具有差分屏蔽的電容式傳感器的制造方法
【專利說明】具有差分屏蔽的電容式傳感器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本非臨時(shí)專利申請(qǐng)請(qǐng)求于2013年11月27日提交的標(biāo)題為“DIFFERENTIAL SHIELDSENSOR DESIGN”的在先提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/909728的權(quán)益，在此通過引用以其整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體上涉及傳感器，并且更具體地，涉及電容式傳感器的設(shè)計(jì)和采樣。
【背景技術(shù)】
[0004]電容式感測是基于電容耦合的技術(shù)。電容式傳感器可以檢測電容式傳感器附近的材料特性。該材料可以是導(dǎo)電的和/或具有比其周圍不同的介電。電容性感測用在許多不同類型的傳感器中，包括檢測和測量接近度、位置或位移、濕度、流體水平和加速度。當(dāng)用于檢測電容變化的電容式傳感器變得更加精確和可靠時(shí)，電容式傳感器變得更受歡迎。例如，電容式傳感器用于許多設(shè)備中，諸如筆記本電腦的觸控板、數(shù)字音頻播放器、計(jì)算機(jī)顯示器、移動(dòng)電話、移動(dòng)設(shè)備、平板電腦等。設(shè)計(jì)工程師繼續(xù)選擇電容式傳感器，用于他們的通用性、可靠性和耐用性，并降低機(jī)械開關(guān)的成本。
[0005]電容式傳感器通常通過在單層或多層印刷電路板(PCB))、柔性電路和/或印刷導(dǎo)體提供電極而工作，其中所述電極被激發(fā)以產(chǎn)生電場。PCB上傳感器電極形成作為虛擬電容器的一個(gè)極板。虛擬電容器的另一個(gè)板由外部對(duì)象提供，例如用戶手指，或某種導(dǎo)電材料等。當(dāng)外部對(duì)象擾亂由傳感器電極產(chǎn)生的電場時(shí)，傳感器電極可以測量傳感器電極上虛擬電容器的電容變化。使用電容性測量，外部對(duì)象所造成的干擾可以被精確地檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明描述了一種差分屏蔽電容式傳感器的設(shè)計(jì)。該傳感器設(shè)計(jì)使用差分測量以測量電容，以及一對(duì)跡線用于差分拒絕傳感器跡線的反應(yīng)和平衡任何寄生電容。在一些實(shí)施例中，所述傳感器的設(shè)計(jì)包括在柔性電路上的底側(cè)上的差分傳感器設(shè)計(jì)，以差分平衡環(huán)境和抑制耦合到傳感器的噪聲。柔性電路的頂側(cè)可以包括單端設(shè)計(jì)用于適當(dāng)?shù)沫h(huán)境感測。傳感器的空間排列和尺寸可以根據(jù)應(yīng)用的不同而不同。
【附圖說明】
[0007]為了提供對(duì)本公開以及其特征和優(yōu)點(diǎn)的完整理解，可結(jié)合附圖參考下面的描述，其中，相同的附圖標(biāo)記表示類似的部件，其中:
[0008]圖1A示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，示例性差分傳感器設(shè)計(jì)的頂視圖；
[0009]圖1B示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，示例性差分傳感器設(shè)計(jì)的側(cè)視圖；
[0010]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，另一示例性差分傳感器設(shè)計(jì)的頂視圖；
[0011]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，另一示例性差分傳感器設(shè)計(jì)的頂視圖；
[0012]圖4A示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，示例性差分傳感器設(shè)計(jì)的頂視圖；
[0013]圖4B示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，示例性差分傳感器設(shè)計(jì)的側(cè)視圖；
[0014]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，用于充電和采樣的改進(jìn)電容式傳感器和電路的系統(tǒng)；和
[0015]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，采用差分采樣檢測電容式傳感器的環(huán)境的示例性方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]一些電容式傳感器相關(guān)的一些問題
[0017]基于電容式感應(yīng)的用戶界面是最近消費(fèi)電子產(chǎn)品的理想功能。從手機(jī)到媒體播放器到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，提高人機(jī)界面的趨勢正在演變。用戶觸摸引起電容變化以激活開關(guān)被很好地理解，但實(shí)現(xiàn)具有適當(dāng)?shù)钠帘魏吐酚傻腜CB傳感器設(shè)計(jì)成為硬件設(shè)計(jì)者的一個(gè)挑戰(zhàn)。
[0018]在許多情況下，電容式傳感用在受到各種噪聲源的噪音的環(huán)境下，或電極與跡線的物理設(shè)計(jì)易于受到系統(tǒng)內(nèi)的噪聲。電容響應(yīng)于手指觸摸的變化是微微法拉(picofarad)的一小部分，傳感器或傳感器跡線看到的如此微小的寄生電容降低電容式傳感器控制器的動(dòng)態(tài)范圍。此外，傳感器屏蔽不足可呈現(xiàn)創(chuàng)建嘈雜響應(yīng)的耦合路徑，降低由傳感器可實(shí)現(xiàn)的信號(hào)-噪聲比(SNR)并減小用戶界面的分辨率。
[0019]為了解決噪音問題，一些解決方案提供了一種主動(dòng)/從動(dòng)(交流)的交流屏蔽信號(hào)，即減輕寄生電容、遠(yuǎn)程傳感器連接、傳感器路由和電容式傳感器屏蔽的問題。驅(qū)動(dòng)AC屏蔽信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)在于，傳感器和傳感器跡線可以由在相位上具有傳感器激勵(lì)的信號(hào)進(jìn)行屏蔽。消除在屏蔽和傳感器/傳感器跡線之間的電勢也消除了電容。因此，為了減小寄生電容和噪聲耦合，驅(qū)動(dòng)的AC屏蔽信號(hào)能淹沒在傳感器基板，并用作沿所有傳感器跡線的保護(hù)信號(hào)。其它一些解決方案提供(虛擬)接地屏蔽以抑制在傳感器的背面上的噪聲源。在針對(duì)于解決天線狀跡線的干擾敏感性和跡線本身的不必要電容的另一些其他解決方案中，接地屏蔽可以被提供以屏蔽長傳感跡線(類似于同軸電纜)，或使用第二個(gè)電容傳感線以通過共模測量系統(tǒng)排除干擾的影響。
[0020]使用接地屏蔽件和/或驅(qū)動(dòng)AC屏蔽的解決方案往往會(huì)導(dǎo)致靈敏度的降低。接地屏蔽設(shè)計(jì)從傳感器和傳感器跡線“偷”顯著量的電荷。AC屏蔽對(duì)于減少該效果要好得多，但和傳感器本身相比，AC驅(qū)動(dòng)波形由于和屏蔽一起加載的多余寄生電容而歪斜是常見的，因此是不理想的。
[0021]一種改進(jìn)的方法:差分測暈和差分屏蔽設(shè)計(jì)
[0022]改進(jìn)的電容式傳感器設(shè)計(jì)或組件可以減輕本文所描述的至少一些問題。根據(jù)一個(gè)方面，改進(jìn)的電容式傳感器設(shè)計(jì)采用差分測量系統(tǒng)來測量具有差分屏蔽的傳感器。具體地，所述差分測量系統(tǒng)被配置以差分地激發(fā)或充電改進(jìn)傳感器的各個(gè)部件，以及同時(shí)采樣傳感器的各部件(不按順序)，以獲取差分電容式傳感器的測量(兩個(gè)差分信號(hào))。差分測量可以作為輸入提供給差分積分器，它可以獨(dú)立于在差分測量中存在的共模信號(hào)而產(chǎn)生測量。具有連接到一對(duì)跡線的差分屏蔽的改進(jìn)傳感器的差分測量可差分拒絕該傳感器跡線的反應(yīng)并平衡寄生電容。這一對(duì)跡線在這里稱為“P跡線”和“N跡線”。使用差分方法，噪聲干擾將存在于在跡線的端部測得的兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)上，但顯示為共模信號(hào)的干擾將由于差分信號(hào)被抵消。
[0023]改進(jìn)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特征在于:不僅差分屏蔽由差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)，差分屏蔽也差分測量并用作電容測量的一部分。為了提供差分信號(hào)和差分測量，電容式傳感器的不同部分被電連接到相應(yīng)跡線，本文中被稱為“P跡線”和“N跡線”。跡線的端部然后連接到電路的對(duì)應(yīng)P和N個(gè)終端，其經(jīng)置以進(jìn)行差分電容式傳感器測量。在充電階段，該跡線的端部(與所述傳感器中的相應(yīng)部分)通過第一個(gè)互補(bǔ)/差分信號(hào)和第二個(gè)互補(bǔ)/差分信號(hào)分別充電或激發(fā)?；パa(bǔ)/差分信號(hào)在此統(tǒng)稱為“P信號(hào)”和“N信號(hào)”。在采樣階段中，跡線的端部可以連接到所述電路，用于分別進(jìn)行第一互補(bǔ)/差分測量和第二個(gè)互補(bǔ)/差分測量。互補(bǔ)/差分信號(hào)在此統(tǒng)稱為“P測量”和第“N測量”。P測量和N測量同時(shí)進(jìn)行。最終的測量通常通過P測量和N測量之間的差來表示，以拒絕共模信號(hào)。
[0024]改進(jìn)電容式傳感器可以感測使用差分采樣電容式傳感器的環(huán)境。具體地，電容式傳感器可以包括單端部、具有多個(gè)分段的分段差屏蔽部分以及一對(duì)跡線。一般來說，這些部件是導(dǎo)電的，或者由合適材料制成以充當(dāng)電容式傳感器的電極。單端部分連接到所述跡線中的一個(gè)，并且所述分段差分屏蔽部的分段被連接到任何一對(duì)跡線中的一個(gè)。
[0025]在本公開的上下文中，該環(huán)境一般是指傳感器的周圍，或鄰近傳感器的空間區(qū)域。該環(huán)境可以包括一個(gè)或多個(gè)對(duì)象，諸如材料或生命體的部件等。電容式傳感器和連接到其的電路可以使得代表環(huán)境的差分信號(hào)(兩個(gè)差分信號(hào))將被獲取。代表環(huán)境的差分信號(hào)(或單端引出物)可以提供對(duì)環(huán)境變化的介電常數(shù)的指示，電容式傳感器上電荷量的改變和/或一個(gè)或多個(gè)對(duì)象與電容式傳感器的距離等。
[0026]改進(jìn)的電容式傳感器的設(shè)計(jì)包括在(電)絕緣層一側(cè)上的單端部(在此稱為前側(cè))，以允許傳感器以感測環(huán)境(例如，接近傳感器的用戶，接近傳感器的對(duì)象，等)。此外，改進(jìn)的電容式傳感器的設(shè)計(jì)包括在(電)絕緣層的另一側(cè)的分段差屏蔽部(在此稱為底側(cè))，以差分平衡傳感器周圍的環(huán)境并幫助拒絕耦合到所述分段式差速器屏蔽部分的任何噪聲。例如，單端部是在絕緣層的第一側(cè)上，并且分段式差分屏蔽部是在絕緣層的第二側(cè)。在某些情況下，單端部是在絕緣層的第一側(cè)上，并且分段式差分屏蔽部是在所述絕緣層的第一側(cè)和第二側(cè)上。絕緣層的例子包括:電路板、柔性電路的柔性塑料基底和/或電絕緣材料。
[0027]分段差分屏蔽部分的不同分段被連接到相應(yīng)的P和N的跡線，從而提供一個(gè)或多個(gè)“P分段”或“N分段”。在底側(cè)上的差分屏蔽部的一個(gè)方面在于，P分段的面積或電荷貢獻(xiàn)可以等于或平衡N段(多個(gè))的面積或電荷貢獻(xiàn)。措辭不同地，連接到第一跡線(P跡線)的分段差分屏蔽部中的P分段具有和連接到第二跡線(N跡線)的分段差分屏蔽部