基于电桥的阻抗传感器系统技术方案

阻抗感测电路，包括布置为电桥配置的三个阻抗元件和感测元件。第一输入端子耦合到两个阻抗元件以施加刺激信号。在互感测模式下，第二输入端子耦合到第三阻抗元件和感测阻抗元件以施加反相刺激信号。阻抗感测电路可以在自感测模式下配置，其中反相刺激信号与第三阻抗元件和感测阻抗元件解耦。至少一个阻抗元件是可变的，并且可以调整以平衡传感元件上的偏移阻抗负载。阻抗负载。阻抗负载。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于电桥的阻抗传感器系统
[0001]优先权数据
[0002]本申请要求优先于以下美国临时专利申请，并在此通过引用将其整体并入：
[0003]申请号62/936,746，于2019年11月18日提交，名称为“SENSING MATERIAL PROPERTIES USING DI
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ELECTRIC RELAXATION MEASUREMENTS”[0004]申请号62/936,747，于2019年11月18日提交，名称为“SENSING ORGANIC TISSUE PROPERTIES USING DI
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ELECTRIC RELAXATION MEASUREMENTS”[0005]申请号62/936,749，于2019年11月18日提交，名称为“SENSING IN
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EAR PLACEMENT USING DI
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ELECTRIC RELAXATION MEASUREMENTS”[0006]申请号62/936,752，于2019年11月18日提交，名称为“BRIDGE CAPACITANCE SENSOR”[0007]申请号62/936,756，于2019年11月18日提交，名称为“SHAPING E
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FIELDS FOR DIRECTIONALITY IN DI
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ELECTRIC RELAXATION MEASUREMENTS”。


[0008]本专利技术涉及阻抗传感器领域，尤其涉及基于电桥的阻抗传感器系统的设计和阻抗传感器系统的应用。

技术介绍

[0009]电容传感是检测不与传感装置物理接触的物体的存在或位置的常用方法。电容传感器目前的应用包括手势感应、接近检测、SAR(比吸收率)合规性和材料识别。
[0010]现有电容传感器通常包括一个或多个电极，这些电极产生电场，并测量电场内物体引起的电场变化。例如，在自感应模式下工作的电容传感器测量电极和接地之间的电容。当物体放置在电极附近时，物体会改变电极和地面之间的电场，并增加测量的电容。作为另一个例子，在相互感测模式下工作的电容传感器具有由两个电极形成的电容器，电场跨越两个电极。当双电体或金属物体插入电场时，两个电极之间的电容会发生变化。在端子之间发生双电变化的情况下，双电的极化会影响电极之间观察到的净电容。在电极之间发生金属变化的情况下，端子之间表面电荷分布的引入可能会改变电场分布，这可能会改变电极之间观察到的净电容。
[0011]可以测量自感应模式下电极和地之间的偏移电容，或相互感应模式下两个电极之间的偏移电容，并从后续测量中减去。这使传感器能够感应到传感器附近物体引起的电容变化。在一些应用中，设备包括多个电容传感器，并且可以使用电极放置和大小的空间和几何多样性来提高信噪比并获得方向观测。
附图说明
[0012]为了提供对本公开及其特征和优点的更完整的理解，结合附图参考以下描述，其中相同的附图标记表示相同的部分，其中：
[0013]图1是根据本公开的一些实施例的传感器系统的框图；
[0014]图2是更详细地示出根据本公开的一些实施例的传感器系统的驱动器电路和信号处理电路的框图；
[0015]图3是根据本公开的一些实施例的示例阻抗电桥的框图；
[0016]图4是根据本公开的一些实施例的以自感模式配置的阻抗电桥和放大器电路的框图；
[0017]图5是根据本公开的一些实施例的以互感模式布置的阻抗电桥和放大器电路的框图；
[0018]图6A和6B是根据本公开的一些实施例的示例阻抗电桥的电路图；
[0019]图7是根据本公开的一些实施例的在设备中实现并以互感模式配置的传感器系统的示例实现的框图；
[0020]图8是根据本公开的一些实施例的在设备中实现并配置为自感模式的传感器系统的示例实现的框图；
[0021]图9提供了根据本公开的一些实施例的使用传感器系统感测阻抗变化的方法；
[0022]图10提供了根据本公开的一些实施例的在互感模式和自感模式下使用传感器系统的方法；
[0023]图11示出了根据本公开的一些实施例的由自感阻抗传感器中的电极产生的电场；
[0024]图12示出了根据本公开的一些实施例的由电极产生并由接地元件成形的电场；
[0025]图13示出了根据本公开的一些实施例的具有定位在用户耳朵中的集成阻抗传感器的耳机；
[0026]图14A和14B示出了根据本公开的一些实施例的处于用户手中的两个位置的图13的耳机；
[0027]图15示出了根据本公开的一些实施例的具有放置在桌子上的集成阻抗传感器的扬声器；
[0028]图16示出了根据本公开的一些实施例的图15中所示的扬声器的横截面；
[0029]图17提供了根据本公开的一些实施例的用于基于集成到电子设备中的阻抗传感器周围环境的介电常数来调整电子设备行为的方法；和
[0030]图18提供了根据本公开的一些实施例的用于基于组织的介电常数对组织进行分类的方法。
具体实施方式
[0031]概述
[0032]本专利技术的系统、方法和装置均具有多个创新方面，其中没有一个单独负责本文所公开的所有期望属性。本说明书中描述的主题的一个或多个实现的细节在下面的描述和附图中阐述。
[0033]在某些应用中，电容传感器用于在固定阻抗的基础上感应负载阻抗的微小变化。例如，当手机靠近用户头部时，手机使用的特定吸收率(SAR)限制要求降低手机的发射功率。电容传感器可用于检测手机旁边是否有头部。相对于用户头部引起的电容变化(1fF的级别)，手机天线会产生较大的固定电容(例如，200pF)。现有电容传感器被配置为检测环境
中的总电容，并从检测到的总电容测量值中减去固定电容，以确定由于磁场变化引起的电容变化。这种传感器在存在如此大的固定电容的情况下很难检测到电容的如此小的变化。
[0034]本文公开的传感器系统能够通过使用阻抗电桥，在存在较大固定阻抗的情况下测量负载阻抗的微小变化。阻抗电桥有三个阻抗元件和耦合网络。至少一个阻抗元件是可变的，例如，至少一个阻抗元件包括可变电容器和/或可变电阻器。耦合网络可耦合到一个或多个感测电极，所述感测电极在感测电极的环境中产生电场并感测阻抗响应。对阻抗电桥进行校准，以考虑电极环境中的任何固定阻抗。校准的阻抗电桥测量固定阻抗顶部的阻抗变化，而不是测量固定阻抗本身。更具体地说，可变阻抗元件被设置为偏移固定阻抗，以便阻抗电桥的输出反映环境中的阻抗变化，而固定阻抗被阻抗元件抵消。
[0035]阻抗电桥在第一和第二阻抗元件之间具有一个输出端子。阻抗电桥在第三阻抗元件和耦合网络之间具有另一个输出端子。两个输出端子之间的电压差与感测电极相对于固定阻抗感测到的阻抗变化有关。在SAR示例中，校准阻抗元件以偏移手机天线的电容，并且传感器输出可用于确定用户的头部是否在传感器的环境中，即相对于固定阻抗是否存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.感测电路，包括：输入端子；耦合在所述输入端子和第一输出端子之间的第一阻抗元件，所述第一阻抗元件是可变阻抗元件；耦合在所述输入端子和第二输出端子之间的第二阻抗元件；耦合到所述第二输出端子的第三阻抗元件；耦合到所述第一输出端子的耦合网络；和放大器电路，耦合到所述第一输出端子和所述第二输出端子，所述放大器电路用于输出与由耦合到所述耦合网络的感测阻抗元件感测的环境特性相关的电压。2.权利要求1所述的感测电路，还包括调整所述第一阻抗元件的阻抗以平衡所述感测阻抗元件上的偏移阻抗的电路。3.权利要求1所述的感测电路，其中所述第二阻抗元件是可变阻抗元件。4.权利要求3所述的感测电路，还包括电路，用于：基于所述偏移阻抗确定所述第一阻抗元件的第一阻抗；和基于所述偏移阻抗和所述第一阻抗确定所述第二阻抗元件的第二阻抗，其中所述第二阻抗和所述第三阻抗元件的第三阻抗之间的第一阻抗比等于所述第一阻抗和所述偏移阻抗之间的第二阻抗比。5.权利要求4所述的感测电路，其中所述第一阻抗和所述第二阻抗包括用于第一感测模式的第一组阻抗，并且该电路还被配置为确定用于第二感测模式的第一和第二阻抗元件的第二组阻抗。6.权利要求1所述的感测电路，还包括驱动电路，用于产生刺激信号，调整所述刺激信号的频率，并在输入端子处施加所述刺激信号。7.权利要求6所述的感测电路，其中所述驱动电路被配置为向输入端子施加多个刺激信号，其中所述多个刺激信号中的每一个具有不同的频率。8.权利要求6所述的感测电路，还包括将所述刺激信号与所述放大器电路的输出相关联的信号处理电路，所述信号处理电路耦合到所述放大器电路并耦合到所述驱动电路。9.权利要求1所述的感测电路，其中所述第一、第二和第三阻抗元件中的每一个包括串联的电容器和电阻器。10.权利要求1所述的感测电路，其中所述第一和第二阻抗元件各自包括电容器和与所述电容器并联布置的上拉电阻器。11.权利要求1所述的感测电路，其中所述耦合网络耦合接地。12.权利要求11所述的感测电路，其中所述第三阻抗元件耦合在所述第二输出端子和接地之间。13.权利要求1所述的感测电路，还包括耦合到所述耦合网络的第二输入端子。14.权利要求13所述的感测电路，其中所述第三阻抗元件耦合在所述第二输出端子和所述第二输入端子之间。15.传感器系统，包括：驱动电路，用于产生周期性刺激信号；阻抗电桥，包括第一阻抗元件、第二阻抗元件和第三阻抗元件，其中所述第一阻抗元件
是可变阻抗元件；输入端子，耦合至所述驱动电路并耦合至所述阻抗电桥，以将所述刺激信号施加至所述阻抗电桥；耦合到所述阻抗电桥的第一输出端子的耦合网络；和耦合到所述阻抗电桥的第一输出端子和第二输出端子的放大器电路，所述放大器电路被配置为基于来自所述第一输出端子和所述第二输出端子的信号来输出电压。16.权利要求15所述的传感器系统，还包括电路，用于调整所述第一阻抗元件的阻抗，以平衡耦合到所述耦合网络的感测阻抗元件上的偏移阻抗。17.权利要求15所述的传感器系统，其中所述第二阻抗元件是可变阻抗元件，所述传感器系统还包括电路，用于：基于所述偏移阻抗确定所述第一阻抗元件的第一阻抗；和基于所述偏移阻抗和所述第一阻抗确定所述第二阻抗元件的第二阻抗，其中所述第二阻抗和所述第三阻抗元件的第三阻抗之间的第一阻抗比等于所述第一阻抗和所述偏移阻抗之间的第二阻抗比。18.权利要求15所述的传感器系统，其中所述驱动电路被配置为产生多个周期性刺激信号，每个周期性刺激信号具有各自的频率，并将所述多个周期性刺激信号施加于所述输入端子。19.权利要求15所述的传感器系统，还包括信号处理电路，用于将所述周期性刺激信号与所述放大器电路的输出相关联，所述信号处理电路耦合到所述放大器电路并耦合到所述驱动电路。20.权利要求15所述的传感器系统，其中所述第一、第二和第三阻抗元件中的每一个包括串联的电容器和电阻器。21.一种用于检测环境特征变化的方法，包括：基于偏移阻抗，确定第一阻抗元件的第一阻抗，该第一阻抗元件和第二阻抗元件以及第三阻抗元件布置为阻抗电桥；根据确定的第一阻抗来配置所述第一阻抗元件；向所述阻抗电桥施加周期性刺激信号；和通过第一输出端子和第二输出端子接收所述阻抗电桥的输出。22.权利要求21所述的方法，还包括：确定所述第一阻抗和所述偏移阻抗之间的第一阻抗比；和基于所述第一阻抗比确定所述第二阻抗元件的第二阻抗，其中所述第二阻抗和所述第三阻抗元件的第三阻抗之间的第二阻抗比等于所述第一阻抗比。23.权利要求22所述的方法，其中所述第一阻抗和所述第二阻抗包括用于第一感测模式的第一组阻抗，该方法还包括：确定用于第二感测模式的第一和第二阻抗元件的第二组阻抗，所述第二组阻抗基于用于第二感测模式的第二偏移阻抗。24.权利要求21所述的方法，还包括：在放大器电路处接收来自所述第一输出端子的第一信号和来自所述第二输出端子的第二信号；
放大所述第一信号和所述第二信号之间的电压差；和将所述电压差转换为数字输出信号。25.权利要求21所述的方法，还包括：在信号处理电路处接收所述阻抗电桥的输出和所述周期性刺激信号；和将所述周期性刺激信号与所述阻抗电桥的输出相关联。26.权利要求21所述的方法，其中所述阻抗电桥的输出是在第一时间获得的第一输出，该方法还包括：在第二时间向所述阻抗电桥施加第二周期性刺激信号；经由所述第一输出端子和所述第二输出端子接收所述阻抗电桥的第二输出；和确定从所述第一时间到所述第二时间的感测阻抗的变化，所述感测阻抗的变化与所述感测阻抗元件感测的环境特性的变化有关。27.传感器系统，包括：阻抗电桥，包括布置为电桥配置的第一阻抗元件、第二阻抗元件、第三阻抗元件和耦合网络；第一输入端子，耦合到所述第一阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：I，
申请(专利权)人：美国亚德诺半导体公司，
类型：发明
国别省市：