Title:
Vorrichtung und Verfahren zur kapazitiven Abbildung unter Verwendung von Zeilen- und Spaltenelektroden
Kind Code:
A1
Abstract:

Verfahren oder Vorrichtung zur kapazitiven Abbildung unter Verwendung einer Anordnung aus Zeilenelektroden 101 und Spaltenelektroden 102 auf einem Substrat, wobei die Kreuzkapazität zwischen Zeilen- und Spaltenelektroden anhand der Eigenkapazität der Zeilenelektrode 101 erhalten wird, die gemessen wird, während die übrigen Elektroden geerdet sind, anhand der Eigenkapazität der Spaltenelektroden 102, die gemessen wird, während die übrigen Elektroden geerdet sind, und anhand einer kombinierten Eigenkapazität der Zeilen- und Spaltenelektroden, die gemessen wird, während die übrigen Elektroden geerdet sind. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist ein Hand-Wandscanner zum Ermitteln von versteckten Merkmalen, der ein zweidimensionales Display in der Größe der Anordnung aufweist, welches darüber angeordnet ist. Versteckte Merkmale, welche die Zeile-zu-Spalte-Kreuzkapazitäten beeinflussen, werden somit in ihrer echten Größe und an ihrer echten Position abgebildet.



Inventors:
Meyer, Hans Ulrich (Morges, CH)
Application Number:
DE102017203994A
Publication Date:
09/14/2017
Filing Date:
03/10/2017
Assignee:
Advanced Sensor Technology Limited (Tortola, VG)
International Classes:
Foreign References:
76636072010-02-16
86540982014-02-18
84769122013-07-02
91039292015-08-11
Attorney, Agent or Firm:
Grünecker Patent- und Rechtsanwälte PartG mbB, 80802, München, DE
Claims:
1. Verfahren zur kapazitiven Abbildung unter Verwendung einer Anordnung aus Zeilenelektroden und Spaltenelektroden, wobei die Kreuzkapazität zwischen Zeilen und Spalten anhand der Zeilenelektroden-Eigenkapazität, der Spaltenelektroden-Eigenkapazität und der kombinierten Zeilen- und Spaltenelektroden-Eigenkapazität erhalten wird.

2. Verfahren zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 1, wobei die Kreuzkapazität zwischen einer Zeilenelektrode und einer Spaltenelektrode anhand der Eigenkapazität der Zeilenelektrode ermittelt wird, die gemessen wird, während die übrigen Elektroden geerdet oder an einer Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, anhand der Eigenkapazität der Spaltenelektrode, die gemessen wird, während die übrigen Elektroden geerdet oder an einer Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, und anhand der kombinierten Eigenkapazität der Zeilenelektrode und der Spaltenelektrode, die gemessen wird, während die Zeilenelektrode und die Spaltenelektrode verbunden sind und die übrigen Elektroden geerdet sind.

3. Verfahren zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 1, wobei die Kreuzkapazität zwischen vielfachen Zeilenelektroden und vielfachen Spaltenelektroden anhand der Eigenkapazität der vielfachen Zeilenelektroden ermittelt wird, die gemessen wird, während die vielfachen Zeilenelektroden miteinander verbunden und die übrigen Elektroden geerdet sind, anhand der Eigenkapazität der vielfachen Spaltenelektroden, die gemessen wird, während die vielfachen Spaltenelektroden miteinander verbunden und die übrigen Elektroden geerdet sind, und anhand der kombinierten Eigenkapazität, die gemessen wird, während die vielfachen Zeilenelektroden und die vielfachen Spaltenelektroden verbunden und die übrigen Elektroden geerdet sind.

4. Verfahren zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 1, wobei die Zeile-zu-Spalte-Kreuzkapazität durch Addieren der Eigenkapazität der Zeilenelektrode zu der Eigenkapazität der Spaltenelektrode und durch Subtrahieren der Eigenkapazität der kombinierten Zeilen- und Spaltenelektrode erhalten wird.

5. Verfahren zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 1, wobei die Kreuzkapazitäten, die nach dem Einschalten oder zu einem anderen geeigneten Zeitpunkt erhalten werden, in einem Speicher aufgezeichnet werden, so dass sie als Abweichung von den Kreuzkapazitätswerten abgezogen werden, die später erhalten werden.

6. Verfahren zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 1, wobei die Messungen der Eigenkapazität der Zeilenelektrode, der kombinierten Zeilen- und Spalten-Eigenkapazität und der Spalten-Eigenkapazität in schneller Abfolge erfolgen.

7. Vorrichtung zur kapazitiven Abbildung unter Verwendung einer Anordnung aus Zeilenelektroden und Spaltenelektroden, wobei die Kreuzkapazität zwischen Zeilen und Spalten anhand der Zeilenelektroden-Eigenkapazität, der Spaltenelektroden-Eigenkapazität und der kombinierten Zeilen- und Spaltenelektroden-Eigenkapazität erhalten wird.

8. Vorrichtung zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 7, wobei die Kreuzkapazität zwischen einer Zeilenelektrode und einer Spaltenelektrode anhand der Eigenkapazität der Zeilenelektrode ermittelt wird, die gemessen wird, während die übrigen Elektroden geerdet oder an einer Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, anhand der Eigenkapazität der Spaltenelektrode, die gemessen wird, während die übrigen Elektroden geerdet oder an einer Wechselspannungsquelle angeschlossen sind, und anhand der kombinierten Eigenkapazität der Zeilenelektrode und der Spaltenelektrode, die gemessen wird, während die Zeilenelektrode und die Spaltenelektrode verbunden sind und die übrigen Elektroden geerdet sind.

9. Vorrichtung zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 7, wobei die Kreuzkapazität zwischen vielfachen Zeilenelektroden und vielfachen Spaltenelektroden anhand der Eigenkapazität der vielfachen Zeilenelektroden ermittelt wird, die gemessen wird, während die vielfachen Zeilenelektroden miteinander verbunden und die übrigen Elektroden geerdet sind, anhand der Eigenkapazität der vielfachen Spaltenelektroden, die gemessen wird, während die vielfachen Spaltenelektroden miteinander verbunden und die übrigen Elektroden geerdet sind, und anhand der kombinierten Eigenkapazität, die gemessen wird, während die vielfachen Zeilenelektroden und die vielfachen Spaltenelektroden verbunden und die übrigen Elektroden geerdet sind.

10. Vorrichtung zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 7, wobei die Zeile-zu-Spalte-Kreuzkapazität durch Addieren der Eigenkapazität der Zeilenelektrode zu der Eigenkapazität der Spaltenelektrode und durch Subtrahieren der Eigenkapazität der kombinierten Zeilen- und Spaltenelektrode erhalten wird.

11. Vorrichtung zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 7, wobei die Kreuzkapazitäten, die nach dem Einschalten oder zu einem anderen geeigneten Zeitpunkt erhalten werden, in einem Speicher aufgezeichnet werden, so dass sie als Abweichung von den Kreuzkapazitätswerten abgezogen werden, die später erhalten werden.

12. Vorrichtung zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 7, wobei die Messungen der Eigenkapazität der Zeilenelektrode, der kombinierten Zeilen- und Spalten-Eigenkapazität und der Spalten-Eigenkapazität in schneller Abfolge erfolgen.

13. Vorrichtung zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 7, wobei sich die Zeilenelektroden des Ausführungsbeispiels auf einer Seite eines isolierenden Substrats befinden und die Spaltenelektroden auf der anderen.

14. Vorrichtung zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 7, wobei eine Anzeige von etwa derselben Größe wie die Anordnung aus Zeilen- und Spaltenelektroden die Anordnung abdeckt.

15. Vorrichtung zur kapazitiven Abbildung nach Anspruch 7, die dazu aktiviert ist, Daten an eine andere Vorrichtung wie beispielsweise ein Smartphone, ein Tablet oder einen Laptop zu senden.

Description:
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kapazitiven Abbildung unter Verwendung einer Anordnung aus Zeilen- und Spaltenelektroden, um Merkmale in der Nähe zu lokalisieren, wie beispielsweise Finger auf einem Trackpad oder einer Multi-Touch-Ausführung, oder Balken, Rohre und Leitungen in einem Detektor für versteckte Gegenstände oder einem Balkensucher.

Hintergrund der Erfindung

Kapazitive Abbildungsvorrichtungen unter Verwendung einer Anordnung aus M Zeilenelektroden und N Spaltenelektroden stehen in Konkurrenz zu Geräten, die ein Gitter aus M auf N Elektroden verwenden, die durch M mal N Verbindungsleitungen mit einer Verarbeitungsschaltung verbunden sind, oder durch einen Minimum aus M mal N aktiven Elementen, wie beispielsweise Feldeffekttransistoren. Eine Anordnung aus M Zeilen- und N Spaltenelektronen kann dabei auf einem beliebigen Substrat implementiert werden und benötigt lediglich M plus N Verbindungen zum Abtasten der M mal N Zeilen-zu-Spalten-Gegenkapazitäten oder Kreuzkapazitäten, die sich in der Nähe von Zeilen-zu-Spalten-Kreuzungen konzentrieren.

Kapazitive Abbildungsvorrichtungen unter Verwendung einer Anordnung aus Zeilen- und Spaltenelektroden im Stand der Technik erfassen Kreuzkapazitäten mithilfe eines Elektrodensatzes (Zeilen oder Spalten), der als Treiber fungiert, welcher mit dem anderen Elektrodensatz verbunden ist, der als Aufnehmer fungiert, wie in der Patentschrift US 7663607 (Hotelling et al.) insbesondere in 9 und dem zugehörigen Text offenbart. Damit die Messung durch die kapazitive Ladung der Aufnehmerelektrode nicht beeinträchtigt wird, kann ein Ladungsverstärker (ein Funktionsverstärker mit einer kapazitiven Rückkopplung vom Ausgang zum invertierenden Eingang) zwischengeschaltet werden, wie in 13 und dem zugehörigen Text offenbart.

Allerdings findet die Kreuzkapazitätskopplung von einer Steuerelektrode zu einer Aufnehmerelektrode nur in der Nähe von deren Kreuzung statt, wogegen Störsignale von Spannungsquellen wie beispielsweise Wechselstromleitungen mit einem wesentlichen Teil der Aufnehmerleitung gekoppelt sein können, die den Messungen Rauschen hinzufügen.

Wie in einem Ausführungsbeispiel der Patentschrift US 8,654,098 (Ningrat) erläutert, wird eine Messung der Eigenkapazität der Spaltenelektroden mit der zuvor erwähnten Zeilen-zu-Spalten-Kreuzkapazitätsmessung kombiniert, und beide Datensätze werden kombiniert, um den Effekt des Rauschens zu reduzieren. Dieser komplexere Ansatz funktioniert jedoch nur für die Berührungsermittlung.

Bei Detektoren versteckter Gegenstände wird das kapazitive Bild für den Benutzer am besten durch eine Anzeige direkt über oder in der Nähe der kapazitiven Elektrodenanordnung angezeigt. Die beiden nächsten Patente werden hier nur aufgrund ihrer kapazitiven Abbildungsanordnung erwähnt, wobei keine davon Zeilen- und Spaltenelektroden offenbart. In der Patentschrift US 8,476,912 (Dorrough) ist ein Balkensensor mit einer linearen Anordnung aus Elektroden offenbart, die von einer linearen Anordnung aus LEDs überdeckt wird, wodurch der Benutzer die Balken entlang der Leitung „sehen” kann.

In der Patentschrift US 9,103,929 (Krapf et al.) ist eine planare Anordnung aus einzeln ansteuerbaren Elektroden oder Pixeln offenbart, die von einer linearen Anordnung aus Anzeigepunkten überdeckt wird, wodurch der Benutzer die versteckten Gegenstände „sehen” zu kann. Abbildungs- und Anzeigeanordnungen mit ähnlichen Größen schaffen die Illusion eines „Fensters”, durch das die versteckten Gegenstände „gesehen” werden können, so dass die Benutzer versteckte Gegenstände leichter identifizieren können.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, Nachteile bei Vorrichtungen und Verfahren zur kapazitiven Abbildung unter Verwendung einer Anordnung aus Zeilen- und Spaltenelektroden im Stand der Technik zu überwinden.

Folglich ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kapazitiven Abbildung unter Verwendung einer Anordnung aus Zeilenelektroden und Spaltenelektroden vorgesehen, wobei die Kreuzkapazität zwischen Zeilen und Spalten anhand der Zeilenelektroden-Eigenkapazität, der Spaltenelektroden-Eigenkapazität und der kombinierten Zeilen- und Spaltenelektroden-Eigenkapazität erhalten wird.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Kreuzkapazität zwischen einer Zeilenelektrode und einer Spaltenelektrode anhand der Eigenkapazität der Zeilenelektrode ermittelt, die gemessen wird, während die übrigen Elektroden geerdet sind, anhand der Eigenkapazität der Spaltenelektrode, die gemessen wird, während die übrigen Elektroden geerdet sind, und anhand der kombinierten Eigenkapazität der Zeilenelektrode und der Spaltenelektrode, die gemessen wird, während die Zeilenelektrode und die Spaltenelektrode verbunden sind und die übrigen Elektroden geerdet sind.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Kreuzkapazität zwischen vielfachen Zeilenelektroden und vielfachen Spaltenelektroden anhand der Eigenkapazität der vielfachen Zeilenelektroden ermittelt, die gemessen wird, während die vielfachen Zeilenelektroden miteinander verbunden und die übrigen Elektroden geerdet sind, anhand der Eigenkapazität der vielfachen Spaltenelektroden, die gemessen wird, während die vielfachen Spaltenelektroden miteinander verbunden und die übrigen Elektroden geerdet sind, und anhand der kombinierten Eigenkapazität, die gemessen wird, während die vielfachen Zeilenelektroden und die vielfachen Spaltenelektroden verbunden und die übrigen Elektroden geerdet sind.

Vorzugsweise wird die Zeile-zu-Spalte-Kreuzkapazität durch Addieren der Eigenkapazität der Zeilenelektrode zu der Eigenkapazität der Spaltenelektrode und durch Subtrahieren der Eigenkapazität der kombinierten Zeilen- und Spaltenelektrode erhalten.

Vorzugsweise werden die Kreuzkapazitäten, die nach dem Einschalten oder zu einen anderen geeigneten Zeitpunkt erhalten werden, in einem Speicher aufgezeichnet, so dass sie als Abweichung von den Kreuzkapazitätswerten abgezogen werden können, die später erhalten werden.

Vorzugsweise erfolgen die Messungen der Eigenkapazität der Zeilenelektrode, der kombinierten Zeilen- und Spalten-Eigenkapazität und der Spalten-Eigenkapazität in schneller Abfolge.

Optional sind die Zeilen und Spalten so geformt, dass sie an ihren Kreuzungen schmaler und dazwischen breiter sind.

In vorteilhafter Weise deckt ein Bildschirm die Elektroden auf der Seite ab, die den zu ermittelnden Gegenständen abgewandt ist.

Vorzugsweise ist der Bildschirm auf der Seite eines Substrats ausgebildet, die zu der Elektrodenanordnung ausgerichtet ist, wobei die Schaltung auf der Seite implementiert ist, die der Elektrodenanordnung abgewandt ist.

Die elektronische Schaltung ist zumindest teilweise auf demselben Substrat wie die Elektrodenanordnung implementiert.

Der Bildschirm kann als leitende Schicht auf demselben Substrat wie die Elektrodenanordnung integriert sein.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Detektor für versteckte Gegenstände.

Vorzugsweise weist die Anzeige, die für den Detektor für versteckte Gegenstände verwendet wird, in etwa dieselbe Größe wie seine kapazitive Abbildungsvorrichtung auf und deckt diese ab.

Vorzugsweise ist die kapazitive Abbildungsvorrichtung dazu aktiviert, Daten an eine Vorrichtung wie beispielsweise ein Smartphone, ein Tablet oder einen Laptop zu senden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1A und 1B zeigen beispielhaft äquivalente konzentrierte Kapazitätsmodelle in kapazitiven Abbildungsvorrichtungen unter Verwendung von Zeilen- und Spaltenelektroden.

2A bis 2C Zeigen im Prinzip die drei Eigenkapazitätsmessungen, die für eine Zeilen-/Spaltenelektroden-Kombination in einer Vorrichtung und einem Verfahren zur kapazitiven Abbildung gemäß der Erfindung durchgeführt werden.

3 zeigt eine Anordnung aus Zeilen- und Spaltenelektroden auf einem Substrat, wobei sich die Zeilenelektroden auf einer Seite des Substrats befinden und die Spaltenelektroden auf der anderen.

4 ist eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

5 ist eine Teildarstellung von geformten Zeilen- und Spaltenelektroden, wobei sich die Zeilenelektroden auf einer Seite des Substrats befinden und die Spaltenelektroden auf der anderen.

6A und 6B sind eine Draufsicht und ein Aufriss eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Beschreibung der Erfindung

Nachfolgend werden die elektrischen Eigenschaften von kapazitiven Abbildungsvorrichtungen unter Verwendung einer Anordnung aus Zeilen- und Spaltenelektroden dargestellt, um die Beschreibung der Erfindung besser verständlich zu machen.

1A und 1B zeigen für eine kapazitive Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung beispielhaft zwei äquivalente konzentrierte Kapazitätsmodelle einer Zeilenelektrode 101 und einer Spaltenelektrode 102, einschließlich deren Verbindungsleitungen 201 und 202 zu einer Messschaltung 200, wobei die übrigen Zeilen- und Spaltenelektroden (nicht dargestellt) geerdet sind, das heißt mit Masse oder einem gemeinsamen Potential verbunden sind.

Die Kreuzkapazität C12 zwischen der Zeilenelektrode 101 und der Spaltenelektrode 102, die der dielektrischen Konfiguration in der Nähe der Zeilen-zu-Spalten-Kreuzung unterliegt, ist die Gegenkapazität von Interesse. Es sei angemerkt, dass die Verbindungsleitungen 201, 202 und die Messschaltung 200 ebenfalls zur Kreuzkapazität C12 beitragen. Dieser Punkt wird später behandelt.

In 1A beinhaltet die Eigenkapazität C1 von der Zeilenelektrode 101 zur Masse ebenfalls die Kapazität der Leitung 201 zur Masse, und die Eigenkapazität C2 von der Spaltenelektrode 102 zur Masse beinhaltet auch die Kapazität der Leitung 202 zur Masse. Schließlich gibt es Wechselkapazitäten C13, von der Zeilenelektrode 101 zu einer externen Elektrode 300, die mit einer Rauschspannungsquelle 301 verbunden ist, und C23, von der Spaltenelektrode 102 zur externen Elektrode 300.

Da quasi statische Bedingungen vorherrschen (die kürzeste Wellenlänge von Interesse ist viel größer als die Vorrichtungsgröße), sind die Kapazitäten C1 zu Masse und C13 zur Rauschspannungsquelle 300 der Zeilenelektrode 101 elektrisch äquivalent zu einer einzigen Kapazität C10 = C1 + C13 (C10 ist in 1B dargestellt), die mit einer Rauschspannungsquelle 310 verbunden ist, und die Kapazitäten C2 und C23 der Spaltenelektrode 102 sind elektrisch äquivalent zu einer einzigen Kapazität C20 = C2 + C23 (C20 ist in 1B dargestellt), die mit einer Rauschspannungsquelle 320 verbunden ist. Die Kapazitäten C1, C2 zur Masse und C13, C23 zur Rauschspannung werden daher durch C10, C20 ersetzt, die, wie in 1B dargestellt, mit den Rauschspannungsquellen 310, 320 verbunden sind.

Zur Vereinfachung sind C10 und C20 in 2A bis 2C mit der Masse verbunden, wobei das Prinzip der Erfindung in Abwesenheit von Rauschen dargestellt wird. Auf diese Vereinfachung wird natürlich bei der Analyse des Effekts des Rauschens verzichtet.

Um wieder zu 1B zurückzukehren, sollte der Einfluss der Kapazitäten C10 und C20 in der Messung der Kreuzkapazität C12 eliminiert werden. Im Stand der Technik wird ein Steuersignal an einer Spalte oder Zeile durch die Kreuzkapazität C12 gekoppelt und von der entsprechenden Zeile oder Spalte erfasst, die durch die Kapazität C10 oder C20 geladen wird.

Gemäß der Erfindung kann die Kreuzkapazität der Zeilen- und Spaltenelektroden durch Messen von drei Eigenkapazitäten mit einer Mikroprozessorsteuerung erhalten werden, die einen Eigenkapazität-Digital-Wandler beinhaltet. 2A bis 2C zeigen das Prinzip zum Erhalten der Kreuzkapazität C12 einer Zeilenelektrode 101 und einer Spaltenelektrode 102. Die Eigenkapazitätsmessungen erfolgen an der Zeilenelektrode 101 und der Spaltenelektrode 102, während die verbleibenden Elektroden (nicht dargestellt) geerdet sind. Die Zeilenelektrode 101 und die Spaltenelektrode 102 sind jeweils über die Leitungen 201 bzw. 202 mit der Messschaltung 200 verbunden, die jede Leitung 201 und 202 entweder auf die Masse (oder ein gemeinsames Potential) oder auf den Eigenkapazität-Digital-Wandler 210 schalten kann (die Schalter sind in 2A bis 2C nicht dargestellt).

2A zeigt die Messung der Eigenkapazität der Zeilenelektrode 101, während die Spaltenelektrode 102 geerdet ist. In der Messschaltung 200 ist die Leitung 201 und damit die Zeilenelektrode 101 auf den Eigenkapazität-Digital-Wandler 210 geschaltet, und die Leitung 202 und damit die Spaltenelektrode 102 ist auf die Masse geschaltet: der Eigenkapazität-Digital-Wandler ermittelt die Kapazität C10 der Zeilenelektrode 101 plus die Kreuzkapazität C12 zur geerdeten Spaltenelektrode 102, und bringt die erfasste Eigenkapazität zu C10 + C12.

2B zeigt die Messung der Eigenkapazität der Spaltenelektrode 102, während die Zeilenelektrode 101 geerdet ist. In der Messschaltung 200 ist die Leitung 202 und damit die Spaltenelektrode 102 auf den Eigenkapazität-Digital-Wandler 210 geschaltet, und die Leitung 201 und damit die Zeilenelektrode 101 ist auf Masse geschaltet. Der Eigenkapazität-Digital-Wandler ermittelt also die Kapazität C20 der Spaltenelektrode 102 plus die Kreuzkapazität C12 zur geerdeten Zeilenelektrode 101 und bringt damit die ermittelte Eigenkapazität zu C20 + C12.

2C zeigt die Messung der Eigenkapazität der miteinander verbundenen Zeilenelektrode 101 und Spaltenelektrode 102. In der Messschaltung 200 sind die Leitung 201 und damit die Zeilenelektrode 101 und die Leitung 202 und damit die Spaltenelektrode 102 gemeinsam auf den Eigenkapazität-Digital-Wandler 210 geschaltet. Der Eigenkapazität-Digital-Wandler 200 ermittelt daher beide Kapazitäten C10 und C21, jedoch nicht die Kreuzkapazität C12, deren Anschlüsse auf derselben Spannung stehen, so dass die ermittelte Eigenkapazität nur C10 + C20 ist.

Durch Addieren der zwei ersteren Eigenkapazitäten und durch Subtrahieren der letzteren bekommt man Folgendes: (C10 + C12) + (C20 + C12) – (C10 + C20) = 2C12.

Im Ergebnis bleibt nur die Kreuzkapazität C12, da sich die Kapazitäten C10 und C20 der Zeilen- und Spaltenelektroden 101 und 102 (einschließlich der Leitungen 201 und 202) auslöschen und keine Rolle mehr spielen, vorausgesetzt, ihre Summe bleibt im Eingangsbereich des Wandlers. Dadurch wird das Layout der Zeilen- und Spaltenelektroden sowie deren Verbindungsleitungen einfacher, da lediglich die Zeilenelektroden-Verbindungsleitungen 201 von den Spaltenelektroden-Verbindungsleitungen 202 abgeschirmt werden müssen oder diese zumindest auseinander gehalten werden müssen, um den Eintrag von parasitärer Kreuzkapazität von außerhalb der Anordnung von Zeilen- und Spaltenelektroden in die Kreuzkapazität C12 zu minimieren.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die erforderliche Schaltung mit einer kostengünstigen Mikroprozessorsteuerung wie der Mikroprozessorsteuerungsfamilie C8051F97x von Silicon Labs implementiert werden kann, die schnelle und akkurate Eigenkapazität-Digial-Wandler beinhaltet, deren Eingang auf ein oder mehrere Sensorkissen der Mikroprozessorsteuerung geschaltet werden kann, während nicht ausgewählte Sensorkissen geerdet sind.

Die Reichweite oder der Abstand der Anordnung, bei der dielektrische oder leitende Gegenstände erfasst werden können, liegt in der Größenordnung der Teilung einer Zeile oder Spalte. Die Elektroden 101 und 102 auf beiden Seiten des Substrats 100 sind, wie in 3 transparent dargestellt, für Toleranz gegenüber Fehlausrichtungen auf beiden Seiten in der Regel gerade, doch kann die Reichweite, wie im Stand der Technik bekannt, durch dichteres Anordnen der Elektroden nahe Kreuzungen und durch einen größeren Abstand in den Abschnitten dazwischen verbessert werden; dies wird weiter unten noch weiter erläutert.

Eine weitere Möglichkeit, die Abtastreichweite ohne signifikante Verschlechterung in der Auflösung zu verbessern, besteht darin, Zeilenelektroden miteinander zu verbinden und Spaltenelektroden miteinander zu verbinden, so dass sie elektrisch breitere Zeilen und Spalten bilden, wobei beispielsweise die Zeilen eins und zwei miteinander und dann die Zeilen zwei und drei miteinander verbunden werden. Der Wechsel von einer solchen kombinierten Zeile zur nächsten ist derselbe wie bei einzelnen Zeilenelektroden, so dass die Auflösung nur marginal beeinträchtigt wird. Dieses Schema ist nicht auf benachbarte Zeilen beschränkt: so können beispielsweise die erste und dritte Zeile miteinander verbunden und die zweite Reihe ausgelassen werden (auf Masse geschaltet), und dann die zweite und vierte Zeile verbunden und die dritte Zeile ausgelassen werden, und so weiter.

Das Messverfahren gemäß der Erfindung, das in 2A bis 2C für einzelne Zeilenelektroden und einzelne Spaltenelektroden dargestellt ist, gilt auch für vielfache Zeilenelektroden und vielfache Spaltenelektroden, wobei vielfache Zeilenelektroden die einzelnen Zeilenelektroden ersetzen und vielfache Spaltenelektroden die einzelnen Spaltenelektroden ersetzen. Im Einzelnen werden folgende Eigenkapazitäten gemessen: die Eigenkapazität der vielfachen Zeilenelektroden, die auf den Eigenkapazität-Digital-Wandler geschaltet werden, wobei die übrigen Elektroden geerdet sind, die Eigenkapazität der vielfachen Spaltenelektroden, die auf den Eigenkapazität-Digital-Wandler geschaltet werden, wobei die übrigen Elektroden geerdet sind, und die Eigenkapazität aller Kombinationen aus einer vielfachen Zeilenelektrode und einer vielfachen Spaltenelektrode, die gemeinsam auf den Eigenkapazität-Digital-Wandler geschaltet werden, wobei die verbleibenden Elektroden geerdet sind.

Die Messung mit entweder einzelnen Elektroden oder mit Elektroden, die durch vielfache miteinander verbundene Elektroden gebildet werden, in ein und demselben Ausführungsbeispiel erhöht die Chance, feine dielektrische Merkmale oder Inhomogenitäten im Nahbereich mit einzelnen Elektroden oder auch entferntere aber größere Merkmale mit vielfachen Elektroden zu ermitteln, was eine bessere Tiefenwahrnehmung ermöglicht.

Da sich alle anderen Kapazitäten als die Kreuzkapazität C12 auslöschen, werden die Abbildungsgenauigkeit und die Stabilität maximiert. Trotzdem sind jedoch, wie bereits angemerkt, die Kreuzkapazitäten C12 nicht auf die Kreuzungsbereiche der Elektroden beschränkt, da auch die Verbindungsleitungen 201, 202 und die Messschaltung 200 dazu beitragen. Durch Layout und Abschirmung kann deren Beitrag verringert, jedoch nicht eliminiert werden. Da der Einfluss von Gegenständen, insbesondere von entfernten, auf die Kreuzkapazität ziemlich klein ist, kann es erforderlich sein, den Eintrag in die Kreuzkapazität C12 aus den Verbindungsleitungen 201, 202 und aus der Messschaltung 200 zu kompensieren.

Dies kann durch eine Kalibrierung erfolgen, während derer die Kreuzkapazitäten in der Abwesenheit von Gegenständen nahe den Zeilen- und Spaltenelektroden erhalten und im Speicher als Abweichungen aufgezeichnet werden. Nach der Kalibrierung wird jede erhaltene Kreuzkapazität mit der gespeicherten Abweichung korrigiert, die zuvor an derselben Position erhalten wurde, so dass kurz nach der Kalibrierung alle korrigierten Kreuzkapazitäten um ungefähr null bleiben, bis ein dielektrisches Merkmal in der Nähe erscheint. Wenn diese parasitären Kreuzkapazitäten konstant bleiben, muss die Kalibrierung nur einmal im Werk durchgeführt werden. Wenn sie mit der Zeit abweichen, kann die Kalibrierung bei jedem Einschalten erfolgen.

In vielen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Kopplung von Rauschspannungsquellen ein größeres Problem, insbesondere von 50/60 Hz-Stromleitungen, entweder direkt, wie in Detektoren für versteckte Gegenstände, oder indirekt, durch andere leitende Körper oder Extremitäten, wie Finger von einer elektrisch nicht geerdeten Person auf einem Berührungsdetektor oder Trackpad; oder von einer nicht geerdeten Person, die das Gerät hält. Durch einen Blick zurück auf 1B wird deutlich, dass die äquivalenten Zeilen- und Spalten-Rauschspannungsquellen 310 und 120 durch die Kapazitäten C10 und C20 viel stärker gekoppelt werden als die Kreuzkapazität C12, von der nur ein Bruchteil durch Gegenstände in der Nähe betroffen ist.

Wenn allerdings die drei Eigenkapazitätsmessungen in 2A bis 2C mit nur einer kurzen Verzögerung aufeinanderfolgen, weichen die tieferen Rauschfrequenzkomponenten von einer Messung zur nächsten nicht stark ab: da die Kapazitäten C10 und C20 gleich sind und die Rauschspannungsquelle oder zumindest deren Niederfrequenzkomponenten um 50/60 Hz fast gleich sind, wird die Subtraktion von zwei Messungen in schneller Abfolge das Rauschen unterdrücken. Daher muss der Eigenkapazität-Digital-Wandler schnell genug sein: in den genannten Mikroprozessorsteuerungen von Silicon Labs liegt die Mindestumwandlungszeit, welche die Verzögerung zwischen den Abfragewerten vorgibt, in der Größenordnung von 30 Mikrosekunden. Dass der Kehrwert (tau) der Kreisfrequenz (omega) einer 50/60 Hz-Spannungsquelle etwa 3 Millisekunden beträgt, bedeutet, dass aufeinanderfolgende Rauschspannungs-Abfragewerte nur um 1% (30 Mikrosekunden geteilt durch 3 Millisekunden) abweichen, so dass der Effekt des 50/60 Hz-Spannungsrauschens in diesem Fall auf ein Prozent abgeschwächt wird.

Ein weiterer Bonus von Eigenkapazitätsmessungen, die in schneller Abfolge durchgeführt werden, ist die Fähigkeit zum Ausgleich der bewegungsalternierenden Kapazitäten C10 und C20 von einer Eigenkapazitätsmessung zur nächsten, denn je länger die Verzögerung, desto geringer werden sie ausgelöscht. Kurze Verzögerungen zwischen den Messungen sind daher wichtig, um die Auswirkungen der Bewegung ebenfalls zu reduzieren.

Dabei kann es vorteilhaft sein, Rauschspannungsquellen in einem anderen Betriebsmodus, nicht gemäß der Erfindung, jedoch in derselben Schaltung zu ermitteln (anstatt sie zu unterdrücken). Dies kann beispielsweise durch zweimaliges Messen der Eigenkapazität einer Zeile oder Spalte in einem Intervall von optimalerweise einer halben Periode der Frequenz von Interesse erfolgen, beispielsweise 8 bis 10 ms für 50/60 Hz, und durch Subtrahieren einer Messung von der anderen, so dass die Eigenkapazitäten ausgelöscht werden, aber Signale, die aus den entgegengesetzten Spannungsabweichungen der beiden Messungen gekoppelt sind, aufaddiert werden. Die Positionsgenauigkeit ist auf ganze Zeilen oder Spalten beschränkt, da in diesem Fall nur Schwankungen der Zeilen- oder Spalten-Eigenkapazität zuverlässig gemessen werden können, jedoch nicht die Schwankungen der Zeile-zu-Spalte-Kreuzkapazität. Die Positionsgenauigkeit kann jedoch durch Überprüfen verbessert werden, welche Spalten und Zeilen das stärkste Differenzsignal aufnehmen, und/oder durch Korrelieren mit den Kreuzkapazitätsdaten, die in einem Betriebsmodus gemäß der Erfindung erhalten werden.

3 zeigt eine Zeilen- und Spaltenelektrode auf einem Substrat, beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte, eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Zur besseren Sichtbarkeit ist das üblicherweise opake Substrat 100 transparent dargestellt. Auf der einen Seite davon befinden sich Zeilenelektroden 101 mit konstanter Breite und auf der anderen Seite Spaltenelektroden 102 mit konstanter Breite. Die Elektroden 101 und 102 könnten auch andere Formen aufweisen, wie beispielsweise schmaler an den Kreuzungen und breiter dazwischen. Wie weiter unten erläutert wird, kann dadurch die Ermittlungsreichweite verbessert werden, doch minimieren bei engen Zeilen- und Spaltenabständen konstant breite Elektroden den nachteiligen Effekt der Überlagerungsverschiebung oder des Versatzes der beiden Seiten des Substrats.

Das Substrat kann dick genug sein, um die Zeile-zu-Spalte-Kreuzkapazität zu minimieren, jedoch nicht so dick, um die Eigenkapazitäten C10 und C20 der Zeilen- und Spaltenelektroden über das Dielektrikum des Substrats zu den geerdeten benachbarten Zeilen- und Spaltenelektroden so stark zu erhöhen, dass der Eingangsbereich des Eigenkapazität-Digital-Wandlers überschritten wird. Es sei angemerkt, dass sich die Zeilen- und Spaltenelektroden 101 und 102 ausreichend weit von den Kreuzungen weg erstrecken, um einigermaßen uniforme elektrische Feldbedingungen für jede einzelne Kreuzung zu bieten. Sie erstrecken sich ein klein wenig weiter hinaus, wenn sie mit den Verbindungsleitungen 201 und 202 verbunden sind, um den unerwünschten Eintrag der Leitungen in die Messung zu minimieren. Aus demselben Grund sollten die Verbindungsleitungen 201 und 202 so dünn wie möglich sein. Es sei angemerkt, dass nur das Ende der Verbindungsleitungen 201, 202 in 3 dargestellt ist, das heißt die Stelle, an der sie mit den Elektroden 101, 102 in Kontakt stehen.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, umfassend das Substrat 100 mit Zeilenelektroden 101 auf einer Seite und Spaltenelektroden 102 auf der anderen, und ein zweites Substrat 120, das im Wesentlichen parallel zu dem Substrat 100 ist. Das Substrat 120 weist einen Bildschirm 110 auf der Seite auf, die zu dem Substrat 100 und der Messschaltung 200 ausgerichtet ist, wobei sich der Eigenkapazität-Digital-Wandler 210 auf der Seite befindet, die von der Schaltung 100 weg weist. Die Verbindungsleitungen 201 (zu sehen ist nur die nächste Leitung, da die anderen dahinter verborgen sind) verbinden die Zeilenelektroden 101 (auch hier ist nur die nächste zu sehen) mit der Schaltung 200, und die Verbindungsleitungen 202 verbinden die Zeilenelektroden 101 mit der Messschaltung 200. In 4 sind nur Teile dargestellt, die zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels notwendig sind: so sind beispielsweise mechanische Mittel zum Zusammenhalten der Schaltungen 100 und 120 nicht dargestellt.

Da das Substrat 100 mit Zeilen- und Spaltenelektroden inhärent auf beiden Seiten empfindlich für dielektrische Merkmale ist, sollte die Seite, die dem Dielektrikum oder den leitenden Merkmalen abgewandt ist, zu einem dielektrisch leeren oder zumindest homogenen Raum weisen. Dies ist unpraktisch, da selbst entfernte Gegenstände trotzdem Störungen verursachen können. Der Bildschirm 110 bietet Abhilfe dafür, indem er das Substrat 100 gegenüber externen Gegenständen und Schaltungen abschirmt, insbesondere die Messschaltung 200 und Teile der Verbindungsleitungen 201 und 202. Der Bildschirm 110 sollte die Anordnung abdecken und minimal überlappen, um bei allen Kreuzkapazitäten uniforme elektrische Feldbedingungen zu bieten.

Einige oder alle elektrische/elektronische Schaltungen können außerdem auf dem Substrat der Anordnung implementiert werden, um parasitäre Kapazitäten zu minimieren. Natürlich sollte eine unbeabsichtigte Kopplung zwischen der Schaltung und den Zeilen- und Spaltenelektroden der Anordnung so gering wie möglich gehalten werden, indem sie ausreichend auseinandergehalten und/oder voneinander abgeschirmt werden.

Um Kosten zu sparen und die Größe eines Ausführungsbeispiels zu reduzieren, bei dem die Schaltung auf einem Substrat implementiert ist, kann der Bildschirm 110 auf dem Substrat 100 auf der Seite integriert sein, die dem Dielektrikum oder den leitenden Merkmalen abgewandt ist, was jedoch um den Preis von erhöhten Eigenkapazitäten der Zeilen- und Spaltenelektroden erfolgt.

Die Form der Zeilen- und Spaltenelektroden trägt ebenfalls zur Ermittlungsqualität bei: konstant breite Elektroden ermitteln primär dielektrische Inhomogenitäten in der Nähe der Kreuzungen, wo die Kreuzkapazität am stärksten konzentriert ist. Schwächere Signale von entfernten Merkmalen sind daher schwerer zu ermitteln. Dies ist ein großes Problem bei der Abbildung versteckter Gegenstände, insbesondere bei Wandscannern oder Balkensensoren, bei denen entfernte Merkmale wie Rohre, Balken oder elektrische Leitungen anstatt die Rauigkeit der Wandoberfläche oder winzige dielektrische Inhomogenitäten ermittelt werden sollten.

In 5 ist ein Teil einer Anordnung dargestellt, bei der die Zeilen und Spalten für eine bessere Ermittlung entfernter Gegenstände geformt sind. Die Zeilen 101 bestehen aus Bereichen 501, die durch schmale Leiter 511 angeschlossen sind, und die Spalten 102 bestehen aus einer Reihe von Bereichen 502, die durch schmale Leiter 512 verbunden sind. Die Bereiche 501, 502 sind, wie dargestellt, vorzugsweise rund oder rhombenförmig (diamantförmig), können jedoch auch jede beliebige andere geeignete Form aufweisen. Die Bereiche 501, 502 können optimalerweise auf einer Seite des Substrats oder zur einfacheren Verdrahtung auf beiden Seiten davon angeordnet sein, wie in 5 dargestellt, wobei sich die Zeilen 101 auf einer Seite eines ausreichend dünnen Substrats befinden, und die Spalten 102 auf der anderen, so dass die Anzahl der erforderlichen Durchkontaktierungen stark reduziert wird.

Die Verbesserung bei der Ermittlung entfernter Merkmale besteht in der stark reduzierten Gegenkapazität zwischen den Zeilen 101 und den Spalten 102, insbesondere in der unmittelbaren Nähe der Kreuzungen. Dies führt zu einer reduzierten Sensibilität gegenüber Inhomogenitäten in der unmittelbaren Nähe von Kreuzungen, wogegen die Sensibilität gegenüber entfernten Merkmalen in etwa gleich wie die bei konstant breiten Elektroden bleibt.

Somit können entfernte Merkmale einfacher ermittelt werden und die reduzierte Sensibilität gegenüber Dielektrika nahe den Elektroden senkt die Auswirkungen einer variierenden Lücke auf Gegenkapazitätsmessungen. So müssen beispielsweise die meisten Balkensensoren auf einem dielektrisch homogenen Bereich der zu untersuchenden Wand neu kalibriert werden, wobei das Risiko besteht, die Neukalibrierung aus Versehen beispielsweise auf einem inhomogenen Bereich durchzuführen, der einen Balken enthält. Die reduzierte Sensibilität der geformten Anordnung gegenüber Lücken und der durchschnittlichen Dielektrizitätskonstante der Wand macht die erforderlichen Neukalibrierungen weniger häufig oder sogar unnötig. Und häufig kann eine einfache konstante Verschiebung aller aktuellen Kalibrierungsausgleichswerte eine Neukalibrierung in vorteilhafter Weise ersetzen.

6A und 6B sind eine Draufsicht und ein Aufriss einer bevorzugten Vorrichtung, in der die Erfindung ausgeführt ist, eines Handdetektors für hinter einer Wand versteckte Gegenstände, wie beispielsweise eines Balkensensors. 6A zeigt das Ausführungsbeispiel 400, das die Wand 600 mit Abstandshaltern 405, vorzugsweise Rollen berührt. Seine zur Wand 600 ausgerichtete Seite weist einen Substrat 100 mit Zeilen- und Spaltenelektroden auf. 6B zeigt die Vorderseite eines Ausführungsbeispiels 400, die sich in einer Ebene im Wesentlichen parallel zum Substrat 100 befindet und ein Display 410 beinhaltet.

Die Vorrichtung 400 kann das Ausführungsbeispiel aus 4 beinhalten, oder ein beliebiges anderes geeignetes Ausführungsbeispiel, das zusätzlich das Display 410 enthält. Da die dargestellten dielektrischen Merkmale nicht unbedingt genau tatsächlichen versteckten Merkmalen entsprechen, sollte die Betrachtung so intuitiv wie möglich erfolgen. Abhilfe hierfür kann durch ein Display geschaffen werden, das ungefähr derselben Größe wie die Abmessungen eines Kreuzungsbereichs der Zeile und Spalte des Substrats 100 aufweist und ihn in einer angemessen kurzen Distanz abdeckt, so dass der Bediener die Illusion eines Fensters mit Blick in die Wand erhält, insbesondere wenn die Vorrichtung 400 entlang dieser bewegt wird. Dies erleichtert die Identifizierung versteckter Gegenstände für den Bediener, selbst wenn die Auflösung des Displays gering ist.

Eine andere Vorrichtung, welche die Erfindung ausführt, weist Mittel zum Senden von Daten an ein externes Display auf, in der Regel ein Smartphone oder einen Tablet-PC anstatt eines Displays, wodurch die Kosten signifikant gesenkt werden können. Die Illusion eines Fensters kann trotzdem durch Hinzufügen einer Möglichkeit geschaffen werden, das Smartphone oder den Tablet-PC mit der Vorrichtung zu koppeln.

Erfindungsgemäße kapazitive Abbildungsvorrichtungen sind optimal für die oben genannten Anwendungen sowie für Mehrfach-Berührungssensoren und Trackpads. Allerdings können sie auch für weniger offensichtliche Anwendungen geeignet sein, wie beispielsweise die Fingerabdruckerfassung oder die Minensuche.

Die Anordnungen von Zeilenelektroden und Spaltenelektroden können andere für die Anwendung geeignete Formen aufweisen, beispielsweise konzentrische Zeilen und radiale Spalten, oder Parallelen und Meridiane auf einer kugelförmigen Oberfläche. Zeilen und Spalten auf einer zylindrischen Oberfläche können Flüssigkeiten in Spritzen und Pumpen ermitteln.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 7663607 [0003]
  • US 8654098 [0005]
  • US 8476912 [0006]
  • US 9103929 [0007]