具有漂移补偿的电容传感器装置和相关便携式电子装置的制作方法

本发明涉及电容传感器装置和包括该电容传感器装置的便携式电子装置。

背景技术：

1、在最新近的智能手机和联网个人装置中，接近感知（proximity awareness）是一项要求，在这些装置中它用于限制辐射剂量、防止触摸显示器上的意外输入、使背光面板变暗、以及用于许多其他情况中。文献ep3796140公开了一种电容传感器装置，其尤其可用于检测便携式电话、平板电脑或类似的便携式电子装置中用户身体部位的接近。

2、电容传感器装置测得的电容通常会因环境影响（例如，变化的温度或湿度）而经受漂移问题。变化的环境影响通常通过例如改变材料的厚度或介电常数、从而改变测得的电容而改变便携式电子装置和电容传感器装置的至少部分的物理特性。基于由于环境引起的漂移而导致的这种被更改的电容测量，电容传感器装置可能会确定错误的接近信号。

3、本发明的一个目的是减轻与现有技术中已知的电容传感器装置相关的至少一些缺点。

技术实现思路

1、根据本发明的第一方面，提供了一种电容传感器装置，其包括电容测量电路、主感测输入和参考感测输入，其中，所述电容传感器装置被配置为使用所述电容测量电路测量所述主感测输入看到的电容的当前主值和所述参考感测输入看到的电容的当前参考值，其中，所述电容传感器装置被配置为至少临时存储至少一个先前测得的参考值，并且其中，所述电容传感器装置被配置为使用以下各项来确定电容的校正的当前主值：1）所述当前主值、2）所述当前参考值和所述至少一个先前测得的参考值，以及3）至少一个当前校正系数，其中所述电容传感器装置被配置为至少基于所述当前参考值和所述至少一个先前测得的参考值自适应地（adaptively）确定所述至少一个当前校正系数。

2、电容传感器装置上的测得的主值的校正可以实时地进行。只要测量到新的当前主值，就可以进行校正。参考感测输入看到的电容可以基本上仅对环境漂移（例如，电容传感器装置附近的温度变化）敏感，而主感测输入看到的电容可以对环境漂移（例如，前述温度变化）以及靠近/远离的导体（例如，体现为人体）都敏感。当前主值 mv( t n)可以是电容测量电路在时间 t n处采样的，并且当前参考值也可以是在在该时间 t n处采样的或在不同时间处采样的。主值和参考值不需要在相同的采样时间采样。先前测得的参考值可以是已经由电容测量电路在时间 t n-1、 t n-2、…处采样的。因此，可以采样以下参考值并且其可用于进一步处理： rv( t n)、 rv( t n-1)、 rv( t n-2)、…，可能回到第一个采样时间 t0处第一次采集的电容测量值 rv( t0)。

3、在根据本发明的电容传感器装置的实施例中，所述电容传感器装置被配置为通过基于选择准则从至少两个预定校正系数中自适应地选择所述至少一个当前校正系数来自适应地确定所述至少一个当前校正系数，所述选择准则是基于所述当前参考值和所述至少一个先前测得的参考值，并且其中，所述选择准则包括与至少一个阈值的比较。

4、所述至少两个预定校正系数可以存储在所述电容传感器装置上。所述至少两个预定校正系数可以在校准过程中确定。所述至少两个预定校正系数可以对应于不同的操作条件。在所述至少两个预定校正系数包括例如仅两个预定校正系数的情况下，所述两个预定校正系数中的第一个可以对应于温度升高的操作条件，而所述两个预定校正系数中的第二个可以对应于温度降低的操作条件。一般而言，电容传感器装置可以使用测得的参考值来确定当前适用哪个操作条件，并且从对应于已确定的操作条件的所述至少两个预定校正系数中选择（一个或多个）预定校正系数作为所述至少一个当前校正系数。刚刚描述的用于确定所述至少一个当前校正系数的原理也可适用于除了温度变化外的导致不同的操作条件的其他物理原因，在所述不同的操作条件下，可能需要不同的校正系数来最佳地校正主值中的环境漂移。选择校正系数可以是基于关于至少一个阈值的比较操作。

5、在根据本发明的电容传感器装置的另一实施例中，所述电容传感器装置被配置为从所述至少一个先前测得的参考值来确定所述当前参考值和比较参考值之间的当前差参考值，并且所述比较包括将所述当前差参考值与所述至少一个阈值进行比较。

6、当前差参考值可通过以下运算来确定：δ rv( t n) =  rv( t n) -  rv( t n-1)。然而，当前差参考值也可以如下确定：δ rv( t n) =  rv( t n) -  rv( t n- m)，其中 m大于1。这样，比在时间 t n-1处的最后一个先前（先前称为当前采样时间 t n）采集的样本更早确定的参考值的样本可以用于确定当前差参考值。可以将当前差参考值与至少一个阈值进行比较：基于这样的比较，可以确定例如当前适用哪个操作条件、以及应该从所述至少两个预定校正系数中选择哪至少一个当前校正系数。可以使用零阈值来衡量参考值是增大还是减小。在电容传感器装置附近的环境温度升高导致参考值增大而温度降低导致参考值减小的情况下，可以使用零阈值来确定例如环境温度是升高还是降低。

7、在根据本发明的电容传感器装置的另一实施例中，所述至少两个预定校正系数包括彼此不同的第一一阶校正系数和第二一阶校正系数，并且其中，从所述第一一阶校正系数和所述第二一阶校正系数中自适应地选择单个当前校正系数，其中，所述至少一个阈值包括单个阈值，并且其中，所述电容传感器装置被配置为确定所述当前差参考值是大于还是小于所述单个阈值，其中，对于更大的当前差参考值，选择所述第一一阶校正系数作为所述单个当前校正系数，而对于更小的当前差参考值，选择所述第二一阶校正系数作为所述单个当前校正系数，并且其中，所述电容传感器装置被配置为通过从所述当前主值减去所述单个当前校正系数和累计差参考值的乘积来确定所述校正的当前主值。

8、使用仅使用单个当前校正系数的一阶线性校正，可以从当前主值中消除环境引起的漂移。可以将该单个阈值 ts与当前差参考值δ rv( t n)进行比较：如果δ rv( t n) >  ts，则可以选择第一一阶校正系数 c1;1作为该单个当前校正系数 c n，并且如果δ rv( t n) <  ts，则可以选择第二一阶校正系数 c2;1作为该单个当前校正系数 c n。在δ rv( t n) =  ts的情况下，可以选择 c1;1或 c2;1。在如刚刚所述选择单个当前校正系数 c n后，可以如下确定校正的当前主值 mv *( t n)： mv *( t n) =  mv( t n) -  c nδ rv(0)( t n)，其中δ rv(0)( t n)是累计差参考值，定义为δ rv(0)( t n) =  rv( t n) -  rv( t0)。可以为该单个阈值指派零值。第一一阶校正系数可以对应于温度升高，并且第二一阶校正系数可以对应于温度下降。

9、在根据本发明的电容传感器装置的另一实施例中，所述至少两个预定校正系数包括彼此不同的第一一阶校正系数和第二一阶校正系数，并且其中，从所述第一一阶校正系数和所述第二一阶校正系数中自适应地选择单个当前校正系数，其中，所述电容传感器装置被配置为至少暂时存储至少一个先前确定的差参考值，并且其中，所述电容传感器装置被配置为通过将滤波器应用于所述当前差参考值和所存储的所述至少一个先前确定的差参考值来确定滤波后的当前差参考值，其中，所述至少一个阈值包括单个阈值，并且其中，所述电容传感器装置被配置为确定所述滤波后的当前差参考值是大于还是小于所述单个阈值，其中，对于更大的滤波后的当前差参考值，选择所述第一一阶校正系数作为所述单个当前校正系数，而对于更小的当前差参考值，选择所述第二一阶校正系数作为所述单个当前校正系数，并且其中，所述电容传感器装置被配置为通过从所述当前主值减去所述单个当前校正系数和累计差参考值的乘积来确定所述校正的当前主值。

10、对于在时间 t n处采样的新参考值 rv( t n)，可以确定当前差参考值δ rv( t n)。电容传感器装置还可以存储先前确定的差参考值，例如先前确定的差参考值δ rv( t n-1) =  rv( t n-1) -  rv( t n-2)、δ rv( t n-2)、依此类推。当前差参考值和至少一个先前确定的差参考值可以例如存储在固定大小的缓冲器中。例如，固定大小的缓冲器可以这样设置，它可以存储 l个不同的差参考值。在当前差参考值被存储在固定大小的缓冲器中之前，固定大小的缓冲器可以包括例如以下差参考值：δ rv( t n- l)、…、δ rv( t n-1)。为了将δ rv( t n)存储到固定大小的缓冲器中，可以移除δ rv( t n-1)，从而在固定大小的缓冲器中提供以下差参考值：δ rv( t n- l+1)、…、δ rv( t n)。因果有限脉冲响应（fir）滤波器（例如，提供平滑/平均）可以对该固定大小的缓冲器中的元素进行操作以提供滤波后的当前差参考值，并且可以将该滤波后的当前差参考值与存储在电容传感器装置上的单个阈值 ts进行比较：如果>  ts，则可以选择第一一阶校正系数 c1;1作为当前校正系数 c n，而如果 <  ts，则可以选择第二一阶校正系数 c2;1作为当前校正系数 c n。在 =  ts的情况下，可以选择 c1;1或 c2;1。在如刚刚所述选择了单个当前校正系数 c n后，可以如下确定校正的当前主值 mv *( t n)： mv *( t n) =  mv( t n) -  c nδ rv(0)( t n)，其中δ rv(0)( t n)是累计差参考值，定义为δ rv(0)( t n) =  rv( t n) -  rv( t0)。可以为该单个阈值指派零值。第一一阶校正系数可以对应于温度升高，并且第二一阶校正系数可以对应于温度下降。取决于固定大小的缓冲器中的条目数量 l的大小以及所采用的fir滤波器，可以对应于所述当前参考值 rv( t n)附近的各参考值的平均方向，即斜率/趋势。如果延迟是可接受的，fir滤波器也可以是非因果的。

11、在根据本发明的电容传感器装置的另一实施例中，所述至少两个预定校正系数包括第一一阶校正系数、第二一阶校正系数、第一二阶校正系数和第二二阶校正系数，其中，从这四个预定校正系数中自适应地选择两个当前校正系数，其中，所述至少一个阈值包括单个阈值，并且其中，所述电容传感器装置被配置为确定所述当前差参考值是大于还是小于所述单个阈值，其中，对于更大的当前差参考值，选择所述第一一阶校正系数作为所述两个当前校正系数中的第一当前校正系数并且选择所述第一二阶校正系数作为所述两个当前校正系数中的第二当前校正系数，并且其中，对于更小的当前差参考值，选择所述第二一阶校正系数作为所述两个当前校正系数中的第一当前校正系数，并且选择所述第二二阶校正系数作为所述两个当前校正系数中的第二当前校正系数，并且其中，所述电容传感器装置被配置为通过从所述当前主值减去所述第一当前校正系数与累计差参考值的乘积以及所述第二当前校正系数与所述累计差参考值的平方的乘积来确定所述校正的当前主值。

12、第一一阶校正系数 c1;1、第二一阶校正系数 c2;1、第一二阶校正系数 c1;2和第二二阶校正系数 c2;2可以存储在电容传感器装置上，并且在校准过程中获得。电容传感器装置可以基于第一当前校正系数和第二当前校正系数来校正当前主值 mv( t n)，其中，指派给第一当前校正系数的值可以自适应地选择为第一一阶校正系数或第二一阶校正系数，其中，指派给第二当前校正系数的值可以自适应地选择为第一二阶校正系数或第二二阶校正系数。可以将单个阈值 ts与当前差参考值δ rv( t n)进行比较：如果δ rv( t n) >  ts，则可以选择第一一阶校正系数 c1;1作为第一当前校正系数 c n(1)，并且可以选择第一二阶校正系数 c1;2作为第二当前校正系数 c n(2)，并且如果δ rv( t n) <  ts，则可以选择第二一阶校正系数 c2;1作为第一当前校正系数 c n(1)，并且可以选择第二二阶校正系数 c2;2作为第二当前校正系数 c n(2)。对于δ rv( t n) =  ts，可以任意将预定校正系数中的哪一个指派给两个当前校正系数。可以如下确定校正的当前主值 mv *( t n)： mv *( t n) =  mv( t n) -  c n(1) δ rv(0)( t n) -  c n(2) (δ rv(0)( t n))2，其中δ rv(0)( t n)是累计差参考值，定义为δ rv(0)( t n) =  rv( t n) -  rv( t0)。可以为该单个阈值指派零值。因此，刚刚描述的校正校正了主值中的一阶分量和二阶漂移分量。这在主值和参考值之间的关系/比率远离一阶关系的情况下可特别有益，并且这可能特别地受到电容传感器装置的硬件实施方式的影响，尤其是分立组件的存在和热源的位置等。

13、在根据本发明的电容传感器装置的另一实施例中，所述至少一个阈值包括第一阈值和第二阈值，其中，所述第一阈值小于所述第二阈值，并且其中，所述至少两个预定校正系数包括第一校正系数、第二校正系数和第三校正系数，其中，从这三个预定校正系数中自适应地选择单个当前校正系数，并且其中，所述电容传感器装置被配置为：1）如果累计差参考值小于所述第一阈值，则选择所述第一校正系数作为所述单个当前校正系数，2）如果所述累计差参考值大于或等于所述第一阈值并且小于或等于所述第二阈值，则选择所述第二校正系数作为所述单个当前校正系数，以及3）如果所述累计差参考值大于所述第二阈值，则选择所述第三校正系数作为所述单个当前校正系数，并且其中，电容传感器装置被配置为通过从所述当前主值减去所述单个当前校正系数和所述累计差参考值的乘积来确定所述校正的当前主值。

14、一般而言，所述至少一个阈值可以包括可按升序排序的 k个阈值 ts1、 ts2、…、 ts k。这 k个阈值可以将实线（real line）分割成 k+1段。可以将不同的预定校正系数关联到这 k+1段中的每一段，这可以存储在电容传感器装置上。如果发现累计参考值或替代地滤波后的累计参考值位于段 i中，则可以将当前校正系数设置为与所述段 i相关联的预定校正系数。在仅执行一阶漂移校正的情况下，例如，对于每个段，可以有相关联的一个一阶校正系数。在执行一阶漂移校正和二阶漂移校正的情况下，例如，对于每个段，可以有相关联的一个一阶校正系数和一个二阶校正系数。优选地，可以使用两个阈值将分成三的实线分成三段。累计差参考值被定义为δ rv(0)( t n) =  rv( t n) -  rv( t0)。

15、在根据本发明的电容传感器装置的另一实施例中，所述电容传感器装置被配置为至少临时存储至少一次先前自适应地选择的至少一个校正系数，并且所述电容传感器装置被配置为通过将滤波器应用于1）所述至少一个当前校正系数和2）所述至少一次先前自适应地选择的至少一个校正系数来确定至少一个更新的当前校正系数，并且其中，所述电容传感器装置被配置为用所述至少一个更新的当前校正系数替代所述至少一个当前校正系数来确定所述校正的当前主值。

16、校正系数之间的快速切换可能会导致校正的主值中的不期望的阶跃和噪声。如果例如基于温度是升高还是降低（这可以通过测量参考值是增大还是减小来检测）来选择校正系数，则温度噪声可能会导致校正系数连续不断地快速切换。可以对校正系数进行平滑，以减小校正的主值中的这些不期望的阶跃。可以使用fir滤波器或无限脉冲响应（iir）滤波器进行平滑或更一般的滤波。电容传感器装置可以存储先前选择的校正系数。可以用因果fir滤波器对所述至少一个当前校正系数 c n和所存储的先前选择的至少一个校正系数 c n-1、 c n-2、…、 c n- p（可以存储 p个先前选择的至少一个校正系数）进行滤波，fir滤波提供至少一个更新的当前校正系数。也可以使用iir滤波器对所述至少一个当前校正系数 c n和所存储的先前选择的至少一个校正系数 c n-1、 c n-2、…、 c n- p进行滤波：对于一般的iir滤波器，先前选择的至少一个更新的校正系数、、…、可以存储在电容传感器装置上；iir滤波器可以体现为因果递归系统。对于fir滤波器和iir滤波器二者， p可以例如体现为2的幂次方，特别是取值1、2、4、…、128中的一个。fir滤波器尤其可以体现为加权平均滤波器。于是可以使用所述至少一个更新的当前校正系数来从主值去除漂移：在执行一阶漂移去除的情况下，校正可以如下进行： mv *( t n) =  mv( t n) - δ rv(0)( t n)。对于组合的一阶和二阶校正，可以对与不同阶项相对应的校正系数分别滤波。

17、在根据本发明的电容传感器装置的另一实施例中，所述滤波器是有限脉冲响应（fir）滤波器，或者所述滤波器是具有有限多个非零iir滤波器系数的因果递归无限脉冲响应（iir）滤波器。

18、在根据本发明的电容传感器装置的另一实施例中，所述电容传感器装置被配置为至少临时存储至少一个先前测得的主值，并且所述电容传感器装置被配置为从所述至少一个先前测得的参考值确定所述当前参考值和比较参考值之间的当前差参考值，并且所述电容传感器装置被配置为从所述至少一个先前测得的主值确定所述当前主值和比较主值之间的当前差主值，并且所述电容传感器装置被配置为至少临时存储至少一个先前确定的差参考值和至少一个先前确定的差主值，其中，所述电容传感器装置被配置为通过将滤波器应用于所述当前差参考值和所存储的所述至少一个先前确定的差参考值来确定滤波后的当前差参考值，并且其中，所述电容传感器装置被配置为通过将滤波器应用于所述当前差主值和所存储的所述至少一个先前确定的差主值来确定滤波后的当前差主值，并且其中，所述电容传感器装置被配置为基于所述滤波后的当前差主值与所述滤波后的当前差参考值的比率来自适应地确定单个当前校正系数，其中，所述电容传感器装置被配置为通过从所述当前主值减去所述单个当前校正系数与累计差参考值的乘积来确定所述校正的当前主值。

19、如上所述，可以确定滤波后的当前差参考值，其可以对应于所述当前参考值附近的各参考值的平均趋势/斜率。类似地，可以确定滤波后的当前差主值，其可以对应于所述当前主值附近的各主值的平均趋势/斜率。用于确定滤波后的当前差主值的滤波器可以与用于确定滤波后的当前差参考值的滤波器相同；替代地，两个滤波器可以彼此不同。在电容传感器装置上预存储校正系数可能无法提供最佳的环境漂移校正，因为最佳校正系数可在该电容传感器装置可集成到其中的不同便携式电子装置之间变化，例如归因于组件/组装/生产容差/精度。因此，可以通过将滤波后的当前差主值除以滤波后的当前差参考值来在线（即，实时地）针对电容传感器装置确定单个当前校正系数。然后可以使用相应地获得的单个当前校正系数来从主值去除一阶漂移。所确定的单个当前校正系数和先前确定的单个当前校正系数也可以存储在电容传感器装置上，并且例如使用因果fir滤波器进行滤波，以例如进一步平滑所确定的单个当前校正系数。

20、在根据本发明的电容传感器装置的另一实施例中，所述电容传感器装置被配置为通过将所述滤波后的当前差主值与所述滤波后的当前差参考值的所述比率与下阈值和/或上阈值进行比较来确定所述单个当前校正系数，其中，所述上阈值大于所述下阈值，并且其中，所述电容传感器装置被配置为：1）在所述比率小于所述下阈值的情况下将所述单个当前校正系数设置为所述下阈值，2）在所述比率大于所述上阈值的情况下将所述单个当前校正系数设置为所述上阈值，以及3）否则将所述单个当前校正系数设置为所述比率。

21、下阈值和上阈值可以预先存储在电容传感器装置上。靠近/远离的导体可以快速改变主感测输入看到的电容，导致当前主值快速增大/减小。在这种情况下，滤波后的当前差主值和滤波后的当前差参考值之间的比率可以快速增大/减小，从而提供快速改变的单个校正系数。为了避免这种快速的校正系数改变，可以对该单个当前校正系数进行箝位。在比率小于下阈值的情况下，单个校正系数的值可以设置为下阈值，并且在比率大于上阈值的情况下，单个校正系数的值可以设置为上阈值。例如，如果基于典型的表征过程发现单个校正系数的典型值是4.5，则下阈值可以设置为4，并且上阈值可以设置为5。

22、在根据本发明的电容传感器装置的另一实施例中，所述主感测输入与电容感测电极耦合，所述电容感测电极的自电容在导体靠近时改变，并且所述参考感测输入与电容参考电极耦合。

23、在根据本发明的电容传感器装置的另一实施例中，所述电容感测电极体现为印刷电路板上的导体区域，和/或所述电容参考电极包括所述印刷电路板上的迹线和/或导体区域，或者所述电容参考电极体现为分立的参考电容器，和/或所述电容传感器装置在内部包括所述电容参考电极，并且所述电容参考电极的电容受所述导体的靠近的影响小于所述电容感测电极的电容。

24、电容感测电极也可以体现为天线。分立的参考电容器可以优选地放置在天线附近，以捕捉与天线类似的环境漂移。电容参考电极可以被适当地设计成使得靠近/远离的导体对电容参考电极的测得电容只有很小/微不足道的影响。电容传感器装置也可以设置在印刷电路板上。电容参考电极可以实现在同一印刷电路板上或实现在电容传感器装置内部，例如作为未结合在一起（bond out）的电容焊盘、或作为模数转换器的复用/浮动输入。替代地，参考值也可以通过电容测量以外的其他方式获得：例如，使用ptat（与绝对温度成比例的）温度传感器可以集成在放置电容传感器装置的印刷电路板上或集成在电容传感器装置内部。

25、根据本发明的另一方面，提供了一种包括根据本发明第一方面的电容传感器装置的便携式电子装置，其中，所述电容传感器装置被配置为基于所述校正的当前主值生成接近信号，并且其中，所述便携式电子装置被配置为当生成所述接近信号时和/或当所述接近信号消失（extinguish）时激活预定动作。

26、便携式电子装置可以体现为例如移动电话或平板电脑。所生成的接近信号可以指示导体（例如人体）在便携式电子装置附近。基于这样的信息，便携式电子装置可以例如减小用于通信的输出功率，以便减小在便携式电子装置附近的人吸收的辐射剂量。

27、在根据本发明的另一方面的便携式电子装置的实施例中，所述预定动作是以下之一：改变无线电发射器的功率、打开或关闭显示器背光、启用或禁用触觉输入接口。