TWI530097B - 電容式感應器系統 - Google Patents

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Description

電容式感應器系統
本發明有關一種特別用於偵測接近物件也特別用於偵測手勢之電容式感應器系統。本發明有關一種感應器系統，其中以電場為基礎來偵測(通常是)一手部或一手指的接近及/或移動，並藉此一偵測導出資訊，而導出的資訊可用於控制切換操作或偵測一空間手勢。
目前已知有多種在可見光或紅外光區內特別用於手勢偵測的光學偵測方法。此外，電容式操作系統亦為已知；此類系統可經由一電場的傳輸或干擾而獲得必要的資訊。迄目前為止，此類系統都具有高度切換複雜性與高實施成本。此種習知系統的另一問題是，在必須使用電池供電的應用中，感應器的電力要件對其實際的適用性是一重要關鍵。此外，在某些應用中，感應器的組件成本與空間要件極為重要，並可能在大量性應用中，例如在玩具工業領域中，成為決定性的因素。
以電容式感應器系統而言，阻容(RC)低通元件的電容變化評定為已知。將正弦電壓(或稱方波信號)用作激勵信號。相對一基準信號的振幅或相位或時延則評定為該變化的信號指示器。在(振幅或相位)兩種概念中，電容變化相對一基本電容C的相對變化量ΔC/C極為重要，因為感應器的敏感度及/或感應器的最大偵測範圍是以此方式決定的。因此，若要最大敏感度，最好使用最小可能之基本電容。
本發明之目的在提供一種電容操作式感應器系統，此種系統之組件複雜性低，因此實施時只須較低成本與較低空間需求；此外，此系統亦具備低耗電的特徵，因此可使用低充電容量或長供電時間之電池來操作。
根據本發明，利用具有申請專利範圍第一項所請特徵之電路裝置，將可達成上述目的。
藉由使用多數個此種系統，可以達成二維或三維的位置偵測。亦可以設置多數個感應器電極，並使用一多工器裝置將其連續耦接於電路。此一多工器電路可用一微控制器觸發。
附屬請求項中則提供根據本發明之電路裝置的若干較佳實施例。
圖1a顯示一根據本發明之電路裝置，此電路裝置構成一個根據本發明設計之電容操作式近接感應器。藉由多次實施此電路裝置，可以將其擴展成一偵測手勢之感應器系統。
首先以較詳盡的方式解說圖1a所示電路裝置的操作模式。其中係使用由一微控制器(μC)供應的方波電壓，其頻率範圍較佳在80至120kHz之間；以一分壓器對此信號進行位準調整，使位於一場效電晶體(FET)閘極輸入端的振幅為u0；之後，由於數個在該處作用的電容感應(以C1-C5為特徵)，因而發生指數充電與放電，如圖2所示。
耦合於電路裝置(C1)的信號電極ES與接地電極EG之間的電場，以及接近此等電極之手部的耦合電容C2與C3，形成多數寄生電容。
電容C4與C5是手部及/或電路地線接地之耦合電容。首先分析在正常狀態中無接近情況(C2=C3=C4=0)時的充、放電，此時僅有C1為有源。達到某一閾值uS1為止的時程為t1。到方波信號周期歷程T的一半後，依照uE發生放電，同時，再經過一段時間t2後，復抵達一閾值uS2。
基於此原因，所以適用以下方程式：uS1=u0(1-e-t1/RC1)；uS2=u0 e-t2/RC1 (1)
如此產生以下切換時間的方程式：t1=-RC1 ln(1-uS1/u0)；t2=-RC1 ln(uS2/u0) (2)
若電容變化為△C比C1+△C，則該等閾值之時延為：△t1=-R△C ln(1-uS1/u0)及△t2=-R△C ln(1-uS2/u0) (3)
於是，全部時延為：△t=△t1+△t2=R△C[ln(u0/uS2)-ln(1-uS1/u0)] (4)
方程式4顯示閾值uS1越接近u0，且uS2與u0之比越小時，△t隨之增加。這表示選擇閾值時，閾值比較器最好有一適合的滯後作用。
若uS1=uS2，最好儘可能將閾值放在靠近u0或0，因為如此可使方程式4內的兩個條件總額相等。此外，充電電阻R越高，且電容變化△C越大時，時延會增加，因此感應器的敏感度也隨之增加。充電電阻最高可高到在方波信號一半周期T/2時，仍然可在場效電晶體之閘極輸入端達到 幾乎完全的充電與放電。
由於R應該儘可能地高，所以這個需求與閘極和接地間的有源電容C1有關鍵性的相關(請參照圖1a)。此電路裝置的基本電容包括數個寄生的個別電容。一部份是由場效電晶體之閘極-源極電容構成的，由於來自源極電阻的負回授，所以此電容對輸入端的影響下降頗多。在一試驗電路中，可達到近似0.2pF(微微法拉)的數值。
影響C1的另一因素是信號電極ES與接地電極EG之間的耦合電容。為了使這個電容最小化，可以***一所謂的屏蔽電極。屏蔽電極係與源極隨耦器之輸出端連接，因此幾乎具有與閘極相同的電勢，藉此大幅降低ES與EG的耦合。此乃場效電晶體級的另一優點。如果信號電極ES的接點位置較遙遠，亦可使用場效電晶體的源極輸出端驅動一同軸電纜之導電層，藉此降低電纜電容，此電容同樣會影響C1。
以上解說顯示，在源極隨耦器電路中使用場效電晶體作為一輸入級時具有相當的優點，此外並使組件複雜性減至最低，因此電力需求與各項成本都很低。
為了評定接近期間發生的充電與放電過程時延，所以使用一XOR(互斥或)閘，此XOR閘的輸入端係經由積體舒密特觸發器(integrated Schmitt triggers)切換的，因此，不需要任何額外的比較器作為切換閾值uS1與uS2，也因此可以消除額外的組件。時延是用一直流電表示的，將一低通濾波器連接到XOR輸出端可以獲得此直流電。對於供應電壓uB，與方程式4類似，可適用以下方程式：
u=RC1uB/T[ln(u0/uS2)-ln(1-uS1/u0)]　(5)
當使用1/T=f時，於低通輸出端產生的直流電顯然與μC供應的方波信號之頻率f成比例。由於無可避免的公差，所以例如在各閾值當中，此電壓在生產過程中可能不同，補償公差的可能性之一是經由μC修正信號頻率，以便在沒有任何接近情況發生時，經常可以獲得恆定的輸出電壓。
接近感應敏感度的重要因素之一是位於閘極輸入端的電容變化ΔC，根據方程式4，此電容變化導致低通輸出端的對應時延Δt，因此也導致成比例的電壓變化Δu~ΔC。如以上已經解說過的，此變化主要係與接近期間有源的耦合電容C2至C5相依。圖1b為圖1a所示電路裝置的等效電路圖，其中顯示這些效應。最大可能之變化是在感應器的接地線直接接地初始時達成的，因為在那之後，C2與C4的並聯電路為儘可能地大，藉此ΔC也抵達最大可能值。若接地線無任何耦合或幾乎無任何耦合(C5~0)，C2與C3(亦即身體一部份，例如一手部的耦合電容)與電極ES及EG的串接對此變化極為重要。因此，電路設計的關鍵是使C2及C3儘可能地大，C1則儘可能地小(例如用屏蔽方式)。
接地電極EG未必需要由個別的電極耦合，視應用用途而定，而是亦可以不同的耦合方式達成，諸如經由電池。如圖1a所示，根據本發明之電路裝置透過電極型式與電極架構可提供多種廣泛的應用與設計可能性。以下提供若干實例。如圖1a所示，根據本發明之電路裝置其特徵不僅在於極低的組件複雜性及低成本與低空間需求，同時也在於感應器中極低的耗電量。藉由電流流經場效電晶體的源極電阻，可以實質確保感應器之低耗電。因此，當此電阻在數千歐姆(kOhm)的範圍內時，電流可以大幅低於1毫安(mA)。此一電路裝置還有另一特殊特徵在於，感應器的操作可以脈衝模式執行而不致於產生任何明顯的瞬態問題。在使用電池供電的應用中，這經常是一必要的手段，以便確保電池放電恰在少數幾微安(μA)的範圍內，因此可適當達到較長的供電期間。在脈衝模式時，低通輸出端不再產生任何直流電，而是產生充電與放電脈衝，如圖3所示。有接近情況時，脈衝振幅增加一數值Δu，此值對應根據方程式5的永久操作。藉由適當選擇低脈衝/暫停比，可以達成低於μA的總電流(包括μC)。
以下提供二個本發明感應器裝置的應用實例。
根據圖4所示的第一實例中，當有手部接近一無線式電腦滑鼠時，根據本發明之感應器系統才會將滑鼠切換到一活動狀態，以便將電池電力限制至最小程度。為此目的，可將信號電極接設在滑鼠外殼之上殼體內側的一部份，同時用一帶狀的接地電極環繞信號電極。精確的電極設計隨個案依外殼形狀而定，其中，依照滑鼠電子裝置的設計及結合的電池供電而定，若也可以使用不同方式(例如使用電池)達到充分的手部接地耦合，也許可以免用個別的接地電子裝置。例如，應用1:1000之比的脈衝模式時，感應器系統的電池耗電可以減到1～2μA。
近接感應器的另一應用實例是使用一個四電極系統做手勢偵測，圖5詳細顯示此應用的原理。此電極系統，包括其中關聯的感應器電子裝置，仍然是體積小巧，以便可以整合到現有各種不同的裝置中，達到節省空間的效果。如此，除了前述有關電池應用實例中可以低電流操作的優點外，還可以達到實施成本低廉的優點。此應用的目的是從感應器供應的資訊，導出一手勢動作相對各電極定義之平面的x/y座標。
為此，如圖5所示系統中，係將執行手勢之手指相對系統四個電極之距離r1-r4導入系統。以此方式，在一包括x、y、z軸的空間座標系統中，若電極中心與源極間的距離為a，可得到以下四個方程式：
r1 2=(x-a)2+y2+z2　(6)
r2 2=(x+a)2+y2+z2　(7)
r3 2=x2+(y+a)2+z2　(8)
r4 2=x2+(y-a)2+z2　(9)
用方程式7減方程式6，或用方程式9減方程式8，立即可得出x/y座標的結果如下：
如方程式6至10所示，可以輕易計算出x/y座標而與z無關。為達此目的，距離r1至r4必須從四個感應器S1-S4的輸出端所出現的信號決定之。只有在感應到接近時，相對正常狀態所產生的信號差異才列入考量。這些差異信號將以e1-e4表示，而且是從前述位於各場效電晶體各自之閘極的電容變化導出的。在每一情況中，此處的決定因素都是手指到電極的耦合電容，當手指相對電極的距離增加時，手指的耦合電容隨之減少。根據以上解說，由於信號差的振幅係與電容變化成比例，所以這些數值隨著距離增加而下降。為此目的，大致根據以下方程式(11)假設一指數定律：
e(r)=e0(r0/r)α　(11)
其中之指數α實際上可為2～3，視電極配置而定。
解方程式11求r之值時，可產生：
r=r0(e0/e)1/α　(12)
使用方程式10，根據信號e1-e4，現在可以計算x、y的座標：
x=[(e0/e1)2/α-(e0/e2)2/α]r0 2/4a　(13)
y=[(e0/e3)2/α-(e0/e4)2/α]r0 2/4a　(14)
在此，常數e0、r0及a視電極各自之形式及各電極相對彼此之配置而定。
圖6顯示兩種不同的電極配置，這些電極配置可以利用短接線直接與電極耦接，以形成大小僅有幾平方公分的小巧單元，並可輕易整合到其他系統內。或者，這些電極配置也可以利用同軸電纜相距電子裝置一距離而定位。就後者而言，最好將電纜導電層接設於感應器的屏蔽輸出端(場效電晶體之源極接線)，以使位於閘極的基本電容C1保持為低。
裝置的優點
總之，以下再次強調本發明電容式近接感應器的優點：
1.使用單一場效電晶體輸入級、一XOR閘、少數電阻器及一個電容器，組件複雜性極低。至於信號產生與信號處理所必需的微控制器，若在感應器整合於其他系統內的情況時，該等系統經常已有微控制器；而且，微控制器可以同時用於必要的簡易感應器功能。
2.由於負回授之故，接設作為源極隨耦器的場效電晶體不僅供應極低的感應器自電容，同時還可額外作為屏蔽操作之輸出端，以便降低感應器的基本電容，這對敏感度極為重要。此外，此一手段提供感應器功能在高溫下的穩定性，並減少生產範圍。
3.由於有源組件數目低，所以耗電極低；使用脈衝模式時，由於裝置的瞬態效應極短，所以耗電量可減至數μA，因此可在電池供電時提供顯著的優點。
4.藉由適當選擇電極的配置，接近感應功能未必需要接地耦合。這對使用電池供電的應用而言極為重要。
5.經由頻率控制可用簡單的方式執行感應器之自我校準。由於有公差的緣故，自我校準有其必要。
6.藉由改變閘極輸入端的充電電阻，可以非常彈性地適應因不同電極尺寸而產生的不同電極電容。此外，以此方式，亦可進行相對外部干擾之最佳頻率調整。
7.透過彈性選擇最高可能的信號頻率，可以將感應器之反應時間降低至僅有數毫秒而已。
8.若在多數電極配置的情況下，諸如在一手勢偵測的感應器系統中，整個感應器可以容置在僅有數平方公分的面積上，極為節省空間。
根據本發明之電路，其中之一的特別手段是使用單一場效電晶體級與一下游EXOR閘而不需要額外的比較器，因此可用特別簡單且可達成節省電力與成本的方式實施近接感應器。此外，在此範圍內連接作為源極隨耦器的場效電晶體級，僅供應極低的輸入電容，因此允許高串聯電阻，這對敏感度極為重要，且與習知系統比較時，此電阻可更高出習知系統達50倍之多。此外，此種架構的級同時提供一屏蔽功能，利用此功能可使輸入端的基本電容於重要裝置情況時保持為低，因此消除任何相關的敏感度損失。
本發明與習知系統比較時，顯示本發明之近接感應器以阻容方法為基礎之實施方式，即使使用的組件數目較少，但可產生較大的效能。
根據本發明之概念，其特徵在於特別低的耗電量，且特別適於電池供電的各種應用中。電路裝置的有源組件數量是決定成本的主要因素，而本發明之成本及其空間要件都顯著低於習知的概念。根據本發明之電路裝置尤其利於用在有多個感應器同時操作的系統中，例如手勢應用系統中。
a．．．電極中心與源極之距離
C．．．基本電容
μC．．．微控制器
C1．．．電路裝置(基本電容)(電容器裝置)
C1-C5．．．電容
e1-e4．．．差異信號
ES．．．信號電極
EG．．．接地電極
f．．．頻率
R．．．充電電阻
r1-r4．．．與手指之距離
S1-S4．．．感應器
u0．．．FET閘極輸入端之振幅
T．．．方波信號周期
t1．．．時間
t2．．．時間
uB．．．供應電壓
uS1．．．閾值
uS2．．．閾值
uS1．．．切換閾值
uS2．．．切換閾值
本發明其他細節與特徵，可從實施方式說明參照附圖而趨於明顯。附圖包括：
圖1a為一電路圖，用以顯示根據本發明之電路裝置設計；
圖1b為一等效電路圖，用以進一步顯示當電容器裝置之電容為一接近物體的一部份時，電容器裝置相對其電容之變化；
圖2為顯示電壓上升之圖表；
圖3為顯示電壓上升之另一圖表；
圖4顯示根據本發明之電路應用於一電腦滑鼠上；
圖5顯示一包括多數偵測電極之手勢偵測系統；及
圖6包括二個圖式，用以顯示根據本發明之手勢偵測系統於實施時，使用數個彼此相當靠近設置的偵測電極。
C1-C5．．．電容
ES．．．信號電極
EG．．．接地電極
uB．．．供應電壓
μC．．．微控制器

Claims (14)

  1. 一種電路裝置，係根據一感應器電極周圍區域的介電特性變化而產生與一接近情況關聯之輸出信號，此電路裝置包括：一感應器電極，此感應器電極至少在某些區段係與一觀察區鄰接；一微控制器電路(μC)，用以輸出一交流電壓；一分壓器電路，可對微控制器(μC)輸出之交流電壓進行位準調整；一場效電晶體(FET)，具有阻抗變壓器之功能；其中，場效電晶體係整合到電路裝置中，以使分壓器電路輸出的電壓經由一電阻器同時施加到電晶體之閘極輸入端與感應器電極；其中，場效電晶體之操作有如作為該電路裝置一輸入級之源極隨耦器；及一電容器裝置，其係耦接於場效電晶體之閘極與源極之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之電路裝置，其特徵在於，由場效電晶體之閘極電容、接地之電極電容、以及與設計相關之各電容所構成之寄生電容，其作用係作為該電容器裝置以產生感應器功能。
  3. 如申請專利範圍第1項之電路裝置，其中，微控制器所供應的方波電壓，其頻率在80至120kHz的範圍內。
  4. 如申請專利範圍第1項之電路裝置，其中，該電容器裝置係在一期間t1內發生充電，直到抵達一定義的閾值uS1 為止，並在一方波信號周期T的一半後發生放電。
  5. 如申請專利範圍第4項之電路裝置，其中，其切換時間經過協調，所以適用以下方程式：t1=-RC1 ln(1-uS1/u0)；t2=-RC1 ln(uS2/u0)其中，R表示該電阻器之電阻，C1表示該電容器裝置之電容，u0係該FET在閘極輸入端的一振幅，uS2係一另一閾值，及t2係該電容器裝置之充電達到uS2的一時間。
  6. 如申請專利範圍第1項之電路裝置，其中，前述接近情況係根據一時延偵測的。
  7. 如申請專利範圍第1項之電路裝置，其中，定義充電電阻時，係使充電電阻最高可高到在方波信號一半周期T/2時，仍然可在場效電晶體之閘極輸入端達到幾乎完全的充電與放電。
  8. 如申請專利範圍第7項之電路裝置，其中設有一接地的耦合電極EG。
  9. 如申請專利範圍第8項之電路裝置，其中，該耦合電極以該感應器電極與該耦合電極間的耦合電容之形式進一步影響C1。
  10. 如申請專利範圍第9項之電路裝置，其中，前述信號電極與接地的該耦合電極間設一屏蔽電極。
  11. 如申請專利範圍第10項之電路裝置，其中，前述屏蔽電極係與一源極隨耦器之輸出端連接，因此具有與閘極幾乎相同的電勢，藉此降低該感應器電極與該耦合電極間的耦合。
  12. 如申請專利範圍第1項之電路裝置，其中，若信號電極的接點位置較遙遠，可使用場效電晶體之源極輸出端驅動一同軸電纜之導電層，藉此降低電纜電容。
  13. 如申請專利範圍第1項之電路裝置，其中，為了評定接近期間發生的充電與放電過程時延，所以使用一XOR閘，此XOR閘的輸入端係經由積體舒密特觸發器切換的。
  14. 如申請專利範圍第13項之電路裝置，其中，該時延係以一直流電表示，而該直流電係由連接於XOR輸出端之一低通過濾器產生。
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