上。

参见图5、图6、图7、图9，电容式传感器100可包括检测电路 500，该检测电路耦接到感测元件105以检测感测电容器Cs的电容变化。检测电路500可包括用于感测电容变化的任何合适的系统或方法。

检测电路500可被构造成具有预设内部电容或可变内部电容。例如，在一个实施方案中，检测电路可包括具有可调电容CAint1的第一内部可变电容器Cint1和具有可调电容CAint2的第二内部可变电容器Cint2。这样，检测电路500将具有的潜在最大内部电容值CAmax被定义为当第一内部可变电容器Cint1和第二内部可变电容器Cint2调节至它们的最大值时的电容值。相似地，检测电路将具有的潜在最小电容值CAmin被定义为当第一内部可变电容器Cint1和第二内部可变电容器Cint2调节至它们的最小值时的电容值。一般来讲，总内部IC电容CAint_total可被定义为第一内部电容器CAint1的电容加上第二内部电容器CAint2的电容(即，CAint_tota1＝ CAint1+CAint2)。

第一内部可变电容器Cint1可以电连接到电压源，例如反向驱动电压脉冲Vdrv_bar(使用反相器515对电压源510进行反相)和差分放大器 505的反相输入端子(-)。第二内部可变电容器Cint2可以电连接到反向驱动电压脉冲Vdrv_bar和差分放大器505的非反相输入端子(+)。

可增大感测元件105的表面积，从而通过提高感测场125的强度来增大感测元件105的灵敏度，并且增大电容式传感器100可检测接近感测元件105的物体的最大距离305。在各种实施方案中，检测电路500可容纳多个感测电容器Cs。在各种实施方案中，电容式传感器100可以能够容纳电容比IC的内部电容大的感测元件105。

一般来讲，感测电容CA1与第一内部可变电容CAint1的比值等于参比电容CAref与第二内部可变电容CAint2的比值(即，CA1：CAint1＝ CAref：CAint2)。因此，被定义为第一内部电容器Cint1和第二内部电容器 Cint2的最大电容值之和的最大检测电容Cdet_max受限于第一内部电容器 Cint1和第二内部电容器Cint2的最大电容值。在一些情况下，感测电容器 Cs的电容CA1可超过第一内部可变电容器Cint1的最大电容，并且IC将无法准确检测感测电容器Cs的电容CA1。

可通过耦接附加外部(IC外部)电容器以改善IC的检测能力，所述附加外部电容器耦接到第一可变电容器Cint1和第二可变电容器Cint2。在这种情况下，电容式传感器100将具有有效检测电容Cdet_eff，其中有效检测电容Cdet_eff的最大值等于附加外部电容器CAext1，CAext2的电容加上第一可变电容器和第二可变电容器的潜在内部最大电容CAmax。通过增大电容式传感器100的有效检测电容Cdet_eff，可在维持IC的内部电容的同时增大感测元件105的表面积A。因为电容和面积是成比例的，所以感测元件105的表面积A的增大会使感测电容器Cx的电容增大，继而增大感测场125的最大距离305。

参见图5，在一个示例性实施方案中，电容式传感器100可包括附加外部电容器以改善电容式传感器100的检测能力。在本实施方案中，电容式传感器100包括感测电容器Cs、参比电容器Cref、具有电容CAext1 的第一外部电容器Cext1和具有电容CAext2的第二外部电容器Cext2。如上所述，第一外部电容器Cext1和第二外部电容器Cext2形成在IC的外部。

在一个示例性实施方案中，第一外部电容器Cext1与第一内部可变电容器Cint1并联耦接，并且第二外部电容器Cext2与第二内部可变电容器 Cint2并联耦接。由于并联耦接的电容器加和，所以每一对的总电容等于外部电容器的电容加上内部电容器的电容。

感测电容器Cs可在第一节点N1处与第一外部电容器Cext1和第一内部可变电容器Cint1串联电连接。第一节点N1可耦接到差分放大器505 的反相输入端子(-)。差分放大器505的反相输入端子(-)可接收包括第一电容数据的信号。

参比电容器Cref可在第二节点N2处与第二外部电容器Cext2和第二内部可变电容器Cint2串联电连接。第二节点N2可耦接到差分放大器 505的非反相输入端子(+)。差分放大器505的非反相输入端子(+)可接收包括第二电容数据的信号。

检测电路500还可包括第一反馈电容器Cf1和第二反馈电容器 Cf2。第一反馈电容器Cf1可电连接在差分放大器505的第一输出端子(-)和非反相输入端子(+)之间，并且第二反馈电容器Cf2可电连接在差分放大器 505的第二输出端子(+)和反相输入端子(-)之间。第一反馈电容器Cf1和第二反馈电容器Cf2可具有相同的电容。

在各种实施方案中，检测测电路500可提供输出电压Vout，该输出电压对应于第一电容数据和第二电容数据之间的差值。输出电压Vout可被定义为来自差分放大器505的反相输出端子(-)的输出电压Vom与来自差分放大器505的非反相输出端子(+)的输出电压Vop之间的差值 (Vout＝Vop-Vom)。

参见图6，在一个可供选择的实施方案中，可修改检测电路500以容纳多个感测电容器Cs。在各种实施方案中，检测电路500包括耦接到控制单元605的第一复用器(MUX)600。可通过控制单元605选择性地激活第一MUX 600的各个输入信号，其中选定的输入信号传输至差分放大器 505。

第一MUX 600可电连接到多个感测电容器Cs和第一外部电容器 Cint1。因此，传输至差分放大器505的电容数据可包括任何感测电容器Cs 和第一外部电容器Cext1的电容的任何组合。

参见图7，在又一个另选的实施方案中，可修改检测电路500以容纳分组的感测电容器Cs。在本实施方案中，电容式传感器100包括多个感测电容器Cs：Cs_N、第一参比电容器Cref1、第二参比电容器Cref2、第一外部电容器Cext1和第二外部电容器Cext2、第三外部电容器Cext3和第四外部电容器Cext4。

在本实施方案中，检测电路500可包括第一MUX 600，其中第一 MUX 600耦接到所述多个感测电容器Cs：Cs_N以及第一外部电容器Cext1和第二外部电容器Cext2。在本实施方案中，检测电路500还可包括第二 MUX 700，其中第二MUX 700耦接到第一参比电容器Cref1和第二参比电容器Cref2以及第三外部电容器Cext3和第四外部电容器Cext4。

在各种实施方案中，第一MUX 600和第二MUX 700可接收来自控制单元605的控制信号以将一个或多个输入信号选择性地传输至差分放大器505。在本实施方案中，第一MUX600可将一组感测电容器Cs选择性地耦接到第一外部电容器Cext1和/或第二外部电容器Cext2。例如，如果有八(8)个具有电容值CA1：CA8的感测电容器Cs(即，电容器Cs₁：Cs₈)，则感测电容器Cs可被分为两组：包括电容器Cs₁：Cs₄的第一组和包括电容器 Cs₅：Cs₈的第二组。第一组可与第一外部电容器Cext1耦接，而第二组可与第一外部电容器Cext1和第二外部电容器Cext2耦接。在另选的实施方案中，所述多个感测电容器Cs可分为三组。这样，可添加第五外部电容器和第六外部电容器。

一般来讲，针对每组感测电容器(即，Cs₁：Cs_N)，检测电路500能够检测感测电容值的范围，所述范围包括最大电容值CAmax_sense和最小电容值CAmin_sense。最大电容值CAmax_sense等于第一内部可变电容器的最大电容值CAint1_max加上外部电容CAext(即，CAmax_sense＝ CAint1_max+CAext)。相似地，最小电容值CAmin_sense等于第一内部可变电容器的最小电容值CAint1_min加上外部电容CAext(即， CAmin_sense＝CAint1_min+CAext)。例如，如果第一可变内部电容器 Cint1的电容CAint1在0pF至8pF的范围内，并且存在16个具有以下电容值的感测电容器Cs：5pF、6pF、7pF、8pF、9pF、10pF、11pF、12pF、 13pF、14pF、15pF、16pF、17pF、18pF、19pF、20pF，并且第一外部电容 CAext1为5pF，则检测电路500能够检测5pF至13pF的电容值。相似地，如果第一外部电容CAint1为12pF，则检测电路500能够检测12pF至20pF 的电容值。检测电路500只能检测电容值未超过最大值CAmax_sense的感测电容器。如果电容值超过上述范围，则不会激活检测电路500。因此，可相应地选择作为输入耦接到第一MUX和第二MUX的各个外部电容器以增大最大电容值Cmax_sense。

根据本技术的各种实施方案，通过将外部电容器Cint1和Cint2分别与内部可变电容器Cext1、Cext2并联连接来增大IC的有效检测电容Cdet_eff。这样，有效检测电容Cdet_eff大于总内部电容Cint_total。这种布置允许在不增加IC的总内部最大电容Cint_total的情况下提高检测能力。例如，在常规传感器中，如果第一内部可变电容器Cint1的最大电容为 8pF，并且感测电容器Cs的电容为50pF，则第一内部可变电容器Cint1无法调节以匹配感测电容器Cs。在本技术的各种实施方案中，例如添加电容为45pF的第一外部电容器Cext1可提供50pF的有效检测电容Cdet_eff，该有效检测电容能够检测感测电容器Cs的电容。

根据各种实施方案，检测电路500工作以确保电容式传感器100维持特定电容比值以提高输出数据的准确性。当感测电容器Cs与参比电容器 Cref的比值等于有效内部电容的比值时(即，＝，优化电容比值。

参见图9和图10，在又一个实施方案中，检测电路500可包括开关元件900，例如晶体管，以将多操作电极140选择性地耦接到各个电连接中的一者。

在一个示例性实施方案中，开关元件900可将多操作电极140选择性地耦接到差分放大器505的端子915、电压源510、高阻抗电极905或接地端子910中的一者。这样，多操作电极140可作为传输电极110、接收电极115、或接地电极或高阻抗电极工作。

在各种实施方案中，模数转换器(未示出)可耦接到差分放大器 505的输出端子以将信号转换为数字值。根据各种应用，数字值可被传输至中央处理单元(未示出)以激活电子装置诸如移动电话的各种操作。例如，中央处理单元可激活电话中的背光，实施选择功能，激活各种输入等。

在操作中，可利用电容式传感器100执行多种检测方案。例如，基于与感测表面310相距的距离315和在该感测表面上的移动，电容式传感器100可检测手势，例如手部运动、三维空间内是否存在物体、三维空间内物体的尺寸或形状、容器内材料的体积以及各种输入选择。

参见图8至图13，可操作电容式传感器100以检测在感测元件105 的表面上的轻扫运动。在本实施方案中，电容式传感器100包括彼此相邻布置的多个多操作电极140，传输电极110围绕所述多个多操作电极140，并且每个多操作电极140耦接到专用开关元件900。

随着物体120进入并影响感测场125，接收来自物体120的大多数干扰(即，活动电极)的多操作电极140将会激活相关联的开关元件900 以连接到差分放大器505。在这种情况下，耦接到差分放大器505的多操作电极140作为接收电极115工作。其余多操作电极(即，非活动电极)可经由开关元件900电耦接至电压源510(而非接地端子910)，并作为传输电极110工作。例如，现在参考图11至图13，感测元件105包括传输电极 110以及第一多操作电极140a、第二多操作电极140b和第三多操作电极 140c。随着物体120进入感测场125，电容式传感器100感测靠近电极中的一个(在这个实例中是第一多操作电极140a)的物体120，并将第二多操作电极140b和第三多操作电极140c耦接到电压源510(图9)，以便它们也作为传输电极110工作。随着物体120横向移动，电容式传感器100感测到物体120现在较为靠近另一个电极(在这个实例中是第二多操作电极 140b)，并且将该电极耦接到差分放大器端子915，其中第二多操作电极 140b现在作为接收电极110工作，并且第一多操作电极140a和第三多操作电极140c耦接到电压源510以作为传输电极110工作。随着物体120再次沿着相同横向方向移动，第三多操作电极140c作为接收电极110工作，而第一多操作电极140a和第二多操作电极140b耦接到电压源510以作为传输电极110工作。

一般来讲，因为连接至接地端子910可重新导向感测场125，从而导致接近灵敏度降低并减小最大检测距离305(图3)，所以将非活动电极耦接到电压源510而非接地端子910可增大电容式传感器100的灵敏度。

在各种实施方案中，感测元件105可电连接到多个通道(未示出)，所述多个通道代表对一个感测元件105的多个输入。例如，随着物体120进入感测场125，可由第一预定电压电平激活第一通道，所述第一预定电压电平可例如使电子装置诸如移动电话的屏幕点亮。随着物体120移动靠近感测元件105的表面310并且输出电压Vout增大，可利用第二预定电压电平激活第二通道，所述第二预定电压电平可导致激活和/或选择电子装置中的输入，诸如按钮。

参见图9、图10、图14至图16和图20，可操作电容式传感器100 以检测三维空间内的物体位置和/或移动，和/或检测三维空间内是否存在物体。在本实施方案中，电容式传感器100包括多个多操作电极140，所述多个多操作电极被传输电极110围绕并且布置在各个平面上以形成三维空间，其中每个平面包括感测表面310。在本实施方案中，电容式传感器100 还包括开关元件900，使得每个多操作电极140可按与上文针对单平面构造所述相似的方式作为传输电极110或接收电极115工作。

在本实施方案中，随着物体120进入感测区域1230，多操作电极 140可按序列化方式与电压源510耦接和解耦。在本实施方案中，仅一个多操作电极140在任何指定时间作为接收电极115进行工作。检测电路500 输出对应于物体120与感测表面310之间的距离315的信号。来自每个多操作电极140的在其作为接收电极110工作时的电容数据可用于确定三维空间内物体120的坐标。例如，电容式传感器100可包括处理单元(未示出)，所述处理单元耦接到检测电路500的输出以接收和处理数据。

作为另外一种选择，电容式传感器100可基于当在感测场内不存在物体时测得的预定静息电容来检测是否存在静止物体。

在此实施方案中，电容式传感器100可通过将多操作电极140耦接到电压源510或差分放大器端子915而非接地端子910以表现出比常规传感器增大的灵敏度和更大的感测区域1230，因为连接至接地端子910可重新导向感测场125，这可形成在其中无法检测物体120的区域。

再次参见图9、图10、图17-图19和图21至图23，可操作电容式传感器100以测量和/或估计液体的体积。在一个示例性实施方案中，第一平面、第二平面和第三平面1300a-c均彼此平行，并且每个表面1300包括多操作电极140，其中每个表面1300a-c可作为传输电极110、接收电极 115或高阻抗电极工作。

多操作电极140按顺序操作以获得液体的更加精确的测量值。根据本实施方案，仅一个平面可在任何指定的时间作为接收电极115工作，而其他平面作为传输电极110或高阻抗电极工作。例如，第一平面1300a可作为接收电极115工作，并且第二平面1300b和第三平面1300c可作为传输电极110工作以测量第一液体1305。在后一顺序中，第一平面1300a可作为传输电极110工作，第二平面可作为接收电极115工作，并且第三平面 1300c可作为高阻抗电极工作。电容式传感器100可采用相同方式测量第二液体1310。

在本实施方案中，感测场125在作为接收电极115工作的平面与作为传输电极110工作的平面之间形成。可利用由由序列化操作获得的电容数据连同关于所测物体120的预定基准电容数据来获得关于物体120和/或液体体积的信息。

在一个可供选择的实施方案中，其中感测元件105在容器1400的侧壁(平面)内形成，电容式传感器100可基于容器1400的已知尺寸、材料1425的介电常数和输出电压Vout检测材料1425的水平1410和/或体积。例如，如果用水填充容器1400，则水将吸收感测场125的一部分，并且满容器的水的电容将小于半满容器的水的电容。因此，与半满容器相比，满容器的输出电压Vout将会较大。电容式传感器100可基于容器的输出电压Vout、长度1420和宽度1415以及材料1425的介电常数来计算材料的体积。

在各种实施方案中，可基于预定输出电压估算材料诸如液体的体积。例如，可测量装有已知体积的材料的测试容器以确定基准输出电压。当用电容式传感器100测量装有相同材料的后续容器时，可将后续容器的输出电压与基准输出电压相比较以确定后续容器是否装有与测试容器相同体积的材料。

电容式接近传感器包括感测元件，其中感测元件包括第一电极和第二电极，其中第一电极和第二电极形成第一感测电容器；第一参比电容器；在第一节点处与第一感测电容器串联耦接的第一外部电容器；以及在第二节点处与参比电容器串联耦接的第二外部电容器。电容式接近传感器还可包括电连接到感测元件的集成电路，其中集成电路包括与第一外部电容器并联耦接的第一可变电容器；与第二外部电容器并联耦接的第二可变电容器；以及差分放大器。电容式接近传感器还包括耦接到第一外部电容器、第二外部电容器、第一可变电容器和第二可变电容器的电压源。

电容式接近传感器的集成电路还可包括电耦接在差分放大器的第一输入端子和第一输出端子之间的第一反馈电容器和电耦接在差分放大器的第二输入端子和第二输出端子之间的第二反馈电容器。

电容式接近传感器电压源可包括反相电压源。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中第一感测电容器和第一外部电容器在第一节点处耦接；并且第一参比电容器和第二外部电容器在第二节点处耦接。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中第一节点电连接至差分放大器的第一输入端子；并且第二节点电连接至差分放大器的第二输入端子。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中第一电极和第二电极沿着感测元件的表面共面。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中第一电极包括传输电极；第二电极包括接收电极；并且第一电极围绕第二电极。

电容式接近传感器还可包括被构造用于传输控制信号的控制单元。

电容式接近传感器还可包括电耦接到控制单元并对控制单元进行响应的第一复用器。

电容式接近传感器还可包括第三电极，其中第一电极和第三电极形成第二感测电容器。

电容式接近传感器还可包括对控制单元进行响应的第二复用器。

电容式接近传感器还可包括耦接到第二复用器的第二参比电容器、以及耦接到第一复用器的第三外部电容器和第四外部电容器。

接近传感器系统包括感测元件，其中感测元件包括传输电极和接收电极，其中传输电极和接收电极形成第一感测电容器，并且传输电极和接收电极沿着感测元件的表面共面。接近传感器系统还包括第一参比电容器；与第一电容器串联耦接的第一外部电容器；以及与参比电容器串联耦接的第二外部电容器。接近传感器系统还包括检测电路，其中检测电路包括电连接至感测元件的集成电路。集成电路包括与第一外部电容器并联耦接的第一可变电容器；与第二外部电容器并联耦接的第二可变电容器；以及差分放大器。接近传感器系统还包括耦接至第一外部电容器、第二外部电容器、第一可变电容器和第二可变电容器的电压源；以及耦接至差分放大器的输出的模数转换器。

接近传感器系统可包括一种布置，其中第一电容器和第一外部电容器在第一节点处耦接；并且参比电容器和第二外部电容器在第二节点处耦接。

接近传感器系统还可包括控制单元和对控制单元进行响应的第一复用器。

接近传感器系统还可包括第二接收电极，其中传输电极和第二接收电极形成第二感测电容器。

接近传感器系统还可包括对控制单元进行响应的第二复用器。

接近传感器系统还可包括耦接至第二复用器的第二参比电容器、以及耦接至第一复用器的第三外部电容器和第四外部电容器。

电容式接近传感器包括感测元件，其中感测元件包括多个多操作电极，其中多操作电极被构造用于作为接收电极和传输电极中的一个进行工作；以及传输电极，其中传输电极和多操作电极形成感测电容器；并且所述多个多操作电极和传输电极沿着感测元件的表面共面。电容式接近传感器还包括电耦接至感测元件的电路，其中所述电路包括被构造成将多操作电极中的一个选择性地耦接至放大器并且将其余的每个多操作电极选择性地耦接至放大器或电压源中的一者的开关装置。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中传输电极围绕每个多操作电极。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中所述电路还包括与感测电容器串联耦接的第一外部电容器。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中感测元件还包括与第二外部电容器串联耦接的参比电容器。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中所述电路还包括与第一外部电容器并联耦接的第一可变电容器；以及与第二外部电容器并联耦接的第二可变电容器。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中所述电路还包括耦接至感测元件的差分放大器。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中所述电路还包括电耦接在差分放大器的第一输入端子和第一输出端子之间的第一反馈电容器；以及电耦接在差分放大器的第二输入端子和第二输出端子之间的第二反馈电容器。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中多操作电极沿着感测元件的表面在一个方向上对齐。

电容式接近传感器可包括一种布置，其中多操作电极沿着感测元件的表面竖直和水平地对齐以形成阵列。

接近传感器系统包括感测元件，该感测元件包括多个多操作电极；传输电极，其中传输电极和多操作电极形成感测电容器，并且所述多个多操作电极和传输电极沿着感测元件的第一表面基本上共面；以及第一参比电容器。接近传感器系统还包括电耦接至感测元件的集成电路，其中集成电路包括被构造成将多操作电极中的一个选择性地耦接至放大器并且将其余的每个多操作电极选择性地耦接至放大器或电压源中的一者的开关装置。集成电路还包括与感测电容器串联耦接的第一可变电容器；与第一参比电容器串联耦接的第二可变电容器；以及差分放大器。接近传感器系统还包括耦接至差分放大器以将差分放大器的输出信号转换为数字值的模数转换器；以及耦接至模数转换器的中央处理单元，其中中央处理单元对数字值进行响应。

接近传感器系统可被构造成根据物体的移动将多操作电极选择性地作为接收电极和传输电极中的一个进行工作。

接近传感器系统可包括一种布置，其中感测元件还包括与第一可变电容器并联耦接的第一外部电容器；以及与第二可变电容器并联耦接的第二外部电容器。

接近传感器系统可包括一种布置，其中集成电路还包括电耦接在差分放大器的第一输入端子和第一输出端子之间的第一反馈电容器；以及电耦接在差分放大器的第二输入端子和第二输出端子之间的第二反馈电容器。

接近传感器系统可包括一种布置，其中多操作电极沿着感测元件的第一表面在一个方向上对齐。

接近传感器系统可包括一种布置，其中多操作电极竖直和水平地对齐以形成阵列。

三维电容式传感器包括第一感测平面，该第一感测平面包括第一多操作电极和第一传输电极。三维电容式传感器还包括被定位成与第一感测平面相距一段预定距离并且基本上平行于第一感测平面的第二感测平面，其中第二感测平面包括第二多操作电极和第二传输电极。三维电容式传感器还包括耦接至第一感测平面和第二感测平面的电路，所述电路包括用于将每个多操作电极选择性地耦接至放大器和电压源中的一者的多个开关装置。

三维电容式传感器可包括一种设置，其中多操作电极被构造成作为接收电极和传输电极中的一个进行工作。

三维电容式传感器还可包括第三感测平面，该第三感测平面基本上正交于第一感测平面和第二感测平面并在第一感测平面和第二感测平面之间延伸，其中第三感测平面包括第三多操作电极和第三传输电极。

三维电容式传感器还可包括第三感测平面，该第三感测平面被定位成与第一感测平面和第二感测平面中的至少一者相距一段预定距离并基本上平行于所述至少一者，其中第三感测平面包括第三多操作电极和第三传输电极。

三维电容式传感器可包括一种布置，其中所述多个开关装置还可将第一多操作电极、第二多操作电极和第三多操作电极耦接至高阻抗端子。

三维电容式传感器还可包括与第一外部电容器并联耦接的第一可变电容器；以及与第二外部电容器并联耦接的第二可变电容器。

三维电容式传感器可包括一种布置，其中所述电路还包括耦接至第一感测平面和第二感测平面的差分放大器；电耦接在差分放大器的第一输入端子和第一输出端子之间的第一反馈电容器；以及电耦接在差分放大器的第二输入端子和第二输出端子之间的第二反馈电容器。

三维电容式传感器可包括一种布置，其中多操作电极基本上面对彼此对齐。

电容式传感器系统包括感测元件，所述感测元件包括感测电容器。感测电容器包括：第一感测平面，其中所述第一感测平面包括第一多操作电极；和第二感测平面，所述第二感测平面被定位为与第一感测平面相距一段预定距离并基本上平行于第一感测平面，其中第二感测平面包括第二多操作电极。感测元件还包括形成于感测元件内并且具有固定电容的参比电容器。

电容式传感器系统还包括耦接至感测元件的集成电路，其中集成电路包括用于将每个多操作电极选择性地耦接至放大器、高阻抗端子和电压源中的至少一者的开关装置，每个多操作电极耦接至放大器以作为接收电极工作、耦接至高阻抗端子以作为高阻抗电极工作、耦接至电压源以作为传输电极工作。

集成电路还包括与感测电容器串联耦接的第一可变电容器；与参比电容器串联耦接的第二可变电容器；以及差分放大器。

电容式传感器系统还包括耦接至差分放大器并被构造用于将差分放大器的输出信号转换为数字值的模数转换器；以及耦接至模数转换器的中央处理单元，其中中央处理单元对数字值进行响应。

电容式传感器系统还可包括第三感测平面，该第三感测平面包括第三多操作电极，其中第一平面、第二平面和第三平面还包括被构造成作为传输电极工作的单操作电极；并且单操作电极围绕每个多操作电极。

电容式传感器系统可包括一种布置，其中第三感测平面被布置成基本上正交于第一感测平面和第二感测平面并且在第一感测平面和第二感测平面之间延伸。

电容式传感器系统还可包括与第一可变电容器并联耦接的第一外部电容器；以及与第二可变电容器并联耦接的第二外部电容器。

电容式传感器系统还可包括第三感测平面，该第三感测平面包括第三多操作电极并且被定位成与第一感测平面和第二感测平面中的至少一者相距一段预定距离并且基本上平行于所述至少一者。

电容式传感器系统可包括一种布置，其中多操作电极面对彼此对齐。

集成电路还可包括电耦接在差分放大器的第一输入端子和第一输出端子之间的第一反馈电容器和电耦接在差分放大器的第二输入端子和第二输出端子之间的第二反馈电容器。

所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本技术的范围。实际上，为简洁起见，系统的常规制造、连接、制备和其他功能方面可能未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。多个替代的或另外的功能关系或物理连接可存在于实际系统中。

在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离所述的本技术的范围的情况下作出各种修改和变化。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施方案及其在法律意义上的等同形式，而不是仅通过上述具体例子确定所述技术的范围。例如，可以任何适当的顺序执行任何方法或工艺实施方案中列举的步骤，并且不限于具体例子中提供的明确顺序。另外，任何系统实施方案中列举的组件和/或元件可以多种排列方式组合，以产生与本技术基本上相同的结果，因此不限于具体例子中阐述的具体配置。

上文已经针对具体实施方案描述了有益效果、其他优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。

术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排他性的包括，使得包括一系列要素的工艺、方法、制品、组合物或设备不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类工艺、方法、制品、组合物或设备固有的其他要素。除了未具体引用的那些，本技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或组件的其他组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其他方式特别适于具体环境、制造说明、设计参数或其他操作要求。

上文已结合示例性实施方案描述了本技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下对示例性实施方案作出变化和修改。这些和其他变化或修改旨在包括在本技术的范围内。

Claims

1.一种电容式接近传感器，其特征在于，所述电容式接近传感器包括：

感测元件，所述感测元件包括：

第一电极和第二电极，其中所述第一电极和所述第二电极形成第一感测电容器；

第一参比电容器；

第一外部电容器，所述第一外部电容器在第一节点处与所述第一感测电容器串联耦接；以及

第二外部电容器，所述第二外部电容器在第二节点处与所述参比电容器串联耦接；

电连接到所述感测元件的集成电路，所述集成电路包括：

第一可变电容器，所述第一可变电容器与所述第一外部电容器并联耦接；

第二可变电容器，所述第二可变电容器与所述第二外部电容器并联耦接；以及

差分放大器；以及

电压源，所述电压源耦接到所述第一外部电容器、所述第二外部电容器、所述第一可变电容器和所述第二可变电容器。

2.根据权利要求1所述的电容式接近传感器，其特征在于：

所述第一感测电容器和所述第一外部电容器在所述第一节点处耦接；并且

所述第一参比电容器和所述第二外部电容器在所述第二节点处耦接。

3.根据权利要求2所述的电容式接近传感器，其特征在于：

所述第一节点电连接到所述差分放大器的第一输入端子；并且

所述第二节点电连接到所述差分放大器的第二输入端子。

4.根据权利要求1所述的电容式接近传感器，其特征在于：

所述第一电极和所述第二电极沿着所述感测元件的表面共面；

所述第一电极包括传输电极；

所述第二电极包括接收电极；

所述第一电极围绕所述第二电极。

5.一种电容式接近传感器，其特征在于，所述电容式接近传感器包括：

感测元件，所述感测元件包括：

多个多操作电极，其中所述多操作电极被构造成作为接收电极和传输电极中的一者进行工作；以及

传输电极，其中：

所述传输电极和所述多操作电极形成感测电容器；并且

所述多个多操作电极和所述传输电极沿着所述感测元件的表面共面；以及

电耦接至所述感测元件的电路，其中所述电路包括开关装置，

所述开关装置被构造成：

将所述多操作电极中的一个选择性地耦接至放大器；以及

将其余的每个多操作电极选择性地耦接至所述放大器或电压源中的一者。

6.根据权利要求5所述的电容式接近传感器，其特征在于，所述传输电极围绕每个多操作电极。

7.根据权利要求5所述的电容式接近传感器，其特征在于，所述多操作电极沿着所述感测元件的所述表面在一个方向上对齐。

8.一种三维电容式传感器，其特征在于，所述三维电容式传感器包括：

第一感测平面，所述第一感测平面包括：

第一多操作电极；以及

第一传输电极；

第二感测平面，所述第二感测平面被定位成与所述第一感测平面相距预定距离并且平行于所述第一感测平面，其中所述第二感测平面包括：

第二多操作电极；以及

第二传输电极；以及

耦接到所述第一感测平面和所述第二感测平面的电路，所述电路包括多个开关装置，以将每个多操作电极选择性地耦接到下列中的一者：

放大器，以及

电压源。

9.根据权利要求8所述的三维电容式传感器，其特征在于，所述三维电容式传感器还包括第三感测平面，所述第三感测平面正交于所述第一感测平面和所述第二感测平面并在所述第一感测平面和所述第二感测平面之间延伸，其中所述第三感测平面包括：

第三多操作电极；以及

第三传输电极。

10.根据权利要求8所述的三维电容式传感器，其特征在于，所述三维电容式传感器还包括第三感测平面，所述第三感测平面被定位成与所述第一感测平面和所述第二感测平面中的至少一者相距预定距离并且平行于所述至少一者，其中所述第三感测平面包括：

第三多操作电极；以及

第三传输电极。