DE102010002475A1 - Kapazitive Erfassung - Google Patents

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John Stanley Hamble Dubery
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Abstract

Ein kapazitiver Mehrkanal-Sensor zur Messung der Kapazitäten einer Vielzahl von Erfassungselektroden gegenüber einem System-Referenzpotenzial. Der Sensor umfasst einen Abtastkondensator, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, eine erste Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer ersten Erfassungselektrode gekoppelt ist, und eine zweite Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist. Der Abtastkondensator und die Dioden sind mit einem Steuerungsschaltkreis gekoppelt, der z.B. in einem Mikrocontroller implementiert ist. Der Steuerungsschaltkreis ist in der Lage, ein Ansteuersignal an den ersten Anschluss des Abtastkondensators anzulegen, z.B. eine Reihe von Spannungsimpulsen, während er gleichzeitig ein Vorspannungssignal an den zweiten Anschluss einer oder der anderen der Dioden anlegt, um zu verhindern, dass die Diode das Ansteuersignal durchlässt. Somit können Ladungstransfer-Verfahren benutzt werden, um mehrere Kapazitäten zu messen, wobei ein gemeinsamer Abtastkondensator verwendet wird. Dies trägt dazu bei, die Drift zwischen den Kanälen zu verringern. Weitere Messungskanäle können hinzugefügt werden, indem weitere Dioden und entsprechende Erfassungselektroden ...

Description

  • Technischer Hintergrund
  • Diese Erfindung betrifft die kapazitive Erfassung zum Erkennen des Vorhandenseins oder der Berührung eines Objektes in der Nähe eines Sensors. Insbesondere betrifft die Erfindung die kapazitive Mehrkanal-Erfassung.
  • Kapazitive Sensoren sind in letzter Zeit in Benutzerschnittstellen und zur Bedienung von Maschinen immer gebräuchlicher und üblicher geworden, z. B. zum Vorsehen von berührungsempfindlichen Tasten zum Aktivieren von Funktionen einer Einrichtung, die bedient wird. Kapazitive Positionssensoren werden auch in Nicht-Schnittstellen-Anwendungen eingesetzt, z. B. in Anwendungen zur Füllstandsmessung.
  • 1 zeigt schematisch einen bekannten Typ eines kapazitiven Sensors 2, der entsprechend der in US 5,730,165 und/oder US 6,466,036 beschriebenen Ladungsübertragungstechnik betrieben werden kann. Der Sensor dient zur Messung der Kapazität Cx einer Erfassungselektrode 4 gegenüber einem System-Referenzpotenzial (Masse). Die von der Erfassungselektrode zum System-Massepotenzial vorgesehene Kapazität kann somit als äquivalent zu einem Kondensator betrachtet werden, der die Kapazität Cx hat und bei dem ein Anschluss mit Masse verbunden ist, und kann als Erfassungskondensator bezeichnet werden.
  • Die spezifische Anwendung für den Sensor 2 ist für die Zwecke dieser Beschreibung nicht bedeutsam. In diesem Beispiel wird jedoch angenommen, dass der Sensor 2 dazu benutzt wird, das Vorhandensein eines zeigenden Fingers 8 in der Nähe der Erfassungselektrode 4 zu erkennen. Wenn sich kein Finger in der Nähe der Erfassungselektrode 4 befindet, ist ihre Kapazität gegenüber Masse relativ klein. Wenn sich ein Finger in der Nähe der Erfassungselektrode 4 befindet (wie in 1), wird die Kapazität der Elektrode gegenüber Masse erhöht, da das zeigende Objekt eine kapazitive Kopplung Cx zu einer virtuellen Masse vorsieht. Änderungen der gemessenen Kapazität der Erfassungselektrode sind somit ein Hinweis auf Änderungen des Vorhandenseins eines benachbarten Objektes (z. B. eines Fingers bei einem berührungsempfindlichen Bedienelement oder einer Flüssigkeit in einem Füllstandssensor). Der Sensor in 1 ist ein Einkanal-Sensor dahingehend, dass er in der Lage ist, die Kapazität einer einzelnen Erfassungselektrode 4 zu messen.
  • Zusätzlich zur Erfassungselektrode 4 umfasst der Sensor 2 einen Mikrocontroller 6 und einen Abtastkondensator Cs. Der Mikrocontroller 6 ist ein programmierbares Allzweck-Bauelement, das konfiguriert ist, die unten beschriebene Funktionalität vorzusehen.
  • Das Vorsehen des Erfassungskanals erfordert die Verwendung von zwei Anschlüssen des Mikrocontrollers 6, und diese sind in 1 mit P1 und P2 bezeichnet. Die Anschlüsse P1 und P2 des Mikrocontrollers 6 können in einer definierten Sequenz auf High-Pegel oder auf Low-Pegel gelegt werden, wenn der Controller sein Programm auf die übliche Weise ausführt. Dies wird in 1 schematisch durch eine Reihe von Schaltern S1, S2, S3 und S4 im Mikrocontroller 6 dargestellt. Schalter S1 verbindet Anschluss P1 wahlweise mit dem Betriebs-Logikpegel +V des Mikrocontrollers – dies entspricht dem Anlegen eines High-Pegels an den Anschluss P1. Der Schalter S2 verbindet Anschluss P1 wahlweise mit dem System-Referenzpotenzial (Masse) des Mikrocontrollers – dies entspricht dem Anlegen eines Low-Pegels an den Anschluss P1. Nur einer oder der andere (oder keiner von beiden) von S1 und S2 kann zu einem beliebigen Zeitpunkt geschlossen sein. Auf die gleiche Weise legen die Schalter S3 und S4 wahlweise Anschluss P2 nach Bedarf auf High- oder Low-Pegel.
  • Zusätzlich dazu, dass er in der Lage ist, Anschluss P1 entsprechend seiner Programmbefehle auf High- oder Low-Pegel zu legen, ist der Mikrocontroller auch in der Lage, einen Messungskanal M vorzusehen, der an Anschluss P1 angeschlossen ist (d. h. Anschluss P1 ist ein I/O-Anschluss). Der Messungskanal umfasst einen einfachen Komparator, der eingerichtet ist, eine Eingangsspannung an Anschluss P1 mit einem Schwellwert-Pegel Mthresh zu vergleichen. Typischerweise kann der Schwellwert-Pegel die Hälfte der Betriebsspannung des Mikrocontrollers sein (d. h. Mthresh = +V/2).
  • Der Abtastkondensator Cs ist an die Anschlüsse P1 und P2 angeschlossen. Die Erfassungselektrode 4 ist an Anschluss P2 angeschlossen.
  • 2 zeigt eine Tabelle, in der eine Schalter-Betätigungssequenz für den Sensor aus 1 schematisch dargestellt ist, um die Kapazität der Erfassungselektrode 4 gegenüber System-Masse zu messen. Die Sequenz durchläuft eine Reihe von Schritten beginnend bei Schritt 1, wie in der linken Spalte gezeigt. Die Spalten mit der Überschrift S1 bis S4 zeigen den Zustand der jeweiligen Schalter in jedem Schritt. Ein ”X” in der Tabelle kennzeichnet, dass der entsprechende Schalter geschlossen ist, während ein ”O” kennzeichnet, dass der entsprechende Schalter geöffnet ist. Die Spalten mit der Überschrift P1 und P2 zeigen den Spannungspegel der entsprechenden Anschlüsse in jedem Schritt. Ein Tabelleneintrag ”LOW” kennzeichnet, dass der entsprechende Anschluss auf Low-Pegel gelegt wird, ein Tabelleneintrag ”HIGH” kennzeichnet, dass der entsprechende Anschluss auf High-Pegel gelegt wird, wobei wenn der Anschluss nicht auf High- oder Low-Pegel gelegt wird, sein ”freier” Spannungspegel angegeben wird. Die letzte Spalte enthält kurze Kommentare zu dem Schritt.
  • Schritt 1 ist ein Initialisierungs-/Reset-Schritt. Die Schalter S2 und S4 sind geschlossen, so dass die Anschlüsse P1 und P2 beide auf Low-Pegel gelegt werden. Hierdurch werden die Erfassungselektrode 4 auf Masse gelegt und der Abtastkondensator Cs kurzgeschlossen, so dass sich auf beiden keine Ladung befindet.
  • Schritt 2 ist ein Aufladeschritt, in dem nur der Schalter S1 geschlossen ist. Somit wird Anschluss P1 auf High-Pegel gelegt, während Anschluss P2 potenzialfrei ist. Die an Anschluss P1 vorgesehene Spannung +V lädt somit die Reihenschaltung des Abtastkondensators Cs und des Erfassungskondensators Cx auf.
  • Der Abtastkondensator Cs und der Erfassungskondensator Cx sehen einen kapazitiven Teiler zwischen +V und Masse vor. Die Spannung an Anschluss P2 an der gemeinsamen Verbindung der Kondensatoren ist die Spannung über Cx (d. h. V(Cx)). Diese ist von den relativen Kapazitäten Cs und Cx abhängig. D. h. V(Cx) = V·Cs/(Cs + Cx) entsprechend der bekannten Beziehung für einen kapazitiven Spannungsteiler. Die Spannung über dem Abtastkondensator Cs ist V(Cs), wobei V(Cs) = V – V(Cx). D. h. V(Cs) = V·(Cx/(Cs + Cx)).
  • Schritt 3 ist ein Messungsschritt, in dem nur der Schalter S4 geschlossen ist. Somit ist Anschluss P1 potenzialfrei, und Anschluss P2 wird auf Low-Pegel gelegt. Das Anlegen des Low-Pegels an Anschluss P2 bedeutet, (i) dass die Ladung auf Cx entfernt wird (nach Masse abfließt), und (ii) dass Anschluss P1 die Spannung V(Cs) erreicht, die während des Aufladeschrittes 2 über dem Abtastkondensator angelegt wurde. Somit ist die Spannung an Anschluss P1 V(Cs) = V·(Cx/(Cs + Cx)). Die Spannung an P1 hängt somit von der Kapazität des Erfassungskondensators Cx ab, die von der Erfassungselektrode 4 vorgesehen wird. Im Prinzip kann diese Spannung gemessen werden, um eine Angabe für die Kapazität des Erfassungskondensators vorzusehen. In der Praxis wird die durch den einzelnen Ladezyklus in Schritt 2 vorgesehene Spannung V(Cs) jedoch klein sein (weil Cx << Cs). Um eine stabilere Messung der Kapazität Cx des Sensors 2 vorzusehen, ist der Sensor in der Lage, die Schritte 2 und 3 wiederholt auszuführen (d. h. ohne den Reset-Schritt 1 auszuführen). Bei jeder Wiederholung der Schritte 2 und 3 wird die Ladung des Abtastkondensators schrittweise erhöht. Somit erhöht sich die Spannung V(Cs) nach jeder Wiederholung der Schritte 2 und 3 asymptotisch in Abhängigkeit von der Größe des Erfassungskondensators Cx (der Anstieg ist asymptotisch, weil in aufeinander folgenden Wiederholungen wegen der bereits auf dem Abtastkondensator Cs befindlichen Ladung weniger Ladung hinzugefügt wird).
  • Nach einer Anzahl dieser Ladezyklen (d. h. einer Impulsfolge) kann die Spannung an Anschluss P1 gemessen und als eine Messgröße für Cx genommen werden. Dies erfordert jedoch, dass der Messkanal M des Mikrocontrollers 6, der Anschluss P1 zugeordnet ist, die Fähigkeit aufweist, eine analoge Spannung zu messen. Dies erfordert relativ komplizierte Schaltkreise. Somit ist es üblich, nicht eine feste Anzahl von Impulsen auszugeben, sondern die Impulse einfach solange auszugeben (d. h. die Schritte 2 und 3 zu wiederholen), bis die Spannung V(Cs) einen Messungs-Schwellwert Mthresh erreicht, wobei z. B. der Schwellwert typischerweise Mthresh = V/2 ist. Die Anzahl von Ladezyklen, die erforderlich ist, damit die Spannung über dem Abtastkondensator Cs den Messungs-Schwellwert überschreitet (wie durch einen einfachen Komparator bestimmt) ist ein (inverses) Maß für die Kapazität der Erfassungselektrode gegen Masse, und ist somit eine Anzeige für die Nähe oder sonstiges eines Objektes. Das Verfahren der ”variablen Impulsfolgen-Länge” hat den Vorteil gegenüber den Verfahren mit ”fester Impulsfolgen-Länge”, dass ein Komparator anstelle einer komplizierteren Spannungsmessungs-Funktion benutzt wird. Gleichwohl hat sich gezeigt, dass beide Verfahren stabile und zuverlässige Messungen relativ kleiner Kapazitäten vorsehen.
  • Der Sensor in 1 ist ein Einkanal-Sensor, der in der Lage ist, die Kapazität einer einzelnen Erfassungselektrode zu messen. In vielen Anwendungen besteht jedoch der Wunsch, die Kapazitäten von zwei oder mehr Erfassungselektroden zu messen, d. h. es besteht der Wunsch, einen kapazitiven Mehrkanal-Sensor vorzusehen. Zum Beispiel wird der Entwickler eines Gerätes, in dem eine Benutzerschnittstelle mit kapazitiven Sensoren eingesetzt wird, typischerweise den Wunsch haben, mehr als eine berührungsempfindliche Taste vorzusehen. Weiter ist es in anderen Anwendungen üblich, einen Referenzkanal parallel zu einem ”echten” Erfassungskanal vorzusehen. Zum Beispiel kann in einer Anwendung zur Füllstandsmessung ein Referenzkanal mit einer Referenz-Erfassungselektrode verbunden sein, die sich am Boden eines Behälters befindet, so dass sich im Behälter immer Flüssigkeit in der Nähe befindet. Eine Erfassungselektrode, die mit dem ”echten” Erfassungskanal verbunden ist, kann in der Mitte des Behälters angeordnet werden. Die gemessene Kapazität der Erfassungselektrode, die mit dem ”echten” Erfassungskanal verbunden ist, wird davon abhängig sein, ob sich die Flüssigkeit im Behälter oberhalb oder unterhalb des Punktes in der Mitte befindet (d. h. ob sie sich in der Nähe der Erfassungselektrode befindet oder nicht). Die absoluten Messwerte der Kapazität werden jedoch im Allgemeinen in Abhängigkeit von der Sensortoleranz, Drift und den Eigenschaften der erfassten Flüssigkeit stark variieren. Somit kann es schwierig sein, allein auf der Grundlage einer absoluten Messung der Kapazität festzustellen, ob die Erfassungselektrode des ”echten” Erfassungskanals sich in der Nähe der Flüssigkeit im Behälter befindet oder nicht. Durch Vorsehen des parallelen Referenzkanals kann jedoch die vom ”echten” Erfassungskanal bestimmte Kapazität mit der vom Referenzkanal bestimmten Kapazität verglichen werden. Wenn sie ähnlich sind, kann angenommen werden, dass der Behälter mehr als halb voll ist, wenn sie sich erheblich unterscheiden, kann angenommen werden, dass der Behälter weniger als halb voll ist.
  • 3 zeigt schematisch einen bekannten kapazitiven Zweikanal-Sensor 12. Der Sensor 12 dient zur Messung erster und zweiter Kapazitäten Cx1, Cx2 erster und zweiter Erfassungselektroden 14-1, 14-2 gegenüber einem System-Referenzpotenzial (Masse). Der Zweikanal-Sensor 12 in 3 sieht zwei Erfassungskanäle vor, indem er den Erfassungskanal aus 1 einfach verdoppelt. Der Sensor 12 erfordert vier Anschlüsse P1, P2, P3 und P4 eines geeignet programmierten Mikrocontrollers 16 und zwei Abtastkondensatoren Cs1, Cs2. Die mit den jeweiligen Erfassungselektroden 14-1, 14-2 verbundenen Erfassungskanäle sind tatsächlich vollständig unabhängig voneinander, und jeder arbeitet einzeln auf die oben für den in 1 gezeigten Sensor beschriebene Art und Weise.
  • Sensoren, die noch mehr Kanäle haben, können vorgesehen werden, indem weitere Kopien des in 1 gezeigten einzelnen Sensorkanals hinzugefügt werden. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass es Nachteile hat, einfach n unabhängige Kopien des einzelnen Sensorkanals aus 1 zu verwenden, um einen kapazitiven m-Kanal-Sensor vorzusehen. Zum Beispiel erfordert bei dieser Lösung jeder Sensorkanal zwei Verbindungen zum Controller, so dass insgesamt 2 m Verbindungen, z. B. Mikrocontroller-Anschlüsse, für einen m-Kanal-Sensor benötigt werden. Weiter haben die Erfinder herausgefunden, dass die unabhängige Beschaffenheit der Erfassungskanäle zu Problemen mit der Konsistenz unter den Kanälen führen kann. Zum Beispiel ist eine unterschiedliche Drift zwischen verschiedenen Kanälen weit verbreitet, z. B. weil die Kanäle ihre eigenen unterschiedlichen Abtastkondensatoren haben und diese typischerweise relativ (und unterschiedlich) empfindlich gegen sich ändernde Umgebungsbedingungen sind, wie z. B. Temperatur.
  • In manchen Fällen wird das sich unterschiedlich ändernde Kanal-Ansprechverhalten, das mit bekannten Mehrkanal-Sensoren verbunden ist, als nicht allzu problematisch betrachtet. Zum Beispiel könnte dies der Fall sein, wo jeder Kanal hauptsächlich zur Erkennung temporärer Änderungen seines eigenen Signals dient, wie z. B. in einer einfachen Näherungssensor-Anwendung mit zwei Zuständen. In diesen Fällen ist ein Vergleich mit anderen Kanälen nicht erforderlich, und so ist das sich ändernde relative Ansprechverhalten unterschiedlicher Kanäle kein Problem. In manchen Fällen werden jedoch die relativen Signale von einem Paar von Kanälen der hauptsächlich interessierende Parameter sein. Zum Beispiel dort, wo ein Kanal zum Vorsehen eines Referenzsignals zum Vergleich mit einem anderen Kanal dient, wie es in einer Füllstandssensor-Anwendung der Fall sein könnte.
  • Folglich besteht ein Bedarf an kapazitiven Mehrkanal-Sensoren, die eine verringerte relative Drift zwischen Kanälen vorsehen und die auch bei steigender Zahl von Kanälen weniger Verbindungen als bekannte Mehrkanal-Sensoren erfordern.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein kapazitiver Mehrkanal-Sensor zum Messen der Kapazitäten einer Vielzahl von Erfassungselektroden gegenüber einem System-Referenzpotenzial vorgesehen, wobei der Sensor umfasst: einen Abtastkondensator, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; eine erste Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer ersten Erfassungselektrode gekoppelt ist; eine zweite Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist; und einen Steuerungsschaltkreis, der in der Lage ist, ein Ansteuersignal an den ersten Anschluss des Abtastkondensators anzulegen und ein Vorspannungssignal an den zweiten Anschluss der ersten und/oder zweiten Diode anzulegen, um wahlweise zu verhindern, dass die erste und/oder die zweite Diode das Ansteuersignal durchlässt.
  • Somit können gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung die Kapazitäten von zwei oder mehr Erfassungselektroden gemessen werden, wobei für jede Messung derselbe Abtastkondensator und dieselben Ansteuerkanal-Schaltkreise verwendet werden. Dies kann dazu beitragen, die Drift zwischen den Kanälen zu verringern und so zum Beispiel einen zuverlässigeren Vergleich zwischen gemessenen Kapazitäten erlauben.
  • Die ersten Anschlüsse der Dioden können Anoden und die zweiten Anschlüsse können Kathoden sein, wobei das Ansteuersignal ein relativ zum System-Referenzpotenzial auf einen positiven Wert gehendes Signal umfasst. Hier kann das Vorspannungssignal ein positives Signal umfassen, das an die Kathoden der jeweiligen Dioden angelegt wird. Alternativ können die ersten Anschlüsse der Dioden Kathoden und die zweiten Anschlüsse können Anoden sein, wobei das Ansteuersignal ein relativ zum System-Referenzpotenzial auf einen negativen Wert gehendes Signal umfasst. Hier kann das Vorspannungssignal ein negatives Signal umfassen, das an die Anoden der jeweiligen Dioden angelegt wird.
  • Der Steuerungsschaltkreis kann weiter in der Lage sein, die erste und/oder zweite Erfassungselektrode temporär mit dem System-Referenzpotenzial zu koppeln, um Ladung, die durch das Ansteuersignal mit der ersten und/oder zweiten Erfassungselektrode gekoppelt wurde, wahlweise zu entfernen. Dies erlaubt wiederholte Ladungs-Ansammlungs-Zyklen entsprechend den allgemeinen Prinzipien einer auf Ladungstransfer beruhenden kapazitiven Erfassung.
  • Der Steuerungsschaltkreis kann weiter in der Lage sein, an beide Anschlüsse des Abtastkondensators temporär ein gemeinsames Reset-Signal anzulegen, um Ladung zu entfernen, die durch das Ansteuersignal auf dem Abtastkondensator angesammelt wurde. Hierdurch kann der Sensor vor einer Kapazitätsmessung initialisiert werden. Dies kann in Verbindung mit der Kopplung der ersten und/oder zweiten Erfassungselektrode mit dem System-Referenzpotenzial durchgeführt werden, um alle restliche Ladungen auf diesen Elementen zu entfernen.
  • Der Steuerungsschaltkreis kann weiter in der Lage sein, ein Signal zu messen, das eine Angabe einer Ladungsmenge ist, die durch das Ansteuersignal auf den Abtastkondensator gekoppelt wurde.
  • Die Steuerungseinheit kann in der Lage sein, den zweiten Anschluss des Abtastkondensators mit dem System-Referenzpotenzial zu koppeln, während das Signal gemessen wird, das eine Angabe einer Ladungsmenge ist, die durch das Ansteuersignal auf den Abtastkondensator gekoppelt wurde. Dies sieht eine einfache Art vor, zum Beispiel die Spannung über dem Abtastkondensator zu messen.
  • Das Ansteuersignal kann ein oder mehrere Spannungsübergänge umfassen. Der Steuerungsschaltkreis kann in der Lage sein, den zweiten Anschluss des Abtastkondensators nach jedem Spannungsübergang mit dem System-Referenzpotenzial zu koppeln.
  • Das Signal, das eine Angabe einer Ladungsmenge ist, die durch das Ansteuersignal auf den Abtastkondensator gekoppelt wurde, kann ein Maß für die Spannung am Abtastkondensator sein, nachdem die Steuerung eine vorher festgelegte Anzahl von Spannungsübergängen angelegt hat. Alternativ kann das Signal, das eine Angabe einer Ladungsmenge ist, die durch das Ansteuersignal auf den Abtastkondensator gekoppelt wurde, ein Zählwert einer Anzahl von Spannungsübergängen sein, die von dem Steuerungsschaltkreis angelegt wurden, bevor ein Messwert der Spannung am Abtastkondensator einen Messungs-Schwellwert überschreitet.
  • Der Steuerungsschaltkreis kann weiter in der Lage sein, einen Messwert der Kapazität der ersten Erfassungselektrode mit einem Messwert der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode zu vergleichen.
  • Der Steuerungsschaltkreis kann weiter in der Lage sein, ein Ausgangssignal vorzusehen, das eine Angabe für einen Messwert der Kapazität der ersten und/oder zweiten Erfassungselektrode ist, und/oder ein Signal, das eine Angabe für einen Vergleich eines Messwerts der Kapazität der ersten Erfassungselektrode mit einem Messwert der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode ist.
  • Der kapazitive Mehrkanal-Sensor kann weiter eine dritte Diode enthalten, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer dritten Erfassungselektrode gekoppelt ist, wobei der Steuerungsschaltkreis weiter in der Lage ist, ein Vorspannungssignal an den zweiten Anschluss der dritten Diode anzulegen, um wahlweise zu verhindern, dass die dritte Diode das Ansteuersignal durchlässt.
  • Allgemeiner kann der kapazitive Mehrkanal-Sensor ferner mindestens eine weitere Diode enthalten, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer aus einer entsprechenden mindestens einen weiteren Erfassungselektrode gekoppelt ist, wobei der Steuerungsschaltkreis weiter in der Lage ist, ein Vorspannungssignal an eine oder mehrere aus der mindestens einen weiteren Diode anzulegen, um wahlweise zu verhindern, dass die mindestens eine weitere Diode das Ansteuersignal durchlässt.
  • Der Steuerungsschaltkreis kann einen Mikrocontroller umfassen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung vorgesehen, die einen Mehrkanal-Sensor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung enthält.
  • Die Einrichtung kann zum Beispiel eine berührungsempfindliche Benutzerschnittstelle enthalten, wobei die Erfassungselektroden berührungsempfindliche Flächen vorsehen. In einem weiteren Beispiel kann der Sensor in einer Anwendung zur Füllstandsmessung eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die Einrichtung einen Behälter zur Aufnahme einer variablen Menge eines Materials aufweisen, und der Mehrkanal-Sensor kann angeordnet sein, dass die Kapazität der ersten Erfassungselektrode von einem Stand des Materials in dem Behälter abhängt, und die Kapazität der zweiten Erfassungselektrode nicht von einem Stand des Materials in dem Behälter abhängt, wodurch eine Messung der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode eine Referenzmessung zum Vergleich mit einer Messung der Kapazität der ersten Erfassungselektrode vorsieht.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen der Kapazitäten einer Vielzahl von Erfassungselektroden gegenüber einem System-Referenzpotenzial vorgesehen, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines Abtastkondensators, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; Vorsehen einer ersten Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer ersten Erfassungselektrode gekoppelt ist; Vorsehen einer zweiten Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist; Anlegen eines Ansteuersignals an den ersten Anschluss des Abtastkondensators; und Anlegen eines Vorspannungssignals an den zweiten Anschluss der ersten und/oder zweiten Diode, um wahlweise zu verhindern, dass die erste und/oder die zweite Diode das Ansteuersignal durchlässt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese verwirklicht werden kann, wird nun als Beispiel Bezug auf die begleitende Zeichnung genommen.
  • 1 zeigt schematisch einen bekannten kapazitiven Einkanal-Sensor;
  • 2 ist eine Tabelle, in der eine Schalter-Betätigungssequenz für den kapazitiven Sensor aus 1 schematisch dargestellt ist;
  • 3 zeigt schematisch einen bekannten kapazitiven Zweikanal-Sensor;
  • 4 zeigt schematisch einen kapazitiven Zweikanal-Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 5 ist eine Tabelle, in der eine Schalter-Betätigungssequenz für den kapazitiven Sensor aus 4 schematisch dargestellt ist;
  • 6 zeigt schematisch den kapazitiven Sensor aus 4 in verschiedenen Stufen der Schalter-Betätigungssequenz aus 5; und
  • 7 zeigt schematisch einen kapazitiven Vierkanal-Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Genaue Beschreibung
  • 4 zeigt schematisch einen kapazitiven Mehrkanal-Sensor 22 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Sensor 22 in diesem Beispiel ist ein Zweikanal-Sensor. Ein Zweikanal-Sensor ist die einfachste Form eines Mehrkanal-Sensors, und so wird sich hier für eine leichte Erklärung auf ihn konzentriert. Es ist jedoch einzusehen, dass Ausführungsbeispiele der Erfindung erweitert werden können, um größere Anzahlen von Erfassungskanälen einzuschließen, wie im Folgenden weiter erläutert wird.
  • Der Sensor 22 dient zur Messung der Kapazitäten erster und zweiter Erfassungselektroden 24-1, 24-2 gegenüber einem System-Referenzpotenzial (Masse). Die durch diese jeweiligen Erfassungselektroden vorgesehenen Kapazitäten gegenüber System-Masse können als äquivalent zu Kondensatoren betrachtet werden, welche die Kapazitäten Cx1, bzw. Cx2 aufweisen, wobei bei jedem Kondensator einen seiner Anschlüsse mit einer virtuellen Masse verbunden ist. Diese Kondensatoren können als Erfassungskondensatoren bezeichnet werden. Zusätzlich zu den Erfassungselektroden 24-1, 24-2 umfasst der Sensor 22 einen Mikrocontroller 26, einen Abtastkondensator Cs und erste und zweite Dioden D1, D2. Der Mikrocontroller 26 ist ein programmierbares Allzweck-Bauelement, das konfiguriert ist, in Verbindung mit dem Abtastkondensator Cs und den Dioden D1, D2, die unten beschriebene Funktionalität zum Vorsehen von Signalen vorzusehen, die eine Angabe der Kapazitäten der Erfassungselektroden 24-1, 24-2 sind.
  • Die spezifische Anwendung für den Sensor 22 ist für die Zwecke dieser Beschreibung nicht bedeutsam. In diesem Beispiel wird jedoch angenommen, dass der Sensor 22 in einer Anwendung zur Füllstandserfassung verwendet wird, in der der erste Erfassungskanal (mit der ersten Erfassungselektrode verbunden) eingerichtet ist, einen Kanal zur Erfassung eines Flüssigkeitsstandes vorzusehen, und der zweite Erfassungskanal (mit der zweiten Erfassungselektrode verbunden) eingerichtet ist, einen Referenzkanal vorzusehen. Somit kann in einem Ausführungsbeispiel die erste Erfassungselektrode so angeordnet sein, dass ihre Kapazität gegenüber Masse von dem Pegel einer Flüssigkeit in einem Behälter abhängt, z. B. Benzin in einem Benzintank, während die zweite Erfassungselektrode so angeordnet ist, dass ihre Kapazität gegenüber Masse nicht von dem Pegel einer Flüssigkeit in dem Behälter abhängt. Z. B. kann in einer einfachen Anwendung die erste Erfassungselektrode in der Mitte einer Seitenwand des Behälters angeordnet sein. Die Kapazität der Elektrode ist davon abhängig, ob sich Flüssigkeit in der Nähe der Elektrode befindet – d. h. ob der Behälter mehr oder weniger als halb voll ist. Die zweite Erfassungselektrode kann auf einer unteren Wand des Behälters angeordnet sein. Die Kapazität dieser Elektrode ist dieselbe, unabhängig davon ob der Behälter mehr oder weniger als halb voll ist (solange der Behälter nicht völlig leer ist). Das Vorsehen des Referenzkanals vermeidet es, sich auf eine absolute Messung der Kapazität der ersten Elektrode verlassen zu müssen. Dies ist von Vorteil, da wie oben erwähnt eine absolute Kapazitätsmessung abhängig von den Toleranzen der Schaltkreiselemente, sich ändernden Umgebungsbedingungen und von der Beschaffenheit der erfassten Flüssigkeit beträchtlich variieren kann. Somit wird der Vergleich der Messung eines vom Flüssigkeitsstand abhängigen Signals mit einer Messung eines vom Flüssigkeitsstand unabhängigen Signals (Referenzsignal) von einem Referenzkanal bevorzugt. Der Grund dafür ist, dass durch Vorsehen des parallelen Referenzkanals die vom Füllstands-Erfassungskanal bestimmte Kapazität mit der vom Referenzkanal bestimmten Kapazität verglichen werden kann. Wenn die beiden Kapazitäten gleich sind (oder nahe an einem erwarteten Verhältnis liegen, das von der Elektroden-Geometrie abhängig ist), kann man annehmen, dass der Behälter mehr als halb voll ist, wenn sie sich beträchtlich unterscheiden (oder weit entfernt vom für einen vollen Behälter erwarteten Verhältnis liegen), kann man annehmen, dass der Behälter weniger als halb voll ist.
  • Wie oben erwähnt, ist die spezifische Anwendung für den Sensor 22 jedoch nicht allzu sehr bedeutsam. Zum Beispiel könnte der Zweikanal-Sensor 22 aus 4 ebenso dazu benutzt werden, zwei ”berührungsempfindliche Tasten” analog zur Anwendung des in 3 gezeigten Sensors 12 vorzusehen. Allgemein können Sensoren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung Anwendung in allen der Arten finden, auf die bekannte kapazitive Sensoren eingesetzt werden können. Das heißt, kapazitive Sensoren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung können unter allen Bedingungen eingesetzt werden, in denen bekannte kapazitive Sensoren benutzt werden. Außerdem können, soweit irgendein externer Schaltkreis betroffen ist (z. B. eine übergeordnete Steuerung einer Einrichtung, in der der kapazitive Sensor implementiert ist), kapazitive Sensoren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung auf dieselbe Weise mit dem externen Schaltkreis gekoppelt werden wie bei einem herkömmlichen kapazitiven Sensor.
  • Das Vorsehen der beiden Erfassungskanäle erfordert die Verwendung von vier Anschlüssen des Mikrocontrollers 16, und diese sind in 4 mit P1, P2, P3 und P4 bezeichnet. Die Anschlüsse des Mikrocontrollers 16 können in einer definierten Sequenz auf High-Pegel oder auf Low-Pegel gelegt werden, wenn der Controller ein Programm auf die übliche Weise ausführt. Dies wird in 4 schematisch durch eine Reihe von acht Schaltern S1 bis S8 im Mikrocontroller 16 dargestellt. Schalter S1 verbindet Anschluss P1 wahlweise mit dem Betriebs-Logikpegel +V des Mikrocontrollers – dies entspricht dem Anlegen eines High-Pegels an den Anschluss P1. Der Schalter S2 verbindet Anschluss P1 wahlweise mit dem System-Referenzpotenzial (Masse) des Mikrocontrollers – dies entspricht dem Anlegen eines Low-Pegels an den Anschluss P1. Nur einer oder der andere (oder keiner von beiden) von S1 und S2 kann zu einem beliebigen Zeitpunkt geschlossen sein. Die Schalter S3 und S4, S5 und S6 und S7 und S8 legen auf die gleiche Weise die Anschlüsse P2, P3 und P4 nach Bedarf auf High- oder Low-Pegel.
  • Zusätzlich dazu, dass er in der Lage ist, Anschluss P1 entsprechend seiner Programmbefehle auf High- oder Low-Pegel zu legen, ist der Mikrocontroller auch in der Lage, einen Messungskanal M vorzusehen, der an Anschluss P1 angeschlossen ist (d. h. Anschluss P1 ist ein I/O-Anschluss). Der Messungskanal umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen einfachen Komparator, der eingerichtet ist, eine Eingangsspannung an Anschluss P1 mit einem Schwellwert-Pegel Mthresh zu vergleichen. Typischerweise kann der Schwellwert-Pegel die Hälfte der Betriebsspannung des Mikrocontrollers sein (d. h. Mthresh = +V/2)
  • Der Abtastkondensator Cs hat einen ersten Anschluss 23 und einen zweiten Anschluss 24. Der erste Anschluss 23 ist mit Anschluss P1 des Mikrocontrollers verbunden, und der zweite Anschluss 24 ist mit Anschluss P2 verbunden.
  • Die erste Diode D1 hat einen ersten Anschluss 27 und einen zweiten Anschluss 28. In diesem Beispiel ist der erste Anschluss die Anode und der zweite Anschluss ist die Kathode. Die Anode 27 der ersten Diode D1 ist mit dem zweiten Anschluss 24 des Abtastkondensators elektrisch gekoppelt, z. B. direkt verbunden (und ist daher auch mit Anschluss P2 des Mikrocontrollers 16 gekoppelt). Die Kathode 28 der ersten Diode D1 ist mit der ersten Erfassungselektrode 24-1 und auch mit Anschluss P3 des Mikrocontrollers 16 gekoppelt.
  • Die zweite Diode D2 hat einen ersten Anschluss 29 und einen zweiten Anschluss 30. In diesem Beispiel ist der erste Anschluss die Anode und der zweite Anschluss ist die Kathode. Die Anode 29 der zweiten Diode D2 ist elektrisch mit dem zweiten Anschluss 24 des Abtastkondensators gekoppelt (und ist daher auch mit Anschluss P2 des Mikrocontrollers 16 und der Anode 27 der ersten Diode gekoppelt). Die Kathode 30 der zweiten Diode D2 ist mit der zweiten Erfassungselektrode 24-2 und auch mit Anschluss P4 des Mikrocontrollers 16 gekoppelt.
  • Das dem Zweikanal-Sensor 22 aus 4 zugrunde liegende allgemeine Prinzip ist, dass der Controller 16 wahlweise Vorspannungssignale über die Anschlüsse P3 und P4 an die entsprechenden Dioden D1 und D2 anlegen kann, so dass wahlweise verhindert werden kann, dass die Dioden ein über Anschluss P1 vorgesehenes Ansteuersignal durchlassen. In der Tat erlaubt dies, einen einzelnen Ansteuerkanal (vorgesehen über Anschluss P1 auf allgemein herkömmliche Weise für einen auf Ladungstransfer beruhenden kapazitiven Sensor) und einen einzelnen Abtastkondensator Cs für die Messung der Kapazitäten mehrerer Erfassungselektroden zu verwenden. Das Ansteuersignal kann mit einer ausgewählten einzelnen Erfassungselektrode gekoppelt werden, um die Kapazität der Elektrode zu messen, indem die Diode der anderen Elektrode so mit einer Vorspannung versorgt wird, dass sie das Ansteuersignal nicht durchlässt. Die Kapazitäten der verschiedenen Erfassungselektroden können der Reihe nach mit einer geeigneten Vorspannungsversorgung der verschiedenen Dioden gemessen werden. Zweckmäßigerweise und anders als bei dem in 3 gezeigten Sensor 12 beruhen die verschiedenen Messungen der verschiedenen Kapazitäten der verschiedenen Erfassungselektroden jeweils auf dem selben Abtastkondensator und Ansteuerkanal. Das Vorsehen eines erhöhten Grades an Gemeinsamkeit der Schaltkreiselemente hilft auf diese Weise dabei, eine verringerte Drift zwischen den Kanälen vorzusehen. Zum Beispiel werden die Auswirkungen von Unterschieden der Temperaturabhängigkeiten der Kapazitäten der beiden Abtastkondensatoren Cs1 und Cs2 im Sensor 12 in 3 in Ausführungsbeispielen der Erfindung vermieden.
  • Außerdem und wie weiter unten erläutert wird, wird durch Verwendung eines einzigen gemeinsamen Abtastkondensators für jeden Erfassungskanal die zusätzliche Anzahl von Steuerungsschaltkreis-Verbindungen (Mikrocontroller-Anschlüssen) verringert, die pro zusätzlichem Erfassungskanal benötigt werden. Das Hinzufügen eines dritten Erfassungskanals zum Mehrkanal-Sensor 12 des herkömmlichen Typs in 3 erfordert zwei weitere Anschlüsse. Das Hinzufügen eines dritten Erfassungskanals zu einem Mehrkanal-Sensor gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung kann unter Verwendung nur einer zusätzlichen Verbindung/eines Anschlusses erfolgen (d. h. eine Verbindung zum Vorsehen des Vorspannungssignals für die dritte Diode/des Reset-Signals für die dritte Erfassungselektrode).
  • 5 zeigt eine Tabelle, die schematisch eine Schalter-Betätigungssequenz für den Sensor 22 aus 4 zum Messen der Kapazitäten der Erfassungselektroden 24-1, 24-2 gegenüber System-Masse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Die Sequenz durchläuft eine Reihe von Schritten beginnend bei Schritt 1, wie in der linken Spalte gezeigt. Die Spalten mit der Überschrift S1 bis S8 zeigen den Zustand der jeweiligen Schalter in jedem Schritt. Ein ”X” in der Tabelle kennzeichnet, dass der entsprechende Schalter geschlossen ist, während ein ”0” kennzeichnet, dass der entsprechende Schalter geöffnet ist. Die Spalten mit der Überschrift P1–P2 zeigen den Spannungspegel der entsprechenden Controller-Anschlüsse in jedem Schritt. Ein Tabelleneintrag ”LOW” kennzeichnet, dass der entsprechende Anschluss vom Controller auf Low-Pegel gelegt wird, ein Tabelleneintrag ”HIGH” kennzeichnet, dass der entsprechende Anschluss vom Controller auf High-Pegel gelegt wird, wobei wenn der Anschluss nicht auf High- oder Low-Pegel gelegt wird, sein ”freier” Spannungspegel angegeben wird. Die letzte Spalte enthält kurze Kommentare zu dem Schritt. Die 6A bis 6E zeigen schematisch den Sensor 22 aus 4 in verschiedenen Schritten in der Schalterbetätigungs-Sequenz, wie nun erläutert wird. In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Kapazität der ersten Erfassungselektrode zuerst gemessen wird und die Kapazität der zweiten Erfassungselektrode als zweites gemessen wird.
  • Schritt 1 (dargestellt in 6A) ist ein Initialisierungs-/Reset-Schritt. Die Schalter S2, S4, S6 und S8 sind geschlossen, so dass die Anschlüsse P1, P2, P3 und P4 alle auf Low-Pegel gelegt werden. Hierdurch werden beide Erfassungselektroden 24-1, 24-2 auf Masse gelegt und der Abtastkondensator Cs kurzgeschlossen, so dass sich auf beiden keine Ladung befindet.
  • Schritt 2 (dargestellt in 6B) ist ein Aufladeschritt für den ersten Erfassungskanal, der mit der ersten Erfassungselektrode verbunden ist. In diesem Schritt sind die Schalter S1 und S7 geschlossen. Alle anderen Schalter sind geöffnet. Somit werden die Anschlüsse P1 und P4 auf High-Pegel gelegt, während P2 und P3 potenzialfrei sind. Die an Anschluss P1 vorgesehene Spannung +V lädt somit die Reihenschaltung des Abtastkondensators Cs und des ersten Erfassungskondensators Cx1 auf, der durch die Kapazität der ersten Erfassungselektrode gegenüber Masse vorgesehen ist. Dieses Aufladen beruht auf dem Leiten des Ansteuersignals (d. h. dem Spannungsübergang an Anschluss P1 vom System-Referenzpotenzial (Masse) auf +V) durch die erste Diode D1. Das Ansteuersignal wird von der zweiten Diode D2 nicht durchgelassen, da Anschluss P4 auf High-Pegel gelegt ist, um ein Vorspannungssignal vorzusehen, das verhindert, dass die zweite Diode D2 das Ansteuersignal in Vorwärtsrichtung durchlässt.
  • Somit sehen der Abtastkondensator Cs und der erste Erfassungskondensator Cx1 in diesem Schritt einen kapazitiven Spannungsteiler zwischen +V und Masse vor, wobei ein zusätzlicher Spannungsabfall Vd mit der in Vorwärtsrichtung leitenden ersten Diode D1 verbunden ist. Im Allgemeinen wird Vd wegen der beteiligten relative kleinen Ströme relativ klein sein. Die Spannung an Anschluss P3 ist die Spannung an Cx1. Diese hängt von den relativen Kapazitäten Cs und Cx1 ab. (D. h. V(Cx1) = (V – Vd)·Cs/(Cs + Cx1)). Im Allgemeinen wird auch eine Abhängigkeit von der Kapazität zwischen den Anschlüssen P2 und P3 und Masse vorliegen, z. B. durch interne kapazitive Kopplung im Chip und andere Streukapazitäten. Für die Zwecke dieser Erklärung wird jedoch angenommen, dass diese Streukapazitäten klein sind und ignoriert werden können. Das Vorhandensein dieser Streukapazitäten hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Gesamt-Betrieb von Ausführungsbeispielen der Erfindung. D. h. die Spannung an Anschluss P3 (Spannung an Cx1) kann vernünftigerweise als V(Cx1) ≈ V·Cs/(Cs + Cx1) bezeichnet werden, wobei andere Schaltkreis-Kapazitäten und der Spannungsabfall Vd ignoriert werden. Die Spannung an Anschluss P2 ist die Spannung an Cx1 plus der Spannungsabfall der ersten Diode D1 (D. h. V(P2) = (V(Cx1) + V). Die Spannung über dem Abtastkondensator Cs ist V(Cs), wobei V(Cs) = V – V(P2). D. h. V(Cs) = (V – Vd)·(Cx/(Cs + Cx)). Diese Spannung wird durch die Kapazität Cx2 der zweiten Erfassungselektrode 24-2 nicht beeinflusst, da die in Sperrrichtung geschaltete zweite Diode D2 eine Blockierungs-Wirkung hat, was durch das Vorspannungssignal verursacht wird, das durch Anschluss P4 angelegt wird, der auf High-Pegel gelegt ist.
  • Schritt 3 (dargestellt in 6C) ist ein Messungsschritt für die erste Erfassungselektrode 24-1. In Schritt 3 bleibt Schalter S7 geschlossen, um die Vorspannung für den nicht leitenden Zustand der zweiten Diode D2 aufrecht zu erhalten. Die einzigen anderen geschlossenen Schalter in diesem Schritt sind die Schalter S4 und S6. Somit ist Anschluss P1 potenzialfrei, die Anschlüsse P2 und P3 werden auf Low-Pegel gelegt, und Anschluss P4 bleibt auf High-Pegel. Das Anlegen eines Low-Pegels an Anschluss P3 bedeutet, dass die Ladung auf Cx1 entfernt wird (nach Masse abgeleitet wird). Das Anlegen eines Low-Pegels an Anschluss P2 bedeutet, dass P1 die Spannung V(Cs) erreicht, die sich während des Aufladeschrittes 2 über dem Abtastkondensator Cs aufgebaut hat. Somit ist die Spannung an Anschluss P1 V(Cs) = (V – Vd)·(Cx1/(Cs + Cx1)). Die Spannung an P1 ist somit abhängig von der Kapazität des Erfassungskondensators Cx1, der durch die erste Erfassungselektrode 24-1 vorgesehen wird. Auf eine Weise, die ähnlich der oben für den Einkanal-Sensor 2 aus 1 beschriebenen ist, könnte diese Spannung an Anschluss P1 prinzipiell gemessen werden, um eine Angabe der Kapazität des ersten Erfassungskondensators vorzusehen. In der Praxis wird die durch den einzelnen Ladezyklus in Schritt 2 vorgesehene Spannung V(Cs) jedoch klein sein (weil Cx1 << Cs). Um eine stabilere Messung der Kapazität Cx1 vorzusehen, ist der Sensor 2 in der Lage, die Schritte 2 und 3 wiederholt auszuführen (d. h. ohne den Reset-Schritt 1 auszuführen). Bei jeder Wiederholung der Schritte 2 und 3 wird die Ladung des Abtastkondensators schrittweise erhöht. Somit erhöht sich die Spannung V(Cs) nach jeder Wiederholung der Schritte 2 und 3 asymptotisch in Abhängigkeit von der Größe des Erfassungskondensators Cx1 (der Anstieg ist asymptotisch, weil in aufeinander folgenden Wiederholungen wegen der bereits auf dem Abtastkondensator Cs befindlichen Ladung weniger Ladung hinzugefügt wird). Während dieser schnellen Folge von Ladezyklen wird die zweite Diode im nicht leitenden Zustand gehalten (Schalter S7 geschlossen, um Anschluss P4 auf High-Pegel zu legen). Somit hat die Kapazität der zweiten Erfassungselektrode keine Wirkung auf die Übertragung von Ladung zum Abtastkondensator bei den Übergängen des Ansteuersignals, und nur die Kapazität der ersten Erfassungselektrode beeinflusst dies.
  • In manchen Ausführungsbeispielen kann die Spannung an Anschluss P1 gemessen und als Angabe für Cx1 genommen werden, nachdem eine feste Anzahl von Ladezyklen (d. h. eine Folge von Wiederholungen der Schritte 2 und 3) ausgeführt wurde. Dies kann gut funktionieren, erfordert aber, dass der Messungskanal M des Mikrocontrollers 16 über die Fähigkeit verfügt, eine analoge Spannung zu messen. Somit ist in diesem Ausführungsbeispiel der Controller konfiguriert, statt eine feste Anzahl von Zyklen/Spannungsübergängen auszugeben, die Impulse solange auszugeben (d. h. die Schritte 2 und 3 zu wiederholen), bis die Spannung V(Cs) einen Messungs-Schwellwert Mthresh erreicht. Der Messungs-Schwellwert Mthresh kann zum Beispiel ungefähr die Hälfte des Spannungshubes betragen, der mit den Ansteuersignal-Übergängen verbunden ist, z. B. Mthresh = V/2. Die Anzahl von Ladezyklen, die erforderlich ist, damit die Spannung über dem Abtastkondensator Cs den Messungs-Schwellwert überschreitet (wie durch einen einfachen Komparator bestimmt) ist ein (inverses) Maß für die Kapazität der ersten Erfassungselektrode gegen Masse. Dieses Verfahren der ”variablen Impulsfolgen-Länge” hat den Vorteil gegenüber den Verfahren mit ”fester Impulsfolgen-Länge”, dass ein Komparator anstelle einer komplizierteren Spannungsmessungs-Funktion benutzt wird. Gleichwohl können beide Verfahren gleichermaßen benutzt werden.
  • Somit werden, wie in der Tabelle in 5 gezeigt, die Schritte 2 und 3 wiederholt, bis V(Cs) den Schwellwert Mthresh übersteigt (wie durch einen Komparator im Messungskanal M festgestellt). Wenn dies n1 Zyklen benötigt (d. h. 2n1 Schritte in Wiederholung, was äquivalent zu 1 + 2n1 Schritten insgesamt mit dem anfänglichen Reset-Schritt 1 ist), liefert n1 ein inverses Maß der Kapazität der ersten Erfassungselektrode gegenüber Masse. Hierdurch wird die Messung der Kapazität der ersten Erfassungselektrode gegenüber Masse abgeschlossen (zumindest für den aktuellen Erfassungszyklus). Im Allgemeinen wird der Wert n1 einfach als ein inverser Stellvertreter für die Kapazität behandelt, z. B. zur Benutzung bei der Feststellung, ob die gemessene Kapazität sich gegenüber einer vorherigen Erfassungs-Iteration geändert hat, oder zum Vergleich mit einer anderen gemessenen Kapazität von einem anderen Messungskanal. Das heißt, es wird im Allgemeinen nicht der Versuch unternommen, den gemessenen Parameter n1, der als Angabe für die Kapazität gegenüber einem völlig kalibrierten Kapazitätswert genommen wird, umzuwandeln, z. B. in die Einheit Farad. Die Einzelheiten der speziellen Verwendung und jeder nachfolgenden Verarbeitung der gemessenen Parameter, die eine Angabe der Kapazitäten der Erfassungselektrode sind, werden von der vorliegenden Anwendung abhängen und sind für das Verständnis der Erfindung nicht von Bedeutung.
  • Nachdem er die Kapazität Cx1 der ersten Erfassungselektrode gemessen hat (d. h. nachdem er einen Parameter (n1) gemessen hat, der von der Kapazität abhängt), fährt der Sensor 22 mit der Messung der Kapazität Cx2 der zweiten Erfassungselektrode fort. Die Messung der Kapazität Cx1 der ersten Erfassungselektrode benötigt 1 + 2n1 Schritte (d. h. n1 wiederholte Ladungs-Messungszyklen mit zwei Schritten pro Zyklus plus den anfänglichen Reset-Schritt 1). Mit Bezug auf die in 5 gezeigte Tabelle beginnt die Messung der Kapazität Cx2 der zweiten Erfassungselektrode somit bei Schritt 1 + 2n1 + 1 (d. h. der erste Schritt nach Beendigung der Messung der Kapazität der ersten Elektrode).
  • Die Messung der Kapazität der zweiten Elektrode spiegelt die Messung der Kapazität der ersten Erfassungselektrode eng wider. Bei der Messung der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode arbeiten die Schalter S1 bis S4 in der selben Reihenfolge wie in den entsprechenden Schritten bei der Messung der Kapazität der ersten Elektrode, aber die Sequenzen der Schalter S5 und S6 sind jedoch mit den Sequenzen der Schalter S7 und S8 vertauscht.
  • Somit ist Schritt 1 + 2n1 + 1 (identisch zu Schritt 1 und in 6A dargestellt) ein weiterer Initialisierungs-/Reset-Schritt. Die Schalter S2, S4, S6 und S8 sind geschlossen, so dass die Anschlüsse P1, P2, P3 und P4 alle auf Low-Pegel gelegt werden. Hierdurch werden beide Erfassungselektroden 24-1, 24-2 auf Masse gelegt und der Abtastkondensator Cs kurzgeschlossen, so dass auf keinem der Kondensatoren eine restliche Ladung bleibt.
  • Schritt 1 + 2n1 + 2 (dargestellt in 6D) ist ein Aufladeschritt für den zweiten Erfassungskanal, der mit der zweiten Erfassungselektrode verbunden ist. In diesem Schritt sind die Schalter S1 und S5 geschlossen. Alle anderen Schalter sind geöffnet. Somit werden die Anschlüsse P1 und P3 auf High-Pegel gelegt, während P2 und P4 potenzialfrei sind. Die an Anschluss P1 vorgesehene Spannung +V lädt somit die Reihenschaltung des Abtastkondensators Cs und des zweiten Erfassungskondensators Cx2 auf, der durch die Kapazität der zweiten Erfassungselektrode gegenüber Masse vorgesehen ist. Dieses Aufladen beruht auf dem Leiten des Ansteuersignals durch die zweite Diode D2. Das Ansteuersignal wird von der ersten Diode D1 nicht durchgelassen, da Anschluss P3 auf High-Pegel gelegt ist, um ein Vorspannungssignal vorzusehen, das verhindert, dass die erste Diode D1 das Ansteuersignal in Vorwärtsrichtung durchlässt.
  • Somit sehen in Schritt 1 + 2n1 + 2 der Abtastkondensator Cs und der zweite Erfassungskondensator Cx2 einen kapazitiven Spannungsteiler zwischen +V und Masse vor (in Reihe mit einem zusätzlichen Spannungsabfall Vd, der mit der in Vorwärtsrichtung leitenden zweiten Diode D2 verbunden ist – von dem hier angenommen wird, dass er derselbe ist wie bei der ersten Diode). Die Spannung an Anschluss P4 ist die Spannung an Cx2. Dies hängt von den relativen Kapazitäten Cs und Cx2 ab. (D. h. V(Cx2) = (V – Vd)·Cs/(Cs + Cx2)). Die Spannung an Anschluss P2 ist die Spannung an Cx2 plus der Spannungsabfall der zweiten Diode D2 (D. h. V(P2) = (V(Cx2) + Vd). Die Spannung über dem Abtastkondensator Cs ist V(Cs), wobei V(Cs) = V – V(P2). D. h. V(Cs) = (V – Vd)·(Cx2/(Cs + Cx2)). Diese Spannung wird durch die Kapazität Cx1 der ersten Erfassungselektrode 24-1 nicht beeinflusst, da die in Sperrrichtung geschaltete erste Diode D1 eine Blockierungs-Wirkung hat, was durch das Vorspannungssignal verursacht wird, das durch Anschluss P3 angelegt wird, der auf High-Pegel gelegt ist.
  • Schritt 1 + 2n1 + 3 (dargestellt in 6E) ist ein Messungsschritt für die zweite Erfassungselektrode 24-2. In Schritt 1 + 2n1 + 3 bleibt Schalter S5 geschlossen, um die Vorspannung für den nicht leitenden Zustand der ersten Diode D1 aufrecht zu erhalten. Die einzigen anderen geschlossenen Schalter in diesem Schritt sind die Schalter S4 und S8. Somit ist Anschluss P1 potenzialfrei, die Anschlüsse P2 und P4 werden auf Low-Pegel gelegt, und Anschluss P3 bleibt auf High-Pegel. Das Anlegen eines Low-Pegels an Anschluss P4 bedeutet, dass die Ladung auf Cx2 entfernt wird (nach Masse abgeleitet wird). Das Anlegen eines Low-Pegels an Anschluss P2 bedeutet, dass P1 die Spannung V(Cs) erreicht, die sich während des Aufladeschrittes 2n + 2 über dem Abtastkondensator Cs aufgebaut hat. Somit ist die Spannung an Anschluss P1 (Cs) = (V – Vd)·(Cx2/(Cs + Cx2)). Die Spannung an P1 hängt somit von der Kapazität des Erfassungskondensators Cx2 ab, die von der ersten Erfassungselektrode 24-2 vorgesehen wird. Auf eine Weise, die der oben für den ersten mit der ersten Erfassungselektrode verbundenen Erfassungskanal beschriebenen ähnelt, ist der Sensor 22 in der Lage, die Schritte 2n + 2 und 2n + 3 wiederholt auszuführen (ohne den Reset-Schritt 2n + 1 zu wiederholen). Bei jeder Wiederholung wird die Ladung des Abtastkondensators schrittweise erhöht. Während dieser schnellen Folge von Ladezyklen wird die erste Diode im nicht leitenden Zustand gehalten (Schalter S5 geschlossen, um Anschluss P3 auf High-Pegel zu legen). Somit hat die Kapazität der ersten Erfassungselektrode keine Wirkung auf die Übertragung von Ladung zum Abtastkondensator bei den Übergängen des Ansteuersignals, und nur die Kapazität der zweiten Erfassungselektrode beeinflusst dies.
  • Der Controller ist wieder konfiguriert, die Impulsfolge weiter auszugeben (d. h. die Schritte 1 + 2n1 + 2 und 1 + 2n1 + 3 weiter zu wiederholen), bis die Spannung V(Cs) den Messungs-Schwellwert Mthresh erreicht. Somit werden, wie in der Tabelle in 5 gezeigt, die Schritte 1 + 2n1 +2 und 1 + 2n1 + 3 wiederholt, bis V(Cs) den Schwellwert Mthresh übersteigt (wie durch einen Komparator im Messungskanal M festgestellt). Angenommen, dies benötigt n2 Zyklen (d. h. 2n2 Schritte), liefert n2 ein inverses Maß der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode gegenüber Masse. Hierdurch wird die Messung der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode gegenüber Masse abgeschlossen (für den aktuellen Erfassungszyklus). Folglich wurden nach 1 + 2n1 + 1 + 2n2 Schritten beide Kapazitäten Cx1 und Cx2 gemessen, und der aktuelle Messungs-Erfassungszyklus ist beendet. Die Anzahl der Schritte von 1 + 2n1 + 1 + 2n2 ergibt sich durch die n1 und n2 Wiederholungs-Zyklen für die erste und die zweite Erfassungselektrode plus zwei Reset-/Initialisierungs-Schritte.
  • Somit ist, wie oben beschrieben, der Sensor 22 aus 4 in der Lage, die Kapazität erster und zweiter Erfassungselektroden unter Verwendung der allgemeinen Prinzipien von Ladungstransfer-Verfahren zu messen. Dies erfolgt jedoch auf eine modifizierte Art und Weise, wobei ein einziger Abtastkondensator und ein einziger Ansteuerkanal für beide Messungskanäle benutzt werden. Abhängig von der vorliegenden speziellen Anwendung kann der Mikrocontroller konfiguriert sein, die Signale an eine übergeordnete Steuerung einer Einrichtung auszugeben, in der der Sensor implementiert ist, und dann entweder sofort oder nach einer Verzögerung die Kapazitätsmessungen in einem anderen Erfassungszyklus zu wiederholen.
  • Es ist einzusehen, dass die einzelnen Messungen der Kapazität für jeden Kanal in vieler Hinsicht ähnlich der Art und Weise sind, in der herkömmliche Verfahren für Ladungstransfer-Kapazitätsmessungen arbeiten. Folglich ist zu verstehen, dass viele Eigenschaften der Ladungstransfer-Erfassung, die hier aus Gründen einer kurzen Beschreibung nicht beschrieben werden, leicht in Verbindung mit Ausführungsbeispielen der Erfindung benutzt werden können. Zum Beispiel können beliebige bekannte Signalverarbeitungsverfahren, z. B. zur Driftkompensation, Filterung, usw. und Verfahren, wie automatisches Ein-/Ausschalten und so weiter, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung eingesetzt werden. Weiter werden die typischen Überlegungen bei der Bestimmung der Werte von Schaltkreiskomponenten und Timings aus der herkömmlichen Ladungstransfer-Technologie gut verstanden, zum Beispiel wie in US 5,730,165 und US 6,466,036 beschrieben, die beide in ihrer Gesamtheit hier durch Verweis mit aufgenommen werden.
  • Eine typische Anwendung eines Zweikanal-Sensors der in 4 gezeigten Art kann die Messung einer Kapazität in der Größenordnung von Cx1 = Cx2 = 4 pF sein und einen Abtastkondensator verwenden, der einen Wert Cs = 2 nF hat. Die Dioden können herkömmliche Kleinsignaldioden sein, wie z. B. die Dioden 1N4148. Der Controller kann ein geeignet programmierter Mikrocontroller Tiny44 sein, der von Atmel Corporation erhältlich ist. Die Spannung des High-Pegels +V kann typischerweise 3 V sein. Der Messungs-Schwellwert Mthresh kann typischerweise 1,5 V sein. Die Dauer jedes Schrittes in der Timing-Sequenz kann typischerweise ungefähr 5 μs für Laden und Messen und ungefähr 500 μs für Reset sein. Die Anzahl von Zyklen, die erforderlich sind, in einer einzelnen Kapazitätsmessung den Schwellwert zu erreichen, ist offensichtlich von der gemessenen Kapazität abhängig, kann aber typischerweise in der Größenordnung von 300 liegen. Somit kann eine einzelne Kapazitätsmessung ungefähr 3 ms dauern.
  • Es ist einzusehen, dass der Mikrocontroller in der Praxis konfiguriert sein kann, eine kurze Unterbrechung zwischen den Schritten vorzusehen. Dies ist so, damit während dieser Unterbrechung Schalter, die vom vorherigen Schritt geschlossen sind, geöffnet werden können, bevor offene Schalter für den nächsten Schritt geschlossen werden. Dies kann dazu beitragen, sicherzustellen, dass zum Beispiel mit Bezug auf 5 der Abtastkondensator Cs zwischen Schritt 2 und 3 nicht versehentlich komplett auf +V aufgeladen wird, wenn Schalter S4 schließt bevor Schalter S1 öffnet.
  • Es ist einzusehen, dass die oben beschriebenen Prinzipien auf Mehrkanal-Sensoren erweitert werden können, die mehr als zwei Erfassungskanäle haben.
  • 7 zeigt schematisch einen kapazitiven Mehrkanal-Sensor 42 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Sensor 42 in diesem Beispiel ist ein Vierkanal-Sensor, kann aber eigentlich unendlich auf größere Zahlen an Kanälen erweitert werden, wie durch den Pfeil unten in der Figur schematisch angedeutet.
  • Der Sensor 42 dient somit zur Messung der Kapazitäten erster bis vierter Erfassungselektroden 44-1 bis 44-4 gegenüber einem System-Referenzpotenzial (Masse). Dieser Vierkanal-Sensor 42 ist eine Erweiterung des in 4 bis 6 gezeigten Zweikanal-Sensors 22, und seine grundlegende Funktion wird aus der oben angegebenen Beschreibung des Zweikanal-Sensors 22 verstanden. Zusätzlich zu den vier Erfassungselektroden 44-1 bis 44-4 umfasst der Sensor 42 einen Mikrocontroller 46, einen Abtastkondensator Cs und erste bis vierte Dioden D1–D4. Wie zuvor ist der Mikrocontroller 46 ein programmierbares Allzweck-Bauelement, das in Verbindung mit dem Abtastkondensator Cs und den Dioden D1–D4 konfiguriert ist, Signale vorzusehen, die eine Angabe für die Kapazitäten jeder der vier Erfassungselektroden sind.
  • Das Vorsehen der vier Erfassungskanäle erfordert die Verwendung von sechs Anschlüssen des Mikrocontrollers 46.
  • Diese sind in 7 mit P1 bis P6 bezeichnet. Wie zuvor können die Anschlüsse des Mikrocontrollers 46 auf High- oder Low-Pegel gelegt werden. Dies wird in 7 schematisch durch eine Reihe von zwölf Schaltern S1 bis S12 im Mikrocontroller 46 dargestellt. Die Anschlüsse P1 bis P4 sind mit dem Abtastkondensator Cs, der ersten und zweiten Diode D1, D2 und der ersten und zweiten Erfassungselektrode 44-1, 44-2 auf dieselbe Art und Weise gekoppelt, wie diese Elemente im Zweikanal-Sensor 22 in 4 miteinander gekoppelt sind.
  • Die dritte Diode D3 hat einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. In diesem Beispiel ist der erste Anschluss die Anode, und der zweite Anschluss ist die Kathode. Die Anode der dritten Diode ist elektrisch mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt (und folglich auch mit Anschluss P2 des Mikrocontrollers 46 und den Anoden der anderen Dioden D1, D2, D4). Die Kathode der dritten Diode D3 ist mit der ersten Erfassungselektrode 44-1 und auch mit Anschluss P5 des Mikrocontrollers 46 gekoppelt.
  • Die vierte Diode D4 hat einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. In diesem Beispiel ist der erste Anschluss die Anode, und der zweite Anschluss ist die Kathode. Die Anode der vierten Diode D4 ist elektrisch mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt (und folglich auch mit Anschluss P2 des Mikrocontrollers 46 und den Anoden der anderen Dioden D1 bis D3). Die Kathode der vierten Diode D4 ist mit der vierten Erfassungselektrode 44-4 und auch mit Anschluss P6 des Mikrocontrollers 46 gekoppelt.
  • Der Vierkanal-Sensor 42 misst die Kapazitäten der entsprechenden Erfassungselektroden der Reihe nach. Die ersten beiden werden in der Tat auf dieselbe Weise gemessen, wie oben für den Zweikanal-Sensor beschrieben und unter Verwendung der in 5 für diese Elektroden dargestellten Sequenz. Während dieser ersten beiden Messungen werden die dritten und vierten Dioden (zusammen mit der relevanten der ersten und zweiten Dioden, abhängig davon, welche Kapazität gemessen wird) mit einem Vorspannungssignal versorgt, so dass sie das Ansteuersignal nicht zu ihren entsprechenden Erfassungselektroden durchlassen (d. h. die Anschlüsse P5 und P6 werden auf High-Pegel gehalten).
  • Die Kapazitäten der zusätzlichen Erfassungselektroden werden entsprechend denselben Prinzipien gemessen. Um die Kapazität der dritten Erfassungselektrode zu messen, werden somit die Anschlüsse P1 bis P3 auf dieselbe Weise wie zur Messung der Kapazität der zweiten Elektrode angesteuert (siehe Einstellung der Schalter S1 bis S6 Schritt 1 + 2n +1 bis 1 + 2n + 3 in 5). Wenn die Kapazität der dritten Erfassungselektrode abgetastet wird, wird jedoch Anschluss P4 auf High-Pegel gehalten (um zu verhindern, dass die zweite Diode D2 leitet), und Anschluss P5 wird auf dieselbe Weise angesteuert wie Anschluss P4 angesteuert wird, wenn die Kapazität der zweiten Erfassungselektrode gemessen wird (d. h. Schalter S9 und S10 werden entsprechend der Einstellung für die Schalter S7 und S8 in den Schritten 1 + 2n + 1 bis 1 + 2n + 3 in 5 aktiviert). Anschluss P6 wird durchgehend auf High-Pegel gehalten (Schalter S11 geschlossen), um zu verhindern, dass die vierte Diode D4 leitet.
  • Auf die gleiche Weise werden, um die Kapazität der vierten Erfassungselektrode zu messen, die Anschlüsse P3 bis P6 alle auf High-Pegel gehalten, um zu verhindern, dass die erste bis dritte Diode D1 bis D3 leitet, die Anschlüsse P1 und P2 werden auf dieselbe Weise angesteuert wie beim Messen der anderen Kapazitäten, und Anschluss P6 wird auf dieselbe Weise angesteuert wie Anschluss P4 angesteuert wird, wenn die Kapazität der zweiten Erfassungselektrode gemessen wird (d. h. Schalter S11 und S12 sind entsprechend der Einstellung für die Schalter S7 und S8 in den Schritten 1 + 2n + 1 bis 1 + 2n + 3 in 5 aktiviert.)
  • Dieses Prinzip kann erweitert werden, so dass es eine beliebige Anzahl von Messungskanälen umfasst. Jeder zusätzliche Kanal erfordert nur eine weitere Steuerschaltkreis-Verbindung/Mikrocontroller-Anschluss (d. h. eine Verbindung zum Anlegen eines Vorspannungssignals für die Diode des zusätzlichen Schaltkreises und zum Ableiten der Ladung der zusätzlichen Erfassungselektrode nach Masse.) Somit ist für einen m-Kanal-Sensor die Gesamtzahl von Steuerschaltkreis-Verbindungen 2 + m. Mit einem herkömmlichen Mehrkanal-Sensor der in 2 gezeigten Art erfordert jeder Kanal jedoch unabhängig zwei Steuerschaltkreis-Verbindungen. Somit erfordert ein herkömmlicher m-Kanal-Sensor eine Gesamtzahl von 2 m Steuerschaltkreis-Verbindungen. Somit benötigt ein Sensor mit drei Kanälen (und mehr) gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weniger Steuerschaltkreis-Verbindungen als ein entsprechender Mehrkanal-Sensor, bei dem herkömmliche Techniken eingesetzt werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil in vielen Anwendungen, in denen es oft wünschenswert ist, so viel Funktionalität wie möglich aus so wenigen Steuerschaltkreis-Verbindungen (z. B. Mikrocontroller-Anschlüssen) wie möglich zu erhalten. Zum Beispiel kann ein Mikrocontroller, der acht verfügbare Anschlüsse zur Kapazitätsmessung aufweist, vier Erfassungskanäle gemäß herkömmlicher Technik vorsehen, kann aber sechs Erfassungskanäle gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung vorsehen. Somit kann zum Beispiel eine kompliziertere Benutzerschnittstelle durch denselben Mikrocontroller unterstützt werden, der gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung arbeitet, da mehr ”Tasten” (d. h. sechs Tasten gegenüber vier Tasten) vorgesehen werden können.
  • Es ist einzusehen, dass die oben angegebene Beschreibung hinsichtlich Schaltern hauptsächlich im Kontext eines Mikrocontrollers erfolgt, der verschiedene Ausgangsanschlüsse vorsieht, die auf High- oder Low-Pegel gelegt werden können. Prinzipiell könnte jedoch ein Schaltkreis benutzt werden, in dem diskrete Schalter (Transistoren) benutzt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass in diesem Fall nicht alle in 4 dargestellten Schalter benötigt würden. Zum Beispiel wird Schalter S3 nie geschlossen, da Anschluss P2 nur immer auf Low-Pegel gelegt oder potenzialfrei gelassen wird. Schalter S3 ist trotzdem in 4 gezeigt, um sich an die Tatsache zu halten, dass eine Mikrocontroller-Implementation generell die Fähigkeit hat, Anschluss P2 auf High-Pegel zu legen, auch wenn es in diesem Ausführungsbeispiel nicht erforderlich ist. Bei einer Implementation mit diskreten Schaltkreiselementen kann man Schalter S3 einfach weglassen.
  • Es ist einzusehen, dass obwohl die oben angegebenen Beispiele sich auf Ansteuersignale konzentriert haben, die auf positive Pegel gehen, Ausführungsbeispiele der Erfindung ebenso auf Ansteuersignalen beruhen können, die auf negative Pegel gehen, d. h. vom System-Referenzpotenzial auf –V. Dies kann erzielt werden, indem die Richtungen der Dioden umgekehrt werden und als Vorspannungssignal ein Signal –V vorgesehen wird.
  • Somit wurde ein kapazitiver Mehrkanal-Sensor zur Messung der Kapazitäten einer Vielzahl von Erfassungselektroden gegenüber einem System-Referenzpotenzial beschrieben. Der Sensor umfasst einen Abtastkondensator, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, eine erste Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer ersten Erfassungselektrode gekoppelt ist, und eine zweite Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist. Der Abtastkondensator und die Dioden sind mit einem Steuerungsschaltkreis gekoppelt, der z. B. in einem Mikrocontroller implementiert ist. Der Steuerungsschaltkreis ist in der Lage, ein Ansteuersignal an den ersten Anschluss des Abtastkondensators anzulegen, z. B. eine Reihe von Spannungsimpulsen, während er gleichzeitig ein Vorspannungssignal an den zweiten Anschluss einer oder der anderen der Dioden anlegt, um zu verhindern, dass die Diode das Ansteuersignal durchlässt. Somit können Ladungstransfer-Verfahren benutzt werden, um mehrere Kapazitäten zu messen, wobei ein gemeinsamer Abtastkondensator verwendet wird. Dies trägt dazu bei, die Drift zwischen den Kanälen zu verringern. Weitere Messungskanäle können hinzugefügt werden, indem weitere Dioden und entsprechende Erfassungselektroden vorgesehen werden. Bei drei oder mehr Kanälen benötigt das System nur eine zusätzliche Steuerschaltkreis-Verbindung pro zusätzlichen Kanal.
  • Es ist weiter einzusehen, dass oben in Verbindung mit Aspekten der Erfindung beschriebene Eigenschaften oft ebenso auf andere Aspekte der Erfindung anwendbar sein werden und mit ihnen kombiniert werden können. Insbesondere können Eigenschaften von Ausführungsbeispielen der Erfindung auf jede geeignete Weise kombiniert werden und nicht nur in den speziellen, in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Kombinationen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5730165 [0003, 0071]
    • - US 6466036 [0003, 0071]

Claims (19)

  1. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor zum Messen der Kapazitäten einer Vielzahl von Erfassungselektroden gegenüber einem System-Referenzpotenzial, wobei der Sensor umfasst: einen Abtastkondensator, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; eine erste Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer ersten Erfassungselektrode gekoppelt ist; eine zweite Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist; und einen Steuerungsschaltkreis, der in der Lage ist, ein Ansteuersignal an den ersten Anschluss des Abtastkondensators anzulegen und ein Vorspannungssignal an den zweiten Anschluss der ersten und/oder zweiten Diode anzulegen, um wahlweise zu verhindern, dass die erste und/oder zweite Diode das Ansteuersignal durchlässt.
  2. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 1, wobei die ersten Anschlüsse der Dioden Anoden sind, und die zweiten Anschlüsse der Dioden Kathoden sind, und das Ansteuersignal ein relativ zum System-Referenzpotenzial auf einen positiven Wert gehendes Signal umfasst.
  3. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 1, wobei die ersten Anschlüsse der Dioden Kathoden sind, und die zweiten Anschlüsse der Dioden Anoden sind, und das Ansteuersignal ein relativ zum System-Referenzpotenzial auf einen negativen Wert gehendes Signal umfasst.
  4. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 1, wobei der Steuerungsschaltkreis weiter in der Lage ist, die erste und/oder zweite Erfassungselektrode temporär mit dem System-Referenzpotenzial zu koppeln, um Ladung, die durch das Ansteuersignal mit der ersten und/oder zweiten Erfassungselektrode gekoppelt wurde, wahlweise zu entfernen.
  5. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 1, wobei der Steuerungsschaltkreis weiter in der Lage ist, an beide Anschlüsse des Abtastkondensators ein gemeinsames Reset-Signal anzulegen, um Ladung zu entfernen, die durch das Ansteuersignal auf dem Abtastkondensator angesammelt wurde.
  6. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 1, wobei der Steuerungsschaltkreis weiter in der Lage ist, ein Signal zu messen, das eine Angabe für die Ladungsmenge ist, die durch das Ansteuersignal auf den Abtastkondensator gekoppelt wurde.
  7. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 6, wobei die Steuerungseinheit in der Lage ist, den zweiten Anschluss des Abtastkondensators mit dem System-Referenzpotenzial zu koppeln, während das Signal gemessen wird, das eine Angabe einer Ladungsmenge ist, die durch das Ansteuersignal auf den Abtastkondensator gekoppelt wurde.
  8. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 1, wobei das Ansteuersignal ein oder mehrere Spannungsübergänge umfasst.
  9. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 8, wobei der Steuerungsschaltkreis in der Lage ist, den zweiten Anschluss des Abtastkondensators nach jedem Spannungsübergang mit dem System-Referenzpotenzial zu koppeln.
  10. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 8, wobei das Signal, das eine Angabe einer Ladungsmenge ist, die durch das Ansteuersignal auf den Abtastkondensator gekoppelt wurde, ein Maß für die Spannung am Abtastkondensator ist, nachdem die Steuerung eine vorher festgelegte Anzahl von Spannungsübergängen angelegt hat.
  11. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 8, wobei das Signal, das eine Angabe einer Ladungsmenge ist, die durch das Ansteuersignal auf den Abtastkondensator gekoppelt wurde, ein Zählwert der Anzahl von Spannungsübergängen ist, die von dem Steuerungsschaltkreis angelegt wurden, bevor ein Messwert der Spannung am Abtastkondensator einen Messungs-Schwellwert überschreitet.
  12. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 1, wobei der Steuerungsschaltkreis weiter in der Lage ist, einen Messwert der Kapazität der ersten Erfassungselektrode mit einem Messwert der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode zu vergleichen.
  13. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 1, wobei der Steuerungsschaltkreis weiter in der Lage ist, ein Ausgangssignal vorzusehen, das eine Angabe für einen Messwert der Kapazität der ersten und/oder zweiten Erfassungselektrode ist, und/oder ein Signal, das eine Angabe für einen Vergleich eines Messwerts der Kapazität der ersten Erfassungselektrode mit einem Messwert der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode ist.
  14. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 1, der weiter eine dritte Diode enthält, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer dritten Erfassungselektrode gekoppelt ist, wobei der Steuerungsschaltkreis weiter in der Lage ist, ein Vorspannungssignal an den zweiten Anschluss der dritten Diode anzulegen, um wahlweise zu verhindern, dass die dritte Diode das Ansteuersignal durchlässt.
  15. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 1, der ferner mindestens eine weitere Diode enthält, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer aus einer entsprechenden mindestens einen weiteren Erfassungselektrode gekoppelt ist, wobei der Steuerungsschaltkreis weiter in der Lage ist, ein Vorspannungssignal an eine oder mehrere aus der mindestens einen weiteren Diode anzulegen, um wahlweise zu verhindern, dass die mindestens eine weitere Diode das Ansteuersignal durchlässt.
  16. Kapazitiver Mehrkanal-Sensor aus Anspruch 1, wobei der Steuerungsschaltkreis einen Mikrocontroller umfasst.
  17. Einrichtung, die einen Mehrkanal-Sensor gemäß Anspruch 1 enthält.
  18. Einrichtung aus Anspruch 17, wobei die Einrichtung einen Behälter zur Aufnahme einer variablen Menge eines Materials aufweist, und der Mehrkanal-Sensor so angeordnet ist, dass die Kapazität der ersten Erfassungselektrode von einem Stand des Materials in dem Behälter abhängt, und die Kapazität der zweiten Erfassungselektrode nicht von einem Stand des Materials in dem Behälter abhängt, wodurch eine Messung der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode eine Referenzmessung zum Vergleich mit einer Messung der Kapazität der ersten Erfassungselektrode vorsieht.
  19. Verfahren zur Messung der Kapazität einer Vielzahl von Erfassungselektroden gegenüber einem System-Referenzpotenzial, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines Abtastkondensators, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; Vorsehen einer ersten Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer ersten Erfassungselektrode gekoppelt ist; Vorsehen einer zweiten Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist; Anlegen eines Ansteuersignals an den ersten Anschluss des Abtastkondensators; und Anlegen eines Vorspannungssignals an den zweiten Anschluss der ersten und/oder zweiten Diode, um wahlweise zu verhindern, dass die erste und/oder zweite Diode das Ansteuersignal durchlässt.
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