电容传感器，采用电容传感器的装置及其使用方法

摘要

电容传感器包括第一导电板、第二导电板，其中第一导电板和第二导电板被配置为形成电容电路，其中电容传感器的输出是至少部分地基于电容电路的电容；压敏元件被连接于第一导电板并被配置为基于压敏元件两侧之间的压力差而移动第一导电板，以便改变电容电路的电容。

说明书

技术领域

本发明大体上涉及一种用于测量电容的变化的电容传感器，采用该 电容传感器的装置和用于操作该装置的方法。

背景技术

电容传感器和光学传感器可以被用作替代机械传感器用于更高的灵 敏度。

常规电容传感器包括永久电荷膜，其用金属板形成电容器。这种类 型的传感器是容易受到湿度、水分、液体泄漏、污垢或其他可以通过对膜 的两侧进行短路和放电而导致故障的环境因素的影响。此外，对于永久电 荷膜，约10,000伏的电压需要被应用到膜，制造这种传感器昂贵且难以制 造并且不适合于许多应用。

因此，可耐故障的电容传感器是是符合成本效益且相对容易制造的。

发明内容

在一个实施例中，电容传感器被提供。电容传感器包括第一导电板， 以及第二导电板，其中，第一导电板和第二导电板被配置成形成具有电容 的电容电路；压敏元件被连接到第一导电板并被配置成基于压力差移动第 一导电板，以便改变电容电路的电容。在一个方面中，第一导体板是可移 动的，第二导电板是静止的。

在另一个实施例中，上述电容传感器的第二导电板包括第一导电表 面和形成第一电容器的第二导电表面，该第一导电表面与第一导电板形成 第二电容器，以及第二导电表面与第一导电板形成第三电容器。基于上述 的第一，第二和第三电容器，电容传感器的输出被提供。

附图说明

图1是流程框图，其示出了根据一些实施例的电子香烟中的电路。

图2是根据一些实施例的电容传感器的立体图。

图3a-3c是在图2中所示的电容传感器2的分解图。

图4示出在图2中所示的电容器20的电容电路4。

图5a是在图2中所示的电容传感器2的一部分的横截面图。

图5b是根据一些实施例的电容传感器2的一部分的横截面图。

图6是在图3a-3c中所示的第二导电板302的主视图。

图7是在图3a-3c中所示的波纹膜25的长度方向的横截面图。

图8a是在图3a-3c中所示空气阻尼片206的主视图。

图8b是在图3a-3c中所示空气阻尼片206的后视图。

图8c是在图3a-3c中所示空气阻尼片206的横截面图。

图9是在图3a-3c中所示的螺钉305a的俯视图。

图10是根据一些实施例的电容传感器的展开图。

图11是根据一些实施例的电容传感器展开图。

图12是根据一些实施例的用于操作电子装置的方法的流程图。

具体实施方式

下面的描述提供了本技术的各种实施例的透彻理解和启用说明的细 节。本领域技术人员将会理解，该技术可以无需所有的本文所描述的细节 来实现。在某些情况下，已知的结构和功能没有被详细示出或描述，以避 免对本技术的例子描述的不必要地模糊。

在以下给出的描述中使用的术语，其目的是以其最广泛合理的方式 进行解释，即使它被与本技术的某些实施例的详细说明结合中使用。虽然 某些术语可能被强调于下，任何旨在以限制的方式来解释的术语将被公开 地且具体地定义为如在此详细说明部分中的那些术语。

用于测量电容的变化的电容传感器，采用电容传感器的装置以及用 于操作该装置的方法被在本文中提供。如将由下面描述的实施例所理解的， 本文所述的电容传感器可以由任何合适的电子装置所采用，电子装置包括， 但不限于，电子烟雾装置(例如，电子香烟，电子雪茄，电子管道，电子 水管道和任何其它合适的香烟替代品)，呼吸装置(例如，呼吸器和喷雾 器)，麦克风等。

电容传感器通常检测和转换压力变化为电子参数，如电容或如传感 器所示的电容中的变化。在传感器的电容中的变化可能触发输出信号，该 输出信号被发送至如上述的那些电子装置中的一个或多个相关联的部件或 由如上述的那些电子装置中的一个或多个相关联的部件所检测。因此，使 用了这样的电容传感器的电子装置可以基于它的输出信号进行操作。

在一个实施例中，电子装置可以是电子烟雾装置，例如电子香烟， 它包括电容传感器和耦合到电容传感器的控制单元。控制单元(或“控制 器”)至少部分地基于电容传感器的输出进行接收和操作。当控制单元从 电容传感器接收输出信号时，控制单元可接着发送另一个输出信号到另一 个相关联的部件来激活或灭活所述部件。在一个实施例中，接收控制器输 出信号的相关联的部件可以是雾化器。该雾化器可以包括用于由用户吸入 的汽化尼古丁溶液的加热元件。在这种情况下，雾化器也作为汽化器。或 者，雾化器可以是来自加热元件的独立部分，导致尼古丁溶液可以独立于 雾化器被汽化。如本文所用的术语“雾化器”和“雾化”包括两种类型的 雾化器：那些包括加热元件和作为汽化器的雾化器，以及那些具有用于汽 化如上所述溶液的单独的加热元件的雾化器。

现在转到附图，图1是流程框图，其根据一个实施例示出了可在电 子装置中发现的电子电路10，如电子香烟。电源16，例如电池，也可以使 用作为电路10的能量来源。控制单元14可以被配置为基于电容传感器20 的输出信号控制雾化器12。在一个实施例中，第二信号可以由控制单元被 发送至雾化器以响应来自电容传感器的输出信号来启动或停止的雾化或汽 化过程。在一些方面中，当用户从电子烟雾装置上的空气出口或嘴件(未 示出)吸气时，由吸入而产生的压力差可以由电容传感器20检测到作为电 容中的变化，其稍后触发发送到控制单元的输出信号。因此，控制单元14 通过控制第二信号激活或打开雾化器12来雾化或汽化存储在电子烟雾装 置中的溶液(例如，烟碱溶液)。另外，电子烟雾装置可具有一个或一个 以上的不同于图1中所示的电子电路。例如，电容传感器20可以直接发送 输出信号至雾化器(未示出)。另外，附加的部件可以存在于电子烟雾装 置中，其包括但不限于，用于监测使用的显示屏、可再充电部件，附加的 控制单元或电路板，汽化部件，加热部件，泵部件以及LED部件。

在另一个实施例中，电容传感器20可以被配置成提供可变的输出信 号，该输出信号与使用者的吸入的深度(例如，吸入的越深、输出信号越 大，反之亦然)相关。可变输出信号造成雾化器12的相应的雾化水平，以 便模拟普通的香烟。

图2是根据本公开的一个实施例的电容器传感器20的外观立体图。 电容传感器20包括壳200和包含在壳200之内和/或由壳200保护的部件 或元件(未示出)。开口212可以被形成，以允许电线或其它合适的连接 器(未示出)从壳体200延伸用于与电路内的其他部件(例如，控制单元 14和电源16)的连接。槽210可以被形成在壳200的外壁上，以接收从开 口212延伸的电线，以使得没有必要扩大电子烟的径向尺寸以适应电子烟 雾装置的主体内的电线。槽210可延伸穿过一个或更多个壳200。壳200 可包括盖片202。盖片202可以被配置为保护壳200内部部件或壳200内 的元件不受损坏。

壳200还包括基片204，空气阻尼片206和连接片208。该基片204 可以被构造成保持元件在电容传感器20内部，这将在下面进一步参考图 3a-3c进行描述。在一个实施例中，基片204通过互锁连接被连接到盖片202 和空气阻尼片206，其中互锁连接214可以通过胶水或任何其它合适的粘 合剂材料来加强。在另一个实施例中，空气阻尼片206通过螺钉305a或其 它如图3a-3c所示的合适的紧固元件被连接到连接片208。

在一些实施例中，盖片202，基片204和空气阻尼片206可以由任何 合适的塑料材料制成，包括但不限于，聚乙烯，高密度聚乙烯，低密度聚 乙烯，聚丙烯聚苯乙烯，高抗冲聚苯乙烯，聚氯乙烯，聚偏二氯乙烯，聚 四氟乙烯，聚酰胺，橡胶，生物塑料，聚酯，聚对苯二甲酸乙酯，丙烯腈 丁二烯苯乙烯，聚碳酸酯和聚氨酯。在其它实施例中，连接件208可以由 任何合适的导电材料(例如，铜，银，铝，金，石墨，盐，导电聚合物， 钢和等离子体)，或者可以由合适的非导电材料(例如，塑胶)制成。

如图3a-3c所示，根据一些实施例电容传感器可以包括第一导电板 301(或“可动板”)。在一个方面中，第一导电板301是可移动的，如在 下面详细描述。第一导电板301可以由铝，铜，金，银或任何合适于电容 (如平行平面电容)的其它材料制成。中心孔3010可以形成在第一导电板 301上，并用于连接到电容的其它部件，如压敏元件的中央突起3030，这 将在下面进一步描述。

本实施例的电容传感器还包括第二导电板302，第二导电板302包括 由第二导电表面3022所包围的第一导电表面3021。在一个方面中，第二 导电板302是固定的或稳定的。空间被建立在第一3021和第二3022导电 表面之间，使得第二导电板302上的两个表面可以形成第一电容。

具有两个导电板或表面的电容器的电容(C)是由公式(1)确定：

$C=\frac{ϵS}{d}---\left(1\right)$

其中ε是介质(如两个导电板或表面之间的空气)的介电常数，S是 在两个导电板或表面的重叠部分的面积，以及d是两个导电板或表面之间 的距离。

因此，通过设定d与第一和第二导电表面3021和3022的直径，述第 一电容器(c₁)的电容可以根据需要限制为小的或可忽略的电容。进一步， 由于第一和第二导电表面是单个第二导电板的一部分，第一电容器是固有 的(或“固定的”)。

此外，第一导电板3010与第二导电板302的第一导电表面3021形 成第二电容器，该第二导电板302具有电容c₂。第一导电板3010也与第二 导电板302的第二导电表面3022形成第三电容器，该第二导电板302具有 电容c₃。

在一些实施例中，第一、第二和第三电容器的组合可被示为在图4 中的电容电路40。在一个方面中，第一导电表面3021被接地以及第二导 电表面3022被耦合到控制单元14，以使得控制单元14接收电容感应器20 的输出信号。在一个可供选择的方面，第一导电表面3021可以被连接到控 制单元14以及第二导电表面3022可以被接地。在一个实施例中，控制单 元14将对第二导电表面3022充电，以检测在电容电路40的电容中的任何 变化。或者，电容电路40可使用本领域中已知的任何其它合适的方法进行 充电。

如上面简要讨论的，第一和第二导电表面3021和3022之间的大小 和距离，使得相比于c₂和c₃而言，在电容电路40中的固有电容c₁可以被忽略 不计。这使得在电容器40的电容中的变化更容易检测到。在电容电路40 中的电容变化的检测和计算将在下面进一步描述。

参考图3a和图6，第二导电板302上设置有两个凸片3020，其匹配 在壳200的基片204上形成的两个支撑槽2040。通过将凸片3020放置在 槽2040中，第二导电板302不会相对于其他部件旋转。在一个方面中，盖 片202进一步被配置为按压第二导电板302抵住基片304，以便最终将第 二导电板302固定至壳200。在一个实施例中，凸片3020分别属于第一和 第二导电表面3021和3022。第一导电表面3021可被连接至凸片3020以 及第二导电表面3022可被连接至凸片3020。在一个实施例中，第一导电 表面3021被连接到第一线604以及第二导电表面3022被连接到第二线 602。

根据一些实施例，电容传感器用压力传感器系统检测压力变化。压 力传感器系统可以包括压敏元件303，其可以由压敏膜(如图5A-5B和图7 (“膜”)所示的膜)来形成。在一个实施例中，中央突起3030在膜303 的中心形成，并通过第二导电板302上的中央孔延伸至第一导电板301。 中央突起3030可被插入到通孔3010并由任何合适的粘合剂或胶水固定到 第一导电板301。在一个方面中，固定第一导电板301可通过使用快干粘 合剂固定到膜303，并随后使用强力胶或粘合剂固定连接。

在一些实施例中，用户可从电子烟雾装置的吸嘴端(其产生压力差) 吸入。压力差是通过建立在压敏膜303的一侧(“负压侧”)上的相对负 压产生。在一个方面中，压敏膜的负压侧被示为如图3A所示的压敏膜的右 侧。因为该膜303在它的两侧之间是密闭的或大致密闭的，膜303朝向负 压侧发生变形，拖动第一导电板301朝向第二导电板302。因此，参照公 式(1)，由于第二和第三电容的导电板之间的距离减少，电容c₂和c₃增加， 导致电容电路40的电容中的增加，其可由控制单元40检测到。在一个实 施例中，控制单元14将这样的增加与阈值电容值进行比较。如果在电容电 路的电容中的增加超过阈值电容值，雾化器12将被接通。

如上所讨论的，图4示出电容电路40，其包含串联连接的第二和第 三电容器。因为第一电容器可以被配置为具有相比于第二和第三电容的可 忽略的电容，C₁已被从电容电路的电容计算中删去。电容电路的总电容， 因此，由公式(2)确定：

$c=\frac{c_2{c}_3}{c_2+c_3}---\left(2\right)$

因此，电容电路40的电容中的增加是由公式(3)来确定：

$\Delta c=\frac{{c_2}^{\prime }{c_3}^{\prime }}{{c_2}^{\prime }+{c_3}^{\prime }}-\frac{c_2{c}_3}{c_2+c_3}---\left(3\right)$

在(1)式代入(3)式，以及在第一导电表面3021和第一导电板301 之间的有效面积等于第二导电表面3022和第一导电板301之间的有效面 积，Δc的表达式可以简化为方程(4)：

Δc＝0.5Δc₂orΔc＝0.5Δc₃(4)

其中Δc₂等于在该实施例中的Δc₃。如上所述，c₂和c₃比c₁大得多，因 此，Δc相当高于c₁，并将由控制单元14来检测。

图5a根据一些实施例示出电容传感器20的压力传感器系统的横截 面图，其中第二导电板302还包括基部500以及第一和第二导电表面3021 和3022被安装在基部500上。如图5a中所见，压敏膜303的一部分具有 “w”或“m”的形状以及中央突起3030的基部从“w”或“m”的中央顶 点延伸。如上所述，中央突起3030的顶部被固定到第一导电板30的孔中。 同样在图5a中示出的是在第一、第二和第三电容(C1、C2和C3，分别) 之间的电容。当使用者吸气时，如上所述，膜303由于膜303的两侧之间 产生的压力差而变形。膜的变形导致在第一导电板301和第二导电板的任 一的第一或第二导电表面3021和3022之间的距离的减少。因此，控制单 元14检测到电容电路40的电容中的增加。

图5b示出了根据另一实施例的压力传感器系统的横截面图。在实施 例中，作为用户吸入的结果，第一导电板301和在第一和第二导电表面3021 和3022之间的距离基于压敏膜303的负压力和变形的产生而被增加。因此， 控制单元14可检测在电容器电路40的电容中的减少。

参考图3a和图7，膜303通过固定或密封在基片204和止动件304 之间的膜303的外边缘3032而被密闭的。在一些实施例中，止动件304允 许气流通过，且被配置为限制膜303的变形。在一个实施例中，参照图3c， 十字3040在止动件304之上被形成，形成四个空气通路3041，电容传感 器中的气流通过该空气通路3041导致对膜303的压力改变侧的压力变化。 在一个实施例中，止动件304和基片204被成形，以使得止动件304由止 动件304的外壁和基片204的内壁之间的摩擦力牢固地固定在基片204中。 如图7所示，压敏膜303的外边缘3032可被成形，以使得压敏膜303可以 通过夹紧或以其他方式紧固基片204至止动件304而被牢固地固定。在这 种情况下，空气被防止透过膜303的一侧到另一侧。

图8a是图3a-3c中所示的空气阻尼片206的前视图。图8b是空气阻 尼片206的后视图。图8c是空气阻尼片206的纵向横截面图。根据一些实 施例，腔体被形成在压敏膜303的负压侧和空气阻尼片206之间。当使用 者吸气时，空气在方向800中沿贯通孔804被吸出并且压力变化(例如， 相对负压)在腔体中被产生。在环境空气压力下，新的空气通过电子烟雾 装置上的一个或多个进气口进入香烟。然而，流入可以由空气阻尼通道808 被衰减。换句话说，空气的流入抵消由空气阻尼通道808显示。使用者吸 入越深，越多的空气被需要抵消压力差，以及抵消需要的时间越长，从而 延长了雾化时间。另一方面，吸入的越浅，越少的空气被需要抵消压力差， 以及抵消需要的时间越短，从而缩短了雾化时间。

以上所述的阻尼效果或延迟延长了雾化的时间，因为由吸入所产生 的负压而产生的在电容中的变化将继续发送输出信号给控制单元，直到压 力差由如上所述的空气的流入抵消。流入空气通路是由图8b中的虚线所 示，并通过在方向810中的孔806进入腔。

在各种实施例中，空气阻尼通道808可以延伸，在电容传感器20的 横截面之中，在壳200或上述各部分的外壁之上，该通道的一部分是在壳 200的外壁之上或在电容传感器20的横截面之中。

在一些实施例中，第一通孔804的外边缘8040匹配在连接件208上 的第二通孔2080并且可以被插入在连接件208是的第二通孔2080。因此， 流出将主要通过空心螺钉305a。螺杆305a延伸出第二通孔2080以及螺母 305b可用于固定螺钉305a，以便耦合空气阻尼片206至连接片208。在一 个实施例中，一个或多个电子连接器可被电连接到连接件208以建立在香 烟中的电连接。

图9示出图3a-3c中所示的螺钉305a的俯视图。如图所示，螺钉305a 上是中空的，从而允许空气基于用户的吸气流过它的中心并流出电子烟雾 装置。在一些实施例中，当用户吸气时，空气被从腔牵引穿过该中空螺钉 305a，从而降低了在膜片303的压力变化侧的压力。参照图8a和图9，在 空气阻尼片206上的凹陷802被成形以接收，从而防止螺钉305a相对于空 气阻尼片206旋转。在本实施例中，螺钉305a和凹陷802的形状为正六边 形。然而，螺钉元件的顶部可以是任何合适的形状，以防止相对于空气阻 尼片转动，包括但不限于，六边形(如图所示)，三角形，正方形，矩形， 八边形，五边形，和椭圆形。

图10是根据其它实施例的电容传感器的展开图。这种电容传感器具 有第二导电板102，它包括第一导电表面1020和第二导电表面1022并排 放置。压敏膜的中央突起3030通过第一和第二导电表面1020和1022之间 的空间延伸，以连接到第一导电板301。固有电容器，其类似于上面描述 的第一电容器，具有电容c₄并被在第一和第二导电表面1020和1022之间 形成。第二电容器的电容c₅被第一导电板301和第一导电表面1020形成， 以及第三电容器的电容c₆被第一导电板301和第二导电表面1022形成。在 另一个实施例中，第一和第二导电表面1020和1022分别是由线103和104 连接，以提供电容传感器的输出。除了在图10中所示的半圆，第一和第二 导电表面1020和1022可以采取其它形状，例如半圈。此外，第一和第二 导电表面1020和1022可以被安装在基部之上，与图5a-5b中描述的实施 例相类似。

如果第一导电板301相对于第二导电板302是成角度的或倾斜，第 二导电板302包括第一导电表面1020和并排放置的第二导电表面1022(图 10)，c₅和c₆中的一个被增加，而另一个被减小。与此相反，如果第一导电 板301相对于第二导电板302是成角度的或倾斜的，第二导电板302包括 由第二导电表面3022(图6)所包围的第一导电表面3021，图3a-3c中所 示的实施例中，c₂和c₃都增加或减少相等或大致相等，因为有助于各电容 (c₂和c₃)的表面积在倾斜板301的任一侧上是相同或基本相同。因此， 相比于在图10中描述的实施例，在图3a-3c中描述的实施例对向第一导电 板301倾斜不那么敏感，增大了电容变化的精度。

图11是根据另一实施例的电容传感器的横截面图。在本实施例中， 第二导电板112包括具有孔1120的单个导电表面。压敏膜303的中央突出 部3030通过孔1120延伸以接触第一导电板301。电容器的电容c₇由第一导 电板301和第二导体板112形成。在本实施例中，第一导电板301和第二 导电板112分别由线113和114连接以提供电容传感器的输出信号。

根据本文描述的实施例的电容传感器是针对可以增加本领域的电容 传感器的故障的机会的液体的泄漏，湿气，灰尘或其它负面因素。例如， 如果储存在电子烟雾装置的尼古丁溶液泄漏到电容器电路40，电容器电路 40将继续工作。液体泄漏可能会改变电路40的固有电容，但电路40可继 续提供电容中的可检测的变化(即，Δc)。此外，本文所述的电容传感器 不需要极化的部件，如在背景技术中所描述的永久电荷膜，所以液体泄漏 和/或灰尘可能不会导致由短路引起的电容传感器中的故障。

在一个替代实施例中，电容传感器的输出可以通过调整表面积改变， 其中第一导电板和第二导电板彼此重叠以替代调整第一和第二部件之间的 距离。例如，参考图11，中央突起3030可由，例如，滑轮(未示出)耦 合到第一导电板301，该滑轮将中央突起3030的轴向运动转换为第一导电 板301的径向运动。因此，第一导电板301和第二导电板112彼此重叠的 表面积当用户吸气时将被改变。电容传感器的输出信号相应地变化并可通 过控制单元14来检测。在另一个方面，滑轮可以由齿轮部件位移。

在另一个实施例中，面积的变化可以通过由，例如，一齿轮组件或 皮带轮将中央突起3030的轴向运动转换为第一导电板301的转动来进行。

在另一个实施例中，由压敏元件驱动的第一导电板可以包括第一和 第二导电表面。通过相对于第二导电板移动第一和第二导电表面，电容传 感器的输出可以由控制单元14来改变和检测。

图12示出了根据本发明的一个实施例的用于操作采用了电容传感器 的电子装置的方法120的流程图。

在框122，输出信号，由如上所述的并由图1中的电容传感器20所 示的电容器传感器产生。在框124，耦合到电容传感器的控制单元接收到 输出。在一个实施例中，电子装置是电子烟雾装置，如电子香烟，它包括 雾化器12，控制单元14和图1所示的电源16。在方框126中，控制单元 至少部分地基于电容传感器的所接收的输出进行操作。在一个实施例中， 控制单元14基于电容器的传感器20的输出检测到电容的变化，并控制由 雾化器12执行的雾化。

在另一个实施例中，在框126，电子装置可以是麦克风，并且控制单 元控制放大器的增益，以便基于由声波引起的电容中变化控制音量。如果 用户大声说话或唱歌，麦克风中的膜会震动很大，这导致在电容中的较大 变化。另一方面，如果用户说话或唱歌轻柔，则膜会稍微振动，这会导致 在电容中的较小变化。

除非文中明确要求，否则整个说明书和权利要求书中，词语“包括”， “具有”，“包括”，等等，以及它们的结合物，将被解释为包含的意义， 而不是独占或详尽的意义，也就是说，“包括，但不限于”的意义。如本 文所用，术语“连接”，耦合”或其任何变化是指在两个或更多元件之间 的无论直接的还是间接的，任何连接或耦合；元件之间的连接的耦合可以 是物理的，逻辑的，或它们的组合。此外，“在此”、“以上”、“以下” 以及类似含义的词语，在本申请中使用时，应指本申请的整体而非本申请 的任何特定部分。如文义许可，在上面详细说明中的使用单数或复数的词 语也可以分别包括复数或单数引用。词语“或”，在提及的两个或多个项 目的列表，包括了所有的词语的以下解释：在列表中的任何项目，在列表 中的所有的项目，以及该列表中的项目的任何组合。术语“基于”不是排 他性的，并且等同于术语“至少部分地基于”，并包括被基于其他因素， 不论其他因素是否在本文被进行描述。术语“移动”覆盖轴向移动、径向 移动，旋转或它们的任意组合。

以上系统的实施例的详细说明并不旨在穷举或将本装置限制于以上 公开的精确形式。然而，如那些相关领域技术人员将认识到的，香烟或滤 盒的特定实施例和例子被描述如上是用于说明的目的，系统范围之内的各 种等同修改是可能的。此外，本文指出任何具体的数字仅仅是示例。替代 的实施例和实施方式可以采用不同的值或范围。