EP2834724A1 - Kapazitiver sensor, verfahren zum auslesen eines kapazitiven sensorfeldes und verfahren zur herstellung eines kapazitiven sensorfeldes - Google Patents

Kapazitiver sensor, verfahren zum auslesen eines kapazitiven sensorfeldes und verfahren zur herstellung eines kapazitiven sensorfeldes

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EP2834724A1
EP2834724A1 EP13717203.7A EP13717203A EP2834724A1 EP 2834724 A1 EP2834724 A1 EP 2834724A1 EP 13717203 A EP13717203 A EP 13717203A EP 2834724 A1 EP2834724 A1 EP 2834724A1
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EP
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electrode
electrodes
lead
capacitance
capacitive sensor
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Withdrawn
Application number
EP13717203.7A
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Ulrich Backes
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BCS Automotive Interface Solutions GmbH
Original Assignee
BCS Automotive Interface Solutions GmbH
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Publication date
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Abstract

Kapazitiver Sensor (20) und Verfahren zum Auslesen eines kapazitiven Sensorfeldes (2), wobei das kapazitive Sensorfeld (2) eine Vielzahl von diskreten Elektroden (4) aufweist, die an diskrete Zuleitungen (8) gekoppelt sind. Die Zuleitungen (8) einer ersten Elektrode (41) ist so geführt, dass sie mit zumindest einer zweiten Elektrode (42) kapazitiv koppelt. Ein erstes Signal (Cm1) wird an einer ersten Zuleitung (8), die mit der ersten Elektrode (41) gekoppelt ist, und ein zweites Signal (Cm2) wird an einer zweiten Zuleitung (8), die mit einer zweiten Elektrode (42) gekoppelt ist, detektiert. Die Kapazität (Cf1, Cf2) der ersten Elektrode (41) oder der zweiten Elektrode (42) wird durch Anwendung einer vorbestimmten Berechnungsformel bestimmt, welche das erste Signal (Cm1), das zweite Signal (Cm2) und die kapazitive Kopplung zwischen der zweiten Elektrode (4) und der ersten Zuleitung (8), die mit der ersten Elektrode (41) gekoppelt ist, berücksichtigt.

Description

Kapazitiver Sensor, Verfahren zum Auslesen eines kapazitiven Sensorfeldes und Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensorfeldes
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit einer Auswerteeinheit und einem Sensorfeld mit einer Vielzahl von diskreten Elektroden sowie ein Verfahren zum Auslesen eines solchen kapazitiven Sensorfeldes. Technischer Hintergrund
Zweidimensionale kapazitive Sensorfelder werden vielfach als Bedienfelder (Touchpads) für Fahrzeugfunktionen z. B. zur Bedienung eines Radios oder eines Navigationsgerätes eingesetzt. Das kapazitive Sensorfeld wird vorzugsweise im Armaturenbrett eines Kraftfahrzeuges angeordnet und mit einem Display oder einer Maske, welche die entsprechenden Fahrzeugfunktionen anzeigt, kombiniert. Solche Touchpads werden gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung relativ dicker Leiterplatten hergestellt, um ein Übersprechen zwischen den Zuleitungen der Elektroden und den Elektroden selbst zu minimieren und um eine genaue Kapazitätsmessung an der jeweiligen Elektrode zu ermöglichen. Die zu messende Kapazität entsteht durch die Wechselwirkung zwischen der jeweiligen Elektrode des kapazitiven Sensorfelds und einem auf einer Berührplatte isoliert aufliegenden und als geerdet angenommenen Gegenstand, z. B. einem spezieil dafür vorgesehenen Stift oder dem Finger eines Beutzers. Zur Umwandlung der an den Elektroden eines kapazitiven Sensorfelds gemessenen Kapazitäten in entsprechende Positions- und/oder Näherungssignale, welche der Fahrzeugelektronik zur weiteren Auswertung übergeben werden können, weist ein kapazitiver Sensor neben dem Sensorfeld in der Regel eine Auswerteeinheit bzw. Auswerteelektronik auf, welche selbstverständlich auch in eine andere elektronische Komponente des Fahrzeugs integriert sein kann.
Die zur Herstellung bekannter Sensorfelder verwendeten dicken Leiterplatten bedeuten einerseits einen Kostenfaktor. Andererseits führt eine dicke und entsprechend mechanisch starre Leiterplatte zu Einschränkungen bei den Einsatzmöglichkeiten des kapazitiven Sensorfeldes. So ist z. B. die Anpassung des Sensorfeldes an eine gewünschte Raumform des Touchpads nur sehr eingeschränkt möglich, ohne dass auch die starre Leiterplatte bereits bei der Herstellung an diese Raumform, z. B. an eine bestimmte konvexe oder konkave Oberfläche des Touchpads, angepasst werden muss.
Zusammenfassung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen verbesserten kapazitiven Sensor, ein verbessertes Verfahren zum Auslesen eines kapazitiven Sensorfeldes und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensorfeldes anzugeben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Auslesen eines kapazitiven Sensorfeldes angegeben, wobei dieses Sensorfeld eine Vielzahl von diskreten Elektroden aufweist. Jede Elektrode des kapazitiven Sensorfeldes ist an eine diskrete Zuleitung gekoppelt, welche sich von der jeweiligen Elektrode bis in einen Anschlussbereich des Sensorfeldes erstreckt. Über die jeweilige diskrete Zuleitung kann eine Kapazität der entsprechenden Elektrode ausgelesen werden. Die Vielzahl von Elektroden des Sensorfeldes umfasst zumindest eine erste Elektrode, deren Zuleitung so geführt ist, dass diese Zuleitung mit zumindest einer zweiten Elektrode kapazitiv koppelt. Ein erstes Signal wird an einer ersten Zuleitung, die mit der ersten Elektrode gekoppelt ist, detektiert und ein zweites Signal wird an einer zweiten Zuleitung, die mit der zweiten Elektrode gekoppelt ist, detektiert. Die Kapazität der ersten Elektrode oder die Kapazität der zweiten Elektrode wird durch Auswertung einer vorbestimmten Berechnungsformel bestimmt, wobei diese Berechnungsformel das erste Signal, das zweite Signal und die kapazitive Kopplung zwischen der zweiten Elektrode und der ersten Zuleitung, die mit der ersten Elektrode gekoppelt ist, berücksichtigt.
Entgegengesetzt zu den bekannten technischen Ansätzen verfolgt das Verfahren gemäß Aspekten der Erfindung nicht den Ansatz, eine kapazitive Kopplung zwischen den Zuleitungen und den Elektroden zu minimieren sondern nimmt diese Kopplung bewusst in Kauf. Die so entstehenden Ungenauigkeiten beim Ausiesen der entsprechenden Kapazitäten werden durch Anwendung einer entsprechenden Berechnungsforme! rechnerisch kompensiert. Auf die Verwendung entsprechend dicker Leiterplatten, um ein Übersprechen zwischen den Elektrodenzuleitungen und den Elektroden möglichst gering zu halten, kann vorteilhaft verzichtet werden. In die Berechnungsformel fließt unter anderem eine kapazitive Kopplung, bevorzugt eine Kapazität zwischen der zweiten Elektrode und der ersten Zuleitung, die mit der ersten Elektrode gekoppelt ist, ein. Die Kapazität zwischen der zweiten Elektrode und der ersten Zuleitung kann z. B. empirisch ermittelt werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, diese Kapazität anhand der verwendeten Geometrie und der verwendeten Materialien (insbesondere deren Dielektrizitätskonstante) zu berechnen. Indem eine kapazitive Kopplung zwischen den Zuleitungen der Elektroden und denjenigen Elektroden, in deren Nähe diese Zuleitungen geführt ist, bewusst in Kauf genommen wird, kann zur Herstellung eines entsprechenden kapazitiven Sensorfeldes auf eine Vielzahl von Hersteilungstechniken zurückgegriffen werden. So können beispielsweise die Elektroden sowie alle Zuleitungen unter Verwendung entsprechender Isolationsschichten in einer schichtweisen Drucktechnik mit leitfähiger bzw. nicht leitfähiger Farbe aufgebracht werden. Ais Substrat kann eine flexible weil hinreichend dünne Kunststofffolie verwendet werden. Dieser flexible Träger (Substrat) erlaubt eine problemlose Anpassung der Form des kapazitiven Sensorfeldes an die Raumform z. B. eines Bedienelementes eines Kraftfahrzeuges. So kann ein Bedienelement (Touchpad) einschließlich des entsprechenden kapazitiven Sensorfeldes z. B. flexibel an die äußere Form eines Armaturenbretts eines Kraftfahrzeuges angepasst und in dieses integriert werden. Außerdem bietet ein solches Herstellungsverfahren gemäß Aspekten der Erfindung Kostenvorteile gegenüber den bekannten konventionellen Verfahren, welche verhältnismäßig dicke Leiterplatten als Substrat einsetzen.
Gemäß einem wetteren Aspekt der Erfindung wird ein vorteilhaftes Verfahren zum Auslesen eines kapazitiven Sensorfeldes angegeben, wobei die Vielzahl von Elektroden des Sensorfelds zumindest eine dritte Elektrode umfasst, deren Zuleitung derart geführt ist, dass diese Zuleitung mit der ersten Eiektrode, der zweiten Elektrode und ggf. mit weiteren Elektroden kapazitiv koppelt. Der Detektionsschritt umfasst bei einem solchen Verfahren außerdem die Detektion eines dritten Signais an einer dritten Zuleitung, die mit der dritten Elektrode gekoppelt ist. Gegebenenfalls werden weitere Signale an weiteren Zuleitungen, die mit den weiteren Elektroden gekoppelt sind, detektiert. Diese weiteren Zuleitungen koppeln kapazitiv z. B. mit der dritten Elektrode. Die Kapazität der ersten, zweiten oder dritten Elektrode wird durch Auswertung einer entsprechenden Berechnungsformel bestimmt, wobei diese jeweils für die erste, zweite oder dritte Elektrode individuell zu bestimmende Berechnungsformel das erste, zweite und dritte Signal sowie ggf. die weiteren Signale an den weiteren Zuleitungen berücksichtigt. Außerdem fließt in die Berechnungsformel(n) eine Kapazität zwischen der zweiten Elektrode und der Zuleitung der ersten Elektrode, eine Kapazität zwischen der dritten Zuleitung und der ersten Elektrode, eine Kapazität zwischen der dritten Zuleitung und der zweiten Eiektrode und ggf. eine Kapazität zwischen der dritten Zuleitung und den mit dieser Zuleitung gekoppelten weiteren Elektroden ein. Mit Hilfe eines solchen Verfahrens können auch komplexe Sensorfelder zuverlässig ausgelesen werden.
Zur Bestimmung der erwähnten Berechnungsformeln kann vorteilhaft ein lineares Gleichungssystem aufgestellt werden, welches analytisch oder nummerisch gelöst wird und dessen Ergebnis die entsprechenden Berechnungsformeln zur Berechnung der ersten, zweiten und ggf. dritten Kapazität angibt. In diesem linearen Gleichungssystem ist eine erste, zweite und ggf. dritte Gleichung für das erste, zweite und ggf. dritte Signal vorhanden. Die erste bis dritte Gleichung wird durch Analyse des entsprechenden Kapazitätsnetzwerkes des kapazitiven Sensors aufgestellt. Dabei werden die Kapazitäten entlang eines durch die entsprechende erste, zweite oder ggf. dritte Zuleitung definierten Pfades von der ersten, zweiten und ggf. dritten Elektrode bis zu deren Ausgang in einem entsprechenden Anschlussbereich des Sensorfeldes berücksichtigt. Die auf diesem Pfad auftretenden Kapazitäten sind zunächst die erste, zweite und ggf. dritte Kapazität der ersten, zweiten oder ggf. dritten Elektrode. Außerdem werden die Kapazitäten zwischen der ersten, zweiten und ggf. dritten Zuleitung und den mit dieser Zuleitung gekoppelten Elektroden berücksichtigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein kapazitiver Sensor angegeben, welcher eine Auswerteeinheit und ein Sensorfeld mit einer Vielzahl von diskreten Elektroden aufweist. Jede dieser diskreten Elektroden ist an jeweils eine diskrete Zuleitung gekoppelt, welche sich von der jeweiligen Elektrode bis in einen Anschlussbereich erstreckt. Bevorzugt ist die jeweilige Zuleitung direkt mit der entsprechenden Elektrode elektrisch verbunden. Beispielsweise wird die Zuleitung direkt auf die Elektrode aufgedruckt und die Elektrode mit der Zuleitung auf diese Weise kontaktiert. Über die entsprechende Zuleitung kann die Kapazität der jeweiligen Elektrode ausgelesen werden. Das kapazitive Sensorfeld umfasst zumindest eine erste Elektrode, deren Zuleitung derart geführt ist, dass diese Zuleitung mit zumindest einer zweiten Elektrode kapazitiv koppelt. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgelegt, ein erstes Signal an einer ersten Zuleitung, die mit der ersten Elektrode gekoppelt ist, und ein zweites Signal an einer zweiten Zuleitung, die mit der zweiten Elektrode gekoppelt ist, zu detektieren. Die Kapazität der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode wird durch Anwendung einer Berechnungsformel bestimmt, welche vorbestimmt und bevorzugt in der Auswerteeinheit hinterlegt ist. Diese Berechnungsformel berücksichtigt das erste Signal, das zweite Signal und die kapazitive Kopplung zwischen der zweiten Elektrode und der Zuleitung der ersten Elektrode. Bevorzugt berücksichtigt diese Berechnungsformel eine Kapazität zwischen der zweiten Elektrode und der Zuleitung der ersten Elektrode. Wie bereits erwähnt, kann diese Kapazität sowohl empirisch als auch anhand der verwendeten Geometrie und Materialien theoretisch bestimmt werden.
Vorteilhaft kann das Sensorfeld des kapazitiven Sensors außerdem eine Vielzahl von äußerem Elektroden aufweisen, die an einen Anschlussbereich des kapazitiven Sensorfeides angrenzen. Bevorzugt sind diese äußeren Elektroden in zumindest einem Abschnitt des Umfangs des Sensorfeldes angeordnet. Diese äußeren Elektroden trennen den Anschlussbereich von einer Vielzahl von inneren Elektroden. Die Zuleitungen der inneren Elektroden sind derart geführt, dass diese mit zumindest einer der äußeren Elektroden kapazitiv koppeln und in den bevorzugt am Rand des Sensorfeldes angeordneten Anschlussbereich führen. Gemäß einer solchen Ausführungsform des kapazitiven Sensors ist eine innere Elektrode eine erste Elektrode und eine äußere Elektrode eine zweite Elektrode.
Außerdem können die Zuleitungen der inneren Elektroden über zumindest einen Teilbereich einer Fläche der äußeren Elektroden geführt sein, wobei vorteilhaft die Zuleitungen von der inneren Elektrode durch eine elektrische fsolationsschicht von der äußeren Elektrode getrennt sind. Im Hinblick auf die Flexibilität sowie die Kosten des kapazitiven Sensors ist es vorteilhaft, wenn die Elektroden, die Zuleitungen und/oder die Isolationsschicht in einem Druckverfahren hergestellte Schichten sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensors, wie er gemäß den oben stehenden Aspekten der Erfindung erläutert wurde, angegeben. Bei einem solchen Herstellungsverfahren werden auf ein flexibles Substrat nacheinander die diskreten Elektroden, die elektrische Isolationsschicht und die Zuleitungen in einem Druckverfahren aufgebracht.
Weitere Vorteile des kapazitiven Sensors sowie des Verfahrens zur Herstellung eines solchen kapazitiven Sensors gemäß Aspekten der Erfindung sind bereits im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren erwähnt worden und sollen daher nicht wiederholt werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
FIG. 1 zeigt die Vorderseite eines kapazitiven Sensorfeldes gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer vereinfachten perspektivischen Ansicht,
FIG. 2 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Ausschnitts dieses Sensorfeldes von seiner Rückseite,
FIG. 3 zeigt einen vereinfachten Ersatzschaltplan für ein solches Sensorfeld, wobei beispielhaft eine innere und eine äußere Elektrode berücksichtigt werden, FIG. 4 zeigt einen weiteren vereinfachten Ersatzschaltplan für drei beispielhafte Elektroden in einem kapazitiven Sensorfeld dessen Zuleitungen zu den entsprechenden Elektroden über bis zu zwei Elektroden geführt sind,
FIG. 5 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm, welches einen Signalverarbeitungspfad in einem kapazitiven Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel erläutert und
FIG. 6 zeigt einen Ausschnitt einer Mittelkonsole eines Kraftfahrzeugs in vereinfachter Ansicht, in welche ein kapazitiver Sensor gemäß einem Ausführungs- beispiel integriert ist.
Detaillierte Beschreibung FIG. 1 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht der Vorderseite eines kapazitiven Sensorfeldes 2, weiches eine Vielzahl von diskreten Elektroden 4 (aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich einige der Elektroden 4 mit Bezugszeichen versehen) aufweist. Die Elektroden 4 sind auf einem bevorzugt transparenten Substrat 6 angeordnet, bei welchem es sich z. B. um eine hinreichend dünne und dadurch flexible Kunststofffolie oder um eine dünne Flex- Leiterplatte handeln kann.
Die Elektroden 4 sind diskret, d. h. in einer Ebene, in der sich das kapazitive Sensorfeldes 2 erstreckt, sind die Elektroden 4 voneinander beabstandet und elektrisch voneinander isoliert. Jede der Elektroden 4 ist an eine ebenfalls diskrete Zuleitung 8 gekoppelt. Bevorzugt ist diese Zuleitung 8 auf die entsprechende Elektrode 4 zum Teil aufgedruckt und so mit dieser elektrisch verbunden bzw. gekoppelt. Die Zuleitung 8 führt von der Elektrode 4 bis in einen Anschlussbereich 10 des kapazitiven Sensorfeldes 2. Die Zuleitungen 8 zu denjenigen Elektroden 4, welche nicht unmittelbar an den Anschlussbereich 10 angrenzen, sind über die Fläche der an den Anschlussbereich 10 angrenzenden Elektroden 4 hinweg geführt und außerdem gegenüber den entsprechenden Elektroden 4 durch eine Isolationsschicht 12 elektrisch isoliert. Die Elektroden 4, die Zuleitungen 8 und die Isolationsschichten 12 sind bevorzugt mit einem schichtweisen Druckverfahren unter Verwendung geeigneter leitfähiger bzw. nicht leitfähiger Farbe hergestellt.
Das kapazitive Sensorfeld 2, welches bevorzugt in ein Bedienfeld eines Kraftfahrzeuges integriert wird und z. B. zur Bedienung eines Radios oder eines Navigationsgerätes eingesetzt wird, wird durch Berührung mit dem Finger 14 oder einem dafür vorgesehenem Stift bedient. Durch Kombination eines solchen kapazitiven Sensorfeldes 2 mit einer z. B. verschiedene Bedienelemente definierenden Maske oder einem darüber liegendem Display, kann ein Touchpad realisiert werden. Durch Berührung oder Bewegung des Fingers 14 bzw. des Stiftes können vorbestimmte Funktion z. B. zur Verstellung der Lautstärke eines Radios ausgeführt werden.
FIG. 2 zeigt das bereits aus FIG. 1 bekannte kapazitive Sensorfeid 2 von seiner Rückseite in einer ausschnittsweisen, vereinfachten und perspektivischen Ansicht. Das kapazitive Sensorfeid 2 weist äußere Elektroden 42 auf, welche unmittelbar an den Anschlussbereich 10 angrenzen. Durch diese äußeren Elektroden 42 sind die in einem Innenraum des kapazitiven Sensorfeldes angeordneten inneren Elektroden 41 von dem am äußeren Rand des Sensorfeldes 2 liegenden Anschlussbereich 10 getrennt. Die Zuleitungen 8 der äußeren Elektroden 42 sind ausgehend von diesen unmittelbar in den Anschlussbereich 10 geführt. Im Gegensatz dazu sind die Zuleitungen 8 der inneren Elektroden 41 über die äußeren Elektroden 42 hinweg in den Anschlussbereich 10 geführt und gegenüber der entsprechenden äußeren Elektrode 42 durch eine [solationsschicht 12 getrennt. Durch dieses Layout der Streckenführung der Zuleitungen 8 der inneren Elektroden 41 entsteht eine kapazitive Kopplung zwischen dieser Zuleitung 8 und der entsprechenden äußeren Elektrode 42. Die entstehende Kapazität ist hauptsächlich von den Abmessungen des Überlappungsbereiches zwischen der Zuleitung 8 und der äußeren Elektrode 42, der Dicke der Isolationsschicht 12 und dem Material dieser Isolationsschicht 12 (insbesondere der Dielektrizitäts- konstante) abhängig. Diese induktive Kopplung wird bei der Auswertung eines ersten und zweiten Signals Cm1 und Cm2 berücksichtigt. Das erste Signal Cm1 wird an einer ersten Zuleitung 8, die mit einer auch als erste Elektrode bezeichneten inneren Elektrode 41 verbunden ist, abgegriffenen. Das zweite Signal Cm2 wird an einer zweiten Zuleitung 8 abgegriffen, die mit einer äußeren Elektrode 42 verbunden ist und auch als zweite Elektrode bezeichnet werden soll. Eine Berechnungsformel, welche diese kapazitive Kopplung berücksichtigt und korrigiert wird durch Analyse des kapazitiven Netzwerks, welches zwischen den Zuleitungen 8 und den Elektroden 4 vorhanden ist, ermittelt.
FIG. 3 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des kapazitiven Netzwerkes zwischen der inneren und äußeren Elektrode 41, 42 (als erste und zweite Elektrode bezeichnet) und deren Zuleitungen 8. An der ersten Zuleitung, welche mit der ersten und inneren Elektrode 41 verbunden ist) liegt das erste Signal Cm1 an. Die Kapazität der ersten Elektrode 41 ist mit Cf1 bezeichnet und entsteht, wenn ein als geerdet angenommener Finger 14 bzw. Stift in Wechselwirkung mit dieser ersten Elektrode 41 tritt. Da die Zuleitung 8 zu dieser ersten und inneren Elektrode 41 über die äußere und zweite Elektrode 42, deren Kapazität mit Cf2 bezeichnet ist, hinweg geführt ist (vgl. FIG. 2), entsteht eine kapazitive Kopplung zwischen dieser Zuleitung 8 und der äußeren Elektrode 42. Die Kapazität zwischen der Zuleitung 8 und der zweiten Elektrode 42 ist in dem Ersatzschaltbild der FIG. 3 mit Ck12 bezeichnet.
An einer zweiten Zuleitung, die mit der zweiten und inneren Elektrode 42 verbunden ist, wird das zweite Signal Cm2 detektiert. Die an der zweiten und inneren Elektrode 42 anliegende Kapazität verändert sich, wenn der Finger 14 bzw. der als geerdet angenommene Stift in Wechselwirkung mit dieser zweiten und inneren Elektrode 42 tritt. Dem in FIG. 3 gezeigten Ersatzschaftbild ist zu entnehmen, dass das an der ersten Zuleitung detektierte erste Signal Cm1 wie folgt durch die in dem Ersatzschaltbild gezeigten Kapazitäten bestimmt ist:
1
Cml = Cfl +
Ckl2 T Cf2
Entsprechend ergibt sich für das an der zweiten Zuleitung anliegende zweite Signal Cm2 die folgende Abhängigkeit von den im Ersatzschaltbild der FIG. 3 gezeigten Kapazitäten:
Cm2 = Cf2 +
Ckl2 T Cfl
Die gezeigten Gleichungen für das erste und zweite Signal Cm1 , Cm2 bilden ein lineares Gleichungssystem, welches zur Bestimmung der Kapazität Cf1 , Cf2 der ersten bzw. zweiten Elektrode 41 , 42 nach dieser Größe aufgelöst werden kann. Für die Kapazität CF1 der ersten Elektrode 41 ergibt sich die folgende Berechnungsformel:
Die Kapazität Cf1 der ersten Elektrode 41 kann also anhand des ersten und zweiten Signals Cm1 , Cm2 sowie anhand der Kapazität Ck12 zwischen der zweiten Zuleitung 8, welche mit der zweiten Elektrode 42 verbunden ist, und der ersten Elektrode 41 bestimmt werden. Entsprechend gilt für die Kapazität Cf2 der zweiten Elektrode 42 die folgende Berechnungsformel:
Für ein kapazitives Sensorfeld 2, bei welchem die Zuleitungen 8 der inneren Elektroden 41 lediglich über eine Reihe (nämlich über die äußeren Elektroden 42) von Elektroden hinweg geführt ist, lässt sich für die Bestimmung der entsprechenden Kapazitäten Cf1 , Cf2 der Elektroden 41 , 42 die dargestellte analytische Lösung finden. Weist ein Sensorfeld 2 jedoch Elektroden auf, deren Zuleitungen 8 über eine Mehrzahl von Elektroden 4 hinweg geführt ist, lässt sich in der Regel keiner analytische Lösung für die Bestimmung der entsprechenden Kapazitäten der Elektroden 4 mehr finden, sodass auf nummerische Verfahren zurückgegriffen werden muss.
Im Folgenden soll ein beispielhaftes Gleichungssystem für ein Sensorfeld 2 angegeben werden, bei dem eine dritte Elektrode 4 vorhanden ist, deren Zuleitung 8 über eine ersten und äußere Elektrode 41 und über eine sich anschließende zweite und innere Elektroden 42 geführt ist. Zunächst ergibt sich in diesem Fall ein Ersatzschaltbild, welches in FIG. 4 zeigt.
An einer ersten bis dritten Zuleitung werden die Signale Cm1, Cm2 und Cm3 detektiert. Da die Zuleitung zu der dritten Elektrode sowohl über die erste Elektrode (mit der Kapazität Cf1) afs auch über die zweite Elektrode (mit der Kapazität Cf2) hinweg geführt ist, ergeben sich neben der bereits bekannten Kapazität Ck12 die weiteren Kapazitäten Ck13 und Ck23, welche durch die kapazitive Kopplung der zu der dritten Elektrode (mit der Kapazität Cf3) führenden Zuleitung mit der ersten Elektrode (Ck13) und der zweiten Elektrode (Ck23) ergibt. In dem in FIG. 4 dargestellten Kapazitätsnetzwerk lassen sich für die an der ersten bis dritten Zuleitung detektierten Signale Cm1 , Cm2 und Cm3 die folgenden Gleichungen aufstellen, welche wiederrum ein lineares Gleichungssystem bilden:
1 1
Cml = Cfl + — - +
Ckl2 + τ Cf2 Ckl3 · + ' CG
Cm2 = Cf2 +— - +
Ckl2 + Cfl Ck23 + Cf3
Cm3 = Cf3 +— +
Ckl3 + Cfl Ck23 + Cf2
Durch numerische Lösung dieses Gleichungssystems lassen sich wiederum Ausdrücke für die erste bis dritte Kapazität Cf1, Cf2 und Cf3 finden, welche entsprechende Berechnungsformeln darstellen.
FIG. 5 zeigt eine vereinfachte Ansicht des Signallaufs ausgehend von an den Zuleitungen detektierten Signalen Cm1 bis Cm4, welche entsprechend einem Verfahren gemäß Aspekten der Erfindung, welches in FIG. 5 als Elektroden- übersprechkompensation bezeichnet ist, ausgewertet werden, sodass die an den entsprechenden Elektroden 4 anliegenden Kapazitäten Cf1 bis Cf4 berechnet werden können. Diese Kapazitäten Cf1 bis Cf4 werden in einem weiteren als Elektrodenkapazitätsauswertung bezeichneten Schritt ausgewertet, um die Position beispielsweise des Fingers 14 auf dem kapazitiven Sensorfeld 2 zu bestimmen und eine entsprechend Funktion anhand des in diesem Schritt ausgegebenen Positionssignals bzw. Annäherungssignals durchzuführen.
FIG. 6 zeigt eine vereinfachte Ansicht eines Ausschnitts einer Mittelkonsole 16 eines Kraftfahrzeuges, welche neben verschiedenen Bedienelementen 18 einen kapazitiven Sensor 20 umfasst. Der kapazitive Sensor 20 umfasst ein kapazitives Sensorfeid 2 und eine damit verbundene, bevorzugt im inneren der Mittelkonsole 16 (oder auch an einem anderen Ort des Kraftfahrzeuges) angeordnete Auswerteeinheit 22.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Auslesen eines kapazitiven Sensorfeldes (2) mit einer Vielzahl von diskreten Elektroden (4), wobei jede Elektrode (4) des kapazitiven Sensorfeldes (2) an jeweils eine diskrete Zuleitung (8) gekoppelt ist, welche sich von der jeweiligen Elektrode (4) bis in einen Anschlussbereich (10) des Sensorfeldes (2) erstreckt und über die eine Kapazität (Cf1 , Cf2, Cf3) der jeweiligen Elektrode (4) ausgelesen werden kann, wobei die Vielzahl von Elektroden (4) des Sensorfeldes (2) zumindest eine erste Elektrode (4) umfasst, deren Zuleitung (8) so geführt ist, dass die Zuleitung (8) mit zumindest einer zweiten Elektrode (42) kapazitiv koppelt, wobei das Verfahren zum Auslesen des kapazitiven Sensorfeldes (2) die folgenden Schritte umfasst: a) detektieren eines ersten Signals (Cm1) an einer ersten Zuleitung (8), die mit der ersten Elektrode (41) gekoppelt ist, und detektieren eines zweiten Signals (Cm2) an einer zweiten Zuleitung (8), die mit der zweiten Elektrode (42) gekoppelt ist, b) bestimmen der Kapazität (Cf1 , Cf2) der ersten Elektrode (41) oder der zweiten Elektrode (42) durch Anwendung einer vorbestimmten Berechnungsformel, welche das erste Signal (Cm1), das zweite Signal (Cm2) und die kapazitive Kopplung zwischen der zweiten Elektrode (42) und der ersten Zuleitung (8), die mit der ersten
Elektrode (41) gekoppelt ist, berücksichtigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in die Berechnungsformel eine Kapazität (Ck12) zwischen der zweiten Elektrode (42) und der ersten Zuleitung (8), die mit der ersten Elektrode (41) gekoppelt ist, einfließt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl von Elektroden (4) des Sensorfeldes (2) zumindest eine dritte Elektrode umfasst, deren dritte Zuleitung derart geführt ist, dass diese Zuleitung mit der ersten Elektrode (41), der zweiten Elektrode (42) und ggf. mit weiteren Elektroden kapazitiv koppelt,
wobei der Schritt des Detektierens außerdem umfasst:
detektieren eines dritten Signals (Cm3) an einer dritten Zuleitung, die mit der dritten Elektrode gekoppelt ist, und ggf. detektieren weiterer Signale an den weiteren Zuleitungen, die mit den weiteren Elektroden gekoppelt sind, wobei diese weiteren Elektroden mit der Zuleitung der dritten Elektrode kapazitiv koppeln, und wobei der Schritt des Bestimmens einer Kapazität außerdem umfasst:
bestimmen einer Kapazität (Cf1, Cf2, Cf3) der ersten, zweiten oder dritten Elektrode (41, 42) durch Anwendung einer Berechnungsformel, welche das erste, zweite und dritte Signal (Cm1 , Cm2, Cm3) sowie ggf. die weiteren Signale an den weiteren Zuleitung(en) berücksichtigt, wobei die weiteren Zuleitung(en) mit der/den weiteren Elektrode(n) kapazitiv gekoppelt ist/sind, und in die Berechnungsformel außerdem die Kapazität (Ck12) zwischen der zweiten Elektrode (42) und der Zuleitung (8) der ersten Elektrode (41), die Kapazität (Ck13) zwischen der dritten Zuleitung und der ersten Elektrode (41), die Kapazität (Ck23) zwischen der dritten Zuleitung und der zweiten Elektrode (42) und ggf. die Kapazität zwischen der dritten Zuleitung und den mit dieser Zuleitung gekoppelten weiteren Elektrode(n) einfließt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt des Bestimmens der ersten, zweiten und ggf. dritten Kapazität (Cf1, Cf2, Cf3) eine entsprechende vorbestimmte erst, zweite und ggf. dritte Berechnungsformel eingesetzt wird, und wobei zur Bestimmung dieser Berechnungsformeln ein lineares Gleichungssystem analytisch oder numerisch gelöst wird, wobei dieses lineare Gleichungssystem eine erste, zweite und ggf. dritte Gleichungen für das erste, zweite und ggf. dritte Signal (Cm1 , Cm2, Cm3) umfasst und die jeweilige Gleichung für ein Kapazitätsnetzwerk bestehend aus der ersten, zweiten und ggf. dritten Kapazität (Cf1, Cf2, Cf3) und den entlang eines Pfades von der ersten, zweiten oder ggf. dritten Elektrode (41 , 42) bis zu einem Ausgang der entsprechenden ersten, zweiten oder ggf. dritten Zuleitung (8) im Anschlussbereich (10) des Sensorfeldes (2) auftretenden Kapazitäten (Ck12, Ck13, Ck23) zwischen der ersten, zweiten und ggf. dritten Zuleitung (8) und der oder den mit der entsprechenden Zuleitung gekoppelten Elektrode(n) (4) aufgestellt wird.
5. Kapazitiver Sensor (20) umfassend eine Auswerteeinheit (22) und ein kapazitives Sensorfeld (2) mit einer Vielzahl von diskreten Elektroden (4), wobei jede Elektrode (4) an jeweils eine diskrete Zuleitung (8) gekoppelt ist, welche sich von der jeweiligen Elektrode (4) bis in einen Anschlussbereich (10) erstreckt und über die eine Kapazität (Cf1 , Cf2) der jeweiligen Elektrode (4) ausgelesen werden kann, wobei das Sensorfeld (2) zumindest eine erste Elektrode (41) umfasst, deren Zuleitung (8) derart geführt ist, dass die Zuleitung (8) mit zumindest einer zweiten Elektrode (42) kapazitiv koppelt, und wobei die Auswerteeinheit (22) dazu ausgelegt ist, a) ein erstes Signal (Cm1) an einer ersten Zuleitung (8), die mit der ersten Elektrode (41) gekoppelt ist, und ein zweites Signal (Cm2) an einer zweiten Zuleitung (8), die mit der zweiten Elektrode (42) gekoppelt ist, zu detektieren und b) die Kapazität (Cf1 , Cf2) der ersten Elektrode (41) oder der zweiten Elektrode (42) durch Anwendung einer Berechnungsformel zu bestimmen, wobei in dieser vorbestimmten und hinterlegten Berechnungsformel das erste Signal (Cm1) und das zweite Signal
(Cm2) sowie die kapazitive Kopplung zwischen der zweiten Elektrode (42) und der Zuleitung (8) der ersten Elektrode (41) berücksichtigt wird.
6. Kapazitiver Sensor (20) nach Anspruch 5, wobei in der Berechnungsformel eine Kapazität (Ck12) zwischen der zweiten Elektrode (42) und der Zuleitung (8) der ersten Elektrode (41) berücksichtigt wird.
7. Kapazitiver Sensor (20) nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das kapazitive Sensorfeid (2) eine Vielzahl von äußeren Elektroden (41), die an den zumindest einen Anschlussbereich (10) des Sensorfeldes (2) angrenzen, und eine Vielzahl von durch die äußeren Elektroden (41) von dem Anschlussbereich (10) getrennten und in einen Innenraum des Sensorfeldes (2) angeordneten inneren Elektroden (42) aufweist, wobei die Zuleitungen (8) der inneren Elektroden (42) derart geführt sind, dass diese mit zumindest einer der äußeren Elektroden (41) kapazitiv koppeln und den am äußeren Rand des Sensorfeldes (2) angeordneten Anschlussbereich (10) führen, und wobei die erste Elektrode eine der inneren Elektroden (41) und die zweite Elektrode eine der äußeren Elektroden (42) ist.
8. Kapazitiver Sensor (20) nach Anspruch 7, bei dem die Zuleitungen (8) der inneren Elektroden (42) über zumindest einen Teilbereich einer Fläche der äußeren Elektroden (41) geführt sind und die Zuleitungen (8) von den inneren Elektroden (42) durch eine elektrische Isolationsschicht ( 2) getrennt sind.
9. Kapazitiver Sensor (20) nach Anspruch 8, bei dem die Elektroden (4), die Zuleitungen (8) und/oder die Isolationsschicht (12) in einem Druckverfahren hergestellte Schichten sind.
10. Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensors gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem auf ein flexibles Substrat nacheinander die diskreten Elektroden (4), die elektrische Isolationsschicht (12) und die Zuleitungen in einem Druckverfahren aufgebracht werden.
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