电容式传感器系统的制作方法

本发明总体上涉及一种电容式传感器系统以及一种用于电容式传感器系统中的导体断线检测的方法。

背景技术：

现今，电容式传感器用于各种各样的应用，如输入设备(例如，触摸板、电容式滑块、触摸轮等)、接近传感器或乘员检测系统。

现有技术中已知有许多不同类型的电容式传感器，但是它们中的大多数依赖于以下原理。布置感测电极，使得接近的物体(人、手、手指等)改变感测电极相对于地的电容。这种变化的电容由测量电路测量。例如，感测电极可以连接到交流电压(例如，方波电压)，并且通过电极的电流(取决于电极的电容)可以由测量电路转换成电压。该电压指示电容，并且因此可以用于确定物体是否在感测电极附近。在一些应用中，对于每个感测电极，提供了保护电极，其保持在与对应电极相同的电位，并且用于形成电极的有效检测空间。

一些传感器系统被实现为箔或织物传感器，其中，电气部件通常是由设置在柔性箔或织物基底上的导电油墨制成的印刷结构。传感器允许适应各种表面几何形状。

在许多应用中(例如，对于方向盘上的手检测)，不是存在一个电极，而是存在多个电极，例如，2个、5个、10个或甚至更多。单独的电极可以沿着(例如，方向盘的)表面设置，以便确定诸如用户的手的物体的特定位置。应当理解，这种检测系统(其中许多是安全相关的)仅在所有电气部件都完好的情况下才能可靠地工作。这尤其涉及导体断线的可能性。

目前，有几种方法来诊断传感器系统的完整性。对于保护/感测传感器，每个电极可以用dc电流单独诊断，在感测电极与保护电极之间要求二极管或电阻器，这目前是昂贵的和/或难以在箔传感器上实现的，因为它占用空间(使用分立的电容器或电阻器)，或者它要求跨越箔层，这目前对于所要求的可靠性和鲁棒性是不可行的。可替代地，通过测量感测/保护电容来单独地诊断每个电极。然而，由于测量电路本身的寄生电容、布线、传感器电容的容差以及测量电路的测量精度，这种测量不够精确，不足以可靠地检测电极中的所有相关断线。对于感测/保护传感器或仅感测传感器，也可以通过添加附加导线到感测电极的相对端来单独诊断每个感测或保护电极，从而每个电极要求一根附加导线，导致附加成本。而且，由于方向盘中受限制的空间条件，导线和连接的数量增加使得集成到方向盘中变得困难或者不可能。

发明目的

因此，本发明的目的是提供一种用于在具有多个电极的电容式传感器系统中进行可靠的断线检测的单元。

该问题通过根据权利要求1的电容式传感器系统以及根据权利要求15的用于在电容式传感器系统中进行断线检测的方法来解决。

技术实现要素：

本发明提供一种电容式传感器系统。该传感器系统包括具有多个电容式电极的传感器布置，每个电容式电极连接到对应的检测器线。电极可以是传感器电极和/或保护电极。这里和下文中的“多个”是指“至少两个”。这里和下文中的“连接”是指“电连接”，并且通常是“导电连接”。但是，这包括经由中间元件(例如，线)连接的可能性。这里和下文中的术语“线”是指任何类型的导电连接，例如，导线、印刷导体路径等。术语“传感器布置”不应以任何限制性方式来解释，而是简单地表示传感器系统的包括电极的部分。然而，优选地，传感器布置是单个部件，其所有电极都设置在公共(柔性或刚性)基底上。应当理解，每个电极相对于地和/或其他电极具有电容。至少如果电极是感测电极，则该电容取决于检测空间内的物体的存在，通常在相应的感测电极附近。电极通常具有平坦的、延伸的形状，但是通常可以是任何类型的导电结构。电极中的每一个连接到检测器线，这意味着每个电极有一条检测器线(反之亦然)。通过检测器线，可以单独地向每个电极施加电压。

传感器系统还包括检测器设备，其连接到每条检测器线并且被配置为通过施加检测器信号来检测至少每个传感器电极的电容。通常，检测器设备施加电压信号作为检测器信号，并检测流过相应检测器线流入和/或流出电极的电流。因此，可以确定电极的当前电容，并且例如通过将该电容与标称电容进行比较，确定物体是否存在于检测空间中。当然，检测器设备可以至少部分地由软件实现。

传感器布置包括至少一个电极组，该电极组包括至少两个电极，电极组的每个电极经由电阻元件连接到另一个电极，使得该电极组的所有电极串联连接。换句话说，在传感器布置的电极中，至少两个电极属于一个电极组。在这样的电极组中，每个电极经由电阻元件连接到另一个电极。因此，电阻元件通常通过连接线连接在两个电极之间。相应电极组的所有电极与连接在每对电极之间的一个电阻元件串联连接。因此，在一个电极组中，每个电极经由检测器线连接到检测器设备，并经由电阻元件(以及将电阻元件连接到电极的连接线)连接到至少一个其他电极。电阻元件通常是具有非零或不可忽略的电阻的任何类型的元件。这包括其也具有不可忽略的电抗的可能性。然而，优选地，电阻元件包括电阻器，并且通常是电阻器。应当理解，为了减少电阻元件对检测器设备的阻抗测量的影响，应当将电阻元件选择为足够大，使得阻抗测量不被干扰。另一方面，如果阻抗测量仅集中于电容，则可以利用正弦检测器信号来操作传感器设备，并且使测量基于所测量的电流的虚部，从而抑制电阻部分。在这种情况下，关于电阻元件的值的要求不太严格。

诊断设备针对每个电极组至少连接到第一电极的第一检测器线和第二检测器电极的第二检测器线，并且被配置为经由第一检测器线和第二检测器线施加诊断信号，并且基于对诊断信号的响应来检测导体断线。当考虑一个电极组的串联连接的电极时，第一电极和第二电极可以对应于相对端，例如，它们可以是第一电极和最后一个电极。诊断设备例如通过在第一检测器线与第二检测器线之间施加电压来施加诊断信号。诊断信号引起响应，例如，对流过第一检测器线和第二检测器线的电流的响应。诊断设备可以基于响应来检测导体断线，即第一检测器线或第二检测器线或其间的元件中的任何元件中的断线。例如，如果诊断设备施加特定电压并且所得到的电流低于预定义阈值，则这可以解释为导体断线。应当注意，诊断设备不必与检测器设备物理分离。相反，两个设备可以至少部分地由同一个电路实现。

本发明的传感器系统允许至少在每组的第一检测器线和第二检测器线中以及在其间的元件中简单且高效地检测导体断线。非常有利的是，诊断设备使用已经存在的检测器线来执行诊断。除了检测器设备的操作所必需的这些检测器线之外，传感器系统不需要诊断设备与传感器布置之间的附加连接，或者根据实施例，诊断设备与传感器布置之间的附加连接最少。这显著地简化了传感器系统的构造和安装。应当记住，对于一些应用，传感器布置安装在需要节省空间设计的一个位置，而检测器设备和诊断设备安装在分开的位置，因此互连线的数量是决定性因素。而且，在这种设计中，传感器布置可能需要用于例如通过插入式连接来连接互连线中的每一条的端子。应当理解，如果端子的数量保持较少，则传感器布置所需的空间可以显著地减小。本发明的传感器系统所需的唯一附加电路是连接电极的电阻元件(连同上述互连线)。然而，这些可以以节省空间且低成本的方式实现为传感器布置的一部分。

优选地，检测器信号是ac信号。特别地，检测器设备可以包括电压源，并且检测器信号可以是ac电压信号。这可以是例如矩形或正弦信号。可以根据相应的应用和要检测的对象来选择频率。可选地，检测器信号可以包括dc分量，然而，其通常不增强由检测器设备执行的电容检测。

另一方面，诊断信号优选是dc信号。诊断设备可以包括电压源，并且诊断信号可以是dc电压信号。诊断信号可以包括ac分量。然而，由导体断线引起的电阻增加可以最容易地通过其对dc信号的影响来区分。

通常，传感器布置及其部件可以以不同的方式实现。例如，传感器布置可以包括印刷电路板，其中电极和电阻元件设置在该板的表面上。根据优选实施例，传感器布置是印刷箔传感器。在这种情况下，传感器布置包括(通常隔离的)箔基底，例如，由聚酰亚胺、peek、聚酯等制成。导线可以是由银墨或其他导电材料制成的印刷导体路径。相同的材料可以用于电极。电阻元件可以是印刷碳结构。应当理解，印刷箔传感器具有允许适应不同表面形状的一定程度的灵活性。箔传感器可以具有多层结构。

本发明的电容式传感器系统可用于不同类型的应用。特别地，其可以适于方向盘上的手检测。具有其多个电极的传感器布置可以沿着方向盘的表面设置，从而不仅允许检测方向盘上手的存在，而且允许区分方向盘上的触摸位置和/或手的数量。在此上下文中，该电容式传感器系统可以称为用于方向盘上的手检测的电容式传感器系统。

根据一个实施例，传感器布置包括多个电极组，每个电极组精确地包括两个电极。换句话说，传感器布置的电极成对地互连。该实施例的优点在于，仅需要最小数量的电阻元件，即电极的总数量除以2。

根据不同的实施例，至少一个电极组包括至少一个中间电极，其串联连接在第一电极与第二电极之间，并且连接到中间检测器线。该实施例具有这样的优点：通过仅向第一检测器线和第二检测器线施加诊断信号，可以同时检测任何中间电极或将其连接到其他电极的元件的导体断线。因此，例如在不需要以更精确的方式定位导体断线的情况下，该实施例大大简化了诊断过程。

在能够检测中间检测器线中的断线的又一实施例中，dc电流可以被注入到中间检测器线上，并且通过测量中间检测器线上的电压，可以检测中间检测器线中的断线。

特别地，传感器布置可以包括单个电极组。换句话说，传感器布置的所有电极串联连接。这使得可以利用单个检测器信号来检测关于电极中的任何一个的导体断线。

根据一个实施例，诊断设备仅连接到第一检测器线和第二检测器线。如上面提及的，如果不需要定位导体断线，而是如此简单地检测任何导体断线，则这是简单且高效的方法。

然而，如果需要检测导体断线的位置，即使存在一个或几个中间电极，也可以实现这一点。根据一个这样的实施例，诊断设备连接到至少一条中间检测器线。例如，如果电极组包括三个电极，则在第三电极处的导体断线将不会影响从第一检测器线流到第二检测器线的任何电流。然而，从第一检测器线或第二检测器线到第三检测器线的电流将大大减小。因此，到中间检测器线的附加连接允许区分不同的位置。

如果诊断设备如上所述连接到至少三条不同的检测器线，则存在如何将诊断信号施加到这些检测器线的不同可能性。例如，可以想到的是，同时将不同的电压施加到所有检测器线，并且从各个电流推导出各个电阻。这通常对应于分析电流的叠加，这虽然复杂但可行。根据不同的优选实施例，诊断设备被配置为经由多对检测器线中的每一对顺序地施加诊断信号。这意味着，诊断设备一个接一个地选择不同的检测器线对，并且首先将诊断信号施加到第一对，然后施加到第二对，等等。为了定位导体断线，通常不必试验所有可能的对的组合，而是，例如如果n是检测器线的总数，则试验n-1对。然而，应当注意，不需要顺序地进行对各个电极断线的检测。另一选择是在一个步骤中并行测量所有电阻，例如，通过在第一电极与最后一个电极之间施加dc电压，并测量中间电压，以及可选地测量由dc源施加的电流。

如上面提及的，电极通常不直接连接到电阻元件，而是经由连接线连接到电阻元件。如果中间检测器线以绕过连接线的方式直接连接到电极，则诊断设备的测量结果可能变得模糊。例如，如果诊断信号被施加到两个相邻电极的检测器线并且检测到导体断线，则这可能是由于任一电极处的断线。这种模糊性可以通过优选实施例解决，其中至少一条中间检测器线连接到电极与电阻元件之间的连接线。还可以说，中间检测器线经由连接线的一部分间接连接到电极。另一方面，也可以说连接线通过中间检测器线的一部分连接到电极。如果所述连接用于相邻的检测器线，则在它们之间仅连接单个电极，从而如果检测到导体断线，则可以将其归因于该电极。

上述消歧对于每条中间检测器线是可能的。然而，为了明确地将导体断线归因于每个电极，在诊断设备与传感器布置之间的至少一个附加连接是必要的。根据优选实施例，传感器系统包括至少一条诊断线，其连接到诊断设备以及电极与电阻元件之间的连接线。该诊断线是与检测器线不同的附加线，并且不与检测器设备连接(如果检测器设备与诊断设备物理上不同)。应当注意，如果没有中间检测器线，即电极组只包括两个电极，则也可以采用所述实施例。

在这样的实施例中，诊断设备可以被配置为经由诊断线和至少一条检测器线施加诊断信号，并且基于对诊断信号的响应来检测导体断线。应当理解，这可以与将诊断信号施加到不同的检测器线对相结合。

本发明还提供一种用于操作电容式传感器系统的方法。传感器系统包括传感器布置和检测器设备，该传感器布置包括多个电容式电极，每个电容式电极连接到对应的检测器线，该检测器设备连接到每条检测器线并且被配置为通过施加检测器信号来检测每个电极的电容。传感器布置包括至少一个电极组，该电极组包括至少两个电极，电极组的每个电极经由电阻元件连接到另一个电极，使得该电极组的所有电极串联连接。该方法包括：针对每个电极组，经由第一电极的第一检测器线和第二检测器电极的第二检测器线施加诊断信号，并基于对诊断信号的响应来检测导体断线。应当理解，该方法可以由连接到如上所述的第一检测器线和第二检测器线的诊断设备执行。所有这些术语都已经在上面关于本发明的传感器系统进行了描述，因此将不再进行解释。

本发明方法的优选实施例对应于本发明系统的优选实施例。

附图说明

从以下参照附图对非限制性实施例的详细描述中，本发明的进一步细节和优点将变得显而易见，其中：

图1是本发明的传感器系统的第一实施例的示意图；

图2是本发明的传感器系统的第二实施例的示意图；

图3是本发明的传感器系统的第三实施例的示意图；以及

图4是本发明的传感器系统的第四实施例的示意图。

具体实施方式

图1至图4示出了本发明的传感器系统1的四个不同实施例，其例如可以用于方向盘上的手检测。参考图1中所示的第一实施例，传感器系统1包括传感器布置2，其可以是沿着方向盘的表面设置的印刷箔传感器。箔传感器的柔性基底上的任何线和电极都可以被印刷。传感器布置2包括两个电极4、5，这两个电极经由检测器线11、12连接到检测器设备20。在该示例中，电极4、5是感测电极，但是它们中的每一个也可以是保护电极。在设备1的正常操作期间，检测器设备20向检测器线11、12施加(不同的或相同的)检测器信号。通常，检测器信号是ac电压信号，该信号可以是例如矩形的或正弦的。检测器设备20测量流过相应检测器线11、12的电流，该电流然后表示相应电极4、5的电容(或者更一般地，阻抗)。电容进而取决于相应电极4、5的检测空间内的物体的存在。当考虑方向盘上的手检测时，检测空间通常位于方向盘的表面的一部分上。

传感器系统1的可靠性取决于电极4、5的完整性以及它们与检测器线11、12的连接。因此，传感器系统1提供了用于验证这种完整性的单元。两个电极4、5通过两条连接线15.1、15.2和电阻器8串联连接，由此形成电极组3。应当注意，电阻器8也可以是例如由碳构成的印刷结构。此外，诊断设备21通过辅助线22、23连接到检测器线11、12中的每一条。为了执行对传感器布置2的诊断，诊断设备21经由辅助线22、23和检测器线11、12施加诊断信号。例如，诊断信号可以是dc电压信号。诊断信号可以以检测器设备20被临时停用的诊断模式施加。如果整个电路是完好的，则流过辅助线22、23的电流很大程度上取决于电阻器8的电阻，并且在较小程度上取决于线11、12、15.1、15.2、22、23和电极4、5的电阻。诊断设备21测量电流并将其与对应于完好电路的所存储的参考值进行比较。如果电流与参考值相差太大，则这被解释为上述元件4、5、11、12、15.1、15.2、22、23中的任何一个中的导体断线。特别地，可以安全地检测关于电极4、5中的任一个的导体断线。如果检测到导体断线，则诊断设备21可以输出对应的信号，例如，输出到车辆的车载计算机。

虽然图1中的实施例示出了由两个电极4、5组成的单个电极组3，但是该概念可以如图2所示推广。在该第二实施例中，传感器布置2包括四个电极4、4'、5、5'，其经由检测器线11、11'、12、12'单独地连接到检测器设备20。两个电极4、5经由电阻器8连接，从而形成第一电极组3，而另外两个电极4'、5'通过电阻器8'连接，以形成第二电极组3'。第二电极组3'的检测器线11'、12'经由辅助线22'、23'连接到诊断设备21。在诊断模式中，诊断设备21可以分别经由第一电极组3的检测器线11、12和经由第二电极组3'的检测器线11'、12'顺序地或同时地施加诊断信号。应当理解，图2所示的概念可以推广到更多数量的电极，每对电极4、4'、5、5'要求一个电阻器8、8'。

如果传感器系统1中的电极数量增加，则采用其他诊断概念可能更高效，例如，图3中所示的诊断概念。在该实施例中，传感器布置3包括四个电极4-7，其经由检测器线11-14连接到检测器设备20。在这种情况下，所有电极4-7通过电阻器8-10和连接线15.1、15.2、16.1、16.2、17.1、17.2串联连接。因此，电极4-7形成单个电极组3。第一电极4的第一检测器线11和第二电极5的第二检测器线12经由辅助线22、23连接到诊断设备21。第一电极4和第二电极5设置在串联连接的相对端上。在中间的是两个中间电极6、7，其经由中间检测器线13、14连接到检测器设备20。这些中间检测器线13、14不与诊断设备21连接。当诊断设备21经由第一检测器线11和第二检测器线12施加诊断信号时，如果在电极4-7中的任何一个处存在导体断线，则电极组3的电阻显著增大。否则，电阻主要由三个电阻器8、9、10确定。应当理解，图3中所示的概念可以推广到更大的电极组，例如，包括数十或甚至数百个电极。

虽然图3所示的概念提供了一种简单且高效的方式来检测是否有任何导体断线，但是它不允许对导体断线进行任何定位。这种定位对于图4所示的实施例是可能的，其与图3的实施例大部分相同。然而，诊断设备21通过附加的辅助线24、25连接到中间检测器线13、14。此外，诊断设备21通过诊断线26连接到第二辅助线15.2，第二辅助线15.2将第一电阻器8连接到第一中间电极6。应当注意，第一中间检测器线13和第二中间检测器线14不是分别直接连接到第一中间电极6和第二中间电极7。相反，它们连接到将第一中间电极6连接到第二电阻器9的第三连接线16.1，并且连接到将第二中间电极7连接到第三电阻器10的第五连接线17.1。

在诊断模式中，诊断设备21顺序地将诊断信号施加到从检测器线11-14和诊断线26中选择的不同线对。例如，如果将诊断信号施加到第一检测器线11和诊断线26，则可以单独地检查第一电极4的完整性。为了执行对第二中间电极7的诊断，可以将诊断信号施加到第一中间检测器线13和第二中间检测器线14。在诊断线26与第一中间检测器线13之间施加电压可能导致潜在的问题，因为第一中间电极6的电阻相当低。这个问题可以通过在第二连接线15.2和第三连接线16.1中的任一条中添加另一个电阻器或者通过执行两步诊断来解决。在第一步骤中，经由第一检测器线11和诊断线26施加诊断信号，而在第二步骤中，经由第一检测器线11和第一中间检测器线13施加诊断信号。通过比较这些响应，可以确定任何导体断线是属于第一电极4还是属于第一中间电极6。应当注意，检测器线11、12、13、14和诊断线26如何能够成对组合以便定位确定导体断线的位置存在多种可能性。除了允许相对于电极4-7定位导体断线之外，图4的实施例还允许检测中间检测器线13、14中的任何一条中的导体断线，这对于图3的实施例是不可能的。

图1-4中所示的所有实施例提供了一种简单且高效的方式来诊断传感器布置2的完整性。除了传感器布置2的操作所需的检测器线11-14之外，图1至3的实施例不要求到传感器布置2的附加连接，而图4的实施例仅要求单条诊断线26。诊断设备21主要或完全利用由检测器设备20使用的检测器线11-14。这在检测器设备20和诊断设备21与传感器布置20间隔开并且通过线缆连接的情况下是非常有利的。

附图标记列表

1传感器系统

2传感器布置

3、3'电极组

4、4'、5、5'、6、7电极

8、8'、9、10电阻器

11、11'、12、12'、13、14检测器线

15.1、15.2、15.1'、15.2'、16.1、16.2、连接线

17.1、17.2

20检测器设备

21诊断设备

22、23、24、25辅助线

26诊断线