DE112015005851T5

DE112015005851T5 - Kapazitiver Sensor

Info

Publication number: DE112015005851T5
Application number: DE112015005851.6T
Authority: DE
Inventors: Christoph Wendt; Laurent Lamesch
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2018-02-08
Also published as: CN107112990B; CN107112990A; WO2016107910A1; US10790822B2; US20170373686A1; LU92627B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor (1, 1a). Um Mittel für eine robustere kapazitive Messung bereitzustellen, umfasst der Sensor eine Messelektrode (2) mit einer zu messenden Kapazität (Cx); eine Wechselspannungsquelle (3), die dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung (V1) an die Messelektrode anzulegen; eine kapazitive erste Übertragungsvorrichtung (4); eine Messschaltung (20), die dafür ausgelegt ist, die Kapazität (Cx) der Messelektrode (2) zu messen; und eine Schaltanordnung (10–14), die dafür ausgelegt, abwechselnd in einem ersten Schaltzustand die erste Übertragungsvorrichtung (4) mit der Messelektrode (2) zu verbinden, um eine Ladungsübertragung von der Messelektrode (2) zur ersten Übertragungsvorrichtung (4) zu ermöglichen; und in einem zweiten Schaltzustand die erste Übertragungsvorrichtung (4) mit der Messschaltung (20) zu verbinden, um eine Ladungsübertragung von der ersten Übertragungsvorrichtung (4) zur Messschaltung zu ermöglichen (20).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor und ein Verfahren zum kapazitiven Messen.
Stand der Technik
Kapazitive Sensoren werden heutzutage für eine enorme Vielfalt von Anwendungen verwendet, wie für Eingabevorrichtungen (z. B. Touchpads, kapazitive Schieber, Touchwheels usw.), Näherungssensoren oder Insassenerkennungssysteme.
Ein kapazitiver Sensor oder eine kapazitive Messvorrichtung, der bzw. die manchmal elektrischer Feldsensor oder Näherungssensor genannt wird, bezeichnet einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss des Gemessenen (einer Person, eines Körperteils einer Person, eines Haustieres, eines Gegenstands usw.) auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an die ein elektrisches oszillierendes Signal angelegt wird und die daraufhin ein elektrisches Feld in einen Raumbereich nahe der Antennenelektrode ausgibt, während der Sensor in Betrieb ist. Der Sensor umfasst mindestens eine Messelektrode, an der der Einfluss eines Gegenstands oder eines Lebewesens auf das elektrische Feld erkannt wird. In manchen kapazitiven (sogenannten "Lademodus-")Belegungssensoren dient die eine oder dienen die mehreren Antennenelektroden gleichzeitig als Messelektroden. In diesem Fall bestimmt die Messschaltung den in die eine oder in die mehreren Antennenelektroden fließenden Strom in Abhängigkeit von einer an diesen angelegten oszillierenden Spannung. Die Beziehung zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz zwischen der einen oder den mehreren Antennenelektroden und Masse. In einer alternativen Version von kapazitiven Sensoren (kapazitive "Kopplungsmodus-"Sensoren) sind die Sendeantennenelektrode(n) und die Messelektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall bestimmt die Messschaltung den Strom oder die Spannung, der/die in der Messelektrode induziert wird, wenn die Sendeantennenelektrode in Betrieb ist.
Während auf dem Fachgebiet bekannte kapazitive Sensoren im Grunde zuverlässig sind, besteht ein Problem dahingehend, dass die Messelektrode auch gegenüber externen elektrischen und/oder magnetischen Feldern empfindlich ist, was als "elektromagnetisches Rauschen" angesehen werden kann. Da die Messschaltung äußerst empfindlich sein muss, um ihre normale Funktion zu erfüllen, kann sie auch durch ein solches EM-Rauschen negativ beeinflusst werden. Dies kann sogar zu einer fehlerhaften Erkennung oder einer Nicht-Erkennung eines Gegenstands führen.
Aufgabenstellung
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel für eine robustere kapazitive Messung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen kapazitiven Sensor nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung stellt einen kapazitiven Sensor bereit. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Sensors ist in keiner Weise beschränkt, aber er kann insbesondere in Kraftfahrzeugsystemen verwendet werden, z. B. als ein Belegungssensor für einen Fahrzeugsitz oder für einen intelligenten Kofferraumöffner.
Der Sensor weist eine Messelektrode zur kapazitiven Kopplung an eine Gegenelektrode, um eine zu messende Kapazität zu bilden, und eine Wechselspannungsquelle auf, die dafür ausgelegt ist, eine Wechselspannung wirksam an die Messelektrode zu koppeln.
In einer Ausführungsform ist die Gegenelektrode durch Masse gebildet und die Wechselspannung der Wechselspannungsquelle wird an die Messelektrode angelegt. Bei dieser Ausführungsform hat die Messelektrode beim Betrieb im sogenannten "Lademodus" eine Kapazität relativ zur Masse, was durch einen Gegenstand zwischen der Messelektrode und Masse beeinflusst wird. Das Vorliegen des Gegenstands kann daher auf Grund der Änderung der Kapazität der Messelektrode erkannt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Gegenelektrode eine dezidierte Sendeantennenelektrode zur Ausgabe eines elektrischen Wechselfelds in Reaktion auf ein Wechselsignal von der Wechselspannungsquelle sein, die an die Gegenelektrode angelegt wird. In diesem Fall wird die Wechselspannung in der Messelektrode durch das elektrische Wechselfeld, das in die Messelektrode eingekoppelt wird, induziert. Bei dieser Ausführungsform, die gemäß dem sogenannten "Kupplungsmodus" arbeitet, bestimmt die Messschaltung den Strom oder die Spannung, der/die in der Messelektrode induziert wird, wenn die Sendeantennenelektrode in Betrieb ist.
Die Spannungsquelle kann direkt mit der Messelektrode bzw. der Sendeantennenelektrode verbunden sein, aber es können sich auch andere Elemente zwischen ihnen befinden. Sie kann auch je nach einem Schaltzustand des Sensors direkt oder indirekt verbunden sein, wie später deutlich wird. Es wird bevorzugt, dass die von der Wechselspannungsquelle erzeugte Wechselspannung periodisch ist und somit durch eine (Grund-)Frequenz gekennzeichnet sein kann. Die Wellenform ist im Allgemeinen nicht beschränkt und kann z. B. sinusförmige, dreieckige, quadratische oder rechteckige Wellenformen einschließen, obwohl bestimmte Wellenformen als solche bevorzugt sind, wie es später erklärt werden wird.
Der Sensor weist auch eine kapazitive erste Übertragungsvorrichtung und eine Messschaltung auf, die dafür ausgelegt ist, die Kapazität der Messelektrode zu messen. Schließlich weist sie eine Schaltanordnung auf, die dafür ausgelegt ist, abwechselnd in einem ersten Schaltzustand die erste Übertragungsvorrichtung mit der Messelektrode zu verbinden, um eine Ladungsübertragung von der Messelektrode zur ersten Übertragungsvorrichtung zu ermöglichen; und in einem zweiten Schaltzustand die erste Übertragungsvorrichtung mit der Messschaltung zu verbinden, um eine Ladungsübertragung von der ersten Übertragungsvorrichtung zur Messschaltung zu ermöglichen.
Die erste Übertragungsvorrichtung hat eine Kapazität, die die Folge dessen sein kann, dass ein oder mehrere kapazitive Elemente Teil der Übertragungsvorrichtung ist bzw. sind. Im Allgemeinen kann die Übertragungsvorrichtung auch andere, nicht-kapazitive Elemente aufweisen, und natürlich kann sie Drähte, Leitungswege usw. zu Verbindungszwecken aufweisen.
Die Schaltanordnung weist normalerweise mehrere Schalter auf, die von irgendeiner geeigneten, auf dem Fachgebiet bekannten Art sein können. Insbesondere kann es sich dabei um elektronische Schalter handeln, die durch geeignete Schaltungen gesteuert werden, um synchron zu arbeiten. Auch wenn keine Verbindung der individuellen Schalter besteht (mit Ausnahme einer Verbindung zu gemeinsam gesteuerten Schaltungen), werden sie als Teile einer einzelnen Schaltanordnung betrachtet.
Bei der Messschaltung kann es sich im Prinzip um eine herkömmliche handeln. Sie ist dafür ausgelegt, während des zweiten Schaltzustands elektrische Ladungen (d. h. einen Stromfluss) von der ersten Übertragungsvorrichtung zu empfangen, und sie verwendet diese elektrischen Ladungen, um die Kapazität der Messelektrode zu messen. Insbesondere kann die Messschaltung einen Integrierkondensator in Kombination mit einem Transimpedanzverstärker verwenden.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Messschaltung elektrisch von der Messelektrode zu trennen. Dies wird erreicht, indem keine elektrischen Ladungen direkt von der Messelektrode zur Messschaltung, sondern über die erste Übertragungsvorrichtung übertragen werden. Die Schaltanordnung nimmt abwechselnd den ersten und den zweiten Schaltzustand ein. d. h. entweder werden die Verbindungen des ersten Schaltzustands hergestellt, oder die Verbindungen des zweiten Schaltzustands werden hergestellt. Im ersten Schaltzustand wird die Übertragungsvorrichtung an die Messelektrode angeschlossen und es können elektrische Ladungen von der Messelektrode zur Übertragungsvorrichtung übertragen werden, d. h. ein Strom fließt. In diesem Zustand ist die Übertragungsvorrichtung jedoch nicht mit der Messschaltung verbunden. Daher besteht keine direkte Verbindung zwischen der Messelektrode und der Messschaltung. Im zweiten Schaltzustand wird die erste Übertragungsvorrichtung mit der Messschaltung verbunden und es können elektrische Ladungen an die Messschaltung übertragen werden (d. h. ein Strom kann fließen). In diesem zweiten Schaltzustand ist jedoch die erste Übertragungsvorrichtung nicht mit der Messelektrode verbunden, und daher besteht wiederum keine direkte Verbindung zwischen der Messelektrode und der Messschaltung.
Daher besteht zu keiner Zeit eine direkte Verbindung zwischen der Messelektrode und der Messschaltung. Somit kann ein von der Messelektrode empfangenes elektromagnetisches Rauschen keine Auswirkung auf die Messschaltung haben. Die erste Übertragungsvorrichtung arbeitet wie ein Schutzpuffer zwischen der Messelektrode und der Messschaltung. Daher ist der erfindungsgemäße Sensor, auch wenn eine empfindliche Messschaltung verwendet wird, die gegenüber Störungen auf Grund von elektromagnetischem Rauschen empfindlich ist, sehr robust. Es sei auch angemerkt, dass die Messschaltung normalerweise, wie es durch die nachstehend erklärten Ausführungsformen offensichtlich wird, zu keiner Zeit mit der Wechselspannungsquelle verbunden ist. Insbesondere kann die Messschaltung jederzeit eine Gleichspannung empfangen, die einfacher zu bewältigen ist. Es sollte jedoch klar sein, dass die Auswertevorrichtung nicht auf eine solche Ausführungsform begrenzt ist und dass andere Auswertevorrichtungen auch möglich sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Übertragungsvorrichtung einen ersten Übertragungskondensator mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss auf, ist die Wechselspannungsquelle dafür ausgelegt, eine Wechselspannung an einem ersten Knoten zu erzeugen, und ist die Messschaltung an einen zweiten Knoten und einen dritten Knoten angeschlossen. Außerdem ist bei dieser Ausführungsform die Schaltanordnung dafür ausgelegt, abwechselnd im ersten Schaltzustand den ersten Anschluss mit der Messelektrode zu verbinden und den zweiten Anschluss mit dem ersten Knoten zu verbinden; und im zweiten Schaltzustand den ersten Anschluss mit dem zweiten Knoten und den zweiten Anschluss mit dem dritten Knoten zu verbinden. Hier und nachstehend betrifft der Begriff "Knoten" einen Punkt mit einem gegebenen Potenzial, d. h., wenn zwei Komponenten mit demselben Knoten verbunden werden, sind sie mit demselben Potenzial verbunden. Dieses Potenzial kann jedoch zeitabhängig sein.
Es versteht sich, dass an Stelle eines einzelnen ersten Übertragungskondensators mehrere Kondensatoren, die parallel und/oder in Reihe geschaltet sind, verwendet werden könnten. In der beschriebenen Ausführungsform sind der erste Übertragungskondensator und die Messelektrode während des ersten Zustands in Bezug auf die Wechselspannungsquelle in Reihe geschaltet. Während des zweiten Schaltzustands sind die Anschlüsse des ersten Übertragungskondensators von der Messelektrode und der Wechselspannungsquelle getrennt und stattdessen über den zweiten und dritten Knoten mit der Messschaltung verbunden. Alle vorstehend erwähnten Verbindungen sind normalerweise direkte Verbindungen (d. h. ohne irgendwelche zwischengeschalteten Elemente).
Es wird auch bevorzugt, dass die Messschaltung einen Integrierkondensator aufweist, der mit dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten verbunden ist (d. h. beim Kondensator ist jeder seiner Anschlüsse mit einem dieser Knoten verbunden), und ein Transimpedanzverstärker ist mit dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten verbunden. Eine solche Konfiguration ist im Prinzip auf dem Fachgebiet allgemein bekannt. Der Integrierkondensator hat normalerweise eine Kapazität, die so gewählt ist, dass sie viel höher ist als die Kapazität der ersten Übertragungsvorrichtung und die erwartete Kapazität der Messelektrode. Der Integrierkondensator kann z. B. eine Kapazität haben, die das 100-fache der erwarteten Kapazität der Messelektrode beträgt. Daher wird (werden), wenn die Verbindung zwischen der ersten Übertragungsvorrichtung und der Messschaltung hergestellt ist, die kapazitive Vorrichtung(en) der Übertragungsvorrichtung zugunsten des Integrierkondensators weitgehend entladen werden.
Es wird bevorzugt, dass die Wechselspannungsquelle dafür ausgelegt ist, eine sinusförmige Spannung zu erzeugen. Während bei vielen üblichen kapazitiven Sensoren eine rechteckige Spannung verwendet wird, enthält eine solche Spannung, abgesehen von der Grundfrequenz, einen großen Betrag an höheren Frequenzen, was wiederum zu einem beträchtlichen Betrag an Strahlung führt. Um die elektromagnetischen Emissionen des kapazitiven Sensors gering zu halten, sollten die Oberwellenkomponenten zumindest weitgehend ausgeschaltet werden. Während bei einer perfekten Sinuswelle die gesamte Oberwellenverzerrung 0 beträgt, kann in einem weiteren Sinne eine Wechselspannung verwendet werden, die eine gesamte Oberwellenverzerrung von weniger als 5 % hat.
In diesem Zusammenhang kann die Schaltanordnung dafür ausgelegt sein, sich im ersten Schaltzustand zu befinden, wenn die Spannung ansteigt, und sich im zweiten Schaltzustand zu befinden, wenn die Spannung abfällt. Das heißt, die Schaltanordnung wird mit der Wechselspannungsquelle synchronisiert. Eine solche Synchronisation kann auch in Verbindung mit einer Spannung verwendet werden, die nicht sinusförmig ist. Wenn eine solche nicht sinusförmige Spannung konstante Abschnitte enthält, kann die Änderung zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand zu Beginn oder am Ende eines solchen konstanten Abschnitts auftreten.
Nach einer Ausführungsform ist der dritte Knoten mit Masse verbunden. Nach einer weiteren Ausführungsform ist der dritte Knoten mit einer konstanten Spannungsquelle verbunden. Eine solche konstante Spannungsquelle bildet einen Arbeitspunkt für die Messschaltung.
Insbesondere wenn nur eine einzelne Übertragungsvorrichtung eingesetzt wird, ist die Schaltanordnung vorzugsweise dafür ausgelegt, im zweiten Schaltzustand die Messelektrode mit dem ersten Knoten zu verbinden. Dies bedeutet, dass die Messelektrode während des zweiten Schaltzustands direkt mit der Wechselspannungsquelle verbunden ist. Wird dies mit der Ausführungsform kombiniert, in der die Schaltanordnung während des ersten Zustands mit der Wechselspannungsquelle synchronisiert wird, wird nur die Messelektrode durch die ansteigende Spannung geladen, aber im zweiten Schaltzustand wird die Kombination (Reihenschaltung) der Messelektrode und der Kapazität der ersten Übertragungsvorrichtung entladen.
Auch wenn die Ausführungsformen, bei denen nur die erste Übertragungsvorrichtung verwendet wird, als "asymmetrisch" in Bezug auf den ersten und zweiten Schaltzustand gekennzeichnet werden können, gibt es auch Ausführungsformen, die mehr "symmetrisch" sind. Bei diesen Ausführungsformen weist der kapazitive Sensor ferner eine kapazitive zweite Übertragungsvorrichtung auf, und die Schaltanordnung ist ferner dafür ausgelegt, im ersten Schaltzustand die zweite Übertragungsvorrichtung mit der Messschaltung zu verbinden, um eine Ladungsübertragung von der zweiten Übertragungsvorrichtung zur Messschaltung zu ermöglichen, und im zweiten Schaltzustand die zweite Übertragungsvorrichtung mit der Messelektrode zu verbinden, um eine Ladungsübertragung von der Messelektrode zur zweiten Übertragungsvorrichtung zu ermöglichen.
Die zweite Übertragungsvorrichtung kann auf die gleiche Weise ausgeführt sein wie die erste Übertragungsvorrichtung und wird daher nicht noch einmal erklärt. Bei einer solchen Ausführungsform ist stets eine Ladungsübertragung zwischen der Messelektrode und einer (der ersten/zweiten) Übertragungsvorrichtung einerseits und der anderen (zweiten/ersten) Übertragungsvorrichtung und der Messschaltung andererseits ermöglicht.
In diesem Zusammenhang wird bevorzugt, dass die zweite Übertragungsvorrichtung einen zweiten Übertragungskondensator mit einem dritten Anschluss und einem vierten Anschluss aufweist, und dass die Schaltanordnung dafür ausgelegt ist, im ersten Zustand den dritten Anschluss mit dem dritten Knoten und den vierten Anschluss mit dem zweiten Knoten zu verbinden, und im zweiten Schaltzustand den dritten Anschluss mit der Messelektrode und den vierten Anschluss mit dem ersten Knoten zu verbinden. Es ist anzumerken, dass unter dem Gesichtspunkt der Wechselspannungsquelle der erste und der zweite Übertragungskondensator antiparallel in Bezug auf die Messschaltung geschaltet sind. Mit anderen Worten empfängt, wenn die Schaltanordnung mit der Wechselspannungsquelle synchronisiert wird, der erste Übertragungskondensator eine ansteigende Flanke der Spannung (erster Schaltzustand), während der zweite Übertragungskondensator eine abfallende Flanke (zweiter Schaltzustand) empfängt. Dies führt dazu, dass die beiden Übertragungskondensatoren mit entgegengesetzter Polarität geladen werden. Diese Polaritäten werden durch Anschließen der Kondensatoren auf antiparallele Weise an die Messschaltung gleichgerichtet. Es ist auch anzumerken, dass auf Grund der antiparallelen Anordnung alle direkten Spannungskomponenten aufgehoben werden.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum kapazitiven Messen mit einer Messelektrode, die kapazitiv an eine Gegenelektrode gekoppelt ist, um eine zu messende Kapazität zu bilden, einer kapazitiven ersten Übertragungsvorrichtung und einer Messschaltung zur Verfügung. Gemäß dem Verfahren wird eine Wechselspannung wirksam an die Messelektrode gekoppelt. Abwechselnd wird in einem ersten Schaltzustand die erste Übertragungsvorrichtung mit der Messelektrode verbunden, um eine Ladungsübertragung von der Messelektrode zur ersten Übertragungsvorrichtung zu ermöglichen, und in einem zweiten Schaltzustand die erste Übertragungsvorrichtung mit der Messschaltung verbunden, um eine Ladungsübertragung von der ersten Übertragungsvorrichtung zur Messschaltung zu ermöglichen. Auch misst die Messschaltung die Kapazität der Messelektrode.
Es versteht sich, dass eine Wechselspannungsquelle eingesetzt werden kann, um die Wechselspannung anzulegen, und dass die Schaltanordnung eingesetzt werden kann, um die Verbindungen des ersten und des zweiten Schaltzustands herzustellen.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren entsprechen denjenigen des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors. Daher werden sie der Kürze halber nicht erneut besprochen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei:
1 eine schematische Ansicht ist, die eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors zeigt;
2 eine schematische Ansicht ist, die eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors zeigt, und
3 ein Diagramm ist, dass eine Zeitentwicklung einer Wechselspannung zeigt;
4 eine schematische Ansicht ist, die eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors zeigt.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 veranschaulicht beispielhaft eine erste Ausführungsform eines kapazitiven Sensors 1 gemäß der Erfindung. Der Sensor 1 könnte als Belegungssensor in einem Fahrzeugsitz, als intelligenter Kofferraumöffner in einem Fahrzeug-Stoßfänger, als intelligenter Türöffner in einem Griff einer Fahrzeugtür, als Teil eines Touchscreens in einer mobilen elektronischen Vorrichtung oder in anderen bekannten Anwendungen von kapazitiven Sensoren angeordnet sein. Er weist eine Messelektrode 2 auf, die einer Kapazität C_X relativ zur Masse zugeordnet ist. Die Kapazität C_X ist unbekannt und variiert mit dem Vorliegen eines Gegenstands, der sich der Messelektrode 2 nähert oder diese berührt. Der Gegenstand könnte der Körper einer Person, der Finger einer Person oder dergleichen sein.
Die Messelektrode 2 ist über einen ersten Schalter 10 an eine Wechselspannungsquelle 3 anschließbar. Die Wechselspannungsquelle 3 legt eine vorzugsweise sinusförmige Spannung V₁ (in 3 gezeigt) an einen ersten Knoten 7 an. In einem ersten Schaltzustand (durch die Zahl 1 in einem Kreis angedeutet) ist der erste Schalter 10 offen, so dass es keine direkte Verbindung zwischen der Messelektrode 2 und der Wechselspannungsquelle 3 gibt. Im zweiten Schaltzustand (durch die Zahl 2 in einem Kreis angedeutet) ist der erste Schalter 10 geschlossen, so dass die Messelektrode 2 mit dem ersten Knoten 7 und somit mit der Wechselspannungsquelle 3 verbunden ist.
Ein erster Übertragungskondensator C_t1 ist mit einem ersten Anschluss 5 an einen zweiten Schalter 11 und mit einem zweiten Anschluss 6 an einen dritten Schalter 12 angeschlossen. Der erste Übertragungskondensator C_t1 bildet im Prinzip eine erste Übertragungsvorrichtung 4. Im ersten Schaltzustand, wie in 1 gezeigt, ist der erste Anschluss 5 durch den zweiten Schalter 11 mit der Messelektrode 2 verbunden, und der zweite Anschluss 6 ist durch den dritten Schalter 12 mit dem ersten Knoten 7 verbunden. Im zweiten Schaltzustand ist der erste Anschluss 5 mit einem zweiten Knoten 8 verbunden, und der zweite Anschluss 6 ist mit einem dritten Knoten 9 verbunden. Der zweite Knoten 8 und der dritte Knoten 9 sind Eingabeknoten in eine Messschaltung 20, die einen Integrierkondensator C_i und einen Transimpedanzverstärker 21 aufweist. Der Transimpedanzverstärker 21 ist auf bekannte Weise unter Verwendung eines Operationsverstärkers 22 und einer Impedanz Z aufgebaut, was durch einen Widerstand und einen Kondensator, die parallelgeschaltet sind, erfolgen kann. Der Operationsverstärker 22 erzeugt an seinem Ausgang eine Spannung V_out, die die Kapazität C_X der Messelektrode 2 anzeigt.
In der gezeigten Ausführungsform ist der dritte Knoten 9, der mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 22 verbunden ist, über eine Gleichspannungsquelle 15, die eine konstante Spannung V₂ als Arbeitspunkt für die Messschaltung 20 erzeugt, mit Masse verbunden. Alternativ könnte der dritte Knoten 9 auch direkt an Masse angeschlossen sein.
Der erste, der zweite und der dritte Schalter 10, 11, 12 sind Teile einer Schaltanordnung und wechseln auf synchronisierte Weise vom ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand (wie in 1 angedeutet ist). Außerdem sind sie mit der Zeitentwicklung der Wechselspannung V₁ synchronisiert, wie es durch die Zahlen in 3 angedeutet ist. Wenn die Spannung V₁ ansteigt, nimmt die Schaltanordnung den ersten Schaltzustand ein, und wenn die Spannung V₁ abfällt, nimmt die Schaltanordnung den zweiten Schaltzustand ein.
Im ersten Schaltzustand, wie in 1 gezeigt ist, ist die erste Übertragungsvorrichtung 4 von der Messschaltung 20 getrennt. Der erste Übertragungskondensator C_t1 ist mit der unbekannten Kapazität C_X in Reihe geschaltet, weshalb ein Strom zwischen diesen beiden Elementen fließt.
Im zweiten Schaltzustand ist die erste Übertragungsvorrichtung 4 von der Wechselspannungsquelle 3 und der Messelektrode 2 getrennt und stattdessen mit der Messschaltung 20 verbunden. Zu diesem Zeitpunkt wurde der erste Übertragungskondensator C_t1 auf einen bestimmten Betrag geladen, der von der Kapazität C_X abhängt. Da die Kapazität des Integrierkondensators C_i so gewählt ist, dass sie weit größer ist als die Kapazität des ersten Übertragungskondensators C_t1 ist, wird letztere weitgehend zu Gunsten des Integrierkondensators C_i entladen. Auch wird im zweiten Schaltzustand die Messelektrode 2 durch den ersten Schalter 10 direkt mit der Wechselspannungsquelle 3 verbunden.
Da die Messschaltung 20 zu keiner Zeit mit der Messelektrode 2 verbunden ist, ist sie vor elektromagnetischem Rauschen geschützt, das von der Messelektrode 2 empfangen werden könnte. Daher ist der kapazitive Sensor 1 unter Aspekten der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) relativ robust. Ferner ist die Messschaltung 20 zu keiner Zeit der Wechselspannungsquelle 3 und ihrer Wechselspannung V₁ ausgesetzt. Sie ist vielmehr nur mit dem ersten Übertragungskondensator C_t1 verbunden, der bei einer gegebenen Kapazität C_X stets auf eine Spannung mit dem gleichen Betrag und der gleichen Polarität geladen wird.
Ferner werden, da die Messelektrode 2 nur mit einer sinusförmigen Spannung geladen wird, die (zumindest idealerweise) keinerlei Oberwellen mit höheren Frequenzen enthält, ihre elektromagnetischen Emissionen im Vergleich z. B. zu einer rechteckigen Spannung weitgehend verringert.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors 1a, der auch eine Messelektrode 2, eine Wechselspannungsquelle 3 und eine Messschaltung 20 aufweist. Diese Komponenten sind identisch zu der in 1 gezeigten Ausführungsform und werden daher nicht noch einmal beschrieben.
Es ist wieder ein erster Übertragungskondensator C_t1 einer ersten Übertragungsvorrichtung 4 zwischen zwei Schaltern 11, 12 angeschlossen, durch die in einem ersten Schaltzustand ein erster Anschluss 5 des Kondensators C_t1 mit der Messelektrode 2 verbunden ist und ein zweiter Anschluss 6 mit dem ersten Knoten 7 verbunden ist, der an die Wechselspannungsquelle 3 angeschlossen ist. Im zweiten Schaltzustand ist der erste Anschluss 5 mit dem zweiten Knoten 8 verbunden und der zweite Anschluss 6 ist mit dem dritten Knoten 9 verbunden. Wie in 1 ist der zweite Knoten 8 mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 22 verbunden, und der dritte Knoten 9 ist mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss verbunden. Im Gegensatz zu 1 ist der dritte Knoten 9 direkt an Masse angeschlossen.
Der Sensor 1a weist ferner eine zweite Übertragungsvorrichtung 4.1 auf, die einen zweiten Übertragungskondensator C_t2 mit einem dritten Anschluss 5.1 und einem vierten Anschluss 6.1 aufweist, die mit zwei zusätzlichen Schaltern 13, 14 verbunden sind. Im ersten Schaltzustand, wie in 2 gezeigt ist, ist der dritte Anschluss 5.1 mit dem dritten Knoten 9 verbunden, und der vierte Anschluss 6.1 ist mit dem zweiten Knoten 8 verbunden. Im zweiten Schaltzustand ist der dritte Anschluss 5.1 mit der Messelektrode 2 verbunden, während der vierte Anschluss 6.1 mit dem ersten Knoten 7 und der Wechselspannungsquelle 3 verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform sind die Schalter 11, 12, 13, 14 auch Teil der Schaltanordnung, die mit der Wechselspannung V₁ auf die durch die Zahlen in 3 angedeutete Weise synchronisiert wird. Im ersten Schaltzustand ist die erste Übertragungsvorrichtung 4 mit der Messelektrode 2 und der Wechselspannungsquelle 3 verbunden. In diesem Zustand steigt die Wechselspannung V₁ an, was bedeutet, dass der erste Übertragungskondensator C_t1 und die Kapazität C_X jeweils mit einem positiven Strom geladen werden. Gleichzeitig wird der zweite Übertragungskondensator C_t2 von der Messelektrode 2 und der Wechselspannungsquelle 3 getrennt, aber wird mit dem zweiten und dritten Knoten 8, 9 verbunden, wobei es sich um Eingabeknoten in die Messschaltung 20 handelt. Die Übertragungskondensatoren C_t1, C_t2 haben die gleiche Kapazität und der Integrierkondensator C_i hat eine Kapazität, die viel größer ist. Daher wird im ersten Schaltzustand der zweite Übertragungskondensator C_t2 zu Gunsten des Integrierkondensators C_i entladen.
Im zweiten Schaltzustand, wenn die Spannung V₁ abfällt, wird der erste Übertragungskondensator C_t1 von der Spannungsquelle 3 und der Messelektrode 2 getrennt und stattdessen mit dem zweiten und dritten Knoten 8, 9 verbunden. Der zweite Übertragungskondensator C_t2 wird andererseits von dem zweiten und dritten Knoten 8, 9 getrennt und stattdessen zwischen der Wechselspannungsquelle 3 und der Messelektrode 2 angeschlossen. Nun werden die Kapazität C_X und der Übertragungskondensator C_t2 einem negativen Strom unterworfen, weshalb der zweite Übertragungskondensator C_t2 mit einer Polarität geladen wird, die zu derjenigen des ersten Übertragungskondensators C_t1 im ersten Schaltzustand entgegengesetzt ist. Da jedoch die Anschlüsse 5.1, 6.1 des zweiten Übertragungskondensators C_t2 auf entgegengesetzte Weise im Vergleich zu den Anschlüssen 5, 6 des ersten Übertragungskondensator C_t1 an den zweiten Knoten 8 und den dritten Knoten 9 angeschlossen sind, wird der Integrierkondensator C_i in beiden Schaltzuständen mit der gleichen Polarität geladen.
Es ist anzumerken, dass in der zweiten Ausführungsform sowohl die ansteigende Flanke als auch die abfallende Flanke der Spannung V_i verwendet werden, um einen der Übertragungskondensatoren C_t1, C_t2 zu laden, von denen beide verwendet werden, um den Integrierkondensator C_i zu laden. Daher ist die Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors 1a gemäß der zweiten Ausführungsform in etwa zweimal so hoch wie in der ersten Ausführungsform. Wie bei der ersten Ausführungsform ist die Messschaltung 20 zu keiner Zeit mit der Messelektrode 2 verbunden, weshalb sie vor elektromagnetischem Rauschen geschützt ist, das von der Messelektrode 2 empfangen werden könnte.
Die Ausführungsformen der Erfindung, die in den 1 bis 3 gezeigt sind, betreffen jeweils einen kapazitiven Sensor, der im sogenannten "Lademodus" arbeitet. Es sei jedoch angemerkt, dass das Prinzip der Erfindung mit den für diesen Fall erforderlichen Abänderungen auch auf einen kapazitiven Sensor anwendbar ist, der im "Kupplungsmodus" arbeitet.
4 zeigt eine Ausführungsform eines kapazitiven Sensors im "Kupplungsmodus", der ähnlich der Ausführungsform ist, die in 1 gezeigt ist. In der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Gegenelektrode eine dezidierte Senderelektrode 16, und die zu bestimmende Kapazität C_X ist zwischen der Messelektrode 2 und einer dezidierten Senderelektrode 16 gebildet. Die Wechselspannungsquelle 3 ist bei dieser Ausführungsform an die Antennenelektrode 16 gekoppelt, während der Knoten 7 an Masse gekoppelt ist. Im Betrieb gibt die Sendeantennenelektrode 16 in Reaktion auf das Wechselsignal von der Wechselspannungsquelle 3, das an die Antennenelektrode 16 angelegt wird, ein elektrisches Wechselfeld aus. In diesem Fall wird durch das elektrische Wechselfeld, das in die Messelektrode 2 eingekoppelt wird, eine Wechselspannung in der Messelektrode 2 induziert. Bei dieser Ausführungsform bestimmt die Messschaltung den Strom oder die Spannung, die in der Messelektrode induziert wird, wenn die Sendeantennenelektrode arbeitet.
Es ist anzumerken, dass der Betrieb des Kupplungsmodus-Sensors aus 4 in Bezug auf die Ladungsübertragung ähnlich wie beim Lademodus-Sensor aus 1 ist. Es versteht sich jedoch, dass die Schaltzyklen in Bezug auf die Zeitentwicklung einer Wechselspannung aus 3 invertiert werden. Es versteht sich schließlich, dass der Kupplungsmodus-Sensor auch mit einer zweiten Übertragungsvorrichtung analog zur Ausführungsform von 2 versehen werden könnte.
Bezugszeichenliste

1, 1a: kapazitiver Sensor
2: Messelektrode
3: Wechselspannungsquelle
4, 4.1: Übertragungsvorrichtung
5, 5.1, 6, 6.1: Anschluss
7, 8, 9: Knoten
10, 11, 12, 13, 14: Schalter
15: Gleichspannungsquelle
20: Messschaltung
21: Transimpedanzverstärker
22: Operationsverstärker
C_X: Kapazität
C_t1, C_t2: Übertragungskondensator
C_i: Integrierkondensator
Z: Impedanz
16: Senderelektrode

Claims

Kapazitiver Sensor (1, 1a), aufweisend: – eine Messelektrode (2) zum kapazitiven Koppeln an eine Gegenelektrode, um eine zu messende Kapazität (C_X) zu bilden; – eine Wechselspannungsquelle (3), die dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung (V₁) wirksam an die Messelektrode zu koppeln; – eine erste kapazitive Übertragungsvorrichtung (4); – eine Messschaltung (20), die dazu ausgelegt ist, die Kapazität (C_X) zu messen; und – eine Schaltanordnung (10–14), die dazu ausgelegt ist, abwechselnd – in einem ersten Schaltzustand die erste Übertragungsvorrichtung (4) mit der Messelektrode (2) zu verbinden, um eine Ladungsübertragung von der Messelektrode (2) an die erste Übertragungsvorrichtung (4) zu ermöglichen; und – in einem zweiten Schaltzustand die erste Übertragungsvorrichtung (4) mit der Messschaltung (20) zu verbinden, um eine Ladungsübertragung von der ersten Übertragungsvorrichtung (4) zur Messschaltung (20) zu ermöglichen.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Übertragungsvorrichtung (4) einen ersten Übertragungskondensator (C_t1) mit einem ersten Anschluss (5) und einem zweiten Anschluss (6) umfasst; – die Wechselspannungsquelle (3) dazu ausgelegt ist, an einem ersten Knoten (7) eine Wechselspannung zu erzeugen; – die Messschaltung (20) mit einem zweiten Knoten (8) und einem dritten Knoten (9) verbunden ist; und – die Schaltanordnung (10–14) dazu ausgelegt ist, abwechselnd – im ersten Schaltzustand den ersten Anschluss (5) mit der Messelektrode (2) und den zweiten Anschluss (6) mit dem ersten Knoten (7) zu verbinden; und – im zweiten Schaltzustand den ersten Anschluss (5) mit dem zweiten Knoten (8) und den zweiten Anschluss (6) mit dem dritten Knoten (9) zu verbinden.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (20) aufweist: – einen Integrationskondensator (C_i), der mit dem zweiten Knoten (8) und dem dritten Knoten (9) verbunden ist; und – einen Transimpedanzverstärker (21), der mit dem zweiten Knoten (8) und dem dritten Knoten (9) verbunden ist.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle (3) dazu ausgelegt ist, eine sinusförmige Spannung (V₁) zu erzeugen.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung (10–14) dazu ausgelegt ist, sich im ersten Schaltzustand zu befinden, wenn die Spannung (V₁) ansteigt, und sich im zweiten Schaltzustand befinden soll, wenn die Spannung (V₁) fällt.
Kapazitiver Sensor nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Knoten (9) mit Masse verbunden ist.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Knoten (9) mit einer konstanten Spannungsquelle (15) verbunden ist.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung (10–14) dazu ausgelegt ist, im zweiten Schaltzustand die Messelektrode (2) mit dem ersten Knoten (7) zu verbinden.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine kapazitive zweite Übertragungsvorrichtung (4.1) aufweist und dass die Schaltanordnung (10–14) ferner dazu ausgelegt ist, – im ersten Schaltzustand die zweite Übertragungsvorrichtung (4.1) mit der Messschaltung (20) zu verbinden, um eine Ladungsübertragung von der zweiten Übertragungsvorrichtung (4.1) zur Messschaltung (20) zu ermöglichen; und – im zweiten Schaltzustand die zweite Übertragungsvorrichtung (4.1) mit der Messelektrode (2) zu verbinden, um eine Ladungsübertragung von der Messelektrode (2) an die zweite Übertragungsvorrichtung (4.1) zu ermöglichen.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Übertragungsvorrichtung (4.1) einen zweiten Übertragungskondensator (C_t2) mit einem dritten Anschluss (5.1) und einem vierten Anschluss (6.1) umfasst, und dass die Schaltanordnung (10–14) dazu ausgelegt ist, – im ersten Zustand den dritten Anschluss (5.1) mit dem dritten Knoten (9) und den vierten Anschluss (6.1) mit dem zweiten Knoten (8) zu verbinden; und – im zweiten Schaltzustand den dritten Anschluss (5.1) mit der Messelektrode (2) und den vierten Anschluss (6.1) mit dem ersten Knoten (7) zu verbinden.
Kapazitiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gegenelektrode durch Masse gebildet ist und wobei die Wechselspannung (V₁) der Wechselspannungsquelle (3) an die Messelektrode angelegt wird.
Kapazitiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gegenelektrode eine Sendeantennenelektrode zum Ausgeben eines elektrischen Wechselfeldes als Reaktion auf ein an die Gegenelektrode angelegtes Wechselsignal von der Wechselspannungsquelle ist, und wobei die Wechselspannung (V₁) in der Messelektrode dadurch induziert wird, dass das elektrische Wechselfeld in die Messelektrode koppelt.
Verfahren zum kapazitiven Messen mit einer Messelektrode (2), die kapazitiv an eine Gegenelektrode gekoppelt ist, um eine zu messende Kapazität (C_X) zu bilden, einer kapazitiven ersten Übertragungsvorrichtung (4) und einer Messschaltung (20), wobei das Verfahren umfasst: – wirksames Koppeln einer Wechselspannung (V₁) an die Messelektrode; – abwechselnd – in einem ersten Schaltzustand Verbinden der ersten Übertragungsvorrichtung (4) mit der Messelektrode (2), um eine Ladungsübertragung von der Messelektrode (2) an die erste Übertragungsvorrichtung (4) zu ermöglichen; und – in einem zweiten Schaltzustand Verbinden der ersten Übertragungsvorrichtung (4) mit der Messschaltung (20), um eine Ladungsübertragung von der ersten Übertragungsvorrichtung (4) an die Messschaltung (20) zu ermöglichen; und – Messen der Kapazität (C_X) der Messelektrode (2) durch die Messschaltung (20).