基于电桥的阻抗传感器系统的制作方法

基于电桥的阻抗传感器系统
1.优先权数据
2.本技术要求优先于以下美国临时专利申请，并在此通过引用将其整体并入：
3.申请号62/936,746，于2019年11月18日提交，名称为“sensing material properties using di-electric relaxation measurements”4.申请号62/936,747，于2019年11月18日提交，名称为“sensing organic tissue properties using di-electric relaxation measurements”5.申请号62/936,749，于2019年11月18日提交，名称为“sensing in-ear placement using di-electric relaxation measurements”6.申请号62/936,752，于2019年11月18日提交，名称为“bridge capacitance sensor”7.申请号62/936,756，于2019年11月18日提交，名称为“shaping e-fields for directionality in di-electric relaxation measurements”。
技术领域
8.本发明涉及阻抗传感器领域，尤其涉及基于电桥的阻抗传感器系统的设计和阻抗传感器系统的应用。


背景技术：

9.电容传感是检测不与传感装置物理接触的物体的存在或位置的常用方法。电容传感器目前的应用包括手势感应、接近检测、sar(比吸收率)合规性和材料识别。
10.现有电容传感器通常包括一个或多个电极，这些电极产生电场，并测量电场内物体引起的电场变化。例如，在自感应模式下工作的电容传感器测量电极和接地之间的电容。当物体放置在电极附近时，物体会改变电极和地面之间的电场，并增加测量的电容。作为另一个例子，在相互感测模式下工作的电容传感器具有由两个电极形成的电容器，电场跨越两个电极。当双电体或金属物体插入电场时，两个电极之间的电容会发生变化。在端子之间发生双电变化的情况下，双电的极化会影响电极之间观察到的净电容。在电极之间发生金属变化的情况下，端子之间表面电荷分布的引入可能会改变电场分布，这可能会改变电极之间观察到的净电容。
11.可以测量自感应模式下电极和地之间的偏移电容，或相互感应模式下两个电极之间的偏移电容，并从后续测量中减去。这使传感器能够感应到传感器附近物体引起的电容变化。在一些应用中，设备包括多个电容传感器，并且可以使用电极放置和大小的空间和几何多样性来提高信噪比并获得方向观测。
附图说明
12.为了提供对本公开及其特征和优点的更完整的理解，结合附图参考以下描述，其中相同的附图标记表示相同的部分，其中：
13.图1是根据本公开的一些实施例的传感器系统的框图；
14.图2是更详细地示出根据本公开的一些实施例的传感器系统的驱动器电路和信号处理电路的框图；
15.图3是根据本公开的一些实施例的示例阻抗电桥的框图；
16.图4是根据本公开的一些实施例的以自感模式配置的阻抗电桥和放大器电路的框图；
17.图5是根据本公开的一些实施例的以互感模式布置的阻抗电桥和放大器电路的框图；
18.图6a和6b是根据本公开的一些实施例的示例阻抗电桥的电路图；
19.图7是根据本公开的一些实施例的在设备中实现并以互感模式配置的传感器系统的示例实现的框图；
20.图8是根据本公开的一些实施例的在设备中实现并配置为自感模式的传感器系统的示例实现的框图；
21.图9提供了根据本公开的一些实施例的使用传感器系统感测阻抗变化的方法；
22.图10提供了根据本公开的一些实施例的在互感模式和自感模式下使用传感器系统的方法；
23.图11示出了根据本公开的一些实施例的由自感阻抗传感器中的电极产生的电场；
24.图12示出了根据本公开的一些实施例的由电极产生并由接地元件成形的电场；
25.图13示出了根据本公开的一些实施例的具有定位在用户耳朵中的集成阻抗传感器的耳机；
26.图14a和14b示出了根据本公开的一些实施例的处于用户手中的两个位置的图13的耳机；
27.图15示出了根据本公开的一些实施例的具有放置在桌子上的集成阻抗传感器的扬声器；
28.图16示出了根据本公开的一些实施例的图15中所示的扬声器的横截面；
29.图17提供了根据本公开的一些实施例的用于基于集成到电子设备中的阻抗传感器周围环境的介电常数来调整电子设备行为的方法；和
30.图18提供了根据本公开的一些实施例的用于基于组织的介电常数对组织进行分类的方法。
具体实施方式
31.概述
32.本发明的系统、方法和装置均具有多个创新方面，其中没有一个单独负责本文所公开的所有期望属性。本说明书中描述的主题的一个或多个实现的细节在下面的描述和附图中阐述。
33.在某些应用中，电容传感器用于在固定阻抗的基础上感应负载阻抗的微小变化。例如，当手机靠近用户头部时，手机使用的特定吸收率(sar)限制要求降低手机的发射功率。电容传感器可用于检测手机旁边是否有头部。相对于用户头部引起的电容变化(1ff的级别)，手机天线会产生较大的固定电容(例如，200pf)。现有电容传感器被配置为检测环境
中的总电容，并从检测到的总电容测量值中减去固定电容，以确定由于磁场变化引起的电容变化。这种传感器在存在如此大的固定电容的情况下很难检测到电容的如此小的变化。
34.本文公开的传感器系统能够通过使用阻抗电桥，在存在较大固定阻抗的情况下测量负载阻抗的微小变化。阻抗电桥有三个阻抗元件和耦合网络。至少一个阻抗元件是可变的，例如，至少一个阻抗元件包括可变电容器和/或可变电阻器。耦合网络可耦合到一个或多个感测电极，所述感测电极在感测电极的环境中产生电场并感测阻抗响应。对阻抗电桥进行校准，以考虑电极环境中的任何固定阻抗。校准的阻抗电桥测量固定阻抗顶部的阻抗变化，而不是测量固定阻抗本身。更具体地说，可变阻抗元件被设置为偏移固定阻抗，以便阻抗电桥的输出反映环境中的阻抗变化，而固定阻抗被阻抗元件抵消。
35.阻抗电桥在第一和第二阻抗元件之间具有一个输出端子。阻抗电桥在第三阻抗元件和耦合网络之间具有另一个输出端子。两个输出端子之间的电压差与感测电极相对于固定阻抗感测到的阻抗变化有关。在sar示例中，校准阻抗元件以偏移手机天线的电容，并且传感器输出可用于确定用户的头部是否在传感器的环境中，即相对于固定阻抗是否存在变化。
36.在一些实施方案中，传感器可配置为两种模式之一，即自感应模式和互感应模式，并且传感器可在自感应和互感应配置之间切换。在相互感测配置中，耦合网络耦合到两个感测电极，使得一个感测电极耦合到阻抗电桥的输出端子，另一个感测电极耦合到阻抗电桥的输入端子以接收刺激信号。向输入端施加周期性(例如正弦)刺激信号，向阻抗电桥另一侧的另一个输入端施加相位相反的周期性刺激信号。同相和反相(也称为反相)刺激信号在平衡阻抗电桥的输出端抵消，因此输出仅反映偏移阻抗的阻抗变化，而不反映偏移阻抗本身。在自传感配置中，耦合网络耦合到一个感测电极。感测电极耦合到输出端，并且从耦合网络在阻抗电桥的另一侧施加单个刺激信号。
37.驱动电路产生激励信号(在自感测模式下)或施加到阻抗电桥的一对反相激励信号(在互感测模式下)。在一些实施方案中，驱动电路的频率可调，并且可以在一个频率范围内产生不同的刺激信号。在一些示例中，被感测的材料可具有频率相关的阻抗响应，并且以多个频率激励材料可有助于确定材料类型。更具体地说，损耗角正切和频率之间的关系可用于确定材料类型。在一些示例中，选择频率以降低来自其他电子设备的传感器输出信号中的噪声。
38.传感器在本文中通常称为阻抗传感器。在一些实施方案中，该传感器用于测量电容的变化。阻抗元件可以是电容器、电阻器或电容器和电阻器的组合。例如，每个阻抗元件可以包括串联连接的可变电容器和可变电阻器。在一些实施方案中，一个或多个阻抗元件具有固定电容和/或固定电阻。在一些实施方案中，一个或多个阻抗元件可以是可配置的，例如，在电容器桥配置和电阻器上拉配置中。在一些实施方案中，附加接地电极用于塑造感测电极产生的电场，以将传感聚焦在相对于传感器的特定区域。
39.本文描述了阻抗传感器的各种应用。阻抗传感器可以集成到耳机中，以检测耳机是否放置在用户的耳朵中；耳机可根据其位置调整其行为(例如，关闭或打开)。在一些示例中，阻抗传感器用于确定阻抗传感器周围材料或材料组的相对介电常数和/或基于频率的介电常数响应。作为一个例子，传感器可以集成到其他设备中，例如扬声器，以检测设备附近的材料，例如扬声器所在的材料。作为另一示例，阻抗传感器可用作组织传感器，以识别
组织类型或区分癌组织与非癌组织。
40.本发明的实施方案提供了一种传感电路，包括：输入端子；耦合在所述输入端子和第一输出端子之间的第一阻抗元件，其中所述第一阻抗元件是可变阻抗元件；耦合在所述输入端子和第二输出端子之间的第二阻抗元件；耦合到所述第二输出端子的第三阻抗元件；耦合到所述第一输出端子的耦合网络；和放大器电路，耦合到所述第一输出端子和所述第二输出端子，所述放大器电路用于输出与由耦合到所述耦合网络的感测阻抗元件感测的环境特性相关的电压。
41.本发明的其他实施方案提供一种传感器系统，包括：驱动电路，用于产生周期性刺激信号；阻抗电桥，包括第一阻抗元件、第二阻抗元件和第三阻抗元件，其中所述第一阻抗元件是可变阻抗元件；输入端子，耦合至所述驱动电路并耦合至所述阻抗电桥，以将所述刺激信号施加至所述阻抗电桥；耦合到所述阻抗电桥的第一输出端子的耦合网络；和耦合到所述阻抗电桥的第一输出端子和第二输出端子的放大器电路，所述放大器电路被配置为基于来自所述第一输出端子和所述第二输出端子的信号来输出电压。
42.本发明的其他实施方案提供了一种用于检测环境特性变化的方法，该方法包括：基于偏移阻抗，确定第一阻抗元件的第一阻抗，该第一阻抗元件和第二阻抗元件以及第三阻抗元件布置为阻抗电桥；根据确定的第一阻抗来配置所述第一阻抗元件；向所述阻抗电桥施加周期性刺激信号；和通过第一输出端子和第二输出端子接收所述阻抗电桥的输出。
43.本发明的其他实施方案提供了一种传感器系统，该传感器系统包括阻抗电桥，该阻抗电桥包括布置为电桥配置的第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件和耦合网络；第一输入端子，耦合到所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件，并被配置为向所述阻抗电桥施加第一刺激信号；第二输入端子，在第一模式下耦合到所述耦合网络和所述第三阻抗元件，以向所述阻抗电桥施加第二刺激信号；和至少一个开关，耦合到所述第二输入端子，所述至少一个开关可控制以在第二模式下将所述第二激励信号从所述耦合网络和所述第三阻抗元件解耦。
44.本发明的其他实施方案提供了一种用于感测阻抗的方法，该方法包括：接收第一指令以在第一模式中配置传感器，该传感器系统包括布置为电桥配置的第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件和耦合网络；响应于所述第一指令，将所述耦合网络耦合到第一电极和第二电极；接收第二指令以在第二模式下配置所述传感器；和响应于所述第二指令，将所述耦合网络与所述第二电极解耦。
45.本发明的附加实施方案提供了一种传感器系统，该传感器系统包括：阻抗电桥，该阻抗电桥包括布置为电桥配置的第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件和耦合网络；驱动电路，用于在第一模式下产生施加到阻抗电桥的第一输入端子的第一刺激信号，并在第二模式下产生第二刺激信号和具有所述第二刺激信号的相反相位的第三刺激信号，所述第二刺激信号施加到所述第一输入端子；和在所述驱动电路和所述阻抗电桥之间耦合的至少一个开关，该至少一个开关可控制以在第二模式下将所述第三刺激信号耦合到所述阻抗电桥。
46.如本领域技术人员将理解的，本发明的方面，尤其是本文所述的基于电桥的阻抗传感器的方面和基于电桥的阻抗传感器的应用，可以以各种方式(例如，作为方法、系统、计算机程序产品或计算机可读存储介质)实现。因此，本发明的方面可以采取硬件实施例、软
件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)或结合软件和硬件方面的实施例的形式，这些方面在本文中通常被称为“电路”、“模块”或“系统”。本发明中描述的功能可以实现为由一台或多台计算机的一个或多个硬件处理单元(例如一个或多个微处理器)执行的算法。在各种实施例中，本文描述的每种方法的不同步骤和步骤的部分可由不同的处理单元执行。此外，本发明的各个方面可以采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品体现在一个或多个计算机可读介质中，优选非暂时性的，其上包含(例如)存储有计算机可读程序代码。在各种实施例中，这种计算机程序可以例如下载(更新)到现有设备和系统(例如，到现有感知系统设备和/或其控制器等)，或者在制造这些设备和系统时存储。
47.以下详细描述呈现特定特定实施例的各种描述。然而，本文描述的创新可以以多种不同的方式体现，例如，如权利要求和/或精选示例所定义和涵盖的。在以下描述中，参考附图，其中相似的附图标记可以指示相同或功能相似的元件。应当理解，附图中示出的元件不一定按比例绘制。此外，应当理解，某些实施例可以包括比图纸中所示的更多的元素和/或图纸中所示元素的子集。此外，一些实施例可以结合来自两个或多个附图的特征的任何适当组合。
48.以下公开描述了用于实现本公开的特征和功能的各种说明性实施例和示例。虽然下面结合各种示例性实施例描述特定组件、布置和/或特征，但这些仅是用于简化本发明的示例，并不打算限制本发明。当然，应该理解的是，在任何实际实施例的开发中，必须做出许多特定于实现的决策，以实现开发人员的特定目标，包括遵守系统、业务和/或法律约束，这些约束可能因实现的不同而不同。此外，我们将认识到，虽然这样的开发工作可能会很复杂和耗时；然而，对于受益于本发明的本领域普通技术人员来说，这将是一项常规任务。
49.在说明书中，可以参考附图中所示的各种组件之间的空间关系和组件的各个方面的空间方向。然而，如本领域技术人员在完整阅读本发明后将认识到的，本文所述的装置、组件、构件、装置等可以以任何期望的方向定位。因此，使用诸如“上”、“下”、“上面”、“下面
””
、“上方”、“下方”、“上部”、“下部”或其他类似术语来描述各种组件之间的空间关系或描述此类组件的方面的空间方向，应理解为描述组件之间的相对关系或此类组件的方面的空间方向，分别地，如本文所述的组件可以朝向任何期望的方向。当用于描述元件、操作和/或条件的尺寸范围或其他特征(例如，时间、压力、温度、长度、宽度等)时，“x和y之间”表示包括x和y的范围。
50.本发明的其他特征和优点将从以下描述和权利要求中显而易见。
51.示例传感器系统
52.图1是根据本公开的一些实施例的传感器系统100的框图。关于图2-18描述的阻抗电桥和传感器可以在诸如传感器系统100的系统中实现。
53.传感器系统100包括驱动电路110、阻抗电桥120、放大器电路130、信号处理电路140、传感器控制器150、电极开关160和电极170。在替代配置中，传感器系统100中可以包括与图1所示不同、更少和/或附加组件。此外，结合图1所示的一个或多个组件描述的功能性可以以与所描述的不同的方式分布在组件之间。
54.驱动电路110生成施加于阻抗电桥120的输入的刺激信号。驱动电路110以特定频率(例如正弦信号、方波、三角波等)和特定振幅生成周期信号。驱动电路110可以被配置为调整刺激信号的频率和/或振幅。例如，驱动电路110从传感器控制器150接收指示刺激信号
的幅度和刺激信号的频率的指令，并且驱动电路110生成具有所指示的幅度和频率的刺激信号。驱动电路110可以生成数字波形，该数字波形被转换为用于驱动阻抗电桥120的模拟信号。由驱动电路110生成的数字或模拟波形也可以提供给信号处理电路140。图2中示出驱动电路110的示例实现。
55.在一些实施方案中，传感器控制器150指示驱动电路110产生一系列不同幅度和/或频率的刺激信号。作为响应，驱动器电路110生成刺激信号序列，例如，每个具有不同频率的刺激信号序列。在一些实施方案中，幅度和/或频率可以是固定的。在一些实施方案中，传感器控制器150指示驱动电路110产生包括多个不同频率的多个刺激波的刺激信号，即不同频率的刺激波是同时产生的，而不是按顺序产生的。作为响应，驱动电路110产生由多个波组成的多路复用刺激信号。这可以减少以多个频率执行扫描的时间。
56.在一些实施方案中，驱动电路110产生相位相反的两个刺激信号。例如，为了产生反相信号，驱动电路110通过可调延迟来传递刺激信号的副本，以将刺激的相位延迟180
°
。同相和反相信号用于下文进一步描述的相互感测配置中，尤其是关于图5。如关于图4所述，单个刺激信号可用于自感测配置。
57.阻抗电桥120接收来自驱动电路110的激励信号，并且耦合到阻抗电桥120的一个或多个电极170产生用于感测阻抗电桥120周围环境中的阻抗的电场。阻抗电桥120包括三个阻抗元件、一个耦合网络和两个输出端。第一输入端将驱动电路110耦合到阻抗电桥120的一侧。第二输入端在互感模式下将阻抗电桥120的另一端耦合到驱动电路110；在自感测模式中，阻抗电桥120的这一侧接地。阻抗元件中的至少一个是可变的，并且传感器控制器150可以调整可变阻抗元件以平衡偏移电容。当激励信号或信号被施加到阻抗电桥120时，在感测电极(在自感应模式下)或耦合到耦合网络的一对感测电极(在互感模式下)的环境中产生电场。第一输出端耦合在耦合网络和其中一个阻抗元件之间，而第二输出端耦合在另外两个阻抗元件之间。两个输出端之间的电压或电荷差表示电场区域内的阻抗。在图3-6b中更详细地示出了阻抗电桥。
58.放大电路130与阻抗电桥120的两个输出端连接，用于根据来自两个输出端的信号检测并放大电压。放大器电路130可以包括一个或多个具有可调增益的可编程增益放大器(pga)；pga设置可以从传感器控制器150接收。放大器电路130可以进一步将模拟电压信号转换为数字输出；在其他实施例中，放大器电路130输出模拟信号。在一些实施方案中，放大电路130的配置可以根据传感器系统100是处于互感模式还是自感模式而改变。放大器电路130的不同配置参照图4和图5进行描述。
59.信号处理电路140耦合到放大器电路130并处理放大器电路130的输出。信号处理电路140还可以耦合到驱动电路110以接收刺激信号的副本。信号处理电路140将来自驱动电路110的刺激信号与输出信号相关联，以隔离在刺激信号的特定频率处的阻抗响应的贡献。信号处理电路140可以将信号解调成同相和正交分量。如果刺激信号包括如上所述的多个刺激频率，则信号处理电路140还将输出信号解调为每个刺激频率的分量。信号处理电路140将解调后的信号输出到传感器控制器150以进行进一步处理，例如，基于解调后的输出来计算电容测量或介电常数测量。图2中示出信号处理电路140的示例实现。
60.传感器控制器150控制传感器系统100的其他组件。传感器控制器150可以指示驱动器电路110为阻抗电桥产生特定激励，例如特定幅度和特定频率的正弦波。如果传感器系
统100可以交替地配置为自感模式和互感模式，则传感器控制器150基于选择的模式来指示传感器系统100的组件。特别地，传感器控制器150可以选择放大器电路130的配置，并且可以选择阻抗电桥120是从驱动电路110接收一个激励信号还是两个具有相反相位的激励信号。传感器控制器150可以指示驱动电路110产生用于特定模式的刺激信号，例如在自感模式下具有一个频率设置和/或幅度设置的刺激信号，以及在互感模式下具有不同频率设置和/或幅度设置的刺激信号。传感器控制器150可以包括一个或多个微处理器或其他类型的电路。
61.在一些实施方案中，传感器系统100包括电极开关160，电极开关160被配置为将阻抗电桥120耦合到电极170。电极开关160可以是耦合网络的示例并且集成到阻抗电桥120中，或者电极开关可以连接到包括在阻抗电桥120中的耦合网络。例如，实施传感器系统100的设备包括一组两个或更多个感测电极。在自感测模式中，传感器控制器150指示电极开关160选择感测电极之一。在互感模式下，感测控制器150指示电极开关160选择两个感测电极。设备电极170还可以包括接地电极，并且传感器系统100可以包括到接地电极的连接，以将传感器系统100内的电路的各种元件接地。
62.在一个示例中，第一感测电极固定地耦合到耦合网络的一个端子，并且开关(例如，电极开关160)在互感模式中交替地将耦合网络的另一个端子连接到第二感测电极。在另一示例中，电极开关160可以是开关矩阵，其可以将阻抗电桥120耦合到从包括两个或更多个感测电极的电极组中选择的不同电极。在该示例中，传感器控制器150可以选择两个电极170来观察设备的特定区域周围的环境，并根据选择指示电极开关160。开关矩阵和电极170的示例在图7和图8中示出，并且关于这些图进一步描述了开关矩阵和电极。
63.示例驱动电路和信号处理电路
64.图2是更详细地示出根据本公开的一些实施例的传感器系统100的驱动器电路110和信号处理电路140的框图。驱动电路110包括振荡器210、直接数字合成器(dds)220和驱动数模转换器(dac)230。振荡器210产生具有固定频率的振荡信号，用作参考频率。振荡器210例如可以是晶体振荡器或表面声波(saw)振荡器。
65.如上所述，dds 220从传感器控制器150接收输入频率，并产生具有指定频率的数字波形。在图2所示的示例中，dds 220生成数字正弦波。在其他实施例中，dds 220可以被配置为生成不同的波形，或者dds 220可以被配置为生成由传感器控制器150选择的多个波形之一。dac 230将dds 220的数字输出转换为激励信号235。激励信号235是输入到阻抗电桥120的模拟波形。
66.驱动器电路110可以包括附加组件以生成反相信号(即，具有与刺激信号235相反相位的信号)，该反相信号作为第二输入提供给互感模式下的阻抗电桥120。例如，驱动电路110可以包括延迟元件，该延迟元件被配置为接收由dds 220输出的数字波形或由dac 230输出的模拟波形，并将接收到的信号延迟180
°
，从而产生反相信号。驱动电路110可以具有与图2所示的配置不同的配置。例如，驱动电路110可以使用锁相环(pll)直接产生模拟波形。
67.由dds 220输出并传递到驱动器dac 230的数字波形225也被提供给信号处理电路140。信号处理电路140执行从放大器电路130接收的数字输出与数字波形225的相关。相关过程还将来自放大器电路130的输出解调为同相(i)和正交(q)分量290。虽然在图2所示的
示例中，相关/解调过程在数字域中执行，但在其他实施例中，信号处理电路140可接收来自驱动电路110的模拟刺激信号235，并在模拟域进行相关和解调。
68.更具体地，在图2所示的示例中，信号处理电路140包括延迟元件240、移相器250、混频器260、时域窗口270和累加器280。延迟元件240延迟从dds 220接收的数字波形225以使数字波形225的相位与放大器电路130的输出的相位对齐。延迟元件240可以针对设备进行调整和校准。在一些实施例中，延迟元件240的延迟设置可以基于阻抗电桥120和/或放大器电路130的配置来调整，因为重新配置阻抗电桥120和放大器电路130可以调整从放大电路130接收到的信号的相位。
69.由延迟元件240延迟的数字波形225的一个副本被传递到第一混频器260a。延迟波形的另一副本被传递到移相器250，移相器250将延迟波形的相位移动90
°
。90
°
相移用于获得输出信号的正交分量。
70.混频器260a和260b将它们各自版本的延迟数字波形225与放大器电路130的输出相乘。延迟数字波形225并将延迟的波形与放大器电路130的输出混合使输出波形与输入波形相关。这具有拒绝除数字波形225和刺激信号235的频率之外的频率的信号的效果。例如，如果传感器系统100被结合到智能手机中，则运行屏幕的电子设备的频率可能会干扰传感器系统100。驱动电路110生成的波形的频率可以选择为与其他设备频率不同的频率，使得相关过程拒绝放大器电路130的输出中的其他频率的信号。
71.混频器260a和260b的输出各自通过时域窗口270a和270b中的相应一个。时域窗口270a和270b的输出各自耦合到相应的累加器280a和280b，累加器280a和280b产生解调输出，即i分量290a和q分量290b。时域开窗和累积对数据进行采样以存储在存储器中并由传感器控制器150进一步处理。输出信号290a和290b(一般称为信号处理输出290)被传递到传感器控制器150进行处理。
72.阻抗电桥示例
73.图3是根据本公开的一些实施例的示例阻抗电桥120的框图。阻抗电桥120包括第一阻抗元件305、第二阻抗元件310、第三阻抗元件315和耦合网络320。在该示例中，第一、第二和第三阻抗元件305、310和315中的每一个是可变阻抗元件。每个阻抗元件305、310和315可以包括一个或多个电容器和/或一个或多个电阻器。例如，每个阻抗元件305、310和315可以包括串联连接的可变电容器和可变电阻器。阻抗元件305、310和315的两个示例电路实现在图6a和6b中示出。
74.第一、第二和第三阻抗元件305、310和315中的每一个具有可以例如由传感器控制器150调节的相应阻抗z1、z2和z3。例如，每个阻抗元件305、310、315包括电容数模转换器(dac)、可编程电容、或具有一组可能的电容设置的可调电容器，以及电阻器dac、可编程电阻器或具有一组可能的电阻设置的可调电阻器。在一些实施例中，阻抗元件的一个或多个组件可以被旁路，例如，与电容器串联包括的电阻器可以可选地被旁路。在一些实施例中，阻抗元件305、310和315中的一个或多个是固定的而不是可变的。例如，对于配置用于自感测模式的阻抗电桥120，第三阻抗元件315可以是固定的，而第一和第二阻抗元件305和310是可变的。此外，对于配置为互感模式的阻抗电桥120，第二和第三阻抗元件310和315都可以是固定的，而第一阻抗元件305是可变的。使所有三个阻抗元件305、310和315都是可变元件增加了传感器尺寸和复杂性，但也可以提供更广泛的适用性，例如平衡更宽范围的偏移
阻抗的能力。
75.耦合网络320是阻抗电桥120内的可耦合到电极的电路网络。具体而言，耦合网络320将阻抗电桥120耦合至一个感测电极以实现自感测模式，而耦合网络320将阻抗电桥120耦合至两个感测电极以实现互感模式。耦合到耦合网络320的电极通常被称为感测阻抗元件。在一些实施方案中，耦合网络320包括一个或多个开关，例如开关矩阵，以在一组感测电极之间切换。开关矩阵也可以将不用于感测的电极接地。图7和8中示出了开关矩阵的示例。耦合到耦合网络320的电极可以位于阻抗电桥120的外部，并且，在一些实施方案中，换句话说，耦合网络320提供电接口以将阻抗电桥120耦合到包括在其中集成了传感器系统100的设备中的电极。
76.输入端子325，也称为第一输入端子325，耦合到第一阻抗元件305和第二阻抗元件310。第一输入端325也耦接驱动电路110以将激励信号施加于阻抗电桥120，特别是将激励信号施加于第一阻抗元件305和第二阻抗元件310。第二输入端子330耦合到第三阻抗元件315和耦合网络320。第二输入端子330进一步耦合到地，如图4所示，或者耦合到驱动电路110，如图5所示。在一些实施例中，第二输入端子330包括或可以耦合到一个开关或一组开关，用于在互感模式下将第二输入端330切换到驱动电路110。开关可控制以在自感测模式下的接地和互感测模式下的驱动电路110之间切换第二输入端子330。图7和图8示出了耦合到第二输入端330用于在互感和自感模式之间切换的两个开关的示例。
77.两个输出端335和340将阻抗电桥120耦合到放大器电路130，放大器电路130输出与感测阻抗元件感测的环境特性相关的电压。第一阻抗元件305耦合在输入端子325和第一输出端子335之间。第二阻抗元件310耦合在输入端子325和第二输出端子340之间。第三阻抗元件315耦合在第二输入端330和第二输出端340之间。耦合网络320耦合在第二输入端330和第一输出端335之间。在自感测模式下，放大电路130检测并放大第一输出端335与第二输出端340之间的电压差；此电压差与耦合至耦合网络320的感测阻抗元件感测的环境特性有关。在互感模式下，放大器电路130将第一输出端子335处的净电荷转换为电压，并将该电压与第二输出端子340处的电压进行比较；该电压差表示由环境特性引起的电桥120中的不平衡。
78.在操作中，传感阻抗元件周围的环境具有偏移阻抗负载，称为z
l
。偏移阻抗负载可以包括电阻分量r
l
和电容分量c
l
。偏移阻抗负载可能由实现传感器系统100的设备的其他元件引起，例如感测阻抗元件区域中的金属或介电材料。在一些实施方案中，偏移阻抗负载z
l
对于不同的配置可能不同，例如，传感器系统100是处于自感模式还是互感模式，或者基于电极开关160选择了哪些电极。在一些实施方案中，特定设备或特定传感器配置的偏移阻抗负载z
l
被认为是固定的。在其他实施例中，偏移阻抗负载z
l
可以例如基于设备使用(例如，设备的某些组件是否正在运行)、环境条件(例如，温度、湿度)、其他设备特性(例如，设备是否封装在外壳中)或其他因素而变化。
79.阻抗电桥120被平衡，使得偏移阻抗负载z
l
被阻抗元件305、310和315的阻抗z1、z2和z3偏移。具体地，将第一阻抗z1与偏移阻抗z
l
之间的第一比率设置为等于第二z2与第三阻抗z3之间的第二比率，以平衡阻抗电桥120。传感器控制器150可以指示阻抗电桥120执行校准过程以测量偏移阻抗负载(例如，rs和cs)，并且传感器控制器150根据测量的偏移阻抗负载设置阻抗z1、z2和z3中的一个或多个。传感器控制器150向阻抗元件305、310和315中的一
个或多个，特别是向它们的组成元件(例如，可变电容器和可变电阻器)提供指令以调整阻抗(例如，部分或全部r1、r2和r3；部分或全部c1、c2和c3)以平衡偏移阻抗负载z
l
。
80.更具体地，为了平衡阻抗电桥120，传感器控制器150可以基于由阻抗电桥120或另一个传感器获得的测量来确定偏移阻抗z
l
。传感器控制器150基于偏移阻抗z
l
确定第一阻抗元件305的第一阻抗z1，并向第一阻抗元件305提供指令以将其设置为确定的第一阻抗设置。例如，传感器控制器150调整第一阻抗z1以匹配或近似匹配偏移阻抗z
l
。第一阻抗元件z1可以具有有限数量的阻抗设置，并且传感器控制器150选择最接近匹配偏移阻抗z
l
的阻抗设置。在另一个示例中，如果偏移阻抗z
l
(例如，偏移电容c
l
的倒数)低于第一阻抗元件305可以被设置为(例如，偏移电容c
l
高于可编程电容器中的最高电容设置)，选择的第一阻抗z1与偏移阻抗z
l
不同。
81.在一些实施方案中，只有第一阻抗z1是可变的，传感器控制器150根据选择的第一阻抗z1指示第一阻抗元件305平衡阻抗电桥120。在其他实施例中，第二和/或第三阻抗z2和z3也是可变的。在这样的实施例中，传感器控制器150基于偏移阻抗z
l
和选择的第一阻抗z1选择第二和/或第三阻抗z2和z3。传感器控制器150选择第二和/或第三阻抗z2和z3，使得第一比率z1/z
l
等于第二比率z2/z3。在一个示例中，第一、第二和第三阻抗z1、z2和z3都被设置为等于或近似等于z
l
。在另一示例中，第一阻抗z1设置为等于或近似等于z
l
，第二和第三阻抗z2和z3彼此相等但不等于z
l
，例如z2和z3小于z1。在又一示例中，第一阻抗z1小于z
l
，第二阻抗z2小于第三阻抗z3。第二阻抗z2也可以小于第一阻抗z1，第三阻抗z3小于偏移阻抗z
l
，以平衡大于阻抗元件305、310和315的最高阻抗设置的偏移负载。
82.为自感应模式配置的阻抗电桥示例
83.图4是根据本公开的一些实施例的以自感测模式配置的阻抗电桥400和放大器电路460的框图。阻抗电桥400是关于图1-3描述的阻抗电桥120的示例。第一输入端子425将阻抗电桥120(特别是第一阻抗元件405和第二阻抗元件410)耦合到驱动电路450，驱动电路450是关于图1和2描述的驱动电路110的示例。第一输出端435耦合在第一阻抗元件405和耦合网络420之间，第二输出端440耦合在第二阻抗元件410和第三阻抗元件415之间。第一输出端435和第二输出端440还耦合到放大器电路460，放大器电路460是放大器电路130的示例。第二输入端子430耦合到地445。第三阻抗元件415耦接于第二输出端440与接地端445之间，且耦合网络420耦接于第一输出端435与接地端445之间。更具体而言，耦合到第三阻抗元件415的端子的开关可以耦合到地，而耦合到耦合网络420的感测阻抗元件的电容路径跨越耦合到耦合网络420的感测电极和地445。这种布置在图8中示出。
84.放大器电路460包括一个或多个差分放大器，用于放大第一和第二输出端子435和440之间的差异。在图4所示的示例中，放大器电路460包括第一可编程增益放大器(pga)470和第二pga 475的级联。每个pga 470和475可以具有可调增益。传感器控制器150可以选择增益设置并指示放大器电路460相应地调整pga 470和475的增益。放大器电路中包括的每个pga的pga数量和增益设置决定了放大器电路460可用的总增益。第一和第二pga 470和475是接收两个输入并提供两个输出的全差分放大器。第一pga 470的两个输出耦合到第二pga 475的两个输入。第二pga475的两个输出耦合到模数转换器(adc)480的输入。adc 480将放大的差分信号转换为数字输出490。数字输出490耦合到信号处理电路，例如在图1和图2中示出的信号处理电路140。在其他实施例中，adc 480被省略，放大器电路460向信号处理
电路140提供模拟输出信号。
85.为互感模式配置的阻抗电桥示例
86.图5是根据本公开的一些实施例的以互感模式配置的阻抗电桥500、驱动器电路550和放大器电路560的框图。阻抗电桥500是关于图1-3描述的阻抗电桥120的示例。第一输入端子525将阻抗电桥120(特别是第一阻抗元件505和第二阻抗元件510)耦合到驱动器电路550，驱动器电路550是关于图1和2描述的驱动器电路110的示例。驱动器电路550产生两个信号，第一信号552和第二信号554，第二信号554具有与第一信号552相反的相位。第一信号552和第二信号554也被称为相位和反相位信号。第一信号552被提供给输入端子525。第二信号554被提供给第二输入端子530，第二输入端子530耦合到耦合网络520和第三阻抗元件515。耦合网络520耦合到两个或更多个感测电极，如关于图7所述。
87.第一输出端535耦合在第一阻抗元件505和耦合网络520之间，第二输出端540耦合在第二阻抗元件510和第三阻抗元件515之间。第一输出端子535和第二输出端子540进一步耦合到放大器电路560，放大器电路560是放大器电路130的示例。第三阻抗元件515耦合在第二输出端540和第二输入端530之间，并且耦合网络520耦合在第一输出端535和第二输入端530之间。当阻抗电桥500平衡时，相反的激励信号552和554在输出端子535和540处抵消。dc偏移电压可以施加到输出端子535和540以将它们设置为固定电压。耦合到耦合网络520的电极周围环境的变化会改变输出端子535处的电荷水平。
88.放大器电路560包括两个pga 570和575。每个pga 570和575可以具有可调增益，并且传感器控制器150选择增益设置并指示放大器电路560相应地调整pga 570和575的增益。第一pga 570包括放大器572和耦合到放大器572的输出的反馈电容器574。反馈电容器574还连接到放大器572的输入，放大器572的输入连接到第一输出端子535。第一pga 570将由于阻抗电桥500中的不平衡导致的净电荷转换为输出电压。反馈电容器574可以是可变电容器，并且其电容可以由传感器控制器150基于耦合到耦合网络520的电极上的电容响应来设置。减小反馈电容器574的电容会减小测量阻抗中的噪声，但也减小传感器系统可以测量的阻抗负载范围，虽然反馈电容器574的较高电容设置增加了测量范围，但也可能增加阻抗测量中的噪声。如果耦合到耦合网络520的电极上的电容响应具有相对较大的变化量，则反馈电容器574可能饱和，从而增加所得输出信号中的噪声。因此，当耦合到耦合网络520的电极两端的电容变化较大时，传感器控制器150可以为反馈电容器574选择较大的电容设置。
89.第二pga 575具有耦合到第二输出端子540的第一输入和耦合到第一pga 570的输出的第二输入。第二pga575放大第二输出端子540处的电压和输出之间的电压差pga570的电压。第二pga 575的两个输出耦合到adc 580的输入。adc 580将放大的差值信号转换为数字输出590。数字输出590耦合到信号处理电路，例如图1和图2所示的信号处理电路140。在其他实施例中，adc 580被省略，并且放大器电路560向信号处理电路140提供模拟输出信号。
90.在一些实施方案中，图4和5中所示的传感器系统是同一传感器系统的两种不同配置，例如传感器系统100的两种不同配置。第二输入端子430和530包括一个或多个开关以将阻抗电桥耦合到驱动器电路，如图5所示，或将阻抗电桥耦合到地，如图4所示；示例开关如图7和图8所示。放大器电路130具有pga之间的可切换连接，使得第一pga能够连接到阻抗电桥120和第二pga，如图4或图5所示。传感器控制器150向第二输入端子处的开关提供指令并
且向放大器电路提供指令以将传感器系统100配置为图4或图5所示的任一模式。在一些其他实施例中，放大器电路130包括放大器电路460和560两者，传感器控制器150选择放大器电路460和560之一并且基于选择的感测模式将选择的放大器电路耦合到阻抗电桥120和信号处理电路140。
91.示例阻抗电桥电路图
92.图6a和6b示出了根据本公开的一些实施例的示例阻抗电桥的两个电路配置600和605的两个电路图。图6a和6b中所示的电路图可以是关于图1-5描述的阻抗电桥120、400和500的两种配置。在一些实施例中，阻抗电桥120可以在图6a和6b所示的配置之间交替。第一配置600被称为电容器桥配置，第二配置605被称为电阻上拉配置。
93.第一配置600包括串联连接并耦合在第一输入端子660和第一输出端子670之间的第一电阻器610和第一电容器615。第一电阻器610和第一电容器615是图3-5中示出的第一阻抗元件305、405和505的示例。第一配置600包括串联连接并耦合在第一输入端子660和第二输出端子675之间的第二电阻器620和第二电容器625。第二电阻器620和第二电容器625是图3-5中所示的第二阻抗元件310、410和510的示例。第一配置600包括串联连接并耦合在第二输入端子665和第二输出端子675之间的第三电阻器630和第三电容器635。第三电阻器630和第三电容器635是图3-5中所示的第三阻抗元件315、415和515的示例。在该示例中，电阻器610、620和630中的每一个都是可变电阻器；它们各自的电阻r1、r2和r3可以由传感器控制器150设置。
94.电容器615、625和635中的每一个都是可变电容器；它们各自的电容c1、c2和c3可以由传感器控制器150设置。如上所述，在一些实施方式中，可以固定电阻器610、620和630和/或电容器615、625和635中的一个或多个。
95.第一配置600还包括感测电阻640和感测电容645。感测电阻640和感测电容645是耦合到耦合网络的电极两端的电阻和电容的模型。感测电阻640和感测电容645可以具有偏移分量，即，关于图1-5描述的偏移阻抗负载。感测电阻640和感测电容645还可以具有基于环境条件(例如组织样本、手指或电极环境中的其他材料)而变化的负载。
96.图6b示出了示例阻抗电桥的第二配置605。在第二配置605中，第一和第二串联电阻器610和620以及第一和第二串联电容器615和625已经被两个上拉电阻器650和655替换。当偏移电容很大时，上拉电阻器650和655能够测量电容的微小变化。
97.阻抗电桥120能够在第一配置600和第二配置605之间交替。在一个实施例中，第一和第五电阻器610和650是相同的，并且第二和第六电阻器620和655是相同的；阻抗电桥120通过绕过电容器615和625从第一配置600切换到第二配置605。或者，阻抗电桥可以包括端子670和660之间的一对通路以及端子675和660之间的另一对通路，并且切换以选择每对通路中的一个通路。在一些实施例中，阻抗电桥可以被配置为使得电路同时包括端子670和660之间的两个通路以及端子675和660之间的两个通路，即，包括第一和第二电阻器610和620以及第一和第二电容器615和625的路径，以及包括第五和第六电阻器650和655的路径，其中第五和第六电阻器并联连接到第一和第二电阻器610和620以及第一和第二电容器615和625。
98.图6b中所示的电阻上拉配置605对于测量具有大偏移电容的负载是有用的。当阻抗电桥上的可用电容小于偏移电容时(例如，偏移负载的电容大于c1的最大可用电容设
置)，电阻上拉配置605可用于实现比电容桥600配置可实现的更好的信噪比，因此传感器控制器150可以选择电阻上拉配置605。另一方面，当偏移电容小于阻抗电桥上的可用电容时，电容桥配置600可以提供比电阻上拉配置605更好的信噪比，因此传感控制器150可以选择电容器电桥配置600。虽然阻抗电桥可以设计为具有更大的片上电容以提高更大负载的信噪比，但这也增加了专用于片上电容器的管芯数量，并可能增加芯片的尺寸。实施电阻上拉配置605可用于提高高负载下的噪声性能，而不限制芯片面积或增加芯片尺寸。
99.具有阻抗电桥传感器的示例设备
100.图7是根据本公开的一些实施例的在设备760中实现并配置为互感模式的传感器系统700的示例实现的框图。传感器系统700是传感器系统100的示例，并且更具体地，是图5所示的互模传感器系统的示例。传感器系统700包括具有三个阻抗元件705、710和715的阻抗电桥，以及开关矩阵720，其是耦合网络320的示例实现。第一输入端子725耦合到驱动电路750，驱动电路750是驱动电路110的示例。第二输入端子730也耦合到驱动器电路750。第二输入端子730耦合到第一开关732，第一开关732可配置为将第三阻抗元件715耦合到驱动器电路750。第二输入端子730还耦合到第二开关734，第二开关734可配置为将开关矩阵720耦合到驱动电路750。在图7所示的互感模式中，开关732和734配置为分别将第三阻抗元件715和开关矩阵720耦合到第二输入端子730并因此耦合到驱动器电路750。在图8所示的自感测模式中，开关732将第三阻抗元件715耦合到接地元件vss 755，并且开关734浮动开关矩阵720的下端。
101.驱动电路750产生第一刺激信号752和具有与第一刺激信号752相反相位的第二刺激信号754。第一刺激信号752耦合到第一输入端子725，第二刺激信号754耦合到第二输入端子730。基于开关734和732的配置，第二激励信号754被施加到开关矩阵720和第三阻抗元件715。阻抗电桥具有两个输出735和740，它们连接到图7中未示出的放大器电路(例如放大器电路130或560)。除了放大器电路之外，传感器系统700还可以包括信号处理电路(例如信号处理电路140)和控制电路(例如传感器控制器150)。
102.开关矩阵720可耦合到设备760上的电极。在该示例中，设备760包括沿设备760的一侧布置的三个电极765a、765b和765c；这些可能是感应电极。装置760包括沿着装置760的另一侧布置的第四电极770；第四电极770可以是接地电极。装置760可以包括任何数量的感测电极765和任何数量的接地电极770。传感器系统700包括用于耦合到设备760上的电极的引脚in1、in2、in3和vss。例如，第一电极765a通过连接780a耦合到传感器系统700上的第一输入引脚in1。第一输入引脚in1耦合到开关矩阵720的输入。接地电极770通过vss引脚连接到传感器系统700上的接地元件vss 755。vss 755用作传感器系统700内电路的接地。请注意，虽然图7将传感器系统700描述为在设备760的外部，但应理解，传感器系统700可以作为设备760的组件或子系统集成到设备760中。
103.开关矩阵720包括用于将第一输出端子735和第二输入端子730耦合到装置760的电极的电路。在图7所示的示例中，开关矩阵720选择第一感测电极765a和第二感测电极765b，如较粗的连接线780a和780b所示，例如，开关矩阵720将第一输出端子735耦合到第一电极765a并且将第二输入端子730耦合到第二电极765b，反之亦然。在一些实施例中，开关矩阵720进一步将任何未使用的感测电极(这里为第三电极765c)耦合到vss755以将未使用的感测电极接地。开关矩阵720可以交替设置为将第一输出端子735和第二输入端子730耦
合到任何一对电极765。开关设置可以由传感器控制器150确定，传感器控制器150将配置指令传送到电极开关矩阵720以及开关732和734。在该配置中，阻抗电桥的输出与所选电极765a和765b之间的电容变化相关。这由选定电极765a和765b之间的感测电容790表示。电极765a和765b之间的电场的至少一部分延伸到设备760之外并且能够感测设备760外部环境的变化。
104.在一些实施方案中，开关矩阵720可以将第一输出端子735和/或第二输入端子730耦合到多个电极765。例如，如果设备760包括在设备一侧的第一对电极和在设备另一侧的第二对电极，开关矩阵720可以将第一对电极耦合到第一输出端子735并且将第二对电极耦合到第二输入端子730。这可以使得传感器系统700能够获得更大区域的阻抗测量值。
105.图8是根据本公开的一些实施例的在设备860中实现并且被配置为自感测模式的传感器系统800的示例实现的框图。传感器系统800可以是重新配置用于自感测模式的传感器系统700，并且设备860可以是设备760。传感器系统800包括具有三个阻抗元件805、810和815的阻抗电桥和开关矩阵820。第一输入端825耦接驱动电路850，第二输入端830也耦接驱动电路850。第二输入端子耦合到第一开关832，第一开关832可配置为将第三阻抗元件815耦合到驱动电路850。第二输入端子830还耦合到第二开关834，第二开关834可配置为将开关矩阵820耦合到驱动电路850。在图8所示的自感测模式中，开关832被配置为将第三阻抗元件815耦合到接地元件vss 855，并且开关834被配置为浮动开关矩阵820的下端子。
106.驱动电路850产生第一激励信号852，在自感测模式下，驱动电路850可以产生也可以不产生第二激励信号854。第一激励信号852耦合到第一输入端825，但是第二刺激信号754不耦合到阻抗电桥。阻抗电桥具有两个输出835和840，它们连接到图8中未示出的放大器电路(例如，放大器电路130或560)。除了放大器电路之外，传感器系统800还可以包括信号处理电路(例如，信号处理电路140)和控制电路(例如，传感器控制器150)。
107.如关于图7所指出的，开关矩阵820可耦合到装置860上的电极，并且具体地，耦合到电极865a、865b、865c。电极865a、865b、865c和870与关于图7描述的电极765a、765b、765c和770相同，并且连接到传感器系统800，特别是以同样的方式连接到开关矩阵820和vss 855。在图8所示的示例中，开关矩阵820选择第一感测电极865a，如较粗的连接线880a所示。特别地，开关矩阵820将第一输出端子835耦合到第一电极865a。在一些实施例中，开关矩阵820进一步将其他感测电极865b和865c耦合到vss 855。开关矩阵820可以交替地设置为将第一输出端子835耦合到电极865中的任何一个，或同时耦合到多个电极(例如电极865b和865c)以获得跨越更宽区域的阻抗测量。开关矩阵820以及开关832和834的设置可以由传感器控制器150确定，传感器控制器150将配置指令传送到电极开关矩阵820以及开关832和834。在这种配置中，阻抗电桥的输出与所选感测电极865a的环境中的电场变化相关，特别是在从所选感测电极865a延伸穿过设备860周围的环境并到达接地电极870的电场中的变化。由在选定电极865a和地之间的感测电容890表示，由接地电极870表示。
108.在一些实施方案中，传感器控制器150指示开关820、832和834循环通过一系列不同的配置并获得一系列测量，例如不同模式下的测量，和/或来自不同电极或电极组合的测量。作为一个示例，传感器控制器150指示传感器系统100使用串联的每个感测电极865来获得自模式测量序列(例如，使用第一感测电极865a的第一测量、使用第二感测电极865b的第二测量等)。作为另一个示例，传感器控制器指示传感器系统100使用感测电极865的不同组
合来获得一系列互模测量(例如，电极765a和765b之间的第一次测量，电极765b和765c之间的第二次测量等)。传感器控制器150可以在自感模式和互感模式之间来回切换并且在每个模式中获得测量值。传感器控制器150可以基于所选电极和所选模式调整阻抗设置z1、z2和z3中的一个或多个以考虑不同的偏移阻抗。在一些实施方案中，传感器控制器150进一步指示驱动电路110为不同的测量产生不同的信号频率和/或幅度。例如，传感器控制器150指示电极矩阵820选择第一电极865a并从第一电极865a以一组不同的刺激频率获得一系列测量值；传感器控制器150然后指示电极矩阵820选择第二电极865b并从第二电极865b以刺激频率的集合等获得一系列测量值。感测模式、电极选择、频率选择和幅度选择的各种组合是可能的。
109.传感器系统的使用方法
110.图9提供了根据本公开的一些实施例的使用传感器系统感测阻抗变化的方法。电路，例如传感器控制器150，确定910阻抗元件305、310和315的阻抗设置z1、z2和z3，以平衡传感器上的偏移电容，例如，在选定的电极上或穿过选定的一对电极。在一些实施例中，一个或多个阻抗元件是固定的，并且电路确定可变元件的阻抗设置，例如，电路基于偏移阻抗、第二阻抗z2、以及第三阻抗z3确定第一阻抗元件305的第一阻抗z1。
111.电路基于所选阻抗配置920可变阻抗元件。例如，电路发送指令以调整包括在第一阻抗元件305中的可变电容器以将电容设置为确定的电容。
112.驱动器电路，例如驱动器电路110，将激励信号施加930到阻抗电桥。驱动电路110可以在电路的指令下产生特定频率或幅度的刺激信号。在一些实施方案中，驱动器电路110产生两个具有相反相位的激励信号并将其施加到阻抗电桥的相对侧，如上所述。
113.该电路通过一对输出端子接收阻抗电桥的输出，并测量940由电极或多个电极的环境变化引起的阻抗变化。例如，放大器电路130和信号处理电路140向传感器控制器150生成解调和数字化的输出信号，传感器控制器150可以基于输出信号确定阻抗相对于偏移阻抗的变化。传感器控制器150可以将阻抗测量值与偏移阻抗进行比较以确定相对于基线的变化。传感器控制器150还可以监测在一段时间内进行的一系列阻抗测量的变化，因为当用户的手指朝着选定电极移动时感测到的阻抗发生变化。
114.图10提供了根据本公开的一些实施例的用于在互感模式和自感模式两者中使用阻抗传感器的方法。传感器，例如传感器控制器150，设置1010阻抗z1、z2和z3以平衡互感模式中的偏移阻抗。特别地，传感器控制器150为配置用于互感测模式的特定电极组设置阻抗z1、z2和z3中的一个或多个。传感器，例如传感器控制器150，进一步设置1020用于互感模式的放大器电路130的配置，例如在图5所示的配置中。传感器，例如驱动电路110，将激励信号(例如激励信号552或752)施加1030到阻抗电桥的第一输入(例如施加到第一输入525或725)并且将反相激励信号(例如激励信号554或754)施加到阻抗电桥的第二输入(例如施加到第二输入530或730)。传感器测量1040耦合到阻抗电桥的耦合网络的电极两端的阻抗变化。例如，由传感器控制器150基于信号处理电路140的输出获得的阻抗测量表明阻抗相对于偏移阻抗的变化。
115.传感器，例如传感器控制器150，设置1050阻抗z1、z2和z3以平衡自感测模式中的偏移阻抗。特别地，传感器控制器150为用于在自感测模式中感测的特定电极设置阻抗z1、z2和z3中的一个或多个。传感器，例如传感器控制器150，进一步设置1060放大器电路130的
配置以用于自感测模式，例如，在图4中所示的配置中。传感器，例如驱动器电路110，施加1070激励信号(例如激励信号452或852)到阻抗电桥的第一输入(例如施加到第一输入525或725)。激励信号不会施加到阻抗电桥的另一侧；相反，如图8所示，第三阻抗元件接地。传感器测量1080由耦合到阻抗电桥的耦合网络的电极感测的阻抗变化。例如，由传感器控制器150基于信号处理电路140的输出获得的阻抗测量表明阻抗相对于偏移阻抗的变化。
116.为双电弛豫测量塑造电场
117.上述传感器系统可以在自传感配置中用作介电松弛传感器。感测阻抗元件(例如，耦合到耦合网络320的感测电极)产生电场并测量由于其环境变化而引起的电场变化。
118.介电弛豫测量本质上是对电极周围材料的全方位测量。具体而言，介电弛豫传感器测量电极周围球体的平均介电弛豫因子。图11提供了由耦合到自感阻抗传感器的电极1110产生的电场1120的二维图示。作为距电极1110的距离的函数的场强变化也影响测量。这种变化通过图11中说明电场1120的同心圆的阴影来表示；离电极1110越远，场强越弱(表示为较浅的颜色)。
119.图11中表示的传感器的所得介电弛豫因子可以表示为场强*介电弛豫/测量体积之和。对于许多应用来说，将测量指向给定方向是有利的，而不是进行全方位测量。现有的传感器系统使用波束成形技术来实现电场的方向性。然而，由于用于测量介电弛豫的高频，传统的波束成形技术对于具有小外形尺寸的介电弛豫传感器系统变得具有挑战性。
120.特别是，用于测量介电弛豫时间的频率可以在10khz
–
1mhz的频率范围内。这些频率导致长波长，例如400khz频率为300m。使用传统的波束成形技术需要接收器在空间上相距足够远，以便能够解决有意义的相位差。如果接收器靠近，例如相隔1cm，正交或侧面信号的相位差将为1cm/(300m*100cm/m)度或1/300,000度。对于一个简单的延迟和波束形成器，这将导致～0db衰减。因此，波束成形非常适合多个接收器相距很远的系统，但不能用于具有单个接收器的系统或小型系统。
121.对于较小形状因数的系统，发射场1120可以通过场整形元件来整形，而不是使用波束成形来整形场。通过对发射场进行整形，可以在不需要多个接收器的情况下实现场方向性。相比之下，传统的波束形成需要至少两个接收器才能获得至少3db的衰减。
122.图12示出了根据本公开的一些实施例的由电极1210产生并由接地元件1220成形的电场1230。接地元件1220与电极1210相邻并且从电极1210“拉动”场。接地元件1220因此使电场1230的形状扭曲以变成比图11中所示的球形/全向场更椭圆的形状。此外，接地元件在其后面形成阴影1240。阴影1240是来自电极1210的电场强度很小或没有电场强度的区域。因为接地元件1220“拉”电场1230，所以接地元件1220还对与接地元件1220相对的场1230的范围具有递减效果。
123.具有接地电极1220的场整形可用于测量给定体积内的平均介电弛豫因子的应用中。改变发射场的形状也会改变测量平均介电弛豫因子的体积的形状。
124.在一些实施方案中，可以通过设计电极1210和电极周围的环境来塑造电场，使得场形状从图11中所示的球形改变。例如，可以在电极1210周围放置多个接地元件以将场强集中在给定方向上。
125.可以使用其他地面形状，例如半壳、圆柱体等，来代替或添加到图11中所示的线性元件1220。其他地面形状可能会更加扭曲场，从而导致甚至更高的方向性。通过场整形获得
的方向性越高，发射的场强越低，这会降低定向传感器的传感能力。然而，通过增加方向性来降低场强，至少部分可以通过增加场强来解决。请注意，除了增加功率使用外，增加场强将导致简单的场失真，如图12中所示的那样，效率降低。
126.对发射场进行整形实现了一种类似于波束形成的方向性形式。定向传感器可用于有效改善各种应用的介电弛豫因子测量。例如，定向传感器可用于前向传感系统，通过将电场引导出给定设备(例如，用于手部或面部检测的手机)。作为另一个示例，定向传感器可用于手势或抓握感测。手势和握力感应的示例应用包括测量手指位置和握力的vr手柄；测量手指位置和握力的手机；或各种用户界面中的虚拟按钮或滑块。在这样的实施例中，由接地元件引起的电场的减小范围是有益的，因为减小的范围使得更容易区分期望信号和不期望信号，或者避免检测到不期望信号。
127.感应耳机的入耳位置
128.在某些耳机中，尤其是无线耳机中，确定耳机是否已插入耳朵和/或戴在用户的头上用于控制设备的开/关功能。例如，当耳机感应到它已放在用户的耳朵中时，耳机会打开，当耳机感应到它已从用户的耳朵中移除或已移除阈值时间长度时，耳机会关闭。与使用其他刺激来打开和关闭耳机(例如确定使用情况的蓝牙活动，或用户控制的开关)相比，这可以延长电池寿命。
129.当前用于确定耳机是否已放在用户耳朵或用户头上的方法包括使用光学测量、电容测量或生物阻抗测量。这些方法中的每一个都有缺点。光学解决方案依赖于测量缺乏环境光，通常是红外光，或测量发射光的反射。这些解决方案很容易被非耳罩(例如用户的手、口袋或包)所欺骗。电容测量在区分耳朵和其他外壳方面比光学解决方案效果更好，但仍然难以区分耳朵和其他身体部位例如手、手指等。生物阻抗与电容测量一样，耳朵里的人体皮肤和人体其他部位的皮肤之间缺乏辨别力。
130.为了更好地区分人耳和其他外壳或身体部位，头戴式耳机可以包括上述传感器系统以获得介电松弛测量值，该测量值可用于确定头戴式耳机周围组织的特性。例如，介电松弛测量可用于区分形成人耳道的人体组织体积与构成张开或闭合手的组织体积。传感器还可以确定它是否在耳机之间的任何人体组织之间具有非组织材料的空间中，例如，在裤子口袋中。
131.图13示出了根据本公开的一些实施例的具有位于用户耳朵1330中的集成阻抗传感器的耳机1300。耳机1300可以是无线耳机。耳机1300包括传感器系统，例如上述传感器系统100。传感器系统包括阻抗电桥，其可以布置在关于图4和8描述的自感测配置或关于图5和7描述的互感测配置中，或者可以在两种配置之间交替。传感器系统由驱动器电路驱动，例如驱动器电路110。传感器系统包括用于产生和感测电场1320的感测元件1310(例如，一个电极或一对电极)，特别是用于感测感测元件1310的环境中的阻抗响应。传感器系统包括电路，例如放大器电路130、信号处理电路140和传感器控制器150，以通过其输出端子接收阻抗电桥的输出，基于阻抗的输出确定耳机1300的位置桥接(例如，是否在用户的耳朵1330中)，并且基于确定的位置改变耳机1300的行为(例如，当耳机1300在用户耳边时开启耳机1300的音频功能，当耳机1300不在用户耳边时关闭耳机1300的音频功能)。
132.图13显示了耳机1300在用户耳朵1330中的位置。图14a和b显示了同一耳机1300在用户手1410内的两个不同位置中的位置。传感器测量传感元件1310环境中的电场强度；电
场强度对应于电场区域内材料的相对介电常数。传感器还可以包括一个或多个用于对电场1320进行整形的接地元件。如图13所示，当耳机1300位于用户的耳朵1330中时，电场1320被引导出耳机1300在用户头部的方向上。
133.传感器系统使用电场1320的测量值来确定耳机1300周围的人体组织的体积。当耳机1300位于用户的耳朵1330中时，电场1320延伸穿过用户头部的一部分并进入耳内。当耳机1300如图14a所示放置在用户的手1410中时，电场1320向上延伸到空气中，因此电场1320延伸穿过比图13中更少的人体组织。当耳机1300如图14b所示放置在用户的手1410中时，电场1320延伸到用户的手1410中，因此图14b中的电场1320到达的人体组织的体积比图13中的大。此外，耳朵1330周围的人体组织的成分与手部的人体组织不同，这导致了不同的介电常数测量值。耳机1300中的介电松弛传感器因此在入耳环境中测量与在手环境中不同的相对介电常数。这允许耳机1300(例如，耳机1300中的控制器连接到传感元件1310)基于测量的介电常数正确地确定耳机1300是否已经放置在用户的耳朵1330或用户的手1410中。
134.以类似的方式，传感器系统可用于区分其他场景，例如口袋中、用户手指中、包中等，因为传感器系统可以根据人耳和耳道的独特结构进行调整。
135.使用阻抗传感器检测材料特性
136.在各种应用中，确定给定设备周围的材料是有益的。例如，对于手机，了解手机是否被放置在桌子上(例如玻璃、木头或钢表面)、用户口袋或包中(例如布或皮革外壳)是很有用的。作为另一个示例，对于自适应扬声器系统，了解低音扬声器放置在哪些材料上并用于反射是有益的。缺乏环境识别使得此类设备难以正确适应其条件，例如，利用有关环境的信息来调整或以其他方式改变产品的行为以适应周围环境。
137.在典型的自适应扬声器、低音扬声器或全音扬声器中，扬声器向下发出声音，通常是在扩音器锥上。这些设置的一个挑战是扬声器单元下方材料的反射。在一些先前的自适应扬声器中，执行长期声学测量以确定整体房间属性。使用单元底部的声学传感器，自适应扬声器可以获得声学测量结果并确定放置扬声器的材料(例如架子)是由什么材料构成的。这允许扬声器适应单元下方环境的声学特性。在一些先前的实施方式中，第二声学传感器被放置在扬声器单元周围以确定扬声器是否被放置在“开放”声学环境中或者扬声器的一侧或多侧是否面向墙壁或其他障碍物。确定扬声器单元周围是否存在障碍物以及障碍物的位置，允许自适应扬声器调整智能扬声器系统中包含的回声消除器和波束成形。使用声音来测量房间内墙壁和其他物体的位置所面临的挑战是这些物体本质上是近场的，并且可能难以检测。
138.图15示出了根据本公开的一些实施例的具有定位在桌子1540上的集成阻抗传感器的扬声器1510。传感器可以获得并利用介电弛豫测量来测量传感器周围环境的平均相对介电常数。扬声器1510包括传感器系统，例如如上所述的传感器系统100。传感器系统包括阻抗电桥，其可以布置在关于图4和8描述的自感测配置或关于图5和7描述的互感测配置中，或者可以在两种配置之间交替。传感器系统由驱动器电路驱动，例如驱动器电路110。传感器系统包括用于产生和感测电场1530的感测元件1520(例如，一个电极或一对电极)，特别是用于感测感测元件1530的环境中的阻抗响应。传感器系统包括电路，例如放大器电路130、信号处理电路140和传感器控制器150，以经由其输出端子接收阻抗电桥的输出并基于阻抗电桥的输出测量感测元件1520的环境中的相对介电常数。
139.传感器测量传感元件1520环境中的电场强度；电场强度对应于电场区域内材料的相对介电常数。传感器还可以包括一个或多个用于整形电场1530的接地元件。如图15所示，当扬声器1510被放置在桌子1540上时，电场1530被引导出扬声器1510的底座并进入桌子1540。附加的或替代的传感器系统可以放置在扬声器1510的其他位置以识别其他方向的材料。
140.示例表1540包括三种不同材料的材料堆叠。图16示出了扬声器1510和桌子1540的横截面，示出了三层，1610、1620和1630。在一个示例中，第一层1610是木头，第二层1620是玻璃，第三层1630是钢的。在其他示例中，可以存在不同数量的层以及不同类型和材料的组合。层1610、1620和1630中的每一个可以具有不同的相对介电常数。例如，木材的相对介电常数在2到4之间，玻璃的相对介电常数在5到10之间，而钢的介电常数无限大，因为它阻挡了电场。此外，对于某些材料，相对介电常数基于电场的频率而变化，即驱动电路110产生的激励信号的频率。
141.对于给定的单个材料堆叠，可以通过测量堆叠的平均相对介电常数并使用以下公式来确定堆叠的成分，其中er(material)是每个单独材料的相对介电常数：
142.avg_relative_permittivity＝sum_over_volume(场强*er(材料))
143.根据测量的介电常数，可以初步估计材料堆叠的组成，作为可检测材料的比率。这种估计的准确性可以通过在一个以上的频率上进行测量来提高，因为各种材料的相对介电常数随激发频率的不同而降低，即材料在一系列激发频率上的相对介电常数响应不同。更具体地，材料的介电常数通常随着电场频率的增加而降低。此外，介电常数随温度升高而下降。在分析测量的介电常数时可以考虑这些因素。
144.可以通过训练分类器(例如基于神经网络的分类器)、通过将传感器以各种频率从各种角度以各种组合暴露于各种类型的可检测材料，并使用传感器收集的测量值训练神经网络使估计的质量可以进一步提高。分类器被训练以识别传感元件1520的环境中的材料。可以通过将传感器校准到“基础”环境来进一步改进估计，该“基础”环境将传感器所在的设备与悬挂在“空”环境中的设备等同起来。以这种方式校准允许我们从我们的传感中移除嵌入传感器的设备，有效地使包含传感器的设备对我们的传感器“不可见”。
145.除了智能扬声器示例之外，材料分类传感器还可用于其他应用，例如根据设备周围的材料改变智能手机、手机或其他类似设备的行为。对于智能手机来说，挑战在于了解智能手机周围的环境，例如智能手机是否在口袋里、桌子上等。通过确定有关其周围环境的信息，智能手机可以根据环境改变其行为。
146.例如，在搁置在平坦表面上的智能手机中使用传感器系统100允许智能手机确定哪一侧朝上，以及哪一侧面向该表面。基于对哪一侧向上的确定，除了其他行为，智能手机可以在扬声器电话模式下更改其扬声器行为，并确定如何向用户指示发生的各种事件(例如显示显示、振动和/或响应来电响铃)。以类似的方式，确定智能手机是否在口袋或包这样的外壳中也允许智能手机改变行为，例如，当智能手机放在口袋里时发出更强的振动但没有声音，或者当智能手机放在包里时不振动但发出更大的声音。
147.图17提供了根据本公开的一些实施例的用于基于集成到电子设备中的阻抗传感器周围环境的介电常数来调整电子设备行为的方法。如上面详细描述的，传感器系统，例如传感器系统100，获得1710阻抗测量值。传感器系统，例如传感器控制器150，基于阻抗测量
或一系列测量来计算1720传感器周围材料的介电常数(例如，感测元件1520下方的桌子1540)，这些测量是针对不同频率的刺激信号获得的测量。传感器系统，例如传感器控制器150，基于介电常数识别1730传感器环境中的一种或多种材料。例如，传感器控制器150使用经过训练以基于测量或测量系列识别材料或材料组的分类器。传感器系统输出1740识别的材料，例如，以控制集成有传感器系统100的设备的电路。例如，传感器系统将识别表1540中的材料堆1610、1620和1630的数据输出到控制自适应扬声器1510的处理器。该设备基于识别的材料改变1750其行为。例如，扬声器1510基于识别的桌面材料改变音频设置。作为另一个示例，智能手机会根据智能手机是面朝上还是面朝下放在桌子上来更改通知、警报设置、音频设置等。
148.使用阻抗传感器检测有机组织特性
149.对于许多医疗应用，了解给定医疗设备周围的组织类型(如浸入式探头)或给定医疗设备前面的组织类型(如组织扫描仪)是有益的。确定组织类型和组织某些特性的现有方法包括侵入性提取、组织取样、昂贵的成像设备(例如x射线或mri)以及由受过培训的医生或外科医生进行的目视检查。使用这些方法，可以确定各种特性，例如组织的类型、组织的健康状况，或者组织内或组织周围是否存在癌性生长。然而，大多数现有方法是侵入性的、容易出错、昂贵和/或可能花费大量时间来获得诊断。
150.一种用于确定是否发生癌性生长的现有方法包括首先通过触摸(牢固/不牢固的组织)、疼痛、变色(红色/非红色)、成像(x-射线、mri)或行为改变(情绪、体温、语言障碍等)或一些其他方法来确定是否存在癌症的可能性。在确定可能存在癌变后，下一步是从相关区域采集组织样本，即活检。然后通常对样品进行光学检查，以确定是否有任何异常生长，如果有，则所述异常生长是否是癌性的。
151.一种现有的去除癌症的方法是通过手术切除生长。随后进行术后治疗(例如放射、化学疗法)，以防止任何遗漏的癌组织导致癌组织再生。在标准外科手术过程中，外科医生通常会去除给定癌性生长周围的多余组织，以确保不会遗漏癌性组织。各种癌症类型都有各种一流的手术治疗方法，而且并非所有癌症都采用相同的治疗方法。在某些情况下，例如去除皮肤癌，去除“太多”组织可能会出现问题。为了避免这种情况，外科医生尝试通过触摸和观察皮肤变色来确定癌变区域的范围。外科医生经过一系列切除疑似癌组织的过程，然后对切除组织的边缘进行光学检查，以确定癌组织到边缘是否有足够的距离。然后外科医生将重复切割和检查，直到确定有足够的间隙。这种重复手术切除，然后进行光学检查和后续切除的方法是目前的标准过程，但它可能会给患者带来压力。使用各种成像技术对不可见的癌症进行成像，例如计算机断层扫描(ct)或磁共振成像(mri)扫描技术。这些成像技术非常强大，但也非常耗时且昂贵。
152.介电松弛传感器可用于识别组织特性，例如以快速且非侵入性的方式区分癌组织和非癌组织。以前的传感器已用于通过测量相对介电常数来确定组织类型，但此类传感器通常使用非常低的频率(《1khz)或非常高的频率(》1ghz)。例如，高频传感器已被用于确定射频暴露的影响。
153.具体而言，上述阻抗传感器，例如传感器系统100，用于扫描组织并确定组织的相对介电常数，该相对介电常数可用于确定组织类型和/或区分不同类型的组织。传感器可以获得并利用介电弛豫测量来测量传感器周围环境的相对介电常数。传感器系统包括阻抗电
桥，其可以布置在关于图4和8描述的自感测配置或关于图5和7描述的互感测配置中，或者可以在两种配置之间交替。传感器系统由驱动电路例如驱动电路110驱动。传感器系统包括用于产生和感测电场的感测元件(例如，一个电极或一对电极)，并且具体地，用于感测感测元件的环境中的阻抗响应。传感器系统包括诸如放大器电路130、信号处理电路140和传感器控制器150之类的电路，以经由其输出端子接收阻抗电桥的输出并基于阻抗电桥的输出测量感测元件的环境中的相对介电常数。在一些实施方案中，传感器控制器150还被配置为基于测量的相对介电常数将组织分类为特定组织类型，或将组织分类为癌性或非癌性组织。
154.已经表明，相对介电常数测量可用于区分各种组织。例如，血液通常具有比肝脏更高的相对介电常数，肝脏比大脑具有更高的相对介电常数，大脑比脂肪具有更高的相对介电常数。此外，测量的组织相对介电常数与频率有关，较低的频率会产生较大的相对介电常数响应。此外，作为频率函数的相对介电常数的变化率与组织有关。
155.上述传感器系统可用于测量传感器周围体积的相对介电常数，并且该测量用于估计材料的混合，如关于图15和16所述。对于组织传感应用，而不是使用传感器系统来识别环境材料的组合，例如木材和金属，传感器系统可用于测量不同的组织成分。例如，可以训练分类器以识别组织的各种组合，方法是将传感器从各种角度以各种频率以各种组合暴露于各种类型的可检测材料，并使用收集的测量值来训练神经网络。
156.该传感器系统能够在多个频率下进行测量，包括100khz至1mhz范围内的频率。对于传感器来说，更低和更高的频率也是可行的。与用于测量相对介电常数的现有传感器不同，本文公开的传感器系统不限于使用非常低或非常高的频率。由于生物组织(与有机组织不同)基于组织类型具有明显的基于频率的退化，因此在多个频率下使用传感器系统通过在多个频率下测量电场来提高其识别不同组织的能力。这些附加信息提高了传感器确定传感器本身周围组织混合的能力。增加方向性，如关于图11和12所描述的，进一步改进了识别，因为传感器可以从测量中过滤掉不需要的传感方向。
157.传感器系统获得的电容测量值可用于区分癌组织和非癌组织。电容与传感器系统获得的介电弛豫测量值相关。该传感器系统高度灵敏，能够测量约1af(10-18
f)的电容，其灵敏度足以检测癌细胞。传感器系统还能够确定正常组织与癌组织的比率。
158.在一个特定示例应用中，传感器系统用于基于正常与癌性脑组织的相对介电常数的频率依赖性来测量脑中癌性与非癌性组织。癌细胞的相对介电常数与正常脑细胞具有不同的频率响应。这可以确定是由给定组织的癌变体的组成引起的。癌细胞的频率依赖性的另一方面是癌细胞的阶段和峰值相对介电常数之间的联系。特别是，已经表明峰值频率根据癌症簇的大小移动，癌症的阶段也会导致峰值频率移动。
159.如上所述，传感器系统可以在一定频率范围内发射电场；特别是，该传感器可以高精度地扫描场频。例如，驱动电路110可以以《500hz的步长调整由耦合到阻抗电桥的电极产生的场的频率。对场频率进行细粒度控制对于准确确定给定癌症簇的阶段以及其大小/半径非常重要。
160.传感器系统可以直接扫描组织(例如，通过将传感器放置在患者体内或身体上)，也可以扫描溶液中的组织。传感器系统可以集成到可插入传感器或可注射装置中，用于访问身体的不同部位。传感器系统可以基于一个测量或一系列测量来确定样本中存在什么类
型的组织，例如，这些测量是使用不同频率的刺激信号序列获得的一系列测量。传感器系统可以基于测量确定样本中是否存在任何异常(例如，癌组织)，并且可以进一步基于测量确定异常的类型(例如，癌症的一个阶段)。传感器系统可以通过产生不同幅度的刺激信号来调整扫描的深度，这会产生不同的电场强度。较高幅值的刺激信号会产生一个电场，该电场会延伸到较大体积的组织中，以进行更深或更广范围的感应，而较低幅值的刺激信号会产生一个电场，该电场会延伸到较小体积的组织中，以进行更局部的感应。如关于图11和12所述，可以使用一个或多个接地元件来塑造场。
161.图18提供了根据本公开的一些实施例的用于基于组织的介电常数对组织进行分类的方法。组织传感器系统，例如传感器系统100的驱动器电路110，产生1810跨感测频率范围的刺激信号序列。传感器系统获得1820跨感测频率范围的一系列阻抗测量值。传感器系统基于阻抗测量确定1830传感器周围材料的介电常数响应。例如，传感器控制器150确定一系列相对介电常数测量值，每个测量值与特定激励频率相关联。如上所述，用不同频率的刺激场重复激发组织会影响获得的相对介电常数测量值。传感器系统基于介电常数响应对组织进行分类1840。传感器系统可以使用基于一组样本组织的相对介电常数响应训练的机器学习分类器。传感器系统输出1850个分类。该分类可以实时使用，例如在手术或活检期间，以指导医生使用传感器。
162.选择例子
163.例子1提供一种感测电路，包括：输入端子；耦合在所述输入端子和第一输出端子之间的第一阻抗元件，其中所述第一阻抗元件是可变阻抗元件；耦合在所述输入端子和第二输出端子之间的第二阻抗元件；耦合到所述第二输出端子的第三阻抗元件；耦合到所述第一输出端子的耦合网络；和放大器电路，耦合到所述第一输出端子和所述第二输出端子，所述放大器电路用于输出与由耦合到所述耦合网络的感测阻抗元件感测的环境特性相关的电压。
164.例子2提供根据例子1的感测电路，感测电路还包括调整所述第一阻抗元件的阻抗以平衡所述感测阻抗元件上的偏移阻抗的电路。
165.例子3提供根据例子1或2的感测电路，其中所述第二阻抗元件是可变阻抗元件。
166.例子4提供根据例子3的感测电路，感测电路还包括电路，用于：基于所述偏移阻抗确定所述第一阻抗元件的第一阻抗；和基于所述偏移阻抗和所述第一阻抗确定所述第二阻抗元件的第二阻抗，其中所述第二阻抗和所述第三阻抗元件的第三阻抗之间的第一阻抗比等于所述第一阻抗和所述偏移阻抗之间的第二阻抗比。
167.例子5提供根据例子4的感测电路，其中第一阻抗和第二阻抗属于第一感测模式的第一组阻抗，和该电路还被配置为确定用于第二感测模式的第一和第二阻抗元件的第二组阻抗。
168.例子6提供根据上述任何例子的感测电路，感测电路还包括驱动电路，用于产生刺激信号，调整所述刺激信号的频率，并在输入端子处施加所述刺激信号。
169.例子7提供根据例子6的感测电路，其中所述驱动电路被配置为向输入端子施加多个刺激信号，和所述多个刺激信号中的每一个具有不同的频率。
170.例子8提供根据例子6或7的感测电路，感测电路还包括将所述刺激信号与所述放大器电路的输出相关联的信号处理电路，所述信号处理电路耦合到所述放大器电路并耦合
到所述驱动电路。
171.例子9提供根据上述任何例子的感测电路，其中第一、第二和第三阻抗元件中的每一个包括串联的电容器和电阻器。
172.例子10提供根据上述任何例子的感测电路，其中第一和第二阻抗元件各自包括电容器和与电容器并联布置的上拉电阻器。
173.例子11提供根据上述任何例子的感测电路，其中所述耦合网络耦合接地。
174.例子12提供根据例子11的感测电路，其中所述第三阻抗元件耦合在所述第二输出端子和接地之间。
175.例子13提供根据上述任何例子的感测电路，感测电路还包括耦合到所述耦合网络的第二输入端子。
176.例子14提供根据例子13的感测电路，其中所述第三阻抗元件耦合在所述第二输出端子和所述第二输入端子之间。
177.例子15提供传感器系统，包括：驱动电路，用于产生周期性刺激信号；阻抗电桥，包括第一阻抗元件、第二阻抗元件和第三阻抗元件，其中所述第一阻抗元件是可变阻抗元件；输入端子，耦合至所述驱动电路并耦合至所述阻抗电桥，以将所述刺激信号施加至所述阻抗电桥；耦合到所述阻抗电桥的第一输出端子的耦合网络；和耦合到所述阻抗电桥的第一输出端子和第二输出端子的放大器电路,所述放大器电路被配置为基于来自所述第一输出端子和所述第二输出端子的信号来输出电压。
178.例子16提供根据例子15的传感器系统，传感器系统还包括电路，用于调整所述第一阻抗元件的阻抗，以平衡耦合到所述耦合网络的感测阻抗元件上的偏移阻抗。
179.例子17提供根据例子15或16的传感器系统，其中所述第二阻抗元件是可变阻抗元件，并且传感器系统还包括电路，用于：基于所述偏移阻抗确定所述第一阻抗元件的第一阻抗；和基于所述偏移阻抗和所述第一阻抗确定所述第二阻抗元件的第二阻抗，其中所述第二阻抗和所述第三阻抗元件的第三阻抗之间的第一阻抗比等于所述第一阻抗和所述偏移阻抗之间的第二阻抗比。
180.例子18提供根据例子15至17中任何一个的传感器系统，其中所述驱动电路被配置为产生多个周期性刺激信号，每个周期性刺激信号具有各自的频率，并将所述多个周期性刺激信号施加于所述输入端子。
181.例子19提供根据例子15至18中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括信号处理电路，用于将所述周期性刺激信号与所述放大器电路的输出相关联，所述信号处理电路耦合到所述放大器电路并耦合到所述驱动电路。
182.例子20提供根据例子15至19中任何一个的传感器系统，其中第一、第二和第三阻抗元件中的每一个包括串联的电容器和电阻器。
183.例子21提供一种检测环境特征变化的方法，该方法包括：基于偏移阻抗，确定第一阻抗元件的第一阻抗，该第一阻抗元件和第二阻抗元件以及第三阻抗元件布置为阻抗电桥；根据确定的第一阻抗来配置所述第一阻抗元件；向所述阻抗电桥施加周期性刺激信号；和通过第一输出端子和第二输出端子接收所述阻抗电桥的输出。
184.例子22提供根据例子21的方法，该方法还包括：确定所述第一阻抗和所述偏移阻抗之间的第一阻抗比；和基于所述第一阻抗比确定所述第二阻抗元件的第二阻抗，其中所
述第二阻抗和所述第三阻抗元件的第三阻抗之间的第二阻抗比等于所述第一阻抗比。
185.例子23提供根据例子22的方法，其中第一阻抗和第二阻抗属于第一感测模式的第一组阻抗，并且该方法还包括：确定用于第二感测模式的第一和第二阻抗元件的第二组阻抗,所述第二组阻抗基于用于第二感测模式的第二偏移阻抗。
186.例子24提供根据例子21至23中任何一个的方法，该方法还包括在放大器电路处接收来自所述第一输出端子的第一信号和来自所述第二输出端子的第二信号；放大所述第一信号和所述第二信号之间的电压差；和将所述电压差转换为数字输出信号。
187.例子25提供根据例子21至24中任何一个的方法，该方法还包括在信号处理电路处接收所述阻抗电桥的输出和所述周期性刺激信号；和将所述周期性刺激信号与所述阻抗电桥的输出相关联。
188.例子26提供根据例子21至25中任何一个的方法，其中所述阻抗电桥的输出是在第一时间获得的第一输出，并且该方法还包括：在第二时间向所述阻抗电桥施加第二周期性刺激信号；经由所述第一输出端子和所述第二输出端子接收所述阻抗电桥的第二输出；和确定从所述第一时间到所述第二时间的感测阻抗的变化,所述感测阻抗的变化与所述感测阻抗元件感测的环境特性的变化有关。
189.例子27提供传感器系统，包括阻抗电桥，该阻抗电桥包括布置为电桥配置的第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件和耦合网络；第一输入端子，耦合到所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件，并被配置为向所述阻抗电桥施加第一刺激信号；第二输入端子，在第一模式下耦合到所述耦合网络和所述第三阻抗元件，以向所述阻抗电桥施加第二刺激信号；和至少一个开关，耦合到所述第二输入端子，所述至少一个开关可控制以在第二模式下将所述第二激励信号从所述耦合网络和所述第三阻抗元件解耦。
190.例子28提供根据例子27的传感器系统，其中耦合网络包括可耦合到多个电极的电极开关矩阵，多个电极包括至少两个感测电极。
191.例子29提供根据例子28的传感器系统，其中在第一模式下，所述电极开关矩阵耦合到第一感测电极和第二感测电极，并且所述阻抗电桥的输出与所述第一感测电极和所述第二感测电极之间的电容变化相关。
192.例子30提供根据例子27或28的传感器系统，其中在第二模式下，所述电极开关矩阵耦合到所述感测电极中的一个，并且所述阻抗电桥的输出与所述感测电极环境中的电场变化相关。
193.例子31提供根据例子27至30中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括电路，用于：从所述多个电极中选择电极；和指示所述电极开关矩阵将所述耦合网络的端子耦合到与所选电极对应的管脚。
194.例子32提供根据例子27至31中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括驱动电路，以在第一模式下将所述第一刺激信号施加到所述第一输入端子。
195.例子33提供根据例子27至32中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括驱动电路，在第二模式下，将所述第一刺激信号施加到所述第一输入端子，并且将所述第二刺激信号施加到所述第二输入端子，所述第二刺激信号具有与所述第一刺激信号相反的相位。
196.例子34提供根据例子27至33中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括驱动电路，用于在第一模式下产生具有第一频率的第一刺激波形，以及在第二模式下产生具有第
二频率的第二刺激波形。
197.例子35提供根据例子27至34中任何一个的传感器系统，其中所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件是可变阻抗元件。
198.例子36提供根据例子27至35中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括在第一模式和第二模式之间可重新配置的放大器电路，所述第一模式下的放大器电路包括：第一级，用于将所述第一输出端子和所述第二输出端子之间的电荷转换为电压；和第二级，用于放大所述第一级的输出和所述第一输出端子之间的电压差。
199.例子37提供根据例子27至36中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括在第一模式和第二模式之间可重新配置的放大器电路，在第二模式下，放大器电路包括至少一个全差分放大器，以放大阻抗电桥的第一输出端子和阻抗电桥的第二输出端子之间的电压差。
200.例子38提供根据例子27至37中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括驱动电路，用于以多个频率设置生成第一刺激信号和第二刺激信号，和用于为所述驱动电路选择所述多个频率设置中一个的电路。
201.例子39提供根据例子27至38中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括电路，用于选择第一个模式和第二个模式之一。
202.例子40提供根据例子27至39中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括具有多个增益设置的放大器电路和为所述放大器电路选择增益设置的电路。
203.例子41提供根据例子27至40中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括电路，用于：指示传感器系统以不同的传感器设置序列获得测量序列，传感器设置包括传感器模式、刺激信号频率、刺激信号振幅和电极选择中的至少一种。
204.例子42提供一种用于感测阻抗的方法，该方法包括接收第一指令以在第一模式中配置传感器，该传感器系统包括：布置为电桥配置的第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件和耦合网络；响应于所述第一指令，将所述耦合网络耦合到第一电极和第二电极；接收第二指令以在第二模式下配置所述传感器；和响应于所述第二指令，将所述耦合网络与所述第二电极解耦。
205.例子43提供根据例子42的方法，该方法还包括响应于所述第一指令，向耦合到所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件的第一输入施加第一刺激信号，并向耦合到所述耦合网络和所述第三阻抗元件的第二输入施加第二刺激信号；和响应于所述第二指令，将所述第二刺激信号与所述耦合网络和所述第三阻抗元件解耦。
206.例子44提供根据例子43的方法，该方法还包括响应于所述第二指令向所述第一输入施加第三刺激信号，所述第三刺激信号具有与所述第一刺激信号不同的频率。
207.例子45提供根据例子42至44中任何一个的方法，该方法还包括响应于所述第二指令，调整所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件中的至少一个的阻抗设置。
208.例子46提供根据例子42至45中任何一个的方法，该方法还包括执行校准程序，包括基于第一模式的第一偏移阻抗，确定所述第一、第二和第三阻抗元件的第一组阻抗，和基于第二模式的第二偏移阻抗，确定所述第一、第二和第三阻抗元件的第二组阻抗，其中所述第二组阻抗中的至少一个不同于所述第一组阻抗中的至少一个。
209.例子47提供传感器系统，该传感器系统包括阻抗电桥，该阻抗电桥包括布置为电
桥配置的第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件和耦合网络；驱动电路，用于在第一模式下产生施加到阻抗电桥的第一输入端子的第一刺激信号，并在第二模式下产生第二刺激信号和具有所述第二刺激信号的相反相位的第三刺激信号，所述第二刺激信号施加到所述第一输入端子；和在所述驱动电路和所述阻抗电桥之间耦合的至少一个开关，该至少一个开关可控制以在第二模式下将所述第三刺激信号耦合到所述阻抗电桥。
210.例子48提供根据例子47的传感器系统，其中耦合网络包括可耦合到多个电极的电极开关矩阵，多个电极包括至少两个感测电极，电极开关矩阵在第一模式中耦合到感测电极中的一个，并且电极开关在第二模式中耦合到一对感测电极。
211.例子49提供根据例子47或48的传感器系统，其中在所述第一模式下施加的第一刺激信号具有第一频率，并且在所述第二模式下施加的第二刺激信号和第三刺激信号具有不同于所述第一频率的第二频率。
212.例子50提供根据例子47至49中任何一个的传感器系统，其中所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件是可变阻抗元件。
213.例子51提供根据例子47至50中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括在第一配置和第二配置之间可重新配置的放大器电路，所述第二配置包括：第一级，用于放大第一输出端子和第二输出端子之间的电压差；和第二级，用于放大所述第一级的输出和所述第一输出端子之间的电压差。
214.例子52提供传感器系统，包括阻抗电桥，所述阻抗电桥包括布置为电桥配置的第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件和感测阻抗元件；所述第一阻抗元件具有可变阻抗；耦合到所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件的第一输入端子，所述第一输入端子被配置为向所述阻抗电桥施加刺激信号；以及接地元件，位于所述感测阻抗元件附近，所述接地元件被配置成响应于朝向接地元件的刺激信号，使由感测阻抗元件产生的电场失真。
215.例子53提供根据例子52的传感器系统，其中接地单元是线性单元、半壳单元和圆柱单元之一。
216.例子54提供根据例子52或53的传感器系统，传感器系统还包括电路，用于：测量感测阻抗元件周围给定体积内的阻抗响应，该体积包括感测阻抗元件产生的电场区域，该电场区域至少具有阈值场强。
217.例子55提供根据例子52至54中任何一个的传感器系统，传感器系统还包括电场内的第二接地元件，所述第二接地元件被配置成朝向所述第二接地元件进一步扭曲电场。
218.例子56提供根据例子52至55中任何一个的传感器系统，其中传感阻抗元件和接地元件集成在电子装置中，并且传感阻抗元件和接地元件被布置成将将电场指向该装置之外的方向。
219.例子57提供一种用于测量相对介电常数的传感器系统，所述传感器系统包括阻抗电桥，所述阻抗电桥包括布置为电桥配置的第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件和耦合网络，第一阻抗元件具有可变阻抗，阻抗电桥还包括一对输入端子和一对输出端子；驱动电路，用于将刺激信号施加到阻抗电桥，其中耦合网络可耦合到电极对，以响应于所施加的刺激信号在电极上产生电场，并感测电极对环境中的阻抗响应；以及电路，被配置为经由所述一对输出端子接收所述阻抗电桥的输出，并基于所述阻抗电桥的输出测量所述电极对的环境中的相对介电常数。
220.例子58提供根据例子57的传感器系统，其中该电路还被配置为基于相对介电常数识别电极对环境中的材料。
221.例子59提供根据例子58的传感器系统，其中驱动电路被配置为产生多个刺激信号，其中每个刺激信号是频率范围内具有各自频率的正弦波，并且电路被配置为基于在整个频率范围内测量的相对介电常数的变化来识别电极对环境中的材料。
222.例子60提供根据例子58或59的传感器系统，其中传感器系统嵌入智能扬声器中，配置为基于识别的材料调整音频设置。
223.例子61提供根据例子58或59的传感器系统，其中传感器系统嵌入在智能手机中，配置为基于识别的材料调整智能手机的行为。
224.例子62提供根据例子59至61中任何一个的传感器系统，其中该电路被配置为使用分类器识别材料，该分类器通过在多个频率下对多个可检测材料的阻抗测量进行训练，其中分类器的输出识别电极对环境中的材料。
225.例子63提供根据例子62的传感器系统，其中分类器由多个可检测材料的多个排列进行训练，并且电路被配置为使用分类器识别一组堆叠材料。
226.例子64提供一种用于对组织进行分类的组织传感器，所述传感器包括阻抗电桥，所述阻抗电桥包括布置为电桥配置的第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件和耦合网络，阻抗电桥还包括一对输入端子和一对输出端子；驱动电路，用于将刺激信号施加到阻抗电桥，其中耦合网络可耦合到电极对，以响应于所施加的刺激信号在电极上产生电场，并感测电极对环境中的阻抗响应；以及电路，被配置为基于阻抗电桥的输出测量电极对环境中的相对介电常数，并基于相对介电常数对电极对环境中的至少一个组织进行分类。
227.例子65提供根据例子64的组织传感器，其中所述第一阻抗元件是可变阻抗元件，并且所述电路进一步配置为调整所述可变阻抗元件以平衡所述电极对上的偏移阻抗。
228.例子66提供根据例子64或65的组织传感器，其中驱动电路被配置为在相应的多个频率上应用多个刺激信号，并且电路被配置为测量作为频率函数的相对介电常数，并基于作为频率函数的相对介电常数对至少一个组织进行分类。
229.例子67提供根据例子66的组织传感器，其中多个频率包括100khz至1mhz范围内的频率。
230.例子68提供根据例子64至67中任何一个的组织传感器，其中该电路被配置为将电极对环境中的至少一个组织分类为癌组织或非癌组织。
231.例子69提供根据例子64至68中任何一个的组织传感器，其中驱动电路包括可调电压源，用于产生具有可调幅度的刺激信号，组织传感器还包括根据指示传感器要分析的组织体积的设置来调整刺激信号幅度的电路。
232.例子70提供一种耳机，该耳机包括阻抗电桥，该阻抗电桥包括布置为电桥配置的第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件和耦合网络，耦合网络可耦合到至少一个电极，阻抗电桥还包括输入端子和一对输出端子；驱动电路，用于将刺激信号施加到阻抗电桥，其中所述至少一个电极被配置为在所述至少一个电极的环境中感测阻抗响应；以及电路，被配置为经由所述一对输出端子接收所述阻抗电桥的输出，基于所述阻抗电桥的输出确定所述耳机的位置，并基于所确定的所述耳机的位置改变所述耳机的行为。
233.例子71提供根据例子70的耳机，其中该电路被配置为确定耳机是否位于用户耳朵
内，并且该电路被配置为响应于确定耳机位于用户耳朵内而打开耳机的音频功能。
234.例子72提供根据例子70或71的耳机，其中该电路被配置为确定耳机是否位于用户耳朵内，并且该电路被配置为响应于确定耳机未位于用户耳朵内而关闭耳机的音频功能。
235.例子73提供根据例子70至72中任何一个的耳机，其中所述第一阻抗元件是可变阻抗元件，该电路还被配置为调整所述可变阻抗元件以平衡所述至少一个电极上的偏移阻抗。
236.例子74提供根据例子70至73中任何一个的耳机，所述耳机还包括至少一个接地元件，所述接地元件位于由所述至少一个电极产生的电场中，并且被配置成在远离所述接地元件的方向上扭曲电场。
237.其他实施说明、变化和应用
238.应当理解，根据本文描述的任何特定实施例，不一定可以实现所有目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，某些实施例可以被配置为以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式操作，而不必实现如本文所教导或建议的其他目标或优点。
239.在一个示例实施例中，附图的任意数量的电路可以在相关电子设备的板上实现。该板可以是通用电路板，可以容纳电子设备内部电子系统的各种组件，并且还可以为其他外围设备提供连接器。更具体地说，该板可以提供电连接，系统的其他组件可以通过该电连接进行电通信。任何合适的处理器(包括数字信号处理器、微处理器、配套芯片组等)、计算机可读的非瞬态存储元件等都可以根据特定的配置需求、处理需求、计算机设计等适当地耦合到电路板。其他组件，例如外部存储器、附加传感器、音频/视频显示控制器和外围设备可以作为插卡、通过电缆连接到板上，或集成到板本身中。在各种实施例中，本文描述的功能可以仿真形式实现为运行在一个或多个可配置(例如，可编程)元件内的软件或固件，这些可配置元件布置在支持这些功能的结构中。提供仿真的软件或固件可以在包括指令的非暂时性计算机可读存储介质上提供以允许处理器执行那些功能。
240.还必须注意，此处概述的所有规格、尺寸和关系(例如，处理器的数量、逻辑操作等)仅出于示例和教学的目的而提供。在不背离本公开的精神或所附权利要求的范围的情况下，此类信息可以有很大的变化。这些规范仅适用于一个非限制性示例，因此，它们应该被如此解释。在前面的描述中，已经参考组件的特定布置描述了示例实施例。在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。
241.注意，对于这里提供的众多示例，可以根据两个、三个、四个或更多个组件来描述交互。然而，这样做只是为了清楚和举例。应该理解，系统可以以任何合适的方式合并。除了类似的设计替代方案之外，附图中所示的任何组件、模块和元件都可以使用。可以组合成各种可能的配置，所有这些显然都在本规范的广泛范围内。
242.注意，在本说明书中，对包括在“一个实施例”、“示例实施例”、“另一个实施例”、“一些实施例”、“各种实施例”、“其他实施例”、“替代实施例”等中的各种特征(例如，元件、结构、模块、组件、步骤、操作、特性等)的引用旨在表示任何这样的特征被包括在本公开的一个或多个实施例中，但是可以或可以不必在相同的实施例中组合。
243.本领域技术人员可以确定许多其他变化、替代、变化、变更和修改，并且本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的所有这些变化、替代、变化、变更和修改。注意，上述系统
和方法的所有可选特征也可以相对于本文描述的方法或系统来实现，并且示例中的细节可以在一个或多个实施例中的任何地方使用。
244.为了帮助美国专利商标局(uspto)以及另外，根据本技术颁发的任何专利的任何读者解释所附权利要求，申请人希望注意申请人：(a)不打算将任何所附权利要求援引35u.s.c.第112条(f)款，因为它在提交之日存在，除非在特定权利要求中特别使用了“手段”或“步骤”等词；(b)不打算通过说明书中的任何陈述，以未在所附权利要求中以其他方式反映的任何方式限制本公开。