电容式接近度传感器的制作方法

1.本发明涉及一种电容式接近度传感器，这些电容式接近度传感器所具有的测量电容尤其通过借助于转换开关实现的循环充放电进行测量。


背景技术：

2.电容式接近度传感器具有导电的探头。探头与待检测的物体之间出现的测量电容取决于探头与该物体之间的距离。为了简化起见，假设该物体是能够导电且接地的。可以对基于物体与探头的距离而产生的测量电容进行测量，以便获得关于物体的距离的信息。
3.在电容式接近度开关中，还将阈值与接近度传感器的输出进行比较，其中接近度开关的开关输出的状态指示探头周围的范围内有无物体。
4.电容式接近度传感器通常以开关电容器模式运行，在该模式下，测量电容通过开关循环充电到限定的电压电位，然后放电至另外的电压电位。充电电流和/或放电电流被视为测量电容的大小的量度。借助于转换器可以将充电电流和/或放电电流转换为测量电压。
5.为了实现在测量电容的充电与放电之间进行切换，需要一种开关来作为构件，该开关通常作为集成式构件(所谓的模拟开关)来实现。然而，这样的有源开关器件在开关触点与电源电压接口之间具有寄生电容。因此，当测量电容被反向充电时，寄生电容同样被充电，从而增大了充电电流和放电电流。由此，接近度传感器的灵敏度下降，原因是平行于测量电容布置的寄生电容显著提升了总电容，而总电容的变化相对于待检测物体的距离变化的灵敏度却降低了。
6.因此本发明的目的在于，使以开关电容器模式进行设计的接近度传感器的运行尽可能不受寄生电容的影响，并且尤其提高接近度传感器在测量电容方面的灵敏度。


技术实现要素：

7.该目的通过根据权利要求1所述的电容式接近度传感器来实现。
8.其他的设计方案在从属权利要求中给出。
9.根据第一方面，提出一种用于探测位于检测区域内的物体以及提供传感器输出电压的电容式接近度传感器，该接近度传感器包括：
[0010]-能够导电的探头；
[0011]-充电电路和/或放电电路，用于在充电阶段期间将在探头处出现的测量电容循环地充电到充电电位或用于在放电阶段期间将在探头处出现的测量电容放电到放电电位，其中充电电路和/或放电电路被设计用于根据到测量电容中的充电电流提供尤其第一输出电压和/或根据出自测量电容的放电电流提供尤其第二输出电压，其中根据该或这些输出电压、尤其第一输出电压和/或第二输出电压来提供传感器输出电压；
[0012]-有源切换装置，该有源切换装置用于将探头与充电电路和放电电路交替进行电连接；
[0013]-开关电源电压源，该开关电源电压源被设计用于与充电阶段与放电阶段之间的
切换同步地循环切换开关电源电位，从而为有源切换装置供应电能。
[0014]
用于实现开关电容器模式的常规设计方式在于，借助于(尤其呈模拟开关形式的)有源切换装置在充电阶段与放电阶段之间实施对测量电容的切换。该模拟开关是具有控制输入端的集成式构造单元，该控制输入端根据控制接口处的电平使输入接口与两个输出接口中的一个输出接口相连接。这样的模拟开关借助于晶体管、尤其场效应晶体管来实现其功能并且针对其运行需要电源电压。
[0015]
通过使用模拟开关，测量探头除了下文中的放大器的输入阻抗外还与模拟开关中的寄生电容相连接。在此，寄生电容的很大一部分施加在模拟开关的低电源电位或高电源电位与模拟开关的测量电容与之相连接的输入接口之间。其他寄生电容施加在模拟开关的低电源电位或高电源电位与模拟开关的输出接口之间。
[0016]
这些寄生电容降低了接近度传感器的灵敏度，原因是这些寄生电容与测量电容平行地布置或起作用。由此增加了充电和放电时的电荷流，因此当距离变化时，由于测量电容的变化而引起的电荷流变化比例变小。这导致接近度传感器对物体距离的灵敏度降低。
[0017]
为了实现充电和放电，通过切换装置在测量电容处交替地施加充电电位和放电电位。如果充电电位被施加到测量电容，则除了测量电容之外还必须对施加在模拟开关的输入接口与低电源电位或高电源电位之间的寄生电容进行充电。为了避免这种情况而提出的是，根据切换装置的开关操作来改变用于切换装置的高电源电位和低电源电位的电位，从而使反向充电的电流减小。尤其当充电电位被施加到输入接口以用于对测量电容进行充电时，优选可以在充电电位与放电电位的差值方面使切换装置的电源电压的电位发生改变(提高)。相反，当放电电位被施加到输入接口以用于对测量电容进行放电时，可以使用于切换装置的电源电位重新改变(降低)到初始电位水平。
[0018]
因此，无论开关状态如何，在模拟开关的输入接口(即与测量电容相连接的接口)与切换装置的低电源电位和/或高电源电位之间的寄生电容上始终施加有降低了的电压，当提高和降低模拟开关的电源电位与通过测量电容的充电状态和放电状态实现的切换同步地进行时，该降低了的电压促使反向充电电流减小。
[0019]
通过与充电阶段与放电阶段之间的切换同步地提高和降低切换装置的低电源电位和高电源电位，寄生电容的影响在很大程度上被消除，因为减少了寄生电容上的电压变化或者完全抑制了这种变化。由此减少或消除了流经寄生电容的电流，并且该电流在通过连接在下游的转换器转换为输出电压时不再存在或仅以较低的程度存在，该转换器将来自测量电容的充电电流和/或放电电流转换为传感器输出电压。
[0020]
此外，有源切换装置可以具有有源电路，该有源电路设计有晶体管、尤其场效应晶体管并且该有源电路尤其被设计为模拟开关。切换装置可以通过两个交替切换的独立开关来实现或者通过切换器模拟开关来实现。
[0021]
根据一个实施方式，可以使用开关电源电位中的一个开关电源电位或从开关电源电位中的一个开关电源电位导出的信号来控制切换装置。可以提出的是，充电电路具有充电电容和第一跨阻放大器，该第一跨阻放大器被设计用于至少在充电阶段期间为测量电容的充电提供充电电位并且根据到测量电容中的充电电流提供相对应的输出电压；和/或其中放电电路具有放电电容和第二跨阻放大器，该第二跨阻放大器被设计用于至少在放电阶段期间为测量电容的放电提供放电电位并且根据来自测量电容的放电电流提供相对应的
输出电压。
[0022]
充电电容和放电电容各自所具有的值尤其可以大于测量电容的典型的电容值，在物体尽可能最接近探头的情况下，充电电容和放电电容的电容值尤其是测量电容的至少十倍。
[0023]
此外，开关电源电压源可以与充电电路和/或放电电路相连接，以便以开关电源电位为它们供应电能。
[0024]
根据一个实施方式，充电电容可以提供与开关电源电位相关的充电电位，和/或放电电容可以提供与开关电源电位相关的放电电位。
[0025]
此外，探头还可以与串联电阻器串联连接。由此限制流入或流出测量电容的电流，从而增加测量电容在通过切换装置进行循环切换时的反向充电时间。这一点的优点是能够避免接近度传感器在循环切换时出现电流峰值。
[0026]
此外，可以根据开关电源电位产生充电电位和/或放电电位。可以设置有参考电位源，该参考电位源在两个电位水平之间循环切换，其中根据该参考电位源的电位或借助于该参考电位源产生开关电源电位和/或充电电位和/或放电电位。
[0027]
充电电位和放电电位尤其可以介于正开关电源电位与负开关电源电位之间。
[0028]
根据一个实施方式，可以设置有信号延迟元件，以便考虑切换装置的开关延迟。
[0029]
根据另一方面，提出一种具有上述接近度传感器以及与该接近度传感器相连接的比较器的接近度开关，该接近度开关预先规定开关阈值，因此能够根据传感器输出电压是否超过该开关阈值来发出有关物体是否存在的信号。
附图说明
[0030]
下面借助附图对实施方式详细地进行阐述。在附图中：
[0031]
图1示出具有接近度开关的传感器系统的示意图；
[0032]
图2示出根据第一实施方式的、具有有源切换装置的接近度传感器的电路图；
[0033]
图3示出根据另外的实施方式的接近度传感器的电路图；
[0034]
图4示出根据另外的实施方式的接近度传感器的电路图。
具体实施方式
[0035]
图1示出接近度开关1的示意图，该接近度开关用于利用可导电的探头3探测位于检测区域e内的可导电、优选接地的物体2。探头3与接近度传感器5相连接，该接近度传感器输出针对位于检测区域e内的物体2的传感器输出电压v
sens
以及该物体距探头3的距离。
[0036]
接近度传感器5的输出端可以与比较器6相连接，该比较器预先规定了开关阈值v
t
。根据传感器输出电压v
sens
是否超过开关阈值v
t
，可以通过开关信号s发出有关物体2是否存在于由开关阈值v
t
预先规定的周围区域中的信号。开关信号s用于操控开关7，以便根据该开关信号来接通或切断电路。
[0037]
接近度传感器5在图2中被展示为电路图。该接近度传感器大体上包括有源切换装置11以及充电电位单元和放电电位单元。接近度传感器5以开关电容器模式工作，在该模式下测量流入和/或流出(在探头3与物体2之间出现的)测量电容的充电电流和/或放电电流。在此，由此得出的充电电流和/或放电电流与测量电容的大小的量度相对应，该量度代表了
物体与探头的距离。
[0038]
有源切换装置11例如被设计为模拟开关。模拟开关为集成式构造单元，该构造单元将输入接口es以可切换的方式与多个输出接口as1、as2中的一个输出接口连接在一起。在当前情况下，有源切换装置11被设计成以转换开关的形式来将输入接口es与两个输出接口as1、as2中的一个输出接口连接在一起。此外，有源切换装置11具有用于施加高开关电源电位或低开关电源电位v
vers1
、v
vers2
的第一电源电位接口sv1和第二电源电位接口sv2。切换装置11的开关位置根据控制接口sa处的电平来设置。
[0039]
有源切换装置11具有有源电路11a，该有源电路设计有晶体管、尤其场效应晶体管。有源电路11a经由电源电位接口sv1、sv2通过高开关电源电位v
vers1
和低开关电源电位v
vers2
以开关电源电压被供应电能。高开关电源电位v
vers1
和低开关电源电位v
vers2
由开关电源电压源20提供。切换装置11的有源电路11a的具体结构在此不作详细讨论。
[0040]
而切换装置11的有源电路11a与输入接口es以及输出接口as1、as2相连接，其方式为使得在这些接口es、as1、as2与第二电源电位接口sv2之间有寄生电容cp1、cp2、cp3作用。另外的寄生电容施加在接口es、as1、as2与第一电源电位接口sv1之间。这些另外的寄生电容的影响与关于第二电源电位接口sv2的上述寄生电容相同。为了简单起见，在图中未示出这些另外的寄生电容。
[0041]
有源切换装置11的第一输出接口as1与充电电容ch1的第一接口相连接，并且在充电电容ch1的第二接口处施加有低电源电位v
allg2
。有源切换装置11的第二输出接口as2与放电电容ch2的第一接口相连接，并且在放电电容ch2的第二接口处施加有低电源电位v
allg2
。
[0042]
充电电容和放电电容ch1、ch2各自所具有的值明显均大于在物体尽可能最接近探头3时的测量电容cm的典型值。充电电容和放电电容ch1、ch2的电容值尤其是测量电容cm的至少十倍。
[0043]
接近度传感器5循环运行。为此，有源切换装置11根据循环频率f交替地来切换。循环频率f通常处于几百khz(尤其50khz)至几mhz、例如至10mhz的范围内。为此将循环变化的控制电位v
st
施加给切换装置11的控制接口。
[0044]
第一输出接口as1还与充电电路13相连接，该充电电路优选地设计有第一跨阻放大器13a。第一跨阻放大器13a可以提供充电电压v
lad
。充电电压v
lad
施加在充电电容ch1处，该充电电容对循环的充电过程进行缓冲。此外，可以在将测量电容cm切换到第一输出接口as1上时通过充电电容ch1对测量电容cm进行充电。第一跨阻放大器13a将充电电流i1转换为对应的与其相关的输出电压。
[0045]
第一跨阻放大器13a可以具有运算放大器，在该运算放大器的同相连接端处施加充电电压v
lad
的额定值v
soll1
。这例如可以通过分压器来实现。运算放大器的反相连接端与第一输出接口as1相连接。在运算放大器的输出端与反相连接端之间连接有电阻器r1。利用r1来设定借以将充电电流转换为输出电压v(i1)的系数。
[0046]
第二输出接口as2还与放电电路14相连接，该放电电路优选设计有提供放电电位v
entlad
的第二跨阻放大器14a。由此可以在将测量电容cm切换到第二输出接口as2上时将测量电容cm放电到放电电容ch2中，从而在第二跨阻放大器14a的输出端处施加与放电电流i2相关的电压。
[0047]
第二跨阻放大器14a可以具有运算放大器，在该运算放大器的同相连接端处施加
放电电位v
entlad
的额定值v
soll2
。运算放大器的反相连接端与第二输出接口as1相连接。在运算放大器的输出端与反相连接端之间连接有电阻器r2。利用电阻器r2来设定借以将放电电流转换为输出电压v(i2)的系数。
[0048]
跨阻放大器13a、14a的运算放大器通过高电源电位v
allg1
与低电源电位v
allg2
被供应电能。
[0049]
在本接近度传感器5中，根据充电电流11与放电电流i2的大小得到跨阻放大器13a、14a的输出端v(i1)-v(i2)之间的电压差来作为(能够与v
sens
相对应的)传感器输出电压vout。充电电流i1＝v
lad
×cm
×
f。放电电流i2＝
‑‑ventlad
×cm
×
f。因此可以通过对跨阻放大器13a、14a的输出电压求差来提高对测量电容变化的灵敏度。
[0050]
通过使用跨阻放大器13a、14a，分别将充电电容和放电电容ch1、ch2保持在由跨阻放大器预先规定的电压电位。于是，第一跨阻放大器13a将充电电压v
lad
施加给充电电容ch1并且即使在充电阶段也将其保持在这一电压水平。以同样的方式，第二跨阻放大器14a将第二放电电容ch2上的电压水平保持在放电电位v
entlad
并且即使在放电阶段也保持放电电容。
[0051]
跨阻放大器13a、14a特别适合应用于这样的接近度传感器5，因为这些跨阻放大器一方面能够预先规定充电电位和放电电位，并且另一方面能够提供与流入或流出测量电容的电流成比例的输出电压。
[0052]
根据本发明提出的是，借助于矩形波信号v
ref,f
能够产生开关电源电位v
vers1
、v
vers2
，从而使开关电源电位v
vers1
、v
vers2
根据开关循环周期而提高或降低。开关循环周期可以由控制信号来预先规定。为了操控切换装置11可以使矩形波信号v
ref,f
与控制电位v
st
相对应或与之偏离。替代性地，矩形波信号也可以根据预先规定的控制电位来生成，以实现对切换装置11的操控。
[0053]
输入接口es与第一输出接口as1的连接可以在控制电位v
st
的电位较高的情况下进行，并且输入接口es与第二输出接口as2的连接可以在控制电位的电位较低的情况下进行。低开关电源电位v
vers2
优选在0v与v
ref,f
之间循环地提高和再次降低。
[0054]
与充电阶段和放电阶段之间的切换同步地提高和降低开关电源电位v
vers1
、v
vers2
能够极大降低寄生电容在切换装置11中的影响，因为寄生电容不必或必须以较低的程度通过充电电流i1或放电电流i2被反向充电。这具有如下优点，即有效的测量电容不会或仅在较低程度上由于寄生电容而增大，从而使得切换装置11的寄生电容cp1、cp2、cp3对接近度传感器5的灵敏度的影响程度降低。
[0055]
如图3所示，除了开关电源电位v
vers1
、v
vers2
之外，电源电位v
allg1
、v
allg2
(附图标记v
allg1
因此不再在图3中进行展示)也能够以循环切换的开关电源电位v
vers1
、v
vers2
来为跨阻放大器13、14或运算放大器供应电能。由此可以实现的是，跨阻放大器13a、14a在输出侧输出大体上与电源电位v
allg1
、v
allg2
有关的直流电压。
[0056]
此外，能够将高开关电源电位或低开关电源电位施加到充电电容和放电电容ch1、ch2的不与切换装置11的输出接口相连接的接口。
[0057]
此外如在图3的实施方式中所展示的那样，可以设置与测量电容cm串联连接的串联电阻器rv。由此限制流出测量电容cm的电流，从而增加测量电容cm在通过切换装置11进行循环切换时的反向充电时间。可以参照切换装置11的切换频率将电阻器rv的尺寸确定成使
得测量电容cm大体上在的时间内被反向充电。这具有如下优点，即避免在接近度传感器5循环切换时出现电流峰值，这尤其对于接近度传感器5的电路的电磁兼容性来说是有利的。
[0058]
循环地提高和降低电源电压v
allg1
、v
allg2
可以通过给电源电压源15施加参考电压源16的矩形波电压信号v
ref,f
来实现。矩形波电压信号v
ref,f
可以用作用于切换装置11的控制电位，并且同时使电源电位v
allg1
、v
allg2
相应地提高和降低，以便产生开关电源电位v
vers1
、v
vers2
。同时，可以以相对应的方式使充电电位v
lad
和放电电位v
entlad
提高或降低，其方式为给该充电电位和该放电电位施加参考电压源16。充电电位v
lad
和放电电位v
entlad
可以是相同的或彼此不同的。因此通过如下方式产生充电电位v
lad
的额定值v
soll1
：使电源电压电位v
vers2
提高一个预先规定的失调电位v
offset
，当测量电容与充电电容ch1相连接时，该失调电位又在充电阶段被参考电压源16提高。当测量电容cm与放电电容ch2在放电阶段相连接时，可以通过将参考电压源16的矩形波电压信号降低到0v而使第二跨阻放大器14a的运算放大器的同相连接端处的放电电位仅与失调电位v
offset
相对应。失调电位v
offset
可以借助于用于两个跨阻放大器13a、14a的电阻器r3、r4的分压器提供。因此以用于充电电位v
lad
的额定值v
soll1
的相同方式产生用于放电电位v
entlad
的额定值v
soll2
。
[0059]
通过提高和降低开关电源电位v
vers1
、v
vers2
同样使寄生电容cp2和cp3的电位得到提高和降低。在每次提高和降低时，在寄生电容cp2与放电电容ch2之间以及在寄生电容cp3与放电电容ch2之间都会有电流流动。通过使保持电容ch1和ch2与切换装置11的提高和降低的电源电位产生关联，能够避免这些电流。
[0060]
为了确保跨阻放大器13a、14a能够被正向和反向地操控，同相连接端处的电位应当介于其高开关电源电位和低开关电源电位v
vers1
、v
vers2
之间。这例如可以通过由电阻器r3和r4构成的分压器来实现，该分压器连接在跨阻放大器13a、14a的高开关电源电位与低开关电源电位之间。如果高开关电源电位和低开关电源电位被施加到跨阻放大器13a、14a，则对应的充电电位v
lad
和放电电位v
entlad
相应地提高和降低由参考电压源16的矩形波信号v
ref,f
预先规定的电压摆幅。
[0061]
参考在图4的电路图中所展示的实施方式，可以设置信号延迟元件21，以便考虑切换装置11的开关延迟。由此可以在充电阶段与放电阶段之间发出切换信号与提供开关电源电位v
vers1
、v
vers2
的循环电位切换、切换装置11的完全切换之间设置时间延迟。
[0062]
附图标记清单
[0063]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接近度开关
[0064]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
物体
[0065]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
探头
[0066]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接近度传感器
[0067]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
比较器
[0068]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
开关
[0069]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
有源切换装置
[0070]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
有源电路
[0071]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
充电电路
[0072]
13a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一跨阻放大器
[0073]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
放电电路
[0074]
14a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二跨阻放大器
[0075]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电源电压源
[0076]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
参考电压源
[0077]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
开关电源电压源
[0078]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
信号延迟元件
[0079]vt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
开关阈值
[0080]vsens
、v
out
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器输出电压
[0081]
es
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
输入接口
[0082]
as1、as2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
输出接口
[0083]
sv1、sv2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一电源电位接口和第二电源电位接口
[0084]vvers1
、v
vers2
ꢀꢀꢀ
高开关电源电位和低开关电源电位
[0085]
sa
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制接口
[0086]
cp1、cp2、cp3
ꢀꢀꢀ
寄生电容
[0087]
ch1、ch2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
充电电容和放电电容
[0088]
cm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
测量电容
[0089]
r1-r4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电阻器
[0090]vref,f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
矩形波信号
[0091]vst
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制电位
[0092]vallg1
、v
allg2
ꢀꢀꢀ
高电源电位和低电源电位
[0093]voffset
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
失调电位
[0094]
i1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
充电电流
[0095]
i2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
放电电流