DE102020126176A1

DE102020126176A1 - Capacitive sensor device and method for operating a capacitive sensor device

Info

Publication number: DE102020126176A1
Application number: DE102020126176.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Schmitt; Ciprian Musat
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2022-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensorvorrichtung (100) für eine Bedienvorrichtung eines Fahrzeugs zum Erkennen einer Annäherung und/oder Berührung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen, wobei die Sensorvorrichtung (100) wenigstens eine elektrisch leitfähige Sensorelektrode (E1) aufweist, welche mit der Umgebung eine sich bei Anwesenheit eines Eingabemittels im Detektionsbereich der Sensorvorrichtung (100) ändernde Sensorkapazität (Cx) ausbildet, sowie eine der Sensorelektrode (E1) zugeordnete Messkapazität (Cs) und eine Steuerungs- und Auswerteinrichtung (10), wobei die Sensorvorrichtung (100) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Messkapazität (Cs) schrittweise kumulativ aufzuladen und nach einem kumulativen Aufladen eine an der Messkapazität (Cs) anliegende Spannung (Vcs) zu erfassen und auszuwerten und in Abhängigkeit von der erfassten Spannung (Vcs) die kapazitive Kopplung der Sensorelektrode (Cx) mit der Umgebung oder eine Änderung dieser zu ermitteln. Die Sensorvorrichtung (100) weist ferner wenigstens eine Abschirmelektrode (20) auf, die wenigstens zeitweise während des Aufladens der Sensorkapazität (Cx) mit einem definierten Abschirmpotential (VSH) beaufschlagbar ist.The invention relates to a capacitive sensor device (100) for an operating device of a vehicle for detecting an approach and/or contact, and a method for operating such, the sensor device (100) having at least one electrically conductive sensor electrode (E1) which communicates with the environment a sensor capacitance (Cx) that changes when an input device is present in the detection area of the sensor device (100) is formed, as well as a measuring capacitance (Cs) assigned to the sensor electrode (E1) and a control and evaluation device (10), the sensor device (100) being designed for this purpose and is set up to gradually cumulatively charge the measuring capacitance (Cs) and, after cumulative charging, to detect and evaluate a voltage (Vcs) present at the measuring capacitance (Cs) and, depending on the detected voltage (Vcs), the capacitive coupling of the sensor electrode (Cx ) with the environment or a change in it. The sensor device (100) also has at least one shielding electrode (20) to which a defined shielding potential (VSH) can be applied at least temporarily while the sensor capacitance (Cx) is being charged.

Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensorvorrichtung für eine Bedienvorrichtung eines Fahrzeugs zum Erkennen einer Annäherung und/oder Berührung, wobei die Sensorvorrichtung wenigstens eine erste elektrisch leitfähige Sensorelektrode zur kapazitiven Erkennung einer Anwesenheit eines Eingabemittels in einem Detektionsbereich der Sensorvorrichtung, eine der Sensorelektrode zugeordnete Messkapazität und eine Steuerungs- und Auswerteinrichtung aufweist, wobei die Sensorelektrode mit der Umgebung eine sich bei Anwesenheit eines Eingabemittels im Detektionsbereich der Sensorvorrichtung ändernde Sensorkapazität ausbildet. Die Sensorvorrichtung ist dabei dazu ausgebildet und eingerichtet, die Messkapazität schrittweise kumulativ aufzuladen durch wiederholtes Aufladen der zugehörigen Sensorkapazität mit einer von der (aktuellen) kapazitiven Kopplung mit der Umgebung abhängigen Einzel-Ladung und Übertragen dieser Einzel-Ladung an die Messkapazität, und nach einem kumulativen Aufladen der Messkapazität eine an der Messkapazität anliegende Spannung zu erfassen und auszuwerten und in Abhängigkeit von der erfassten Spannung die kapazitive Kopplung der Sensorelektrode mit der Umgebung oder eine Änderung dieser zu ermitteln.The invention relates to a capacitive sensor device for an operating device of a vehicle for detecting an approach and/or contact, the sensor device having at least a first electrically conductive sensor electrode for capacitively detecting the presence of an input means in a detection area of the sensor device, a measuring capacitance assigned to the sensor electrode, and a controller - Having and evaluation device, wherein the sensor electrode forms a changing sensor capacitance with the environment when an input means is present in the detection area of the sensor device. The sensor device is designed and set up to gradually cumulatively charge the measuring capacitance by repeatedly charging the associated sensor capacitance with a single charge that is dependent on the (current) capacitive coupling with the environment and transferring this single charge to the measuring capacitance, and after a cumulative Charging the measuring capacitance to detect and evaluate a voltage applied to the measuring capacitance and to determine the capacitive coupling of the sensor electrode with the environment or a change in this as a function of the detected voltage.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen kapazitiven Sensorvorrichtung.Furthermore, the present invention relates to a method for operating such a capacitive sensor device.

Gattungsgemäße, kapazitive Sensorvorrichtungen sowie entsprechende Verfahren zum Betrieb solcher Sensorvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus der US 6,466,036 B1 , wobei verschiedenste Ausgestaltungen bekannt sind, die sich vor allem in ihrem Aufbau bzw. in Bezug auf das Verfahren in der Ansteuerung der einzelnen Komponenten unterscheiden.Generic, capacitive sensor devices and corresponding methods for operating such sensor devices are known from the prior art, for example from US 6,466,036 B1 , with a wide variety of configurations being known, which differ primarily in terms of their structure or in terms of the method used to control the individual components.

Derartige Sensorvorrichtungen sind grundsätzlich empfindlich gegenüber parasitären Kapazitäten bzw. gegenüber einer unerwünschten Beeinflussungen der kapazitiven Kopplung der zugehörigen Sensorelektrode(n) mit der Umgebung, da die parasitären Kapazitäten bzw. unerwünschten Beeinflussungen der kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode(n) jeweils eine Verfälschung der tatsächlichen Sensorkapazität bewirken, welche sich mit jedem Aufladen der Messkapazität ebenfalls kumulativ addieren. Infolgedessen kommt es zu einer unerwünschten Beeinflussung der Aufladung der Messkapazität und damit im Ergebnis zu einer Verfälschung der an der Sensorkapazität anliegenden Spannung und damit zu einer verfälschten, ermittelten kapazitiven Kopplung der Sensorvorrichtung bzw. der wenigstens einen Sensorelektrode mit der Umgebung. Dies wirkt sich negativ auf die Genauigkeit der Sensorvorrichtung und den Bedienkomfort einer mit einer solchen Sensorvorrichtung ausgestatteten Bedienvorrichtung aus.Such sensor devices are fundamentally sensitive to parasitic capacitances or to unwanted influences on the capacitive coupling of the associated sensor electrode(s) with the environment, since the parasitic capacitances or unwanted influences on the capacitive coupling of the sensor electrode(s) each cause a falsification of the actual sensor capacitance , which also add up cumulatively with each charging of the measuring capacity. As a result, there is an undesirable effect on the charging of the measuring capacitance and, as a result, the voltage present at the sensor capacitance is falsified and thus a falsified, determined capacitive coupling of the sensor device or the at least one sensor electrode with the environment. This has a negative effect on the accuracy of the sensor device and the ease of use of an operating device equipped with such a sensor device.

Insbesondere sind derartige Sensorvorrichtungen empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, vor allem gegenüber sich auf einer Bedienoberfläche einer Bedienvorrichtung mit einer solchen Sensorvorrichtung ablagernden Wassertröpfchen, da hierdurch parasitäre Kapazitäten entstehen, welche die kapazitive Kopplung der Sensorelektrode(n) mit der Umgebung erheblich negativ beeinflussen können und damit zu erheblich verfälschten Sensorsignalen führen können.In particular, such sensor devices are sensitive to moisture, especially to water droplets deposited on a control surface of a control device with such a sensor device, since this results in parasitic capacitances that can have a significantly negative effect on the capacitive coupling of the sensor electrode(s) with the environment, and thus too significantly falsified sensor signals.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative kapazitive Sensorvorrichtung bereitzustellen, insbesondere eine verbesserte kapazitive Sensorvorrichtung, vorzugsweise eine kapazitive Sensorvorrichtung, welcher zu geringeren parasitären Kapazitäten führt und bevorzugt vor allem eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit aufweist, insbesondere gegenüber Wassertröpfchen auf der Bedienoberfläche. Ferner ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Sensorvorrichtung bereitzustellen.Against this background, it is an object of the invention to provide an alternative capacitive sensor device, in particular an improved capacitive sensor device, preferably a capacitive sensor device, which leads to lower parasitic capacitances and preferably, above all, has reduced sensitivity to moisture, in particular to water droplets on the user interface . Furthermore, an object of the invention is to provide a method for operating such a sensor device.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine kapazitive Sensorvorrichtung sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Sensorvorrichtung mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.According to the invention, this object is achieved by a capacitive sensor device and by a method for operating such a sensor device with the features according to the respective independent patent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of the dependent patent claims, the description and the figures.

Eine gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete und insbesondere eingerichtete kapazitive Sensorvorrichtung für eine Bedienvorrichtung eines Fahrzeugs zum Erkennen einer Annäherung und/oder Berührung weist wenigstens eine erste elektrisch leitfähige Sensorelektrode zur kapazitiven Erkennung einer Anwesenheit eines Eingabemittels in einem Detektionsbereich der Sensorvorrichtung, eine der Sensorelektrode zugeordnete Messkapazität und eine Steuerungs- und Auswerteinrichtung auf, wobei die Sensorelektrode der Umgebung eine sich bei Anwesenheit eines Eingabemittels im Detektionsbereich der Sensorvorrichtung ändernde Sensorkapazität ausbildet.A capacitive sensor device designed and configured in accordance with the present invention for an operating device of a vehicle for detecting an approach and/or contact has at least a first electrically conductive sensor electrode for capacitively detecting the presence of an input means in a detection area of the sensor device, a measuring capacitance assigned to the sensor electrode, and a control and evaluation device, wherein the sensor electrode of the surroundings forms a sensor capacitance that changes when an input means is present in the detection area of the sensor device.

Die Sensorvorrichtung ist dabei dazu ausgebildet und eingerichtet, die Messkapazität schrittweise kumulativ aufzuladen durch wiederholtes Aufladen der zugehörigen Sensorkapazität mit einer von der (aktuellen) kapazitiven Kopplung mit der Umgebung abhängigen Einzel-Ladung und Übertragen dieser Einzel-Ladung an die Messkapazität, und nach einem kumulativen Aufladen der Messkapazität eine an der Messkapazität anliegende Spannung zu erfassen und auszuwerten und in Abhängigkeit von der erfassten Spannung die kapazitive Kopplung der Sensorelektrode mit der Umgebung oder eine Änderung dieser zu ermitteln.The sensor device is designed and set up to gradually cumulatively charge the measuring capacitance by repeatedly charging the associated sensor capacitance with an individual charge that is dependent on the (current) capacitive coupling with the environment and transferring this individual charge to the measuring capacitance, and after a cumulative charging of the measuring capacitance, to detect and evaluate a voltage applied to the measuring capacitance and to determine the capacitive coupling of the sensor electrode to the environment or a change in this as a function of the detected voltage.

Die aktuelle, kapazitive Kopplung der Sensorelektrode mit der Umgebung ist dabei die kapazitive Kopplung, die zu diesem Zeitpunkt mit der Umgebung besteht, wobei diese sich ändert, sobald sich ein kapazitiv wirksames Eingabemittel im Detektionsbereich der Sensorvorrichtung bewegt oder in diesen eindringt.The current, capacitive coupling of the sensor electrode with the environment is the capacitive coupling that exists at this point in time with the environment, this changing as soon as a capacitively effective input means moves in the detection area of the sensor device or penetrates into it.

Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung ferner wenigstens eine Abschirmelektrode aufweist, die wenigstens zeitweise während des Aufladens der Sensorkapazität mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagt werden kann.A sensor device according to the invention is characterized in that the sensor device also has at least one shielding electrode, to which a defined shielding potential can be applied at least temporarily while the sensor capacitance is being charged.

Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung, welche ferner wenigstens eine Abschirmelektrode aufweist, die wenigstens zeitweise während des Aufladens der Sensorkapazität mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagt werden kann, hat den Vorteil, dass hierdurch parasitäre Kapazitäten reduziert werden können, insbesondere parasitäre Kapazitäten, welche die kapazitive Kopplung der wenigstens einen Sensorelektrode mit der Umgebung negativ beeinflussen bzw. verfälschen. Hierdurch kann im Ergebnis insbesondere der unerwünschte, negative Einfluss auf die Messkapazität reduziert und damit die Genauigkeit der Erfassung der kapazitiven Kopplung mit der Umgebung und damit die Genauigkeit der Sensorvorrichtung verbessert werden. Die verbesserte Genauigkeit ermöglicht eine bessere und robustere Auswertung der erfassten kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode mit der Umgebung und damit die Bereitstellung einer Sensorvorrichtung, die weniger empfindlich gegen Feuchtigkeit, insbesondere Wassertröpfchen ist. Bei entsprechender Ausgestaltung der Sensorvorrichtung, insbesondere der Abschirmelektrode, kann insbesondere erreicht werden, dass sich eine störende, parasitäre kapazitive Kopplung wenigstens teilweise (auch) zwischen einer Störquelle in der Umgebung der Sensorvorrichtung, insbesondere einer sich im Detektionsbereich der Sensorvorrichtung befindlichen Störquelle, wie beispielsweise einem Wassertröpfchen, und der Abschirmelektrode ausbildet, statt im Wesentlichen nur mit der Sensorelektrode. Dies führt im Ergebnis zu einer reduzierten, störenden kapazitiven Kopplung zwischen der Störquelle und der Sensorelektrode.A sensor device according to the invention, which also has at least one shielding electrode, which can be subjected to a defined shielding potential at least temporarily while the sensor capacitance is being charged, has the advantage that parasitic capacitances can be reduced as a result, in particular parasitic capacitances which the capacitive coupling of the at least one Negatively influence or falsify the sensor electrode with the environment. As a result, in particular the undesired, negative influence on the measuring capacitance can be reduced and thus the accuracy of the detection of the capacitive coupling with the environment and thus the accuracy of the sensor device can be improved. The improved accuracy enables a better and more robust evaluation of the detected capacitive coupling of the sensor electrode to the environment and thus the provision of a sensor device that is less sensitive to moisture, in particular water droplets. With a corresponding configuration of the sensor device, in particular the shielding electrode, it can be achieved in particular that an interfering, parasitic capacitive coupling occurs at least partially (also) between an interference source in the vicinity of the sensor device, in particular an interference source located in the detection range of the sensor device, such as a Water droplets, and the shield electrode forms, instead of essentially only with the sensor electrode. As a result, this leads to a reduced, disruptive capacitive coupling between the interference source and the sensor electrode.

Ein „Eingabemittel“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Eingabemittel, dass eine Änderung einer kapazitiven Kopplung einer Umgebung mit der Sensorelektrode bewirkt, wenn es in den Detektionsbereich der Sensorvorrichtung gelangt, wie beispielsweise ein kapazitiver Eingabestift oder eine menschliche Hand oder Teile davon, wie beispielsweise ein Finger einer menschlichen Hand oder dergleichen.An "input means" within the meaning of the present invention is an input means that causes a change in capacitive coupling of an environment with the sensor electrode when it enters the detection range of the sensor device, such as a capacitive input pen or a human hand or parts thereof, such as a finger of a human hand or the like.

Unter dem Begriff „Detektionsbereich“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Bereich, insbesondere ein räumlicher Bereich verstanden, innerhalb dessen eine Annäherung und/oder Berührung detektiert, d.h. erkannt werden kann.In the context of the present invention, the term “detection area” means an area, in particular a spatial area, within which an approach and/or contact can be detected, i.e. recognized.

Eine „Sensorelektrode“ einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ist insbesondere ein elektrisch leitfähiges Element oder eine elektrisch leitfähige Struktur zur kapazitiven Erkennung einer Annäherung und/oder Berührung eines Eingabemittels, beispielsweise an eine Bedienoberfläche, und/oder zur Erkennung einer Berührung einer Bedienoberfläche einer Bedienvorrichtung mit dem Eingabemittel, wobei die Sensorelektrode vorzugsweise eine Sensoroberfläche, insbesondere die Bedienoberfläche der Bedienvorrichtung, bilden kann oder unterhalb von einer Bedienoberfläche in einer zugehörigen Bedienvorrichtung angeordnet werden kann, gegebenenfalls mit einem Dielektrikum dazwischen.A "sensor electrode" of a sensor device according to the invention is in particular an electrically conductive element or an electrically conductive structure for the capacitive detection of an approach and/or touch of an input means, for example on a user interface, and/or for detecting a touch of a user interface of an operating device with the input means, wherein the sensor electrode can preferably form a sensor surface, in particular the operating surface of the operating device, or can be arranged below an operating surface in an associated operating device, optionally with a dielectric in between.

Eine „Sensorkapazität“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Kapazität unbekannter Größe, die es mittels der Sensorvorrichtung zu erfassen gilt, wobei sich die Sensorkapazität verändert, sobald ein kapazitiv wirksames Objekt, beispielsweise ein kapazitiv wirkendes Eingabemittel in den Detektionsbereich der Sensorvorrichtung gelangt, beispielsweise ein sich an die Sensorelektrode annähernder Finger einer menschlichen Hand oder dergleichen.A "sensor capacitance" within the meaning of the present invention is in particular a capacitance of unknown magnitude that is to be detected by the sensor device, with the sensor capacitance changing as soon as a capacitively effective object, for example a capacitively effective input means, enters the detection range of the sensor device, for example a finger of a human hand or the like approaching the sensor electrode.

Eine „Messkapazität“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Referenzkapazität, beispielsweise ein elektrischer Abtastkondensator mit einer definierten, festen Kapazität, welche vorzugsweise viel größer ist als die zugehörige Sensorkapazität der Sensorvorrichtung, insbesondere etwa wenigstens zehnmal größer als die Sensorkapazität. Mit Hilfe des Spannungsabfalls über der Messkapazität, d.h. anhand der an der Messkapazität anliegenden Spannung, kann insbesondere auf die Größe der Sensorkapazität geschlossen werden bzw. die Sensorkapazität ermittelt werden. Die wenigstens eine Messkapazität einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung weist dabei bevorzugt einen ersten Anschlusspol und einen zweiten Anschlusspol auf, insbesondere einen Pluspol und einen Minuspol.A "measuring capacitance" in the sense of the present invention is in particular a reference capacitance, for example an electrical sampling capacitor with a defined, fixed capacitance, which is preferably much larger than the associated sensor capacitance of the sensor device, in particular at least ten times greater than the sensor capacitance. With the help of the voltage drop across the measuring capacitance, i.e. based on the voltage applied to the measuring capacitance, the size of the sensor capacitance can be inferred or the sensor capacitance can be determined. The at least one measuring capacitance of a sensor device according to the invention preferably has a first connection pole and a second connection pole, in particular a positive pole and a negative pole.

Unter einer „Steuerungs- und Auswerteinrichtung“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine kombinierte Steuerungs- und Auswerteeinrichtung verstanden, welche einerseits dazu eingerichtet ist, die Sensorvorrichtung so anzusteuern, insbesondere einzelne Komponenten der Sensorvorrichtung, beispielsweise entsprechende Schaltungseinrichtungen, -anordnungen und/oder dergleichen, dass ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb der Sensorvorrichtung durchgeführt werden kann, insbesondere die Schritte S1 bis S4 eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und welche andererseits insbesondere dazu eingerichtet ist, gemäß Schritt S4 eine an der Messkapazität anliegende Spannung zu erfassen und die erfasste Spannung auszuwerten und insbesondere einen die kapazitive Kopplung der zugehörigen Sensorelektrode mit der Umgebung charakterisierenden Zustandswert zu ermitteln bzw. ein entsprechendes Sensorsignal zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Steuerungs- und Auswerteinrichtung ein Microcontroller oder Teil eines Microcontrollers. Es können auch mehr als eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung vorgesehen sein.In the context of the present invention, a “control and evaluation device” is a combined control and evaluation device device, which on the one hand is set up to control the sensor device, in particular individual components of the sensor device, for example corresponding circuit devices, circuit arrangements and/or the like, in such a way that a corresponding method for operating the sensor device can be carried out, in particular steps S1 to S4 of a method according to the invention, and which, on the other hand, is set up in particular, according to step S4, to detect a voltage present at the measuring capacitance and to evaluate the detected voltage and in particular to determine a state value characterizing the capacitive coupling of the associated sensor electrode to the environment or to generate a corresponding sensor signal . The control and evaluation device is preferably a microcontroller or part of a microcontroller. More than one control and evaluation device can also be provided.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung ist die Sensorvorrichtung insbesondere dazu ausgebildet und eingerichtet, nach dem sogenannten Ladungs-Transfer-Verfahren (QT-Verfahren) betrieben zu werden, welches aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist, beispielsweise aus der vorgenannten US 6,466,036 B1 . Dabei wird die Messkapazität zunächst mithilfe einer Sensorkapazität, deren kapazitive Kopplung mit der Umgebung erfasst werden soll, über mehrere Zyklen definiert elektrisch aufgeladen, wobei der Gesamtladungszustand, der sich einstellt, von der (aktuellen) kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode mit der Umgebung abhängt. Ist ein definierter Ladungszustand erreicht, kann anschließend die über der Messkapazität abfallende bzw. die an dieser anliegende Spannung ermittelt werden, aus welcher auf die kapazitive Kopplung der zugehörigen Sensorelektrode mit der Umgebung geschlossen werden kann. Für weitere, grundlegende Ausführungen zu diesem Verfahren wird hiermit explizit auf die bereits mehrfach genannte US 6,466,036 B1 verwiesen.In a particularly advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the sensor device is designed and set up in particular to be operated according to the so-called charge transfer method (QT method), which is known in principle from the prior art, for example from the aforementioned US 6,466,036 B1 . The measuring capacitance is initially charged electrically in a defined manner over several cycles using a sensor capacitance whose capacitive coupling with the environment is to be recorded, with the overall state of charge that is established depending on the (current) capacitive coupling of the sensor electrode with the environment. If a defined state of charge is reached, the voltage dropping across the measuring capacitance or the voltage applied to it can then be determined, from which the capacitive coupling of the associated sensor electrode to the environment can be deduced. For further, fundamental statements on this method, reference is hereby made explicitly to the one already mentioned several times US 6,466,036 B1 referred.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung ist die Sensorvorrichtung dazu ausgebildet und eingerichtet, ein wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, ein Verfahren, vorzugsweise ein erfindungsgemäßes Verfahren, mit den folgenden Schritten durchzuführen, insbesondere aufeinanderfolgend:

S1: Bereitstellen der Sensorvorrichtung,
S2: Herstellen eines definierten Ladungszustands wenigstens einer Sensorkapazität und einer zugehörigen Messkapazität, insbesondere jeweils durch Entladen,
S3: Aufladen der Sensorkapazität mit einer von der kapazitiven Kopplung mit der Umgebung abhängigen Einzel-Ladung und Übertragen dieser Einzel-Ladung an die Messkapazität derart, dass die Messkapazität kumulativ aufgeladen wird, wobei Schritt S3 wenigstens einmal wiederholt wird, vorzugsweise mehrfach, insbesondere bis eine vordefinierte Bedingung erfüllt ist,
S4: Erfassen und Auswerten einer an der Messkapazität anliegenden Spannung und Ermitteln eines die kapazitive Kopplung der zugehörigen Sensorelektrode mit der Umgebung charakterisierenden Zustandswerts,

wobei die Abschirmelektrode wenigstens zeitweise während des Aufladens der Sensorkapazität mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagt wird bzw. werden kann, insbesondere im Wesentlichen während der gesamten Dauer des Schrittes S3 des Aufladens der Sensorkapazität.In a particularly advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the sensor device is designed and set up to carry out at least partially, in particular completely, a method, preferably a method according to the invention, with the following steps, in particular sequentially:

S1: providing the sensor device,
S2: Creation of a defined charge state of at least one sensor capacitance and an associated measurement capacitance, in particular by discharging,
S3: Charging the sensor capacitance with an individual charge dependent on the capacitive coupling with the environment and transferring this individual charge to the measuring capacitance in such a way that the measuring capacitance is cumulatively charged, with step S3 being repeated at least once, preferably several times, in particular up to one predefined condition is met,
S4: detecting and evaluating a voltage applied to the measuring capacitance and determining a state value characterizing the capacitive coupling of the associated sensor electrode with the environment,

wherein the shielding electrode is or can be subjected to a defined shielding potential at least temporarily during the charging of the sensor capacitance, in particular substantially during the entire duration of step S3 of charging the sensor capacitance.

Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Sensorvorrichtung bereitgestellt werden. Insbesondere eine nach dem QT-Verfahren betreibbare Sensorvorrichtung, welche einen besonders einfachen, nur wenige Bauteile benötigenden und damit besonders kostensparenden Aufbau ermöglicht.As a result, a particularly advantageous sensor device can be provided. In particular, a sensor device that can be operated according to the QT method, which enables a particularly simple structure that requires only a few components and is therefore particularly cost-saving.

Gegebenenfalls kann ferner bevorzugt in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustandswert wenigstens ein Zustandssignal erzeugt und/oder ausgegeben werden.If necessary, at least one status signal can also be generated and/or output, preferably depending on the determined status value.

Besonders bevorzugt kann die Abschirmelektrode dabei insbesondere ferner wenigstens zeitweise während der Schritte S2 und/oder S4 mit einem Referenzpotential, vorzugsweise einem Nullpotential (0V), insbesondere einem Massepotential, beaufschlagt werden. Vorzugsweise kann während des Schrittes S2 zum Herstellen des definierten Referenzzustands ferner die Messkapazität mit einem definierten Referenzpotential beaufschlagt werden, vorzugweise ebenfalls mit einem Nullpotential (0V), insbesondere ebenfalls mit einem Massepotential. Hierdurch lässt sich besonders einfach ein definierter und darüber hinaus außerdem vorteilhafter Referenzzustand einer Komponente der Sensorvorrichtung oder der gesamten Sensorvorrichtung herstellen.Particularly preferably, the shielding electrode can also be acted upon at least temporarily during steps S2 and/or S4 with a reference potential, preferably a zero potential (0V), in particular a ground potential. A defined reference potential can preferably also be applied to the measuring capacitance during step S2 to produce the defined reference state, preferably also with a zero potential (0V), in particular also with a ground potential. As a result, a defined and, moreover, also advantageous reference state of a component of the sensor device or of the entire sensor device can be established in a particularly simple manner.

Unter dem Begriff „Referenzpotential“ wird im Sinne der Erfindung ein definiertes elektrisches Potential verstanden, welches insbesondere verwendet wird, um während des Betriebs einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung und/oder zur Vorbereitung eines Betriebs einen definierten (Referenz-)Zustand wenigstens einer Komponente der Sensorvorrichtung oder der gesamten Sensorvorrichtung herzustellen.In the context of the invention, the term “reference potential” means a defined electrical potential which is used in particular to determine a defined (reference) state of at least one component of the sensor device or the sensor device during operation of a sensor device according to the invention and/or to prepare for operation produce the entire sensor device.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung ist die Sensorvorrichtung insbesondere derart ausgebildet und eingerichtet, dass das Aufladen der Sensorkapazität mit einer von der (aktuellen) kapazitiven Kopplung mit der Umgebung abhängigen Einzel-Ladung und das Übertragen dieser Einzel-Ladung an die Messkapazität in separaten Teilschritten nacheinander durchgeführt werden kann, insbesondere mit einem Zwischenschritt SU dazwischen, der einen Umschaltvorgang umfasst.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the sensor device is designed and set up in particular in such a way that the charging of the sensor capacitance with a single charge dependent on the (current) capacitive coupling with the environment and the transfer of this single charge to the measuring capacity can be carried out in separate partial steps one after the other, in particular with an intermediate step SU in between, which includes a switching process.

Hierdurch ergibt sich eine besonders einfach zu betreibende, robuste Sensorvorrichtung, welche insbesondere eine besonders vorteilhafte und zudem außerdem einfache Ansteuerung der Abschirmelektrode ermöglicht, insbesondere eine steuerungstechnisch relativ einfach zu realisierende, vorteilhafte Beaufschlagung der Abschirmelektrode mit einem definierten Abschirmpotential.This results in a particularly easy-to-operate, robust sensor device, which in particular enables a particularly advantageous and also simple control of the shielding electrode, in particular an advantageous application of a defined shielding potential to the shielding electrode that is relatively easy to implement in terms of control technology.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung ist die Sensorvorrichtung insbesondere dazu ausgebildet und eingerichtet, die Abschirmelektrode während der Übertragung der Einzel-Ladung an die Messkapazität mit einem Referenzpotential, vorzugsweise einem Nullpotential (0V), insbesondere einem Massepotential, zu beaufschlagen. Dies ermöglicht einen besonders einfachen, aber vorteilhaften Betrieb einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. Ferner lässt sich hierdurch eine hohe Genauigkeit mit der Sensorvorrichtung erreichen.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the sensor device is designed and set up in particular to apply a reference potential, preferably a zero potential (0V), in particular a ground potential, to the shielding electrode during the transfer of the individual charge to the measuring capacitance . This enables a particularly simple but advantageous operation of a sensor device according to the invention. Furthermore, this allows a high level of accuracy to be achieved with the sensor device.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung ist die Sensorvorrichtung insbesondere dazu ausgebildet und eingerichtet, gemäß eines Verfahrens betrieben zu werden, dass ferner wenigstens einen weiteren Schritt SU umfasst, in dem ein Umschaltvorgang durchgeführt wird, insbesondere zwischen Teilschritt S3a und Teilschritt S3b, d.h. zwischen dem Teilschritt des Aufladens und des Übertragens, wobei die Abschirmelektrode insbesondere während eines Umschaltvorgangs zwischen dem Aufladen der Sensorkapazität und dem Übertragen der Einzel-Ladung an die Messkapazität vorzugsweise ebenfalls wenigstens zeitweise, vorzugsweise vollständig während des Umschaltvorgangs, d.h. über die gesamte Dauer der Umschaltvorgangs, mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagt wird, insbesondere im Wesentlichen während der gesamten Dauer von Schritt SU nach dem Aufladen. Hierdurch lassen sich parasitäre Kapazitäten besonders gut reduzieren bzw. vermeiden.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the sensor device is designed and set up in particular to be operated according to a method that also includes at least one further step SU, in which a switching process is carried out, in particular between sub-step S3a and sub-step S3b, i.e. between the partial step of charging and transferring, with the shielding electrode preferably likewise at least temporarily, preferably completely during the switching process, i.e. over the entire duration, in particular during a switching process between the charging of the sensor capacitance and the transfer of the individual charge to the measuring capacitance the switching process, is subjected to a defined shielding potential, in particular essentially during the entire duration of step SU after charging. As a result, parasitic capacitances can be reduced or avoided particularly well.

In einer weiteren, möglichen Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, kann diese auch dazu ausgebildet und eingerichtet sein, auch zwischen Schritt S2 und S3 und/oder zwischen S3 und S4, insbesondere zwischen S3b und S4, einen Zwischenschritt SU durchzuführen, insbesondere mit einem Umschaltvorgang SU oder nur einen Umschaltvorgang umfassend.In a further possible configuration of a sensor device according to the present invention, it can also be designed and set up to also carry out an intermediate step SU between steps S2 and S3 and/or between S3 and S4, in particular between S3b and S4, in particular with a Switching process SU or only one switching process comprehensive.

In einer alternativen, aber in einigen Fällen ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung kann die Sensorvorrichtung insbesondere auch derart ausgebildet und eingerichtet sein, dass das Aufladen und das Übertragen in einem einzigen, gemeinsamen Verfahrensschritt durchgeführt wird, insbesondere ohne einen Umschaltvorgang dazwischen, d.h. insbesondere in einem gleichen bzw. unveränderten Schaltzustand, wobei in diesem Fall vorzugsweise wenigstens während des Aufladens, insbesondere während des gesamten Schrittes S3, die wenigstens eine Abschirmelektrode mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagt wird bzw. werden kann. Hierdurch kann zwar in der Regel eine etwas weniger genaue Sensorvorrichtung bereitgestellt werden, da eine Steuerung der Beaufschlagung der Abschirmelektrode mit dem definierten Abschirmpotential nicht so genau und fein einstellbar ist, wie mit getrennten Schritten S3a und S3b für das Aufladen und Übertragen, insbesondere noch mit wenigstens einem Zwischenschritt dazwischen. Dafür sind jedoch weniger Verfahrensschritte, insbesondere weniger Zwischenschritte, insbesondere weniger Umschaltvorgänge, erforderlich.In an alternative, but in some cases also advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the sensor device can in particular also be designed and set up in such a way that the charging and the transmission are carried out in a single, common method step, in particular without a switching process in between, i.e. in particular in an identical or unchanged switching state, in which case preferably at least during charging, in particular during the entire step S3, the at least one shielding electrode is or can be subjected to a defined shielding potential. As a rule, a somewhat less precise sensor device can be provided as a result, since controlling the application of the defined shielding potential to the shielding electrode cannot be set as precisely and finely as with separate steps S3a and S3b for charging and transmission, in particular with at least an intermediate step in between. However, fewer method steps, in particular fewer intermediate steps, in particular fewer switching operations, are required for this.

Eine besonders gute Reduzierung störender, parasitärer Kapazitäten ergibt sich, wenn eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass das definierte Abschirmpotential, mit welchem die Abschirmelektrode zumindest teilweise während des Aufladens der Sensorkapazität und ggf. während eines Umschaltvorgangs beaufschlagt wird bzw. werden kann, insbesondere während eines Umschaltvorgangs zwischen Teilschritt S3a und Teilschritt S3b, im Wesentlichen einem an der zugehörigen Sensorkapazität anliegenden Potential entspricht, insbesondere identisch zu diesem ist.A particularly good reduction of disruptive, parasitic capacitances results when a sensor device according to the invention is designed and set up in such a way that the defined shielding potential, with which the shielding electrode is or can be applied at least partially during the charging of the sensor capacitance and possibly during a switching process, in particular during a switching process between partial step S3a and partial step S3b, essentially corresponds to a potential present at the associated sensor capacitance, in particular is identical to this.

Die vordefinierte Bedingung, bis zu welcher das kumulative Aufladen der Messkapazität erfolgt ist bevorzugt ein Erreichen einer Aufladung von wenigstens 50%, insbesondere von etwa 60%, vorzugsweise von etwa 63% der maximal möglichen Aufladung der Messkapazität. Denkbar ist aber auch, das kumulative Aufladen erst bei 70%, 80% oder mehr Aufladung, d.h. bei mehr kumulativer Gesamtladung abzubrechen. Dies kommt auf den Einzelfall an. Als besonders vorteilhaft hat sich ein kumulatives Aufladen von etwa 63% herausgestellt. Hierdurch lässt sich mit möglichst wenigen Lade- und Transfer-Zyklen eine gute Erfassung der Sensorkapazität erreichen sowie eine gute Kompensation parasitärer Kapazitäten. Damit ist ein schneller und effizienter Betrieb der Sensorvorrichtung möglich. Hierdurch wiederum kann eine hohe Zuverlässigkeit der Sensorvorrichtung erreicht werden.The predefined condition up to which the cumulative charging of the measuring capacitance takes place is preferably reaching a charging of at least 50%, in particular about 60%, preferably about 63% of the maximum possible charging of the measuring capacitance. However, it is also conceivable to stop the cumulative charging only when the charging is 70%, 80% or more, ie when the total cumulative charging is more. This depends on the individual case. A cumulative charging of about 63% has proven to be particularly advantageous. This allows for a good detection of the sensor ca with as few loading and transfer cycles as possible achieve pacity as well as a good compensation of parasitic capacitances. Faster and more efficient operation of the sensor device is thus possible. This in turn makes it possible to achieve high reliability of the sensor device.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung weist die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung der Sensorvorrichtung wenigstens einen ersten Anschlusskontakt, einen zweiten Anschlusskontakt auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ferner ein dritter Anschlusskontakt vorgesehen, wobei die Abschirmelektrode vorzugsweise über den zweiten Anschlusskontakt oder den dritten Anschlusskontakt mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung verbunden oder verbindbar ist. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher und vorteilhafter Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. Ein dritter Anschlusskontakt ermöglicht eine besonders einfache, flexible und unabhängige Beaufschlagung der Abschirmelektrode mit einem definierten Abschirmpotential.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the control and evaluation device of the sensor device has at least one first connection contact and one second connection contact. In a preferred embodiment, a third connection contact is also provided, with the shielding electrode preferably being or being able to be connected to the control and evaluation device via the second connection contact or the third connection contact. This results in a particularly simple and advantageous construction of a sensor device according to the invention. A third connection contact enables a particularly simple, flexible and independent application of a defined shielding potential to the shielding electrode.

Ein „Anschlusskontakt“ im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein Anschlusspin eines entsprechenden Steckerkontakts oder ein Anschlusskontakt einer Leiterplatte sein. Ein Anschlusskontakt muss dabei kein Pin oder dergleichen sein, sondern kann grundsätzlich ein beliebiger elektrischer Kontakt sein, beispielsweise ein beliebiger, elektrischer Anschlusskontakt auf einer Leiterplatte, beispielsweise ein Lötkontakt oder dergleichen, oder ein beliebiger Anschlusskontakt eines Mikrokontrollers. D.h. ein Anschlusskontakt muss nicht zwingend einen Ein- oder Ausgang darstellen.A “connection contact” within the meaning of the present invention can be, for example, a connection pin of a corresponding plug contact or a connection contact of a printed circuit board. A connection contact does not have to be a pin or the like, but can basically be any electrical contact, for example any electrical connection contact on a printed circuit board, for example a soldering contact or the like, or any connection contact of a microcontroller. This means that a connection contact does not necessarily have to represent an input or output.

Der erste Anschlusskontakt ist vorzugsweise ein GPIO-Anschlusskontakt, d.h. insbesondere ein sogenannter „General Purpose Input Output“-Kontakt, der wahlweise je nach Schaltzustand mit verschiedenen Funktionen bzw. Signalen belegbar ist, wobei am ersten Anschlusskontakt insbesondere ein Massepotential anlegbar ist bzw. der erste Anschlusskontakt insbesondere mit einem Massepotential verbindbar ist, von diesem gezielt trennbar und/oder ggf. mit einem definierten Versorgungspotential verbindbar ist bzw. ein solches an diesem Anschlusskontakt anlegbar ist.The first connection contact is preferably a GPIO connection contact, i.e. in particular a so-called "general purpose input output" contact, which can be assigned different functions or signals depending on the switching state, with a ground potential being able to be applied in particular to the first connection contact or the first Connection contact can be connected in particular to a ground potential, can be separated from it in a targeted manner and/or possibly connected to a defined supply potential or such can be applied to this connection contact.

Der zweite Anschlusskontakt ist vorzugsweise ein GPIO-Anschlusskontakt und insbesondere mit einem Massepotential verbindbar bzw. ein solches anlegbar, von diesem gezielt trennbar und/oder ggf. mit einem definierten Versorgungspotential Vcc verbindbar und/oder mit einem ADC (Analog-Digital-Converter) zum Erfassen einer an der Messkapazität anliegenden Spannung.The second connection contact is preferably a GPIO connection contact and in particular can be connected to or applied to a ground potential, can be separated from it in a targeted manner and/or possibly connected to a defined supply potential Vcc and/or to an ADC (analog-to-digital converter) for Detection of a voltage applied to the measuring capacitance.

Bevorzugt ist der dritte Anschlusskontakt der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung ein einfacher I/O-Ausgang, welcher insbesondere dazu ausgebildet ist, ein Rechteckpuls als Ausgangssignal auszugeben, insbesondere getriggert auf eine steigende und/oder fallende Flanke eines am ersten Anschlusskontakt und/oder am zweiten Anschlusskontakt anliegenden Signals bzw. einer dort anliegenden Spannung. Der dritte Anschlusskontakt kann aber auch ein schaltbarer Anschlusskontakt sein, insbesondere ein GPIO-Anschlusskontakt.The third connection contact of the control and evaluation device is preferably a simple I/O output, which is designed in particular to output a square-wave pulse as an output signal, in particular triggered on a rising and/or falling edge of a signal on the first connection contact and/or on the second connection contact applied signal or a voltage applied there. However, the third connection contact can also be a switchable connection contact, in particular a GPIO connection contact.

Die Sensorvorrichtung, insbesondere die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung der Sensorvorrichtung, kann dazu beispielsweise wenigstens einen Eingangs- und/oder Ausgangs-Port aufweisen, insbesondere einen schaltbaren Eingangs- und/oder Ausgangs-Port, welchem der erste Anschlusskontakt und/oder der zweite Anschlusskontakt und/oder der dritte Anschlusskontakt zugeordnet ist, wobei wenigstens ein Eingangs- und/oder Ausgangs-Port vorzugsweise dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine, insbesondere definierte, Spannung auszugeben, eine Spannung zu erfassen, einen jeweiligen, zugehörigen Anschlusskontakt auf ein, insbesondere definiertes, Potential zu legen und/oder den jeweiligen Anschlusskontakt hochohmig oder niederohmig zu schalten.For this purpose, the sensor device, in particular the control and evaluation device of the sensor device, can have at least one input and/or output port, for example, in particular a switchable input and/or output port, which the first connection contact and/or the second connection contact and /or the third connection contact is assigned, wherein at least one input and/or output port is preferably designed and set up to output a voltage, in particular a defined voltage, to detect a voltage, to connect a respective, associated connection contact to a, in particular defined, To lay potential and / or to switch the respective connection contact high-impedance or low-impedance.

Der erste Anschlusskontakt und der zweite Anschlusskontakt und der dritte Anschlusskontakt können dabei einem gemeinsamen Eingangs- und/oder Ausgangs-Port zugeordnet sein, d.h. einem gemeinsamen Kanal oder unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangs-Ports.The first connection contact and the second connection contact and the third connection contact can be assigned to a common input and/or output port, i.e. a common channel or different input and output ports.

Sämtliche Anschlusskontakte können bevorzugt jeweils als Ausgang geschaltet werden, insbesondere indem sie niederohmig geschaltet werden, d.h. auf „LOW“, und weiter bevorzugt alternativ wahlweise als Eingang indem sie hochohmig geschaltet werden, d.h. auf „HIGH“.All connection contacts can preferably each be switched as an output, in particular by being switched to low resistance, i.e. to "LOW", and more preferably alternatively as an input by being switched to high resistance, i.e. to "HIGH".

An wenigstens einen Anschlusskontakt, insbesondere an wenigstens einen Anschlusspin eines Eingangs- und/oder Ausgangs-Ports, insbesondere wenigstens an den ersten Anschlusskontakt, kann vorzugsweise ein, insbesondere definiertes Potential angelegt werden, beispielsweise ein Versorgungspotential von +5V, insbesondere eine Versorgungsspannung, vorzugsweise die positive Versorgungsspannung der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung, und an wenigstens einen der anderen Anschlusskontakte, kann ein Referenzpotential angelegt werden.A potential, in particular a defined potential, for example a supply potential of +5V, in particular a supply voltage, preferably the positive supply voltage of the control and evaluation device, and at least one of the other connection contacts, a reference potential can be applied.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, insbesondere in einer Weiterbildung, weist die Sensorvorrichtung wenigstens einen Analog-Digital-Wandler auf, vorzugsweise zur Erfassung wenigstens einer anliegenden Spannung an wenigstens einem Anschlusskontakt, insbesondere am zweiten Anschlusskontakt, vorzugsweise zur Erfassung einer an der Messkapazität anliegenden Spannung, wobei der wenigstens eine Analog-Digital-Wandler insbesondere mit zumindest einem Eingangs- und/oder Ausgangs-Port koppelbar ist, insbesondere elektrisch verbindbar ist, wobei vorzugsweise wenigstens ein Analog-Digital-Wandler über einen Eingangs- und/oder Ausgangs-Port mit dem zugehörigen Anschlusskontakt elektrisch verbindbar ist, insbesondere schaltbar kontaktierbar, so dass insbesondere wenigstens ein Eingang eines Analog-Digital-Wandlers mit wenigstens einem Anschlusskontakt verbindbar ist. Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann auch mehrere Analog-Digital-Wandler aufweisen.In a further advantageous embodiment of a sensor device according to the invention, in particular in a further development, the sensor device has at least one analog/digital converter preferably for detecting at least one voltage present at at least one connection contact, in particular at the second connection contact, preferably for detecting a voltage present at the measuring capacitance, the at least one analog-to-digital converter in particular having at least one input and/or output port can be coupled, in particular is electrically connectable, wherein preferably at least one analog-to-digital converter can be electrically connected to the associated connection contact via an input and/or output port, in particular can be contacted in a switchable manner, so that in particular at least one input of an analog-to-digital Converter can be connected to at least one connection contact. A sensor device according to the invention can also have several analog/digital converters.

Die Messkapazität ist vorzugsweise außerhalb von der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung angeordnet, insbesondere, wenn diese ein Mikrokontroller ist oder umfasst, wobei in diesem Fall der erste Anschlusskontakt insbesondere ein normaler I/O-Pin sein kann, der über den ersten Anschlusskontakt mit dem ersten Anschlusspol der Messkapazität elektrisch verbunden ist und über diesen besonders bevorzugt entsprechend schaltbar ist.The measuring capacitance is preferably arranged outside of the control and evaluation device, in particular if this is or includes a microcontroller, in which case the first connection contact can in particular be a normal I/O pin which is connected to the first connection pole via the first connection contact is electrically connected to the measuring capacitance and is particularly preferably switchable accordingly.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung ist der erste Anschlusskontakt der Steuerungs- und Auswerteinrichtung dabei mit dem ersten Anschlusspol der Messkapazität verbunden oder verbindbar, insbesondere über eine entsprechende Anschlussleitung, und der zweite Anschlusspol der Messkapazität mit der Sensorelektrode, insbesondere mit einem Anschlusspol dieser.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the first connection contact of the control and evaluation device is or can be connected to the first connection pole of the measuring capacitance, in particular via a corresponding connecting line, and the second connection pole of the measuring capacitance to the sensor electrode, in particular with a connection pole of this.

Der zweite Anschlusskontakt der Steuerungs- und Auswerteinrichtung ist bevorzugt gleichzeitig mit dem zweiten Anschlusspol der Messkapazität und mit der Sensorelektrode verbunden oder verbindbar, insbesondere über eine weitere entsprechende Anschlussleitung und insbesondere über wenigstens einen Anschlussknoten.The second connection contact of the control and evaluation device is preferably simultaneously connected or connectable to the second connection pole of the measuring capacitance and to the sensor electrode, in particular via a further corresponding connection line and in particular via at least one connection node.

In einer ersten, vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ist der erste Anschlusskontakt dabei wahlweise mit einem ersten Referenzpotential verbindbar, insbesondere mit einem Massepotential, oder von diesem trennbar, während der zweite Anschlusskontakt wahlweise mit einem zweiten Referenzpotential, insbesondere mit einem definierten Versorgungspotential, oder einem dritten Referenzpotential, insbesondere einem Massepotential, verbindbar ist oder jeweils von diesem trennbar ist.In a first, advantageous embodiment of a sensor device according to the invention, the first connection contact can be optionally connected to a first reference potential, in particular to a ground potential, or separated from it, while the second connection contact can be optionally connected to a second reference potential, in particular to a defined supply potential, or to a third Reference potential, in particular a ground potential, can be connected or can be separated from it.

In einer zweiten, alternativen, aber ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ist der zweite Anschlusskontakt dabei wahlweise mit einem ersten Referenzpotential verbindbar, insbesondere mit einem Massepotential, oder von diesem trennbar, während der erste Anschlusskontakt wahlweise mit einem zweiten Referenzpotential, insbesondere mit einem definierten Versorgungspotential, oder einem dritten Referenzpotential, insbesondere einem Massepotential, verbindbar ist oder jeweils von diesem trennbar ist.In a second, alternative but also advantageous embodiment of a sensor device according to the invention, the second connection contact can optionally be connected to a first reference potential, in particular to a ground potential, or can be separated from it, while the first connection contact can optionally be connected to a second reference potential, in particular to a defined supply potential , or a third reference potential, in particular a ground potential, can be connected or can be separated from it.

Unter dem Begriff „Versorgungspotential“ wird im Sinne der Erfindung ein definiertes elektrisches Potential verstanden, welches insbesondere nach Bedarf gewählt werden kann und das beispielsweise auf +5V oder -5V eingestellt werden kann. In einer besonders einfachen Ausgestaltung kann das Versorgungspotential das Potential einer Versorgungsspannung der Steuerungs- und Auswerteinrichtung sein, beispielsweise das Potential der positiven Versorgungsspannung VDD bzw. Vcc, wie sie manchmal auch bezeichnet wird, welches in einem Fahrzeug bevorzugt zwischen +10V und +14V liegt, insbesondere in etwa bei +12V. Das Versorgungspotential Vcc kann aber auch 3,3V oder 5V haben, was sich für viele Fälle als besonders vorteilhaft herausgestellt hat.In the context of the invention, the term “supply potential” is understood to mean a defined electrical potential, which can be selected in particular as required and which can be set to +5V or -5V, for example. In a particularly simple embodiment, the supply potential can be the potential of a supply voltage of the control and evaluation device, for example the potential of the positive supply voltage VDD or Vcc, as it is sometimes also referred to, which is preferably between +10V and +14V in a vehicle. especially around +12V. However, the supply potential Vcc can also be 3.3V or 5V, which has proven to be particularly advantageous in many cases.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung ist die Abschirmelektrode über eine Schalteinrichtung mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung verbunden oder verbindbar, vorzugsweise über eine Operationsverstärker-Schalteinrichtung, insbesondere über eine als Impedanzwandler ausgebildete Operationsverstärker-Schalteinrichtung. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine Fläche der Abschirmelektrode wenigstens so groß ist, wie die Fläche wenigstens einer Sensorelektrode, insbesondere wenn die Fläche der Abschirmelektrode wenigstens das 1 ,5-fache oder das 2-fache der Fläche der zugehörigen Sensorelektrode beträgt. Hierdurch lässt sich eine verbesserte Abschirmung erreichen, insbesondere eine verbesserte Anpassung der Abschirmwirkung an die Größe der Sensorelektrode(n). Vor allem lässt sich hierdurch eine Reduzierung der (Gesamt-)Auflade- und Übertragungszeit (Transferzeit) erreichen.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the shielding electrode is or can be connected to the control and evaluation device via a switching device, preferably via an operational amplifier switching device, in particular via an operational amplifier switching device designed as an impedance converter. This is particularly advantageous if the area of the shielding electrode is at least as large as the area of at least one sensor electrode, in particular if the area of the shielding electrode is at least 1.5 times or twice the area of the associated sensor electrode. This allows improved shielding to be achieved, in particular improved adaptation of the shielding effect to the size of the sensor electrode(s). Above all, a reduction in the (total) charging and transmission time (transfer time) can be achieved in this way.

Insbesondere wenn die Abschirmelektrode über den zweiten Anschlusskontakt mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung verbunden ist und nicht über einen dritten, separaten Anschlusskontakt, sollte eine Schalteinrichtung zwischen der Abschirmelektrode und dem zugehörigen Anschlusskontakt geschaltet sein, um eine ausreichende und vorteilhafte Abschirmwirkung zu erreichen.In particular if the shielding electrode is connected to the control and evaluation device via the second connection contact and not via a third, separate connection contact, a switching device should be connected between the shielding electrode and the associated connection contact in order to achieve a sufficient and advantageous shielding effect.

Insbesondere, wenn die Abschirmelektrode jedoch über den dritten Anschlusskontakt mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung verbunden ist und die Abschirmelektrode insbesondere nicht zu groß ist, insbesondere, wenn eine Fläche der Abschirmelektrode nicht größer ist als eine Fläche der zugehörigen Sensorelektrode, kann die Abschirmelektrode auch direkt, d.h. unmittelbar und ohne Verstärkerschaltung dazwischen, mit dem dritten Anschlusskontakt verbunden sein. Dies ermöglicht einen sehr einfachen, nur wenige Bauteile erfordernden Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.In particular, if the shielding electrode is connected to the control and evaluation device via the third connection contact and the shielding electrode is not too large, in particular if the area of the shielding electrode is not larger than the area of the associated sensor electrode, the shielding electrode can also be used directly, ie be connected to the third connection contact directly and without an amplifier circuit in between. This enables a very simple construction of a sensor device according to the invention, which requires only a few components.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung ist die Abschirmelektrode wenigstens zeitweise mit einem Abschirmpotential beaufschlagbar, vorzugsweise während eines gesamten Aufladezyklus, d.h. bevorzugt über die gesamte Länge eines Aufladezyklus, wobei das Abschirmpotential dabei insbesondere derart gewählt ist, dass parasitäre Kapazitäten während des Aufladezyklus reduziert werden. Dazu kann die Sensorvorrichtung in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere mit einem Abschirmpotential beaufschlagt werden, welches einem im Wesentlichen an der Sensorkapazität anliegenden Potential entspricht, insbesondere identisch zu diesem ist. Hierdurch lässt sich eine besonders gute Reduzierung bzw. Kompensation von entstehenden, störenden, parasitären Kapazitäten erreichen.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the shielding electrode can be subjected to a shielding potential at least temporarily, preferably during an entire charging cycle, i.e. preferably over the entire length of a charging cycle, with the shielding potential being selected in particular in such a way that parasitic capacitances during of the charging cycle can be reduced. For this purpose, in a particularly advantageous embodiment of a sensor device according to the present invention, the sensor device can be subjected in particular to a shielding potential which corresponds to a potential which is essentially present at the sensor capacitance, in particular is identical to it. As a result, a particularly good reduction or compensation of disruptive, parasitic capacitances that arise can be achieved.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung kann die Abschirmelektrode ferner auch wenigstens zeitweise während eines Umschaltvorgangs, insbesondere während eines sich unmittelbar an das Aufladen anschließenden Umschaltvorgangs, mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagt werden, wobei dazu insbesondere die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung entsprechend ausgebildet ist.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the shielding electrode can also be subjected to a defined shielding potential at least temporarily during a switching process, in particular during a switching process immediately following charging, with the control and evaluation device in particular being appropriate for this purpose is trained.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung ist die Sensorvorrichtung, insbesondere die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung ferner derart ausgebildet und eingerichtet, dass die Abschirmelektrode während der Übertragung der Einzel-Ladung an die Messkapazität wenigstens zweitweise, insbesondere während des gesamten Übertragungszyklus, mit einem definierten Referenzpotential, vorzugweise einem Nullpotential (0V), insbesondere einem Massepotential, beaufschlagt werden kann.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the sensor device, in particular the control and evaluation device, is also designed and set up in such a way that the shielding electrode during the transmission of the individual charge to the measuring capacitance at least twice, in particular during the entire transmission cycle, with a defined reference potential, preferably a zero potential (0V), in particular a ground potential, can be applied.

In einer alternativen, aber in einigen Fällen ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung, ist die Sensorvorrichtung dazu ausgebildet, das Aufladen der Sensorkapazität mit einer Einzel-Ladung und das Übertragen der zugehörigen Einzel-Ladung an die Messkapazität in einem Schritt durchzuführen, insbesondere ohne einen Zwischenschritt bzw. einen Umschaltvorgang dazwischen. Hierdurch kann eine schnellere kumulative Aufladung der Messkapazität erreicht werden. Allerdings lässt sich die Abschirmelektrode nicht so gezielt und angepasst mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagen, wie bei getrennten Schritten. Aber die hierdurch erreichbare Robustheitssteigerung ist in vielen Fällen ausreichend, wobei in diesem Fall die Abschirmelektrode besonders bevorzugt wenigstens zeitweise, insbesondere während des gesamten, kombinierten Aufladungs- und Übertragungs-Schrittes, mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagt wird.In an alternative, but in some cases also advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the sensor device is designed to carry out the charging of the sensor capacitance with an individual charge and the transmission of the associated individual charge to the measuring capacitance in one step, in particular without an intermediate step or a switching process in between. In this way, a faster cumulative charging of the measuring capacitance can be achieved. However, the shielding electrode cannot be applied with a defined shielding potential in a targeted and adapted manner as with separate steps. However, the increase in robustness that can be achieved in this way is sufficient in many cases, in which case the shielding electrode is particularly preferably subjected to a defined shielding potential at least temporarily, in particular during the entire combined charging and transmission step.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung weist die Sensorvorrichtung mehrere Sensorelektroden auf, wobei die Sensorvorrichtung vorzugsweise für jede der Sensorelektroden eine separate, jeweils eine einer Sensorelektrode zugeordnete Messkapazität aufweist und die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung vorzugsweise ferner für jede Sensorelektrode jeweils einen separaten ersten Anschlusskontakt und einen separaten zweiten Anschlusskontakt aufweist, sowie insbesondere ferner wenigstens einen dritten Anschlusskontakt, insbesondere einen gemeinsamen dritten Anschlusskontakt, über welchen besonders bevorzugt eine gemeinsame Abschirmelektrode mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagbar ist. Hierdurch kann eine gute Abschirmung und damit eine verbesserte Robustheit der Sensorvorrichtung mit nur einem zusätzlichen Pin bzw. Anschlusskontakt an der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung erreicht werden. Dies ermöglicht einen kostengünstigen und auch besonders bauraumsparenden Aufbau einer robusten Sensorvorrichtung mit mehreren Sensorelektroden.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the sensor device has a plurality of sensor electrodes, with the sensor device preferably having a separate measuring capacitance for each of the sensor electrodes, one assigned to each sensor electrode, and the control and evaluation device preferably also having one for each sensor electrode has a separate first connection contact and a separate second connection contact, and in particular also at least one third connection contact, in particular a common third connection contact, via which a common shielding electrode with a defined shielding potential can particularly preferably be applied. As a result, good shielding and thus improved robustness of the sensor device can be achieved with only one additional pin or connection contact on the control and evaluation device. This enables a robust sensor device with a plurality of sensor electrodes to be constructed in a cost-effective and also particularly space-saving manner.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung weist die Sensorvorrichtung dabei insbesondere für wenigstens zwei Sensorelektroden, insbesondere für alle Sensorelektroden, eine gemeinsame Abschirmelektrode auf, wobei die (gemeinsame) Abschirmelektrode insbesondere über einen bzw. den dritten, insbesondere ebenfalls gemeinsamen, Anschlusskontakt mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung elektrisch verbunden ist und vorzugsweise wenigstens zeitweise während des Aufladens, insbesondere während des gesamten Aufladens, und bevorzugt ferner auch wenigstens zeitweise, insbesondere während eines gesamten nachfolgenden Umschaltvorgangs bzw. Zwischenschrittes, mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagbar ist. Hierdurch kann eine gute Abschirmung und damit eine verbesserte Robustheit der Sensorvorrichtung mit nur einer Abschirmelektrode erreicht werden. Dies ermöglicht einen kostengünstigen und auch besonders bauraumsparenden Aufbau einer robusten Sensorvorrichtung mit mehreren Sensorelektroden.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the sensor device has a common shielding electrode, in particular for at least two sensor electrodes, in particular for all sensor electrodes, with the (common) shielding electrode being connected in particular via one or the third, in particular also common, Connection contact is electrically connected to the control and evaluation device and preferably at least temporarily during charging, in particular during the entire charging, and preferably also little at least temporarily, in particular during an entire subsequent switchover process or intermediate step, can be acted upon by a defined shielding potential. As a result, good shielding and thus improved robustness of the sensor device can be achieved with only one shielding electrode. This enables a robust sensor device with a plurality of sensor electrodes to be constructed in a cost-effective and also particularly space-saving manner.

Statt einer gemeinsamen Abschirmelektrode können alternativ aber auch mehrere Abschirmelektroden vorgesehen sein, wobei in diesem Fall jede der Abschirmelektroden vorzugsweise über den der jeweiligen zugehörigen Sensorelektrode zugehörigen, zweiten Anschlusskontakt mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung verbunden oder verbindbar ist, insbesondere jeweils über eine Schalteinrichtung, insbesondere eine Operationsverstärker-Schalteinrichtung, vorzugsweise eine als Impedanzwandler ausgebildete Schalteinrichtung, oder aber über einen zugehörigen, der jeweiligen Sensorelektrode zugeordneten, separaten dritten Anschlusskontakt. Erstere Variante, d.h. eine Anbindung über die zweiten Anschlusskontakte, hat jedoch den Vorteil, dass keine zusätzlichen (dritten Anschlusskontakte erforderlich sind. Allerdings ist bevorzugt jeweils eine zusätzliche Schalteinrichtung vorzusehen, um eine vorteilhafte Abschirmung zu erreichen. Bei einer Anbindung über jeweils einen dritten Anschlusskontakt kann hingegen in vielen Fällen bereits mit einer direkten Anbindung der einzelnen Abschirmelektroden, d.h. ohne eine Schalteinrichtung wie beispielsweise eine Operationsverstärker-Schalteinrichtung, dazwischen, eine ausreichende Abschirmung bzw. Reduzierung parasitärer Kapazitäten erreicht werden, insbesondere wenn die Fläche der Abschirmelektrode nicht zu groß gewählt ist.Alternatively, instead of a common shielding electrode, several shielding electrodes can also be provided, in which case each of the shielding electrodes is preferably connected or can be connected to the control and evaluation device via the second connection contact associated with the respective associated sensor electrode, in particular via a switching device, in particular a switching device Operational amplifier switching device, preferably a switching device designed as an impedance converter, or via an associated, separate third connection contact assigned to the respective sensor electrode. However, the first variant, i.e. a connection via the second connection contacts, has the advantage that no additional (third connection contacts are required. However, an additional switching device is preferably provided in each case in order to achieve advantageous shielding. With a connection via a third connection contact in each case On the other hand, in many cases, sufficient shielding or a reduction in parasitic capacitances can be achieved with a direct connection of the individual shielding electrodes, i.e. without a switching device such as an operational amplifier switching device in between, especially if the area of the shielding electrode is not too large.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung ist wenigstens eine Sensorelektrode und wenigstens eine Abschirmelektrode jeweils flächig ausgebildet, wobei die Sensorvorrichtung vorzugsweise ferner eine Trägereinrichtung aufweist, vorzugsweise ein flächiges Trägerelement, insbesondere eine Trägerfolie, und die wenigstens eine flächig ausgebildete Sensorelektrode und die wenigstens eine flächig ausgebildete Abschirmelektrode sind insbesondere flächig auf der Trägereinrichtung aufgebracht oder wenigstens teilweise in die Trägereinrichtung integriert. Hierdurch kann eine besonders einfach aufgebaute und vor allem besonders flach bauenden Sensorvorrichtung bereitgestellt werden.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, at least one sensor electrode and at least one shielding electrode are each of flat design, with the sensor device preferably also having a carrier device, preferably a flat carrier element, in particular a carrier film, and the at least one flat sensor electrode and the at least one flat shielding electrode is in particular applied flat to the carrier device or at least partially integrated into the carrier device. As a result, a particularly simply constructed and, above all, particularly flat sensor device can be provided.

Die Abschirmelektrode kann dabei auf einer von der wenigstens einen flächig ausgebildeten Sensorelektrode abgewandten Seite auf der Trägereinrichtung aufgebracht sein oder auf der gleichen Seite wie die wenigstens eine flächig ausgebildete Sensorelektrode auf der Trägereinrichtung aufgebracht sein, insbesondere in einer Ebene mit der Sensorelektrode oder aber auch in einer anderen Ebene.The shielding electrode can be applied to the carrier device on a side facing away from the at least one flat sensor electrode or on the same side as the at least one flat sensor electrode on the carrier device, in particular in one plane with the sensor electrode or also in one other level.

Die Abschirmelektrode kann auch, insbesondere zusammen mit der Sensorelektrode, oder allein, in die Trägereinrichtung integriert sein, insbesondere derart, dass sich die Abschirmelektrode und die Sensorelektrode in einer Ebene erstrecken.The shielding electrode can also be integrated into the carrier device, in particular together with the sensor electrode, or alone, in particular in such a way that the shielding electrode and the sensor electrode extend in one plane.

Die Trägereinrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, unterhalb einer Bedienoberfläche einer Bedieneinrichtung angeordnet zu werden, vorzugsweise unterhalb einer Unterseite der Bedienoberfläche, insbesondere mit der wenigstens einen Sensorelektrode der Unterseite der Bedienoberfläche zugewandt. Hierdurch kann ein gutes Ansprechen der Sensorvorrichtung auf Annähern und/oder Berühren erreicht werden.The carrier device is designed in particular to be arranged below a user interface of a user interface, preferably below an underside of the user interface, in particular with the at least one sensor electrode facing the underside of the user interface. As a result, a good response of the sensor device to approaching and/or touching can be achieved.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung ist ein minimaler Abstand der Abschirmelektrode zu wenigstens einer abzuschirmenden Sensorelektrode nicht größer als 5 mm, vorzugsweise nicht größer als 4 mm, 3 mm, 2 mm, 1 mm oder 0,5 mm, beträgt aber insbesondere wenigstens 0,2 mm oder 0,3 mm. Hierdurch kann eine besonders gute Abschirmung bzw. Reduzierung parasitärer Kapazitäten erreicht werden. Ist der Abstand zu groß, ist der Anteil einer unerwünschten kapazitiven Kopplung mit der Sensorelektrode zu groß. Ist der Abstand zu klein, besteht die Gefahr eines elektrischen Kontaktes und damit eines Kurzschlusses, was ausgeschlossen werden muss.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, a minimum distance between the shielding electrode and at least one sensor electrode to be shielded is no greater than 5 mm, preferably no greater than 4 mm, 3 mm, 2 mm, 1 mm or 0.5 mm. but is in particular at least 0.2 mm or 0.3 mm. In this way, particularly good shielding or a reduction in parasitic capacitances can be achieved. If the distance is too large, the proportion of undesired capacitive coupling with the sensor electrode is too large. If the distance is too small, there is a risk of electrical contact and thus a short circuit, which must be ruled out.

Unter dem „minimalen Abstand“ wird dabei und im Sinne der vorliegenden Erfindung der kleinste vorhandene Abstand zwischen einer äußeren Kante bzw. einem äußeren Rand der Abschirmelektrode und einer äußeren Kante bzw. einem äußeren Rand der Sensorelektrode bezeichnet.The “minimum distance” here and in the sense of the present invention refers to the smallest existing distance between an outer edge or an outer edge of the shielding electrode and an outer edge or an outer edge of the sensor electrode.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Sensorvorrichtung weist die Sensorvorrichtung ferner wenigstens eine weitere Abschirmeinrichtung auf, vorzugsweise wenigstens eine weitere Abschirmeinrichtung, die wenigstens eine Sensorelektrode und die wenigstens eine Abschirmelektrode zumindest teilweise in Umfangsrichtung umgibt, wobei die wenigstens eine weitere Abschirmeinrichtung während des Betriebs der Sensorvorrichtung insbesondere zumindest zeitweise, insbesondere dauerhaft, mit einem definierten Referenzpotential, insbesondere einem Massepotential, beaufschlagt werden kann. Hierdurch kann eine noch weiter verbesserte Reduzierung parasitärer Kapazitäten erreicht werden.In a further advantageous embodiment of a sensor device designed according to the present invention, the sensor device also has at least one further shielding device, preferably at least one further shielding device, which at least partially surrounds at least one sensor electrode and the at least one shielding electrode in the circumferential direction, the at least one further shielding device during of the operation of the sensor device, in particular at least temporarily, in particular permanently, a defined reference potential, in particular a ground potential, can be applied. This allows an even further improved Reduction of parasitic capacitances can be achieved.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer kapazitiven Sensorvorrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, umfasst die folgenden, insbesondere aufeinanderfolgenden, Schritte:

S1: Bereitstellen der Sensorvorrichtung,
S2: Herstellen eines definierten Ladungszustands wenigstens einer Sensorkapazität und einer zugehörigen Messkapazität, insbesondere jeweils durch Entladen,
S3: Aufladen der Sensorkapazität mit einer von der (aktuellen) kapazitiven Kopplung mit der Umgebung abhängigen Einzel-Ladung und Übertragen dieser Einzel-Ladung an die Messkapazität derart, dass die Messkapazität kumulativ aufgeladen wird, wobei Schritt S3 wenigstens einmal wiederholt wird, vorzugsweise mehrfach, insbesondere bis eine vordefinierte Bedingung erfüllt ist,
S4: Erfassen und Auswerten einer an der Messkapazität anliegenden Spannung und Ermitteln eines die kapazitive Kopplung der zugehörigen Sensorelektrode mit der Umgebung charakterisierenden Zustandswerts,

wobei erfindungsgemäß die Abschirmelektrode wenigstens zeitweise während des Aufladens der Sensorkapazität mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagt wird, insbesondere im Wesentlichen während der gesamten Dauer des Schrittes S3 des Aufladens der Sensorkapazität.A method according to the invention for operating a capacitive sensor device, in particular a sensor device according to the invention, comprises the following, in particular sequential, steps:

S1: providing the sensor device,
S2: Creation of a defined charge state of at least one sensor capacitance and an associated measurement capacitance, in particular by discharging,
S3: Charging the sensor capacitance with an individual charge dependent on the (current) capacitive coupling with the environment and transferring this individual charge to the measuring capacitance in such a way that the measuring capacitance is cumulatively charged, with step S3 being repeated at least once, preferably several times, in particular until a predefined condition is met,
S4: detecting and evaluating a voltage applied to the measuring capacitance and determining a state value characterizing the capacitive coupling of the associated sensor electrode with the environment,

according to the invention, the shielding electrode is subjected to a defined shielding potential at least temporarily during the charging of the sensor capacitance, in particular essentially during the entire duration of step S3 of charging the sensor capacitance.

Hierdurch kann die Sensorvorrichtung besonders vorteilhaft betrieben werden, insbesondere eine nach dem QT-Verfahren betreibbare Sensorvorrichtung. Insbesondere kann durch ein erfindungsgemäßes Verfahren auch eine besonders einfache, nur wenige Bauteile benötigende und damit besonders kostensparende Sensorvorrichtung so betrieben werden, dass sie eine verbesserte Robustheit gegenüber Störeinflüssen aufweist, insbesondere gegenüber Störeinflüssen, die parasitäre Kapazitäten erzeugen, wie insbesondere Feuchtigkeit bzw. Wassertröpfchen im Detektionsbereich der Sensorvorrichtung.As a result, the sensor device can be operated particularly advantageously, in particular a sensor device that can be operated according to the QT method. In particular, a particularly simple sensor device that requires only a few components and is therefore particularly cost-saving can be operated using a method according to the invention in such a way that it has improved robustness to interference, in particular to interference that produces parasitic capacitances, such as moisture or water droplets in particular in the detection area the sensor device.

Gegebenenfalls kann bei einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ferner in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustandswert insbesondere wenigstens ein Zustandssignal erzeugt und/oder ausgegeben werden.If necessary, in an embodiment of a method according to the invention, in particular at least one status signal can also be generated and/or output as a function of the determined status value.

Die vordefinierte Bedingung, bis zu welcher das kumulative Aufladen der Messkapazität erfolgt ist bevorzugt ein Erreichen einer Aufladung von wenigstens 50%, insbesondere von etwa 60%, vorzugsweise von etwa 63% der maximal möglichen Aufladung der Messkapazität. Denkbar ist aber auch, das kumulative Aufladen erst bei 70%, 80% oder mehr Aufladung, d.h. bei mehr kumulativer Gesamtladung abzubrechen. Dies kommt auf den Einzelfall an. Als besonders vorteilhaft hat sich ein kumulatives Aufladen von etwa 63% herausgestellt. Hierdurch lässt sich mit möglichst wenigen Lade- und Transfer-Zyklen eine gute Erfassung der Sensorkapazität erreichen sowie eine gute Kompensation parasitärer Kapazitäten. Damit ist ein schneller und effizienter Betrieb der Sensorvorrichtung möglich. Hierdurch wiederum kann eine hohe Zuverlässigkeit der Sensorvorrichtung erreicht werden.The predefined condition up to which the cumulative charging of the measuring capacitance takes place is preferably reaching a charging of at least 50%, in particular about 60%, preferably about 63% of the maximum possible charging of the measuring capacitance. However, it is also conceivable to stop the cumulative charging only when the charging is 70%, 80% or more, i.e. when the total cumulative charging is more. This depends on the individual case. A cumulative charging of about 63% has proven to be particularly advantageous. In this way, a good detection of the sensor capacitance and a good compensation of parasitic capacitances can be achieved with as few charging and transfer cycles as possible. Faster and more efficient operation of the sensor device is thus possible. This in turn makes it possible to achieve high reliability of the sensor device.

Bei einer vorteilhaften Ausführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Abschirmelektrode ferner insbesondere wenigstens zeitweise während der Schritte S2 und/oder S4, insbesondere während der gesamten Dauer von Schritt S2 und/oder S4, mit einem Referenzpotential, vorzugsweise einem Nullpotential (0V), insbesondere einem Massepotential, beaufschlagt werden. Vorzugsweise kann während des Schrittes S2 zum Herstellen des definierten Referenzzustands ferner die Messkapazität mit einem definierten Referenzpotential beaufschlagt werden, vorzugweise ebenfalls mit einem Nullpotential (0V), insbesondere ebenfalls mit einem Massepotential. Hierdurch lässt sich besonders einfach ein definierter und darüber hinaus außerdem vorteilhafter Referenzzustand einer Komponente der Sensorvorrichtung oder der gesamten Sensorvorrichtung herstellen.In an advantageous embodiment of a method according to the present invention, the shielding electrode is also, in particular, at least temporarily during steps S2 and/or S4, in particular for the entire duration of step S2 and/or S4, at a reference potential, preferably a zero potential (0V), in particular a ground potential, are applied. A defined reference potential can preferably also be applied to the measuring capacitance during step S2 to produce the defined reference state, preferably also with a zero potential (0V), in particular also with a ground potential. As a result, a defined and, moreover, also advantageous reference state of a component of the sensor device or of the entire sensor device can be established in a particularly simple manner.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Aufladen der Sensorkapazität mit einer von der (aktuellen) kapazitiven Kopplung mit der Umgebung abhängigen Einzel-Ladung und das Übertragen dieser Einzel-Ladung an die Messkapazität in separaten Teilschritten nacheinander durchgeführt, insbesondere mit einem Zwischenschritt SU dazwischen, der einen Umschaltvorgang umfasst. Dies ermöglicht einen besonders einfachen und robusten Betrieb der Sensorvorrichtung, insbesondere eine besonders vorteilhafte und zudem außerdem einfache Ansteuerung der Abschirmelektrode, insbesondere eine steuerungstechnisch relativ einfach zu realisierende, vorteilhafte Beaufschlagung der Abschirmelektrode mit dem definierten Abschirmpotential.In a further advantageous embodiment of a method according to the present invention, the charging of the sensor capacitance with an individual charge that is dependent on the (current) capacitive coupling with the environment and the transfer of this individual charge to the measuring capacitance are carried out in separate partial steps one after the other, in particular with an intermediate step SU in between, which includes a switching operation. This enables a particularly simple and robust operation of the sensor device, in particular a particularly advantageous and also simple control of the shielding electrode, in particular an advantageous application of the defined shielding potential to the shielding electrode that is relatively easy to implement in terms of control technology.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Abschirmelektrode während der Übertragung der Einzel-Ladung an die Messkapazität insbesondere mit einem Referenzpotential, vorzugsweise einem Nullpotential (0V), insbesondere einem Massepotential, beaufschlagt. Dies ermöglicht einen besonders einfachen, aber vorteilhaften Betrieb einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung. Ferner lässt sich hierdurch eine hohe Genauigkeit mit der Sensorvorrichtung erreichen.In a further advantageous embodiment of a method according to the present invention, a reference potential, preferably a zero potential (0V), in particular a ground potential, is applied to the shielding electrode during the transfer of the individual charge to the measuring capacitance. This enables a particularly simple but advantageous operation a sensor device according to the invention. Furthermore, this allows a high level of accuracy to be achieved with the sensor device.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ferner insbesondere wenigstens einen weiteren Schritt SU, insbesondere einen Zwischenschritt SU, in dem ein Umschaltvorgang durchgeführt wird, insbesondere zwischen Teilschritt S3a und Teilschritt S3b, d.h. zwischen dem Teilschritt des Aufladens und des Übertragens, wobei die Abschirmelektrode insbesondere während eines Umschaltvorgangs zwischen dem Aufladen der Sensorkapazität und dem Übertragen der Einzel-Ladung an die Messkapazität vorzugsweise ebenfalls wenigstens zeitweise, vorzugsweise vollständig während des Umschaltvorgangs, d.h. über die gesamte Dauer der Umschaltvorgangs, mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagt wird, insbesondere im Wesentlichen während der gesamten Dauer von Schritt SU nach dem Aufladen. Hierdurch lassen sich parasitäre Kapazitäten besonders gut reduzieren bzw. vermeiden.In a further advantageous embodiment of a method according to the present invention, the method also includes in particular at least one further step SU, in particular an intermediate step SU, in which a switching process is carried out, in particular between sub-step S3a and sub-step S3b, i.e. between the sub-step of charging and the transfer, the shielding electrode being subjected to a defined shielding potential, in particular during a switchover process between the charging of the sensor capacitance and the transfer of the individual charge to the measuring capacitance, preferably also at least temporarily, preferably completely during the switchover process, i.e. over the entire duration of the switchover process, in particular, substantially throughout the duration of step SU after charging. As a result, parasitic capacitances can be reduced or avoided particularly well.

Alternativ oder zusätzlich können grundsätzlich auch ein oder mehrere Zwischenschritte SU mit einem oder mehreren Umschaltvorgängen zwischen den anderen Schritten ausgeführt werden, beispielsweise zwischen Schritt S2 und S3 und/oder zwischen S3 und S4, insbesondere zwischen S3b und S4.Alternatively or additionally, one or more intermediate steps SU can also be carried out with one or more switching processes between the other steps, for example between steps S2 and S3 and/or between S3 and S4, in particular between S3b and S4.

Bei einer alternativen, aber in einigen Fällen ebenfalls vorteilhaften Ausführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Aufladen und Übertragen auch in einem einzigen, gemeinsamen Verfahrensschritt durchgeführt werden, insbesondere ohne einen Umschaltvorgang dazwischen, d.h. insbesondere in einem gleichen bzw. unveränderten Schaltzustand, wobei in diesem Fall vorzugsweise wenigstens während des Aufladens, insbesondere während des gesamten Schrittes S3, die wenigstens eine Abschirmelektrode mit einem definierten Abschirmpotential beaufschlagt wird. Dadurch kann zwar in der Regel eine etwas geringere Genauigkeit erreicht werden, da eine Steuerung der Beaufschlagung der Abschirmelektrode mit dem definierten Abschirmpotential nicht so genau und fein einstellbar ist, wie mit getrennten Schritten S3a und S3b für das Aufladen und Übertragen, und insbesondere einem Zwischenschritt dazwischen. Dafür sind jedoch weniger Verfahrensschritte, insbesondere weniger Zwischenschritte, insbesondere weniger Umschaltvorgänge, erforderlich.In an alternative, but in some cases also advantageous embodiment of a method according to the present invention, charging and transmission can also be carried out in a single, common method step, in particular without a switching process in between, i.e. in particular in an identical or unchanged switching state, with in In this case, a defined shielding potential is applied to the at least one shielding electrode, preferably at least during charging, in particular during the entire step S3. As a rule, somewhat less accuracy can be achieved as a control of the application of the defined shielding potential to the shielding electrode cannot be set as precisely and finely as with separate steps S3a and S3b for charging and transmission, and in particular an intermediate step in between . However, fewer method steps, in particular fewer intermediate steps, in particular fewer switching operations, are required for this.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht das definierte Abschirmpotential, mit welchem die Abschirmelektrode zumindest teilweise während des Aufladens der Sensorkapazität und ggf. während eines Umschaltvorgangs beaufschlagt wird, insbesondere während eines Umschaltvorgangs zwischen Teilschritt S3a und Teilschritt S3b, im Wesentlichen einem an der zugehörigen Sensorkapazität anliegenden Potential, wobei das Abschirmpotential insbesondere identisch zu diesem ist, d.h. zu dem an der aufgeladenen Sensorkapazität anliegenden Potential. Hierdurch lassen sich parasitäre Kapazitäten besonders gut reduzieren bzw. vermeiden.In a particularly advantageous embodiment of a method according to the present invention, the defined shielding potential, with which the shielding electrode is at least partially applied during the charging of the sensor capacitance and possibly during a switching process, in particular during a switching process between partial step S3a and partial step S3b, essentially corresponds to one potential applied to the associated sensor capacitance, the shielding potential being in particular identical to this, i.e. to the potential applied to the charged sensor capacitance. As a result, parasitic capacitances can be reduced or avoided particularly well.

Sind mehrere Sensorelektroden und zugehörige Messkapazitäten vorhanden und nur eine gemeinsame Abschirmelektrode, werden die Messkapazitäten bevorzugt jeweils schrittweise nacheinander aufgeladen, wobei die Abschirmelektrode jeweils mit einem, dem zugehörigen, jeweils aktuell an der jeweiligen Sensorkapazität, die gerade zum Aufladen der Messkapazität verwendet wird, gerade anliegenden Potential entsprechenden Abschirmpotential beaufschlagt wird. Hierdurch lassen sich parasitäre Kapazitäten besonders gut reduzieren bzw. vermeiden.If there are several sensor electrodes and associated measuring capacitances and only one common shielding electrode, the measuring capacitances are preferably charged step by step one after the other, with the shielding electrode in each case being in contact with the associated sensor capacitance that is currently being used to charge the measuring capacitance Potential corresponding shielding potential is applied. As a result, parasitic capacitances can be reduced or avoided particularly well.

Die mit Bezug auf eine erfindungsgemäße kapazitive Sensorvorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend auch für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer solchen Sensorvorrichtung und umgekehrt, auch wenn dies jeweils, insbesondere um Wiederholungen zu vermeiden, in der vorliegenden Anmeldung nicht immer explizit erläutert ist.The preferred embodiments presented with reference to a capacitive sensor device according to the invention and their advantages also apply accordingly to a method according to the invention for operating such a sensor device and vice versa, even if this is not always explicitly explained in the present application, in particular to avoid repetition.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar, sofern diese Kombination technisch ausführbar ist.Further features of the invention result from the claims, the figures and the description of the figures. All the features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, provided that this combination is technically feasible.

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer, nicht einschränkender Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei funktionsgleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

1a bis 1f Blockschaltbilder verschiedener Betriebs- bzw. Schaltzustände eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung, die gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird,
2 ein (weiteres) Blockschaltbild zu dem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung aus den 2a bis 2f,
3 ein Blockschaltbild eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung,
4 einen beispielhaften Verlauf eines am dritten Anschlusskontakt bzw. einer daran angeschlossenen Abschirmelektrode anliegenden Abschirmpotentials während eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Betriebs der erfindungsgemäßen, kapazitiven Sensorvorrichtung aus den 1a bis 1f,
5 einen beispielhaften Verlauf eines an der Messkapazität und der Sensorkapazität anliegenden Potentials über der Zeit der kumulativen Aufladung der Messkapazität in Abhängigkeit von dem an der Sensorkapazität anliegenden Potential.
6 ein Flussdiagramm mit den Verfahrensschritten des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 1a bis 1f,
7a eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung mit einer Trägereinrichtung, mehreren Sensorelektroden und einer auf der von den Sensorelektroden abgewandten Seite angeordneten Abschirmelektrode,
7b die Sensorvorrichtung aus 7a in Draufsicht auf die Sensorelektroden,
8 in Draufsicht einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung mit einer Trägereinrichtung, mehreren Sensorelektroden und einer mit den Sensorelektroden in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Abschirmelektrode,
9 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung mit mehreren Sensorelektroden und einer gemeinsamen Abschirmelektrode,
10 eine Seitenansicht eines Ausschnitts der Sensorvorrichtung aus 9 mit einem Wassertröpfchen auf der Bedienoberfläche,
11a eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit einer weiteren Abschirmeinrichtung und einem Wassertröpfchen auf der Bedienoberfläche,
11b eine Draufsicht auf die Sensorvorrichtung aus 11a, jedoch ohne das Wassertröpfchen,
12a bis 12e Blockschaltbilder verschiedener Betriebs- bzw. Schaltzustände eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung, die gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird, und
13 ein Flussdiagramm mit den Verfahrensschritten des zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 12a bis 12e.

The invention will now be explained in more detail on the basis of several non-restrictive exemplary embodiments and with reference to the attached drawings, in which components with the same function are provided with the same reference numbers. show:

1a until 1f Block diagrams of various operating or switching states of a first exemplary embodiment of a capacitive sensor device according to the invention, which is operated according to a first exemplary embodiment of a method according to the invention,
2 a (further) block diagram of the embodiment of a capacitive sensor device according to the invention from the 2a until 2f ,
3 a block diagram of an alternative embodiment of a capacitive sensor device according to the invention,
4 an exemplary course of a shielding potential applied to the third connection contact or a shielding electrode connected thereto during exemplary operation according to the invention of the capacitive sensor device according to the invention from FIGS 1a until 1f ,
5 an exemplary curve of a potential present at the measuring capacitance and the sensor capacitance over time of the cumulative charging of the measuring capacitance as a function of the potential present at the sensor capacitance.
6 a flow chart with the method steps of the first exemplary embodiment of a method according to the invention 1a until 1f ,
7a a side view of a section of a further exemplary embodiment of a capacitive sensor device according to the invention with a carrier device, a plurality of sensor electrodes and a shielding electrode arranged on the side facing away from the sensor electrodes,
7b the sensor device off 7a in plan view of the sensor electrodes,
8th in plan view a section of a further exemplary embodiment of a capacitive sensor device according to the invention with a carrier device, several sensor electrodes and a shielding electrode arranged in a common plane with the sensor electrodes,
9 a block diagram of a further exemplary embodiment of a capacitive sensor device according to the invention with a plurality of sensor electrodes and a common shielding electrode,
10 a side view of a section of the sensor device 9 with a water droplet on the user interface,
11a a side view of a section of a further exemplary embodiment of a sensor device according to the invention with a further shielding device and a water droplet on the user interface,
11b a plan view of the sensor device 11a , but without the water droplet,
12a until 12e Block diagrams of various operating or switching states of a further exemplary embodiment of a capacitive sensor device according to the invention, which is operated according to a second exemplary embodiment of a method according to the invention, and
13 a flowchart with the method steps of the second embodiment of a method according to the invention 12a until 12e .

Die 1a bis 1f zeigen Blockschaltbilder verschiedener Betriebs- bzw. Schaltzustände eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung 100, die gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird, wobei diese Sensorvorrichtung 100 für eine hier nicht dargestellte Bedienvorrichtung eines Fahrzeugs zum Erkennen einer Annäherung und/oder Berührung ausgebildet ist und insbesondere dazu ausgebildet ist, unterhalb einer Bedienoberfläche einer solchen Bedienvorrichtung angeordnet zu werden.the 1a until 1f show block diagrams of various operating or switching states of a first exemplary embodiment of a capacitive sensor device 100 according to the invention, which is operated according to a first exemplary embodiment of a method according to the invention, this sensor device 100 being designed for an operating device of a vehicle (not shown here) for detecting an approach and/or contact and is designed in particular to be arranged below a user interface of such an operating device.

Dieses Ausführungsbeispiel einer kapazitiven Sensorvorrichtung 100 weist dabei eine erste elektrisch leitfähige Sensorelektrode E1 zur kapazitiven Erkennung einer Anwesenheit eines hier ebenfalls nicht dargestellten Eingabemittels in einem Detektionsbereich der Sensorvorrichtung 100, eine der Sensorelektrode E1 zugeordnete Messkapazität Cs und eine Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10 in Form eines Mikrokontrollers (µC) auf, wobei die Sensorelektrode E1 mit der Umgebung eine sich bei Anwesenheit eines Eingabemittels im Detektionsbereich der Sensorvorrichtung 100 ändernde Sensorkapazität Cx ausbildet. Die Sensorvorrichtung 100 ist dabei dazu ausgebildet, im sogenannten Ladungs-Transfer-Verfahren, d. h im QT-Verfahren, wie es aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist, beispielsweise aus der US 6,466,036 B1 , betrieben zu werden, welches im weiteren Verlauf dieser Anmeldung noch näher erläutert wird.This exemplary embodiment of a capacitive sensor device 100 has a first electrically conductive sensor electrode E1 for capacitively detecting the presence of an input means (also not shown here) in a detection area of sensor device 100, a measuring capacitance Cs assigned to sensor electrode E1, and a control and evaluation device 10 in the form of a microcontroller (μC), with the sensor electrode E1 forming a changing sensor capacitance Cx with the environment when an input means is present in the detection area of the sensor device 100 . The sensor device 100 is designed to use the so-called charge transfer method, i. h in the QT method, as is known in principle from the prior art, for example from US 6,466,036 B1 To be operated, which will be explained in more detail later in this application.

Die Steuerungs- und Auswerteinrichtung 10 bzw. der Mikrokontroller (µC) weist einen ersten Anschlusskontakt A sowie einen zweiten Anschlusskontakt B auf, die jeweils als schaltbare GPIO-Anschlusskontakte ausgebildet sind, d.h. insbesondere als sogenannte „General Purpose Input Output“-Kontakte, die wahlweise je nach Schaltzustand mit verschiedenen Funktionen bzw. Signalen belegbar sind, wobei der erste Anschlusskontakt A bei diesem Ausführungsbeispiel wahlweise mit einem Referenzpotenzial VRef, vorliegend insbesondere mit einem Massepotential GND, elektrisch verbindbar oder von diesem trennbar ist. Der zweite Anschlusskontakt B des µC ist wahlweise mit einem Referenzpotenzial VRef, vorliegend insbesondere mit einem Massepotential GND, einem definierten Versorgungspotential Vcc oder einem ADC (Analog-Digital-Converter) zum Erfassen einer elektrischen Spannung, insbesondere einer an der Messkapazität Cs anliegenden Spannung, elektrisch verbindbar oder jeweils von diesem trennbar, wobei das Versorgungspotential Vcc bei diesem Ausführungsbeispiel zwischen +3,3V und +5V einstellbar ist. Als vorteilhaft hat sich ein Versorgungspotential von insbesondere +3,3V oder +5V herausgestellt.The control and evaluation device 10 or the microcontroller (μC) has a first connection contact A and a second connection contact B, which are each designed as switchable GPIO connection contacts, i.e. in particular as so-called "general purpose input output" contacts, which can optionally can be assigned depending on the switching state with different functions or signals, the first connection contact A at this Embodiment optionally with a reference potential VRef, present in particular with a ground potential GND, electrically connectable or separable from this. The second connection contact B of the µC is optionally electrically connected to a reference potential VRef, in this case in particular to a ground potential GND, a defined supply potential Vcc or an ADC (analog-to-digital converter) for detecting an electrical voltage, in particular a voltage present at the measuring capacitance Cs can be connected or separated from it, the supply potential Vcc being adjustable between +3.3V and +5V in this exemplary embodiment. A supply potential of, in particular, +3.3V or +5V has proven to be advantageous.

Die Messkapazität Cs weist einen ersten und einen zweiten, jeweils nicht näher bezeichneten Anschlusspol auf, wobei der erste, in den 1a bis 1f jeweils linke Pol der Messkapazität Cs über eine erste, ebenfalls nicht näher bezeichnete Anschlussleitung mit dem ersten Anschlusskontakt A der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10 elektrisch verbunden ist und der zweite, hier rechte Pol der Messkapazität Cs über eine zweite, auch nicht näher bezeichnete Anschlussleitung mit dem zweiten Anschlusskontakt B.The measuring capacitance Cs has a first and a second, each unspecified connection pole, the first, in the 1a until 1f each left pole of the measuring capacitance Cs is electrically connected to the first connection contact A of the control and evaluation device 10 via a first connecting line, also not specified, and the second, here right pole of the measuring capacitance Cs via a second connecting line, also not specified, to the second connection contact B.

Die Sensorelektrode E1, welche mit der Umgebung der Sensorvorrichtung 100 die Sensorkapazität Cx bildet, ist über eine dritte, nicht näher bezeichnete Anschlussleitung und einen Anschlussknoten elektrisch mit der zweiten Anschlussleitung verbunden und über diese ebenfalls mit dem zweiten Anschlusskontakt B des Mikrokontrollers.The sensor electrode E1, which forms the sensor capacitance Cx with the surroundings of the sensor device 100, is electrically connected to the second connecting line via a third connecting line and a connecting node, and via this also to the second connecting contact B of the microcontroller.

Wie es das QT-Verfahren erfordert ist die Sensorvorrichtung 100 dazu ausgebildet und eingerichtet, durch wiederholtes Aufladen (Schritte S3a, SU; vgl. 1c und 1d) der zugehörigen Sensorkapazität Cx mit einer von der kapazitiven Kopplung mit der Umgebung abhängigen Einzel-Ladung ΔQ (vgl. 5) und Übertragen (Schritt S3b, vgl. 1e) dieser Einzel-Ladung ΔQ an die Messkapazität Cs die Messkapazität Cs schrittweise kumulativ aufzuladen (vgl. 5), und nach einem kumulativen Aufladen der Messkapazität Cs eine an der Messkapazität Cs anliegende Spannung Vcs mithilfe eines ADC (Analog-Digital-Konverter) zu erfassen und auszuwerten (Schritt S4, vgl. 1f) und in Abhängigkeit von der erfassten Spannung Vcs die kapazitive Kopplung der Sensorelektrode Cx mit der Umgebung oder eine Änderung dieser zu ermitteln.As required by the QT method, sensor device 100 is designed and set up to, by repeated charging (steps S3a, SU; cf. 1c and 1d ) of the associated sensor capacitance Cx with an individual charge ΔQ dependent on the capacitive coupling with the environment (cf. 5 ) and transfer (step S3b, cf. 1e) this single charge ΔQ to the measuring capacitance Cs cumulatively charge the measuring capacitance Cs step by step (cf. 5 ), and after a cumulative charging of the measuring capacitance Cs, to detect and evaluate a voltage Vcs present at the measuring capacitance Cs using an ADC (analog-to-digital converter) (step S4, cf. 1f) and to determine the capacitive coupling of the sensor electrode Cx to the environment or a change in this as a function of the detected voltage Vcs.

Erfindungsgemäß weist die Sensorvorrichtung 100 ferner eine Abschirmelektrode 20 auf, wobei die Abschirmelektrode 20 wenigstens zeitweise während des Aufladens der Sensorkapazität Cx, insbesondere während des Aufladens der Sensorkapazität Cx, in Schritt S3 eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer solchen Sensorvorrichtung 100, mit einem definierten Abschirmpotential V_SH beaufschlagbar ist, bei diesem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 100 insbesondere mit einem Abschirmpotential V_SH, welches einem im Wesentlichen an der Sensorkapazität Cx anliegenden Potential V_CX entspricht, insbesondere identisch zu diesem ist (vgl. 5).According to the invention, sensor device 100 also has a shielding electrode 20, shielding electrode 20 being connected at least temporarily to a defined shielding potential V _SH can be acted upon, in this exemplary embodiment of a sensor device 100 according to the invention, in particular with a shielding potential V _SH , which corresponds to a potential V _CX that is essentially present at the sensor capacitance Cx, in particular is identical to it (cf. 5 ).

Dazu weist bei diesem Ausführungsbeispiel die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10 ferner einen dritten Anschlusskontakt C auf, wobei die Abschirmelektrode 20 elektrisch mit dem dritten Anschlusskontakt C verbunden ist.For this purpose, in this exemplary embodiment, the control and evaluation device 10 also has a third connection contact C, with the shielding electrode 20 being electrically connected to the third connection contact C. FIG.

Die Abschirmelektrode 20 kann dabei, wie in den 1a bis 1f und in 2 gezeigt, jeweils direkt mit dem dritten Anschlusskontakt C elektrisch verbunden sein, oder aber über eine Schalteinrichtung 30 mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10 verbunden sein, beispielsweise über eine Operationsverstärker-Schalteinrichtung 30, insbesondere über eine als Impedanzwandler 30 ausgebildete Operationsverstärker-Schalteinrichtung 30, wie bei dem alternativen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 300 aus 3. Die Variante aus 3 ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine Fläche der Abschirmelektrode 20 wenigstens so groß ist, wie die Fläche wenigstens einer Sensorelektrode E1, insbesondere wenn die Fläche der Abschirmelektrode 20 wenigstens das 1,5-fache oder das 2-fache der Fläche der zugehörigen Sensorelektrode E1 beträgt. Hierdurch lässt sich eine verbesserte Abschirmung erreichen, insbesondere eine verbesserte Anpassung der Abschirmwirkung an die Größe der Sensorelektrode(n) E1. Vor allem lässt sich hierdurch eine Reduzierung der (Gesamt-)Auflade- und Übertragungszeit (Transferzeit) erreichen.The shielding electrode 20 can, as in the 1a until 1f and in 2 shown, in each case be electrically connected directly to the third connection contact C, or be connected to the control and evaluation device 10 via a switching device 30, for example via an operational amplifier switching device 30, in particular via an operational amplifier switching device 30 designed as an impedance converter 30, such as in the alternative exemplary embodiment of a sensor device 300 according to the invention 3 . The variant off 3 is particularly advantageous if an area of the shielding electrode 20 is at least as large as the area of at least one sensor electrode E1, in particular if the area of the shielding electrode 20 is at least 1.5 times or twice the area of the associated sensor electrode E1. This allows improved shielding to be achieved, in particular improved adaptation of the shielding effect to the size of the sensor electrode(s) E1. Above all, a reduction in the (total) charging and transmission time (transfer time) can be achieved in this way.

Anhand der 1a bis 1f sowie der 4, 5 und 6 wird im Folgenden die Funktionsweise der Sensorvorrichtung 100 näher erläutert, insbesondere deren Betrieb gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in den 1a bis 1f die verschiedenen Betriebs- und Schaltzustände der Sensorvorrichtung 100 für die Verfahrensschritte S2 bis S4 eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt sind.Based on 1a until 1f as well as the 4 , 5 and 6 the functioning of the sensor device 100 is explained in more detail below, in particular its operation according to a first exemplary embodiment of a method according to the invention, wherein in FIGS 1a until 1f the various operating and switching states of the sensor device 100 for the method steps S2 to S4 of a first exemplary embodiment of a method according to the invention are shown.

4 zeigt einen beispielhaften Verlauf eines am dritten Anschlusskontakt C bzw. der daran angeschlossenen Abschirmelektrode 20 anliegenden Abschirmpotentials V_SH während eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Betriebs der erfindungsgemäßen, kapazitiven Sensorvorrichtung 100 aus den 1a bis 1f. 4 shows an exemplary course of a shielding potential V _SH present at the third connection contact C or the shielding electrode 20 connected thereto during an exemplary operation according to the invention of the capacitive sensor device 100 according to the invention from FIGS 1a until 1f .

5 zeigt einen beispielhaften Verlauf eines an der Messkapazität Cs und der Sensorkapazität Cx anliegenden Potentials über der Zeit t der kumulativen Aufladung der Messkapazität Cs in Abhängigkeit von dem an der Sensorkapazität Cx anliegenden Potential Vcx und des verwendeten Abschirmpotentials V_SH. 5 shows an example curve of a potential present at the measuring capacitance Cs and the sensor capacitance Cx over time t of the cumulative charging of the measuring capacitance Cs as a function of the potential Vcx present at the sensor capacitance Cx and the shielding potential V _SH used.

6 zeigt ein zugehöriges Flussdiagramm mit den einzelnen Verfahrensschritten des beispielhaften, erfindungsgemäßen Verfahrens. 6 shows an associated flowchart with the individual method steps of the exemplary method according to the invention.

Bei diesem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der Inbetriebnahme der Sensorvorrichtung 100 in Schritt S0 (vgl. 6) und dem Bereitstellen der Sensorvorrichtung 100 in Schritt S1, in einem nächsten Schritt S2 (vgl. 6 und 1a) zunächst ein definierter Ladungszustand der Sensorkapazität Cx hergestellt, insbesondere jeweils durch Entladen der Messkapazität Cs und der Sensorkapazität Cx, in dem die Anschlusskontakte A und B jeweils auf ein definiertes Referenzpotential VRef geschaltet werden, vorliegend jeweils auf ein Massepotential GND, wobei dazu die Anschlusskontakte A und B jeweils als Ausgang geschaltet werden, insbesondere indem sie niederohmig geschaltet werden, d.h. auf „LOW“. Bereits mit einer Schaltdauer von nur knapp 1 µs kann auf diese Weise ein ausreichend definierter Ladungszustand erreicht werden.In this exemplary embodiment of a method according to the invention, after sensor device 100 has been put into operation in step S0 (cf. 6 ) and the provision of sensor device 100 in step S1, in a next step S2 (cf. 6 and 1a) First, a defined charge state of the sensor capacitance Cx is established, in particular by discharging the measuring capacitance Cs and the sensor capacitance Cx, in which the connection contacts A and B are each switched to a defined reference potential VRef, in this case to a ground potential GND, with the connection contacts A and B are each switched as an output, in particular by being switched to low impedance, ie to "LOW". In this way, a sufficiently defined state of charge can be achieved with a switching time of just under 1 µs.

Anschließend erfolgt bei diesem Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst in einem Zwischenschritt SU ein Umschalten (vgl. 1b), wobei hierbei die Anschlusskontakte A und B jeweils vom Referenzpotential VRef bzw. vorliegend vom Massepotential GND getrennt werden und jeweils als Eingang geschaltet werden, d.h. als „HIGH“, insbesondere auf „HiZ“. Dieser Schritt SU (vgl. 1b) weist bevorzugt ebenfalls nur eine Schaltdauer von nur knapp 1 µs auf. Durch einen derartigen Zwischenschritt SU bzw. einen solchen Umschaltvorgang, bei welchem zunächst beide Anschlusskontakte A und B als Eingang bzw. auf „HIGH“ geschaltet werden, kann eine saubere, exakte Trennung vom nächsten Verfahrensschritt S3a, in welchem das Aufladen der Sensorkapazität Cx erfolgt, und damit ein besonders exakter Betrieb der Sensorvorrichtung 100 erreicht werden, was sich vorteilhaft auf die Genauigkeit der Sensorvorrichtung 100 auswirkt.In this example of a method according to the invention, a switchover then takes place in an intermediate step SU (cf. 1b) , In this case, the connection contacts A and B are each separated from the reference potential VRef or, in the present case, from the ground potential GND and are each switched as an input, ie as “HIGH”, in particular to “HiZ”. This step SU (cf. 1b) preferably also has a switching duration of just under 1 μs. Such an intermediate step SU or such a switching process, in which initially both connection contacts A and B are switched as input or to "HIGH", allows a clean, exact separation from the next method step S3a, in which the charging of the sensor capacitance Cx takes place. and thus a particularly precise operation of the sensor device 100 can be achieved, which has an advantageous effect on the accuracy of the sensor device 100.

Nach dem ersten Zwischenschritt SU (vgl. 1b) mit dem Umschaltvorgang, wird im nächsten Schritt S3a der zweite Anschlusskontakt B als Ausgang geschaltet, jedoch derart, dass ein Versorgungspotential Vcc statt des Massepotentials GND anliegt (vgl. 1c). Hierdurch wird die Sensorelektrode E1 mit dem Versorgungspotential Vcc beaufschlagt, vorzugsweise mit einem Versorgungspotential Vcc von +3,3V oder +5V, und die Sensorkapazität Cx mit einer Einzel-Ladung ΔQ aufgeladen, wobei dieser Schaltzustand bevorzugt 1 µs bis 10 µs gehalten wird, insbesondere eine definierte Zeit t.After the first intermediate step SU (cf. 1b) with the switching process, the second connection contact B is switched as an output in the next step S3a, but in such a way that a supply potential Vcc is present instead of the ground potential GND (cf. 1c ). As a result, the sensor electrode E1 is charged with the supply potential Vcc, preferably with a supply potential Vcc of +3.3V or +5V, and the sensor capacitance Cx is charged with a single charge ΔQ, with this switching state preferably being maintained for 1 µs to 10 µs, in particular a defined time t.

Anschließend wird wieder ein Zwischenschritt SU mit einem Umschaltvorgang durchgeführt (vgl. 1d), in welchem der erste Anschlusskontakt A und der zweite Anschlusskontakt B wieder jeweils als Eingang bzw. auf „HIGH“ bzw. „HiZ“ geschaltet werden für bevorzugt knapp 1 µs.An intermediate step SU with a switching process is then carried out again (cf. 1d ), in which the first connection contact A and the second connection contact B are each switched as an input or to “HIGH” or “HiZ” for preferably just under 1 µs.

In einem nachfolgenden Schritt S3b (vgl. 1e), welcher bei diesem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens getrennt von dem Schritt S3a des Aufladens erfolgt (vgl. 1c), insbesondere zusätzlich durch einen Zwischenschritt SU (vgl. 1d) getrennt, wird durch Umschalten des ersten Anschlusskontaktes als Ausgang („LOW“) und insbesondere durch das Schalten von diesem auf Massepotential GND, ein Ladungsausgleich zwischen der Sensorkapazität Cx und der Messkapazität Cs bewirkt, wobei dadurch insbesondere ein Übertragen der Einzel-Ladung ΔQ an die Messkapazität Cs erfolgt. Dieser Verfahrensschritt dauert bevorzugt etwa 0,5 µs bis 2 µs, kann aber je nach Steuerungs- und Auswerteeinrichtung, insbesondere je nach µC, auch bis zu 5 µs dauern.In a subsequent step S3b (cf. 1e) , which in this exemplary embodiment of a method according to the invention takes place separately from step S3a of charging (cf. 1c ), in particular additionally through an intermediate step SU (cf. 1d ) separated, by switching the first connection contact as an output ("LOW") and in particular by switching it to ground potential GND, a charge equalization between the sensor capacitance Cx and the measuring capacitance Cs is brought about, whereby in particular a transfer of the individual charge ΔQ to the measuring capacitance Cs takes place. This method step preferably takes about 0.5 μs to 2 μs, but depending on the control and evaluation device, in particular depending on the μC, it can also last up to 5 μs.

Werden die Schritte SU (vgl. 1b), S3a (vgl. 1c), SU (vgl. 1d) und S3b (vgl. 1e) mehrfach (N mal) wiederholt, wird die Messkapazität Cs kumulativ aufgeladen. Bevorzugt wird das Aufladen und Übertragen dabei so lange wiederholt, bis die Messkapazität etwa wenigstens 50%, 60%, 63%, 65%, 70%, 75% oder 80% ihrer maximalen Ladung aufweist. Hierzu können mehrere hundert Zyklen, beispielsweise bis zu N = 700 oder N = 825 Zyklen, erforderlich sein.If steps SU (cf. 1b) , S3a (cf. 1c ), SU (cf. 1d ) and S3b (cf. 1e) repeatedly (N times), the measurement capacitance Cs is cumulatively charged. The charging and transmission is preferably repeated until the measuring capacitance has approximately at least 50%, 60%, 63%, 65%, 70%, 75% or 80% of its maximum charge. Several hundred cycles, for example up to N=700 or N=825 cycles, may be required for this.

Ist die Messkapazität Cs ausreichend aufgeladen, erfolgt in einem nächsten Schritt S4 (vgl. 1f) das Erfassen und Auswerten einer an der Messkapazität Cs Spannung Vcs und Ermitteln eines die kapazitive Kopplung der zugehörigen Sensorelektrode Cx mit der Umgebung charakterisierenden Zustandswerts in Abhängigkeit von der erfassten Spannung Vcs, die an der Messkapazität Cs abfällt. Hierzu wird der zweite Anschlusskontakt B auf einen ADC geschaltet. Dieser Verfahrensschritt dauert bevorzugt etwa 0,5 µs bis 2 µs, kann aber je nach Steuerungs- und Auswerteeinrichtung, insbesondere je nach µC, auch bis zu 5 µs dauern.If the measuring capacitance Cs is sufficiently charged, the next step S4 (cf. 1f) detecting and evaluating a voltage Vcs across the measuring capacitance Cs and determining a state value characterizing the capacitive coupling of the associated sensor electrode Cx to the environment as a function of the detected voltage Vcs, which drops across the measuring capacitance Cs. For this purpose, the second connection contact B is connected to an ADC. This method step preferably takes about 0.5 μs to 2 μs, but depending on the control and evaluation device, in particular depending on the μC, it can also last up to 5 μs.

Da der sich nach einer bestimmten, definierten Zeit für eine definierte Versorgungsspannung Vcc im Ergebnis einstellende Betrag der Einzel-Ladung ΔQ dabei jeweils von der zu diesem Zeitpunkt bestehenden, d.h. aktuellen, kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode E1 mit der Umgebung abhängt, d.h. jeweils pro Aufladezyklus variiert, hängt im Ergebnis auch die kumulative Ladung der Messkapazität Cs von der kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode E1 mit der Umgebung ab, so dass aus der Höhe der kumulativen Ladung am Ende des kumulativen Aufladens auf die kapazitive Kopplung der Sensorelektrode E1 mit der Umgebung geschlossen werden kann.Since the amount of the individual charge ΔQ that results after a specific, defined time for a defined supply voltage Vcc depends on the existing, i.e. current, capacitive coupling of the sensor electrode E1 with the environment at this point in time, i.e. varies per charging cycle, the cumulative charge of the measuring capacitance Cs also depends on the capacitive coupling of the sensor electrode E1 with the environment, so that the level of the cumulative charge at the end of the cumulative charging depends on the capacitive coupling of the sensor electrode E1 with the environment can be closed.

Wird beim Aufladen der Sensorkapazität Cx die kapazitive Kopplung der Sensorelektrode E1 mit der Umgebung durch eine parasitäre Kapazität gestört bzw. verfälscht, beispielsweise durch Wassertröpfchen auf der Bedienoberfläche einer zugehörigen Bedienvorrichtung, wird dadurch auch die resultierende, kumulative (Auf-)Ladung der Messkapazität Cs verfälscht und damit dass Messergebnis verfälscht.If, when charging the sensor capacitance Cx, the capacitive coupling of the sensor electrode E1 to the environment is disturbed or falsified by a parasitic capacitance, for example due to water droplets on the user interface of an associated operating device, the resulting cumulative (charging) charge of the measuring capacitance Cs is also falsified and thus the measurement result is falsified.

Ist wie bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 100 ferner eine Abschirmelektrode 20 vorgesehen, und wird diese wie bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen erfindungsgemäß wenigstens zeitweise während des Aufladens der Sensorkapazität Cx in Schritt S3a mit einem definierten Abschirmpotential V_SH beaufschlagt, können die parasitären Kapazitäten reduziert werden und damit die Verfälschung des Messergebnisses. Dies macht die Sensorvorrichtung 100 robuster gegen störende kapazitive Kopplungen in der Umgebung, insbesondere beispielsweise robuster gegen Wassertröpfchen etc.If, as in a sensor device 100 according to the invention, a shielding electrode 20 is also provided, and if this is applied at least temporarily to a defined shielding potential V _SH during the charging of the sensor capacitance Cx in step S3a, as provided in a method according to the invention, the parasitic capacitances can be reduced and thus the falsification of the measurement result. This makes the sensor device 100 more robust against interfering capacitive couplings in the environment, in particular, for example, more robust against water droplets, etc.

4 zeigt beispielhalber einen vorteilhaften Verlauf eines Abschirmpotentials V_SH. Eine besonders gute Reduzierung der parasitären Kapazitäten kann erreicht werden, wenn, wie in 4 dargestellt, während der Schritte S3a (vgl. 1c) und dem nachfolgenden Zwischenschritt SU (vgl. 1d) der dritte Anschlusskontakt C als Ausgang („LOW“) geschaltet wird, so dass die Abschirmelektrode 20 mit dem Abschirmpotential V_SH beaufschlagt wird, und wenn während der Schritte S2 (vgl. 1a) und dem nachfolgenden Umschaltvorgang SU (vgl. 1b) sowie während des Übertragens der Einzel-Ladung ΔQ von der Sensorkapazität Cx an die Messkapazität Cs und während des Erfassens und Auswertens der Spannung Vcs an der Messkapazität Cs in Schritt S4, jeweils ein Referenzpotential VRef, insbesondere ebenfalls ein Massepotential GND, an der Abschirmelektrode 20 anliegt, wobei hierfür der dritte Anschlusskontakt C ebenfalls als Ausgang (,LOW“) geschaltet wird, jedoch statt des Abschirmpotentials V_SH ein Massepotential GND angelegt wird. Dies lässt sich beispielsweise besonders einfach mit einem ebenfalls als GPIO-Ausgang ausgebildeten dritten Anschlusskontakt C erreichen. 4 shows an example of an advantageous profile of a shielding potential V _SH . A particularly good reduction in the parasitic capacitances can be achieved if, as in 4 shown, during steps S3a (cf. 1c ) and the subsequent intermediate step SU (cf. 1d ) the third connection contact C is switched as an output ("LOW"), so that the shielding electrode 20 is charged with the shielding potential V _SH , and if during steps S2 (cf. 1a) and the subsequent switching process SU (cf. 1b) and during the transfer of the individual charge ΔQ from the sensor capacitance Cx to the measuring capacitance Cs and during the detection and evaluation of the voltage Vcs at the measuring capacitance Cs in step S4, a reference potential VRef, in particular also a ground potential GND, is present on the shielding electrode 20 , whereby the third connection contact C is also switched as an output ("LOW") for this purpose, but a ground potential GND is applied instead of the shielding potential V _SH . This can be achieved particularly easily, for example, with a third connection contact C, which is also designed as a GPIO output.

Der dritte Anschlusskontakt kann aber auch als einfacher I/O-Ausgang ausgebildet sein, der nur einen Rechteckpuls als Ausgangssignal ausgeben kann, wobei es in diesem Fall besonders vorteilhaft ist, wenn der dritte Anschlusskontakt den Rechteckpuls getriggert auf eine Flanke eines am ersten Anschlusskontakt und/oder am zweiten Anschlusskontakt anliegenden Signals bzw. einer dort anliegenden Spannung erzeugen kann, wahlweise sowohl auf eine steigende als auch auf eine fallende Flanke, allerdings bevorzugt nur mit einer begrenzten Zeitverzögerung, welche besonders bevorzugt weniger als 50 ns beträgt, insbesondere weniger als 20 ns.However, the third connection contact can also be in the form of a simple I/O output which can only emit a square-wave pulse as the output signal, in which case it is particularly advantageous if the third connection contact triggers the square-wave pulse on an edge of a signal on the first connection contact and/or or a signal present at the second connection contact or a voltage present there, optionally on both a rising and a falling edge, but preferably only with a limited time delay, which is particularly preferably less than 50 ns, in particular less than 20 ns.

Beispielsweise kann der am dritten Anschlusskontakt C ausgebbare Rechteckpuls zum Beaufschlagen der Abschirmelektrode 20 mit dem Abschirmpotential VSH auf die steigende Flanke der am zweiten Anschlusskontakt B anliegenden Spannung (Umschalten von VRef bzw. GND auf VCC; SU (vgl. 1b) -> S3a (vgl. 1c)) getriggert sein (Abschirmung ein) und auf die fallende Flanke der am ersten Anschlusskontakt A anliegenden Spannung (Umschalten auf GND zum Ladungsausgleich; SU (vgl. 1d) -> S3b (vgl. 1e)) (Abschirmung aus).For example, the square-wave pulse that can be output at the third connection contact C to apply the shielding potential VSH to the shielding electrode 20 can respond to the rising edge of the voltage present at the second connection contact B (switching from VRef or GND to VCC; SU (cf. 1b) -> S3a (cf. 1c )) be triggered (shielding on) and on the falling edge of the voltage present at the first connection contact A (switching to GND for charge equalization; SU (cf. 1d ) -> S3b (cf. 1e) ) (shield off).

Eine besonders gute Abschirmung kann erreicht werden, wenn dabei an der Abschirmelektrode 20 jeweils pro Aufladezyklus ein Abschirmpotential V_SH angelegt wird, das dem an der Sensorkapazität Cx anliegendem bzw. über diese abfallenden Potential Vcx entspricht (vgl. 5).Particularly good shielding can be achieved if a shielding potential V _SH is applied to the shielding electrode 20 for each charging cycle, which corresponds to the potential Vcx present at the sensor capacitance Cx or falling across it (cf. 5 ).

Anschließend kann mit Schritt S5 das Verfahren beendet werden.The method can then be ended with step S5.

Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann auch mehrere Sensorelektroden E1, E2, E3, E4 aufweisen, wie im Folgenden beispielhalber anhand der 7a, 7b, 8 und 9 erläutert wird.A sensor device according to the invention can also have a plurality of sensor electrodes E1, E2, E3, E4, as shown below by way of example with reference to FIG 7a , 7b , 8th and 9 is explained.

7a zeigt dabei eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung 300 mit einer Trägereinrichtung 11, mehreren Sensorelektroden E1, E2, E3 und E4 und einer auf der von den Sensorelektroden abgewandten Seite angeordneten Abschirmelektrode 20. 7b zeigt die Sensorvorrichtung 300 aus 7a in Draufsicht auf die Sensorelektroden E1 bis E4. 7a shows a side view of a section of a further exemplary embodiment of a capacitive sensor device 300 according to the invention with a carrier device 11, a plurality of sensor electrodes E1, E2, E3 and E4 and a shielding electrode 20 arranged on the side facing away from the sensor electrodes. 7b 12 shows the sensor device 300. FIG 7a in plan view of the sensor electrodes E1 to E4.

8 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung 400 mit einer Trägereinrichtung 11, mehreren Sensorelektroden E1 bis E4 und einer mit den Sensorelektroden E1 bis E4 in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Abschirmelektrode 20. 8th shows a top view of a section of a further exemplary embodiment of a capacitive sensor device 400 according to the invention with a carrier device 11, a plurality of sensor electrodes E1 to E4 and a shielding electrode 20 arranged in a common plane with the sensor electrodes E1 to E4.

9 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung 500 mit mehreren Sensorelektroden E1 bis E3 und einer gemeinsamen Abschirmelektrode 20. 9 shows a block diagram of a further exemplary embodiment of a capacitive sensor device 500 according to the invention with a plurality of sensor electrodes E1 to E3 and a common shielding electrode 20.

Wie den 7a, 7b und 8 zu entnehmen ist, können dabei die Sensorelektroden E1 bis E4 und die Abschirmelektroden 20 jeweils flächig ausgebildet sein und dabei entweder auf der gleichen Seite des Trägerelements 11 wie die Sensorelektroden E1 bis E4 angeordnet sein (vgl. 8), insbesondere mit diesen in einer gemeinsamen Ebene auf einer gemeinsamen Trägerfolie 11, oder aber auf der gegenüberliegenden Seite von diesen (vgl. 7a und 7b), wobei insbesondere eine gemeinsame Abschirmelektrode 20 für mehrere Sensorelektroden E1 bis E3 bzw. E4 vorgesehen sein kann.Like the 7a , 7b and 8th As can be seen, the sensor electrodes E1 to E4 and the shielding electrodes 20 can each be of flat design and can be arranged either on the same side of the carrier element 11 as the sensor electrodes E1 to E4 (cf. 8th ), in particular with these in a common plane on a common carrier film 11, or on the opposite side of them (cf. 7a and 7b) , It being possible in particular for a common shielding electrode 20 to be provided for a plurality of sensor electrodes E1 to E3 or E4.

Sind die Sensorelektroden E1 bis E4 und die Abschirmelektrode 20 bzw. 520 dabei auf verschiedenen Seiten der Trägereinrichtung 11 angeordnet, wie beispielsweise in den 7a und 7b, beträgt ein Abstand zwischen diesen bevorzugt nicht weniger als 0,2 mm, aber insbesondere auch nicht mehr als 3 mm, um eine gute Abschirmwirkung zu erreichen, insbesondere jeweils ein minimaler Abstand.If the sensor electrodes E1 to E4 and the shielding electrode 20 or 520 are arranged on different sides of the carrier device 11, such as in FIGS 7a and 7b , a distance between these is preferably not less than 0.2 mm, but in particular also not more than 3 mm, in order to achieve a good shielding effect, in particular a minimum distance in each case.

Sind die Sensorelektroden E1 bis E4 und die Abschirmelektrode 20 dabei auf der gleichen Seite der Trägereinrichtung 11 angeordnet, insbesondere in einer gemeinsamen Ebene, wie beispielsweise in 8, beträgt ein Abstand zwischen diesen bevorzugt wenigstens 1 mm, höchstens jedoch insbesondere 3 mm, insbesondere jeweils ein minimaler Abstand.If the sensor electrodes E1 to E4 and the shielding electrode 20 are arranged on the same side of the carrier device 11, in particular in a common plane, such as in 8th , a distance between these is preferably at least 1 mm, but at most in particular 3 mm, in particular a minimum distance in each case.

Bei mehreren Sensorelektroden E1 bis E3 bzw. E4 ist es vorteilhaft, wenn wie beispielhalber in 9 gezeigt und in den 7a, 7b und 8 angedeutet, jeweils für jede der Sensorelektroden E1, E2, E3, E4 eine separate, jeweils eine einer Sensorelektrode E1, E2, E3, E4 zugeordnete Messkapazität Cs1, Cs2, Cs3 vorgesehen ist und die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10 ferner für jede der Sensorelektroden E1, E2, E3, E4 jeweils einen separaten ersten Anschlusskontakt A1, A2, A3 und einen separaten zweiten Anschlusskontakt B1, B2, B3, B4 und entsprechende separate Anschlussleitungen 13, 14, 15, 16 aufweist.If there are several sensor electrodes E1 to E3 or E4, it is advantageous if, as shown in the example in 9 shown and in the 7a , 7b and 8th indicated, for each of the sensor electrodes E1, E2, E3, E4 there is a separate measuring capacitance Cs1, Cs2, Cs3 assigned to a sensor electrode E1, E2, E3, E4 and the control and evaluation device 10 also for each of the sensor electrodes E1 , E2, E3, E4 each having a separate first connection contact A1, A2, A3 and a separate second connection contact B1, B2, B3, B4 and corresponding separate connection lines 13, 14, 15, 16.

Für einen besonders einfachen, kompakten und kostengünstigen Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung kann jedoch, wie anhand der Sensorvorrichtungen 300, 400 und 500 beispielhalber gezeigt, jeweils eine gemeinsame Abschirmelektrode 20 vorgesehen sein, welche über einen gemeinsamen dritten Anschlusskontakt C und eine gemeinsame Anschlussleitung 17 mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung 10 elektrisch verbunden oder verbindbar ist. Dies hat den Vorteil, dass nur ein einziger zusätzlicher Anschlusspin bzw. nur ein zusätzlicher dritter Anschlusskontakt C, nur eine Anschlussleitung 17 und nur eine Abschirmelektrode 20 erforderlich ist.For a particularly simple, compact and cost-effective design of a sensor device according to the invention, however, as shown by way of example using sensor devices 300, 400 and 500, a common shielding electrode 20 can be provided which is connected to the controller via a common third connection contact C and a common connection line 17 - And evaluation device 10 is electrically connected or connectable. This has the advantage that only a single additional connection pin or only one additional third connection contact C, only one connection line 17 and only one shielding electrode 20 is required.

Für den Betrieb einer solchen Sensorvorrichtung, insbesondere für die Ansteuerung der Abschirmelektrode 20 ergeben sich in diesem Fall diverse Möglichkeiten, insbesondere die zeitliche Reihenfolge betreffend. Es können beispielsweise mehrere oder alle Sensorkapazitäten Cx1, Cx2, Cx3 gleichzeitig aufgeladen werden und die Einzel-Ladungen ΔQ jeweils gleichzeitig an die zugehörigen Messkapazitäten Cs2, Cs3, Cs3 übertragen werden, während zumindest während des Aufladens ein Beaufschlagen der (gemeinsamen) Abschirmelektrode 20 mit einem wenigstens einigermaßen für alle Sensorelektroden E1 bis E3 bzw. E4 passenden Abschirmpotential V_SH erfolgt. In diesem Fall kann das Abschirmpotential V_SH nicht jeweils identisch zum an der Sensorkapazität Cx1, Cx2, Cx3 anliegenden Potential Vcx gewählt werden, sofern dieses für die einzelnen Sensorkapazitäten Cx1, Cx2, Cx3 unterschiedlich ist. Hier ist nur ein Kompromiss möglich. Allerdings ermöglicht dies eine hohe Messfrequenz für alle Sensorelektroden E1 bis E3 zw. E4.In this case, there are various possibilities for the operation of such a sensor device, in particular for the activation of the shielding electrode 20, in particular with regard to the chronological sequence. For example, several or all of the sensor capacitances Cx1, Cx2, Cx3 can be charged simultaneously and the individual charges ΔQ can be transferred simultaneously to the associated measurement capacitances Cs2, Cs3, Cs3, while at least during charging, the (common) shielding electrode 20 can be charged with a shielding potential V _{SH that} is at least somewhat suitable for all sensor electrodes E1 to E3 or E4. In this case, the shielding potential V _SH cannot be chosen to be identical to the potential Vcx present at the sensor capacitance Cx1, Cx2, Cx3 if this is different for the individual sensor capacitances Cx1, Cx2, Cx3. Only one compromise is possible here. However, this enables a high measuring frequency for all sensor electrodes E1 to E3 or E4.

Alternativ können die einzelnen Sensorkapazitäten Cx1, Cx2, Cx3 jeweils einzeln nacheinander aufgeladen werden und während dessen jeweils ein entsprechendes Abschirmpotential V_SH angelegt werden. Dies geht jedoch zu Lasten der Messfrequenz. Denkbar ist auch eine Kombination aus beiden Möglichkeiten, d.h. gleichzeitiges Aufladen einiger Sensorkapazitäten, beispielsweise von Cx1 und Cx2, und teilweise Aufladen von diesen nacheinander, z.B. Cx3 nach Cx1 und Cx2.Alternatively, the individual sensor capacitances Cx1, Cx2, Cx3 can each be charged one after the other and a corresponding shielding potential V _SH can be applied during this time. However, this is at the expense of the measuring frequency. A combination of both options is also conceivable, ie simultaneous charging of some sensor capacitances, for example Cx1 and Cx2, and partial charging of these one after the other, for example Cx3 after Cx1 and Cx2.

Alternativ kann auch für jede der Sensorelektroden E1 bis E4 oder zumindest für einige Sensorelektroden E1 bis E4 jeweils ein eigener, separater dritter Anschlusskontakt C sowie eine eigene Anschlussleitung 17 bzw. eine zugehörige, eigene, separate Abschirmelektrode 20 vorgesehen sein.Alternatively, each of the sensor electrodes E1 to E4 or at least some sensor electrodes E1 to E4 can have their own separate third connection contact C and their own connection line 17 or their own separate shielding electrode 20 .

10 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts der Sensorvorrichtung 500 aus 9 mit einem Wassertröpfchen H₂O auf der Bedienoberfläche 18 der Sensorvorrichtung 500 im Bereich der Sensorelektrode E1, wobei in dieser Darstellung durch die Strichlinie 19a die störende, kapazitive Kopplung des Wassertröpfchens H₂O mit der Sensorelektrode E1 angedeutet ist. Die Strichlinien 19b symbolisieren die durch die Beaufschlagung der Abschirmelektrode 20 mit dem definierten Abschirmpotential V_SH verursachte Wirkung, nämlich eine deutliche kapazitive Kopplung des Wassertröpfchens H₂O mit der Abschirmelektrode 20 statt mit der Sensorelektrode E1 in diesem Ausmaß, wodurch sich eine erheblich Verbesserung der Genauigkeit bei der Messung der kapazitiven Kopplung zwischen der Sensorelektrode E1 und der Umgebung erreichen lässt. 10 FIG. 5 shows a side view of a section of sensor device 500. FIG 9 with a water droplet H ₂ O on the user interface 18 of the sensor device 500 in the area of the sensor electrode E1, the disruptive, capacitive coupling of the water droplet H ₂ O with the sensor electrode E1 being indicated in this illustration by the dashed line 19a. The dashed lines 19b symbolize the effect caused by applying the defined shielding potential V _SH to the shielding electrode 20, namely a clear capacitive coupling of the water droplet H ₂ O to the shielding electrode 20 instead of to it of the sensor electrode E1 to this extent, whereby a significant improvement in the accuracy in the measurement of the capacitive coupling between the sensor electrode E1 and the environment can be achieved.

Eine weitere Reduzierung der unerwünschten, kapazitiven Kopplung des Wassertröpfchens H₂O mit einer Sensorelektrode einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung lässt sich erreichen, wenn die Sensorvorrichtung wie die Sensorvorrichtung 600 aus 11a und 11b ferner eine weitere Abschirmeinrichtung 40 aufweist. 11a zeigt dabei eine Seitenansicht eines Ausschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 600 mit einer weiteren Abschirmeinrichtung 40 und einem Wassertröpfchen H₂O auf der Bedienoberfläche 18 und 11b eine Draufsicht auf die Sensorvorrichtung 600 aus 11a, jedoch ohne das Wassertröpfchen H₂O.A further reduction in the undesired, capacitive coupling of the water droplet H ₂ O to a sensor electrode of a sensor device according to the invention can be achieved if the sensor device is designed like the sensor device 600 11a and 11b further has a further shielding device 40 . 11a shows a side view of a section of a further exemplary embodiment of a sensor device 600 according to the invention with a further shielding device 40 and a water droplet H ₂ O on the user interface 18 and 11b 1 shows a plan view of the sensor device 600 11a , but without the water droplet H ₂ O.

Dabei umgibt die weitere Abschirmeinrichtung 40 die Sensorelektrode E1 und die Abschirmelektrode 620 zumindest teilweise in Umfangsrichtung, wie beispielhalber in 11b dargestellt, und ist während des Betriebs der Sensorvorrichtung 600 zumindest zeitweise mit einem definierten Referenzpotential VRef, insbesondere einem Massepotential GND beaufschlagbar ist bzw. wird bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem solchen Potential beaufschlagt. Hierdurch lässt sich eine kapazitive Kopplung zwischen dem Wassertröpfchen H₂O und der weiteren Abschirmeinrichtung 40 erreichen, symbolisiert durch die Strichlinien 19c, wodurch die störende, parasitäre kapazitive Kopplung 19a zwischen dem Wassertröpfchen H₂O und der Sensorelektrode E1 noch weiter reduziert wird bzw. teilweise sogar vollständig aufgehoben werden kann.In this case, further shielding device 40 surrounds sensor electrode E1 and shielding electrode 620 at least partially in the circumferential direction, as shown in FIG 11b shown, and during the operation of sensor device 600 a defined reference potential VRef, in particular a ground potential GND, can be acted upon at least temporarily or is acted upon with such a potential when a method according to the invention is carried out. This allows a capacitive coupling between the water droplet H ₂ O and the further shielding device 40 to be achieved, symbolized by the dashed lines 19c, whereby the disruptive, parasitic capacitive coupling 19a between the water droplet H ₂ O and the sensor electrode E1 is reduced even further or partially can even be completely abolished.

Die 12a bis 12e zeigen Blockschaltbilder verschiedener Betriebs- bzw. Schaltzustände eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kapazitiven Sensorvorrichtung 700, die gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Schritten gemäß 13 betrieben wird, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel alternativ oder zusätzlich der erste Anschlusskontakt A zum Aufladen der Sensorkapazität Cx auf das Versorgungspotential Vcc schaltbar ist (vgl. 12c) und nicht (nur) der zweite Anschlusskontakt B wie bei der Sensorvorrichtung 100 aus den 1a bis 1f (vgl. insbesondere 1c).the 12a until 12e show block diagrams of various operating or switching states of a further exemplary embodiment of a capacitive sensor device 700 according to the invention, which according to a second exemplary embodiment of a method according to the invention with the steps according to 13 is operated, whereby in this exemplary embodiment the first connection contact A can be switched to the supply potential Vcc for charging the sensor capacitance Cx as an alternative or in addition (cf. 12c ) and not (only) the second connection contact B as in the sensor device 100 from FIGS 1a until 1f (cf. in particular 1c ).

Ein weiterer Unterschied ist, dass diese Sensorvorrichtung 700 dazu ausgebildet und eingerichtet ist, derart betrieben zu werden, dass das Aufladen der Sensorkapazität Cx und das Übertragen der Einzel-Ladung DQ nicht durch getrennte, separate Teilschritte S3a und S3b erfolgt, insbesondere nicht mit einem Umschaltvorgang SU dazwischen, sondern in einem gemeinsamen Schritt S3 (vgl. 13).Another difference is that this sensor device 700 is designed and set up to be operated in such a way that the charging of the sensor capacitance Cx and the transmission of the individual charge DQ does not take place through separate, separate sub-steps S3a and S3b, in particular not with a switching process SU in between, but in a common step S3 (cf. 13 ).

Erfindungsgemäß ist aber auch bei dieser Sensorvorrichtung 700 eine Abschirmelektrode 20 vorgesehen, welche über den dritten Anschlusskontakt C zumindest während des Aufladens und Übertragens der Sensorkapazität Cx bzw. dem daraus unmittelbar resultierenden Aufladen der Messkapazität Cs mit einem definierten Abschirmpotential V_SH beaufschlagbar ist bzw. die während eines erfindungsgemäßen Betriebs entsprechend mit einem definierten Abschirmpotential V_SH beaufschlagt wird.According to the invention, however, a shielding electrode 20 is also provided in this sensor device 700, which can be acted upon by a defined shielding potential V _SH via the third connection contact C at least during the charging and transmission of the sensor capacitance Cx or the charging of the measuring capacitance Cs that results directly therefrom, or which can be applied during a defined shielding potential V _SH is applied accordingly to an operation according to the invention.

BezugszeichenlisteReference List

100, 200, 300, 400100, 200, 300, 400: erfindungsgemäße, kapazitive Sensorvorrichtunginventive, capacitive sensor device
500, 600, 700 10500, 600, 700 10: Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (µC)Control and evaluation device (µC)
1111: Trägereinrichtungcarrier device
13, 14, 15, 16, 1713, 14, 15, 16, 17: Anschlussleitungconnecting cable
1818: Bedienoberflächeuser interface
19a, 19b, 19c19a, 19b, 19c: kapazitive Kopplungcapacitive coupling
2020: Abschirmelektrodeshielding electrode
3030: Schalteinrichtungswitching device
4040: weitere Abschirmeinrichtung further shielding device
A, A1, A2, A3A, A1, A2, A3: erster Anschlusskontaktfirst connection contact
ADCADC: Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
B, B1, B2, B3, B4B, B1, B2, B3, B4: zweiter Anschlusskontaktsecond connection contact
CC: dritter Anschlusskontaktthird connection contact
Cs, Cs1, Cs2, Cs3Cs, Cs1, Cs2, Cs3: Messkapazitätmeasuring capacity
Cx, Cx1, Cx2, Cx3Cx, Cx1, Cx2, Cx3: Sensorkapazität (Kapazität der Sensorelektrode mit der Umgebung)Sensor capacitance (capacitance of the sensor electrode with the environment)
ΔQΔQ: Einzel-Ladungsingle charge
E1, E2, E3, E4E1, E2, E3, E4: Sensorelektrodesensor electrode
GNDGND: Massepotentialground potential
NN: Anzahl Auflade- und ÜbertragungszyklenNumber of charge and transfer cycles
S1, S2,..,S5S1, S2,..,S5: Verfahrensschritteprocess steps
SUSU: Zwischenschritt (Umschaltvorgang)intermediate step
VccVcc: Versorgungsspannungsupply voltage
VcsVcs: an der Messkapazität anliegende Spannungvoltage applied to the measuring capacitance
VcxVcx: an der Sensorkapazität anliegendes Potentialpotential applied to the sensor capacitance
VRefVRef: Referenzpotentialreference potential
VSHVSH: Abschirmpotentialshielding potential
H2OH2O: Wasserwater

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US 6466036 B1 [0003, 0019, 0082]US 6466036 B1 [0003, 0019, 0082]

Claims

Kapazitive Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700) für eine Bedienvorrichtung eines Fahrzeugs zum Erkennen einer Annäherung und/oder Berührung, aufweisend: - wenigstens eine erste elektrisch leitfähige Sensorelektrode (E1, E2, E3, E4) zur kapazitiven Erkennung einer Anwesenheit eines Eingabemittels in einem Detektionsbereich der Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700), wobei die Sensorelektrode (E1, E2, E3, E4) mit der Umgebung eine sich bei Anwesenheit eines Eingabemittels im Detektionsbereich der Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700) ändernde Sensorkapazität (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) ausbildet, - eine der Sensorelektrode (E1, E2, E3, E4) zugeordnete Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3), und - eine Steuerungs- und Auswerteinrichtung (10), wobei die Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) schrittweise kumulativ aufzuladen durch wiederholtes Aufladen der zugehörigen Sensorkapazität (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) mit einer von der kapazitiven Kopplung mit der Umgebung abhängigen Einzel-Ladung (ΔQ) und Übertragen(S3; S3b, SU) dieser Einzel-Ladung (ΔQ) an die Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3), und nach einem kumulativen Aufladen (S3; S3a) der Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) eine an der Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) anliegende Spannung (Vcs) zu erfassen und auszuwerten und in Abhängigkeit von der erfassten Spannung (Vcs) die kapazitive Kopplung der Sensorelektrode (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) mit der Umgebung oder eine Änderung dieser zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700) ferner wenigstens eine Abschirmelektrode (20) aufweist, die wenigstens zeitweise während des Aufladens (S3; S3a, SU) der Sensorkapazität (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) mit einem definierten Abschirmpotential (V_SH) beaufschlagbar ist.Capacitive sensor device (100, 200, an input means in a detection area of the sensor device (100, 200, ..., 700), wherein the sensor electrode (E1, E2, E3, E4) communicates with the environment in the presence of an input means in the detection area of the sensor device (100, 200, . .., 700) changing sensor capacitance (Cx; Cx1, Cx2, Cx3), - a measuring capacitance (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) assigned to the sensor electrode (E1, E2, E3, E4), and - a control and evaluation device (10), wherein the sensor device (100, 200, ..., 700) is designed and set up to cumulatively charge the measuring capacitance (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) step by step by repeatedly charging the associated sensor capacitance (Cx; Cx1, Cx2 , Cx3) with one of the ka pacitive coupling with environment dependent single charge (ΔQ) and transfer(S3; S3b, SU) of this single charge (ΔQ) to the measuring capacitance (Cs; Cs1, Cs2, Cs3), and after a cumulative charging (S3; S3a) of the measuring capacitance (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) to the measuring capacitance ( Cs; Cs1, Cs2, Cs3) to detect and evaluate the voltage (Vcs) present and to determine the capacitive coupling of the sensor electrode (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) with the environment or a change in this depending on the detected voltage (Vcs). , characterized in that the sensor device (100, 200, ..., 700) also has at least one shielding electrode (20) which is at least temporarily during the charging (S3; S3a, SU) of the sensor capacitance (Cx; Cx1, Cx2, Cx3 ) can be charged with a defined shielding potential (V _SH ).

Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (10) wenigstens einen ersten Anschlusskontakt (A; A1, A2, A3), einen zweiten Anschlusskontakt (B; B1, B2, B3) und einen dritten Anschlusskontakt (C) aufweist, wobei die Abschirmelektrode (20) vorzugsweise über den zweiten Anschlusskontakt (B) oder den dritten Anschlusskontakt (C) mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (10) verbunden oder verbindbar ist.Sensor device (100, 200, ..., 700) according to claim 1 , characterized in that the control and evaluation device (10) has at least a first connection contact (A; A1, A2, A3), a second connection contact (B; B1, B2, B3) and a third connection contact (C), wherein the The shielding electrode (20) is preferably connected or connectable to the control and evaluation device (10) via the second connection contact (B) or the third connection contact (C).

Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmelektrode (20) über eine Schalteinrichtung (30) mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (10) verbunden oder verbindbar ist, vorzugsweise über eine Operationsverstärker-Schalteinrichtung (30), insbesondere über eine als Impedanzwandler (30) ausgebildete Operationsverstärker-Schalteinrichtung (30).Sensor device (100, 200, ..., 700) according to claim 1 or 2 , characterized in that the shielding electrode (20) is or can be connected to the control and evaluation device (10) via a switching device (30), preferably via an operational amplifier switching device (30), in particular via an operational amplifier designed as an impedance converter (30). - switching device (30).

Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmelektrode (20) wenigstens zeitweise mit einem Abschirmpotential (V_SH) beaufschlagbar ist, welches einem im Wesentlichen an der Sensorkapazität (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) anliegenden Potential (V_CX) entspricht, insbesondere identisch zu diesem ist.Sensor device (100, 200, ..., 700) according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding electrode (20) can be acted upon at least temporarily by a shielding potential (V _SH ) which is substantially at the sensor capacitance (Cx; Cx1 , Cx2, Cx3) applied potential (V _CX ) corresponds, in particular is identical to this.

Sensorvorrichtung (300, 400, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (300, 400, 500) mehrere Sensorelektroden (E1, E2, E3, E4) aufweist, wobei die Sensorvorrichtung (300, 400, 500) für jede der Sensorelektroden (E1, E2, E3, E4) eine separate, jeweils eine einer Sensorelektrode (E1, E2, E3, E4) zugeordnete Messkapazität (Cs1, Cs2, Cs3) aufweist und die Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (10) ferner für jede Sensorelektrode (E1, E2, E3, E4) jeweils einen separaten ersten Anschlusskontakt (A1, A2, A3) und einen separaten zweiten Anschlusskontakt (B1, B2, B3) aufweist.Sensor device (300, 400, 500) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor device (300, 400, 500) has a plurality of sensor electrodes (E1, E2, E3, E4), the sensor device (300, 400, 500) for each of the sensor electrodes (E1, E2, E3, E4) has a separate measuring capacitance (Cs1, Cs2, Cs3) assigned to one sensor electrode (E1, E2, E3, E4) and the control and evaluation device (10) also for each sensor electrode (E1, E2, E3, E4) has a separate first connection contact (A1, A2, A3) and a separate second connection contact (B1, B2, B3).

Sensorvorrichtung (300, 400, 500) nach Anspruch 2 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung für wenigstens zwei Sensorelektroden (E1, E2, E3, E4) eine gemeinsame Abschirmelektrode (20) aufweist, wobei die Abschirmelektrode (20) insbesondere über den dritten Anschlusskontakt (C) mit der Steuerungs- und Auswerteeinrichtung (10) verbunden ist.sensor device (300, 400, 500). claim 2 and claim 5 , characterized in that the sensor device has a common shielding electrode (20) for at least two sensor electrodes (E1, E2, E3, E4), the shielding electrode (20) being connected to the control and evaluation device (10 ) connected is.

Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sensorelektrode (E1, E2, E3, E4) und wenigstens eine Abschirmelektrode (20) jeweils flächig ausgebildet sind, wobei die Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700) ferner eine Trägereinrichtung (11) aufweist und die wenigstens eine flächig ausgebildete Sensorelektrode (E1, E2, E3, E4) und die wenigstens eine flächig ausgebildete Abschirmelektrode (20) flächig auf der Trägereinrichtung (11) aufgebracht sind oder wenigstens teilweise in die Trägereinrichtung (11) integriert sind.Sensor device (100, 200, ..., 700) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one sensor electrode (E1, E2, E3, E4) and at least one shielding electrode (20) are each of flat design, the sensor device ( 100, 200, ..., 700) also has a carrier device (11) and the at least one flat sensor electrode (E1, E2, E3, E4) and the at least one flat shielding electrode (20) are flat on the carrier device (11) are applied or are at least partially integrated into the carrier device (11).

Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein minimaler Abstand der Abschirmelektrode (20) zu wenigstens einer abzuschirmenden Sensorelektrode (E1, E2, E3, E4) nicht größer als 5 mm ist, vorzugsweise nicht größer als 4 mm, 3 mm, 2 mm, 1 mm oder 0,5 mm, aber insbesondere wenigstens 0,2 mm beträgt.Sensor device (100, 200, ..., 700) according to one of the preceding claims, characterized in that a minimum distance between the shielding electrode (20) and at least one sensor electrode (E1, E2, E3, E4) to be shielded is not greater than 5 mm , preferably no larger than 4 mm, 3 mm, 2 mm, 1 mm or 0.5 mm, but in particular at least 0.2 mm.

Sensorvorrichtung (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (600) ferner wenigstens eine weitere Abschirmeinrichtung (40) aufweist, welche die wenigstens eine Sensorelektrode (E1, E2, E3, E4) und die wenigstens eine Abschirmelektrode (20) zumindest teilweise in Umfangsrichtung umgibt, wobei die wenigstens eine weitere Abschirmeinrichtung (40) während des Betriebs der Sensorvorrichtung (600) zumindest zeitweise mit einem definierten Referenzpotential (VRef), insbesondere einem Massepotential (GND) beaufschlagbar ist.Sensor device (600) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor device (600) also has at least one further shielding device (40) which comprises the at least one sensor electrode (E1, E2, E3, E4) and the at least one shielding electrode (20 ) surrounds at least partially in the circumferential direction, wherein the at least one further shielding device (40) can be acted upon at least temporarily with a defined reference potential (VRef), in particular a ground potential (GND), during operation of the sensor device (600).

Verfahren zum Betrieb einer kapazitiven Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700), die nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist, aufweisend die Schritte: S1: Bereitstellen der Sensorvorrichtung (100, 200, ..., 700), S2: Herstellen eines definierten Ladungszustands wenigstens einer Sensorkapazität (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) und einer zugehörigen Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3), insbesondere jeweils durch Entladen, S3: Aufladen (S3a) der Sensorkapazität (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) mit einer von der kapazitiven Kopplung mit der Umgebung abhängigen Einzel-Ladung (ΔQ) und Übertragen (S3b) dieser Einzel-Ladung (ΔQ) an die Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) derart, dass die Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) kumulativ aufgeladen wird, wobei Schritt S3 (S3a, SU; S3b, SU) wenigstens einmal wiederholt wird, und S4: Erfassen und Auswerten einer an der Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) anliegenden Spannung (Vcs) und Ermitteln eines die kapazitive Kopplung der zugehörigen Sensorelektrode (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) mit der Umgebung charakterisierenden Zustandswerts, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmelektrode (20) wenigstens zeitweise während des Aufladens (S3; S3a, SU) der Sensorkapazität (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) mit einem definierten Abschirmpotential (V_SH) beaufschlagt wird.Method for operating a capacitive sensor device (100, 200, ..., 700) according to one of Claims 1 until 9 is formed, comprising the steps: S1: providing the sensor device (100, 200, ..., 700), S2: establishing a defined charge state of at least one sensor capacitance (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) and an associated measuring capacitance (Cs; Cs1 , Cs2, Cs3), in particular by discharging, S3: charging (S3a) the sensor capacitance (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) with an individual charge (ΔQ) dependent on the capacitive coupling with the environment and transmitting (S3b) this Individual charge (ΔQ) to the measuring capacitance (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) such that the measuring capacitance (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) is cumulatively charged, with step S3 (S3a, SU; S3b, SU) at least once is repeated, and S4: detecting and evaluating a voltage (Vcs) present at the measuring capacitance (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) and determining a state value characterizing the capacitive coupling of the associated sensor electrode (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) to the environment , characterized in that the shielding electrode (20) at least ns temporarily during charging (S3; S3a, SU) of the sensor capacitance (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) is subjected to a defined shielding potential (V _SH ).

Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmelektrode (20) während der Schritte S2 und/oder S4 mit einem Referenzpotential (VRef), vorzugweise einem Nullpotential (0V), insbesondere einem Massepotential (GND), beaufschlagt wird.procedure after claim 10 , characterized in that the shielding electrode (20) during steps S2 and / or S4 with a reference potential (VRef), preferably a zero potential (0V), in particular a ground potential (GND), is applied.

Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufladen (S3a) der Sensorkapazität (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) mit einer von der kapazitiven Kopplung mit der Umgebung abhängigen Einzel-Ladung (ΔQ) und das Übertragen (S3b) dieser Einzel-Ladung (ΔQ) an die Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) in separaten Teilschritten (S3a, S3b) nacheinander durchgeführt wird.procedure after claim 10 or 11 , characterized in that the charging (S3a) of the sensor capacitance (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) with an individual charge (ΔQ) dependent on the capacitive coupling with the environment and the transmission (S3b) of this individual charge (ΔQ) to the measuring capacitance (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) is carried out in separate partial steps (S3a, S3b) one after the other.

Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmelektrode (20) während der Übertragung (S3b) der Einzel-Ladung (ΔQ) an die Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) mit einem Referenzpotential (VRef), vorzugsweise einem Nullpotential (0V), insbesondere einem Massepotential (GND), beaufschlagt wird.procedure after claim 12 , characterized in that the shielding electrode (20) during the transfer (S3b) of the individual charge (ΔQ) to the measuring capacitance (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) with a reference potential (VRef), preferably a zero potential (0V), in particular a ground potential (GND), is applied.

Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner wenigstens einen weiteren Schritt SU umfasst, in dem ein Umschaltvorgang durchgeführt wird, wobei die Abschirmelektrode (20) während eines Umschaltvorgangs (SU) zwischen dem Aufladen (S3; S3a) der Sensorkapazität (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) und dem Übertragen (S3b) der Einzel-Ladung (ΔQ) an die Messkapazität (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) ebenfalls wenigstens zeitweise mit einem definierten Abschirmpotential (V_SH) beaufschlagt wird.procedure after claim 12 or 13 , characterized in that the method further comprises at least one further step SU, in which a switching process is carried out, the shielding electrode (20) during a switching process (SU) between the charging (S3; S3a) of the sensor capacitance (Cx; Cx1, Cx2 , Cx3) and the transfer (S3b) of the individual charge (ΔQ) to the measuring capacitance (Cs; Cs1, Cs2, Cs3) is also at least temporarily subjected to a defined shielding potential (V _SH ).

Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das definierte Abschirmpotential (V_SH), mit welchem die Abschirmelektrode (20) zumindest teilweise während des Aufladens (S3a) der Sensorkapazität (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) und ggf. während eines Umschaltvorgangs (SU) beaufschlagt wird.Procedure according to one of Claims 11 until 14 , characterized in that the defined shielding potential (V _SH ) with which the shielding electrode (20) is applied at least partially during the charging (S3a) of the sensor capacitance (Cx; Cx1, Cx2, Cx3) and possibly during a switching process (SU). .