EP4627720A1 - Sensorvorrichtung und verfahren zur kapazitiven berührungsdetektion - Google Patents

Sensorvorrichtung und verfahren zur kapazitiven berührungsdetektion

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Publication number
EP4627720A1
EP4627720A1 EP23810345.1A EP23810345A EP4627720A1 EP 4627720 A1 EP4627720 A1 EP 4627720A1 EP 23810345 A EP23810345 A EP 23810345A EP 4627720 A1 EP4627720 A1 EP 4627720A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
connection
capacitor
sensor device
potential
switching element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23810345.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Dietz
Sascha Staude
Miklos Molnar
Mohamed ELAMIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Original Assignee
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Schalter und Sensoren GmbH filed Critical Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Publication of EP4627720A1 publication Critical patent/EP4627720A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/96—Touch switches
    • H03K17/962—Capacitive touch switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960705—Safety of capacitive touch and proximity switches, e.g. increasing reliability, fail-safe
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/96071—Capacitive touch switches characterised by the detection principle
    • H03K2217/960725—Charge-transfer

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device for capacitive touch detection, having at least one first potential connection for connecting the sensor device to a first electrical reference potential and at least one second potential connection for connecting the sensor device to a second electrical reference potential, an analog-to-digital converter and a sensor electrode which is designed to be touched by a user and which can be selectively connected to the at least one first potential connection or switched to a high-impedance state by means of a first switching element of the sensor device, a reference capacitor with a first connection which can be selectively connected to the at least one second potential connection or an input of the analog-to-digital converter by means of a second switching element of the sensor device, and a resistance component via which the sensor electrode is connected to the first connection of the reference capacitor.
  • the invention further relates to an input device for a motor vehicle for detecting a user input with such a sensor device and a hand recognition device for a motor vehicle steering wheel with such a sensor device.
  • the invention also relates to a method for capacitive touch detection.
  • the capacitance of the sensor electrode changes with respect to ground depending on whether a user touches the sensor electrode or not, a voltage dependent on the touch is established on the second capacitor, which can be read out using the analog-digital converter as the voltage of the second capacitor. Based on this, touching the sensor electrode or approaching the sensor electrode, which also influences the capacitance, can be detected.
  • Such sensor systems can be used, for example, for capacitive detection of user inputs, particularly for applications in the interior of motor vehicles, for example when detecting the operation of touch-sensitive control panels or controls.
  • the accuracy of the voltage measurement is higher if the two capacitances are not too different from each other.
  • the measuring range for the capacitance of the sensor electrode to be measured, in which an accurate measurement and thus reliable detection can be achieved, is therefore limited.
  • the capacitance of the sensor electrode can be different in different applications, for example because different sized sensor electrodes are used.
  • the capacitance of the sensor electrode can change depending on the ambient temperature.
  • the invention is based on the idea of providing, in addition to the reference capacitor mentioned at the beginning, a matching capacitor which can be optionally connected to a parallel circuit with the reference capacitor or removed from the parallel circuit.
  • a sensor device for capacitive touch detection has at least one first potential connection for connecting the sensor device to a first electrical reference potential and at least one second potential connection for connecting the sensor device to a second electrical reference potential that is different from the first electrical reference potential.
  • the sensor device has an analog-to-digital converter, AD converter, and a sensor electrode that is designed and in particular arranged to be touched by a user.
  • the sensor electrode can be optionally connected to the at least one first potential connection or switched to a high-impedance state by means of a first switching element of the sensor device.
  • the sensor device has a reference capacitor with a first connection that can be optionally connected to the at least one second potential connection or an input of the analog-to-digital converter by means of a second switching element of the sensor device, and a resistance component via which the sensor electrode is connected to the first connection of the reference capacitor.
  • the switching elements mentioned can be controlled in particular by means of at least one control unit of the sensor device.
  • the at least one control unit can be set up to control the third switching element independently of the first and second switching elements.
  • the first and second switching elements can, however, be controlled by the at least one control unit, for example, in such a way that the first connection of the reference capacitor and the detector electrode are connected simultaneously or essentially simultaneously to the at least one second potential connection or the at least one first potential.
  • the at least one control unit can control the first and second switching elements in such a way that the first connection of the reference capacitor and the detector electrode are connected simultaneously or essentially simultaneously to the input of the AD converter or are switched to the high-impedance state.
  • the first electrical reference potential can, for example, correspond to a ground potential and the second electrical reference potential can, for example, correspond to a reference potential other than zero, so that a reference voltage other than zero, in particular positive, drops between the first and the second reference potential.
  • the first electrical reference potential can also be other than zero and the second electrical reference potential can correspond to the ground potential. Both the first electrical reference potential and the second electrical reference potential can also be other than zero.
  • Each of the at least one first potential connection is connected or connectable to the first electrical reference potential and each of the at least one second potential connection is connected or connectable to the second electrical reference potential.
  • Connecting the sensor electrode, the first connection of the reference capacitor or other connections or the like to the at least one first potential connection can therefore be understood as a connection to one of the at least one first potential connection.
  • Connecting the sensor electrode, the first connection of the reference capacitor or other connections or the like to the at least one second potential connection can be understood as a connection to one of the at least one second potential connection.
  • the switching elements can each assume a closed state and an open state.
  • the electrical resistance of the respective switching element is then lower in the closed state, nominally equal to zero, for example, than in the open state, where it can be nominally infinite, for example. If the first If the first switching element is in the closed state, the sensor electrode is connected, for example, to the at least one first potential connection, and if the first switching element is in the open state, the sensor electrode is switched, for example, to the high-impedance state, or vice versa.
  • the first connection of the reference capacitor is connected, for example, to the at least one second potential connection, and if the second switching element is in the open state, the first connection of the reference capacitor is connected, for example, to the input of the AD converter, or vice versa.
  • the third switching element is in the closed state, the matching capacitor is connected, for example, in parallel to the reference capacitor, and if the first switching element is in the open state, the matching capacitor is removed from the parallel connection, for example, or vice versa.
  • the high impedance state of the sensor electrode or the first connection of the reference capacitor and possibly other connections can be understood as a state in which no electrical charge can flow out of the sensor electrode or the first connection of the reference capacitor and possibly other connections to a relevant extent, or accordingly no electrical charge can flow in to a relevant extent.
  • This can be done, for example, by opening the corresponding connection or by connecting the corresponding connection to a sufficiently large electrical resistor. What is sufficient in each individual case depends on the measurement accuracy to be achieved. Since a voltage is to be measured using the AD converter, a connection to the input of the AD converter in particular also corresponds to a switch in a high impedance state.
  • the reference capacitor and the matching capacitor each have a known capacitance, which is independent of the contact with the sensor electrode.
  • the matching capacitor is removed from the parallel connection with the reference capacitor. If, during a charging phase, the sensor electrode is connected to the first electrical reference potential via the at least one first potential connection and the first connection of the reference capacitor is connected to the second electrical reference potential via the at least one second potential connection, then, depending on the connection of the second connection of the reference capacitor, the reference capacitor can be charged to the reference voltage, for example, and the effective capacitor formed by the sensor electrode with respect to ground can be to 0 volts, or vice versa.
  • the sensor electrode is then switched to the high-impedance state in a charge redistribution phase and the first connection of the reference capacitor is connected to the input of the AD converter, which also corresponds to a high-impedance state, the charge is distributed according to the current capacitance of the effective capacitor of the sensor electrode and the known capacitance of the reference capacitor.
  • the voltage that is accordingly established across the reference capacitor which can be read out or measured using the AD converter, in particular using an evaluation unit of the sensor device, indirectly reflects the capacitance of the effective capacitor of the sensor electrode, and thus whether the user has touched or approached the sensor electrode.
  • This capacitive detection method is in particular the so-called capacitive voltage divider method, also known as the CVD method.
  • the sensor electrode and the environment form a capacitance against ground, which increases when the user approaches or touches it. This change in capacitance is reflected in a changed compensation potential, so that the approach or touch can be detected accordingly.
  • the matching capacitor of the parallel circuit If the matching capacitor of the parallel circuit is removed, it is separated from ground and thus switched to potential-free. This means that it has no electrical influence on the reference capacitor and is thus virtually removed. In any case, if the matching capacitor is removed from the parallel circuit, it does not influence the voltage that can be tapped at the input of the AD converter and no charge flows from the effective capacitor of the sensor electrode to the matching capacitor during the charge redistribution phase. In particular, the matching capacitor is not charged during the charging phase either.
  • the total capacitance relevant for the voltage read out corresponds to the sum of the capacitances of the matching capacitor and the reference capacitor.
  • the sensor device according to the invention can therefore only use the capacitance of the reference capacitor or the sum of the capacitances of the matching capacitor and the reference capacitor.
  • the measuring range within which reliable detection of contact with or approach to the Sensor electrode can be enlarged if necessary, for example to adapt it to the size and/or other physical properties of the sensor electrode.
  • a change in the capacitance of the effective capacitor of the sensor electrode due to changed ambient conditions, in particular ambient temperature and/or humidity of the environment can be compensated.
  • the sensor device makes it possible to check the plausibility of the measurements by means of two or more measurements with different states of the matching capacitor, i.e. in particular with the matching capacitor connected and with the matching capacitor removed from the parallel circuit.
  • the capacitance of the effective capacitor of the sensor electrode can, for example, be determined under the same ambient conditions with the matching capacitor connected and with the matching capacitor removed from the parallel circuit. In both cases, the same value for the capacitance of the effective capacitor of the sensor electrode should result within the scope of the measurement accuracy.
  • the sensor device has at least one control unit that is configured to control the first, second and third switching elements.
  • a control unit of the sensor device is configured to control the first, second and third switching elements.
  • a control unit of the sensor device is configured to control the first and second switching elements and a further control unit of the sensor device is configured to control the third switching element.
  • the at least one control unit is configured to connect the sensor electrode to the at least one first potential terminal by controlling the first switching element during the charging phase and to connect the first terminal of the reference capacitor to the at least one second potential terminal by controlling the second switching element.
  • the at least one control unit is designed to control the first and the second switching element so that at the beginning of the charge redistribution phase the sensor electrode is in the high impedance state and remains switched during the entire charge redistribution phase, and the first terminal of the reference capacitor, in particular simultaneously with the switching of the sensor electrode to the high impedance state, is connected to the input of the AD converter and remains connected during the entire charge redistribution phase.
  • the matching capacitor can thus be connected in parallel to the reference capacitor by connecting its first terminal to the at least one second potential terminal and can be removed from the parallel connection by switching its first terminal to the high impedance state.
  • the sensor electrode has a first terminal which is connected to the first switching element.
  • the sensor electrode has no further connection.
  • the resistance component is then arranged in particular between the first connection of the sensor electrode and the first connection of the reference capacitor.
  • the sensor electrode has the first connection, which can be selectively connected to the at least one first potential connection or switched to the high-impedance state by means of the first switching element.
  • the sensor electrode has a second connection, which is connected to the first connection of the reference capacitor via the resistance component.
  • the sensor device has a further sensor electrode which is designed and arranged for contact by the user, and which can be selectively connected to the at least one first potential connection or switched to a high-impedance state by means of a further first switching element of the sensor device.
  • the sensor device has a further resistance component, via which the further sensor electrode is connected to the first connection of the reference capacitor.
  • the explanations regarding the sensor electrode, the first switching element and the resistance component can be transferred analogously to the further sensor electrode, the further first switching element and the further resistance component.
  • the contact or proximity can be carried out for both the sensor electrode and the further sensor electrode with only one AD converter. Also, no further reference capacitor and/or matching capacitor is required for this purpose.
  • the matching capacitor is arranged outside the microcontroller and the microcontroller contains the third switching element.
  • the matching capacitor in particular the first terminal of the matching capacitor is connected to a third contact, in particular GPIO pin, of the microcontroller, wherein the third contact is connected to the third switching element.
  • a motor vehicle steering wheel with a hand recognition device according to the invention and a motor vehicle with an input device according to the invention and/or a motor vehicle steering wheel according to the invention are specified.
  • a method for capacitive touch detection in particular by means of a sensor device according to the invention, is specified.
  • a sensor electrode which is designed to be touched by a user, is charged with a first electrical reference potential during a charging phase. connected.
  • a first connection of a reference capacitor is connected to a second electrical reference potential during the charging phase.
  • the sensor electrode is switched to a high-impedance state during a charge redistribution phase following the charging phase, and the first connection of the reference capacitor is connected to an input of an AD converter during the charge redistribution phase.
  • a voltage of the reference capacitor i.e.
  • an error message and/or a request to enter user feedback is issued and/or a default setting and/or a predetermined initial state is set.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a motor vehicle according to the invention.
  • Fig. 3 is a schematic block diagram of another exemplary embodiment of a sensor device according to the invention.
  • Fig. 7 is a schematic block diagram of another exemplary embodiment of a sensor device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of an exemplary embodiment of a sensor device 1 according to the invention for capacitive touch detection.
  • the sensor device 1 has an AD converter 9 and a sensor electrode 6, which is designed to be touched by a user.
  • the sensor device 1 has at least one first potential connection 14, which is each connected to a first electrical reference potential, for example a ground potential, which by definition corresponds to a voltage of 0 V, for example.
  • the sensor device 1 has at least one second potential connection 15, which is each connected to a second electrical reference potential, for example a potential different from the ground potential, which by definition corresponds to a positive supply voltage U, for example.
  • the supply voltage can be, for example, 5 V with respect to the ground potential.
  • the sensor device 1 also has a reference capacitor 7, which has a first connection, which can be connected to one of the second potential connections 15 or to the input 17 of the analog-to-digital converter 9 by means of a second switching element 21 of the sensor device 1.
  • a second connection of the reference capacitor is connected to one of the first potential connections 14.
  • a resistance component 12 is arranged between the sensor electrode 6 and the first connection of the reference capacitor 7, so that the first switching element 20 is connected between the sensor electrode 6 and the resistance component 12.
  • a further resistance component 11 is arranged between the sensor electrode 6 and the resistance component 12, so that the first switching element 20 is connected between the resistance component 11 and the resistance component 12.
  • a varistor 13 can optionally be provided between the sensor electrode 6 and ground in order to implement ESD protection.
  • the capacitance of an effective capacitor formed by the sensor electrode 6 with respect to ground depends on whether a user touches the sensor electrode 6 or not, or how close a body part, such as a finger or a hand, of the user is to the sensor electrode 6.
  • the capacitance can also be influenced by environmental conditions, such as the humidity or the ambient temperature.
  • the sensor device 1 also has a matching capacitor 8, which can be optionally connected to a parallel circuit with the reference capacitor 7 or removed from the parallel circuit by means of a third switching element 22 of the sensor device 1.
  • a first connection of the matching capacitor 8 can be optionally connected to one of the first potential connections 14 and the high-impedance connection 19, for example by means of the third switching element 22.
  • the high-impedance connection 19 can, as already mentioned, be connected to the input 17 of the AD converter 9 or correspond to it.
  • a second connection of the matching capacitor 8 is connected to the first input of the reference capacitor 7, i.e., by means of the second switching element 21, like the first input of the reference capacitor 7, either to one of the second potential connections 15 or the input 17 of the AD converter 9. Accordingly, the matching capacitor 8 is connected in parallel to the reference capacitor 7 when the first terminal of the matching capacitor 8 is connected to the corresponding first potential terminal 14, and removed from the parallel connection when the terminal of the matching capacitor 8 is connected to the high impedance terminal 19.
  • the sensor electrode 6 is connected, for example, to the first potential connection 14 and the first connection of the reference capacitor 7 to the second potential connection. Therefore, a voltage of 0 V is established across the effective capacitor formed by the sensor electrode 6 with respect to ground and the supply voltage U is established across the reference capacitor 7. If the matching capacitor 8 is connected in parallel to the reference capacitor 7, the supply voltage U is also established across it.
  • the duration of the charging phase can be adapted accordingly to the existing capacitances and resistances.
  • a voltage is established across the reference capacitor 7, which depends on the ratio of the capacitance of the effective capacitor of the sensor electrode 6 to the sum of the capacitances of the reference capacitor 7 and the matching capacitor 8 if the matching capacitor 8 is connected in parallel to the reference capacitor 7, and otherwise on the ratio of the capacitance of the effective capacitor of the sensor electrode 6 to the capacitance of the reference capacitor 7.
  • This voltage is therefore also present at the input 17 of the AD converter.
  • the duration of the charge redistribution phase can in particular be adapted to the existing capacitances and resistances, so that the charge redistribution is completed or essentially completed at the end of the charge redistribution phase.
  • the measured voltage also depends on whether the matching capacitor 8 was connected in parallel to the reference capacitor 7 during the charging phase and the charge redistribution phase or not, i.e. on the measuring mode.
  • This can be used advantageously in various ways. For example, by selecting the measuring mode, the measuring range in which reliable contact detection can be achieved can be adapted to the size of the sensor electrode 6 and/or to the material properties of the sensor electrode 6 and/or to a geometric design of the sensor electrode 6, so that the sensor device 1 can be used flexibly for different sensor electrodes 6 and applications.
  • the influence of the ambient conditions, in particular the ambient temperature, on the capacitance of the effective capacitor of the sensor electrode 6 can be at least partially compensated, since capacitances of the reference capacitor 7 and the matching capacitor 8 are generally much less subject to the influence of the ambient conditions than the capacitance of the effective capacitor of the sensor electrode 6.
  • Fig. 2 schematically shows a motor vehicle 5 with an exemplary embodiment of a sensor device 1 according to the invention, as described in particular with reference to Fig. 1.
  • the sensor device 1 can, for example, be part of an input device 2 according to the invention for detecting a user input.
  • the sensor device 1 can also be part of a hand recognition device 3 according to the invention for a motor vehicle steering wheel 4.
  • the sensor electrode 6 is attached in particular to the motor vehicle steering wheel 4 of the motor vehicle 5.
  • Fig. 3 to Fig. 7 further exemplary embodiments of the sensor device 1 according to the invention for capacitive touch detection are shown, which are based on the embodiment according to Fig. 1.
  • various components of the sensor device 1, for example the switching elements 20, 21, 22, the AD converter 9 and the evaluation unit 10, are not shown in Fig. 3 to Fig. 7.
  • the sensor device 1 has a microcontroller 23, which contains the AD converter 9, the first switching element 20 and the second switching element 21.
  • the evaluation unit 10 can also be part of the Microcontroller 23 or be provided separately therefrom.
  • Microcontroller 23 also includes a control unit for controlling the first switching element 20 and the second switching element 21.
  • the microcontroller 23 can also contain the third switching element 22 and a third contact 26, which is designed in particular as a GPIO pin and is connected to the third switching element 22.
  • the first connection of the matching capacitor 8 is accordingly connected to the third contact 26.
  • the control unit can also control the third switching element 22.
  • the matching capacitor 8 can also be integrated in the microcontroller 23. The control unit can then also control the third switching element 22.
  • both the third switching element 22 and the matching capacitor 8 can be provided externally to the microcontroller 23.
  • the sensor device 1 has, for example, a further control unit provided externally to the microcontroller 23 in order to control the third switching element 22. This can be advantageous in terms of functional safety.
  • the sensor electrode 6 has, for example, only a first connection. This embodiment can therefore also be referred to as single-ended. In the embodiment of Fig. 4, however, the sensor electrode has the first and a second connection. This embodiment can therefore also be referred to as double-ended. Ended.
  • the resistance components 11, 12 are replaced, for example, by a resistance component 28 between the first connection of the sensor electrode and the first contact 24 or the first switching element 20, and a resistance component 27 between the second connection of the sensor electrode 6 and the first connection of the reference capacitor 7.
  • the embodiment of Fig. 5 is based on that of Fig. 3.
  • the sensor device 1 here additionally has a further sensor electrode 6' with a corresponding optional varistor 13'.
  • the further sensor electrode 6' is connected to a further first contact 24', for example a GPIO pin, of the microcontroller 23.
  • the further first contact 24' is connected to a further first switching element (not shown) of the microcontroller 23, by means of which the further sensor electrode 6' can be connected optionally to one of the first potential connections 14 and the high-impedance connection 16 or to a further high-impedance connection.
  • the first terminal of the further matching capacitor 8' is, just like the first terminal of the matching capacitor 8, connected to the third contact 26 of the microcontroller 23, which can thus advantageously be used twice.
  • the invention allows to improve the reliability of touch detection when using a capacitive measuring principle for a larger measuring range and/or for different measuring ranges.
  • the invention enables a flexible choice of the reference capacitance, which, depending on the measurement mode, can correspond to the capacitance of the reference capacitor or the sum of the capacitances of the reference capacitor and the matching capacitor.
  • This can also be expanded by one or more additional matching capacitors, which can be optionally added to or removed from the parallel circuit depending on the measurement mode.
  • the invention can be used to achieve a high resolution of the measurement by bringing the measured capacitance and the reference capacitance to the same or similar level as possible.
  • the invention can increase the quality of the measured signal.
  • Plausibility checks can also be carried out to check the entire measurement chain. A change in the reference capacitance leads to different measured values, but using a transfer function or a look-up table, the measured values for measurements with and without a connected matching capacitor can be checked for plausibility or agreement, which increases error detection for the entire measurement and evaluation chain.

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Abstract

Eine Sensorvorrichtung (1) zur kapazitiven Berührungsdetektion weist einen ersten Potentialanschluss (14, 15) zum Anschließen an ein erstes Referenzpotential und einen zweiten Potentialanschluss (14, 15) zum Anschließen an ein zweites Referenzpotential auf, sowie einen Analog-zu-Digital-Wandler (9) und eine Sensorelektrode (6), die wahlweise mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss (14, 15) verbindbar oder in einen Hochimpedanzzustand schaltbar ist. Die Sensorvorrichtung weist einen Referenzkondensator (7, 7') mit einem ersten Anschluss, der der Sensorvorrichtung (1) wahlweise mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss (14, 15) oder einem Eingang (17) des Analog-zu-Digital-Wandlers (9) verbindbar ist, und ein Widerstandsbauelement (12, 27), über das die Sensorelektrode (6) mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators (7, 7') verbunden ist, auf. Die Sensorvorrichtung (1) weist einen Anpasskondensator (8, 8') auf, der wahlweise zu einer Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator (7, 7') zuschaltbar oder aus dieser entfernbar ist.

Description

Sensorvorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Berührungsdetektion
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur kapazitiven Berührungsdetektion aufweisend wenigstens einen ersten Potentialanschluss zum jeweiligen Anschließen der Sensorvorrichtung an ein erstes elektrisches Referenzpotential und wenigstens einen zweiten Potentialanschluss zum jeweiligen Anschließen der Sensorvorrichtung an ein zweites elektrisches Referenzpotential, einen Analog-zu-Digital-Wandler und eine Sensorelektrode, die zur Berührung durch einen Benutzer ausgelegt ist und die mittels eines ersten Schaltelements der Sensorvorrichtung wahlweise mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss verbindbar oder in einen Hochimpedanzzustand schaltbar ist, einen Referenzkondensator mit einem ersten Anschluss, der mittels eines zweiten Schaltelements der Sensorvorrichtung wahlweise mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss oder einem Eingang des Analog-zu-Digital-Wandlers verbindbar ist, und ein Widerstandsbauelement, über das die Sensorelektrode mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Eingabevorrichtung für ein Kraftfahrzeug zur Erfassung einer Benutzereingabe mit einer solchen Sensorvorrichtung sowie eine Handerkennungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeuglenkrad mit einer solchen Sensorvorrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur kapazitiven Berührungsdetektion.
Dokument US 9,823,798 B2 beschreibt ein kapazitives Sensorsystem, das eine kapazitive Sensorvorrichtung enthält mit einer Sensorelektrode, die einen ersten Kondensator, eine erste Versorgungsspannung, und einen ersten Schalter, der so betreibbar ist, dass er die Sensorelektrode während eines ersten Modus mit der ersten Versorgungsspannung und während eines zweiten Modus mit einem Analog-Digital-Wandler koppelt, beinhaltet. Ein zweiter Schalter ist so betreibbar, dass er einen zweiten Kondensator während des ersten Modus mit einer zweiten Versorgungsspannung und während des zweiten Modus mit einem offenen Stromkreis koppelt. Ein Widerstandselement ist vorgesehen, das einen ersten Anschluss, der zwischen den ersten Kondensator und den ersten Schalter geschaltet ist, und einen zweiten Anschluss enthält, der zwischen dem zweiten Kondensator und dem zweiten Schalter geschaltet ist.
Dokument DE 10 2019 129 802 A1 beschreibt eine kapazitive Sensorvorrichtung, die eine Sensorelektrode, eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung mit einem ersten Anschlusskontakt und einem zweiten Anschlusskontakt, eine erste Anschlussleitung, und eine zweite Anschlussleitung aufweist. Die Sensorelektrode weist einen ersten Elektrodenanschluss und einen zweiten Elektrodenanschluss auf und der erste Elektrodenanschluss der Sensorelektrode ist über die erste Anschlussleitung mit dem ersten Anschlusskontakt verbunden und der zweite Elektrodenanschluss ist über die zweite Anschlussleitung (mit dem zweiten Anschlusskontakt verbunden. Die Sensorvorrichtung weist eine Referenzkapazität auf, die mit der ersten Anschlussleitung elektrisch verbunden ist, wobei die Sensorelektrode über den elektrischen Widerstand mit dem ersten Anschlusskontakt elektrisch verbunden oder verbindbar ist, und wobei die Referenzkapazität zum einen zwischen dem ersten Anschlusskontakt und dem elektrischen Widerstand mit der ersten Anschlussleitung elektrisch verbunden ist und zum anderen mit einem Referenzpotential.
Da sich die Kapazität der Sensorelektrode gegenüber Masse verändert, je nachdem, ob ein Benutzer die Sensorelektrode berührt oder nicht, stellt sich auf dem zweiten Kondensator eine von der Berührung abhängige Spannung ein, die mittels des Analog-Digital- Wandlers die Spannung des zweiten Kondensators ausgelesen werden kann. Basierend darauf kann die Berührung der Sensorelektrode oder auch eine Annäherung an die Sensorelektrode, welche die Kapazität ebenfalls beeinflusst, detektiert werden. Solche Sensorsysteme können beispielsweise zur kapazitiven Erkennung von Benutzereingaben verwendet werden, insbesondere für Anwendungen im Innenraum von Kraftfahrzeugen, beispielsweise bei der Erkennung der Betätigung von berührungsempfindlichen Bedienfeldern oder Bedienelementen.
Die Genauigkeit der Spannungsmessung ist dabei höher, wenn die beiden Kapazitäten nicht zu verschieden voneinander sind. Der Messbereich betreffend die zu messende Kapazität der Sensorelektrode, in welchem eine genaue Messung und damit eine zuverlässige Detektion erreicht werden kann, ist daher eingeschränkt. Die Kapazität der Sensorelektrode kann sich beispielsweise in unterschiedlichen Anwendungsfällen verschieden sein, da beispielsweise verschieden große Sensorelektroden eingesetzt werden. Zudem kann sich die Kapazität der Sensorelektrode abhängig von der Umgebungstemperatur ändern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zuverlässigkeit der Berührungsdetektion bei Verwendung eines kapazitiven Messprinzips für einen größeren Messbereich und oder für verschiedene Messbereiche zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf der Idee, zusätzlich zu dem eingangs genannten Referenzkondensator einen Anpasskondensator vorzusehen, der wahlweise zu einer Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator zuschaltbar oder aus der Parallelschaltung entfernbar ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur kapazitiven Berührungsdetektion angegeben. Die Sensorvorrichtung weist wenigstens einen ersten Potenti- alanschluss zum jeweiligen Anschließen der Sensorvorrichtung an ein erstes elektrisches Referenzpotential und wenigstens einen zweiten Potentialanschluss zum jeweiligen Anschließen der Sensorvorrichtung an ein zweites elektrisches Referenzpotential, das von dem ersten elektrischen Referenzpotential verschieden ist. Die Sensorvorrichtung weist einen Analog-zu-Digital-Wandler, AD-Wandler, und eine Sensorelektrode auf, die zur Berührung durch einen Benutzer ausgelegt und insbesondere angeordnet ist. Die Sensorelektrode ist mittels eines ersten Schaltelements der Sensorvorrichtung wahlweise mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss verbindbar oder in einen Hochimpedanzzustand schaltbar. Die Sensorvorrichtung weist einen Referenzkondensator mit einem ersten Anschluss auf, der mittels eines zweiten Schaltelements der Sensorvorrichtung wahlweise mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss oder einem Eingang des Analog-zu-Digital-Wandlers verbindbar ist, und ein Widerstandsbauelement, über das die Sensorelektrode mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators verbunden ist.
Die genannten Schaltelemente können dabei insbesondere mittels wenigstens einer Steuereinheit der Sensorvorrichtung gesteuert werden. Insbesondere kann die wenigstens eine Steuereinheit dazu eingerichtet sein, das dritte Schaltelement unabhängig von dem ersten und dem zweiten Schaltelement zu steuern. Die Steuerung des ersten und des zweiten Schaltelements kann durch die wenigstens eine Steuereinheit dagegen beispielsweise derart erfolgen, dass der erste Anschluss des Referenzkondensators und die Detektorelektrode zeitgleich oder im Wesentlichen zeitgleich mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss beziehungsweise dem wenigstens einen ersten Potential verbunden werden. Analog kann die wenigstens eine Steuereinheit das erste und das zweite Schaltelement derart steuern, dass der erste Anschluss des Referenzkondensators und die Detektorelektrode zeitgleich oder im Wesentlichen zeitgleich mit dem Eingang des AD-Wandlers verbunden beziehungsweise in den Hochimpedanzzustand geschaltet werden. Das erste elektrische Referenzpotential kann beispielsweise einem Massepotential entsprechen und das zweite elektrische Referenzpotential kann beispielsweise einem von Null verschiedenen Referenzpotential entsprechen, sodass zwischen dem ersten und dem zweiten Referenzpotential eine von Null verschiedene, insbesondere positive, Referenzspannung abfällt. Es kann aber auch das erste elektrische Referenzpotential von Null verschieden sein und das zweite elektrische Referenzpotential dem Massepotential entsprechen. Es können auch sowohl das erste elektrische Referenzpotential als auch das zweite elektrische Referenzpotential von Null verschieden sein.
Jeder des wenigstens einen ersten Potentialanschlusses ist mit dem ersten elektrischen Referenzpotential verbunden oder verbindbar und jeder des wenigstens einen zweiten Potentialanschlusses ist mit dem zweiten elektrischen Referenzpotential verbunden oder verbindbar. Die Sensorelektrode, den ersten Anschluss des Referenzkondensators oder sonstige Anschlüsse oder dergleichen mit dem wenigstens einen ersten Potentialan- schluss zu verbinden, kann daher als Verbindung mit einem des wenigstens einen ersten Potentialanschlusses verstanden werden. Die Sensorelektrode, den ersten Anschluss des Referenzkondensators oder sonstige Anschlüsse oder dergleichen mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss zu verbinden, kann als Verbindung mit einem des wenigstens einen zweiten Potentialanschlusses verstanden werden.
Die Begriffe verbinden, verbunden oder dergleichen beinhalten eine direkte Verbindung sowie eine indirekte Verbindung ebenso wie eine schaltbare Verbindung und eine nichtschaltbare Verbindung. Ist ein Anschluss oder dergleichen schaltbar oder mittels eines Schaltelements verbindbar oder dergleichen, so schließt dies ebenfalls eine direkte sowie eine indirekte Verbindung ein. Dabei kann eine direkte Verbindung so verstanden werden, dass, gegebenenfalls außer dem entsprechenden Schaltelement, keine weiteren elektrischen oder elektronischen Komponenten zwischen den zu verbindenden Komponenten angeordnet sind, während eine indirekte Verbindung so verstanden werden kann, dass, gegebenenfalls zusätzlich zu dem entsprechenden Schaltelement, eine oder mehrere weitere elektrische oder elektronische Komponenten, etwa Widerstände, Kondensatoren, Spulen und so weiter, zwischen den zu verbindenden Komponenten angeordnet sind.
Die Schaltelemente können insbesondere je einen geschlossenen Zustand und einen offenen Zustand annehmen. Der elektrische Widerstand des jeweiligen Schaltelements ist dann im geschlossenen Zustand geringer, nominell zum Beispiel gleich Null, als im offenen Zustand, wo er nominell beispielsweise unendlich groß sein kann. Ist das erste Schaltelement im geschlossenen Zustand, so ist die Sensorelektrode beispielsweise mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss verbunden, und ist das erste Schaltelement im offenen Zustand, so ist die Sensorelektrode beispielsweise in den Hochimpedanzzustand geschaltet, oder umgekehrt. Ist das zweite Schaltelement im geschlossenen Zustand, so ist der erste Anschluss des Referenzkondensators beispielsweise mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss verbunden, und ist das zweite Schaltelement im offenen Zustand, so ist der erste Anschluss des Referenzkondensators beispielsweise mit dem Eingang des AD-Wandlers verbunden, oder umgekehrt. Ist das dritte Schaltelement im geschlossenen Zustand, so ist der Anpasskondensator beispielsweise zu dem Referenzkondensator parallel geschaltet, und ist das erste Schaltelement im offenen Zustand, so ist der Anpasskondensator beispielsweise aus der Parallelschaltung entfernt, oder umgekehrt.
Der Hochimpedanzzustand der Sensorelektrode beziehungsweise des ersten Anschlusses des Referenzkondensators sowie gegebenenfalls weiterer Anschlüsse kann als Zustand aufgefasst werden, in dem von der Sensorelektrode beziehungsweise dem ersten Anschluss des Referenzkondensators sowie gegebenenfalls den weiteren Anschlüssen keine elektrische Ladung in relevantem Umfang abfließen kann beziehungsweise dementsprechend auch keine elektrische Ladung in relevantem Umfang zufließen kann. Dies kann beispielsweise durch eine Offenschaltung des entsprechenden Anschlusses erfolgen oder indem der entsprechende Anschluss mit einem ausreichend großem elektrischen Widerstand verbunden wird. Was dabei ausreichend ist, hängt im Einzelfall von der zu erreichenden Messgenauigkeit ab. Da mittels des AD-Wandlers eine Spannung gemessen werden soll, entspricht insbesondere auch eine Verbindung mit dem Eingang des AD-Wandlers einer Schaltung in einen Hochimpedanzzustand.
Der Referenzkondensator und der Anpasskondensator weisen jeweils eine bekannte und insbesondere von der Berührung der Sensorelektrode unabhängige Kapazität auf. Zunächst wird angenommen, der Anpasskondensator sei aus der Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator entfernt. Werden während einer Ladephase die Sensorelektrode über den wenigstens einen ersten Potentialanschluss mit dem ersten elektrischen Referenzpotential und der erste Anschluss des Referenzkondensators über den wenigstens einen zweiten Potentialanschluss mit dem zweiten elektrischen Referenzpotential verbunden, so kann, je nach Verschaltung des zweiten Anschlusses des Referenzkondensators, beispielsweise der Referenzkondensator auf die Referenzspannung geladen werden und der effektive Kondensator, der durch die Sensorelektrode gegenüber Masse gebildet wird, auf 0 Volt gebracht werden, oder umgekehrt. Werden danach in einer Ladungsumverteilungsphase die Sensorelektrode in den Hochimpedanzzustand geschaltet und der erste Anschluss des Referenzkondensators mit dem Eingang des AD-Wandlers verbunden, was ebenfalls einem Hochimpedanzzustand entspricht, so verteilt sich die Ladung entsprechend der momentanen Kapazität des effektiven Kondensators der Sensorelektrode und der bekannten Kapazität des Referenzkondensators. Die sich dementsprechend über den Referenzkondensator einstellende Spannung, die mittels des AD-Wandlers ausgelesen beziehungsweise gemessen werden kann, insbesondere mittels einer Auswerteeinheit der Sensorvorrichtung, spiegelt indirekt die Kapazität des effektiven Kondensators der Sensorelektrode wieder, und damit, ob eine Berührung oder Annäherung der Sensorelektrode durch den Benutzer gegeben ist oder war.
Bei diesem kapazitiven Detektionsverfahren handelt es sich insbesondere um das sogenannte Capacitive-Voltage-Devider-Verfahren, auch CVD-Verfahren genannt. Dabei bildet die Sensorelektrode mit der Umgebung eine Kapazität gegen Masse, welche bei Annäherung oder Berührung durch den Benutzer vergrößert wird. Diese Kapazitätsänderung schlägt sich in einem verändertem Ausgleichspotential nieder, so dass die Annäherung bzw. Berührung entsprechend detektierbar ist.
Wenn der Anpasskondensator der Parallelschaltung entfernt ist, wird dieser beispielsweise von der Masse getrennt und somit potentialfrei geschaltet. Das bedeutet, dass dieser elektrisch keinen Einfluss auf den Referenzkondensator hat und somit quasi entfernt ist. Jedenfalls beeinflusst der Anpasskondensator, wenn er der Parallelschaltung entfernt ist, nicht die Spannung, die am Eingang des AD-Wandlers abgreifbar ist und es fließt während der Ladungsumverteilungsphase auch keine Ladung von dem effektiven Kondensator der Sensorelektrode auf den Anpasskondensator, insbesondere wird der Anpasskondensator auch während der Ladephase nicht geladen.
Ist der Anpasskondensator dagegen zu der Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator zugeschaltet, insbesondere während der Ladephase, der Ladungsumverteilungsphase und der Messung durch den Analog-Digital-Wandler, so entspricht die für die ausgelesene Spannung relevante Gesamtkapazität der Summe der Kapazitäten des Anpasskondensators und des Referenzkondensators. Je nach Messmodus kann die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung also nur die Kapazität des Referenzkondensators verwenden oder die Summe der Kapazitäten des Anpasskondensators und des Referenzkondensators. Dadurch kann der Messbereich, innerhalb dessen eine zuverlässige Detektion von Berührung der oder Annäherung an die Sensorelektrode bei Bedarf vergrößert werden, etwa um ihn an die Größe und/oder sonstige physikalische Eigenschaften der Sensorelektrode anzupassen. Ferner kann durch gezieltes zuschalten oder entfernen des Anpasskondensators zu beziehungsweise aus der Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator auch eine Änderung der Kapazität des effektiven Kondensators der Sensorelektrode durch geänderte Umgebungsbedingungen, insbesondere Umgebungstemperatur und/oder Luftfeuchtigkeit der Umgebung, kompensiert werden.
Ferner ist es mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung möglich, durch zwei oder mehr Messungen mit unterschiedlichen Zuständen des Anpasskondensators, also insbesondere mit zugeschaltetem und mit aus der Parallelschaltung entferntem Anpasskondensator, möglich, die Plausibilität der Messungen zu überprüfen. Die Kapazität des effektiven Kondensators der Sensorelektrode kann zum Beispiel bei gleichen Umgebungsbedingungen mit zugeschaltetem und mit aus der Parallelschaltung entferntem Anpasskondensator bestimmt werden. In beiden Fällen sollte sich im Rahmen der Messgenauigkeiten derselbe Wert für die Kapazität des effektiven Kondensators der Sensorelektrode ergeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung weist die Sensorvorrichtung die wenigstens eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, das erste, das zweite und das dritte Schaltelement zu steuern. Beispielsweise ist eine Steuereinheit der Sensorvorrichtung dazu eingerichtet das erste, das zweite und das dritte Schaltelement zu steuern. Alternativ ist eine Steuereinheit der Sensorvorrichtung dazu eingerichtet das erste und das zweite Schaltelement zu steuern und eine weitere Steuereinheit der Sensorvorrichtung dazu eingerichtet, das dritte Schaltelement zu steuern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Steuereinheit dazu eingerichtet, die Sensorelektrode während der Ladephase durch Steuerung des ersten Schaltelements mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss und den ersten Anschluss des Referenzkondensators durch Steuerung des zweiten Schaltelements mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss zu verbinden.
Dies kann insbesondere derart verstanden werden, dass die wenigstens eine Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das erste und das zweite Schaltelement zu steuern, sodass zu Beginn der Ladephase die Sensorelektrode mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss verbunden wird und während der gesamten Ladephase verbunden bleibt, und der erste Anschluss des Referenzkondensators, insbesondere gleichzeitig zur Verbindung der Sensorelektrode mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss, mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss verbunden wird und während der gesamten Ladephase verbunden bleibt.
In einem ersten Verschaltungsbeispiel entspricht das erste Referenzpotential P1 einem Massepotential, also 0 V, und das zweite Referenzpotential P2 entspricht einem positiven Potential, beispielsweise 5 V. Ein zweiter Anschluss des Referenzkondensators ist dabei insbesondere mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss verbunden. In einem zweiten Verschaltungsbeispiel entspricht das zweite Referenzpotential P2 dem Massepotential, also 0 V, und das erste Referenzpotential P1 entspricht dem positiven Potential, beispielsweise 5 V. Der zweite Anschluss des Referenzkondensators ist dabei insbesondere mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss verbunden Die folgenden Erläuterungen lassen sich aber analog auf beliebige andere Beispiele übertragen.
Im ersten Verschaltungsbeispiel wird die Sensorelektrode während der Ladephase gegenüber Masse nicht geladen beziehungsweise entladen oder auf 0 V geladen, der Referenzkondensator auf eine Spannung U = P1 ), beispielsweise 5 V. Wenn der Anpasskondensator während der Ladephase parallel zu dem Referenzkondensator geschaltet ist, so wird dieser ebenfalls auf die Spannung U geladen. Im zweiten Verschaltungsbeispiel wird der Referenzkondensator während der Ladephase nicht geladen beziehungsweise entladen oder auf 0 V geladen, die Sensorelektrode wird gegenüber Masse auf eine Spannung LT = P1 geladen, beispielsweise 5 V. Wenn der Anpasskondensator während der Ladephase parallel zu dem Referenzkondensator geschaltet ist, so wird dieser ebenfalls entladen beziehungsweise auf 0 V geladen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Steuereinheit dazu eingerichtet, die Sensorelektrode während einer auf die Ladephase folgenden, insbesondere unmittelbar folgenden Ladungsumverteilungsphase, durch Steuerung des ersten Schaltelements in den Hochimpedanzzustand zu schalten und den ersten Anschluss des Referenzkondensators durch Steuerung des zweiten Schaltelements mit dem Eingang des AD-Wandlers zu verbinden.
Dies kann insbesondere derart verstanden werden, dass die wenigstens eine Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das erste und das zweite Schaltelement zu steuern, sodass zu Beginn der Ladungsumverteilungsphase die Sensorelektrode in den Hochimpedanzzustand geschaltet wird und während der gesamten Ladungsumverteilungsphase geschaltet bleibt, und der erste Anschluss des Referenzkondensators, insbesondere gleichzeitig zur Schaltung der Sensorelektrode in den Hochimpedanzzustand, mit dem Eingang des AD-Wandlers verbunden wird und während der gesamten Ladungsumverteilungsphase verbunden bleibt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Steuereinheit dazu eingerichtet, den Anpasskondensator während der Ladephase und während der Ladungsumverteilungsphase durch Steuerung des dritten Schaltelements abhängig von einem vorgegebenen Messmodus entweder zu der Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator zuzuschalten oder aus der Parallelschaltung zu entfernen.
Zunächst sei angenommen, dass der Anpasskondensator gemäß einem ersten Messmodus zu dem Referenzkondensator parallel geschaltet ist, insbesondere während der Ladephase und der Ladungsumverteilungsphase. Während der Ladungsumverteilungsphase verteilt sich die auf der Sensorelektrode und/oder der Parallelschaltung aus Referenzkondensator und Anpasskondensator gespeicherte Ladung gemäß der jeweiligen Kapazitäten des Referenzkondensators, des Anpasskondensators beziehungsweise des effektiven Kondensators der Sensorelektrode gegenüber Masse über das Widerstandsbauelement um. Über der Parallelschaltung fällt dann eine Spannung ab, die sowohl davon abhängt, ob eine Berührung oder Annäherung an die Sensorelektrode vorhanden ist, als auch von der Summe der Kapazitäten des Referenzkondensators und des Anpasskondensators. Diese Spannung kann dann mittels des AD-Wandlers, insbesondere in einer auf die Ladungsumverteilungsphase folgenden Auslesephase, mittels des Analog-zu-Digital-Wandlers gemessen werden.
Ist dagegen der Anpasskondensator gemäß einem zweiten Messmodus aus der Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator entfernt, insbesondere während der Ladephase und der Ladungsumverteilungsphase, so verteilt sich während der Ladungsumverteilungsphase die auf der Sensorelektrode und/oder dem Referenzkondensator gespeicherte Ladung gemäß der jeweiligen Kapazitäten des Referenzkondensators beziehungsweise des effektiven Kondensators der Sensorelektrode gegenüber Masse über das Widerstandsbauelement um. Über der Parallelschaltung fällt dann eine Spannung ab, die sowohl davon abhängt, ob eine Berührung oder Annäherung an die Sensorelektrode vorhanden ist, als auch von der Kapazität des Referenzkondensators, aber unabhängig von der Kapazität des Anpasskondensators. Diese Spannung kann dann mittels des AD-Wandlers, insbesondere in der Auslesephase, mittels des Analog-zu-Digital-Wandlers gemessen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Anschluss des Referenzkondensators mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss verbunden. Ein erster Anschluss des Anpasskondensators ist mittels des dritten Schaltelements wahlweise mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss verbindbar oder in einen Hochimpedanzzustand schaltbar. Ein zweiter Anschluss des Anpasskondensators ist mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators verbunden.
Der Anpasskondensator kann also durch Verbinden seines ersten Anschlusses mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss zu dem Referenzkondensator parallel geschaltet werden und durch Schalten seines ersten Anschlusses in den Hochimpedanzzustand aus der Parallelschaltung entfernt werden.
Dies ist beispielsweise im oben skizzierten ersten Verschaltungsbeispiel der Fall. Insbesondere entspricht in solchen Ausführungsformen das erste Referenzpotential dem Massepotential, insbesondere 0 V, und das zweite Referenzpotential ist von Null verschieden, beispielsweise positiv, beispielsweise 5 V gegenüber Masse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite Anschluss des Referenzkondensators mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss verbunden. Der erste Anschluss des Anpasskondensators ist mittels des dritten Schaltelements der Sensorvorrichtung wahlweise mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss verbindbar oder in einen Hochimpedanzzustand schaltbar ist. Der zweite Anschluss des Anpasskondensators ist mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators verbunden.
Der Anpasskondensator kann also durch Verbinden seines ersten Anschlusses mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss zu dem Referenzkondensator parallel geschaltet werden und durch Schalten seines ersten Anschlusses in den Hochimpedanzzustand aus der Parallelschaltung entfernt werden.
Dies ist beispielsweise im oben skizzierten zweiten Verschaltungsbeispiel der Fall. Insbesondere entspricht in solchen Ausführungsformen das zweite Referenzpotential dem Massepotential, insbesondere 0 V, und das erste Referenzpotential ist von Null verschieden, beispielsweise positiv, beispielsweise 5 V gegenüber Masse. In solchen Ausführungsformen beeinflusst eine Berührung der oder Annäherung an die Sensorelektrode sowohl während der Ladungsumverteilungsphase als auch während der Ladephase die sich in der Ladungsumverteilungsphase einstellende Spannung über dem Referenzkondensator.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Kapazität des Referenzkondensators größer als eine Kapazität des Anpasskondensators, insbesondere mindestens doppelt so groß, wie die Kapazität des Anpasskondensators, beispielsweise mindestens dreimal so groß, wie die Kapazität des Anpasskondensators.
Beispielsweise liegt die Kapazität des Referenzkondensators in dem Intervall [2*CA, 8*CA], wobei CA die Kapazität des Anpasskondensators bezeichnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Sensorelektrode einen ersten Anschluss auf, der mit dem ersten Schaltelement verbunden ist.
Beispielsweise weist die Sensorelektrode keinen weiteren Anschluss auf. Das Widerstandsbauelement ist dann insbesondere zwischen dem ersten Anschluss der Sensorelektrode und dem ersten Anschluss des Referenzkondensators angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Sensorelektrode den ersten Anschluss auf, der mittels des ersten Schaltelements wahlweise mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss verbindbar oder in den Hochimpedanzzustand schaltbar ist. Die Sensorelektrode weist einen zweiten Anschluss auf, der über das Widerstandsbauelement mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators verbunden ist.
Solche Ausführungsformen erlauben eine Funktionsüberprüfung der Sensorelektrode. Dazu kann beispielsweise in einer Prüfungsphase an einem der beiden Anschlüsse der Sensorelektrode ein definierter Potentialverlauf angelegt und ein an dem anderen der beiden Anschlüsse der Sensorelektrode resultierender Potentialverlauf gemessen werden, beispielweise unter Verwendung des AD-Wandlers. So können beispielsweise Beschädigungen der Sensorelektrode identifiziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Sensorvorrichtung eine weitere Sensorelektrode auf, die zur Berührung durch den Benutzer ausgelegt und angeordnet ist, und die mittels eines weiteren ersten Schaltelements der Sensorvorrichtung wahlweise mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss verbindbar oder in einen Hochimpedanzzustand schaltbar ist. Die Sensorvorrichtung weist ein weiteres Widerstandsbauelement auf, über das die weitere Sensorelektrode mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators verbunden ist.
Die Erläuterungen bezüglich der Sensorelektrode, des ersten Schaltelements und des Widerstandsbauelements lassen sich analog auf die weitere Sensorelektrode, das weitere erste Schaltelement und das weitere Widerstandsbauelement übertragen.
Dementsprechend kann in solchen Ausführungsformen die Berührung oder Annäherung sowohl für die Sensorelektrode als auch für die weitere Sensorelektrode mit nur einem AD-Wandler durchgeführt werden. Auch ist dazu kein weiterer Referenzkondensator und/oder Anpasskondensator erforderlich.
Je nach Auslegung der Kapazitäten und Widerstände kann es möglich sein, mit nur einer Messung sowohl die Berührung der oder Annäherung an die Sensorelektrode zu prüfen, als auch die Berührung der oder Annäherung an die weitere Sensorelektrode. Alternativ könne die Sensorelektrode und die weitere Sensorelektrode abwechselnd geprüft werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Sensorvorrichtung einen Mikrokontroller auf, welcher den Analog-zu-Digital-Wandler, das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement enthält. Die Sensorelektrode und der Referenzkondensator außerhalb des Mikrokontrollers angeordnet, sind also nicht Teil des Mikrokontrollers. Die Sensorelektrode ist mit einem ersten Kontakt des Mikrokontrollers verbunden, wobei der erste Kontakt mit dem ersten Schaltelement verbunden ist. Der erste Anschluss des Referenzkondensators ist mit einem zweiten Kontakt des Mikrokontrollers verbunden, wobei der zweite Kontakt mit dem zweiten Schaltelement verbunden ist.
Bei dem ersten und/oder dem zweiten Kontakt, die auch als jeweilige Kontaktstifte (englisch: pins) bezeichnet werden können, kann es sich beispielsweise um GPIO-Pins (englisch: general purpose input/output Pins) des Mikrokontrollers handeln. Insbesondere können der erste und der zweite Kontakt auf demselben Port des Mikrokontrollers liegen.
Mikrokontroller sind häufig, und vorliegend vorzugsweise, derart ausgestaltet, dass Kontakte des Mikrokontrollers, insbesondere GPIO-Pins, in einen oder zweite verschiedene Ausgangszustände geschaltet werden können, wobei ein erster Ausgangszustand vorliegend einer Verbindung mit dem ersten elektrischen Referenzpotential entspricht und ein zweiter Ausgangszustand einer Verbindung mit dem zweiten elektrischen Referenzpotential entspricht. Mit anderen Worten kann somit im ersten Ausgangszustand das erste elektrische Referenzpotential an dem entsprechenden Kontakt ausgegeben werden beziehungsweise im zweiten Ausgangszustand das zweite elektrische Referenzpotential. Darüber hinaus können Kontakte des Mikrokontrollers, insbesondere GPIO-Pins in einen Eingangszustand geschaltet werden, der einem Hochimpedanzzustand entspricht. Dazu kann der entsprechende Kontakt beispielsweise offen geschaltet werden oder mit einer Komponente mit einem hohen elektrischen Widerstand verbunden werden, beispielsweise mit dem Eingang des AD-Wandlers.
Beispielsweise kann der erste Kontakt während der Ladephase in den ersten Ausgangszustand geschaltet werden, um die Sensorelektrode mit dem ersten elektrischen Referenzpotential zu verbinden. Beispielsweise kann der zweite Kontakt während der Ladephase in den zweiten Ausgangszustand geschaltet werden, um den ersten Anschluss des Referenzkondensators mit dem zweiten elektrischen Referenzpotential zu verbinden. Beispielsweise kann der erste Kontakt während der Ladungsumverteilungsphase in den Eingangszustand geschaltet werden, um die Sensorelektrode in den Hochimpedanzzustand zu schalten. Beispielsweise kann der zweite Kontakt während der Ladungsumverteilungsphase in den Eingangszustand geschaltet werden, um den ersten Anschluss des Referenzkondensators mit dem Eingang eines AD-Wandlers zu verbinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Mikrokontroller das dritte Schaltelement und die wenigstens eine Steuereinheit.
In alternativen Ausführungsformen beinhaltet die wenigstens eine Steuereinheit die Steuereinheit zur Steuerung des ersten und des zweiten Schaltelements zu steuern und die weitere Steuereinheit zur Steuerung des dritten Schaltelements. Die Steuereinheit ist Teil des Mikrokontrollers und die weitere Steuereinheit sowie das dritte Schaltelement sind außerhalb des Mikrokontrollers angeordnet.
Dies beispielsweise hinsichtlich der funktionalen Sicherheit der gesamten Sensorvorrichtung vorteilhaft sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Anpasskondensator außerhalb des Mikrokontrollers angeordnet und der Mikrokontroller enthält das dritte Schaltelement. Der der Anpasskondensator, insbesondere der erste Anschluss des Anpasskondensators ist mit einem dritten Kontakt, insbesondere GPIO-Pin, des Mikrokontrollers verbunden, wobei der dritte Kontakt mit dem dritten Schaltelement verbunden ist.
In alternativen Ausführungsformen beinhaltet der Mikrokontroller den Anpasskondensator und das dritte Schaltelement. Beispielsweise kann der Anpasskondensator einem Sample-and-Hold Kondensator des AD-Wandlers oder eines weiteren AD-Wandlers des Mikrokontrollers entsprechen. Dadurch kann auf ein zusätzliches Bauteil als Anpasskondensator verzichtet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Eingabevorrichtung für ein Kraftfahrzeug zur Erfassung einer Benutzereingabe angegeben. Die Eingabevorrichtung weist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung auf.
Insbesondere kann die Eingabevorrichtung eine Verarbeitungseinheit aufweisen, die abhängig von der in der Auslesephase mittels des AD-Wandlers bestimmten Spannung die Benutzereingabe als Berührung der Sensorelektrode oder Annäherung an die Sensorelektrode detektieren kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Handerkennungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeuglenkrad angegeben. Die Handerkennungsvorrichtung weist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung auf.
Die Sensorelektrode kann dabei insbesondere an dem Kraftfahrzeuglenkrad angeordnet werden, sodass aus der Berührung der Sensorelektrode darauf geschlossen werden kann, dass der Benutzer eine Hand an dem Kraftfahrzeuglenkrad hat.
Ferner werden gemäß weiterer Aspekte der Erfindung ein Kraftfahrzeuglenkrad mit einer erfindungsgemäßen Handerkennungsvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung und/oder einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuglenkrad angegeben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur kapazitiven Berührungsdetektion, insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, angegeben. Eine Sensorelektrode, die zur Berührung durch einen Benutzer ausgelegt ist, wird während einer Ladephase mit einem ersten elektrischen Referenzpotential verbunden. Ein erster Anschluss eines Referenzkondensators, wobei der erste Anschluss über ein Widerstandsbauelement mit der Sensorelektrode verbunden ist, wird während der Ladephase mit einem zweiten elektrischen Referenzpotential verbunden. Die Sensorelektrode wird während einer auf die Ladephase folgenden Ladungsumverteilungsphase in einen Hochimpedanzzustand geschaltet und der erste Anschluss des Referenzkondensators wird während der Ladungsumverteilungsphase mit einem Eingang eines AD-Wandlers verbunden. In einer auf die Ladungsumverteilungsphase folgenden Auslesephase wird eine Spannung des Referenzkondensators, also eine zwischen dem ersten und einem zweiten Anschluss des Referenzkondensators anliegende Spannung, mittels des AD-Wandlers gemessen. Ein Anpasskondensator wird während der Ladephase und während der Ladungsumverteilungsphase abhängig von einem vorgegebenen Messmodus entweder zu einer Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator zugeschaltet oder aus der Parallelschaltung entfernt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird, insbesondere mittels einer Verarbeitungseinheit, abhängig von der gemessenen Spannung eine Berührung der Sensorelektrode durch den Benutzer oder eine Annäherung eines Körperteils, insbesondere eines Fingers oder einer Hand, des Benutzers an die Sensorelektrode, detektiert.
Für Anwendungsfälle oder Anwendungssituationen, die sich bei dem Verfahren ergeben können und die hier nicht explizit beschrieben sind, kann vorgesehen sein, dass gemäß dem Verfahren eine Fehlermeldung und/oder eine Aufforderung zur Eingabe einer Nutzerrückmeldung ausgegeben und/oder eine Standardeinstellung und/oder ein vorbestimmter Initialzustand eingestellt wird.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens folgen unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung sowie der erfindungsgemäßen Handerkennungsvorrichtung und umgekehrt. Insbesondere lassen sich einzelne Merkmale und entsprechende Erläuterungen sowie Vorteile bezüglich der verschiedenen Ausführungsformen zu der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung sowie der erfindungsgemäßen Handerkennungsvorrichtung analog auf entsprechende Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragen. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet oder programmiert. Insbesondere führt die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren durch.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen können nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen von der Erfindung umfasst sein. Es können insbesondere auch Ausführungen und Merkmalskombinationen von der Erfindung umfasst sein, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten Anspruchs aufweisen. Es können darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen von der Erfindung umfasst, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand konkreter Ausführungsbeispiele und zugehöriger schematischer Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren können gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Beschreibung gleicher oder funktionsgleicher Elemente wird gegebenenfalls nicht notwendigerweise bezüglich verschiedener Figuren wiederholt.
In den Figuren zeigen
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; und
Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1 zur kapazitiven Berührungsdetektion. Die Sensorvorrichtung 1 weist einen AD-Wandler 9 auf und eine Sensorelektrode 6, die zur Berührung durch einen Benutzer ausgelegt ist. Die Sensorvorrichtung 1 weist wenigstens einen ersten Potentialanschluss 14 auf, der jeweils an ein erstes elektrisches Referenzpotential, beispielsweise ein Massepotential, das definitionsgemäß beispielsweise einer Spannung von 0 V entspricht, angeschlossen ist. Die Sensorvorrichtung 1 weist wenigstens einen zweiten Potentialanschluss 15 auf, der jeweils an ein zweites elektrisches Referenzpotential, beispielsweise ein von dem Massepotential verschiedenes Potential, das definitionsgemäß beispielsweise positiven Versorgungsspannung U, entspricht, angeschlossen ist. Die Versorgungsspannung kann, je nach Auslegung der Sensorvorrichtung 1 , zum Beispiel 5 V bezüglich des Massepotentials betragen.
Ein Eingang 17 des AD-Wandlers 9 entspricht beispielsweise einem Hochimpedanzanschluss. Die Sensorvorrichtung 1 kann einen oder mehrere weitere Hochimpedanzanschlüsse 16, 19 aufweisen, die beispielsweise potentialfreie (englisch: floating) Anschlüsse sein können, sodass eine jeweilige Verbindung damit einer Offenschaltung (englisch: open circuit) entspricht. Alternativ können die Hochimpedanzanschlüsse 16, 19 mit hohen elektrischen Widerständen (nicht dargestellt) verbunden sein, sodass effektiv kein relevanter Stromfluss über die Hochimpedanzanschlüsse 16, 19 erfolgen kann. Alternativ können die Hochimpedanzanschlüsse 16, 19 mit dem Eingang 17 des AD-Wandlers 9 verbunden sein. Die Sensorelektrode 6 ist mittels eines ersten Schaltelements 20, der Sensorvorrichtung 1 wahlweise mit einem der ersten Potentialanschlüsse 14 verbindbar oder dem Hochimpedanzanschluss 16 verbindbar ist. Die Sensorvorrichtung 1 weist außerdem einen Referenzkondensator 7 auf, der einen ersten Anschluss aufweist, der mittels eines zweiten Schaltelements 21 der Sensorvorrichtung 1 wahlweise mit einem der zweiten Potentialanschlüsse 15 oder dem Eingang 17 des Analog-zu-Digital-Wandlers 9 verbindbar ist. Ein zweiter Anschluss des Referenzkondensators ist mit einem der ersten Potentialanschlüsse 14 verbunden. Zwischen der Sensorelektrode 6 und dem ersten Anschluss des Referenzkondensators 7 ist ein Widerstandsbauelement 12 angeordnet, sodass das erste Schaltelement 20 zwischen der Sensorelektrode 6 und dem Widerstandsbauelement 12 angeschlossen ist. Beispielweise ist ein weiteres Widerstandsbauelement 11 zwischen der Sensorelektrode 6 und dem Widerstandsbauelement 12 angeordnet, sodass das erste Schaltelement 20 zwischen der dem Widerstandsbauelement 11 und dem Widerstandsbauelement 12 angeschlossen ist. Ein Varistor 13 kann optional zwischen der Sensorelektrode 6 und Masse vorgesehen werden, um einen ESD-Schutz zu implementieren.
Die Kapazität eines durch die Sensorelektrode 6 gegenüber Masse gebildeten effektiven Kondensators hängt dabei davon ab, ob ein Benutzer die Sensorelektrode 6 berührt oder nicht, beziehungsweise, wie nahe sich ein Körperteil, etwa ein Finger oder eine Hand, des Benutzers an der Sensorelektrode 6 befindet. Die Kapazität kann auch von Umgebungsbedingungen, wie der Luftfeuchtigkeit oder der Umgebungstemperatur, beeinflusst werden.
Die Sensorvorrichtung 1 weist außerdem einen Anpasskondensator 8 aufweist, der mittels eines dritten Schaltelements 22 der Sensorvorrichtung 1 wahlweise zu einer Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator 7 zuschaltbar oder aus der Parallelschaltung entfernbar ist. Dazu ist ein erster Anschluss des Anpasskondensators 8 beispielsweise mittels des dritten Schaltelements 22 wahlweise einem der ersten Potentialanschlüsse 14 und dem Hochimpedanzanschluss 19 verbindbar ist. Der Hochimpedanzanschluss 19 kann, wie bereits erwähnt, mit dem Eingang 17 des AD- Wandlers 9 verbunden sein oder diesem entsprechen. Ein zweiter Anschluss des Anpasskondensators 8 ist mit dem ersten Eingang des Referenzkondensators 7 verbunden, ist also mittels des zweiten Schaltelements 21 jeweils wie der erste Eingang des Referenzkondensators 7 entweder mit einem der zweiten Potentialanschlüsse 15 oder dem Eingang 17 des AD-Wandlers 9 verbunden. Demzufolge ist der Anpasskondensator 8 parallel zu dem Referenzkondensator 7 geschaltet, wenn der erste Anschluss des Anpasskondensators 8 mit dem entsprechenden ersten Potentialanschluss 14 verbunden ist, und aus der Parallelschaltung entfernt, wenn der Anschluss des Anpasskondensators 8 mit dem Hochimpedanzanschluss 19 verbunden ist.
Die Schaltelemente 20, 21 , 22 können beispielsweise aus Transistoren ausgeführt sein, insbesondere als Feldeffekttransistoren, die mittels wenigstens einer Steuereinheit (nicht dargestellt) der Sensorvorrichtung 1 gesteuert, also geschaltet, werden können.
Mit der Sensorvorrichtung 1 kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zur kapazitiven Berührungsdetektion durchgeführt werden. Dazu wird der Anpasskondensator 8 gemäß einem vorgegebenen Messmodus während einer Ladephase und einer darauffolgenden Ladungsumverteilungsphase entweder dauerhaft parallel zu dem Referenzkondensator 7 geschaltet oder bleibt während der Ladephase und der Ladungsumverteilungsphase dauerhaft aus der Parallelschaltung entfernt, wie oben erläutert.
Während der Ladungsphase ist die Sensorelektrode 6 beispielsweise mit dem ersten Potentialanschluss 14 verbunden und der erste Anschluss des Referenzkondensators 7 mit dem zweiten Potentialanschluss. Daher stellt sich über dem durch die Sensorelektrode 6 gegenüber Masse gebildeten effektiven Kondensators eine Spannung von 0 V ein und über dem Referenzkondensator 7 die Versorgungsspannung U. Ist der Anpasskondensator 8 zu dem Referenzkondensator 7 parallel geschaltet, so stellt sich die Versorgungsspannung U auch über diesem ein. Die Dauer der Ladephase kann insbesondere dementsprechend an die vorhandenen Kapazitäten und Widerstände angepasst werden.
Nach der Ladephase wird die Ladungsumverteilungsphase eingeleitet, indem das erste und das zweite Schaltelement 20, 21 geschaltet werden, insbesondere zeitgleich, um die Sensorelektrode 6 mit dem Hochimpedanzanschluss 16 zu verbinden und den ersten Anschluss des Referenzkondensators 7 mit dem Eingang 17 des AD-Wandlers 9. Wie bereits erwähnt wird das dritte Schaltelement 22 dabei nicht geschaltet, sodass der Anpasskondensator 8 also gemäß dem Messmodus mit dem Referenzkondensator 7 parallel geschaltet bleibt oder aus der Parallelschaltung entfernt bleibt. Während der Ladungsumverteilungsphase fließt daher Ladung von dem Referenzkondensator 7 und, falls der Anpasskondensator 8 parallel zum Referenzkondensator 7 geschaltet ist, auf die Sensorelektrode 6. Es stellt sich dementsprechend eine Spannung über dem Referenzkondensator 7 ein, die vom Verhältnis der Kapazität des effektiven Kondensators der Sensorelektrode 6 zu der Summe der Kapazitäten des Referenzkondensators 7 und des Anpasskondensators 8 abhängt, falls der Anpasskondensator 8 parallel zum Referenzkondensator 7 geschaltet ist, und anderenfalls vom Verhältnis der Kapazität des effektiven Kondensators der Sensorelektrode 6 zu der Kapazität des Referenzkondensators 7. Diese Spannung liegt demzufolge auch am Eingang 17 des AD-Wandlers an. Die Dauer der Ladungsumverteilungsphase kann insbesondere an die vorhandenen Kapazitäten und Widerstände angepasst werden, sodass die Ladungsumverteilung am Ende der Ladungsumverteilungsphase abgeschlossen oder im Wesentlichen abgeschlossen ist.
In einer auf die Ladungsumverteilungsphase folgende Auslesephase kann die Spannung am Eingang 17 des AD-Wandlers 9 dann mittels des AD-Wandlers gemessen werden. Die Sensorvorrichtung 1 kann beispielsweise eine Auswerteeinheit 10 aufweisen, die mit einem Ausgang 18 des AD-Wandlers verbunden ist und dazu eingerichtet ist, basierend auf der gemessenen Spannung die Berührung der Sensorelektrode 6 oder die Annäherung des Körperteils an die Sensorelektrode 6 durch den Benutzer zu detektieren. Die gemessene Spannung kann dazu beispielsweise mit einem oder mehreren vorgegebenen Schwellwerten verglichen werden. Berührt der Benutzer beispielsweise die Sensorelektrode 6, insbesondere während der Ladungsumverteilungsphase, so ist die Kapazität des effektiven Kondensators der Sensorelektrode 6 gegenüber Masse größer, als wenn er sie nicht berührt, da die Berührung wie eine weitere parallele Kapazität wirkt.
Darüber hinaus hängt die gemessene Spannung, wie erwähnt, auch davon ab, ob der Anpasskondensator 8 während der Ladephase und der Ladungsumverteilungsphase zu dem Referenzkondensator 7 parallel geschaltet war oder nicht, also vom Messmodus. Dies kann auf verschiedene Weise vorteilhaft genutzt werden. Zum Beispiel kann durch die Wahl des Messmodus der Messbereich, in dem eine zuverlässige Berührungsdetektion erzielt werden kann, an die Größe der Sensorelektrode 6 und/oder an Materialeigenschaften der Sensorelektrode 6 und/oder an eine geometrische Ausgestaltung der Sensorelektrode 6 angepasst werden, sodass die Sensorvorrichtung 1 flexibel für unterschiedliche Sensorelektroden 6 und Anwendungsfälle eingesetzt werden kann. Ferner kann durch die Wahl des Messmodus der Einfluss der Umgebungsbedingungen, insbesondere die Umgebungstemperatur, auf die Kapazität des effektiven Kondensators der Sensorelektrode 6 wenigstens teilweise kompensiert werden, da Kapazitäten des Referenzkondensators 7 und des Anpasskondensators 8 regelmäßig sehr viel weniger dem Einfluss der Umgebungsbedingungen unterliegen, wie die Kapazität des effektiven Kondensators der Sensorelektrode 6.
Durch gezielten Einsatz der beiden verschiedenen Messmodi lässt sich auch einer Plausibilitätsprüfung der gemessenen Spannung realisieren. Bei unverändertem Zustand der Sensorelektrode 6 hinsichtlich der Berührung oder Annäherung durch den Benutzer oder sonstiger elektrisch leitfähiger Gegenstände und bei unveränderten Umgebungsbedingungen ist auch die Kapazität des effektiven Kondensators der Sensorelektrode 6 unverändert. Die in den jeweiligen Messmodi zu erwartenden gemessenen Spannungen, beziehungsweise deren Verhältnis zueinander, lassen sich daher, im Rahmend er Messgenauigkeit, berechnen oder abschätzen. Im Fall einer signifikanten Abweichung kann beispielsweise auf einen Fehler oder Defekt der Sensorvorrichtung geschlossen werden.
In Fig. 2 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 5 mit einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1 , wie insbesondere bezüglich Fig. 1 beschrieben, dargestellt. Die Sensorvorrichtung 1 kann dabei beispielsweise Teil einer erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung 2 zur Erfassung einer Benutzereingabe sein. Die Die Sensorvorrichtung 1 kann auch Teil einer erfindungsgemäßen Handerkennungsvorrichtung 3 für ein Kraftfahrzeuglenkrad 4 sein. Die Sensorelektrode 6 ist in diesem Fall insbesondere an dem Kraftfahrzeuglenkrad 4 des Kraftfahrzeugs 5 angebracht.
In Fig. 3 bis Fig. 7 sind weitere beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1 zur kapazitiven Berührungsdetektion dargestellt, die auf der Ausführungsform gemäß Fig. 1 beruhen. Der Übersichtlichkeit halber sind verschiedene Komponenten der Sensorvorrichtung 1 , beispielsweise die Schaltelemente 20, 21 , 22, der AD-Wandler 9 und die Auswerteinheit 10, in Fig. 3 bis Fig. 7 nicht dargestellt. In den Ausführungsformen der Fig. 3 bis Fig. 7 weist die Sensorvorrichtung 1 einen Mikrokontroller 23 auf, welche den AD-Wandler 9, das erste Schaltelement 20 und das zweite Schaltelement 21 beinhaltet. Die Auswerteinheit 10 kann ebenfalls Teil des Mikrokontrollers 23 sein oder separat zu diesem vorgesehen sein. Mikrokontroller 23 beinhaltet auch eine Steuereinheit zum Steuern des ersten Schaltelement 20 und des zweiten Schaltelements 21 .
Der Mikrokontroller 23 weist einen ersten Kontakt 24 auf, der insbesondere als GPIO-Pin ausgelegt ist und mit dem ersten Schaltelement 20 verbunden ist. Die Sensorelektrode 6 ist dementsprechend mit dem ersten Kontakt 24 verbunden. Der Mikrokontroller 23 weist einen zweiten Kontakt 25 auf, der insbesondere als GPIO-Pin und/oder Analog-Digital- Wandler schaltbar bzw. ausgelegt ist und mit dem zweiten Schaltelement 21 verbunden ist. Der erste Anschluss des Referenzkondensators 7 und der zweite Anschluss des Anpasskondensators 8 sind dementsprechend mit dem zweiten Kontakt 24 verbunden.
Der Mikrokontroller 23 kann auch das dritte Schaltelement 22 beinhalten sowie einen dritten Kontakt 26, der insbesondere als GPIO-Pin ausgelegt ist und mit dem dritten Schaltelement 22 verbunden ist. Der erste Anschluss des Anpasskondensators 8 ist dementsprechend mit dem dritten Kontakt 26 verbunden. In diesem Fall kann die Steuereinheit auch das dritte Schaltelement 22 steuern. In alternativen Ausführungsformen kann der Anpasskondensator 8 auch in dem Mikrokontroller 23 integriert sein. Auch dann kann die Steuereinheit das dritte Schaltelement 22 steuern.
In wiederum alternativen Ausführungsformen können sowohl das dritte Schaltelement 22 als auch der Anpasskondensator 8 extern zu dem Mikrokontroller 23 vorgesehen sein. In diesem Fall weist die Sensorvorrichtung 1 beispielsweise eine extern zu dem Mikrokontroller 23 vorgesehene weitere Steuereinheit auf, um das dritte Schaltelement 22 zu steuern. Dies kann hinsichtlich der funktionalen Sicherheit von Vorteil sein.
In einem Auslegungsbeispiel können die Nennwiderstände der Widerstandsbauelemente 11 , 12 beispielsweise je 4,7 k betragen, die Nennkapazität des Referenzkondensators 7 beispielsweise 10 pF und die Nennkapazität des Anpasskondensators 8 beispielsweise 2 pF.
In der Ausführungsform der Fig. 3 weist die Sensorelektrode 6 beispielsweise nur einen ersten Anschluss auf. Diese Ausgestaltung kann daher auch als Single-Ended bezeichnet werden. In der Ausführungsform der Fig. 4 weist die Sensorelektrode dagegen den ersten und einen zweiten Anschluss auf. Diese Ausgestaltung kann daher auch als Double- Ended bezeichnet werden. In der Ausführungsform der Fig. 4 sind die Widerstandsbauelemente 11 , 12 beispielsweise durch ein Widerstandsbauelement 28 zwischen dem ersten Anschluss der Sensorelektrode und dem ersten Kontakt 24 beziehungsweise dem ersten Schaltelement 20, sowie ein Widerstandbauelement 27 zwischen dem zweiten Anschluss der Sensorelektrode 6 und dem ersten Anschluss des Referenzkondensators 7 ersetzt.
In einem Auslegungsbeispiel kann der Nennwiderstand des Widerstandsbauelement 27 beispielsweise 10 k betragen, der Nennwiderstand des Widerstandsbauelement 28 beispielsweise 1 k , die Nennkapazität des Referenzkondensators 7 beispielsweise 10 pF und die Nennkapazität des Anpasskondensators 8 beispielsweise 2 pF.
Die Ausführungsform der Fig. 5 basiert auf derjenigen der Fig. 3. Die Sensorvorrichtung 1 weist hier zusätzlich eine weitere Sensorelektrode 6‘ mit einem entsprechenden optionalen Varistor 13‘ auf. Die weitere Sensorelektrode 6‘ ist mit einem weiteren ersten Kontakt 24‘, beispielsweise einem GPIO-Pin, des Mikrokontrollers 23 verbunden. Der weitere erste Kontakt 24‘ ist mit einem weiteren ersten Schaltelement (nicht gezeigt) des Mikrokontrollers 23 verbunden, mittels dem die weitere Sensorelektrode 6‘ wahlweise mit einem der ersten Potentialanschlüsse 14 und dem Hochimpedanzanschluss 16 oder einem weiteren Hochimpedanzanschluss verbindbar ist. Es sind weitere Widerstandsbauelemente 11 ‘, 12‘ vorgesehen, die, analog zu den Widerstandsbauelementen 11 , 12 für die Sensorelektrode 6, die weitere Sensorelektrode 6‘ mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators 7 beziehungsweise dem zweiten Kontakt 25 des Mikrokontrollers 23 verbinden. Wie für die Sensorelektrode 6 beschrieben, kann somit die Berührung der weiteren Sensorelektrode 6‘ detektiert werden, ohne dass ein weiterer AD-Wandler, ein weiterer Referenzkondensator oder ein weiterer Anpasskondensator notwendig ist.
Die Ausführungsform der Fig. 6 basiert auf der Ausführungsform der Fig. 4, wobei auch wie in der Ausführungsform der Fig. 5 eine weitere Sensorelektrode 6‘ vorgesehen ist. Beide Sensorelektroden 6, 6‘ sind in der Ausführungsform der Fig. 6 gemäß der Double- Ended Variante ausgelegt und verschaltet. Für die weitere Sensorelektrode sind dementsprechend weitere Widerstandsbauelemente 27‘, 28‘ analog zu den Widerstandsbauelementen 27, 28 vorgesehen. Die Ausführungsform der Fig. 7 basiert auf der Ausführungsform der Fig. 3 mit einer weiteren Sensorelektrode 6‘. In dieser Ausführungsform sind jedoch ein weiterer Referenzkondensator 7‘, ein weiterer Anpasskondensator 8‘ und weitere Widerstandsbauelemente 11‘, 12‘ vorgesehen, sowie weitere Kontakte 24‘, 25‘ des Mikrokontrollers 23, ein weiteres erstes Schaltelement und ein weiteres zweites Schaltelement (nicht gezeigt). Die Erläuterungen zu Fig. 1 und Fig. 3 bezüglich des Referenzkondensators 7, des Anpasskondensators 8, der Widerstandsbauelemente 11 , 12, der Kontakte 24, 25, des ersten und des zweiten Schaltelements können analog auf den weiteren Referenzkondensator 7‘, den weiteren Anpasskondensator 8‘, die Widerstandsbauelemente 11 ‘, 12‘, die Kontakte 24‘, 25‘, das weitere erste und das weitere zweite Schaltelement übertragen werden.
Der erste Anschluss des weiteren Anpasskondensators 8‘ ist jedoch, ebenso wie der erste Anschluss des Anpasskondensators 8, mit dem dritten Kontakt 26 des Mikrokontrollers 23 verbunden, der somit mit Vorteil doppelt genutzt werden kann.
Wie, insbesondere unter Bezug auf die Figuren, beschriebe, erlaubt es die Erfindung, die Zuverlässigkeit der Berührungsdetektion bei Verwendung eines kapazitiven Messprinzips für einen größeren Messbereich und oder für verschiedene Messbereiche zu verbessern.
Die Erfindung ermöglicht insbesondere eine flexible Wahl der Referenzkapazität, die je nach Messmodus der Kapazität des Referenzkondensators oder der Summe der Kapazitäten des Referenzkondensators und des Anpasskondensators entsprechen kann. Dies kann auch durch einen oder mehrere weitere Anpasskondensatoren, die jeweils wahlweise je nach Messmodus zu der Parallelschaltung hinzugefügt oder aus dieser entfernt werden können, erweitert werden.
Da der Messbereich für bestimmte Anwendungen, etwa eine Handerkennung für ein Kraftfahrzeuglenkrad sehr klein sein kann, etwa bei niedrigen Temperaturen, niedriger Luftfeuchtigkeit und/oder wenn die Hände des Benutzers nicht am Lenkrad sind, aber auch sehr groß, etwa bei hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und/oder maximaler Bedeckung des Lenkrads durch die Hände, kann mit der Erfindung jeweils eine hohe Auflösung der Messung erreicht werden, indem die die gemessene Kapazität und die Referenzkapazität möglichst auf gleiches oder ähnliches Niveau gebracht werden. Die Erfindung kann die Qualität des gemessenen Signals erhöhen. Es können auch Plausibilitätsprüfungen durchgeführt werden, um die gesamte Messkette zu überprüfen. Eine Änderung der Referenzkapazität führt zwar zu unterschiedlichen Messwerten, aber über eine Transferfunktion oder eine Look-Up-Tabelle können die Messwerte für Messungen mit und ohne zugeschaltetem Anpasskondensator auf Plausibilität oder Übereinstimmung überprüft werden, was die Fehlererkennung für die gesamte Mess- und Auswertekette erhöht.

Claims

Patentansprüche Sensorvorrichtung (1) zur kapazitiven Berührungsdetektion aufweisend wenigstens einen ersten Potentialanschluss (14, 15) zum jeweiligen Anschließen der Sensorvorrichtung (1) an ein erstes elektrisches Referenzpotential und wenigstens einen zweiten Potentialanschluss (14, 15) zum jeweiligen Anschließen der Sensorvorrichtung (1) an ein zweites elektrisches Referenzpotential; einen Analog-zu-Digital-Wandler (9) und eine Sensorelektrode (6), die zur Berührung durch einen Benutzer ausgelegt ist und die mittels eines ersten Schaltelements (20) der Sensorvorrichtung (1) wahlweise mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss (14, 15) verbindbar oder in einen Hochimpedanzzustand schaltbar ist; einen Referenzkondensator (7, 7’) mit einem ersten Anschluss, der mittels eines zweiten Schaltelements (21 ) der Sensorvorrichtung (1) wahlweise mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss (14, 15) oder einem Eingang (17) des Analog-zu-Digital-Wandlers (9) verbindbar ist; und ein Widerstandsbauelement (12, 27), über das die Sensorelektrode (6) mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (1) einen Anpasskondensator (8, 8’) aufweist, der mittels eines dritten Schaltelements (22) der Sensorvorrichtung (1 ) wahlweise zu einer Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator (7, 7’) zuschaltbar oder aus der Parallelschaltung entfernbar ist. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (1) wenigstens eine Steuereinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Sensorelektrode (6) während einer Ladephase durch Steuerung des ersten Schaltelements (20) mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss (14, 15) und den ersten Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) durch Steuerung des zweiten Schaltelements (21 ) mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss (14, 15) zu verbinden. Sensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Steuereinheit dazu eingerichtet ist, während einer auf die Ladephase folgenden Ladungsumverteilungsphase die Sensorelektrode (6) durch Steuerung des ersten Schaltelements (20) in den Hochimpedanzzustand zu schalten und den ersten Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) durch Steuerung des zweiten Schaltelements (21 ) mit dem Eingang (17) des Analog-zu- Digital-Wandlers (9) zu verbinden. Sensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Anpasskondensator (8, 8’) während der Ladephase und während der Ladungsumverteilungsphase durch Steuerung des dritten Schaltelements (22) abhängig von einem vorgegebenen Messmodus entweder zu der Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator (7, 7’) zuzuschalten oder aus der Parallelschaltung zu entfernen. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss (14, 15) verbunden ist und ein erster Anschluss des Anpasskondensators (8, 8’) mittels des dritten Schaltelements (22) der Sensorvorrichtung (1 ) wahlweise mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss (14, 15) verbindbar oder in einen Hochimpedanzzustand schaltbar ist, und ein zweiter Anschluss des Anpasskondensators (8, 8’) mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) verbunden ist; oder ein zweiter Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss (14, 15) verbunden ist und ein erster Anschluss des Anpasskondensators (8, 8’) mittels des dritten Schaltelements (22) der Sensorvorrichtung (1 ) wahlweise mit dem wenigstens einen zweiten Potentialanschluss (14, 15) verbindbar oder in einen Hochimpedanzzustand schaltbar ist, und ein zweiter Anschluss des Anpasskondensators (8, 8’) mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) verbunden ist.
6. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapazität des Referenzkondensators (7, 7’) größer ist als eine Kapazität des Anpasskondensators (8, 8’), insbesondere mindestens doppelt so groß wie die Kapazität des Anpasskondensators (8, 8’).
7. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (6) einen ersten Anschluss aufweist, der mittels des ersten Schaltelements (20) der Sensorvorrichtung (1 ) wahlweise mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss (14, 15) verbindbar oder in den Hochimpedanzzustand schaltbar ist; die Sensorelektrode (6) einen zweiten Anschluss aufweist, der über das Widerstandsbauelement (27, 27’) mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) verbunden ist.
8. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (1 ) eine weitere Sensorelektrode (6') aufweist, die zur Berührung durch den Benutzer ausgelegt ist und die mittels eines weiteren ersten Schaltelements der Sensorvorrichtung (1 ) wahlweise mit dem wenigstens einen ersten Potentialanschluss (14, 15) verbindbar oder in einen Hochimpedanzzustand schaltbar ist; und ein weiteres Widerstandsbauelement (12', 27'), über das die weitere Sensorelektrode (6') mit dem ersten Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) verbunden ist.
9. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (1 ) einen Mikrokontroller (23) aufweist, welcher den Analog- zu-Digital-Wandler (9), das erste Schaltelement (20) und das zweite Schaltelement (21 ) enthält, wobei die Sensorelektrode (6) und der Referenzkondensator (7, 7’) außerhalb des Mikrokontrollers (23) angeordnet sind; die Sensorelektrode (6) mit einem ersten Kontakt (24, 24‘) des Mikrokontrollers (23) verbunden ist, wobei der erste Kontakt (24, 24‘) mit dem ersten Schaltelement (20) verbunden ist; und der erste Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) mit einem zweiten Kontakt (25, 25‘) des Mikrokontrollers (23) verbunden ist, wobei der zweite Kontakt (25, 25‘) mit dem zweiten Schaltelement (21) verbunden ist.
10. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontakt (24, 24‘) und/oder der zweite Kontakt (25, 25‘) als GPIO-Pin des Mikrokontrollers (23) ausgestaltet ist.
11 . Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpasskondensator (8, 8’) außerhalb des Mikrokontrollers (23) angeordnet ist und der Mikrokontroller (23) das dritte Schaltelement (22) enthält; und der Anpasskondensator (8, 8’) mit einem dritten Kontakt (26) des Mikrokontrollers (23) verbunden ist, wobei der dritte Kontakt (26) mit dem dritten Schaltelement (22) verbunden ist.
12. Eingabevorrichtung (2) für ein Kraftfahrzeug (5) zur Erfassung einer Benutzereingabe, die Eingabevorrichtung aufweisend eine Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Handerkennungsvorrichtung (3) für ein Kraftfahrzeuglenkrad (4), aufweisend eine Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
14. Verfahren zur kapazitiven Berührungsdetektion, wobei eine Sensorelektrode (6), die zur Berührung durch einen Benutzer ausgelegt ist, während einer Ladephase mit einem ersten elektrischen Referenzpotential verbunden wird; ein erster Anschluss eines Referenzkondensators (7, 7’), der über ein Widerstandsbauelement (12, 27) mit der Sensorelektrode (6) verbunden ist, während der Ladephase mit einem zweiten elektrischen Referenzpotential verbunden wird; die Sensorelektrode (6) während einer auf die Ladephase folgenden Ladungsumverteilungsphase in einen Hochimpedanzzustand geschaltet wird; der erste Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) während der Ladungsumverteilungsphase mit einem Eingang (17) eines Analog-zu-Digital- Wandlers (9) verbunden wird; und in einer auf die Ladungsumverteilungsphase folgenden Auslesephase eine Spannung des Referenzkondensators (7, 7’) mittels des Analog-zu-Digital-Wandlers (9) gemessen wird; dadurch gekennzeichnet, dass ein Anpasskondensator (8, 8’) während der Ladephase und während der Ladungsumverteilungsphase abhängig von einem vorgegebenen Messmodus entweder zu einer Parallelschaltung mit dem Referenzkondensator (7, 7’) zugeschaltet oder aus der Parallelschaltung entfernt wird. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Anschluss des Anpasskondensators (8, 8’) während der Ladephase und während der Ladungsumverteilungsphase abhängig von dem vorgegebenen Messmodus entweder mit dem ersten elektrischen Referenzpotential verbunden oder in einen Hochimpedanzzustand geschaltet wird, wobei ein zweiter Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) mit dem ersten elektrischen Referenzpotential verbunden ist; oder ein erster Anschluss des Anpasskondensators (8, 8’) während der Ladephase und während der Ladungsumverteilungsphase abhängig von dem vorgegebenen Messmodus entweder mit dem zweiten elektrischen Referenzpotential verbunden oder in einen Hochimpedanzzustand geschaltet wird, wobei ein zweiter Anschluss des Referenzkondensators (7, 7’) mit dem zweiten elektrischen Referenzpotential verbunden ist.
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