邻近传感器和移动无线设备的制作方法

邻近传感器和移动无线设备
1.本技术是国家申请号为201910608650.7的发明专利申请的分案申请，该发明专利申请的申请日为2019年7月8日，发明名称为“邻近传感器和移动无线设备”。
技术领域
2.本发明涉及邻近传感器和用于检测身体部分的邻近的方法。本发明的实施例涉及无线移动设备、比如移动电话、个人计算机或平板设备，其被配备有本发明的邻近传感器，并且基于传感器所生成的邻近信号，可抑制显示器和/或触敏面板，和/或适配无线电传送器的rf功率。


背景技术：

3.通常期望的是检测身体部分是否处于装置的短距离处。在手机和无线连接的移动设备（包括平板设备和其它类似终端）的特殊情况中。该形式的邻近检测可以被用作对于装置的输入，但是对于rf发射设备，已知使用邻近指示来适配瞬时rf功率，用于遵从sar（特定吸收率）规程。sar是当人体靠近于无线电发射设备（电话、平板设备、膝上型计算机等等）的时候在人体中辐射的rf能量的量的度量。
4.依赖于邻近检测的便携式连接的设备的其它有用功能是：当便携式电话被带至耳朵用于呼叫的时候禁用便携式电话的触摸屏，以免用户可能通过用脸颊或耳朵触摸屏幕而触发不想要的动作，并且在相同的情形中关断屏幕背光以节约能量。
5.已知被布置用于检测靠近于对象的身体的传感器，包括基于电感性、光学、热和电容性的传感器。在手机市场中，现今最常见的方法是用于检测靠近rf天线的对象的基于电容性的传感器。
6.电容性传感器通常被实现为pcb上的金属化焊盘，但是在许多情况中，现有元件、诸如天线（即导电线）可兼作电容性检测器，使得可以在没有表面惩罚的情况下添加检测器。
7.用于移动通信设备中的邻近感测的电容性传感器的示例在以申请人名义的专利申请ep2988479中被描述，所述专利申请的内容由此通过引用被包括。


技术实现要素：

8.根据本发明，这些目的借助于所附权利要求的对象被实现。具体地，这些目的通过被布置用于检测邻近于便携式设备的用户的身体部分的便携式设备的邻近传感器来实现，所述邻近传感器具有第一电极和第二电极，二者都与便携式设备外部的便携式用户的身体部分电容性可耦合；读出电路，其操作地被布置用于获取由第一电极所见的第一电容以及由第二电极所见的第二电容；以及邻近传感器，其基于所述第一电容和第二电容来生成定向邻近信号，以及第二全向邻近信号。
9.本发明的有利变体包括如上详述的传感器，其中第一和第二邻近信号被使用在便携式设备中，用于关断和开启触敏显示器，并且降低rf传送器的功率，用于遵守调控sar限
制。此外的实施例涉及包括解耦元件，通过所述解耦元件，第二电极可以被同时连接到邻近读出电路以及连接到rf收发器，并且同时充当rf天线；涉及读出电路的数字处理单元中的噪声消减、消隐脉冲电平（pedestal）消减和漂移补偿。
10.本发明的其它有利的要求保护的变体涉及基于由电极所见的电容的差、或加权组合或比率，要不然当作为坐标具有第一和第二电容的向量落在笛卡尔平面中的预定区中的时候，生成定向邻近信号。
11.此外，当本发明被应用到具有触敏屏幕的便携式智能电话的时候，第一电极将优选地在电话的顶部上，而第二电极将优选地在电话本身的背部上，与显示器相对。第二电极和/或第一电极可以具有在下方的屏蔽电极，和/或在邻近处或上方的防护电极。优选地，屏蔽和防护电极可以选择性地被连接到电压源，或被留在高阻抗浮动状态中。
12.在本发明的上下文中，方向“向上”、“向下”、“前”、“后”是指便携式设备、诸如移动电话的正常定向，其中屏幕面向用户并且扬声器向上。
13.此外，词语“定向”当被应用到邻近检测的时候指示信号以这样的方式被处理使得在所确定的方向上、例如在电极前方的导电主体以比其它方向上、例如电极后方的类似特性的其它导电主体更高的灵敏度来被检测。该定向灵敏度可以包括组合两个或更多电极的读数。
附图说明
14.借助于作为示例被给出并且通过附图所图示的实施例的描述，将更好地理解本发明，在所述附图中：图1和2示意性并且以横截面示出了电容性传感器，所述电容性传感器包括防护电极和背部屏蔽，其远离导电主体，相应地关于靠近的导电手指。
15.图3示出了便携式设备，其在顶部上具有电容性感测电极，并且在背部上具有电容性感测电极。第一电极兼作rf天线。
16.图4示出了电容性电极/天线组合的解耦方案。
17.图5示意性地图示了可以在本发明的框架中被采用的数字处理器的架构。
18.图6示出了根据本发明的实施例的邻近检测器的结构。
19.图7在本发明的实施例中绘制基于由两个电极所见的电容的定向邻近函数的值。
20.图8在图表中示出了用于生成定向邻近信号和全向sar信号的步骤。
具体实施方式
21.尽管本发明适用于大量设备，包括但不限于手机、平板设备和膝上型计算机，但是本描述的示例可以简单地是指电话。这不应当被解释为对本发明的限制，而是仅仅被解释为示例，其为了简明缘故而聚焦于特定的实现方式。
22.现在将参照附图来重现适合用于本发明的电容性邻近检测器的运转。如图1中所图示的，电容性传感器可以将印刷电路板或pcb 157上的导电层20用作感测电极。在示例中，电极20被接地的环形防护电极25围绕，背对着屏蔽电极23，并且被介电叠覆158覆盖，但是这些特征中没有任何一个是必需的，因为形状可以是圆的，如所示出的，或任何其它形状。防护电极25可以用于增强检测的方向性，从而横向地屏蔽主要电极。在可能的变体中，
防护电极25可以部分地覆盖主要电极20，要不然它可以被配置为叠覆主要电极的栅格。通过将防护电极选择性地连接到接地，或与感测电极20相同的电势，人们可以改变电场在电极上方延伸所处的距离、以及随此的检测范围。
23.在自由空间中，远离其它导电主体，感测电极的电容将具有基线值： c
sensor = c
env
，其根据在电极与所有周围的导体之间的电感应来被确定。
24.在传感器邻近处的导电主体，如图2中所示的手指，修改电场分布，并且一般引发感测电极的电容的增加：c
sensor = c
env + c
user
。
25.将很好地认识到，增加的c
user
与基线电容c
env
相比可以小得多。在典型情况中，c
user
可以是c
env
的1%，或甚至更小。在另一方面，c
env
难以可靠地预测或模拟，因为它取决于若干不可控的效应。虽然如此，可以通过以下公式来估计c
user
：其中a是在两个电极之间的公共区域，因此在用户的手指/手掌/脸部和传感器电极20之间的公共区域，d是其距离，并且ε0、εr标示绝对和相对介电常数（dielectric permittivity）。忽略导电效应。
26.图3图示了便携式设备，例如智能电话40。电话40包括在前侧上的触敏屏幕面板70，以及麦克风105和扬声器110，其相应地在屏幕70下方、上方。电话的合期望的功能是当设备被带至耳朵用于电话交谈的时候，屏幕70应当被禁用以降低功耗，并且应当忽略在屏幕和用户脸颊之间的任何接触。
27.便携式设备40必要地通过某种形式的无线电连接与邻域中和/或互联网中的其它设备连接。这典型地包括wi-fi（ieee 802.11），和/或蓝牙
®
，和/或移动电话网络。当用户靠近于无线电来源的时候，其组织从电磁射频场吸收能量；通过特定规程来限制吸收率（sar）。便携式设备40的另一所期望的功能是当用户在附近的时候应当限制rf功率，以遵从这些规则，而不一直损伤连接性。
28.便携式设备40包括用于电容性测量用户身体的一部分的邻近度的至少两个电极。第一电极30还被用作用于无线电通信的rf天线，并且通常被装配成靠近设备的顶部。第二电极60用于空间辨别和方向性，并且可以被装配在电话的背部上、在触摸屏70后方和/或与其相对。
29.借助于合适的解耦，相同的导体可以被用作电容性感测电极和rf天线二者。图4图示了一种可能的布置，其中导体30既借助于高通网络——通过电容器c符号表示——被连接到rf收发器57，也通过低通网络——通过电感器l符号表示——被连接到邻近检测电路80。当邻近检测电路感测到用户靠近于天线30的时候，它告知主机100，其使得rf传送器57降低发射功率。在具体实现方式中，天线可以具有复杂的结构，其中可以添加多个分段、以及屏蔽和防护电极，而不偏离一般概念。
30.图6示出了邻近检测电路80，所述邻近检测电路80被布置成读取由两个电极30和60所见的电容，如在图3的设备中所示出的。电极可以具有背部屏蔽33、63，所述背部屏蔽33、63被永久地接地、或连接到屏蔽控制单元51，其允许将它们约束在期望的电压处或保持它们浮动。第二电极60具有防护65（在此处被描绘为栅格），所述防护65的电容通过分离的读出通道被读取。尽管电路80被绘制有用于读取由三个电极所见的电容的三个读出通道，
但是这不是本发明的限制特征，并且在需要时，通道的数目可以更低或更高。
31.电极通过复用器54被连接到电容至电压子电路53，所述复用器54进而逐一读取所有通道in0-in2。优选地利用复用循环来同时操作开关s0-s1。复用器是有利的，但是不是本发明的基本特征：并行实现方式也是可能的。
32.电容至电压子电路53将由电极所见的电容转换成合适的电压信号，并且继之以可编程的偏移消减子电路50。如已经提及的，邻近信号c
user
被叠加到大得多的基线值c
env
，其既不预先已知也不稳定。数字处理器65可以估计基本电容的值，并且通过在偏移消减子电路50中编程合适的值来补偿它。经补偿的电容信号通过adc 55被转换成数字值。
33.邻近检测电路80可以借助于合适的数据总线db与主机处理器100通信，并且产生一个定向邻近逻辑标志（prox）和全向sar标志，所述定向邻近逻辑标志（prox）用信号向主机通知应当抑制屏幕70的操作，所述全向sar标志指示用户身体的一部分靠近于天线30并且应当适配rf功率。图8在工作流图表中图示了该方法。
34.图5以简化方式示出了通过数字处理器65为每个通道实施的处理的可能的架构。来自adc的原始样本r(n)被输入滤波器210处理，以移除噪声并且产生“有用的”信号u(n)。输入滤波器210可以是线性低通滤波器，或非线性的一个。漂移估计单元212确定被叠加到u(n)样本的漂移分量，其在215处被减去。最后，235代表附加的处理，包括消除抖动、上溢/下溢检测（其可触发基线补偿）等等。
35.经处理的样本d(n)可以被馈送到辨别器218以生成邻近标志，或与用于定向检测的其它电极的读数相组合，如下所述。
36.重要地，邻近检测器80基于由第一电极30、相应地由第二电极60所见的电容来生成定向邻近信号（prox）。处于与电话的各种空间关系中的不同对象将影响由第一和第二电极所见的、以不同度量的电容，并且这可以用于定向辨别。
37.当例如用户将电话靠近耳朵的时候，由第一和第二电极所见的电容二者将以给定的比例增大。这应当对照其它情形被辨别，当用户在手中握持电话，并且与顶电极30相比相当更多地加载背电极60，并且手指滑动的时候，当在握持电话的时候设备在屏幕上滑动手指的时候，所述其它情形不应触发邻近信号、比如设备紧握。
38.在本发明的可能的变体中，邻近传感器基于在由第一和第二电极所见的电容之间的比率、或基于其差、或基于第一和第二电容的线性组合来判定是否要提出邻近标志。
39.在优选的变体中，邻近检测电路80基于在具有第一和第二电容作为分量的向量在笛卡尔平面中的定位来判定是否提出邻近标志。图7绘制了该情形。d-标示背电极60的电容，并且d+是顶电极30的电容。设备紧握事件群聚在特定的区265中，而手指滑动事件大部分落在区267中。当电话被带至耳朵的时候，由两个电极所见的电容上升，其在给定的近似内遵循曲线250。检测电路80被布置成当通过d+和d-所定义的向量位于在下阈值线260与上阈值线262之间的区255（白色）中的时候提出邻近触发。下阈值和上阈值优选可通过主机系统编程，或被预加载在邻近电路80的固件中，并且可以被参数化为分段线性函数，或以任何其它方式被参数化。
40.在与定向邻近信号（prox）的同时，邻近电路还生成单向邻近信号（sar），所述单向邻近信号（sar）用于降低rf功率。在有利的变体中，基于由顶电极30所见的电容来生成sar信号，所述顶电极30也是rf天线。这可以简单地通过对照阈值来比较d+数字信号而被进行。
更复杂的处理也是可能的，并且可以考虑例如：
●
d+信号的改变率。用户的靠近预期是逐渐的。如果电极30也是rf天线，则突然的改变是噪声事件的指示，或负载匹配电路的干预的指示。
●
d+信号的变化。小变化指示电话可以是搁在桌上，而不是靠近于身体部分。
●
d-信号的贡献来自于其它电极。
41.各图中所使用的参考符号20感测电极25防护电极30顶/第一电极/rf天线33屏蔽电极40便携式设备50偏移补偿51屏蔽控制53电容至电压转换器54复用器55模拟至数字转换器57rf收发器60背电极/第二电极63屏蔽电极65部分防护电极65数字处理器70显示器80邻近检测电路100主机105麦克风110扬声器124屏蔽电极137基底138保护膜210原始滤波器212漂移估计215加法器218比较器220有用的样本230所估计的漂移235附加的处理240经漂移消减的样本250预期的靠近260下阈值线
262上阈值线265设备紧握事件的预期的区267手指滑动事件的预期的区270可用的新样本275判定步骤：基于天线电极的邻近度280降低rf功率的步骤285恢复rf功率的步骤290判定步骤：基于两个电极的定向邻近度295关断显示器，或对邻近标志作出反应300开启显示器，或对邻近标志的重置作出反应。