CN1708672A - 电荷转移电容位置传感器 - Google Patents

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Abstract

对象(可以是用户的手指)沿着感测体的位置可以通过电容方式进行感测。测量电路测量电荷同时注入到感测体的两端，感测体的形状可以是直线或曲线。计算设备计算注入到元件的每一端的电荷量的相对变化的比率。此计算的结果是一维坐标数字外加检测状态指示，这两者都可以馈送到另一个功能元件，如设备控制器，该控制器作为命令或测量解释该坐标和检测状态。

Description

电荷转移电容位置传感器
对其他申请的交叉引用：
本申请要求以2002年10月31日提出的序列号为60/422,837的本发明人的美国临时专利申请为优先权基础。
技术领域
本发明提供了用于人与电子设备的接口以及用于传感材料位移的设备和方法。具体来说，本发明涉及沿着直线或曲线的位置的电容感测。
背景技术
电容传感器越来越普通，并用于人机接口和机器控制中。在家用电器领域，查找可通过玻璃或塑料面板进行操作的电容接触控件变得非常普遍。这些传感器以美国专利6,452,514(这里引用了其全部内容作为参考)为代表，该专利描述了使用电荷转移原理的矩阵传感器方法。
由于对电容接触控件的越来越大的市场需求，对每功能较低的成本以及较大的使用和配置的灵活性的需求越来越大。同样，对于较低价格的电容材料位移传感器(例如，液面传感器、机械移动传感器、压力传感器，等等)的需求越来越大，这是当代非机械变换器不能轻易满足。
在许多应用中，需要具有许多键或感应位置的人机接口，类似于以美国专利4,476,463(Ng)或美国专利5,305,017(Gerpheide)为代表的二维触摸屏或触摸板提供的灵活性。例如，在计算机监视器中，应该在屏幕荧光屏上具有控件，以便可以对亮度和对比度进行调整。在理想情况下，使用连续可调的控件(例如，电位计)来控制这些参数。由于价格压力和审美要求，这些控件通常已经被消除，而以几个安装在荧光屏上的菜单选择按钮，这些按钮对于用户理解起来却难得多。
在电子和医学测试仪表领域，常常使用LCD显示屏，结合几行荧光屏按钮，以提供软件驱动的菜单功能。许多这样的应用与触摸屏的成本、降低的对比度以及易碎性不兼容。此外，这些触摸屏中的一些触摸屏的性能受到深的或有限的菜单选项和视频视差的影响。这种类型的菜单控件的示例几乎可以在任何当前的自动付款机(如位于Dayton，OH的NCR Corporation制造的LCD-5305 model)中发现。如果可以满足经济方面的考虑，则厂商将在屏幕的边缘或靠近屏幕的边缘使用较高分辨率的控件。对于家用电器、教学游戏、信息/因特网展台等等，都存在类似的市场。
在HVAC领域，壁挂式恒温控件的现有技术的状态当前由位于Morristown NJ的Honeywell Corporation制造的Model CT8602为代表。此模式是具有小的LCD屏幕的菜单驱动的系统。这些设备中的高级功能通过深级别的菜单进行访问，与基于简单的转盘或滑块的控件相比常常不是很直观。
机电人机接口控件(如按钮、膜片开关以及电位计)具有显著的缺点，其不可靠，并且容易进水，只能在边上与基于LCD的菜单系统兼容。传统的用户控件，如转盘和电阻性的电位计，要求面板开孔，这会使得污垢和湿气进入产品中。它们也不能带来“清洁的”外表，常常被视为古怪，并严重地限制工业设计师的灵活性。美国专利5,920,131(Platt)描述了这一问题的一个解决方案，该解决方案采用旋转按钮的形式，该旋转按钮用磁力粘到无缝面板表面，并用磁力与面板表面下面的位置传感检测器进行交互。此解决方案仍要求旋转按钮，制造起来成本较高，并只能作为旋转设备才好用，而许多应用要求线性感应。
现在强烈需要新的人机接口技术，这些技术一方面能够以合理价格克服机电控件的技术缺点，另一方面，克服触摸屏或其他东西的成本。本发明的目的是提供新的一类接触式传感器，这种接触式传感器一致地解决了这些问题，同时还为跨许多行业和应用领域的整个新的一类的位置传感器提供基础。
在机械位移感测领域，存在以Schaevitz(Slough，UK)MP系列为代表的LVDT，以便提供精密定位信息，从而在过程控制中进行反馈。诸如Schaevitz XS-B系列之类的其他较小的设备都被包括到机器和仪器中。这样的设备通常是高成本的解决方案，虽然非常精确，并且依靠用昂贵的信号调节器制成的磁场平衡测量。这些设备可以提供高度可靠的无接触感测，并可以以较高的精度在恶劣环境下工作。它们不必使用物理接触，解决了电阻性的电位法的滑动片可靠性的问题。同样，还有以由RDP Electrosense Inc.(Pottstown，PA USA)的RCDT电容变换器为代表的电容位置传感器，这种传感器也要求一种特殊的昂贵信号调节器才能工作。在美国专利5,461,319(Peters)比较全面地描述了这样的技术的一个示例，该专利描述了一种桥式电路。基于电容的设备既可以进行线性位置传感，也可以进行旋转位置传感。例如，美国专利5,079,500(Oswald)描述了线性或旋转“电位计”，该电位计具有电容滑动片，该滑动片有利于位置感测的高度可靠的方法，因为它不使用电流滑动片。还有各种变通办法用于测量压力，并根据推理计算出液面。然而，上文引用的技术都存在问题：非常复杂，制造起来成本较高，限制了它们在高端或工业设备中的应用。
LVDT和RCDT类型的变换器非常好用，但是，低成本的设备的非常大的市场仍没有开发，这些设备可以用于汽车和各种设备中。本发明的另一个目的是创造新的一类基于电容的位置传感器，这种传感器也不要求昂贵的信号调节，或者也不需要昂贵的线圈或磁铁，并可以适合于进行线性或旋转位置感测。
有一种电容流体传感器，用于测量由液体直接导致的电容变化；在我的美国专利6,457,355中包含一个这样的示例。还有很多其他示例，如美国专利6,178,818。
现有的电容流体传感器不是非常普遍，因为它们的成本过高或者不能自动地补偿介电性质的变化。很少有传感器从塑料或玻璃容器的外面准确地感测液面。本发明的另一个目的是提供一种新型的基于电容的流体传感器，这种传感器可以经济地从内部或外部感测容器的内容物的液面，而不考虑被感测的材料或液体的介电性质。
在我的美国专利5,730,165中，讲述了一种使用单个耦合板检测接地电容变化的电容场传感器。此设备包括使用重复充电然后转移(charge-then-transfer)或充电加转移(charge-plus-transfer)周期的电路，优选情况下使用CMOS开关元件，这些开关元件与普通的积分CMOS推挽驱动器电路的不同之处在于，在US5,730,165中说明的CMOS元件具有浮动端子。在我的随后的美国专利6,288,707中，讲述了使用此电荷转移技术来感测一维和二维的位置。这里引用了US 5,730,165和US 6,288,707的内容作为参考。
在我的美国专利6,466,036“Charge Transfer CapacitiveMeasurement Circuit”(这里引用了其全部内容作为参考)，讲述了另一种使用单个耦合板检测接地电容变化的电容场传感器。此设备包括使用重复充电然后转移或充电加转移周期的电路，优选情况下使用普通的积分CMOS推挽驱动器电路，在该电路中，每一个开关的一个端子连接到参考电压或电路地。这里引用了US 6,466,036的内容作为参考。
发明内容
一般而言，本发明提供了一种电容传感器，该电容传感器具有位置输出，该输出随着沿感测体(如电阻性或导电体，在两个电极(被感测的对象与电极接触或几乎最近)之间延伸)测量的点线性地变化。此传感器包括两个电容测量通道，其中每一个通道连接到相应的其中一个电极。当对通道同步进行操作时，当对象靠近感测体时，每一个通道都具有对由对象施加的电容负载的非线性响应(在主要实施例中为指数上升)，并提供相应的输出，这些输出线性地组合以提供随着位置线性地变化的位置输出，从而作为比例传感器工作。例如，可以使用模拟或数字电路以可编程逻辑或软件进行组合。
本发明的优选实施例包括感测元件和电路，其被设计用于提供电容地耦接到元件的对象或手指的位置的一维读数。在此情况下，电路测量同时注入到元件的两端的电荷。计算设备计算注入到元件的每一端的电荷量的相对变化的比率。此计算的结果是一维坐标号码加上检测状态指示，这两者都可以馈送到另一个功能元件，如设备控制器，该控制器作为命令或或测量解释坐标和检测状态。
本发明的一个方面是，它提供一种用于感测沿着在两个电极之间延伸的感测体的对象的位置的电容传感器。此传感器包括两个电压源，用于向与分别连接到两个电极的两个感测通道中的每一个通道分别关联的开关元件提供两个不同的选定电压。每一个感测通道都包括具有两个端子的相应的样本电容器，其中一个端子通过不包括电子开关元件的装置连接到相应的电极。此外，每一个通道都包括三个电子开关元件，其中每一个电子开关元件都具有单个相应的关闭状态，在该状态下，它将相应的样本电容器的其中一个端子唯一地连接到两个选定电压源中的一个，以及具有相应的打开状态，在该状态下，它不将相应的其中一个端子连接到两个选定电压源中的任何一个。相应的电压测量电路与每一个通道关联，以便响应在相应的样本电容器的选定的其中一个端子处测量的电压而提供电压输出。此外，还有开关控制器，用于有选择地打开和关闭开关元件，以及用于从两个测量电路的相应的输出计算对象的位置的装置。
本发明的另一个方面是，它提供一种用于感测沿着具有两个端点的曲线的对象的位置的电容传感器。在此情况下，传感器包括电阻感测条带，该条带在分别于两个端点附近连接的两个电极之间延伸。它还包括开关控制器，用于有选择地关闭多个电子开关元件中的某些元件；两个感测通道，每一个感测通道都连接到相应的电极，并具有来自相应的电压测量电路的相应的输出；以及，可以是微处理器、微控制器或其他数字计算电路的装置，用于从两个电压测量电路的相应的输出计算对象的位置。上一句中所描述的两个感测通道中的每一个感测通道优选情况下包括具有两个端子的相应的样本电容器，相应的两个端子中一个端子通过不包括任何一个电子开关元件的装置连接到相应的电极；至少一个相应的电子开关元件，用于通过将其两个端子连接到两条线路中选定的一条线路来将相应的样本电容器复位；以及至少两个附加的相应的开关元件，用于交替地将两个端子中的其中的一个端子切换到第一条线路，并将两个端子中的第二个端子切换到第二条线路。
本发明的又一个方面是，它提供一种用于测量沿着在两个电极之间延伸的感测体的对象的位置的方法，其中，两个电极中的每一个电极都连接到相应的电容测量通道，其中每一个通道都包括相应的样本电容器，该电容器将其两个端子中的第一个端子连接到两个电极中的相应的一个电极，将其相应的第二端子连接到具有相应的输出的相应的电压测量电路。此方法具有迭代和单向变异，这两者优选情况下都在开始时同时将每一个样本电容器复位到相应的选定初始状态，其中，最常选定的初始状态将每一个样本电容器的两个板复位到地电位或DC参考电压电平。在两个样本电容器被复位之后，与每一个通道关联的相应的第一开关被关闭，以将每一个样本电容器的两个端子的相应的第二端子连接到第一选定电压。在等待选定的时间间隔之后，打开两个第一开关，并关闭相应的第二开关，以将相应的样本电容器的相应的第一端子中的每一端子连接到相应的第二选定电压。然后，该方法要求通过相应的电压测量电路同时测量相应的样本电容器的相应的第一端子处的相应的电压，然后从两个电压测量电路的输出计算对象的位置。
本发明的再一个方面是，它提供一种用于测量沿着在两个电极之间延伸的感测体的对象的位置的方法，两个电极中的每一个电极都连接到相应的电容测量通道，其中每一个通道都包括相应的样本电容器，该电容器将其两个端子中的第一个端子连接到两个电极中的相应的一个电极，如前面的一段所描述的。然而，在此情况下，每一个样本电容器的第一端子还连接到具有相应的输出的相应的电压测量电路。如在前面的讨论中那样，此方法的每一次迭代开始时，都是将每一个样本电容器复位到相应的选定初始状态，然后，同时关闭相应的第一开关，以将每一个样本电容器的两个端子的相应的第一端子连接到第一选定电压。在等待选定的时间间隔之后，打开两个第一开关，并关闭相应的第二开关，以将相应的样本电容器的相应的第二端子中的每一端子连接到第二选定电压。然后，对于两个通道，使用相应的电压测量电路同时测量相应的样本电容器的相应的第一端子处的相应的电压，然后，使用两个电压测量电路的输出来计算对象的位置。
在本发明的某些实施例中，感测元件是由较多或较少的均质材料制成的矩形或弧形的电阻条带。与条带的每一端的电极进行连接，以便连接到由信号获取和信号处理装置组成的电路。条带通常位于绝缘衬底上，并且足够宽和足够长，以接纳用户的手指或用于检测目的的其他希望的目标。感测场通过衬底扩散，以便衬底的远离电阻条带的一侧可以用作有源的感测表面。在本发明的某些其他实施例中，条带包括多个离散的电阻器，这些电阻器在电极之间串联，以便构成单个的感测位置。这种类型的传感器的最小配置在条带中具有两个电阻器，以及三个感测区域-每一端都有一个，以及两个离散电阻器的连接处有一个。
在此第二个实施例的修改方案中，离散导电电极的尺寸足够小，绝缘衬底足够厚，以允许场混合，这会有效地使位于衬底的感测侧的指示对象的被感测位置“平滑化”。
本发明的某些实施例的目的是提供在条带附近或靠在条带上的对象的位置的一维读数，其中，对象的位置产生沿着条带的电容的变化。
本发明的某些实施例的进一步的目的是提供表示对象的计算位置的编码输出以及提供表示检测到足够的信号的信号，以验证编码输出。本发明的某些实施例的进一步的目的是将编码输出解释为用户对一个或多个离散触摸按钮的选择。
本发明的某些实施例的附加目的是提供沿着条带的材料位移量(例如，液面或活塞延伸)的一维读数。这就增大了沿着条带的分布电容，因为条带的更多部分被覆盖。
虽然可以相信，前面的对特点和优点的列举对于精通本技术的人以及希望了解如何实施本发明的人是有用处的，但是，应该认识到，前述的列举并没有列出全部的特点和优点。此外，还应该注意，本发明的各种实施例可以提供本发明的上文列举的特点和优点的各种组合，某些实施例可以提供某些列举的特点和优点。
附图说明
图1是由电阻片或沉积电阻材料制成的感测条带的简要描述，显示了分布电容以及触点电容。
图2a和2b是显示控制和信号获取电路的相应的优选实施例的简要电路图。
图2c是可与图2a和2b的信号获取电路一起使用的切换布局的另一个实施例的简要电路图。
图2d是在本发明的位置传感设备中使用的阻容网络的简要电路图。
图3a是描述图2a的电路的切换顺序的图表。
图3b是描述图2b的电路的切换顺序的图表。
图4是沿着图1的感测条带的轴接触或靠近的比例结果的图形，其中，两个图中的百分比位移是关联的。
图5是由为增大线性电阻而在Z形图案上沉积的电阻材料制成的感测条带的简要描述。
图6a是由离散电阻器的串联串制成的感测条带的平面示意图。
图6b是图6a的感测条带的侧视图。
图7是由带状电阻器和一串离散电阻器的组合制成的感测条带的简要描述。
图8a是用作液面传感器的电阻性的感测条带的简要描述。
图8b是液面与图8a的传感器的输出关联的图形描述。
图9是基于在充当“滑动片”的可移动活塞附近使用带状传感器的线性变换器的简要描述。
图10a和10b分别是基于使用附近的旋转无接触“滑动片”结合固定圆形电阻性元件的旋转变换器的平面示意图和简要垂直剖面视图。
图11是具有弧形用户控制图形元件的壁灯调光控制器的简要描述。
图12是平板显示器的描述，该平板显示器具有位于LCD显示器上的基本上透明的、水平电容感测条带。
图13是被配置为控制按钮的本发明的一个实施例的简要剖面视图。
图14是与本发明的传感器一起使用的微控制器的简要描述。
图15是另一种感测条带的描述。
具体实施方式
在研究此“具体实施方式”时，通过对在此专利文件中所使用的某些词语的定义进行解释，对读者会有所帮助。每当提供那些定义时，那些精通相关技术的普通人员应该理解，在许多情况下(如果不是在大多数情况下)，这样的定义适用于这样的所定义的词语的现在的用法以及将来的用法。在此“说明书”的开始，可以发现，术语“包括”和“包含”，以及其派生词，表示“包含，但不仅限于”；术语“或”是包含性的，表示“和/或”；“电阻体”可以代表在电容模式下使用的并由导电物质制成的感测条带；词语“手指”或“被感测对象”代表实际人的手指，任何其他有形的附件或代表在元件的附近能够被感测的任何机械对象；词语“接触”代表物理邻近或代表手指与本发明的元件接触，即使在元件和手指之间存在电介质，其中，电介质可以包含固体、液体、气体或自由空间的任何组合；词语“接地”代表电路参考电势或构成了返回到电路参考的阻抗回路的场地，其中，接地不一定是导电的。
一般而言，本发明的传感器10作为比例传感器工作，其工作方式类似于通常在照相机中用于进行距离测量的基于有源-IR的光学三角测量传感器。这样的传感器的一个示例是日本的HamamatsuCorporation制造的Type S1352。在授予Ikari的美国专利4,761,546中描述了类似的设备。在这些类型的传感器中，从线性光电二极管的端部提供两个输出，输出经过处理，以便当复合的总的信号电平超过阈值时，采用输出的比率来确定光点在光电二极管上的位置。比率计结果独立于光点的强度，而其可靠性随着信号强度和信号积分时间而改善。
图1显示了优选的感测布局，其中，将用于执行指示功能的用户的手指头、笔尖或其他被感测对象移到电阻感测条带14的附近，该电阻感测条带14可以粘接到控制面。感测条带可以包含片状电阻器，该电阻器单位长度具有选定的电阻，并具有两个端子或电极18，20。通常连接到接地22的对象12也通过斑点电容(spotcapacitance)24(以下简称为Cx)连接到感测条带14。如下面所讨论的，与邻近相关的斑点电容Cx(由被感应对象在沿着感测条带的斑点或点处施加的电容负载)是主要与测量相关的电参数。感测条带14也通过到其周围的分布电容25(以下简称为Cd)接地。电阻体或感测条带14可以由任何电阻材料制成，包括碳膜、金属膜、铟-锡-氧化物(ITO)或SnO、导电塑料、屏蔽沉积导体、溅射导体，等等，但不仅限于沉积的材料或方法，只要结果是电阻条带、杆、线、弧形或一维、二维或三维的其他合适的形状即可。下面将参考附图的图5-9讨论感测条带的多个具体的配置。杂散电容Cd不必线性地分布，因为由于迭加原理，优选的条带与“块状(lumpy)”电容同样好用。
现在请参看图2a和2b，可以发现通过电极18和20连接到感测条带14的两个优选的测量配置。在每一个描述中，电路都分别包括双通道26、26′和28、28′。每一个优选的通道都包括首次在美国专利6,466,036中公开的那种类型的相应的开关电路，其中，多个开关元件30、32、34、36、38、40中的每一个元件都是“轨道引用的(rail-referenced)”，因为，它的两个端子中的一个端子直接与被表示为Vr的选定的参考电压和电路地22中的某一个相连接。具体参考US 6,466,036的图7，可以理解下面详细讨论的具体实施例，虽然也可以使用其他轨道引用的配置，以及包括通过将当前发明的图2a和2b中的地和Vr互换所产生的那些配置。再一个相关的通道拓扑是图2c中所描述的那一种，相当于US 6,466,036的图9所示的那一种。在下面描述的示范的情况下，通道要么在选定的时间间隔内工作(例如，图2a)或者工作直到转移了选定量的电荷(例如，图2b)。那些熟悉上述的以前的专利的精通本技术的人将认识到，对于通道操作，还有其他可能的选择。两个感测通道26、26′、28、28′同步地工作，以便开关30、32、34(以下分别简称为A、B和C)和36、38、40(以下分别简称为A′、B′、C′)的两个相应的集合以基本上同时的方式进行工作。对于图2a和2b的电路，图3a和3b分别显示了开关转换顺序，其中，开关功能由适当的开关控制器42进行控制，该控制器响应于附图中用符号Φ显示的时钟输入44而起作用。
在图2a中，优选情况下，测量电路46、46′包括相应的模拟-数字转换器(ADC)，虽然相同的功能可以由在两个通道26、26′之间时间多路复用的单一的ADC提供。在任何一种配置中，取在固定持续时间的一个电荷-转移周期的末端的ADC值。在操作此配置时，控制器42同时操纵如图3a所示的开关；在步骤6中测量两个通道样本电容器48、48′(以下分别简称为Cs1和Cs2)上的电压之后，找到通道结果。这些结果在合适的计算装置50(该装置可以是微处理器)中组合，以提供表示指示对象的位置的输出。
在图2b中所描述的配置中，控制器同时操纵如图3b所示的开关。在每一个开关周期之后，使用比较器51、51′来将相应的通道样本电容器Cs1、Cs2上的电压与选定的比较电压Vt进行比较。当任何一个样本电容器获取比较电压时，将获取相应的电容器的该电压所要求的电荷-转移的周期数存储在与相应的电容器关联的计数器52、52′中。随后，将这些值传递到合适的计算装置50，以提供表示指示对象的位置的输出。
开关关闭和打开所需的持续时间通常以纳秒或微秒进行度量，虽然将采样电容器复位所涉及的步骤可以在毫秒范围内。实际或最佳时间取决于具体组件值的选择，包括但不仅限于采样电容器值、开关电阻以及感测条带电阻。例如，一个电阻非常低(如10KOhm)的条带将要求100ns或更低的开关关闭持续时间，以防止电荷通过电阻条带本身从Cs1到Cs2或从Cs2到Cs1的显著的交叉流动。
在传感器操作的初始阶段，例如在通电时，可以从两个通道中获取基线或背景信号的校正读数，以便获得当假定在感测条带的附近没有对象12期间的参考读数。这些读数也可以使用上文所描述的相同的开关顺序来取得。背景信号可以是不对称的，并可以包括从位于沿条带的长度方向的各向异性或“块状”电容累积的电荷。这些信号，只要它们保持恒定，就可以通过减法或其他算术补偿来从随后的样本中去除。一旦进行了校正，只有每一个通道中的微分读数才需要处理，以便计算对象沿着感测条带的位置。此外，信号的背景电平中的缓慢的变化可以通过使用“漂移补偿”方法来进行补偿，该方法慢慢地在非检测的时间间隔内以转换速率受限制的方式调整“参考”电平。
为使用图2b的电路计算对象的位置，根据下列步骤通过计算装置50处理两个传感器读数，其中，实时获得的信号是Sig1和Sig2，基线参考电平分别是Ref1和Ref2：
1)计算δ信号ΔSig1、ΔSig2
ΔSig1＝Ref1-Sig1
ΔSig2＝Ref2-Sig2
2)计算表示位置的比率：
P＝ΔSig2/(ΔSig1+ΔSig2)
其中，值P从条带的第一端18引用，并具有0和1之间的值。
请注意，在使用图2b所示的那种电路时，实时信号Sig1和Sig2始终小于参考值，因为随着条带上的斑点电容的增大，计数器统计的次数越小。这考虑了上述结果的极性，并说明了为什么ΔSig的公式基于(Ref-Sig)而不是(Sig-Ref)。
为检测与条带具有可变距离的对象，只有在总的增量信号强度(ΔSig1+ΔSig2)高于存储的最小阈值的情况下才执行信号处理。优选情况下，此对象检测过程应该包括滞后和过滤，以改善起始检测特征。
以非常类似的方式处理图2a电路的信号结果，只是对于ΔSig的上述公式基于(Sig-Ref)，因为假定信号随着电容比参考电平增大而正向地上升。在任何一种电路中，一个重要因素是值P的无符号的大小。那些精通本技术的人将认识到，有其他简单的数学方法可以获得此值。
对结果的进一步处理可以包括：
将结果分段，以落入特定位置“箱”，用于定义关键区域(如在图12中)；
对P进行信号滤波，以降低位置噪声；或者
“离地(lift off)”检测，从而，检测和处理对象的移除和随后的信号消失，以便允许将最后的接触位置存储在存储器中。
P的值明显地不受对象大小或距离的影响。对于普通的组件，可以容易地表现出2％以内的精度。还演示了通过空气作为介质的检测，其允许创建人和材料位置感测的新的形式。图4中表达了P与位移的线性和范围。当从使用与用于接近检测的通道26、26′、28、28′中的任何一个通道等效的电路并习惯于看见这样的电路对对象接近的响应的高度非线性(例如，指数的倒数)的人的角度来看，这种所演示出的线性有点使人吃惊。还可以进一步指出的是，虽然本发明的优选实施例使用两个测量通道中的两个完全相同的样本电容器，但传感器输出保持线性，尽管如果这两个样本电容器具有不同电容值，响应曲线偏离图4所示的曲线。
虽然本发明的优选实施例使用发明人的上述说明的电荷转移方法来测量电容，但是，也可以配置具有从两种其他电容测量通道(具有匹配的拓扑)的非线性输出得到的线性位置输出的位置传感器，以便允许同步操作。例如，单个电阻-电容(RC)网络具有类似的指数倒数输出。通过测量两个同时操作的RC通道的时间常数的变化，可以使用两个RC通道来测量从对象12的附近到沿着感测条带14的斑点产生的电容变化。例如，在图2d的描述中，控制器50最初控制两个复位开关41a以执行复位步骤，该步骤可以包括将感测条带的两个端子接地。随后，控制器对另一个开关41进行操作，以将两个RC通道29，29a(包括相应的样本电阻器-电容器对45、49和45a、49a)连接到电压源，然后通过相应的模拟-数字电路47、47a测量两个电容器49、49a中的每一个电容器的电压上升，以便将相应的数字测量输出提供到控制器。
对沿着条带14的多个对象或触点的检测将会产生P的一维的“重心”。在每一个点中有相等信号强度的两个触点的简单情况下，值P将反映两个触点的中点。如果一个触点具有较大的电容，值P将沿较大的电容点的方向倾斜。在诸如手指之类的单个延伸的单个对象的情况下，P的值将准确地反映手指触点的中心。这些效果可以通过叠加现象来作出。
对于感测条带的配置有许多不同选择。例如，图5显示了条带14包括位于绝缘衬底58上的电阻材料60的Z形图案。选择此配置，以将条带电阻增大到可使用的级别，同时维持三角形波形状，这提供对于附近对象的线性响应。如前面所指出的，低的条带电阻将导致电荷从Cs1到Cs2以及从Cs2到Cs1的显著流动，这将使所产生的比率结果P衰减。某些材料，特别是，铟-锡-氧化物(ITO)难以处理以便产生高电阻，结果，可以使用增大的跟踪长度和受限制的跟踪宽度的蚀刻的或沉积的图案来取得合适的结果。
还可以根据如图6a和6b所示的集中模型来建立感测条带14，其中，多个离散电阻器60通过对应的离散金属互连电极62的集合来进行串联。这在操作上类似于用均质条带所发现的，但集中版本的位移表示由于明显的原因而更具有颗粒度。当然，通过使串联串中的离散电阻器60的相邻电阻器之间的距离最小化，可使这种颗粒度最小化。例如，如果使用表面安装技术制造感测条带14，相邻的电阻器重叠每一个居间金属化垫片62，并可以放置成在它们之间只有窄的间隙。
这具有允许从诸如离散电阻器之类的普通组件并使用常规的制造方法来制造条带的益处。虽然好像这种类型条带的响应将是“块状的”，事实上，如果导电垫片62刚刚小于指尖(或机械“滑动片”)，结果是平滑的，因为在相邻的垫片之间有效地插入了耦结，如图6中的多重连接的电容器63所描述的。还显示，间隔为5mm的互连的金属化将产生非常平滑的操作，没有可察觉的开坯，给予衬底58可与电极间距相比较的厚度。电介质板可以帮助“混合”邻近的电极的场，由此提供所希望的平滑度。
在某些情况下，极端的块度是令人满意的，例如，当需要创建离散“键”时。图7中描述了这种类型的配置，其中，在图7的左侧显示的多个小的间隔较宽的电阻器60a，与大的同质条带60b组合，以提供同“滑块”区域相结合的离散键。例如，可以在PC监视器控制荧光屏上有离散控制按钮以及连续可变的亮度控制的地方使用这种类型的配置。在实践中，在这样的配置中可以有滑块区域和离散键的任何混合，这些可以接任何选定顺序分布。还可以有如图7所示的块状离散区域的混合，或如图5、6a和6b所示的平滑的离散区域，完全取决于设计人员的意愿。
还可以使用条带14作为液面传感器，如图8a、8b中所描述的那样。如果容器64是空的，则不会(从引用中)检出到δ信号，结果将是P＝0(由于不能满足最小信号要求，而允许算法覆盖)。另一方面，如果容器64充满了液体66，则值P将是0.5，因为电容从整个条带均匀地增大，此效果的平均值为50％。液体量变少，将会产生从0到0.5的范围内的值。液面传感器可以根据需要作为外部箱式传感器或内部“浸量尺”传感器来制造。
在活塞类型的传感器70的情况下，如图9所示，要被检测的对象是活塞72，该活塞72优选情况下与感测表面是分离的。在旋转传感器中，要被检测的对象可以是旋转“滑动片”74，如在图10a中那样，该“滑动片”通过轴76连接到地22。
可以如图11所示的那样，建立壁灯调光器或设备控制，其中，控制面描述了一个弧，也许与诸如一系列LED或分段的LCD显示器之类的柱状图形指示器关联。可以使用合适的图形元件78来显示面板表面16上的触点的位置。
LCD或其他类型的图形显示器可以具有位于控制面16上的一系列透明的ITO电阻条带60b，如图12所描述的。这可以给非常低成本提供有限的垂直分辨率的“触摸屏”。可以处理感测条带的输出，以提供表示离散键的输出，即使感测条带是连续的感测条带(或如图7中的“块状”感测条带)。还可以在键区下面使用这样的结构，以创建非常便宜、有或者没有附近的显示器的控制面板。在键区的情况下，导电条带可以在不透明的面板下面，并在覆盖板上打印了标志，以便面板不一定需要是透明的。
还可以使用本发明来在控制面上创建“虚拟旋转按钮”(图13)，其中，物理旋转按钮80粘接到导电“滑动片”74，该“滑动片”74通过玻璃或塑性表面16进行操作，如此通过密封的表面向感测条带14提供控制方法。滑动片74可以通过任何电介质(如玻璃或塑料)进行操作。旋转按钮可以按机械方式或用磁铁82固定就位，从Platt的美国专利5,920,131可以知道这一点，并可在滑动片的相对的一侧包括垫片电介质83。优选情况下，通过到金属或磁铁82的连接，建立从滑动片74的电容返回路径，从而使用面板本身作为返回电容器电介质允许反回到控制面板内的地的良好耦接。此方案可以有许多变种，包括在周边具有密封的方案，以防止湿气进入。还可以使用人体而不是磁铁82作为触点的地回路路径。这就允许感测电子设备检测由于触点而导致的电容的增大，该触点可以被用来除了位置信号外创建“触点信号”。可以使用“触点信号”来通知设备控制人接近旋转按钮，并且预期有变化。例如，可以使用触点的存在来将设备从睡眠模式中唤醒，或打开指示器，LED等等。
可以使用微控制器90操作整个电路，如图14中所描述的。可以按正确的顺序操纵微控制器90的I/O端口，如图3a、3b所描述的。微控制器的I/O端口针脚通常至少具有在软件控制下实现开关顺序所需要的三个开关。软件可以轻松地实现图2b的电路元件42、50、51、51、52和52′的功能，以及图3a、3b所示的算法。优选情况下，微控制器应该具有推挽式CMOS针脚结构，以及可以充当电压比较器的输入端。大多数普通的微控制器I/O端口都能够实现这一点，因为它们具有相对固定的输入阈值电压以及几乎理想的MOSFET开关。此控制器的输出可以是PWM信号(该信号可以被滤波为模拟形式)，或可以是诸如已知的UART、SPI或I2C格式(或任何其他类型)之类的串行输出。这样的控制器可以继续处理有用的功能，例如控制双向三极管开关，以便进行灯光模糊或电动机控制，在这样的情况下，输出经过高度处理，并且是对应用特定的。
该方法的有用变种是具有连续的非线性感测条带。可以制造条带的“锥体”，以通过提供反向转移功能(该功能线性化电路相对于系统的机械构件的信号输出)来校正机械故障或非线性性。可以使用对数或其他非线性锥体来进行声频增益控制，某种类型的光控制、液面传感器、位置传感器，等等，目标是沿着感测元件的一些区域求解位移比其他区域更多；使用非线性锥体的原因在许多应用领域通常是已知的，这里将不再重复。可以使用如图6或7所示的电阻器，从而以更高精度方便而便宜地创建这样的非线性锥体。通过对厚膜进行激光微调，或通过可变的真空淀积方法，也可以容易地创建这样的锥体。
可以使这里所描述的开关方法适应如美国专利6,466,036中所描述的任何开关顺序和拓扑。然而，优选的方法是这里的图2a、2b和3中所说明的方法。此特定拓扑和开关顺序防护外部噪声和电流泄漏的能力最强，因为当条带本身连接到地或连接到另一种形式的低Z参考时进行信号采样。还可以理解，也可以使用其他电容感测方法。然而，为取得精确的结果，重要的是，在两端18、20上执行的感测方法基本上同步地进行，至少直到涉及电荷注入。例如，可以使用基于正弦波的电路，且为达到正确的结果，两端18和20将用基本上彼此同相的类似的波形进行驱动。这是本发明的一个方面；两端的驱动信号基本上相同并且同相位。如此，可以使最终结果真正地是比例的，如此基本上独立于元件的电阻或杂散电容。
对于那些精通本技术的人显而易见的是，可以有许多变种，涉及这里所具体概述的检测方法或开关顺序的各种组合。该方法可以与许多我的以前的专利中讲述的方法组合，包括使用短路开关关闭时间等等的用于漂移补偿、校正、湿气抑制的方法。
可以修改电路，以便在MEM、转换器、压力传感器、测湿仪、压电-电阻变换器中使用(通过查看当将电容Cd保持相对固定时，感测元件的电阻均匀性随着压力或曲率的变化)，等等。元件的材料成分和制造方法可以为任何类型。可以使用厚膜、导电油墨和油漆、真空淀积的材料、导电聚合物、透明导体，甚至有限容量的导电流体作为元件。可以按任何已知方式对这些材料进行沉积、蚀刻、成形、压制、模压、划线、电镀或打孔，而不仅限于这些方式。对于精通本技术的人员来说，已知的或可知的材料或过程与本发明结合的任何这样的组合都是显而易见的。同样，可以使用任何已知的被感测对象类型，包括但不仅限于，机械手、旋转滑动片、笔尖、活塞、液体、循环球、移动设备的附件或子部件、平滑电介质表面的导电部分，等等，正如已知可以与电阻电位计、现有的电容传感器、LVDT等等一起使用的东西。此外，任何人体或动物体部位也可以用作被感测对象。
图15显示了另一种感测条带14，该条带基于一对逐渐变细的三角形电极91，92，该电极向彼此的附近延伸，它们之间有一个间隙。每一个电极连接到其中一个端子18、20，如在前实施例中那样。如此，感测条带由导电材料构成，而不是在上文所描述的实施例中使用的电阻体。可以使用其他几何形状的锥体。在我以前的美国专利US6,288,707中给出了这些配置类型的更多细节(参见图4、5和6以及相应描述)。
虽然参考多个优选实施例对本发明进行了描述，但是，在不偏离本发明的情况下，可以作出许多更改和改变。相应地，所有这样的更改和修改都被视为在所附的权利要求中所定义的本发明的精神和范围内。

Claims (28)

1、一种用于提供表示沿着在两个电极之间延伸的感测体的位置的输出的电容传感器，在该位置对象邻近感测体，该传感器包括：
两个电容感测通道，每一个通道都连接到相应的一个电极，当对象邻近感测体时，每一个通道都具有表示对由对象施加的电容负载的相应的非线性响应的相应的通道输出；
用于同步地操作两个通道的装置，以及
计算装置，用于从所述两个通道接收相应的输出，用于计算该两个通道的输出的选定的线性组合的比率，该比率随着对象的位置而线性地变化，并用于作为表示位置的输出而提供该比率。
2、根据权利要求1所述的传感器，其中，来自每一个通道的相应的输出包括当对象靠近感测体时测量的相应的第一值以及当对象远离感测体时测量的相应的第二值之间的代数差。
3、根据权利要求1或2所述的传感器，其中，对象电容地耦接到地。
4、根据权利要求1、2或3所述的传感器，其中，每一个感应通道都包括：
具有两个端子的相应的样本电容器，其中一个端子通过不包括电子开关元件的装置连接到关联的电极；
三个电子开关元件，该三个开关元件中的每一个都具有单个相应的关闭状态，用于将相应的样本电容器的其中一个端子只连接到两个不同的参考电压中的一个，相应的开关元件中的每一个进一步具有相应的打开状态，在该状态下，不将相应的一个端子连接到两个参考电压中的任何一个；以及
相应的测量电路，用于响应于相应的样本电容器的选定的一个端处中的电压测量而提供相应的通道输出。
5、根据权利要求1、2或3所述的传感器，进一步包括多个电子开关元件，其中，每一个感应通道都包括：
具有两个端子的相应的样本电容器，其中一个端子通过不包括其中一个电子开关元件的装置连接到相应的电极；
多个电子开关元件中的至少一个相应的电子开关元件用于通过将其两个端子都连接到第一选定的参考电压来将该相应的样本电容器复位；以及
多个开关元件中的至少两个附加的相应的开关元件用于交替地将相应的样本电容器的两个端子中的一个端子转换到第一选定的参考电压，并将两个端子中的第二个端子转换到第二选定的参考电压。
6、根据权利要求1、2或3的传感器，其中：
每一个通道都包括相应的电阻器-电容器对，以及用于测量关联的电极处的参数变化的装置；
用于同步地操作所述两个通道的装置包括控制器，该控制器用于控制至少三个电子开关元件；其中
该至少三个电子开关元件中的两个可通过该控制器进行操作，以同时将两个电极中的两个都连接到第一参考电压；以及其中
该至少三个电子开关元件中的至少第三电子开关元件可被操作，以同时将第二参考电压连接到每一个电阻器-电容器对。
7、根据前面的权利要求中的任何一个权利要求所述的传感器，其中，每一个通道都包括样本电容器，其电压随着电容负载以指数倒数的方式上升。
8、根据前面的权利要求中的任何一个权利要求所述的传感器，其中，所述计算装置包括微控制器，以及，用于同步地操作所述通道的装置包括由微控制器控制的多个开关元件。
9、根据权利要求1到8中的任何一个权利要求所述的传感器，其中，所述感测体包括两个导电材料的条带，该条带向彼此的附近延伸，它们之间有一个间隙，其中，至少一个条带沿着其长度方向逐渐变细。
10、根据权利要求1到8中的任何一个权利要求所述的传感器，其中，所述感测体包括单个电阻器。
11、根据权利要求1到8中的任何一个权利要求所述的传感器，其中，所述感测体包括多个串联的离散电阻器。
12、根据前面的权利要求中的任何一个权利要求所述的传感器，其中，选定的组合是线性组合，以便所述比率随着对象的位置而线性地变化。
13、一种用于感测对象沿着在两个电极之间延伸的感测体的位置的电容传感器，该传感器包括：
分别连接到两个电极的两个感应通道，每一个感应通道都包括：
具有两个端子的相应的样本电容器，其中一个端子通过不包括电子开关元件的装置连接到关联的电极；
三个电子开关元件，该三个开关元件中的每一个都具有单个相应的关闭状态，用于将相应的样本电容器的其中一个端子只连接到两个不同的参考电压中的一个，所述相应的开关元件中的每一个进一步具有相应的打开状态，在该状态下，不将相应的一个端子连接到两个参考电压中的任何一个；以及
相应的测量电路，用于响应于相应的样本电容器的选定的一个端子处的电压测量而提供输出；
开关控制器，用于有选择地打开和关闭所述开关元件；以及
用于从两个测量电路的相应的输出计算对象的位置的装置。
14、根据权利要求13所述的传感器，其中，用于计算对象的位置的装置包括微控制器。
15、根据权利要求13或14所述的传感器，进一步包括这样一种装置，其用于对来自两个测量电路的相应的输出进行求和，并且如果该和超过所存储的最小阈值，则提供检测输出。
16、根据权利要求13、14或15所述的传感器，其中，感测体包括单个电阻器。
17、根据权利要求13、14或15所述的传感器，其中，感测体包括多个串联连接的离散电阻器。
18、一种用于感测对象沿着在两个电极之间延伸的感测体的位置的电容传感器，该传感器包括：
开关控制器，用于有选择地关闭多个电子开关元件中的某些元件；
两个感测通道，这些通道具有来自各电极的相应的输入并具有来自各相应的关联测量电路的相应的输出，其中每一个感测通道都包括
具有两个端子的相应的样本电容器，其中一个端子通过不包括其中一个所述电子开关元件的装置连接到相应的电极；
所述多个电子开关元件中的至少一个相应的电子开关元件用于通过将其两个端子都连接到第一选定的参考电压来将相应的样本电容器复位；
所述多个开关元件中的至少两个附加的相应的开关元件用于交替地将相应的样本电容器的两个端子中的一个端子转换到第一选定的参考电压，并将两个端子中的第二个端子转换到第二选定的参考电压；以及
用于从两个测量电路的相应的输出计算对象的位置的装置。
19、根据权利要求18所述的传感器，其中，用于计算对象的位置的装置包括微控制器。
20、根据权利要求18或19所述的传感器，进一步包括这样一种装置，其用于对来自两个测量电路的相应的输出进行求和，并且如果该和超过选定的最小阈值，则提供检测输出。
21、根据权利要求18、19或20中的任何一个权利要求所述的传感器，其中，所述感测体包括两个导电材料的条带，该条带向彼此的附近延伸，它们之间有一个间隙，其中，至少一个条带沿着其长度方向逐渐变细。
22、根据权利要求18、19或20所述的传感器，其中，所述感测体包括单个电阻器。
23、根据权利要求18、19或20所述的传感器，其中，所述感测体包括多个串联的离散电阻器。
24、一种用于测量对象沿着在两个电极之间延伸的感测体的位置的方法，该两个电极中的每一个电极都连接到相应的电容感测通道，其中每一个通道都包括相应的样本电容器，该电容器将其两个端子中的一个端子连接到该两个电极中相应的一个电极，每一个通道都进一步包括相应的测量电路，该测量电路具有相应的输出，该相应的测量电路连接到相应的样本电容器的两个端子中选定一个端子，该方法包括下列按顺序执行的步骤：
a)将每一个样本电容器复位到相应的选定初始状态；
b)同时关闭相应的第一开关，其中每一个第一开关都分别只与其中一个通道关联，以便将每一个样本电容器的相应的选定的端子连接到第一选定电压；
d)等待选定的时间间隔，然后同时打开两个第一开关；
e)关闭相应的第二开关，以将相应的样本电容器的不是相应的选定端子的每一个端子连接到相应的第二选定电压；
f)对于每一个通道，通过相应的测量电路测量相应的样本电容器的相应选定端子处的相应的电压；以及
g)从该两个测量电路的输出计算对象的位置。
25、根据权利要求24所述的方法，其中，计算对象的位置的步骤包括从两个测量电路的输出计算比率。
26、根据权利要求24或25所述的方法，进一步包括根据两个测量电路的输出判断检测状态指示的附加步骤。
27、根据权利要求24、25或26所述的方法，其中，在计算对象的位置之前，重复至少步骤b)到e)选定的次数。
28、根据权利要求24到27中任何一个权利要求所述的方法，其中，每一个测量电路都包括相应的计数器。
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