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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung, insbesondere für eine berührungslose Messung.
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Mit der Einführung moderner Handys, Smartphones und Tablets erlangen kapazitive Sensoren zunehmende Bedeutung. Ihre Anwendung als Näherungs- oder Berührungssensoren ist vielfältig. Neben den bekannten Implementierungen in Bildschirmen oder Touchscreens, kann mit kapazitiven Sensoren etwa festgestellt werden, ob ein Benutzer ein Gerät in der Hand hält oder gerade einen Schalter betätigt.
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Für die Funktionsweise kapazitiver Sensoren, insbesondere als Näherungs- oder Berührungssensoren, spielen kapazitive Kopplungen von Detektionselektroden mit ihrer Umgebung eine besondere Rolle. Nähert sich etwa ein Objekt einer geeigneten Elektrode an, so wird zwischen Objekt und Elektrode eine Kapazität gebildet, die eine gewisse Ladung speichern kann. Dies führt zu einem charakteristischen Stromfluss, der wiederum als Messgröße die kapazitive Kopplung anzeigt.
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Dabei sind meist nicht nur Kopplungen der Elektroden mit einem zu detektierenden Objekt zu berücksichtigen, sondern auch solche, die Eigenschaften des Objekts selbst (beispielsweise Körperkapazitäten) oder weitere elektrische Bauteile einer Schaltung (beispielsweise die Erdung eines Ladegeräts) beschreiben. Zur Detektion der Messströme treten dabei zusätzliche kapazitive Kopplungen und führen so je nach Kapazitätswert zu weiteren möglichen Strompfaden durch das Gesamtsystem. So kann an einer Elektrode eine erhöhte oder erniedrigte Ladung gemessen werden. Ein häufiges Anwendungsbeispiel tritt bei Geräten wie einem Handy oder Smartphone auf, welches von einem Benutzer in der Hand gehalten wird. Je nachdem ob das Gerät an einem Ladegerät angeschlossen ist oder nicht, führt über die kapazitive Kopplung und den Körper des Benutzers ein Strompfad zurück über das geerdete Ladungsgerät. Dieser Strompfad tritt ohne Ladegerät nicht auf. Weitere mögliche Erdungen treten beispielsweise auf bei Verbindungen eines Gerätes mit einem Rechner mittels serieller Bussysteme wie USB (Universal Serial Bus) oder bei Verwendung eines Audio-Ausgangs mit einer Stereoanlage. Auch in diesen und ähnlichen Anwendungsfällen ist es oft wünschenswert zuverlässig eine Berührung- oder Annäherung zu detektieren.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung anzugeben, das über eine höhere Messzuverlässigkeit verfügt.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Sensoranordnung, insbesondere für eine berührungslose Messung, einen Signalgenerator, der mit einer ersten Elektrode verbunden ist. Ein erster Detektor ist ebenfalls mit der ersten Elektrode verbunden. Ein zweiter Detektor ist mit einer zweiten Elektrode verbunden.
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Der erste Detektor ist für eine kapazitive Messung mittels der ersten Elektrode beispielsweise gegen ein Erdpotential eingerichtet. In ähnlicher Weise ist der zweite Detektor dazu eingerichtet, mittels der ersten und der zweiten Elektrode eine kapazitive Messung durchzuführen. Ferner ist der Signalgenerator etwa mit dem Erdpotential verbindbar.
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Der Signalgenerator stellt der Sensoranordnung bevorzugt einen Messstrom zur Verfügung. In Folge einer kapazitiven Kopplung mittels der ersten Elektrode ergibt sich eine erste Kapazität, die mittels des Messstroms auf eine charakteristische Ladung aufgeladen wird. Ist dies der Fall, so misst der erste Detektor ein entsprechendes erstes Signal, welches die kapazitive Kopplung charakterisiert. Ist nun weiter auch die zweite Elektrode kapazitiv gekoppelt, so dass eine weitere Kapazität auch mit der zweiten Elektrode entsteht, so kann der Messstrom sowohl durch die erste Elektrode wie auch die zweite Elektrode fließen. Entsprechend misst der zweite Detektor an der zweiten Elektrode ein charakteristisches zweites Signal und zeigt somit die kapazitive Kopplung der ersten und der zweiten Elektrode an. Das erste und das zweite Signal hängen des Weiteren auch davon ab, ob die kapazitive Kopplung dazu führt, dass der Messstrom auf einem weiteren Weg beispielsweise über den Signalgenerator und dessen Kopplung an das Erdpotential zurückfließen kann.
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Die vorgestellte Sensoranordnung verfügt über eine hohe Messzuverlässigkeit. Insbesondere lässt sich die Detektion mittels des ersten und zweiten Detektors entlang unterschiedlicher Detektionspfade realisieren und somit in der Zuverlässigkeit steigern. Die Detektion wird auf diese Weise weitgehend von den meist unbekannten Kapazitätswerten unabhängig. Darüber hinaus ist es möglich, die gewählten Strompfade in der Sensoranordnung voneinander zu unterscheiden, indem beispielsweise das erste und zweite Signal geeignet verglichen werden. Dabei ist die Sensoranordnung nicht auf zwei Elektroden beschränkt.
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Es kann weiter vorteilhaft sein, mehr als zwei Elektroden vorzusehen, etwa um weitere kapazitive Kopplungen messen zu können. Die bisherigen und folgenden Ausführungen zur Sensoranordnung übertragen sich in analoger Weise auf diese weiteren Elektroden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Detektor dazu eingerichtet, an der ersten Elektrode das erste Signal zu messen, wobei das erste Signal indikativ ist für eine kapazitive Kopplung eines Objektes mit der ersten Elektrode. Ferner ist der zweite Detektor dazu eingerichtet, an der zweiten Elektrode das zweite Signal zu messen, wobei das zweite Signal indikativ ist für eine kapazitive Kopplung des Objektes mit der ersten und zweiten Elektrode.
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Durch kapazitive Kopplung zwischen dem Objekt und der ersten oder zweiten Elektrode wird jeweils eine charakteristische Kapazität gebildet. In erster Näherung werden diese Kapazitäten durch den Abstand zwischen erster bzw. zweiter Elektrode und dem Objekt charakterisiert. Elektrode und Objekt bilden in diesem Sinne gewissermaßen einen Plattenkondensator. Ist im Rahmen dieser Schrift von berührungsloser Messung die Rede, so ist dies so zu verstehen, dass die Elektroden selbst nicht berührt werden, sondern dass der erwähnte Abstand verbleibt. Das Objekt ist durch seine Eigenschaft kapazitiv koppeln zu können charakterisiert. Bildet ein Mensch dieses Objekt, so verfügt dieser in der Regel über eine charakteristische Körperkapazität gegen das Erdpotential.
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Je nach kapazitiver Kopplung und eventuellen weiteren Kopplungen mittels der Körperkapazität folgt der Messstrom unterschiedlichen Detektionspfaden und lädt die mit den Elektroden verknüpften Kapazitäten unterschiedlich auf. Entsprechend der Ladungen an der ersten und/oder zweiten Elektrode ergibt sich das erste und zweite Signal. Das erste und zweite Signal geben somit Auskunft über die kapazitiven Kopplungen und die dominanten Detektionspfade in der Sensoranordnung.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist der erste Detektor dazu eingerichtet, mittels eines Referenzsignals zu messen, ob der Signalgenerator mit dem Erdpotential verbunden ist.
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Der Signalgenerator kann mit dem Erdpotential verbunden sein. Dies ist in einer typischen Anwendung etwa dann der Fall, wenn ein Ladegerät an einem Gerät angeschlossen ist, welches die Sensoranordnung umfasst. Durch kapazitive Kopplung des Signalgenerators gegen das Erdpotential eröffnet sich ein Detektionspfad, der über das Objekt und den Signalgenerator zurück auf die erste Elektrode führt. Dies kann durch Vergleich mit dem Referenzsignal gemessen werden. Der Betrag des Referenzsignals ist grundsätzlich einstellbar und kann gemäß der Erfahrung des Nutzers vorgegeben sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der erste und zweite Detektor jeweils wenigstens einen Detektionsverstärker. An dem wenigstens einen Detektionsverstärker des ersten Detektors ist das erste Signal und ein erstes Referenzsignal zuführbar. Der Detektionsverstärker stellt ein erstes Detektionssignal in Abhängigkeit des ersten Signals und des ersten Referenzsignals bereit.
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An dem wenigstens einen Detektionsverstärker des zweiten Detektors ist das zweite Signal und ein zweites Referenzsignal zuführbar. Der Detektionsverstärker stellt ein zweites Detektionssignal in Abhängigkeit des zweiten Signals und des zweiten Referenzsignals bereit.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die erste Elektrode mittels eines ersten Schalters mit dem ersten Detektor und dem Signalgenerator verbunden. Der Signalgenerator ist zudem mit dem zweiten Detektor mittels eines zweiten Schalters verbunden. Dazu weist der zweite Detektor einen weiteren Detektionsverstärker auf, dem das zweite Signal und ein drittes Referenzsignal zuführbar ist. Der weitere Detektionsverstärker stellt ein drittes Detektionssignal in Abhängigkeit des zweiten Signals und des dritten Referenzsignals bereit.
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Grundsätzlich ist es möglich und vorgesehen, dass nur eine der Elektroden oder die erste und zweite Elektrode kapazitiv koppeln. Es kann jedoch erforderlich sein, dass eine Näherung oder Berührung nur dann detektiert wird, wenn sowohl die erste und die zweite Elektrode kapazitiv koppeln. Dies wird durch geeignete Schaltabfolgen des ersten und zweiten Schalters ermöglicht. Eine mögliche Schaltabfolge umfasst etwa ein Schalten nur des ersten, ein Schalten nur des zweiten und dann ein Schalten des ersten und zweiten Schalters gemeinsam. Aus den an den Detektionsverstärkern gemessenen Signalen, lässt sich eindeutig bestimmen, ob sowohl die erste und die zweite Elektrode kapazitiv koppeln.
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Es kann weiterhin vorteilhaft sein, einen dritten Schalter vorzusehen, der den weiteren Detektionsverstärker wahlweise mit dem zweiten Signal verbindet. Auf diese Weise lassen sich Schaltabfolgen realisieren, die sukzessive die verwendeten Detektionsverstärker individuell für die Messung einer kapazitiven Kopplung abrufen.
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In einer weiteren Ausführungsform sind der erste und/oder zweite Detektor mit einer Ladungsmessvorrichtung gekoppelt. Die Ladungsmessvorrichtung stellt das erste oder zweite Signal bereit.
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Die mittels der ersten und zweiten Elektrode messbaren Ladungen oder Ströme sind in der Regel sehr klein. Es ist daher vorteilhaft, mittels der Ladungsmessvorrichtung das erste und zweite Signal zu verstärken.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist die, Ladungsmessvorrichtung einen Integrator auf. An dem Integrator liegt eine erste Messreferenz an und dem ersten oder dem zweiten Detektor wird mittels eines Ausgangs das erste oder zweite Signal zugeführt. Ein erster Messschalter koppelt wahlweise entweder einen Eingang des Integrators oder eine zweite Messreferenz mit der ersten oder zweiten Elektrode.
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Zum Verstärken des ersten und/oder zweiten Signals wird der Integrator innerhalb aufeinanderfolgender Messzyklen aufgeladen. Die Messzyklen erfolgen in Abhängigkeit des ersten Messschalters und der ersten und zweiten Messreferenz. Auf diese Weise wird schrittweise das erste oder zweite Signal verstärkt und mit einer charakteristischen Kapazität des Integrators skaliert.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist eine Kippstufe eingangsseitig mit einem ersten und einem zweiten Hilfsverstärker verbunden. Dabei liegt die erste Messreferenz an dem ersten Hilfsverstärker und die zweite Messreferenz an dem zweiten Hilfsverstärker an. Die Kippstufe stellt ausgangsseitig ein Ausgangssignal bereit, welches dem ersten oder zweiten Detektor zuführbar ist. Ein zweiter Messschalter ist mittels des Ausgangssignals derart steuerbar, dass der zweite Messschalter entweder eine erste oder zweite Konstantstromquelle elektrisch mit Eingängen des ersten und zweiten Hilfsverstärkers verbindet und so mit der ersten oder zweiten Elektrode koppelt.
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Die Kippstufe der Ladungsmessvorrichtung wird zyklisch betrieben. Dazu wird die erste oder zweite Elektrode zunächst mittels der ersten Konstantstromquelle und dem zweiten Messschalter auf die erste Referenz geladen. An der Kippstufe wird dann das Ausgangssignal so eingestellt, dass der zweite Messschalter auf die zweite Konstantstromquelle schaltet. Daraufhin erfolgt mittels der ersten oder zweiten Elektrode und der zweiten Konstantstromquelle eine Entladung bis die zweite Referenz erreicht ist. An der Kippstufe wird dann das Ausgangssignal so eingestellt, dass der zweite Messschalter wiederum auf die erste Konstantstromquelle schaltet.
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Das Ausgangssignal der Kippstufe hat die Dimension einer Frequenz mit der der zweite Messschalter zwischen der ersten und zweiten Konstantstromquelle schaltet. Diese Frequenz ist der Kapazität einer kapazitiven Kopplung proportional und erlaubt somit eine Kapazitäts- bzw. Näherungssmessung. Mit Hilfe der Konstantstromquellen kann zudem die Messung skaliert werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Kippstufe eingangsseitig mit dem ersten und dem zweiten Hilfsverstärker verbunden. Dabei liegt die erste Messreferenz an dem ersten Hilfsverstärker und die zweite Messreferenz an dem zweiten Hilfsverstärker an. Die Kippstufe stellt ausgangsseitig ein Ausgangssignal bereit. Zudem ist eine Phasenregelschleife vorgesehen, der das Ausgangssignal und eine Regelreferenz zuführbar sind. Die Phasenregelschleife stellt ein Regelungssignal bereit, welches dem ersten oder zweiten Detektor zugeführt wird. Die erste und zweite einstellbare Stromquelle sind dann jeweils in ihrer Stromstärke mittels des Regelungssignals einstellbar.
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Die Phasenregelschleife reguliert zusätzlich die nunmehr einstellbaren Stromquellen derart, dass das Ausgangssignal der Kippstufe der Regelreferenz entspricht. Somit wird der zweite Messschalter mit einer konstanten Frequenz geschaltet. Ist dieser Zustand eingestellt, sind die Stromstärken der ersten und zweiten einstellbaren Stromquelle proportional zur Kapazität einer mit der ersten und/oder zweiten Elektrode gekoppelten Kapazität. Aufgrund des Regelungscharakters der Phasenregelschleife können Störungen durch Umwelteinflüsse wirksam kompensiert werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die erste und/oder zweite Elektrode eine kapazitive Abschirmung.
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Die kapazitive Abschirmung dient dem Schutz der Elektroden vor parasitären Kapazitäten, wie sie etwa in elektronischen Leiterbahnen und Flächen auftreten können. Diese äußern sich zum Beispiel in Störströmen, die jede Kapazitätsmessung beeinflussen würden. Bevorzugt werden die Störströme mittels der kapazitiven Abschirmung abgeführt.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist die kapazitive Abschirmung eine Spannungsnachführung auf.
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Die Spannungsnachführung verfolgt die jeweils an den Elektroden anliegende Spannung und gleicht Spannungsschwankungen infolge parasitärer Kapazitäten aus. Auf diese Weise wird verhindert, dass Störströme an den jeweiligen Elektroden entstehen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens eine weitere Elektrode vorgesehen. Dieser weiteren Elektrode ist ein vierter Detektor zur kapazitiven Messung zugeordnet.
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Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Sensoranordnung, insbesondere für eine berühungslose Messung, umfasst zunächst ein Bereitstellen eines Signalstroms. Eine erste kapazitive Messung wird mittels einer ersten Elektrode gegen ein Erdpotential durchgeführt. Eine zweite kapazitive Messung wird mittels der ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode durchgeführt.
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Das vorgestellte Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung verfügt über eine hohe Messzuverlässigkeit. Insbesondere lässt sich die Detektion mittels der ersten und zweiten Elektrode entlang unterschiedlicher Detektionspfade realisieren und somit in der Zuverlässigkeit steigern. Die Detektion wird auf diese Weise weitgehend von meist unbekannten Kapazitätswerten unabhängig. Darüber hinaus ist es möglich, die gewählten Strompfade voneinander zu unterscheiden, indem beispielsweise das erste und zweite Signal geeignet verglichen werden. Dabei ist das Verfahren nicht auf zwei Elektroden beschränkt.
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Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird mittels eines ersten Detektionspfades ein erstes Signal gemessen, das indikativ ist für eine kapazitive Kopplung eines Objektes mit der ersten Elektrode. Mittels eines zweiten Detektionspfades wird ein zweites Signal gemessen. Dieses zweite Signal ist indikativ für eine kapazitive Kopplung des Objekts mit der ersten und zweiten Elektrode.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die Ergebnisse der ersten und zweiten kapazitiven Messung zum gegenseitigen Kalibrieren verwendet.
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Mit Hilfe des ersten und zweiten Signals können die Detektionspfade innerhalb der Sensoranordnung abgeschätzt werden. Beispielsweise sind Aussagen darüber möglich, ob und in welchem Maße eine kapazitive Kopplung an das Erdpotential vorliegt.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Soweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen:
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1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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3 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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4 eine beispielhafte Ladungsmessvorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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5 eine weitere beispielhafte Ladungsmessvorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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6 eine weitere beispielhafte Ladungsmessvorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, und
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7 eine beispielhafte kapazitive Abschirmvorrichtung für eine Elektrode nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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1 zeigt eine beispielhafte Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Sensoranordnung umfasst einen ersten und einen zweiten Detektor DET1, DET2. Der erste und zweite Detektor DET1, DET2 sind jeweils für eine kapazitive Näherungs- oder Berührungsmessung eingerichtet. Dazu ist der erste Detektor DET1 mit einer ersten Elektrode EL1 und der zweite Detektor DET2 mit einer zweiten Elektrode EL2 verbunden, mittels denen die jeweilige Messung erfolgt. Darüber hinaus ist ein Signalgenerator SRC mit der ersten Elektrode EL1 verbunden.
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Mit der Sensoranordnung lassen sich berührungslos Annäherungen oder Berührungen eines Objektes 1 mittels der ersten oder zweiten Elektrode EL1, EL2 messen. Die Elektroden sind dabei beispielsweise in einem mobilen Endgerät wie einem Handy, Smartphone oder ähnlichem Gerät integriert. Das Objekt 1 kann auf unterschiedlichen Detektionspfaden kapazitiv mit den Elektroden EL1, EL2 gekoppelt sein. Das Objekt 1 kann beispielsweise durch einen menschlichen Körper, etwa eine Hand oder einen Finger repräsentiert und durch eine charakteristische Kapazität CGND2 beschrieben werden.
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Durch Annäherung oder Berührung des Objektes 1 etwa mit einem Gehäuse eines mobilen Endgeräts oder Schalters werden an der ersten und/oder zweiten Elektrode EL1, EL2 Kapazitäten CEL1, CEL2 gebildet. Die jeweilige Kapazität kann dabei durch einen abstand d zwischen Elektrode El1, EL2 und dem Objekt 1 charakterisiert sein, die gleichsam die Platten eines Kondensators bilden. Dies ist in der 1 durch die charakteristischen Kapazitäten CEL1, CEL2 dargestellt. Das Objekt 1, beispielsweise der Körper oder Körperteil eines Menschen, ist in der Regel kapazitiv mit der charakteristischen Kapazität CGND2 an das Erdpotential GND gekoppelt. Ist zudem der Signalgenerator SRC, beispielsweise das Ladegerät oder die Versorgungsbatterie eines mobilen Endgeräts, ebenfalls kapazitiv mittels einer Kapazität CGND1 an das Erdpotential GND gekoppelt, so schließt sich der erste Detektionspfad, der somit von dem Signalgenerator SRC zurück auf die erste Elektrode EL1 führt.
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In Abhängigkeit eines von dem Signalgenerator SRC zur Verfügung gestellten Stromes ISRC fließt entlang des ersten Detektionspfades ein charakteristischer Strom, der die Annäherung oder Berührung des Objektes 1 anzeigt. Die Detektion dieser Annäherung erfolgt mittels des ersten Detektors DET1. Der erste Detektor DET1 misst alternativ den durch die erste Elektrode EL1 fließenden Strom oder die in der Kapazität CEL1 gespeicherte Ladung in Form eines ersten Signals QEL1. Dieses erste Signal QEL1 wird dem ersten Detektor DET1 zugeführt. In dieser wie den folgenden Figuren ist mit einem Kreis jeweils eine Strom- oder Ladungsmessung gekennzeichnet, die beispielsweise durch das erste Signal QEL1 charakterisiert wird.
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An dem ersten Detektor DET1 liegt zudem ein erstes Referenzsignal QDET1 an, mit dem das erste Signal QEL1 verglichen werden kann. Aufgrund dieses Vergleichs, beispielsweise durch geeignete Verstärker oder Komparatoren, stellt der erste Detektor DET1 ein charakteristisches Signal VDET1 bereit, das zur weiteren Verarbeitung die Annäherung des Objektes 1 anzeigt.
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Des Weiteren ist es ergänzend möglich, mit Hilfe des ersten Detektors DET1, festzustellen, ob der Signalgenerator SRC an das Erdpotential GND angeschlossen ist. Dazu liegt beispielsweise am ersten Detektor DET1 eine zweite Referenz QGND an, die ebenfalls mit dem ersten Signal QEL1 verglichen wird. Als Ergebnis dieses Vergleichs stellt der erste Detektor DET1 ein weiteres Signal VGND zur Verfügung, das anzeigt, ob der Signalgenerator SRC an das Erdpotential GND angeschlossen ist oder nicht. Die Signalpegel der Referenzen QDET1, QGND sind wählbar und als Näherungsgrößen einstellbar.
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Ein zweiter Detektionspfad führt von dem Signalgenerator SRC über die erste Elektrode EL1 und das Objekt 1 zur zweiten Elektrode EL2 und dem zweiten Detektor DET2. Durch Berührung des Objektes 1 an der ersten Elektrode EL1 und der zweiten Elektrode EL2 werden mit Hilfe des zweiten Detektors DET2 eine erste und zweite charakteristische Kapazität CEL1, CEL2 gemessen. Dazu fließt der durch den Signalgenerator SRC bereitgestellte Strom ISRC durch die erste Elektrode EL1 zur zweiten Elektrode EL2. Der zweite Detektor DET2 misst ein zweites Signal QEL2 an der zweiten Elektrode EL2, welches der Ladung auf der Kapazität CEL2 proportional ist. Das zweite Signal QEL2 wird mit einer zweiten Referenz QDET2 mittels des zweiten Detektors DET2 verglichen. Daraufhin stellt der zweite Detektor DET2 ein Vergleichssignal VDET2 zur Verfügung, das anzeigt, ob sich das Objekt 1 an die Elektroden EL1, EL2 angenähert hat oder nicht.
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Mit Hilfe der vorgestellten Sensoranordnung sind also wenigstens zwei Detektionspfade zur Detektion einer Annäherung oder Berührung möglich. Welcher der Detektionspfade in einer konkreten Anwendung dominiert, ist von den Kapazitäten CGND1, CGND2 abhängig. Sind die Kapazitäten CGND1 und CGND2 groß, so wird dies durch das Signal VDET1 angezeigt, denn der Strom, der durch die erste Elektrode EL1 fließt, wird gegenüber dem Strom ISRC ansteigen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn, beispielsweise in einem batteriebetriebenen System, der Signalgenerator SRC an ein Ladegerät und damit an das Erdpotential GND angeschlossen ist. Mit anderen Worten fließt im ersten Detektionspfad ein Strom zurück auf die Elektrode EL1 und überlagert sich dem Signalstrom ISRC. Sind hingegen die Kapazitäten CGND1 und CGND2 klein, und beispielsweise das Ladegerät nicht angeschlossen, kann eine Annäherung und Berührung durch den zweiten Detektor DET2 mittels des zweiten Signals VDET2 angezeigt werden. Der Strom ISRC fließt nunmehr durch die erste Elektrode EL1 zur zweiten Elektrode EL2 und führt zu dem beschriebenen zweiten Signal QEL2.
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Die beschriebene Sensoranordnung verfügt über eine höhere Zuverlässigkeit für die Messung von Annäherung und Berührung beispielsweise eines mobilen Endgerätes, in dem die Schaltung integriert ist. Sie ist insbesondere in Systemen anwendbar, die wahlweise geerdet oder auch ungeerdet sind. Zusätzlich ist es möglich, zwischen einem geerdeten und einem ungeerdeten Zustand des Systems zu unterscheiden. Dazu werden die an dem ersten Detektor DET1 anliegenden Referenzsignale unterschiedlich und nach der jeweiligen Anwendung gezielt eingestellt. Beispielsweise kann gelten: QREF > QDET1.
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Die Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist hier für jeweils zwei Elektroden dargestellt. Das vorgestellte Prinzip lässt sich jedoch in einfacher Weise auf mehr als zwei Elektroden verallgemeinern. Dazu müssen entsprechend weitere Detektoren den zusätzlichen Elektroden zugeordnet werden. Die in dieser Schrift vorgestellten Überlegungen und Ausführungen übertragen sich in analoger Weise auf die weiteren Elektroden und Detektoren.
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2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Ergänzend zu der in 1 gezeigten Sensoranordnung sind der erste und zweite Detektor DET1, DET2 mit Hilfe von Verstärkern weiter ausgeführt. In diesem Beispiel umfasst der erste Detektor DET1 einen ersten und zweiten Detektionsverstärker AMP11, AMP12. Dabei liegt am ersten Detektionsverstärker AMP11 die erste Referenz QDET1 und am zweiten Detektionsverstärker AMP12 die Referenz QGND an. Beide Detektionsverstärker AMP11, AMP12 sind an das erste Signal QEL1 angeschlossen. Der erste Detektionsverstärker AMP11 stellt das Signal VDET1 und zweite Verstärker AMP12 das Signal VGND zur Verfügung. Der zweite Detektor DET2 umfasst beispielsweise einen dritten Detektionsverstärker AMP2, dessen erster Eingang an das zweite Signal QEL2 angeschlossen ist und über einen Widerstand R1 mit einem Ausgang des Verstärkers AMP2 gekoppelt ist. An einem zweiten Eingang des Detektionsverstärkers AMP2 liegt die zweite Referenz QDET2, die beispielsweise dem Erdpotential GND entspricht.
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3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Sensoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Gezeigt ist die Sensoranordnung in Anlehnung an 2, wobei der zweite Verstärker AMP12 im ersten Detektor DET1 aus Übersichtsgründen nicht gezeigt ist. Abweichend und ergänzend zu 2 ist die erste Elektrode EL1 mittels eines ersten Schalters S1 an den Signalgenerator SRC und den ersten Detektor DET1 gekoppelt. Zudem führt ein zweiter Schalter S2 den Signalgenerator SRC auf die Verbindungsleitung der zweiten Elektrode EL2 und den ersten Eingang des Verstärkers AMP2. Des Weiteren ist ein dritter Verstärker AMP3 mittels eines dritten Schalters S3 mit einem ersten Eingang an das zweite Signal QEL2 beziehungsweise der zweiten Elektrode EL2 verbunden. An einem zweiten Eingang des dritten Verstärkers AMP3 liegt eine dritte Referenz QDET3 an. Der dritte Verstärker AMP3 stellt ein drittes Detektionssignal VDET3 zur Verfügung.
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Mit Hilfe des ersten, zweiten und dritten Schalters S1, S2, S3 lassen sich unterschiedliche Schalterstellungen realisieren und Teile der Sensoranordnung elektrisch leitend verbinden. Auf diese Weise lässt sich durch geeignete Schaltabfolgen feststellen, ob das Objekt 1 mit einer oder beiden Elektroden EL1, EL2 kapazitiv gekoppelt ist.
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Ist etwa nur der erste Schalter S1 geschlossen, so fließt ein Strom durch die erste Elektrode EL1. Berührt das Objekt 1 nunmehr nur die erste Elektrode EL1, so ist nur mit Hilfe des ersten Detektors DET1 das erste Signal QEL1 messbar. Berührt das Objekt 1 jedoch auch die zweite Elektrode EL2, so ist zusätzlich das zweite Signal QEL2 an der zweiten Elektrode EL2 mit Hilfe des zweiten und dritten Detektors DET2, DET3 messbar. Dies erfolgt mit Hilfe des zweiten Verstärkers AMP2 und des dritten Verstärkers AMP3.
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Ist nur der zweite Schalter S2 geschlossen, messen der zweite und dritte Detektors DET2, DET3 den Strom ISRC als Referenz.
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Sind hingegen beide Schalter S1, S2 geschlossen messen der zweite und dritte Detektor DET2, DET3 unterschiedliche Signale QEL2, je nachdem, ob das Objekt 1 mit beiden Elektroden EL1, EL2 kapazitive gekoppelt ist.
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Mit Hilfe des ersten und zweiten Schalters S1, S2 und geschlossenem dritten Schalter S3 erfolgt die Detektion von Ladungen beziehungsweise Stromfluss durch die Elektroden separat für jede der beiden Elektroden EL1, EL2. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass eine Annäherung oder Berührung der Elektroden durch das Objekt 1 nur dann detektiert wird, wenn beide Elektroden zusammen berührt oder angenähert sind. Dies ist beispielsweise vorteilhaft für den Nachweis, ob ein beispielsweise mobiles Endgerät von seinem Benutzer in der Hand gehalten wird.
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4 zeigt eine beispielhafte Ladungsmessvorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Gezeigt ist beispielhaft der erste Detektor DET1 mit dem ersten Detektionsverstärker AMP11 und dem ersten Referenzsignal QDET1. Das erste Signal QEL1 wird dem Detektionsverstärker AMP11 mittels der Ladungsmessvorrichtung CDET zugeführt. Die Ladungsmessvorrichtung CDET umfasst dazu einen Integrator INT. Der Integrator INT weist einen Hilfsverstärker AUX auf, dessen erster Eingang – mit einem Ausgang über eine Kapazität CQ verbunden ist. Ein Resetschalter SRESET verbindet ebenfalls den Ausgang mit dem Eingang – des Hilfsverstärkers AUX. Der Eingang – ist zudem über einen weiteren Schalter SCYCLE mit der ersten Elektrode EL1 elektrisch leitend verbindbar. Der Messschalter SCYCLE ist zusätzlich mit einer ersten Messreferenz REF1 verbindbar. An einem zweiten Eingang + des Hilfsverstärkers AUX liegt eine zweite Messreferenz REF2 an.
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Mit Hilfe der Ladungsmessvorrichtung CDET auf Basis des Integrators INT lassen sich unterschiedliche Messschritte durchführen, die zum Ziel haben, das erste Signal QEL1 zu verstärken. Dazu wird zunächst die Messkapazität CQ durch Schließen des Resetschalters SRESET entladen. In der Folge ist dann der Messschalter SRESET offen. In einem folgenden Schritt wird der Messschalter SCYCLE zunächst mit der Messreferenz
1 verbunden. Nähert sich beispielsweise das Objekt
1 nunmehr der Elektrode
1, fließt über die erste Elektrode
1 der Kopplungskapazität CEL1 über das Objekt
1 mit einer Kapazität CGND2 und bei angeschlossenem Ladegerät über die Kapazität CGND1 ein Strom, der der Messreferenz REF1 entspricht. Die Summe aus den genannten Kapazitäten wird somit auf die Messreferenz 1 geladen:
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In einem folgenden Schritt wird der Messschalter SCYCLE auf den Eingang des Hilfsverstärkers AUX, beispielsweise einem Operationsverstärker, geschaltet. Dadurch wird die Kapazität CEL1 und bei Berührung durch das Objekt
1 auch die Körperkapazität CGND2 auf die zweite Messreferenz REF2 aufgeladen. Auf diese Weise wird ein Strom erzeugt, der proportional ist zur Differenz der Messreferenzen:
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Dieser Strom IQ wird auf die Messkapazität CQ integriert, in dem in verschiedenen aufeinanderfolgenden Zyklen mittels des Messschalters SCYCLE die entsprechenden Ströme generiert und entsprechend auf die Messkapazität CQ addiert werden.
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So wird schrittweise das erste Signal QEL1 als eine Spannung VQ generiert, die der Kapazität an der ersten Elektrode EL1 proportional ist. Diese ist durch den Proportionalitätsfaktor gemäß der Kapazität der Messkapazität CQ skaliert.
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5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Ladungsmessvorrichtung. Gezeigt ist eine weitere Ladungsmessvorrichtung CDET, die beispielsweise zur Messung mit der ersten Elektrode EL1 ausgestaltet ist. Eine bistabile Kippstufe FL ist eingangsseitig mit einem ersten und einem zweiten Hilfsverstärker AUX1, AUX2 verbunden. An Eingängen des ersten und zweiten Hilfsverstärkers AUX1, AUX2 liegen jeweils die erste und zweite Messreferenz REF1, REF2 an. Zwei weitere Eingänge des ersten und zweiten Hilfsverstärkers AUX1, AUX2 sind untereinander so verschaltet, dass sie mit der ersten Elektrode EL1 und einem weiteren Messschalter SSLOPE verbunden sind.
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Ausgangsseitig stellt die Kippstufe FL ein Ausgangssignal fOUT bereit, das beispielsweise dem ersten Detektor DET1 zuführbar ist. Das Ausgangssignal fOUT wird ferner auf den weiteren Messschalter SSLOPE zurückgeführt und zu dessen Steuerung verwendet. In Abhängigkeit des Ausgangssignals fOUT kann entweder eine erste Konstantstromquelle IH oder eine zweite Konstantstromquelle IL mit der ersten Elektrode EL1 elektrisch leitend verbunden werden. Diese Stromquellen IH, IL werden dann alternativ ebenfalls auf die Eingänge der Hilfsverstärker AUX1, AUX2 geschaltet.
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Beispielhaft kann die vorgestellte Ladungsmessvorrichtung CDET wie folgt verwendet werden. Zunächst wird die erste Elektrode EL1 mit Hilfe der ersten Konstantstromquelle IH geladen, bis diese eine Ladung entsprechend der ersten Messreferenz REF1 aufweist. Umschalten des Messschalters SSLOPE auf die zweite Konstantstromquelle IL führt dazu, dass die erste Elektrode EL1 so weit entladen wird, bis sie eine Ladung entsprechend der zweiten Messreferenz REF2 aufweist. Ist dies der Fall, startet der beschriebene Zyklus von neuem indem der Messschalter SSLOPE auf die erste Stromquelle IH schaltet.
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Das Ausgangssignal fOUT der Kippstufe hat die Dimension einer Frequenz und beschreibt das zyklische Auf- bzw. Entladen der ersten Elektrode EL1. Das Ausgangssignal fOUT ist somit indirekt proportional zur Kapazität an der ersten Elektrode EL1. Die Konstantstromquellen IH und IL erlauben zudem eine Skalierung der in der Kapazität beziehungsweise ersten Elektrode EL1 gespeicherten Ladung.
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6 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Ladungsmessvorrichtung. Die Schaltung in 6 basiert auf der Schaltung nach 5. Dabei wird das Ausgangssignal fOUT der Kippstufe einer Phasenregelungsschleife PLL zusammen mit einer Phasenreferenz (Clock Referenz) fREF zugeführt. Die Phasenregelungsschleife PLL dient dazu, eine konstante Operationsfrequenz der Messzyklen zu erreichen, d. h. fOUT = const.
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Die Phasenregelungsschleife PLL ist dazu mit Steuerleitungen an nunmehr einstellbare erste und zweite Stromquellen IHvar und ILvar verbunden, die an die Stelle der Konstantstromquelle IH, IL treten. Die Phasenregelungsschleife PLL reguliert die Stromstärke der einstellbaren Stromquellen IHvar und ILvar derart, dass gilt fOUT = fREF. Die Stromstärken der einstellbaren Stromquellen IH, IL repräsentieren dadurch die momentane Ladung, die mittels der ersten Elektrode EL1 gespeichert ist. Die Phasenregelungsschleife PLL stellt dazu ein charakteristisches Ausgangssignal OUT beispielsweise dem ersten Detektor DET1 zur Verfügung. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn der Betrieb der Schaltung bei konstanter Frequenz erwünscht ist.
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7 zeigt eine beispielhafte kapazitive Abschirmvorrichtung für eine Elektrode nach dem vorgeschlagenen Prinzip. 7 zeigt die Schaltung aus 5 und ist zusätzlich mit einer Abschirmvorrichtung SH um die erste Elektrode EL1 ergänzt. Diese dient dazu, parasitäre Kapazitäten aus der Umgebung der ersten Elektrode EL1 abzuschirmen. Die Abschirmung SH kann, wie in diesem Beispiel, weiter mit einer Spannungsnachführung versehen sein. Dazu ist die Abschirmung SH mit einem Glättungsfilter CFILTER an das Erdpotential GND angeschlossen. Zudem sind die Abschirmung SH und der Glättungsfilter CFILTER mittels eines Hilfsverstärkers AUX3 mit dem ersten Schalter S1 und dem Messschalter SSLOPE verbunden.
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Parasitäre Kapazitäten zwischen der ersten Elektrode und der Abschirmung SH werden die kapazitive Messung nicht beeinflussen. Die an der Abschirmung SH anliegende Spannung wird mittels der Spannungsnachführung auf einer Spannung, gehalten, die der ersten Elektrode EL1 entspricht. Auf diese Weise können parasitäre Kapazitäten keinen störenden Zusatzstrom generieren.
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Die in den vorherigen Figuren vorgestellten und erläuterten Ausführungsformen wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit überwiegend mit Bezug auf die erste Elektrode EL1 und entsprechend den ersten Detektor DET1 formuliert. Die Ausführungen und Erläuterungen lassen sich jedoch in analoger Form auch auf weitere Elektroden und Detektoren nach dem vorgeschlagenen Prinzip, also insbesondere auf die zweite Elektrode und den zweiten Detektor DET2 übertragen.
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In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform umfasst die Sensoranordnung eine Vielzahl N von Elektroden. Wie im Zusammenhang mit den 1 bis 7 erläutert, ist jeder der N Elektroden ein Detektor zur kapazitiven Messung zugeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objekt
- aIN
- Eingang
- amp11
- Verstärker
- amp12
- Verstärker
- amp2
- Verstärker
- amp3
- Verstärker
- aOUT
- Ausgang
- aux1
- Hilfsverstärker
- aux2
- Hilfsverstärker
- aux3
- Hilfsverstärker
- CDET
- Ladungsmessvorrichtung
- CEL1
- Kapazität
- CEL2
- Kapazität
- CFILTER
- Glättungskapazität
- CGND1
- Kapazität
- CGND2
- Kapazität
- CQ
- Kapazität Integrator
- EL1
- erste Elektrode
- EL2
- zweite Elektrode
- FL
- Kippstufe
- fOUT
- Ausgangssignal Kippstufe
- fREF
- Referenzsignal Kippstufe
- GND
- Erdpotential
- ICH
- Konstantstromquelle
- IHvar
- einstellbare Stromquelle
- IL
- Konstantstromquelle
- ILvar
- einstellbare Stromquelle
- INT
- Integrator
- OUT
- Ausgangssignal
- PLL
- Phasenregelschleife
- QDET1
- Referenz
- QDET2
- Referenz
- QDET3
- Referenz
- QEL1
- erstes Signal
- QEL2
- zweites Signal
- QGND
- Referenz
- REF1
- Referenz
- REF2
- Referenz
- S1
- Schalter
- S2
- Schalter
- S3
- Schalter
- SCYCLE
- Schalter
- SH
- Abschirmung
- SSLOPE
- Schalter
- SRC
- Signalgenerator
- SRESET
- Schalter
- VDET1
- Detektionssignal
- VDET2
- Detektionssignal
- VDET3
- Detektionssignal
