用于物体的电容位置检测的传感器布置的制作方法

1.本发明涉及一种用于物体的电容位置检测的传感器布置。


背景技术：

2.电容检测如今广泛用于各种应用。总体而言，电容检测基于用传感器电极生成电场，并通过物体或人对电场的影响来检测物体或人的存在。大多数情况下，这种对电场的影响对应于传感器电极和地之间或两个传感器电极之间的复阻抗的变化。在一些情况下，保护电极用于在一侧屏蔽传感器电极。在操作期间，保护电极理想地具有与传感器电极相同的电位，因此这两个电极之间的空间没有电场。这种电容检测的示例包括方向盘上的手部检测和车辆座椅的占用检测。在现代车辆中，方向盘以及车辆座椅可能配备有电加热元件，以便增加用户的舒适度。为了高效地工作，加热元件和传感器电极通常需要安装在相似的位置，例如，相对靠近方向盘、车辆座椅等的表面下方。
3.在紧密条件下在加热元件附近安装至少一个传感器电极和可选地一个保护电极可能是困难的，因此导致组装时间和成本增加。降低设计复杂度的一种选择是将加热元件用作传感器电极或保护电极。这对应于同一级别的加热电路和电容测量电路的组合，这是非常划算。为了改善舒适度、集成度和传感器成本，在感测和保护之间的厚度被减小，这会导致两个电极之间的电容相当大，大约为1nf-20nf。在这种情况下，在施加到传感器电极的信号和施加到保护电极的信号之间的任何电压差都会导致电容测量不准确。
4.当加热元件是电容感测系统的一部分时，它与电源间歇性地去耦以便不干扰测量电路的操作。这可以通过使用开关和用于该开关的控制器将电源和加热元件连接和断开连接来完成。出于成本和效率的原因，这通常使用高边和低边开关mosfet来实现，以分别将加热元件与电源和接地断开连接。
5.如果跨(高边或低边)开关的电压不稳定，则处于关断(off)状态的mosfet的相对大的输出电容可能导致加热元件和地电位之间的不期望的且变化的阻抗。当加热元件用作传感器电极时，这些变化的阻抗直接影响电容测量性能，而且如果加热元件用作保护电极也是如此，例如，如果在传感器电极和加热元件之间的隔离电容很大和/或如果保护驱动器电路以及因此保护电压对负载变化敏感。
6.另一问题在于，虽然在电容感测期间高边和低边mosfet是打开的，但是如果电源电压下降到由测量电路施加到加热元件的电压之下，则加热元件仍然可以通过低阻抗mosfet的本征体二极管dc耦合到电源，因此正向偏置相应的mosfet体二极管。
7.在一些环境中，例如在汽车应用中，可能会发生短的负电压脉冲或电源微中断。对于在这些电气事件期间应保持完全功能的任何系统来说，这可能是一个问题，因为电源瞬变可能会通过分别干扰提供给加热元件的感测或保护信号和/或通过使电容检测设备过载来影响电容测量系统。此外，如果开关mosfet超过其最大结温，则电池反极性条件也可能损坏开关mosfet。


技术实现要素：

8.因此，本发明的一个目的是提高利用加热器元件作为电极的电容检测的准确度。
9.该问题通过根据权利要求1所述的传感器布置来解决。
10.发明概述
11.本发明提供了一种用于物体的电容检测的传感器布置。传感器布置被设计用于检测物体(例如，人或人的身体部位)的存在，并且可能还检测物体的位置和/或对物体进行分类。传感器布置被设计用于电容检测，这意味着物体的检测基于测量电容或相应地依赖于电容的量。
12.传感器布置包括电极布置，该电极布置包括加热元件作为电极。电气布置可以包括单个电极或多个电极。应当理解，至少一个电极是如下所述的传感器电极。传感器布置的一个(也可能是唯一的)电极是加热元件。该加热元件可以用于电加热，即当加热电流流过加热元件时，由于加热元件的电阻而生成热量。加热元件和其他电极(如果存在的话)的形状和尺寸不限于本发明范围内。电极可以由任何种类的导电材料制成，例如，金属片、金属线、导电箔等。在一些实施例中，传感器电极可以由柔性材料制成。
13.传感器布置还包括检测设备，该检测设备适于将检测信号施加到电极布置的传感器电极并且电容地检测传感器电极附近物体的存在。术语“检测设备”不应以任何限制方式解释为物理配置。例如，检测设备可以包括多个物理上隔开的组件，这些组件可以不连接或者无线或有线连接。检测设备的至少一些方面可以是软件实现的。检测设备适于将检测信号施加到电极布置的传感器电极，这意味着检测设备连接到(即，电连接到)传感器电极。此处和下文中的“电连接”包括两个元件不导电连接而例如经由电容器仅电容连接或传导连接的可能性。检测信号通常是ac信号，但它可以可选地包括dc分量。检测信号的形状不受限制，例如，可以是正弦、矩形或三角形信号。通常，检测信号是施加到传感器电极的电压信号，导致在传感器电极和地之间(或可能在两个传感器电极之间)产生电场。该电场会受到传感器电极附近的物体的影响。换言之，与传感器电极相关联的电容发生变化。这进而影响传感器电极的阻抗，并因此影响施加到传感器电极的电压与流过其中的电流之间的关系。本领域已知有多种方法可以基于电压和电流之间的幅度关系和/或相位差来识别和可能分类物体。检测设备适于电容性地检测物体，这包括物体可以被另外分类的可能性。更具体地，检测设备可以包括适于施加检测信号并检测物体的存在的测量电路。
14.传感器布置的高边开关连接在具有第一电位的加热电源和加热元件之间。加热电源通常是电压源，其在理想情况下提供相当稳定的dc电位。然而，在许多应用中，例如，在汽车系统中，相应的电位受到波动的影响，即，ac分量，甚至可能会出现暂时的极性反转。优选地，第一电位至少大部分时间是正的。高边开关连接在加热电源和加热元件之间，即，它分别(直接或间接)连接到加热电源和加热元件。高边开关具有两种开关状态，其可以称为闭合状态和打开状态或开启(on)状态和关闭(off)状态。
15.此外，传感器布置的低边开关连接在加热元件和第二电位之间。如术语“高边开关”和“低边开关”所指示的，第一电位通常高于第二电位。特别地，第二电位可以是地，即，地电位。优选地，低边开关永久地连接到加热元件和第二电位，即，没有可以中断电连接的、插入的附加开关。该连接通常是dc连接并且可以是直接连接，但是可以设想在一方面的低边开关和另一方面的加热元件和/或第二电位之间插入诸如电阻器的无源元件。高边开关
也有两种开关状态，其可以称为闭合状态和打开状态或开启(on)状态和关闭(off)状态。
16.传感器布置还包括栅极控制器，其适于在加热模式下闭合高边开关和低边开关，并且在检测模式下打开高边开关和低边开关。在加热模式下，上述开关闭合，并且加热元件连接在第一电位和第二电位之间，从而加热电流流过加热元件。在也可称为测量模式的检测模式下，开关打开以中断加热电流。在检测模式期间，加热元件用作用于或至少促进上述物体的电容检测的电极。通常，加热模式和检测模式交替执行。在许多应用中，如果仅以特定(恒定或变化)间隔执行检测就足够了，例如，每秒或每几秒钟持续几毫秒，而加热可以或多或少地连续进行，因检测模式而短暂中断。检测模式和加热模式的定时可以由检测设备、栅极控制器或一些其他设备控制。通常，检测设备的操作在加热模式期间被中断。与检测类似，栅极控制器设备可以包括多个物理上间隔开的组件，这些组件可以不连接或无线或有线连接。栅极控制器的至少一些方面可以是软件实现的。
17.检测布置还包括去耦电路。去耦电路还可以包括多个物理上间隔开的组件，这些组件可以不连接或无线或有线连接。虽然这通常是不必要的，但去耦电路的一些方面可以是软件实现的。去耦电路包括连接在高边开关和加热元件之间的去耦mosfet，其中栅极控制器适于在加热模式下闭合去耦mosfet，并且在检测模式下打开去耦mosfet。术语“去耦mosfet”仅表示相应mosfet的功能，而不应以任何限制方式解释。该mosfet(直接或间接)连接到高边开关和加热元件。去耦mosfet的源极和漏极之一连接到高边开关，而另一个直接或经由至少一个中间元件间接连接到加热元件。通常，相应连接是直接连接。栅极控制器也(至少间接地)连接到去耦mosfet，更具体地，连接到去耦mosfet的栅极。栅极控制器在加热模式下闭合mosfet，并且在检测模式下打开mosfet，这通常与高边开关和低边开关同时进行。
18.此外，去耦电路适于在检测模式期间在第一节点处主动提供第三电位，该第一节点连接在高边开关和去耦mosfet之间。第三电位是dc电位并且优选地在检测模式期间稳定，例如，因为它偏离平均值小于0.5v、小于0.1v、小于0.05v或小于0.01v。优选的稳定性也可以取决于应用。如果将加热元件用作如下所述的保护电极，则与平均值的偏离可能在数百mv的范围内，而如果将加热元件用作传感器电极，则偏离应该更低，例如，低于10mv。此外，该第三电位优选地独立于第一电位(和第二电位，如果与接地不同)，使得第一(或第二)电位的可能波动不影响第三电位。因此，在检测模式期间，跨去耦mosfet的电压在很大程度上独立于由加热电源提供的第一电位。如果第一电位受到任何种类的波动影响，则这是非常有益的。需要注意的是，在检测模式下，在高边开关和去耦mosfet打开的情况下，第一节点通常与加热电源和加热元件dc去耦。因此，跨去耦mosfet的电压可以被或多或少视为恒定。这也由栅极控制器向去耦mosfet的栅极施加的至少近似恒定的电位支持。因此，与去耦mosfet相关联的电容，特别是其在栅极和源极之间的输入电容(也称为栅极-源极电容c
gs
)以及其在漏极和源极之间的输出电容(也称为漏极-源极电容c
ds
)是稳定的，并且减少了(变化的)对加热器电极的负载影响，因此减少了对检测设备检测到的总电容的影响。
19.根据一个实施例，加热元件是电极布置的保护电极。在这种情况下，电气布置包括至少一个传感器电极和由加热元件提供的保护电极。保护电极可以连接到保护驱动器，该保护驱动器可以像上述测量电路一样是检测设备的一部分。无论哪种方式，保护电极的电位必须在任何时候都与传感器电极的电位相同，或者这些电位之间的任何差都应尽可能
小。可以理解，保护电极的作用是防止在传感器电极与保护电极之间生成电场，从而使传感器电极在保护电极的方向上不敏感。保护电极也可以称为屏蔽电极。
20.加热元件也可以是电极布置的传感器电极。在该实施例中，电气布置还可以包括保护电极。这通常是只连接到检测设备的专用电极。然而，保护电极也可以是(第二)加热元件，其可以连接在相同的高边开关和低边开关之间或两个单独开关之间。在加热模式期间，两个加热元件可以连接到同一加热电源，例如，在第一电位和第二电位之间并联连接，而在感测模式期间，它们与第一电位和第二电位断开连接并分别作为传感器电极和保护电极单独操作。应当注意，保护电极和传感器电极的高效操作通常需要堆叠布置，这可能难以用两个加热元件实现。
21.本发明的传感器布置有多种可设想的应用。根据一个优选实施例，传感器布置适用于交通工具方向盘上的手部检测，交通工具通常是陆地交通工具，如汽车。然而，也可以设想应用于其他交通工具，例如，海上或空中交通工具。在这样的实施例中，电极布置的至少一个电极设置在方向盘的表面下方，由此可以检测用户的手，并且可选地检测手的位置。通常，至少一个电极设置在形成方向盘的物理表面的一些隔离衬里下方，该物理表面被设计为被用户触摸。作为电极布置的一个电极的加热元件当然设置在方向盘的表面下方。如果传感器布置包括传感器电极和保护电极，则传感器电极通常设置得更靠近表面，即，在保护电极上方。传感器布置的其他组件(检测设备、栅极控制器等)可以设置在方向盘中或其外部。应当注意，方向盘可以设置有多于一种本发明的传感器布置(如果这被认为是有利的)。
22.根据另一实施例，传感器布置适用于车辆座椅的占用检测。至少一个电极可以设置在车辆座椅的座椅部分或靠背中。相应的电极可以设置在座垫的下方或内部。同样，传感器布置的一些组件可以设置在车辆座椅的外部或内部，例如，靠近至少一个电极。在该实施例中，传感器布置适于检测车辆座椅上的乘员，其可选地包括将乘员与有生命的物体区分开和/或将成人与儿童区分开的可能性。同样，车辆座椅可以设置有多于一种本发明的传感器布置。
23.根据一个实施例，高边开关和低边开关中的至少一个包括开关mosfet。特别地，相应的开关可以是开关mosfet。在该上下文中，术语“开关mosfet”仅用于与上述去耦mosfet区分开，并且在一些实施例中，这些mosfet甚至可以是相同类型的。在典型实施例中，高边开关是第一开关mosfet，而低边开关是第二开关mosfet。通常，相应开关mosfet的漏极(直接或间接)连接到第一电位，而源极连接到第二电位。相应开关mosfet的栅极连接到栅极控制器，从而控制源极和漏极之间的阻抗。两个开关mosfet都可以是n沟道mosfet，但至少一个开关mosfet也可以是p沟道mosfet。
24.优选地，去耦mosfet的体二极管具有与高边开关和低边开关的体二极管的正向相反的正向。如本领域所已知的，每个mosfet可以通过在源极和漏极之间形成的体二极管或本征二极管来表征。在这个实施例中，开关通常是包括这种体二极管的开关mosfet。连接相应的开关mosfet，使得其体二极管的正向从第二电位朝向第一电位定向。换言之，在第一电位高于第二电位的情况下，相应的体二极管在阻断方向上操作。然而，去耦mosfet的体二极管的正向与开关mosfet的体二极管的方向相反。因此，如果发生第一电压源的负电压瞬变，即，如果第一电位暂时低于第二电位，则开关mosfet的体二极管沿正向操作，而去耦mosfet
的体二极管沿阻断方向操作，这有效抑制负电压瞬变对加热元件的任何影响。取决于应用，负电压瞬变可能不太可能或不可能。在这种情况下，所有三个体二极管的正向可以相同。
25.根据一个实施例，去耦mosfet是n沟道mosfet。通常，漏极(直接或间接)连接到加热元件，而源极连接到第一节点，以便实现体二极管的上述相反定向。替代地，去耦mosfet可以是p沟道mosfet。在这种情况下，漏极通常(直接或间接)连接到第一节点，而源极连接到加热元件。如果使用n沟道mosfet，这通常需要更复杂的栅极控制器，而另一方面，并且n沟道mosfet通常会导致加热元件和第一节点之间的输出电容较低。这是因为对于类似的电流特性，n沟道mosfet通常小于p沟道mosfet。
26.如何在第一节点处可以提供第三电位存在多种可能性。根据一个实施例，第一节点经由第一电阻元件连接到第一dc电压源。第一电阻元件具有电阻并且通常是电阻器或电阻器的组合。第一dc电压源适于至少在检测模式期间提供dc电压，然后在第一节点处产生稳定的第三电位。应当注意，由于在第一电阻元件处的电压降，第三电位可能与由第一电压源提供的电压不同。不过，大多数情况下，这种电压降是无关的，并且可以忽略不计。
27.优选地，第一节点ac接地。特别地，第一节点可以经由电容元件接地。电容元件具有电容，通常不伴有电阻和/或电感或仅伴有可忽略的电阻和/或电感。电容元件可以是电容器。本实施例极大地有助于稳定第三电位。特别地，第一电位的任何瞬态变化(对应于在第一电位和第二电位之间的电压的ac分量)可以很大程度上被该ac接地吸收。
28.此外，去耦电路可以适于在检测模式期间主动地向在加热元件和低边开关之间的第二节点提供第四电位。该第四电位优选地是稳定的，例如，因为它偏离平均值小于0.5v、小于0.1v、小于0.05v或小于0.01v。优选的稳定性也可以取决于应用。如果将加热元件用作保护电极，则与平均值的偏离可能在数百mv范围内，而如果将加热元件用作传感器电极，则偏离应更小，例如，低于10mv。第二节点在加热元件和低边开关之间，即，串联在这两个元件之间。通常，第二节点直接连接到低边开关，因此它还定义了低边开关的端子处的电位，通常是开关mosfet的漏极处的电位。因此，低边开关(mosfet)连接在第四电位(通常在漏极处)、第二电位(通常在源极处)和由栅极控制器提供的电位(在栅极处)之间。在第四电位和栅极处的电位相当稳定的情况下，低边开关(mosfet)的输出电容也稳定。
29.根据优选实施例，提供第四电位，因为第二节点经由第二电阻元件连接到第二dc电压源。与第一电阻元件类似，第二电阻元件具有电阻并且通常是电阻器或电阻器的组合。第二dc电压源适于至少在检测模式期间提供dc电压，然后在第二节点处产生稳定的第四电位。应当注意，由于第二电阻元件处的电压降，第四电位可能与第二电压源提供的电压不同。
30.栅极控制器可以经由第三电阻元件连接到去耦mosfet。与第一电阻元件和第二电阻元件一样，第三电阻元件具有电阻并且通常是电阻器或电阻器的组合。更具体地，第三电阻元件连接在栅极控制器和去耦mosfet的栅极之间。第三电阻元件的功能是限制去耦mosfet的输入电容负载的影响。
31.根据一个实施例，去耦电路适于提供第三电位和第四电位，使得去耦mosfet和低边开关的至少一个体二极管在检测模式下被反向偏置。例如，如果去耦mosfet是p沟道mosfet，其源极连接到加热元件，则在检测模式期间第三电位需要低于第四电位，以便反向偏置相应的体二极管。相应地，如果低边开关是n沟道mosfet，其漏极连接到加热元件，则在
检测模式期间第三电位需要低于第四电位，以便反向偏置相应的体二极管。
附图说明
32.本发明的进一步细节和优点将从以下参照附图对非限制性实施例的详细描述中显现，其中：
33.图1是本发明传感器布置的第一实施例的示意图；
34.图2是本发明传感器布置的第二实施例的示意图；以及
35.图3是本发明传感器布置的第三实施例的示意图。
具体实施方式
36.图1示出了本发明传感器布置1的第一实施例，其可以用于方向盘上的手部检测或车辆座椅上的占用检测。检测设备10连接到电极布置20，该电极布置20包括传感器电极21和保护电极22。保护电极22是通过经由去耦电路60和两个开关mosfet连接到加热电源2(例如，车辆的电池)的加热元件，加热电源2提供第一电位v1和第二电位(在该情况下为地)。检测设备10的传感器电路11经由第一电容器13连接到传感器电极21。在传感器布置1的检测模式中，传感器电路11将周期性检测信号施加到传感器电极21，这引起传感器电极21和地之间的电场。在传感器电极21和地之间的复阻抗3受到物体100的存在的影响，因此可以是由传感器电路11引出的电容性。保护驱动器12通过第二电容器14连接到保护电极22。在检测模式期间，保护驱动器12应该施加与检测信号相同的周期性保护信号，使得传感器电极21和保护电极22始终具有相同的电位。然而，如果电极21、22具有不同的电位，则它们之间的隔离电容23会显著影响电容测量。保护电极22上的周期信号的任何干扰都会导致传感器电极21和保护电极22之间的(周期)电位，从而导致通过隔离电容23的寄生周期电流。这将导致确定未知阻抗3中的错误。
37.加热元件4通过高边开关mosfet 30和低边开关mosfet 40分别连接到加热电源2和地。栅极控制器50控制开关mosfet 30、40以在加热模式期间将加热元件4连接到电源2和地，并且在检测模式期间将加热元件4与电源2和地断开连接。
38.去耦电路60包括去耦mosfet 70，其也由栅极控制器50控制并放置在高边开关30和加热元件4之间的适当方向上。适当方向是指去耦mosfet 70的体二极管72具有相对于高边开关30和低边开关40的体二极管32、42相反的方向。在检测模式期间，高边开关30和mosfet 70被关掉。由于mosfet 30、70的dc阻抗非常高，因此在高边开关mosfet 30和去耦mosfet 70之间的第一节点61然后从电源2和加热元件4dc去耦。第一节点61通过第三电容器64ac接地，防止电源瞬态电压通过高边开关mosfet 30和去耦mosfet 70的输出电容31、71耦合到加热元件4。第一节点61的第三电位v2由第一dc电压源62和第一电阻器63固定。
39.类似地，在加热器元件4和低边开关mosfet 40之间的第二节点65的第四电位v3由第二dc电压源66和第二电阻器67提供。跨去耦mosfet 70的电压因此是恒定的并且对电源2的变化不太敏感。这保护了加热元件4(即，保护电极22)免受由于输出电容71(即，c
sd
)对跨去耦mosfet70的电压变化的敏感性引起的动态电容负载变化的影响。跨去耦mosfet 70的输入电容73(即，c
gs
)的dc电压也由栅极控制器50固定，并且输入电容73的负载的影响受到设置在栅极控制器50和去耦mosfet 70的栅极之间的第三电阻器68的限制。通常，开关
mosfet 30、40的输出和输入电容呈现包括在几百pf和几nf之间的值。第二节点65的dc偏置也限制了低边开关mosfet 40的输出电容41的变化。
40.由于去耦mosfet 70的放置，其体二极管72防止电源2负电压瞬变通过高边开关mosfet 30和低边开关mosfet 40的本征体二极管32、42到达加热元件4。这防止了保护驱动器12的过载或施加到加热元件4的周期性保护信号的干扰。电阻63、67和dc电压源62、66向节点61、65提供dc电位v2、v3以反向偏置低边开关mosfet 40和去耦mosfet 70的体二极管42、72，使得它们在检测模式期间不能传导。
41.在加热期间，去耦mosfet 70由栅极控制器50接通，并且由于去耦mosfet 70的小阻抗(即，r
dson
)，加热功率损失受到限制。
42.在图1中，去耦mosfet 70被表示为p沟道mosfet。然而，也可以使用n沟道mosfet，其源极连接到节点61并且其漏极连接到加热元件4。在这种情况下，栅极控制器50将必须稍微更复杂一些才能在负电源事件(即，第一电位v1的极性的时间反转，例如，其可以作为车辆电源网络中特性噪声的一部分出现)期间关断mosfet 70。在另一方面，使用n沟道mosfet导致加热元件4和第一节点61之间的更低的输出电容71，因为对于相似的电流特性，n沟道mosfet的尺寸小于p沟道mosfet的尺寸。
43.图2示出了本发明传感器布置1的第二实施例，其与第一实施例基本相同，因此将不再进行解释。这里，加热元件4在检测模式期间用作传感器电极21。虽然图2中没有示出，但传感器布置1还可以包括连接到保护驱动器12的保护电极22。在这种配置中，mosfet 30、40、70的寄生输出电容31、41、71将相对大的寄生电容偏移引入到未知阻抗3的测量中。
44.优选地，这种配置可以例如当物体100的分类可以通过检测未知阻抗3的相对快速变化来执行时，用于座位占用检测，例如，利用阻抗3的测量的适当自适应基线(即，可以使用具有基线特征的自适应算法，该算法评估电容测量值并确定电容测量应区分的不同类别)。在这种情况下，检测不应对与温度效应相关的相对慢的寄生阻抗变化敏感。如已经解释的，去耦mosfet 70可以是p沟道mosfet或n沟道mosfet。
45.图3示出了本发明传感器布置1的第三实施例，其中去耦mosfet 70是n沟道mosfet，其体二极管72具有与开关mosfet 30、40的体二极管32、42相同的正向。由于它不提供反向电压保护，因此该配置将优选用于对负电源瞬变不敏感的系统或在加热电源2前面已经提供反向电压保护的系统中。这种配置提供了加热元件电路的高边部分与电源2的类似去耦。去耦mosfet 70可以是p沟道mosfet或n沟道mosfet。
46.附图标记列表
47.1传感器布置
48.2加热电源
49.3阻抗
50.10检测设备
51.11传感器电路
52.12保护驱动器
53.13、14、64电容器
54.20电极布置
55.21传感器电极
56.22保护电极
57.23隔离电容
58.30、40开关mosfet
59.31、41、71输出电容
60.32、42、72体二极管
61.33、73输入电容
62.50保护控制器
63.60去耦电路
64.61、65节点
65.62、66dc电压源
66.63、67、68电阻器
67.70去耦mosfet
68.100物体
69.v1、v2、v3电位