具有传感器电极、屏蔽电极和背电极的电容式传感器系统

摘要

具有传感器电极、屏蔽电极和背电极的电容式传感器系统，控制和评估电路与传感器电极相联并检测其相对于基准电位的电容变化，即：将其以预定频率周期性反复与预定第一电位相联并评估依赖于其周期性充放电电流或电压分布的至少一个参数。背电极设在传感器电极后，屏蔽电极设在它们间并通过控制和评估电路以不影响测得的电容且其电位跟踪传感器电极电位的方式与传感器电极相联。控制和评估电路控制背电极，其电位以预定频率周期性在基准电位与相对基准电位具有与第一电位相同极性的第二电位间转换。至少在传感器电极与第一电位相联的部分时间内，将背电极调设到基准电位。至少在传感器电极不与第一电位相联的部分时间内，将背电极调设到第二电位。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容式传感器系统，所述传感器系统具有传感器电极，利用该传感器电极会对物体进入传感器电极前面空间内的过程进行检测，所述传感器系统还具有与传感器电极相联(koppeln)的控制和评估电路，该控制和评估电路对传感器电极相对于基准电位的电容的变化进行检测，方法是：该电路将传感器电极以预先规定的频率周期性反复地与预先规定的第一电位相联并且对依赖于传感器电极周期性充电和放电的电流分布或者电压分布的至少一个参数进行评估，用以检测电容变化。 

背景技术

例如由美国专利5,730,165或相应的专利文献DE 196 81 725 B4公知一种开头所述类型的电容式传感器系统，在该电容式传感器系统中，基准电位为接地电位并且第一电位为运行电压电位，并且其中，依赖于传感器电极周期性充电和放电的电流分布或者电压分布的参数是可以在电容器处测得的电压，该电压依赖于聚集在电容器上的电荷，其中，所述电荷以如下方式聚集，即，周期性反复地使传感器电极通过与供电电压电位相联而充电并且随后通过与电容器相联而经由该电容器放电。另一种类型的电容式传感器由专利文献EP 1 339 025 B1有所公开。 

例如由公开文献EP 0 518 836 A1、US 6,825,752B2、DE 101 31243 C1和DE 10 2006 044 778 A1公知如下的电容式传感器系统，该电容式传感器系统具有传感器电极、相距地设置在传感器电极后面的接地背电极(Hintergrundelektrode)以及具有屏蔽电极，所述屏蔽电极设置在传感器电极与接地背电极之间并且通过控制和评估电路以如下方 式与传感器电极相联，即，使该屏蔽电极对传感器电极相对于地电位测得的电容没有影响并且该屏蔽电极的电位对传感器电极的电位进行跟踪。由这些文献所公开的、屏蔽电极设置在传感器电极与处于接地电位上的背电极之间的方案具有如下优点，即，这样形成的电容式传感器对于传感器电极前面的空间内的改变的灵敏度得以提高，这种改变例如由于物体进入而引起。这一点首先在于，从传感器电极扩散的电场更强地延伸进入传感器电极前面的空间内，这是因为就像在没有屏蔽电极的情况下那样，大部分电场不再短接至处于接地电位上的背电极。屏蔽电极与传感器电极以如下方式相联，即，屏蔽电极对传感器电极的电位进行跟踪，由于这种情况在屏蔽电极与背电极之间形成强电场；但首要地，实际上不由在传感器电极与依据电位被跟踪的屏蔽电极之间形成电场。 

发明内容

本发明基于如下任务，即，可以对如下空间区域进行更好地界定，例如对该空间区域进行有针对性地取向，在该空间区域内，例如电容式传感器系统可以对预先规定的物体的进入进行检测，该空间区域也就是探测区域。 

根据本发明，该任务通过一种具有权利要求1所述特征的电容式传感器系统得以实现。依据本发明的电容式传感器系统包括传感器电极，利用该传感器电极会对物体进入传感器电极前面空间内的过程进行检测，还包括至少一个相距地设置在传感器电极后面的背电极以及包括屏蔽电极。与传感器电极相联的控制和评估电路对传感器电极相对于基准电位的电容的变化进行检测，方法是：该控制和评估电路将传感器电极以预先规定的频率周期性反复地与预先规定的第一电位相联并且对依赖于传感器电极周期性充电和放电的电流分布或者电压分布至少一个参数进行评估，用以检测电容变化。电压分布例如可以是传感器电极连接部处的电压分布。参数例如可以是在聚集电荷的电容器处测得的电压，或者是直至在传感器电极上测得的电压超过切换阈 值为止进行的充电和放电的周期的确定数目。屏蔽电极通过控制和评估电路以如下方式与传感器电极相联，即，屏蔽电极对传感器电极相对于基准电位测得的电容没有影响并且屏蔽电极的电位基本上跟踪传感器电极的电位。采用“跟踪”的概念在这里表达的是：屏蔽电极的电位无需等于传感器电极的电位并且传感器电极的电位分布与屏蔽电极的电位之间存在时间上的偏差。此外，采用“基本上”一词要表达的是：屏蔽电极不必在传感器电极充电和放电的整个周期内对传感器电极的电位进行跟踪；屏蔽电极至少在周期的分段内对传感器电极的电位进行跟踪就足够了，例如在传感器电极充电期间对传感器电极的电位进行跟踪，并且在传感器电极放电期间降到接地基准电位，而传感器电极的电位仍保持在不同于地电位的电位上。所述背电极或者至少一个背电极与控制和评估电路相联并且以如下方式被控制，即，所述背电极的电位以预先规定的频率周期性地在基准电位与第二电位之间转换，该第二电位相对于基准电位具有与第一电位相同的极性，其中，背电极至少在传感器电极与第一电位相联的那段时间的一部分期间调设到基准电位上，以及至少在传感器电极不与第一电位相联的那段时间的一部分期间调设到第二电位上。第二电位可以是运行电压或者也可以是不同于运行电压(更小或者更大)的电压。虽然在优选的实施方式中，背电极的电位分布与传感器电极和屏蔽电极的电位分布互补，但在其他实施例中，既存在传感器电极的转换与背电极的转换之间时间上的偏差，也存在转换时不同的占空比。 

本发明基于如下基本构想，即，取代始终处于恒定接地电位和运行电压电位上的背电极，使用如下的背电极，传感器电极在充电与放电状态之间转换时，该背电极互补地在接地电位与运行电压电位之间转换，其中，还应覆盖如下的实施方式，在该实施方式中，所述转换以在时间上偏差的方式，以不同的占空比或者在电位不同的情况下发生。 

在电容式传感器系统的优选的实施布置方案中，基准电位为地电 位并且相当于第一电位以及第二电位相当于控制和评估电路的供电电压相对于地电位的电位。在该优选的实施方式中，背电极以如下方式被控制，即，背电极的电位在传感器电极处于第一电位上的那段时间期间，也就是优选处于供电电压上的那段时间期间，调设到基准电位，优选为地电位。此外，背电极以如下方式控制，即，背电极的电位在传感器电极不处于第一电位上的那段时间期间，也就是不处于运行电压上的那段时间期间，调设到第二电位上。背电极优选以如下方式控制，即，背电极的电位以与传感器电极切换到第一电位上相同的占空比切换到基准电位上。在该优选的实施方式中，占空比为50％并且两个电极同步转换。出于这一原因，背电极在该优选的实施方式中称为“互补电极”。 

可以设想的是如下的实施方式，其中，多个并排设置的背电极处于传感器电极和屏蔽电极的后面，所述背电极中的至少一个与控制和评估电路相联并且以如下方式被控制，即，该背电极的电位周期性地以预先规定的频率在基准电位与第二电位之间转换。其它背电极例如可以处于基准电位上。在背电极的后面也可以设置有处于恒定电位上的其他电极，例如处于地电位上的其他电极。 

传感器电极周期性反复地与预先规定的第一电位以如下频率相联，例如与运行电压相联，所述频率例如处于50kHz到5MHz之间，优选处于125kHz到1MHz之间的范围内。 

依据本发明的电容式传感器系统的一种优选改进方案的特征在于，传感器电极、与传感器电极连接的基准电容器、屏蔽电极和背电极分别与微控制器的至少一个输出端口连接，其中，微控制器处于控制和评估电路中并且可以通过端口将电极要么与运行电压要么与地电位相联或高阻地断开，从而微控制器以程序控制的方式将传感器电极的端口交替地调设到运行电压上及高阻地断开，将基准电容器的端口基本上与传感器电极的端口同步地交替地高阻地断开及调设到地电位 上，屏蔽电极对传感器电极的电位进行跟踪，方法是：微控制器将屏蔽电极的端口与传感器电极的端口同步地交替地调设到运行电压及调设到地电位上，以及将背电极的端口在地电位与运行电压之间转换，其中，背电极的端口至少在传感器电极的端口处于运行电压上的那段时间的一部分期间调设到地电位上，并且至少在传感器电极的端口不处于运行电压上的那段时间的一部分期间调设到运行电压上。在这种优选实施方式的改进方案中，无论是屏蔽电极还是互补电极均与微控制器的各两个端口相联，其中，一个端口用于将所属的电极调设到运行电压上，而另一个端口则用于将所属的电极调设到地电位上。这产生了更高的转换速度。 

在最后所提到的改进方案的一种优选实施方式中，传感器电极的端口附加地具有带A/D转换器的输入端口，在输出端口高阻地断开的情况下，该输入端口被激活。由此，输入端口可以对呈施加的电压的形式的、累积在基准电容器上的电荷进行测量，其中，A/D转换器输出与该电压相应的数字值。然后将产生的数字值例如与基准数字值进行比较，后者相当于预先规定的电压阈值。 

上述传感器系统的实施方式例如可以设置在汽车的后保险杠内并且有针对性地检测操作者身体部分(脚)的接近并在依赖于此的情况下打开行李舱锁。 

本发明具有优点的和/或者优选的改进方案在从属权利要求中予以说明。 

附图说明

下面借助附图中所示的优选实施例对本发明进行详细说明。在附图中： 

图1示出电容式传感器系统优选实施方式的三个电极的布置方案及这三个电极与控制和评估电路的联接方案的示意图； 

图2示出在该优选实施例中传感器电极、屏蔽电极和背电极上电位分布的示意图； 

图3示出依据本发明的传感器系统的优选实施例的示意图，其中，三个电极与一个微控制器相联；以及 

图4示出具有背电极的另选控制方案的三个电极的电位分布。 

具体实施方式

图1示出依据本发明的电容式传感器系统的示意图，该传感器系统包括传感器电极系统1以及控制和评估电路5。传感器电极系统1的各个电极通过信号线路与控制和评估电路5相联，其中，控制和评估电路也可以包括多个结构上分开的、设置在不同位置上的部件。控制和评估电路5的向传感器电极系统1的电极施加预先规定电压或检测各个传感器电极电压电位的那些组成部件设置在传感器电极系统1的附近，以便将馈线长度保持得很短并将寄生电容保持得尽可能小。 

传感器电极系统1优选设置在如下的物体表面上，所要监测的空间6处于该物体表面的前面，其中，电容式传感器系统会对物体进入该空间6内的过程进行检测。该空间6具有何种尺寸，一方面依赖于传感器电极系统1的大小和形状，而另一方面依赖于与传感器电极系统1相联的控制和评估电路5的灵敏度。传感器电极系统1例如可以设置在汽车部件的表面上或者直接设置在汽车部件的表面后面，该汽车部件例如是门把手，以便对操作者身体部分进入传感器电极系统1前面空间6内的过程进行检测。例如，只要检测到操作者身体部分进入传感器电极系统1前面的空间6内，就触发汽车内确定的切换过程或者其它进程。 

图1中所示的传感器电极系统1首先包括传感器电极4，借助传感器电极4会对物体进入空间6内的过程进行检测。与传感器电极4通过信号线路相联的控制和评估电路5对传感器电极相对于基准电位，优选相对于地电位的电容的变化进行检测，方法是：该控制和评估电 路5将传感器电极4以预先规定的频率周期性反复地与预先规定的第一电位相联，例如与运行电压相联并且对依赖于传感器电极4周期性充电和放电的电流分布或者电压分布的至少一个参数进行评估，用以检测电容变化。这一点在优选的实施例中如何进行，下面借助图2进行说明。 

传感器电极系统1此外包括相距地设置在传感器电极4后面的屏蔽电极3以及又相距地设置在屏蔽电极3后面的背电极2。屏蔽电极3通过控制和评估电路5以如下方式与传感器电极4相联，即，屏蔽电极3对传感器电极4相对于基准电位(例如地电位)测得的电容没有影响以及屏蔽电极3的电位跟踪传感器电极4的电位。这一点在优选的实施例中如何进行，下面同样借助图2进行说明。 

背电极2以如下方式进行控制，即，背电极2的电位以同一预先规定的频率周期性地在基准电位(例如地电位)与第二电位之间转换。第二电位相对于基准电位具有与第一电位相同的极性并且例如也可以等于第一电位。至少在传感器电极4与第一电位相联的那段时间的一部分期间，背电极调设到基准电位上，例如调设到地电位上。至少在传感器电极4不与第一电位相联的那段时间的一部分期间，背电极2调设到第二电位上。这一点也对于优选实施例结合图2详细介绍。 

具有背电极2、屏蔽电极3和传感器电极4的传感器电极系统1可以不同地构成。不需要使用彼此平行的平面板电极；这些电极例如也可以是弯曲的。电极的大小依赖于各自的应用领域。例如，如果应当对处于小尺寸传感器表面直接附近的相对小的空间6进行检测的话，例如像对于门把手上的接触开关可能就是这种情况，那么传感器电极4以及设置在其后面的屏蔽电极3和背电极2的尺寸同样相对小。这些电极可以由任意导电的材料组成；例如可以是多层电路板的金属化平面。传感器电极2、3和4通过绝缘层彼此分开，其中，绝缘层例如可以由塑料组成。 

控制和评估电路5的电压供应在图1中通过供电电压连接部7和地电位连接部8表示。不言而喻地，也可以设想如下的实施方式，在这些实施方式中，向控制和评估电路5输送多种不同供电电压。 

图2示意示出通过控制和评估电路5对电极的控制产生的电压分布(或者关于基准电位的、例如像关于地电位的电位分布)。上面示出的分布10表示传感器电极4处的电位分布。在该实施例中，传感器电极4周期性反复地以预先规定的时间与运行电压相联，从而电位分布10的电位在所述时间内上升到高运行电压并在施加运行电压的时间停留在那里。在此，具有相对于基准电位地电位的电容的传感器电极进行充电。在每个周期的各第二半部期间，传感器电极4与基准电容器的一个电极相联，而基准电容器的其他电极则与地电位相联。在此，一部分聚集在传感器电极4上的电荷传递到基准电容器16上。聚集的电荷还有因此所传递的电荷例如依赖于物体是否处于传感器电极4前面的空间6内。在这些时间周期中，传感器电极4上的电位或传感器电极4与基准电容器之间的连接节点与地电位之间的电压降到与传递到基准电容器上的电荷成比例的数值。传感器电极4通过与运行电压的连接而充电的过程和传感器电极4通过基准电容器进行放电的过程多次反复，其中，电荷分别重新从传感器电极4传递到基准电容器上。这一点也导致电位分布在电位处于低电平上的时间期间缓慢上升。在此，由与传感器电极4与基准电容器之间的连接节点连接的电路来检测该电位是否超过阈电压U_S。此外，对为使这种上升超过阈电压U_S所需的脉冲进行计数。这些脉冲的数目表示传感器电极4相对于基准电位(地电位)的电容的规格。只要传感器电极相对于地电位具有相对高的电容，因为例如与地电位相联的物体进入空间6内并处于传感器电极4的附近，那么为超过阈电压U_S仅需相对少的脉冲。如果传感器电极4相对于地电位具有相对小的电容，因为例如空间6是空的，那么为阈电压U_S的这种超出则需要相对多的脉冲。在已发现超过阈值后，通过基准电容器首先放电而重新开始测量循环。随后，再次对为 使基准电容器上的电压超过阈值U_S所需的循环进行计数。 

不言而喻地，在可另选的实施方式中也可以设想其他方法，以便通过对依赖于传感器电极4周期性电流分布或者电压分布的参数进行评估来检测传感器电极4的电容变化。这样例如基准电容器可以首先充电到固定预先规定的负值，并且然后通过从传感器电极4的电荷迁移以每次循环放电一部分。传感器电极4的充电也可以通过与电源的相联而以预先规定的时间段实现。 

在图2的中间部分内，草绘出屏蔽电极3上的电位分布11。可以看出，屏蔽电极3的电位跟踪传感器电极4的电位，方法是：在传感器电极与第一电位相联的情况下，例如与运行电压相联的情况下，屏蔽电极也与该第一电位相联，从而屏蔽电极3的电位与传感器电极4的电位同步达到高电平上。在然后传感器电极4通过基准电容器与地电位相联的那些区间中，屏蔽电极3例如直接与地电位相联，从而电位分布11降到基准电位地电位上。仔细观察，屏蔽电极3的电位仅近似地跟踪传感器电极4的电位；精确跟踪在这里仅在两个电极调设到高电位上的那个区间中进行。在屏蔽电极3调设到接地电位上的那个区间期间，屏蔽电极3不跟踪传感器电极4的电位，该传感器电极4的电位在依赖于基准电容器充电的情况下缓慢上升，直至该传感器电极4的电位超过阈值U_S。但传感器电极4的电位在低电位的区间段期间的这种缓慢上升明显小于脉冲的高度，也就是小于第一电位，例如运行电压。出于这一原因，在屏蔽电极3的整个电位分布11期间可以说成是跟踪。 

图2的下部示出背电极2的电位分布。该背电极2也周期性交替地调设到高的第一电位上，例如调设到运行电压上，并且然后重新调设到低电位上，例如调设到地电位上。但在这里电位分布与传感器电极4的电位分布和屏蔽电极3的电位分布互补。始终在传感器电极4和屏蔽电极3调设到高电位上的情况下，背电极调设到低电位上，例 如调设到地电位上。总是在传感器电极4处于低电位上并且屏蔽电极3处于接地电位上的情况下，背电极2调设到高电位上，例如调设到运行电压上。为可以更好识别电位分布的反相性，图2中加入了垂直线14。 

已经表明，区别于背电极2仅恒定调设到地电位上的传感器系统，通过背电极2的这种互补式控制方案给出了关于灵敏度分布的更强方向性。区别于电极系统的传统控制，在预先规定的传感器系统中对预先规定的物体的进入进行检测的探测区域较远地延伸到传感器电极4前面的空间6内并很少延伸到背电极2后面的空间区域内。通过背电极2依据本发明的控制方案，场或探测区域可以良好分开和取向。 

图3示出由传感器电极4、屏蔽电极3和背电极2组成的传感器电极系统1的控制和评估电路5的优选实施方式的示意图。在此，控制和评估电路5包括微控制器15，微控制器15具有至少六个输出端口，图3中采用大写字母A-F标注这六个输出端口。传感器电极4与输出端口A相联。基准电容器16此外连入输出端口A与输出端口B之间。屏蔽电极3与相互连接的输出端口C和D相联。背电极2与彼此相联的输出端口E和F连接。六个输出端口A-F的每一个都以如下方式构成，即，每个输出端口A-F可以将其输出端连接部通过第一电子开关与运行电压相联或者通过第二电子开关与地电位相联。如果两个电子开关均关断，那么只要所属的输出端连接部不通过外部接线与另一电位相联，所属的输出端连接部就高阻地处于悬浮的电位上。每个输出端口通过执行储存在微控制器15内的控制软件，就可以进入三种状态-运行电压、地电位或者高阻之一内。为将电极之一(例如2或者3)交替地调设到运行电压和地电位上，理论上完全可以将该传感器电极与端口之一相联，其中，然后该输出端口交替地切换到地电位和运行电压上。但当一个和同一个输出端口需要交替地在运行电压与地电位之间转换的话，这样会导致相对长的转换时间。出于这一原因，在该优选的实施例中，两个电极2和3的每一个分别与两个输出端口相联。 两个输出端口的一个负责可以将所属的电极(2或者3)调设到运行电压上而另一个输出端口则负责与地电位相联。在例如输出端口C将屏蔽电极3与运行电压相联期间，另一个输出端口D处于高阻状态。然后如果接着输出端口D将屏蔽电极3与地电位相联，那么输出端口C处于高阻状态下。相同情况适用于与背电极2连接的输出端口E和F。 

图2中所示的电位分布利用图3示意示出的微控制器控制产生，方法是：微控制器通过执行控制程序调整出输出端口A至F彼此跟随的状态。如果传感器电极4应当充电，那么端口A将连至传感器电极4的馈线与运行电压相联。同时，端口C将屏蔽电极3同样与运行电压相联。端口F将背电极2与地电位相联。同时，其他端口B、D和E处于高阻状态下。如果然后需要将聚集在传感器电极上的电荷部分地传递到基准电容器16上，那么首先将输出端口A调到高阻状态并然后将输出端口B立即与地电位相联。同时将输出端口C调到高阻状态并且将输出端口D与地电位相联，从而屏蔽电极3跟踪传感器电极4。同样基本在同时将输出端口F调到高阻状态并且将输出端口E与运行电压相联。在该实施例中，端口A、C和F或端口B、D和E优选大致同时切换。在可另选的实施例中，不言而喻地，端口E和F或者C和D在其控制方面可以互换。在其他可另选的实施例中，可以设想各个电极虽然利用相同的基本频率，但是在不同的时间点上进行切换。例如，在屏蔽电极3的切换相对于传感器电极的切换稍有偏差地进行的情况下，传感器系统仍正常工作。相同情况适用于背电极2的切换。此外，各个电极可以采用不同的脉冲占空比进行转换。这一点借助图4所示背电极的不同信号分布进行说明。 

图4也示出电位分布的示意图，其中，传感器电极4的电位分布10和屏蔽电极3的电位分布11相应于图2的情况。图4的下部中示出可另选的实施方式中背电极2可行的电位分布12，在时间区间17中示出如下电位分布，其中，背电极调设到运行电压高电位上的那些区间段比屏蔽电极调设到地电位上或传感器电极通过基准电容器进行放电 的区间段短。脉冲的宽度18比电位分布10和11中的脉冲宽度窄。在时间区间19内示出一种可另选的实施方式，其中，电位分布12、11和10的脉冲宽度是相同的，但其中，背电极的脉冲时间上以偏出间隔20的方式出现。这一点借助时间基准线14可以清楚看出。尽管这种偏差20很小，但达到了本发明改善空间敏感度的目的。 

附图标记列表 

1传感器电极系统 

2背电极 

3屏蔽电极 

4传感器电极 

5控制和评估电路 

6传感器电极前面的空间 

7供电电压连接部 

8地电位 

10传感器电极上的电位分布 

11屏蔽电极上的电位分布 

12背电极上的电位分布 

13阈电压水平U_S的图线 

14确定时间点的图线 

15微控制器 

16基准电容器 

17占空比发生改变的时间区间 

18脉冲宽度 

19背电极控制在时间上发生偏差的时间区间 

20时间上的偏差 。