[发明专利]使用自电容的位置感测设备和方法

说明书

本发明提出了一种使用自电容的位置感测设备和方法。电容性位置传感器包括在被屏蔽电极部分地包围的信号电极附近的可移动目标、电容‑数字转换器和用于将屏蔽电极和每个信号电极连接到转换器的输入或接地的开关。针对不同的开关设置来测量转换器的输入自电容，并根据所述测量计算信号电极和目标之间的互电容，并可以根据所述互电容得到目标的位置。电极到电极的互电容(对污染加以表示)也可根据测量计算得到。在优选实施例中，传感器使用增量位置传感器的刻度尺作为其目标，以便通过刻度尺的移动来检测位置，由此使得能够在大于增量传感器的间距的范围上进行绝对位置确定。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年3月21日递交的美国临时专利申请No.61/968,456的优先权，将其全部公开内容一并在此用作参考。

技术领域

本发明涉及基于对电极自电容的测量的电容性位置感测设备和方法。

背景技术

现有的电容性位置传感器直接测量可相对移动的电极之间的互电容，以避免或至少减少寄生电容的影响。ASIC(专用集成电路)一直是实现这种传感器的唯一方法，但只有一些应用(比如数字卡尺和水平仪)有足够大的市场来承受ASIC的高研发成本。

近期，出现了集成有电容性触摸感测电子器件的大规模生产的微控制器。它们同样可以用于除了触摸检测之外的位置感测应用。例如，Ross Jr.等人的美国专利7,997,132公开了用于通过连接到“通常与触摸屏显示器相关联的集成芯片”的一个或多个“天线探头”来感测位置或液位的电容性传感器组件。

这些微控制器感测电极的自电容，适用于键盘触摸检测。然而，对感测对象的电容只是电极的自电容的一部分，寄生电容(主要来自互连)构成其余部分。因此，这一寄生电容的贡献(以及其随污染(比如水分和凝结)的漂移)必须被消除。这通常是通过在不进行触摸的情况下监测电容并且保持触摸检测阈值刚好在其之上来完成的。尽管如此，针对位置感测，也需要其它的方式。一种明显的方式是降低寄生电容，但存在如下限制：在例如印刷电路板上，大多数寄生电容是通过衬底(其介电常数通常是空气的4到5倍)的，并强烈地随温度、水分吸收和凝结发生变化。

一种用于移除寄生电容的效果的熟知且有效的方法是使用由单位增益缓冲器(其输入与电极连接)驱动的屏蔽罩来围绕电极：通过零屏蔽罩-电极电压以及通过所提供的屏蔽实际消除了耦合。Vranish等人的美国专利5,166,679公开了由以相同电压驱动的屏蔽罩支持的电容性邻近感测元件。Vranish等人的美国专利5,214,388公开了由公共屏蔽罩支持的多个感测元件，其中具有将所有感测元件电压调整到屏蔽罩电压的电路：这将元件之间的互耦减小至可忽略的水平，从而可以同时感测所有元件。在以Motorola MC33794和Freescale MC33941为示例的“电场成像设备”集成电路族中使用了更为简单的方式：复用器每次将一个电极切换到电容感测电路以及驱动屏蔽罩输出的单位增益缓冲器，而同时保持其余电极接地。由于这并不涉及电极之间的互耦，所以数据表(datasheet)建议每个电极使用一个同轴电缆并且将所有屏蔽罩连接到屏蔽罩输出。与微控制器不同的是，这些集成电路是不可编程的。

通常，单位增益缓冲器和复用器并不集成于集成了触摸感测的微控制器中，从而它们将不得不被添加到电路。不管是集成还是外部添加，与不具有屏蔽罩驱动输出的简单触摸感测微控制器相比，使用输出电压跟随输入电压所需的带宽和转换速率来驱动电容性负载的单位增益缓冲器需要高得多的电源电流。

最后，电容性位置传感器的常见缺陷是难以监测污染(其大多数情况下只有在被测电容或其改变超出某一阈值时才可被检测到)。由于传感器极有可能远在达到阈值之前就变得不可依靠，所以警告将过于迟晚。

发明内容

本发明的一个目标是克服现有技术中的电容性位置感测设备或方法的缺陷。