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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende, nicht-vorläufige Patentanmeldung beansprucht den Vorzug einer am 27. November 2013 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/909,728 mit dem Titel „DIFFERENTIAL SHIELD SENSOR DESIGN”, die hierdurch in ihrer Gänze unter Bezugnahme aufgenommen ist.
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ERFINDUNGSGEBIET DER OFFENBARUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Sensoren und insbesondere das Design und das Abtasten von kapazitiven Sensoren.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Das kapazitive Erfassen ist eine Technologie, die auf einer kapazitiven Kopplung basiert, ein kapazitiver Sensor kann Kennlinien von Materialien nahe einem kapazitiven Sensor detektieren. Die Materialien können entweder leitend sein und/oder ein anderes Dielektrikum als ihre Umgebung besitzen. Das kapazitive Erfassen wird in vielen verschiedenen Arten von Sensoren verwendet, einschließlich jenen zum Detektieren und Messen von Nähe, Position oder Verschiebung, Feuchtigkeit, Flüssigkeitsniveau und Beschleunigung. Das kapazitive Erfassen ist populärer geworden, da kapazitive Sensoren zum Detektieren von Änderungen bei der Kapazität genauer und zuverlässiger geworden sind. Beispielsweise werden kapazitive Sensoren in vielen Einrichtungen wie etwa Laptop-Trackpads, digitalen Audioplayern, Computerdisplays, Handys, mobilen Einrichtungen, Tablets usw. verwendet. Designingenieure wählen weiterhin kapazitive Sensoren wegen ihrer Vielseitigkeit, Zuverlässigkeit und Robustheit und Kostenreduktion gegenüber mechanischen Schaltern.
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Kapazitive Sensoren arbeiten typischerweise, indem eine Elektrode auf einer ein- oder mehrlagigen gedruckten Leiterplatte (PCB), einer Flex-Schaltung und/oder einem gedruckten Leiter bereitgestellt wird, wobei die Elektrode stimuliert wird, um ein elektrisches Feld zu generieren. Die Sensorelektrode auf der PCB ist als eine Platte eines virtuellen Kondensators ausgebildet. Die andere Platte des virtuellen Kondensators wird durch ein externes Objekt bereitgestellt, wie etwa den Finger eines Benutzers oder irgendeine Art von leitendem Material usw. Die Sensorelektrode kann Änderungen an der Kapazität über dem virtuellen Kondensator über der Sensorelektrode messen, wenn das externe Objekt das von der Sensorelektrode generierte elektrische Feld stört. Unter Einsatz der kapazitiven Messungen können durch das externe Objekt verursachte Störungen genau detektiert werden.
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ÜBERBLICK
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt ein Design für einen kapazitiven Sensor mit Differenzabschirmung. Das Sensordesign verwendet eine Differenzmessung zum Messen von Kapazität und ein Paar Bahnen werden verwendet, um die Antwort der Sensorbahnen differentiell zurückzuweisen und etwaige parasitäre Kapazitäten auszugleichen. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Sensordesign ein Differenzsensordesign auf einer Bodenseite einer Flex-Schaltung, um die Umgebung differentiell auszugleichen und eine Rauschkopplung an den Sensor zurückzuweisen. Die Oberseite der Flex-Schaltung kann ein Eintaktdesign für ordnungsgemäße Umgebungserfassung enthalten. Die räumliche Anordnung und Größe der Sensoren kann je nach der Anwendung variieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Um ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Offenbarung und ihrer Merkmale und Vorteile zu vermitteln, wird auf die folgende Beschreibung Bezug genommen in Verbindung mit den beiliegenden Figuren, wobei gleiche Bezugszahlen gleiche Teile darstellen. Es zeigen:
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1A eine Draufsicht auf ein beispielhaftes Differenzsensordesign gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung;
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1B eine Seitenansicht eines beispielhaften Differenzsensordesigns gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung;
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2 eine Draufsicht auf ein weiteres beispielhaftes Differenzsensordesign gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung;
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3 eine Draufsicht auf ein weiteres beispielhaftes Differenzsensordesign gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung;
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4A eine Draufsicht auf ein beispielhaftes Differenzsensordesign gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung;
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4B eine Seitenansicht eines beispielhaften Differenzsensordesigns gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung;
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5 ein System mit einem verbesserten kapazitiven Sensor und einer Schaltungsanordnung zum Laden und Abtasten gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung; und
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6 ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Verfahrens, das eine Umgebung eines kapazitiven Sensors unter Verwendung von Differenzabtastung erfasst, gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER OFFENBARUNG
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Einige mit einigen kapazitiven Sensoren assoziierte Probleme
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Auf einer kapazitiven Erfassung basierende Benutzerschnittstellen sind wünschenswerte Merkmale für die neuesten Verbraucherelektronikprodukte. Von Handys bis zu Medienplayern bis zu Satellitennavigationssystemen entwickelt sich der Trend, die menschliche Schnittstelle zu verbessern. Das Prinzip, dass die Berührung eines Benutzers eine Änderung bei der Kapazität bewirkt, um einen Schalter zu aktivieren, wird gut verstanden, doch stellt das Implementieren eines PCB-Sensordesigns mit ordnungsgemäßer Abschirmung und Verlegung für Hardwaredesigner eine Herausforderung dar.
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In vielen Fällen wird kapazitives Erfassen in einer Umgebung verwendet, die für Rauschen von verschiedenen Rauschquellen anfällig ist, und das physische Design der Elektroden und Bahnen ist für Rauschen innerhalb des Systems anfällig. Die Änderung bei der Kapazität als Reaktion auf eine Fingerberührung beträgt nur einen Bruchteil eines Picofarad, so dass winzige parasitäre Kapazitäten, die der Sensor oder die Sensorbahnen sehen, den Dynamikbereich des Controllers des kapazitiven Sensors reduzieren. Außerdem kann inadäquate Sensorabschirmung Kopplungswege präsentieren, die eine Rauschantwort erzeugen, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV), das von dem Sensor erreicht werden kann, verschlechtert wird und die Auflösung der Benutzerschnittstelle sinkt.
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Zur Behandlung des Rauschproblems liefern einige Lösungen ein aktives/angesteuertes (Wechselstrom-)AC-Abschirmungssignal, das das Problem der parasitären Kapazität, der abgesetzten Sensorverbindung, des Sensorverlaufs und der Abschirmung der kapazitiven Sensoren verringert. Der Vorteil des angesteuerten AC-Abschirmungssignals ist, dass die Sensoren und die Sensorbahnen durch ein Signal abgeschirmt werden können, das mit der Anregung an den Sensoren in Phase ist. Das Eliminieren des Potentials zwischen Abschirmung und Sensor/Sensorbahnen eliminiert ebenfalls die Kapazität. Um die parasitäre Kapazität und die Rauschkopplung zu minimieren, kann deshalb das angesteuerte AC-Abschirmungssignal auf der Sensorplatine geflutet und als Schutzsignal entlang aller Sensorbahnen verwendet werden. Einige andere Lösungen liefern eine (virtuelle) geerdete Abschirmung, um Rauschquellen auf der Rückseite des Sensors zurückzuweisen. Bei noch einigen weiteren Lösungen, die die Interferenzanfälligkeit von antennenartigen Bahnen und die unerwünschte Kapazität der Bahnen selbst behandeln sollen, kann eine geerdete Abschirmung vorgesehen sein, um lange erfassende Bahnen (ähnlich einem Koaxialkabel) abzuschirmen oder eine zweite kapazitive Erfassungsleitung zu verwenden, um Interferenzeffekte durch ein Gleichtakt-Messsystem zu eliminieren.
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Lösungen, die geerdete Abschirmungen und/oder angesteuerte AC-Abschirmungen verwenden, können oftmals eine Reduktion bei der Empfindlichkeit bewirken. Designs mit geerdeter Abschirmung „stehlen” eine substantielle Ladungsmenge von dem Sensor und den Sensorbahnen. AC-Abschirmungen sind viel besser beim Reduzieren dieses Effekts, doch ist es üblich, dass die AC-Ansteuerwellenform aufgrund der zusätzlichen parasitären Kapazitäten, mit denen sie als eine Abschirmung belastet ist, verstellt ist im Vergleich zu dem Sensor selbst, und ist deshalb nicht-ideal.
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Ein verbesserter Ansatz: Differenzmessung und Differenzabschirmungsdesign
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Ein verbessertes Design oder eine verbesserte Baugruppe mit kapazitiven Sensor kann mindestens einige der hierin beschriebenen Probleme verringern. Gemäß einem Aspekt verwendet das verbesserte Design für den kapazitiven Sensor ein Differenzmesssystem, um einen Sensor auszumessen, der eine Differenzabschirmung besitzt. Insbesondere ist das Differenzmesssystem konfiguriert zum differentiellen Anregen oder Laden jeweiliger Teile des verbesserten Sensors und zum Abtasten der jeweiligen Teile des Sensors zur gleichen Zeit (nicht sequentiell), um eine Differenzmessung des kapazitiven Sensors (zwei Differenzsignale) zu erhalten. Die Differenzmessung kann als Eingaben in einen Differenzintegrierer geliefert werden, der eine Messung generieren kann, die von einem in der Differenzmessung vorliegenden Gleichtaktsignal unabhängig ist. Differenzmessung mit dem verbesserten Sensor mit einer Differenzabschirmung, die an ein Paar von Bahnen angeschlossen ist, kann die Antwort der Sensorbahnen differentiell zurückweisen und die parasitären Kapazitäten ausgleichen. Das Paar von Bahnen wird hier als die „P-Bahn” und die „N-Bahn” bezeichnet. Unter Verwendung eines Differenzansatzes würden Rauschinterferenzen auf beiden komplementären Signalen vorliegen, die an den Enden der Bahnen gemessen werden, doch würden die als ein Gleichtaktsignal erscheinenden Differenzen aufgrund der Differenzsignalisierung aufgehoben werden.
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Ein wichtiges Merkmal des verbesserten Designs ist, dass nicht nur die Differenzabschirmung durch ein Differenzsignal angesteuert wird, sondern die Differenzabschirmung auch differentiell ausgemessen wird und als Teil der kapazitiven Messung verwendet wird. Um ein Differenzsignal bereitzustellen und differentiell zu messen, werden verschiedene Teile des kapazitiven Sensors elektrisch an jeweilige Bahnen angeschlossen, hierin als die „P-Bahn” und die „N-Bahn” bezeichnet. Die Enden der Bahnen werden dann an entsprechende P- und N-Anschlüsse einer Schaltungsanordnung angeschlossen, die konfiguriert ist, eine Differenzmessung des kapazitiven Sensors durchzuführen. Während der Ladephase werden die Enden der Bahnen (und die jeweiligen Teile des Sensors) durch ein erstes des komplementären bzw. Differenzsignals bzw. durch ein zweites des komplementären bzw. Differenzsignals angeregt oder geladen. Die komplementären bzw. Differenzsignale werden hier als das „P-Signal” und das „N-Signal” bezeichnet. Während der Abtastphase können die Enden der Bahnen mit der Schaltungsanordnung verbunden werden, um jeweils eine erste der komplementären bzw. Differenzmessung und eine zweite der komplementären bzw. Differenzmessung durchzuführen. Die komplementären bzw. Differenzsignale werden hier als die „P-Messung” und die „N-Messung bezeichnet. Die P-Messung und die N-Messung werden zur gleichen Zeit durchgeführt. Die endgültige Messung wird üblicherweise durch die Differenz zwischen der P-Messung und der N-Messung repräsentiert, um das Gleichtaktsignal zurückzuweisen.
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Der verbesserte kapazitive Sensor kann eine Umgebung des kapazitiven Sensors unter Verwendung von Differenzabtastung erfassen. Insbesondere kann der kapazitive Sensor einen Eintaktabschnitt, einen segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt mit mehreren Segmenten und ein Paar Bahnen enthalten. Allgemein gesprochen sind diese Teile leitend oder bestehen aus einem geeigneten Material, um als Elektroden eines kapazitiven Sensors zu wirken. Der Eintaktabschnitt ist an eine der Bahnen angeschlossen, und Segmente des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts sind an eine der beiden des Paars von Bahnen angeschlossen.
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Innerhalb des Kontextes der Offenbarung bedeutet die Umgebung allgemein das Umfeld des Sensors oder den Raumbereich nahe dem Sensor. Die Umgebung kann ein oder mehrere Objekte wie etwa Materialien oder Teile eines lebendigen Wesens usw. enthalten. Der kapazitive Sensor und die daran angeschlossene Schaltungsanordnung können ein Differenzsignal ermöglichen (zwei Differenzsignale), die die zu erhaltende Umgebung repräsentieren. Das die Umgebung repräsentierende Differenzsignal (oder eine Eintaktableitung davon) kann eine Anzeige der variierenden Dielektrizitätskonstanten der Umgebung, Änderungen bei der Ladungsmenge auf dem kapazitiven Sensor und/oder eine Distanz eines oder mehrerer Objekte von dem kapazitiven Sensor usw. bereitstellen.
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Das verbesserte Design für den kapazitiven Sensor beinhaltet einen Eintaktabschnitt an einer Seite (hier als Oberseite bezeichnet) einer (elektrisch) isolierenden Schicht, damit der Sensor die Umgebung erfassen kann (z. B. einen Benutzer, der sich dem Sensor nähert, ein Objekt nahe dem Sensor usw.). Weiterhin enthält das verbesserte Design für den kapazitiven Sensor einen segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt auf der anderen Seite (hier als die Bodenseite bezeichnet) der (elektrisch) isolierenden Schicht, um die den Sensor umgebende Umgebung differentiell auszugleichen und dazu beizutragen, dass eine etwaige Rauschkopplung an den segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt zurückgewiesen wird. Beispielsweise befindet sich der Eintaktabschnitt auf einer ersten Seite einer isolierenden Schicht, und der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt befindet sich auf einer zweiten Seite der isolierenden Schicht. In einigen Fällen befindet sich der Eintaktabschnitt auf einer ersten Seite einer isolierenden Schicht, und der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt befindet sich sowohl auf der ersten Seite als auch einer zweiten Seite der isolierenden Schicht. Zu Beispielen für die isolierende Schicht zählen: eine Leiterplatine, ein flexibles Kunststoffsubstrat einer flexiblen Schaltung und/oder ein elektrisch isolierendes Material.
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Verschiedene Segmente des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts sind an jeweiligen P- und N-Bahnen angeschlossen, wodurch ein oder mehrere „P-Segmente” oder „N-Segmente” bereitgestellt werden. Ein Aspekt des Differenzabschirmungsabschnitts auf der Bodenseite ist, dass der Flächen- oder Ladungsbeitrag des oder der P-Segmente gleich dem Flächen- oder Ladungsbeitrag des oder der N-Segmente sein oder damit ausgeglichen sein kann. Anders ausgedrückt besitzen das oder die P-Segmente des an eine erste der Bahnen (die P-Bahn) angeschlossenen segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts den gleichen Flächen- oder Ladungsbeitrag wie das oder die N-Segmente des an eine zweite der Bahnen (die N-Bahn) angeschlossenen segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts. Dieser Aspekt trägt dazu bei, Rauschquellen unter dem kapazitiven Sensor zurückzuweisen, und verringert auch Probleme des Rauschens auf den Signalbahnen zwischen dem Sensor und dem Prozessor (oder der verarbeitenden Schaltung) des kapazitiven Erfassungssystems.
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Dieses verbesserte Design für den kapazitiven Sensor könnte für Systeme geeignet sein, wo der oder die kapazitiven Sensoren vorgesehen sind, um einen Benutzer oder ein Objekt in der Nähe des oder der Sensoren zu erfassen oder wenn der Benutzer in Kontakt mit dem oder den Sensoren kommt. Zudem kann das Design besonders für Systeme geeignet sein, wo Rauschen aufgrund einer anderen Elektronik unter dem Sensor vorliegen kann. Beispielsweise können kapazitive Sensoren an oder nahe der Oberfläche einer handgehaltenen Einrichtung oder einer Einrichtung, mit der ein Benutzer interagieren kann, für Interferenz von der Elektronik in der handgehaltenen Einrichtung aufgrund von Temperaturänderungen, die durch die variable Wärme der Elektronik verursacht werden, anfällig sein.
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Effektiv gestattet das Differenzabschirmungsdesign, dass Rauschen und parasitäre Elemente in die Messung gekoppelt werden, weil aber Rauschen und parasitäre Elemente gleichermaßen sowohl in die positive als auch negative Seite der Differenzmessung gekoppelt werden, werden dieses Rauschen und diese parasitären Elemente zurückgewiesen. Zudem kann das Differenzabschirmungsdesign die Ladungsmenge begrenzen, die „gestohlen” wird.
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Geometrische und anordnungsbezogene Designüberlegungen
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Der verbesserte kapazitive Sensor ist einzigartig hinsichtlich seiner Geometrie und Anordnung. Allgemein gesprochen ist der Eintaktabschnitt ausgelegt zum Erfassen der Umgebung, und der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt ist ausgelegt zum differentiellen Ausgleichen der Umgebung und Zurückweisen der Rauschkopplung an einen segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt. Dementsprechend ist das Design für den kapazitiven Sensor nicht trivial. Ungeachtet der Geometrie werden jedoch der Eintaktabschnitt und die Segmente des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts durch eines von zwei Differenzsignalen (das P-Signal und das N-Signal) während einer Ladephase angesteuert. Weiterhin ist das Paar von Bahnen an eine verarbeitende Schaltungsanordnung angeschlossen (z. B. über jeweils zwei Anschlüsse) für das Differenzabtasten während der Abtastphase.
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Der Eintaktabschnitt ist bevorzugt kleiner als der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt, und die segmentierte Differenzabschirmung ist allgemein zwischen der erwarteten Rauschquelle und dem Eintaktabschnitt platziert, um einen Abschirmeffekt bereitzustellen. Anders ausgedrückt ist der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt bevorzugt größer, d. h. überspannt eine größere Fläche, als der Eintaktabschnitt. Dieses Merkmal kann gestatten, dass der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt einen größeren Abschirmeffekt um den Sensor herum bereitstellt, wodurch der Eintaktabschnitt gegenüber unerwünschten Rauschquellen mehr immun wird (im Gegensatz zu kleineren segmentierten Differenzabschirmungsabschnitten). Das Verhältnis der Größen des Eintaktabschnitts und des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts können je nach der Anwendung variieren.
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Bei einigen Designs ist der Eintaktabschnitt bezüglich des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts zentriert. Bei einigen anderen Designs ist der Eintaktabschnitt möglicherweise nicht zentriert, sondern in einer bestimmten Richtung bezüglich des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts verzogen. Diese Designs können nützlich sein, falls die Rauschkopplung an den segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt gerichtet ist, und die verzogene Position kann den kapazitiven Sensor besser vor dem gerichteten Rauschen abschirmen.
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Wie in den folgenden Abschnitten dargestellt, besitzt der Eintaktabschnitt bevorzugt eine kreisförmige Gestalt, doch werden auch andere Gestalten in Betracht gezogen (z. B. Quadrate, Ovale, Dreiecke, Rechtecke, Fünfecke, Sechseck, Achtecke, andere geeignete Vielecke usw.). Der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt kann auch je nach der Anwendung verschiedene Gestalten überspannen, z. B. kreisförmige Gestalten, Quadrate, Ovale, Dreiecke, Rechtecke, Fünfecke, Sechseck, Achtecke, andere geeignete Vielecke usw. Die Gestalt des Eintaktabschnitts und die Gestalt des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts können die gleichen oder verschieden sein.
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Wenngleich das oder die Segmente des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts, der mit einer ersten der Bahnen verbunden ist, den gleichen Flächen- oder Ladungsbeitrag wie das oder die Segmente des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts besitzen, der an eine zweite der Bahnen angeschlossen ist, können die Geometrie des Eintaktabschnitts und die Geometrie des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts symmetrisch oder nicht symmetrisch sein. Für den Eintaktabschnitt kann die Symmetrie vorteilhaft sein, falls zum Beispiel erwartet wird, dass das Objekt in der erfassten Umgebung an dem Sensor aus einer beliebigen Richtung ankommt. Eine Asymmetrie kann vorteilhaft sein, z. B. zum Erfassen eines speziell ausgelegten Bereichs, der möglicherweise nicht symmetrisch ist, und/oder falls erwartet wird, dass das Objekt in der erfassten Umgebung von einer bestimmten Richtung ankommt. Für den segmentieren Differenzabschirmungsabschnitt kann eine Symmetrie vorteilhaft sein, um eine Umgebung auszugleichen, wo erwartet wird, dass Rauschen aus einer beliebigen Richtung ankommt. Umgekehrt kann eine Asymmetrie vorteilhaft sein, um eine Umgebung auszugleichen, wo erwartet wird, dass Rauschen von einer spezifischen Richtung ankommt.
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Die Anzahl von Segmenten in dem segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt kann je nach der Anwendung und der Herstellbarkeit variieren. Die Gestalt und Größe der Segmente des Differenzabschirmungsabschnitts können ebenfalls in Abhängigkeit von der Anwendung und Herstellbarkeit variieren. Allgemein gesprochen sind das oder die Segmente des an eine erste der Bahnen angeschlossenen segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts auf abwechselnde Weise mit dem oder den Segmenten des an eine zweite der Bahnen angeschlossenen segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts angeordnet.
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Beispielhaftes kreisförmiges Design
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1A zeigt eine Draufsicht auf ein beispielhaftes Design für den kapazitiven Sensor mit einem Differenzabschirmungsabschnitt gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung. Das Design, wie gezeigt, ist teilweise auseinandergenommen, um das Design besser zu veranschaulichen, wobei der Eintaktabschnitt und der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt Seite an Seite und nicht aufeinander gezeigt sind. Das Differenzdesign für den kapazitiven Sensor umfasst einen Eintaktabschnitt 102, einen segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt 104 und ein Paar Signalbahnen 106. Das Paar Signalbahnen 106 kann das P-Signal bzw. das N-Signal für Differenzsignalisierung führen, d. h. zum Laden der jeweiligen Teile des kapazitiven Sensors unter Verwendung eines jeweiligen der beiden Differenzsignale (des P-Signals und des N-Signals). Zudem kann das Paar von Bahnen an eine Differenzabtastschaltungsanordnung angeschlossen sein.
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Bei diesem Beispiel besitzt der Eintaktabschnitt 102 eine kreisförmige Gestalt und ist an die Signalbahn zum Führen des P-Signals angeschlossen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Eintaktabschnitt an die Signalbahn zum Führen des N-Signals angeschlossen sein. Weiterhin besitzt der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt 104 eine kreisförmige Gestalt. Der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt besitzt acht Segmente (wobei jedes Segment eine „Pizzastück”- oder keilförmige Gestalt besitzt). Die acht Segmente umfassen (1) vier Segmente, die an die Signalbahn zum Führen des P-Signals angeschlossen sind („P-Segmente”, in der Figur mit einem „P” angegeben) und (2) vier Segmente, die an die Signalbahn zum Führen des N-Signals angeschlossen sind („N-Segmente”, in der Figur mit einem „N” angegeben). Anders ausgedrückt werden die P-Segmente und die N-Segmente während der Ladephase mit entgegengesetzter Polarität geladen. Über die jeweiligen Bahnen ermöglichen Störungen bei der Ladung an dem Eintaktabschnitt 102, den P-Segmenten und den N-Segmenten ein Differenzsignalpaar (zwei Differenzsignale), die die Umgebung des kapazitiven Sensors repräsentieren, die ausgemessen oder erhalten werden soll (durch eine entsprechende Schaltungsanordnung zum differentiellen Abtasten des kapazitiven Sensors).
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Wenngleich dieses Beispiel acht Segmente zeigt, werden auch andere Anzahlen von Segmenten in Betracht gezogen. Beispielsweise kann der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt 104 insgesamt zehn Segmente besitzen (fünf P-Segmente und fünf N-Segmente) oder insgesamt sechs Segmente (drei P-Segmenten und drei N-Segmente). Die Anzahl an P-Segmenten muss nicht gleich der Anzahl an N-Segmenten sein, doch sollte die Fläche, die die P-Segmente und die N-Segmente einnehmen, für einen richtigen Ausgleichseffekt im Wesentlichen gleich sein. Die P-Segmente und die N-Segmente können gleiche Größen besitzen. Bei einigen Ausführungsformen sind die P-Segmente und die N-Segmente individuell von gleicher Größe. Die Segmentierung des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts 104 kann eine symmetrische Qualität besitzen, um einen Ausgleichseffekt bereitzustellen (räumlich/geometrisch).
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Der Eintaktabschnitt 102 ist bevorzugt kleiner als der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt 104, so dass der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt 104 eine adäquate „Abschirmung” des Eintaktabschnitts 104 (des Erfassungsabschnitts zum Detektieren eines Objekts oder eines Benutzers in der Nähe) bereitstellen kann. Das Verhältnis der Größen des Eintaktabschnitts 102 und des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts 104 können je nach der Anwendung variieren.
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Die Signalbahnen 106 verlaufen bevorzugt beieinander (z. B. mit gleichem Abstand), um irgendeinen Antenneneffekt oder parasitäre Kapazitäten zu vermeiden. Zusammen mit dem Eintaktabschnitt 102 und dem segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt 104 ist das Layoutdesign der Signalbahnen 106 für optimale Ergebnisse bevorzugt ausgeglichen/gleich/symmetrisch, so dass an die Signalbahnen 106 gekoppeltes Rauschen durch Differenzsignalisierung zurückgewiesen werden kann.
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1B zeigt eine Seitenansicht eines beispielhaften Differenzsensordesigns gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung. Die Seitenansicht (oder Querschnittsansicht bei Linie 107 in 1A) in 1B zeigt, dass der Eintaktabschnitt 102 auf einer ersten Seite (Oberseite) eines isolierenden Materials/einer isolierenden Schicht 108 vorgesehen ist und der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt 104 auf einer zweiten Seite (Bodenseite) des isolierenden Materials/der isolierenden Schicht 108 vorgesehen ist. Die Oberseite ist bevorzugt die Seite, wo erwartet wird, dass sich ein Benutzer oder ein Objekt 110 der kapazitiven Differenzsensorbaugruppe nähert. Das isolierende Material/die isolierende Schicht 108 kann Teil einer (starren) Leiterplatte oder einer flexiblen Schaltung sein. Die Anordnung des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts auf der Bodenseite liefert eine „Abschirmung” für den Eintaktabschnitt, wobei der Eintaktabschnitt bevorzugt der Abschnitt zum Erfassen der Umgebung ist.
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Beispielhaftes sechseckiges Design
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2 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres beispielhaftes Differenzsensordesign. Bei diesem alternativen Design kann der Eintaktabschnitt 202 eine sechseckige Gestalt besitzen (wenngleich auch eine kreisförmige Gestalt verwendet werden kann). Der Eintaktabschnitt 202 ist so bezeichnet, dass er ausgelegt ist zum Bereitstellen eines Teils des „P”-Signals, wobei der Eintaktabschnitt 202 verwendet werden könnte, um stattdessen einen Teil des „N”-Signals bereitzustellen. Der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt 204 kann auch eine sechseckige Gestalt besitzen mit sechs dreieckigen Segmenten. Die P-Segmente sind abwechselnd mit den N-Segmenten angeordnet.
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Die in 2 zu sehenden Signalbahnen 106 sind ähnlich oder gleich den Signalbahnen 106, die bezüglich 1 beschrieben sind. Insbesondere kann das Paar von Signalbahnen 106 das P-Signal bzw. das N-Signal für die Differenzsignalisierung führen, d. h. Laden der jeweiligen P-Teile und N-Teile des kapazitiven Sensors unter Verwendung eines jeweiligen der beiden Differenzsignale (des P-Signals und des N-Signals). Weiterhin kann das Paar von Signalbahnen 106 an eine Differenzabtastschaltungsanordnung angeschlossen sein. Der Zusatz des ersten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts (die P- und N-Segmente um das P-Segment in der Mitte herum) liefert einen zusätzlichen Differenzabschirmeffekt. Dieses Design kann gestatten, dass an den ersten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt und den zweiten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt gekoppeltes Rauschen durch Differenzsignalisierung zurückgewiesen wird.
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Beispielhaftes quadratisches Design
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3 zeigt eine Draufsicht auf noch ein weiteres beispielhaftes Differenzsensordesign. Bei diesem alternativen Design kann der Eintaktabschnitt 302 eine quadratische/rechteckige Gestalt besitzen (wenngleich auch eine kreisförmige Gestalt verwendet werden kann). Der Eintaktabschnitt 302 ist so bezeichnet, dass er ausgelegt ist zum Bereitstellen eines Teils des „P”-Signals, wobei der Eintaktabschnitt 302 verwendet werden könnte, um stattdessen einen Teil des „N”-Signals bereitzustellen. Der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt 304 kann auch eine quadratisch/rechteckige Gestalt besitzen mit vier quadratischen/rechteckigen Segmenten. Die P-Segmente sind abwechselnd mit den N-Segmenten angeordnet.
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Die in 3 zu sehenden Signalbahnen 106 sind ähnlich oder gleich den Signalbahnen 106, die bezüglich 1 beschrieben sind. Insbesondere kann das Paar von Signalbahnen 106 das P-Signal bzw. das N-Signal für die Differenzsignalisierung führen, d. h. Laden der jeweiligen P-Teile und N-Teile des kapazitiven Sensors unter Verwendung eines jeweiligen der beiden Differenzsignale (des P-Signals und des N-Signals). Weiterhin kann das Paar von Signalbahnen 106 an eine Differenzabtastschaltungsanordnung angeschlossen sein. Der Zusatz des ersten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts (die P- und N-Segmente um das P-Segment in der Mitte herum) liefert einen zusätzlichen Differenzabschirmeffekt. Dieses Design kann gestatten, dass an den ersten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt und den zweiten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt gekoppeltes Rauschen durch Differenzsignalisierung zurückgewiesen wird.
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Beispielhaftes erweitertes Differenzabschirmungsdesign
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4A zeigt eine Draufsicht auf ein beispielhaftes Differenzsensordesign gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung. Das Design, wie gezeigt, ist teilweise auseinandergebaut, um das Design besser zu veranschaulichen, wobei zwei Abschnitte eines kapazitiven Sensors Seite an Seite und nicht aufeinander gezeigt sind. Das Differenzdesign für den kapazitiven Sensor umfasst einen oberen Abschnitt 402, der einen Eintaktabschnitt (durch das P-Segment in der Mitte bezeichnet) und einen ersten segmentierten Abschirmungsabschnitt (als P- und N-Segmente um das P-Segment in der Mitte herum gezeigt) enthält. Bei diesem Beispiel umgibt der erste segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt den Eintaktabschnitt. Falls gewünscht, umgibt der erste segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt den Eintaktabschnitt nicht vollständig (z. B. nur neben einem Bruchteil des Umfangs des Eintaktabschnitts, nur auf einer Seite des Eintaktabschnitts usw.). Das Design enthält weiterhin einen Bodenabschnitt 104 (als P- und N-Keile gezeigt), der einen zweiten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt und ein Paar Signalbahnen 106 umfasst. Die Kennlinien des Bodenabschnitts 404 sind ähnlich dem segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt 104 von 1.
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Die in 4 zu sehenden Signalbahnen 106 sind ähnlich oder gleich den Signalbahnen 106, die bezüglich 1 beschrieben sind. Insbesondere kann das Paar von Signalbahnen 106 das P-Signal bzw. das N-Signal für die Differenzsignalisierung führen, d. h. Laden der jeweiligen P-Teile und N-Teile des kapazitiven Sensors unter Verwendung eines jeweiligen der beiden Differenzsignale (des P-Signals und des N-Signals). Weiterhin kann das Paar von Signalbahnen 106 an eine Differenzabtastschaltungsanordnung angeschlossen sein. Der Zusatz des ersten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts (die P- und N-Segmente um das P-Segment in der Mitte herum) liefert einen zusätzlichen Differenzabschirmeffekt. Dieses Design kann gestatten, dass an den ersten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt und den zweiten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt gekoppeltes Rauschen durch Differenzsignalisierung zurückgewiesen wird.
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4B zeigt eine Seitenansicht eines beispielhaften Differenzsensordesigns gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung. Die Seitenansicht (oder Querschnittsansicht bei Linie 407 in 4A) in 4B zeigt, dass der obere Abschnitt 402 (sowohl mit dem Eintaktabschnitt als auch dem ersten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt) auf einer ersten Seite (Oberseite) eines isolierenden Materials/einer isolierenden Schicht 408 vorgesehen ist und der Bodenabschnitt 404 auf einer zweiten Seite (Bodenseite) des isolierenden Materials/der isolierenden Schicht 408 vorgesehen ist. Die Oberseite ist bevorzugt die Seite, wo erwartet wird, dass sich ein Benutzer oder ein Objekt 110 der kapazitiven Differenzsensorbaugruppe nähert. Das isolierende Material/die isolierende Schicht 108 kann Teil einer (starren) Leiterplatte oder einer flexiblen Schaltung sein. Die Anordnung des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts auf der Bodenseite liefert eine „Abschirmung” für den Eintaktabschnitt, wobei der Eintaktabschnitt bevorzugt der Abschnitt zum Erfassen der Umgebung ist.
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Wenngleich nicht gezeigt, wird in Betracht gezogen, dass einige Designs möglicherweise genau den oberen Abschnitt auf der ersten Seite der isolierenden Schicht sowohl mit dem Eintaktabschnitt als auch dem ersten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt bereitstellen (kein zweiter segmentierter Differenzabschirmungsabschnitt auf der zweiten Seite der isolierenden Schicht). Der erste segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt kann dazu dienen, einen Abschirmeffekt für den Eintaktabschnitt bereitzustellen, potentiell gegen Rauschen, das an den ersten segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt koppeln könnte.
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Ein Systemüberblick
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5 zeigt ein System mit einem verbesserten kapazitiven Sensor und einer Schaltungsanordnung zum Laden und Abtasten gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung. Das System 500 zum Erfassen einer Umgebung des kapazitiven Sensors 502 unter Verwendung der Differenzabtastung enthält den verbesserten kapazitiven Sensor gemäß einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausführungsform. Weiterhin enthält das System eine Schaltungsanordnung zum Laden und Abtasten 504. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung 504 zwei Anschlüsse enthalten (als V+ und V– gezeigt), die an das Paar von Bahnen des verbesserten kapazitiven Sensors angeschlossen sind, um den kapazitiven Sensor differentiell zu laden und den kapazitiven Sensor abzutasten, um eine Differenzmessung (zwei Differenzsignale) zu erhalten, die die Umgebung repräsentieren.
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Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Schaltungsanordnung 504 einen Differenzintegrierer zum Integrieren der Differenz zwischen den beiden an den beiden Anschlüssen vorliegenden Differenzsignalen V+ und V–. Anders ausgedrückt nimmt der Differenzintegrierer die beiden Differenzsignale V+ und V– und generiert ein Ausgangssignal (z. B. ein Differenzausgangssignal oder ein Eintaktausgangssignal), das von der Gleichtaktspannung der beiden Differenzsignale V+ und V– unabhängig ist. Wenngleich nicht erforderlich, können die Differenzsignale V+ und V– an einen (nicht gezeigten) Differenzverstärker zur Verstärkung vor dem Differenzintegrierer geliefert werden. Der Differenzintegrierer kann einen Eintaktausgang besitzen, oder falls geeignet, kann der Differenzintegrierer Differenzausgänge Vout+ und Vout– (wie gezeigt) besitzen. Das oder die Differenzausgangssignale des Differenzintegrierers können an eine weitere Schaltungsanordnung zur Verarbeitung geliefert werden, um zum Beispiel auf eine oder mehrere Kennlinien der Umgebung des kapazitiven Sensors zu schließen. Die weitere Verarbeitung kann die Aktivierung eines Benutzerschnittstellenelements, eine Gestenerfassung, eine Nähenerfassung, eine Umgebungs- oder Materialerfassung usw. beinhalten. Aufgrund der Differenzsignalisierung und der segmentierten Differenzabschirmung werden der oder die Ausgaangssignale des Differenzintegrierers keinen substantiellen Inhalt enthalten, der durch Rauschen beigetragen wird, das an die segmentierte Differenzabschirmung gekoppelt ist (weil das Rauschen als Teil der in den Differenzsignalen V+ und V– vorliegenden Gleichtaktspannung vorliegen würde). Anders ausgedrückt ist die Schaltungsanordnung 504 bevorzugt konfiguriert, um an den segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt gekoppeltes Rauschen zurückzuweisen.
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Um die Ladephase und die Abtastphase bereitzustellen, kann die Schaltungsanordnung 504 Schalter enthalten, die konfiguriert werden können, um die beiden Anschlüsse mit einem Differenzsignal zum Laden des kapazitiven Sensors zu verbinden, und Schalter, die konfiguriert werden können, um die beiden Anschlüsse V+ und V– mit den Eingängen eines Differenzintegrierers zu verbinden, um die Differenz zwischen den beiden, an den beiden Anschlüssen vorliegenden Differenzsignalen zu verstärken und zu integrieren. Bevorzugt ermöglichen die Schalter, die die beiden Anschlüsse V+ und V– verbinden, eine simultane Differenzabtastung und keine sequentielle Abtastung. Die Zeitsteuerung der Differenzabtastung ist für eine präzise Messung der Umgebung wichtig und für die Reduktion etwaiger Phasenfehler zwischen den beiden, an V+ und V– vorliegenden Differenzsignalen.
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Beispielhaftes Verfahren zum Erfassen der Umgebung unter Verwendung des verbesserten kapazitiven Sensors
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6 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Verfahrens zum Erfassen einer Umgebung eines kapazitiven Sensors unter Verwendung von Differenzabtastung gemäß einiger Ausführungsformen der Offenbarung. Diese Funktionen werden allgemein von einer Schaltungsanordnung durchgeführt, wie der Schaltungsanordnung, die in der Schaltungsanordnung 504 von 5 dargestellt ist. Das Verfahren beinhaltet das differentielle Laden des kapazitiven Sensors gemäß einer beliebigen hierin beschriebenen Ausführungsform (Kasten 602). Weiterhin beinhaltet das Verfahren das Abtasten des kapazitiven Sensors (z. B. über die Verbindung der Bahnen zur Schaltungsanordnung), um eine Differenzmessung (zwei Differenzsignale) zu erhalten, die für die Umgebung repräsentativ sind (Kasten 604). Zudem umfasst das Verfahren weiterhin das Zurückweisen von an den segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt gekoppelten Rauschen (Kasten 606). Die Zurückweisung eines derartigen Rauschens wird üblicherweise durch Differenzsignalisierung durchgeführt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Verfahren das Zurückweisen des Gleichtaktsignals der beiden von dem kapazitiven Sensor generierten Differenzsignale beinhalten, da das an den segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt gekoppelte Rauschen (gleich den P- und N-Segmenten) allgemein Teil des Gleichtaktsignals sein würde.
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Weitere Varianten und Implementierungen
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Es wird angemerkt, dass das Differenzabtasten mit kapazitiven Sensoren auf der Technik basieren kann, die in dem
US-Patent Nr. 7,235,983 , O'Dowd et al., mit dem Titel „ONE TERMINAL CAPACITOR INTERFACE CIRCUIT” beschrieben ist, die hierdurch in ihrer Gänze durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Man beachte, dass die oben unter Bezugnahme auf die Figuren erörterten Aktivitäten auf beliebige integrierte Schaltungen angewendet werden können, die eine Signalverarbeitung beinhalten, insbesondere jene, die spezialisierte Softwareprogramme oder Algorithmen ausführen können, von denen einige mit dem Verarbeiten von durch den verbesserten kapazitiven Sensor generierten digitalisierten Echtzeitdaten assoziiert sein können. Bestimmte Ausführungsformen können Multi-DSP-Signalverarbeitung, Fließ-Verarbeitung, Signal-/Steuerverarbeitung, Festfunktionsverarbeitung, Mikrocontrolleranwendungen usw. betreffen. In gewissen Kontexten können die hierin erörterten Merkmale auf medizinische Systeme, wissenschaftliche Instrumente, drahtlose und verdrahtete Kommunikationen, Radar, industrielle Prozesssteuerung, Audio- und Videogeräte, Stromerfassung, kapazitive Erfassung, Instrumente (die hochpräzise sein können) und andere Systeme anwendbar sein, die kapazitive Erfassung involvieren. Bei noch weiteren beispielhaften Szenarien können die Lehren der vorliegenden Offenbarung auf den industriellen Märkten angewendet werden, die kapazitive Erfassungssysteme beinhalten, die dazu beitragen, die Produktivität, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit voranzutreiben. In Verbraucheranwendungen können die Lehren der oben erörterten kapazitiven Erfassung für die Bildverarbeitung, für Autofokus und Bildstabilisierung (z. B. für digitale Fotoapparate, Camcorder usw.) verwendet werden. Zu anderen Verbraucheranwendungen können Audio- und Videoprozessoren für Heimkinosysteme, DVD-Rekorder und HD-Fernsehgeräte zählen. Noch weitere Verbraucheranwendungen können fortgeschrittene Touchscreen-Controller (z. B. für eine beliebige Art tragbarer Medieneinrichtung) involvieren. Somit könnten solche Technologien ohne Weiteres Teil von Smartphones, Tablets, Sicherheitssystemen, PCs, Gaming-Technologien, Virtual Reality, Simulationstraining usw. sein.
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In den Erörterungen der obigen Ausführungsformen können elektronische Komponenten und Einrichtungen zum Bereitstellen der geeigneten Schaltungsanordnung (z. B. Kondensatoren, Taktgeber, DFFs, Teiler, Induktoren, Widerstände, Verstärker, Schalter, digitaler Kern, Transistoren und/oder andere Komponenten) ohne Weiteres ersetzt, substituiert oder anderweitig modifiziert werden, um bestimmte Schaltungsanordnungsbedürfnisse zu berücksichtigen. Zudem ist anzumerken, dass die Verwendung komplementärer elektronischer Einrichtungen, Hardware, Software usw. eine gleichermaßen brauchbare Option zum Implementieren der Lehren der vorliegenden Offenbarung anbietet.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine beliebige Anzahl von hierin beschriebenen kapazitiven Sensoren und elektrischen Schaltungen auf einer Platine einer assoziierten elektronischen Einrichtung implementiert werden. Die Platine kann eine allgemeine Leiterplatte sein, die verschiedene Komponenten des internen elektronischen Systems der elektronischen Einrichtung halten kann und weiterhin Verbinder für andere Peripheriegeräte und/oder Anschlüsse für kapazitive Sensoren bereitstellen kann. Insbesondere kann die Platine die elektrischen Verbindungen bereitstellen, über die die anderen Komponenten des Systems elektrisch kommunizieren können. Beliebige geeignete Prozessoren (einschließlich digitaler Signalprozessoren, Mikroprozessoren, unterstützender Chipsätze usw.), computerlesbare nicht-vorübergehende Speicherelemente usw. können geeignet an die Platine auf der Basis der bestimmten Konfigurationsbedürfnisse, Verarbeitungsanforderungen, Computerdesigns usw. gekoppelt sein. Andere Komponenten wie etwa externe Ablage, zusätzliche Sensoren, Controller für die Audio-/Videoanzeige und Peripheriegeräte können an der Platine als Einsteckkarten oder über Kabel angebracht oder in die Platine selbst integriert sein.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die hierin beschriebene Schaltungsanordnung als unabhängige Module implementiert werden (z. B. eine Einrichtung mit assoziierten Komponenten und Schaltungsanordnung, die konfiguriert sind zum Durchführen einer spezifischen Anwendung oder Funktion) oder als Einsteckmodule in applikationsspezifischer Hardware von elektronischen Einrichtungen implementiert sein. Man beachte, dass bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ohne Weiteres in einem System-on-Chip-Package (SOC-Package) entweder teilweise oder ganz enthalten sein können. Ein SOC stellt einen IC dar, der Komponenten eines Computers oder eines anderen elektronischen Systems in einem einzelnen Chip integriert. Er kann digitale, analoge, Mischsignal- und oftmals Hochfrequenzfunktionen enthalten: alle von diesen können auf einem einzelnen Chipsubstrat vorgesehen sein. Zu anderen Ausführungsformen können ein Multichipmodul (MCM) mit mehreren separaten ICs zählen, die innerhalb eines einzelnen elektronischen Package angeordnet und konfiguriert sind, durch das elektronische Package eng miteinander zu interagieren. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen können die Verstärkungsfunktionalitäten in einem oder mehreren Siliziumkernen in applikationsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbaren Gatearrays (FPGAs) und anderen Halbleiterchips implementiert werden.
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Es ist auch zwingend anzumerken, dass alle die hierin umrissenen Spezifikationen, Abmessungen und Beziehungen (z. B. die Anzahl von Prozessoren, Logikoperationen usw.) lediglich zu Zwecken des Beispiels und der Lehre vorgebracht worden sind. Solche Informationen können erheblich abgewandelt werden, ohne von dem Gedanken der vorliegenden Offenbarung oder dem Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Die Spezifikationen gelten nur für ein nicht-beschränkendes Beispiel und sollten dementsprechend als solches ausgelegt werden. Bei der vorausgegangenen Beschreibung wurden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf bestimmte Prozesse- und/oder Komponentenanordnungen beschrieben. Verschiedene Modifikationen und Änderungen können an solchen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind entsprechend in einem veranschaulichenden anstatt in einem restriktiven Sinne zu verstehen.
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Man beachte, dass mit den hierin bereitgestellten zahllosen Beispielen eine Interaktion bezüglich zwei, drei, vier oder mehr elektrischen Komponenten beschrieben werden kann. Dies erfolgte jedoch lediglich zu Zwecken der Klarheit und des Beispiels. Es versteht sich, dass das System auf beliebige geeignete Weise konsolidiert werden kann. Unter ähnlichen Designalternativen können beliebige der dargestellten Komponenten, Module und Elemente der Figuren in verschiedenen möglichen Kombinationen kombiniert werden, die alle eindeutig innerhalb des breiten Schutzbereichs dieser Patentschrift liegen. In gewissen Fällen kann es leichter sein, eine oder mehrere der Funktionalitäten eines gegebenen Satzes von Flüssen nur durch Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl elektrischer Elemente zu beschreiben. Es versteht sich, dass die elektrischen Schaltungen der Figuren und ihre Lehren ohne Weiteres skaliert werden können und eine große Anzahl an Komponenten sowie kompliziertere/ausgeklügeltere Anordnungen und Konfigurationen aufnehmen können. Dementsprechend sollten die bereitgestellten Beispiele den Schutzbereich nicht beschränken oder die breiten Lehren der elektrischen Schaltungen, wie potentiell auf eine Vielzahl anderer Architekturen angewendet, verhindern.
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Es ist auch wichtig anzumerken, dass die Funktionen bezüglich einer Differenzabtastung, in 6 gezeigt, nur einige der möglichen Funktionen veranschaulichen, die von oder innerhalb von in 5 dargestellten Systemen ausgeführt werden können. Einige dieser Operationen können, wo angemessen, gelöscht oder entfernt werden, oder diese Operationen können erheblich modifiziert oder geändert werden, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Außerdem kann die Zeitsteuerung dieser Operationen erheblich abgeändert werden. Die vorausgegangenen Arbeitsflüsse wurden zu Zwecken des Beispiels und der Erörterung vorgelegt. Substantielle Flexibilität wird durch hierin beschriebene Ausführungsformen bereitgestellt, insofern beliebige geeignete Anordnungen, Chronologien, Konfigurationen und Zeitsteuermechanismen bereitgestellt werden können, ohne von den Lehren der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Man beachte, dass in dieser Patentschrift Referenzen auf verschiedene Merkmale (z. B. Elemente, Strukturen, Module, Komponenten, Schritte, Operationen, Kennlinien usw.), die in „einer Ausführungsform”, einem „Ausführungsbeispiel”, „einer anderen Ausführungsform”, „gewissen Ausführungsformen”, „verschiedenen Ausführungsformen”, „weiteren Ausführungsformen”, „alternativen Ausführungsformen” und dergleichen bedeuten sollen, dass beliebige derartige Merkmale in einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten sind, aber notwendigerweise oder nicht notwendigerweise in den gleichen Ausführungsformen kombiniert werden können. Zahlreiche andere Änderungen, Substitutionen, Variationen, Abänderungen und Modifikationen können von dem Fachmann festgestellt werden, und es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung alle derartigen Änderungen, Substitutionen, Variationen, Abänderungen und Modifikationen als in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallend einschließen. Man beachte, dass alle optionalen Merkmale der oben beschriebenen Vorrichtung auch bezüglich des hierin beschriebenen Verfahrens oder Prozesses implementiert werden können und spezifische Details in den Beispielen an beliebiger Stelle in einer oder mehreren Ausführungsformen verwendet werden können.
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KURZE DARSTELLUNG VON SCHLÜSSELMERKMALEN
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt einen verbesserten kapazitiven Sensor zum Erfassen der Umgebung unter Verwendung von Differenzsignalisierung. Der kapazitive Sensor ist so ausgelegt, dass er ein Differenzsignal liefert, das die Umgebung des Sensors repräsentiert.
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Der Sensor umfasst einen Eintaktabschnitt, einen segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt und ein Paar Signalbahnen. Der Eintaktabschnitt befindet sich auf einer ersten Seite einer Leiterplatte oder Flex-Schaltung (oder einem beliebigen geeigneten isolierenden Material/oder einer beliebigen geeigneten isolierenden Schicht), und der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt befindet sich auf einer zweiten Seite der Leiterplatte oder der Flex-Schaltung.
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Der Eintaktabschnitt ist bevorzugt kleiner als der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt (oder der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt ist bevorzugt größer, d. h. überspannt eine größere Fläche als der Eintaktabschnitt) und ist bezüglich des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts zentriert. Das Verhältnis der Größen des Eintaktabschnitts und des segmentierten Differenzabschirmungsabschnitts kann je nach der Anwendung variieren.
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Das Paar von Bahnen führt das Differenzsignal (mit der Bezeichnung „P-Signal” und „N-Signal”), und die Bahnen führen die elektrischen Signale von dem Eintaktabschnitt und dem segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt zu einer Verarbeitungsschaltung zur Verarbeitung.
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Der Eintaktabschnitt ist dafür ausgelegt, die Umgebung zu erfassen. Der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt ist ausgelegt zum differentiellen Ausgleichen der Umgebung und Zurückweisen einer Rauschkopplung an den kapazitiven Sensor.
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Der Eintaktabschnitt kann an die das P-Signal des Differenzsignals führende Bahn oder die das N-Signal des Differenzsignals führende Bahn angeschlossen sein.
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Der Eintaktabschnitt besitzt bevorzugt eine kreisförmige Gestalt, es werden aber auch andere Gestalten in Betracht gezogen (z. B. Quadrate, Ovale, Dreiecke, Rechtecke, Fünfecke, Sechseck, Achtecke, andere geeignete Vielecke usw.).
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Der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt umfasst mehrere Segmente, wobei eine Teilmenge der Segmente mit der das P-Signal des Differenzsignals führenden Bahn verbunden ist (als die „P-Segmente” bezeichnet) und eine Teilmenge der Segmente mit der das N-Signal des Differenzsignals führenden Bahn verbunden ist (als die „N-Segmentei” bezeichnet).
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Die Anzahl an Segmenten in dem segmentierten Differenzabschirmungsabschnitt kann je nach der Anwendung und Herstellbarkeit variieren.
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Die P-Segmente sind für einen Ausgleichseffekt auf abwechselnde Weise mit den N-Segmenten angeordnet. Der segmentierte Differenzabschirmungsabschnitt (und die Anordnung der P- und N-Segmente) kann eine symmetrische Qualität besitzen (Rotationssymmetrie, Reflexionssymmetrie usw.).
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Die mehreren Segmente sind bevorzugt bezüglich der jeweiligen Flächen ausgeglichen, das heißt, die Fläche von Segmenten entsprechend dem P-Signal ist im Wesentlichen die Gleiche wie die Fläche der Segmente entsprechend dem N-Signal. Die Anzahl an Segmenten entsprechend dem P-Signal ist die Gleiche wie die Anzahl an Segmenten entsprechend dem N-Signal, falls die Segmente für das P-Signal und das N-Signal von gleicher Größe sind. Falls die Segmente nicht von gleicher Größe sind, dann ist die Anzahl an Segmenten entsprechend dem P-Signal möglicherweise nicht gleich der Anzahl an Segmenten entsprechend dem N-Signal.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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