ДАТЧИК ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРОВОДЯЩИХ ТЕЛ Российский патент 2013 года по МПК G01V3/08 G08B13/26 G01D5/24 

Настоящее изобретение относится к емкостному обнаружению проводящих тел или целей, например, людей.

Уровень техники

Присутствие тел или объектов может быть обнаружено с помощью определения изменения емкости между двумя пластинами. Присутствие объекта вызывает изменение диэлектрической постоянной между двумя пластинами, что вызывает изменение емкости, образованной с помощью упомянутых двух пластин.

Емкостной датчик может быть использован, например, чтобы обнаруживать перемещения людей, например, в системе сигнализации против воровства.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является предоставить датчик, систему и способ, предназначенные для обнаружения проводящих тел.

Датчик содержит, по меньшей мере, первый сигнальный электрод, второй сигнальный электрод и базовый электрод, которые расположены в или на электрически изолирующей по существу планарной подложке. Базовый электрод находится между сигнальными электродами, причем расстояние между первым сигнальным электродом и вторым сигнальным электродом меньше или равно 20% от ширины сигнальных электродов.

Датчик в соответствии с изобретением может обеспечивать улучшенную чувствительность по сравнению с традиционным датчиком, в котором ширина сигнального электрода по существу равна ширине электрода заземления, или, когда разность ширин электродов меньше, чем в соответствии с настоящим изобретением.

Датчик в соответствии с изобретением может обнаруживать присутствие проводящих тел, которые находятся дальше от датчика, чем в случае традиционного датчика, в котором ширина сигнального электрода по существу равна ширине электрода заземления. Датчик в соответствии с изобретением имеет увеличенное расстояние считывания для проводящих объектов.

Датчик в соответствии с изобретением может быть по существу нечувствительным к выравниванию обнаруживаемого тела. Неактивная область между сигнальными электродами является небольшой и, следовательно, фактически невозможно, например, ходить по упомянутой неактивной области. Слепых пятен можно избежать. Ориентация, например, ступни человека не имеет существенного влияния на возможность обнаружения.

Варианты осуществления изобретения и их преимущества станут более понятными специалисту в данной области техники посредством описания и примеров, приведенных ниже в настоящей заявке, а также посредством прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

В следующих примерах варианты осуществления изобретения будут описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

фиг.1 изображает датчик в трехмерном виде,

фиг.2 изображает в трехмерном виде человека, идущего по датчику,

фиг.3 изображает вид сбоку ступни человека, расположенной над сигнальным электродом,

фиг.4 изображает вид сбоку ступни человека, расположенной над сигнальным электродом и базовым электродом,

фиг.5 изображает вид сбоку ступни человека, расположенной над датчиком в соответствии с предшествующим уровнем техники,

фиг.6 изображает эквивалентную схему системы, содержащей датчик и тело,

фиг.7а изображает эквивалентную схему датчика без присутствия тела,

фиг.7b изображает эквивалентную схему системы, содержащей датчик, тело и землю,

фиг.8а изображает эквивалентную схему системы, содержащей датчик и слой покрытия, расположенный над датчиком,

фиг.8b изображает эквивалентную схему системы, содержащей датчик, тело и слой покрытия между датчиком и телом,

фиг.9а изображает сигнальные и базовый электроды, расположенные над подложкой,

фиг.9b изображает сигнальные и базовый электроды, расположенные под подложкой,

фиг.9с изображает сигнальные и базовый электроды между двумя подложками,

фиг.9d изображает сигнальные и базовый электроды, расположенные на разных сторонах подложки,

фиг.10 изображает датчик, содержащий матрицу по существу прямоугольных сигнальных электродов, имеющих структуру базового электрода между ними,

фиг.11 изображает датчик, содержащий матрицу групп сигнальных электродов, причем каждая группа содержит несколько сигнальных электродов, соединенных последовательно,

фиг.12 изображает структуру базового электрода, которая только частично окружает сигнальные электроды,

фиг.13а изображает датчик, содержащий матрицу треугольных сигнальных электродов,

фиг.13b изображает датчик, содержащий матрицу шестиугольных сигнальных электродов,

фиг.13с изображает датчик, содержащий матрицу квадратных сигнальных электродов, имеющих скругленные углы, и области базового электрода в форме звезды вблизи углов сигнальных электродов,

фиг.14а изображает ленту, содержащую структуры сигнальных и базовых электродов.

фиг.14b изображает датчик, обеспеченный с помощью разрезания ленты фиг.14а,

фиг.15 изображает измерительную систему, содержащую матрицу сигнальных электродов и устройство мультиплексирования,

фиг.16 изображает измерительную систему, содержащую матрицу сигнальных электродов и матрицу устройств мониторинга, и

фиг.17 изображает датчик, содержащий матрицу по существу круглых сигнальных электродов.

Все чертежи являются схематическими.

Подробное описание изобретения

Ссылаясь на фиг.1, емкостной датчик 100 содержит первый сигнальный электрод 10а, второй сигнальный электрод 10b и структуру 20 базового электрода между упомянутыми сигнальными электродами 10а, 10b. Структуру 20 базового электрода называют в настоящей заявке как базовый электрод 20.

Электроды 10а, 10b, 20 осуществлены в электрически изолирующей по существу планарной подложке 7 или на электрически изолирующей по существу планарной подложке 7. Датчик 100 может содержать, например, металлические фольги 10а, 10b 20, прикрепленные к пластиковой фольге 7. Датчик 100 может быть гибким, чтобы облегчать транспортировку и хранение в рулонах. Толщина датчика (в направлении SZ) может быть меньше или равна 1 мм.

SX, SY и SZ обозначают три ортогональных направления. Направления SY и SZ определяют плоскость подложки 7.

а1 обозначает высоту сигнального электрода 10а (в направлении SY). s1 обозначает ширину сигнального электрода 10а (в направлении SX). s3 обозначает расстояние между первым сигнальным электродом 10а и вторым сигнальным электродом 10b. s2 обозначает ширину той части базового электрода 20, которая находится между сигнальными электродами 10а, 10b. s4 обозначает ширину зазора между сигнальным электродом 10а и базовым электродом 20.

Расстояние s3 между первым сигнальным электродом 10а и вторым сигнальным электродом 10b может быть, например, в диапазоне от 5 до 30 мм.

Ширина s2 может быть, например, в диапазоне от 0,3 до 15 мм, преимущественно в диапазоне от 1 до 7 мм, предпочтительно в диапазоне от 2 до 7 мм. Ширина s4 может быть, например, в диапазоне от 0,3 до 15 мм, преимущественно в диапазоне от 1 до 7 мм.

Ширины s2 и s4 могут быть по существу одинаковыми.

Площадь поверхности второго сигнального электрода 10b может быть в диапазоне от 70% до 150% от площади поверхности первого сигнального электрода 10а.

Площадь поверхности первого сигнального электрода 10а может быть в диапазоне от 0,02 до 0,2 м², чтобы соответствовать, например, размеру ступни человека.

Присутствие тела вблизи датчика обнаруживают с помощью мониторинга изменения емкости первого сигнального электрода 10а и базового электрода 20 с помощью устройства 50 мониторинга (см. фиг.3 и фиг.7b).

Присутствие тела обнаруживают с помощью изменения напряжения сигнального электрода относительно базового электрода и с помощью определения величины, которая зависит от тока упомянутого сигнального электрода, вызванного изменениями упомянутого напряжения. Например, сигнальный электрод может быть заряжен до предварительно определенного значения напряжения и разряжен с помощью резистора в базовый электрод. Присутствие объекта может быть обнаружено на основании постоянной времени падения напряжения. Напряжение всех сигнальных электродов может быть изменено по существу с помощью одинаковой формы сигнала.

Базовый электрод 20 действует как электрод-счетчик для емкостного измерения. Кроме того, базовый электрод 20 действует как шумовой экран, т.е. как клетка Фарадея.

Кроме того, также изменение емкости второго сигнального электрода 10b и базового электрода 20 может быть обнаружено с помощью устройства 50 мониторинга.

Базовые электроды 20, которые, по меньшей мере частично, окружают отдельно каждый из сигнальных электродов 10а, 10b, могут находиться в контакте друг с другом. Таким образом, одна структура 20 базового электрода может окружать первый 10а и второй 10b сигнальные электроды.

Фиг.2 изображает человека, идущего над датчиком 100, который содержит несколько независимых сигнальных электродов 10а1, 10а2, 10b1, 10b2, 10с1, 10с2 и один или более базовых электродов 20.

Напряжение сигнального электрода 10b1 изменяют относительно базового электрода 20 и земли GND. Переменное напряжение сигнального электрода соединено емкостным способом с помощью ступни человека с телом BOD1 человека. Напряжение изменяют с такой частотой, что тело BOD1 действует как электрический проводник. Следовательно, все тело BOD1 человека имеет переменное (т.е. меняющееся) напряжение V_HG относительно базового электрода 20 и земли GND. Это вызывает изменение электрического поля Е между телом BOD1 и базовым электродом 20, а также между телом BOD1 и землей GND. Таким образом, тело человека фактически соединено как часть емкостной системы, образованной с помощью электродов 10b1, 20 и земли GND.

Мониторинг емкости каждого из сигнальных электродов 10а1, 10а2, 10b1, 10b2, 10с1, 10с2 относительно базового электрода может быть осуществлен по существу независимо. Таким образом, может быть фактически отслежено местоположение человека.

Для оптимального пространственного разрешения площадь отдельного сигнального электрода может быть в диапазоне от 0,02 м² до 0,2 м², т.е. сравнимой с нижней областью ступни Н1.

Между датчиком 100 и телом BOD1 может быть слой 120 покрытия. Слой покрытия, например, может быть ковром или слоем эпоксидного покрытия. d1 обозначает толщину слоя 120 покрытия. Толщина d1 слоя покрытия может быть, например, в диапазоне от 2 до 10 мм.

Фиг.3 изображает вид сбоку ступни человека, идущего над сигнальным электродом 10а. Устройство 50 мониторинга изменяет напряжение V₁₂ сигнального электрода 10а относительно базового электрода 20 и земли GND.

Измерительная система 200 содержит датчик 100 и устройство 50 мониторинга.

Земля GND также может действовать как электрод 800, имеющий очень большую площадь.

Ширина s1 сигнальных электродов 10а, 10b может быть выбрана равной, например, в диапазоне от 0,5 до 2 раз длины S_H (фиг.4) ступни Н1, для того чтобы обеспечить оптимальное пространственное разрешение. Узкое расстояние s3 между сигнальными электродами 10а, 10b делает почти невозможным идти по неактивной заземленной области, где присутствие человека было бы не обнаружено.

Устройство 50 мониторинга подает переменное напряжение V₁₂, по меньшей мере, в электроды 10а, 20, и оно определяет величину, которая зависит от тока упомянутого сигнального электрода, вызванного изменениями упомянутого напряжения. Устройство 50 мониторинга может содержать вспомогательное устройство принятия решения (не изображено), предназначенное для генерации цифрового сигнала на основании упомянутой величины или на основании частоты изменения упомянутой величины. Цифровой сигнал может указывать присутствие или отсутствие тела BOD1 вблизи электрода 10а.

Напряжение V₁₂, соединенное с сигнальным электродом 10а, может изменяться с частотой f1, которая находится, например, в диапазоне от 20 кГц до 1 МГц, преимущественно в диапазоне от 50 кГц до 300 кГц. Напряжение V₁₂ может иметь сложную форму сигнала, и в этом случае по меньшей мере 90% мощности спектральных составляющих упомянутого переменного напряжения (V₁₂) могут находиться в диапазоне частот от 20 кГц до 1 МГц, преимущественно от 50 кГц до 300 кГц.

Использование более высокой частоты f1 может привести к увеличенному потреблению мощности. Проводимость, например, человеческого тела может уменьшаться на высоких частотах. Отношение сигнал-шум может быть ниже на более низкой рабочей частоте f1. Частота f1 может быть выбрана таким образом, чтобы датчик 100 не генерировал помех в другие электрические устройства, например, медицинское оборудование.

Фиг.4 изображает ступню Н1 человека, идущего над базовым электродом 20. Емкость конденсатора, образованного между ступней Н1 и базовым электродом, по существу меньше, чем емкость конденсатора, образованного между ступней Н1 и сигнальным электродом, поскольку ширина s2 базового электрода 20 по существу меньше, чем ширина s1 сигнального электрода 10а (см. фиг.1). Следовательно, напряжение V_HG, соединенное с телом BOD1, может иметь почти ту же амплитуду, что и напряжение V₁₂, обеспеченное с помощью устройства 50 мониторинга.

Второй сигнальный электрод 10b может быть переключен в плавающее состояние высокого импеданса, когда переменное напряжение V₁₂ соединяют с первым сигнальным электродом 10а. Таким образом, второй сигнальный электрод 10b не замыкает накоротко емкостным способом напряжение V_HG, соединенное с телом BOD1, и соединенное напряжение V_HG может быть высоким, несмотря на то, что ступня Н1 частично находится над вторым сигнальным электродом 10b, помимо того, что она находится над первым сигнальным электродом 10а и над базовым электродом 20.

Одно устройство 50 мониторинга может быть соединено с первым и вторым сигнальным электродом с помощью временного мультиплексирования с помощью использования устройства 55 мультиплексирования (фиг.15). Устройство 55 мультиплексирования может быть выполнено с возможностью отключения второго сигнального электрода 10b от устройства 50 мониторинга и оставления его в состоянии высокого импеданса, когда переменное напряжение V₁₂ соединяют с первым сигнальным электродом 10а.

В частности, по существу все сигнальные электроды, смежные первому сигнальному электроду 10а, могут быть переключены в состояние высокого импеданса, когда обнаружение выполняют с помощью использования первого сигнального электрода 10а.

В качестве альтернативы переменные напряжения V₁₂ могут быть одновременно соединены с первым сигнальным электродом 10а и со вторым сигнальным электродом 10b. Переменные напряжения V₁₂, соединенные с первым сигнальным электродом 10а и со вторым сигнальным электродом 10b, могут быть по существу в одинаковой фазе, для того чтобы обеспечивать высокое соединенное напряжение V_HG также в ситуации, когда ступня Н1 частично находится над вторым сигнальным электродом 10b, помимо первого сигнального электрода 10а и базового электрода 20. Однако пространственное разрешение может быть хуже, чем при переключении второго сигнального электрода в состояние высокого импеданса.

Фиг.5 изображает сравнительный пример (предшествующий уровень техники), в котором ширина s2 базового электрода 20 по существу равна ширине сигнального электрода 10а. В этом случае напряжение V_HG, соединенное с телом BOD1, почти на 50% ниже, чем в случае фиг.3 и фиг.4, поскольку емкость между ступней Н1, и базовым электродом 20 по существу равна емкости между ступней Н1 и сигнальным электродом 10а. Ступня Н1 частично замкнута накоротко с базовым электродом 20 вследствие большой площади базового электрода 20.

Напряжение V_HG, соединенное с телом BOD1 в случае фиг.3 и фиг.4, приблизительно на 50-100% выше, чем в случае фиг.5. Благодаря большому сигнальному электроду 10а, тело BOD1 фактически соединяется с ним. Моделирования и экспериментальные измерения показывают отношение сигнал-шум (S/N), которое увеличено на 50% до 100% по сравнению с ситуацией фиг.5. Улучшенное отношение сигнал-шум дает возможность более чувствительного измерения и/или большего расстояния считывания.

Датчик в соответствии с фиг.5 фактически не использует электрическую проводимость тела BOD1. Он только обнаруживает изменение проводимости, вызванное присутствием ступни Н1. Это приводит к ограниченной эффективности обнаружения по сравнению с настоящим изобретением.

Датчик 100 фиг.3 и фиг.4 в соответствии с настоящим изобретением оптимизирован для обнаружения присутствия проводящих тел BOD1, которые по существу распространяются от уровня подложки, например, вверх.

Датчик 100 в соответствии с фиг.3 и фиг.4, использует электрическую проводимости тела BOD1, таким образом, обеспечивая улучшенную чувствительность по сравнению с решениями предшествующего уровня техники (фиг.5). Почти вся площадь поверхности тела BOD1 соединена и действует как емкостной электрод (не нижняя область ступни Н1), который создает электрическое поле Е вместе с базовым электродом 20 и, возможно, также с землей GND 800.

Датчик 100 оптимизирован, чтобы обнаруживать присутствие больших проводящих объектов. Проводящий объект может считаться “большим”, если его вертикальный размер z1 (в направлении SZ) больше, чем размер а1 и размер s1 сигнального электрода 10а (фиг.1).

Датчик 100 имеет уменьшенную чувствительность для меньших объектов, которые расположены на низком уровне. Это является преимуществом, когда целью является, например, отличать присутствие человека от присутствия меньшего не проводящего объекта, такого как, например, шерстяное кресло.

Например, экспериментально замечено, что стакан воды, расположенный на сигнальном электроде 10а, обеспечивал довольно низкий сигнал, причем уровень сигнала резко увеличивался, когда человек уплотнял воду в стакане с помощью своего пальца.

Для традиционных датчиков, имеющих сигнальные и электроды заземления одинакового размера (фиг.5) и имеющих ширину зазора между упомянутыми электродами, по существу равную размеру упомянутых электродов, было замечено, что эффективное расстояние считывания таких датчиков приблизительно равно только 1,33 зазора между электродами. Таким образом, для датчика 100 в соответствии с настоящим изобретением чувствительность для низких объектов может быть уменьшена с помощью выбора ширины s4 зазора между сигнальным электродом 10 и базовым электродом 20, чтобы он был меньше, чем толщина d1 слоя 120 покрытия. Ширина s4 зазора преимущественно меньше, чем 0,75 раз толщины d1 слоя покрытия.

Фиг.6 изображает упрощенную эквивалентную схему системы, содержащей датчик 100 и тело BOD1. Переменное напряжение V₁₂ соединено между контактами Т1 и Т2. Контакт Т2 соединен с сигнальным электродом 10, а контакт Т1 соединен с базовым электродом 20. Сигнальный электрод 10 и базовый электрод 20 образуют конденсатор C_VG1, даже когда тело BOD1 не присутствует.

Когда тело BOD1 расположено вблизи электродов 10а, 20, импеданс Z_H, образованный с помощью тела, соединяется емкостным способом между электродами 10, 20. Тело BOD1 и сигнальный электрод 10 вместе образуют конденсатор C_VH. Тело BOD1 и базовый электрод 20 вместе образуют конденсатор C_HG1.

Фиг.7а изображает более подробную эквивалентную схему измерительной системы, в которой базовый электрод 20 также соединен с помощью контакта Т0 с землей GND. Земля GND образует дополнительную очень большую пластину 800 конденсатора. Сигнальный электрод 10 и земля GND вместе образуют дополнительный конденсатор C_VG2, даже когда тело BND не присутствует.

Базовый электрод может быть соединен с землей, например, с землей питающей сети в здании, с металлическими водяными трубами здания или со специальным электродом заземления, зарытым в почву. Это помогает обеспечить очень большую поверхность электрода. В качестве альтернативы или кроме того, земля GND также может быть установлена с помощью тех частей структуры базового электрода, которые находятся относительно далеко от тела BOD1, или которые находятся далеко от ступни Н1 человека. Базовый электрод может быть ячеистой структуры, которая покрывает по существу всю площадь комнаты. Таким образом, она может представлять относительно большую площадь поверхности.

Площадь поверхности структуры 20 базового электрода может быть больше или равна площади поверхности первого сигнального электрода 10а.

Ссылаясь на фиг.7b, поверхность электрически проводимого тела BOD1 имеет поверхности Н1, Н2 и Н3, с помощью которых импеданс Z_H тела BOD1 соединен емкостным способом с сигнальным электродом 10, с базовым электродом 20 и с землей GND. Тело BOD1 образует конденсатор C_VH вместе с сигнальным электродом 10. Тело BOD1 образует конденсатор C_HG1 вместе с теми частями базового электрода 20, которые находятся вблизи тела BOD1. Тело BOD1 образует конденсатор C_HG2 вместе с землей GND 800.

Ссылаясь на фиг.8а и фиг.8b, слой 120 покрытия может быть расположен над электродами 10, 20. Фиг.8а изображает эквивалентную схему без присутствия тела BOD1, а фиг.8b изображает эквивалентную схему с импедансом Z_H тела. Диэлектрическая проницаемость слоя 120 покрытия отклоняется от проницаемости воздуха. Таким образом, емкость конденсаторов C_VG1, C_VH, C_HG1, C_HG2 отличается от значений фиг.8а и фиг.8b.

Фиг.9а изображает датчик, в котором сигнальные электроды 10а, 10b и базовый электрод осуществлены на электрически изолирующей подложке 7 по существу в одной и той же плоскости.

Фиг.9b изображает датчик 100 фиг.9а вверх ногами. Теперь подложка 7 защищает электроды от износа и предотвращает гальванический контакт между электродами и проводящими телами BOD1. Однако поверхность ниже датчика 100 должна быть электрически изолирующей. Датчик 100 может быть, например, приклеен к полу. В этом случае клей и пол должны быть электрически изолирующими.

Фиг.9с изображает датчик 100, в котором сигнальные электроды 10а, 10b и базовый электрод 20 осуществлены между двумя подложками 7а, 7b. В этом случае электроды 10а, 10b, 20 хорошо защищены с обеих сторон.

Фиг.9d изображает датчик, в котором сигнальные электроды 10а, 10b находятся на других уровнях, чем базовый электрод 20. Это может быть более сложным для производства, чем примеры, изображенные на фиг.9а по 9с.

Верхняя и/или нижняя сторона датчика 100 может быть покрыта клеящим веществом (не изображено), для того чтобы способствовать более легкой установке, например на полу. Например, может быть использовано клеящее вещество, чувствительное к давлению (клеящее вещество, активируемое давлением). Слой клеящего вещества может быть защищен с помощью удаляемого свободного слоя (не изображен). Установка также возможна с помощью использования обычных способов склеивания, известных в данной области техники.

Ссылаясь на фиг.10, датчик 100 может содержать матрицу по существу прямоугольных сигнальных электродов 10, которые имеют по меньшей мере одну структуру 20 базового электрода между ними.

Ссылаясь на фиг.11, два или более сигнальных электродов могут быть электрически соединены последовательно и/или параллельно, для того чтобы увеличить область, мониторинг которой осуществляют отдельно.

Ссылаясь на фиг.12, по меньшей мере, 70% периметра сигнального электрода 10а может быть окружено базовым электродом 20. Преимущественно, по меньшей мере, 95% периметра сигнального электрода 10b может быть окружено базовым электродом 20, как изображено также на фиг.11 и фиг.14b. Базовый электрод 20 также может полностью окружать сигнальный электрод, как изображено, например, на фиг.10.

Ссылаясь на фиг.13а, датчик 100 может содержать по существу треугольную матрицу сигнальных электродов 10.

Ссылаясь на фиг.13b, датчик 100 может содержать по существу шестиугольную матрицу сигнальных электродов 10.

Ссылаясь на фиг.13с, датчик 100 может содержать, например, прямоугольные сигнальные электроды 10, имеющие скругленные углы. Базовый электрод 20 может иметь области в форме звезды.

Датчики 100 фиг.10, 13а или 13b могут содержать электрические межслойные соединения (vias), для того чтобы соединять разъемы с сигнальными электродами, которые находятся в середине матрицы. Датчики 100 фиг.10, 13а или 13b также могут быть модифицированы таким же образом, что и на фиг.11, так, чтобы осуществлять проводящие части в одной плоскости.

Сигнальные электроды 10 также могут иметь другие формы, например, восьмиугольную или круглую форму. Смежные сигнальные электроды могут иметь разную форму.

Однако выгодно выбирать форму(ы) сигнальных электродов 10 таким образом, чтобы расстояние между смежными сигнальными электродами поддерживалось по существу на предварительно определенном значении s3 (фиг.1). Таким образом, сигнальные электроды могут иметь взаимно соответствующие контуры.

Ссылаясь на фиг.14а, множество сигнальных электродов 10 и, по меньшей мере, одна структура 20 базового электрода могут быть осуществлены в сенсорной ленте 77, например, в непрерывной полосе, содержащей структуры электродов. По существу одинаковый шаблон электродов может быть периодически скопирован вдоль ленты в направлении SX, т.е. в продольном направлении ленты 77. Шаблон электродов имеет период, который имеет длину L1. Таким образом, последовательные периоды PRD_k+0, PRD_k+1, PRD_k+2, PRD_k+3, PRD_k+4 имеют по существу одинаковый шаблон электродов и по существу одинаковую длину L1. Иначе говоря, лента 77 может проявлять периодичность.

Сигнальные электроды 10 последовательных периодов могут быть электрически изолированы друг от друга. Каждый из электродов 10, 20 соединен с проводником W. Проводники W по меньшей мере трех периодов могут быть расположены таким образом, чтобы пересекать поперечную линию LIN2, причем проводники из дальних периодов могут быть расположены таким образом, чтобы заканчиваться без пересечения линии LIN2.

Электроды и проводники преимущественно осуществлены в одной и той же плоскости, для того чтобы упростить производство ленты 77.

Лента 77 может быть изготовлена, например, с использованием процесса свертывания в рулон.

Датчик 100, изображенный на фиг.14b, может быть получен с помощью разрезания вдоль линий LIN1, LIN2 непрерывной ленты 77 фиг.14а. Проводники Wa1, Wa2, Wa3, Wb1, Wb2, Wb3, Wc1, Wc2, Wc3 и Wd3 заканчиваются вблизи края отреза датчика 100. Это облегчает соединение разъема CON1 с упомянутыми проводниками, для того чтобы отдельно осуществлять мониторинг присутствия объектов вблизи сигнальных электродов 10а1, 10а2, 10b1, 10b2, 10с1, 10с2. Базовые электроды 20а3, 20b3 и 20с3 изображены соединенными вместе. Однако они также могут быть разделены гальванически.

Датчик содержит проводники Wd1, Wd2, We3, которые заканчиваются до достижения упомянутого края отреза. Этим проводники были соединены с электродами, которые были отрезаны от датчика 100 или которые будут неактивными.

Ссылаясь на фиг.15, измерительная система 200 может содержать датчик 100, устройство 55 мультиплексирования, устройство 50 мониторинга и процессор 60 данных. Устройство 55 мультиплексирования может быть выполнено с возможностью соединения поочередно каждого независимого сигнального электрода 10а, 10b, 10c, 10d, 10f, 10e с устройством 50 мониторинга. Устройство 55 мультиплексирования может быть выполнено с возможностью переключения всех других сигнальных электродов в состояние высокого импеданса.

Процессор 60 данных может быть выполнен с возможностью предоставления информации относительно местоположения тела BOD1 на основании сигнала или сигналов, предоставленных с помощью устройства мониторинга. Система 200 может предоставлять информацию относительно перемещения объекта BOD1 на основании упомянутого сигнала или сигналов.

Процессор 60 данных также может связываться с устройством 55 мультиплексирования таким образом, чтобы управлять последовательностью и/или частотой, с которой переменное напряжение V₁₂ соединяют с разными сигнальными электродами. Устройство 55 мультиплексирования может быть выполнено с возможностью посылки сигнала синхронизации и/или информации относительно идентификационного номера электрода(ов), которые активизированы в данный момент времени.

Ссылаясь на фиг.16, измерительная система 200 может содержать датчик 100, одно или более измерительных устройств 50а, 50b, 50с, 50d, 50е, 50f и процессор 60 данных. Каждый независимый сигнальный электрод 10а, 10b, 10c, 10d, 10f, 10e может быть соединен с соответственным устройством 50 мониторинга.

Система 200 может содержать матрицу устройств 50а, 50b, 50с, 50d, 50е, 50f мониторинга, соединенных с сигнальными электродами 10а, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, и процессор 60 данных, выполненный с возможностью предоставления информации относительно местоположения тела BOD1 на основании множества сигналов, предоставленных с помощью упомянутых устройств мониторинга. Система 200 может предоставлять информацию о перемещении тела BOD1 на основании упомянутых сигналов.

Еще, ссылаясь на фиг.17, датчик 100 может содержать, например, матрицу по существу круглых сигнальных электродов 10, имеющих, например, области базового электрода в форме звезды между ними. В этом примере расстояние s3 между диагональными смежными сигнальными электродами меньше, чем 20% от ширины s1 сигнальных электродов. Таким образом, слепое пятно между сигнальными электродами является достаточно большим. Однако, поскольку ширина s2 структуры базового электрода между сигнальными электродами все же меньше или равна 20% (предпочтительно меньше или равна 10%) от ширины s1 сигнального электрода 10, переменное напряжение по-прежнему фактически соединено с телом BOD1.

Площадь поверхности этой части структуры 20 базового электрода, которая находится между смежными первым и вторым сигнальными электродами, может быть меньше, чем 20% от площади поверхности первого сигнального электрода и предпочтительно меньше или равна 10% от площади поверхности первого сигнального электрода.

Контакты проводников W сформированы с помощью разрезания сенсорной ленты поперек ее продольного направления до желаемой длины и, таким образом, концы контактов являются открытыми и готовыми для формирования электрического контакта. Способом прикрепления сенсорной ленты в контакте может быть разъем сгиба, пружинный разъем, сварной контакт, припаянный контакт, изотропный или анизотропный клейкий контакт, но не ограничен этим. Однако стандартный разъем, использованный в обычных электронных приложениях (например, Crimpflex®, Nicomatic SA, Франция) может быть прикреплен к концам проводников W.

Площадь поверхности проводника W, соединенного с сигнальным электродом 10а, 10b, 20, может быть меньше, чем 10% от площади поверхности упомянутого электрода, для того, чтобы гарантировать пространственное разрешение, и для того, чтобы минимизировать потребление мощности.

Датчик 100 может содержать, по меньшей мере, шесть электрически разделенных сигнальных электродов, которые вместе покрывают по меньшей мере 70% площади поверхности подложки 7.

Датчик 100 в соответствии с изобретением может быть использован, например, чтобы осуществлять мониторинг присутствия и/или перемещений людей в частных домах, банках или на заводах, для того чтобы осуществлять систему тревожной сигнализации против воровства. Сеть датчиков 100 может быть использована для того, чтобы осуществлять мониторинг присутствия и/или перемещений людей в магазинах, например, для того, чтобы оптимизировать расположение полок. Датчик может быть использован, например, в больницах или домах престарелых, чтобы обнаруживать действия пациентов и их жизненные функции. Датчик может быть использован в тюрьмах, чтобы осуществлять мониторинг запрещенных областей. Датчик может быть использован для обнаружения перемещения других сильно проводящих тел, таких как кресла на колесах или алюминиевые лестницы. Датчик может быть использован для обнаружения перемещения животных.

Датчик 100 может быть установлен, например, на структуре пола или в структуре пола.

Подложка 7 может содержать пластический материал или волоконный материал в виде нетканой материи, ткани, бумаги или картона. Подходящими пластиками, например, являются пластики, содержащие терефталат полиэтилена (PET), полипропилен (РР) или полиэтилен (РЕ). Подложка предпочтительно по существу является гибкой, для того чтобы приспосабливаться к другим поверхностям, на которые ее помещают. Помимо однослойной структуры подложка может содержать больше слоев, прикрепленных друг к другу. Подложка может содержать слои, которые ламинированы друг к другу, выдавленные слои, покрытые или печатные слои или смеси этих слоев. Обычно на поверхности подложки имеется защитный слой, таким образом, чтобы защитный слой покрывал электрически проводимые области и проводники. Защитный слой может состоять из любого гибкого материала, например, бумаги, картона или пластика, такого как PET, PP или PE. Защитный слой может быть в виде нетканой материи, ткани или фольги. Возможно защитное диэлектрическое покрытие, например, покрытие на основе акрила.

Электрически проводящие области содержат электрически проводящий материал, и электрически проводящие области могут быть, например, печатными слоями, покрытыми слоями, слоями термовакуумного испарения и, слоями электролитического осаждения, слоями металлизированного напыления, ламинированными фольгами, слоями травления, слоями фольги или волокна, но не ограничены ими. Электрически проводящая область может содержать проводящий графит, металлические слои, металлические частицы или волокна, или электрически проводящие полимеры, такие как полиацетилен, полианилин или полипропилен. Металлы, которые используют для формирования электрически проводимых областей, включают в себя, например, алюминий, медь и серебро. Электрически проводящий графит может быть смешан в среде, для того чтобы произвести чернила или покрытие. Когда требуется прозрачное изделие датчика, могут быть использованы электрически проводящие материалы, такие как ITO (оксид олова индия), PEDOT (поли-(3,4 этилендиокситиофен)) или нанотрубки графита. Например, нанотрубки графита могут быть использованы в покрытиях, которые содержат нанотрубки и полимеры. Те же самые электрически проводящие материалы также применяются к проводникам. Подходящие способы, предназначенные для формирования электрически проводящих областей, включают в себя, например, травление или трафаретную печать (плоского основания или вращения), гравюру, офсетную печать, флексографию, струйную печать, электростатическую фотографию, гальваническое покрытие и химическое покрытие.

Например, может быть использован следующий способ производства. Металлическую фольгу, такую как алюминиевая фольга, ламинируют на свободную ленту. Электрически проводящие области и проводники вырезают с помощью штампа из металлической фольги и остающуюся лишнюю матрицу свертывают в рулон. После этого первую защитную пленку ламинируют на электрически проводящие области и проводники. Затем свободную ленту удаляют и ламинируют поддерживающую пленку, чтобы заменить свободную ленту.

Преимущества вышеупомянутого способа производства включают в себя следующее:

сырье является более дешевым,

способ производства является более дешевым, например, по сравнению с травлением,

способ производства требует только одной производственной линии и

получающаяся в результате сенсорная лента является тоньше, толщина сенсорной ленты может быть менее 50 мкм.

Электрически проводящие области и проводники могут быть вырезаны с помощью штампа из металлической фольги, и они могут быть ламинированы между двумя подложками, например, между двумя наложенными друг на друга лентами.

Электрически проводящие области и их проводники могут находиться в одном слое, а необязательные RF каналы и их проводники могут находиться в другом слое. В принципе можно использовать разные способы, например травление, печать или вырезание с помощью штампа, в одном и том же изделии. Например, электрически проводящие области могут быть вырезаны с помощью штампа из металлической фольги, но их проводники могут быть вытравлены. Электрически проводящие области и их проводники могут быть соединены друг с другом с помощью межслойных соединений.

Устройство 50 мониторинга может быть выполнено с возможностью предоставления сигнала, который зависит от емкости, образованной с помощью электродов 10а, 20. Упомянутый сигнал может быть предоставлен, например, с помощью измерения постоянной времени, с помощью измерения импеданса с помощью использования переменного напряжения V₁₂, с помощью соединения электродов как части настраиваемой схемы генерации или с помощью сравнения упомянутой неизвестной емкости электродов с известным емкостью.

Постоянная времени может быть определена, например, с помощью зарядки конденсатора, образованного с помощью электродов, до предварительно определенного напряжения, разрядки упомянутого конденсатора через известный резистор или катушку индуктивности и с помощью измерения скорости уменьшения напряжения упомянутого конденсатора.

Импеданс может быть измерен с помощью изменения напряжения упомянутого конденсатора, с помощью измерения соответственного тока и с помощью определения отношения изменения тока к изменению напряжения.

Неизвестная емкость упомянутого конденсатора может быть определена с помощью соединения ее как части резонирующей схемы, содержащей катушку индуктивности и упомянутый конденсатор.

Неизвестная емкость упомянутого конденсатора может быть определена с помощью зарядки или разрядки неизвестной емкости с помощью передачи ей заряда несколько раз посредством известного устройства конденсатора до тех пор, пока не будет достигнуто предварительно определенное напряжение. Неизвестная емкость может быть определена на основании числа циклов передачи заряда, необходимых, чтобы достичь предварительно определенного напряжения.

ПРИМЕРЫ

1. Датчик (100) для обнаружения присутствия проводящих объектов (BOD1), причем упомянутый датчик (100) содержит первый сигнальный электрод (10а), второй сигнальный электрод (10b) и структуру (20) базового электрода, осуществленные в или на электрически изолирующей подложке (7), в котором расстояние (s3) между упомянутым первым сигнальным электродом (10а) и упомянутым вторым сигнальным электродом (10b) меньше или равно 0,2 ширины (s1) упомянутого первого сигнального электрода (10а), и в котором по меньшей мере часть упомянутой структуры (20) базового электрода находится между упомянутым первым сигнальным электродом (10а) и упомянутым вторым сигнальным электродом (10b), и в котором упомянутая структура базового электрода окружает по меньшей мере 70% периметра упомянутого первого сигнального электрода (10а).

2. Датчик (100 для обнаружения присутствия проводящих объектов (BOD1), причем упомянутый датчик (100) содержит первый сигнальный электрод (10а), второй сигнальный электрод (10b) и структуру (20) базового электрода, осуществленные в или на электрически изолирующей подложке (7), в котором площадь поверхности той части упомянутой структуры (20) базового электрода, которая находится между упомянутым первым сигнальным электродом (10а) и упомянутым вторым сигнальным электродом (10b), меньше или равна 20% площади упомянутого первого сигнального электрода (10а) и в котором упомянутая структура базового электрода окружает по меньшей мере 70% периметра упомянутого первого сигнального электрода (10а).

3. Датчик (100) примера 1 или 2, в котором площадь поверхности упомянутого второго сигнального электрода (10b) находится в диапазоне от 70% до 150% от площади поверхности упомянутого первого сигнального электрода (10а).

4. Датчик (100) в соответствии с любым из примеров 1-3, в котором площадь поверхности упомянутого первого сигнального электрода находится в диапазоне от 0,02 до 0,2 м².

5. Датчик (100) в соответствии с любым из примеров 1-4, в котором расстояние (s3) между упомянутым первым сигнальным электродом (10а) и упомянутым вторым сигнальным электродом (10b) находится в диапазоне от 5 до 30 мм.

6. Датчик (100) в соответствии с любым из примеров 1-5, в котором ширина (s2) части упомянутой структуры (20) базового электрода между упомянутыми сигнальными электродами находится в диапазоне от 0,3 до 15 мм.

7. Датчик (100) в соответствии с любым из примеров 1-6, в котором площадь поверхности упомянутой структуры (20) базового электрода больше или равна площади поверхности упомянутого первого сигнального электрода (10а).

8. Датчик (100) в соответствии с любым из примеров 1-7, в котором упомянутые сигнальные электроды (10а, 10b) и упомянутая структура (20) базового электрода по существу находятся в одной и той же плоскости, а проводящие части упомянутого датчика (100) осуществлены на гибкой подложке (7).

9. Система мониторинга для обнаружения проводящего тела (BOD1), причем упомянутая система содержит датчик (100) в соответствии с любым из примеров 1-7, причем упомянутая система дополнительно содержит устройство (50) мониторинга, которое выполнено с возможностью соединения переменного напряжения (V₁₂) между упомянутым первым сигнальным электродом (10а) и упомянутой структурой (20) базового электрода и которое выполнено с возможностью предоставления величины, которая зависит от тока упомянутого сигнального электрода (10а), вызванного изменениями упомянутого напряжения.

10. Система примера 9, в которой упомянутые сигнальные электроды (10а, 10b) покрыты электрически изолирующим слоем (120), причем толщина (d1) упомянутого слоя больше, чем зазор (s4) между упомянутым первым измерительным электродом (10а) и упомянутой структурой (20) базового электрода.

11. Система примера 9 или 10, в которой упомянутый датчик (100) установлен на полу и покрыт слоем (120) покрытия, причем толщина (d1) слоя покрытия над электродами больше или равна зазору (s4) между первым сигнальным электродом и структурой (20) базового электрода.

12. Система в соответствии с любым из примеров 9-11, в которой упомянутая структура (20) базового электрода соединена с землей (GND, 800).

13. Система в соответствии с любым из примеров 9-12, в которой по меньшей мере 90% мощности спектральных составляющих упомянутого переменного напряжения (V₁₂) находится в диапазоне частот от 20 кГц до 1 МГц.

14. Система в соответствии с любым из примеров 9-13, в которой второй сигнальный электрод (10b) переключают в состояние высокого импеданса, когда переменное напряжение (V₁₂) подключают к упомянутому первому сигнальному электроду (10а).

15. Система в соответствии с любым из примеров 9-14, содержащая матрицу устройств (50) мониторинга, соединенную с матрицей сигнальных электродов, и процессор данных, выполненный с возможностью предоставления информации относительно местоположения упомянутого тела (BOD1) на основании множества сигналов, предоставленных с помощью упомянутых устройств (50) мониторинга.

16. Система в соответствии с любым из примеров 9-15, содержащая матрицу устройств (50) мониторинга, соединенную с матрицей сигнальных электродов, и процессор данных, выполненный с возможностью предоставления информации относительно перемещения тела (BOD1) на основании множества сигналов, предоставленных с помощью упомянутых устройств (50) мониторинга.

17. Способ обнаружения проводящего тела (BOD1) с помощью использования датчика (100) в соответствии с любым из примеров 1-8 или системы в соответствии с любым из примеров 9-16, причем упомянутый способ содержит подключение переменного напряжения (V₁₂) между упомянутым первым сигнальным электродом (10а) и упомянутой структурой (20) базового электрода и определение величины, которая зависит от тока упомянутого сигнального электрода (10а), вызванного изменениями упомянутого напряжения.

18. Способ примера 17, в котором вертикальный размер (z1) упомянутого тела (BOD1) больше или равен высоте (а1) и ширине (s1) упомянутого первого сигнального электрода (10а).

19. Сенсорная лента (77), содержащая множество датчиков (100) в соответствии с любым из примеров 1-8, в которой по существу одинаковый шаблон электродов скопирован вдоль продольного размера (направления SX) упомянутой ленты (77) таким образом, что упомянутый шаблон электродов имеет продольный период.

20. Сенсорная лента (77) примера 19, в которой проводники W по меньшей мере N последовательных периодов пересекают поперечную линию LIN2, в которой по меньшей мере один проводник, соединенный с сигнальным электродом, который не принадлежит упомянутым N периодам, заканчивается без пересечения упомянутой поперечной линии LIN2, причем N является целым, большим или равным трем.

21. Датчик (100), получаемый с помощью разрезания сенсорной ленты (77) примера 20 вдоль двух поперечных линий (LIN1, LIN2).

22. Датчик (100) примера 21, в котором проводники (We3, Wd1, Wd2), которые заканчиваются без пересечения упомянутой линии LIN1, не соединены ни с какими сигнальными электродами.

Слово “содержащий” является интерпретируемым в широком смысле, т.е. датчик, который содержит первый электрод и второй электрод, также может содержать дополнительные электроды и/или дополнительные части.

Для специалиста в данной области техники будет понятно, что модификации и изменения устройств и способа в соответствии с настоящим изобретением являются осознаваемыми. Конкретные варианты осуществления и примеры, описанные выше со ссылкой на сопровождаемые чертежи, являются только иллюстративными, а не предназначены, чтобы ограничивать рамки объема изобретения, которые определены с помощью прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к емкостному обнаружению проводящих объектов. Сущность: датчик (100) для емкостного обнаружения присутствия проводящих объектов (BOD1) содержит первый сигнальный электрод (10a), второй сигнальный электрод (10b) и структуру (20) базового электрода. Расстояние (s3) между первым сигнальным электродом (10a) и вторым сигнальным электродом (10b) меньше или равно 0,2 ширины (s1) упомянутого первого сигнального электрода (10a). По меньшей мере часть структуры (20) базового электрода находится между первым сигнальным электродом (10a) и вторым сигнальным электродом (10b). Технический результат: повышение чувствительности, увеличение расстояния считывания, нечувствительность к ориентации объекта. 4 н.п. ф-лы, 17 ил.

1. Датчик (100) для обнаружения присутствия проводящих объектов (BOD1), причем упомянутый датчик (100) содержит по меньшей мере первый сигнальный электрод (10а), второй сигнальный электрод (10b) и структуру (20) базового электрода, осуществленные в или на электрически изолирующей подложке (7), в котором расстояние (s3) между упомянутым первым сигнальным электродом (10a) и упомянутым вторым сигнальным электродом (10b) меньше или равно 0,2 ширины (s1) упомянутого первого сигнального электрода (10a), и в котором по меньшей мере часть упомянутой структуры (20) базового электрода находится между упомянутым первым сигнальным электродом (10a) и упомянутым вторым сигнальным электродом (10b), и в котором упомянутая структура базового электрода окружает по меньшей мере 70% периметра упомянутого первого сигнального электрода (10a).

2. Система мониторинга для обнаружения проводящего тела (BOD1), причем упомянутая система содержит датчик (100) по п.1, причем упомянутая система дополнительно содержит устройство (50) мониторинга, которое выполнено с возможностью подключения переменного напряжения (V₁₂) между упомянутым первым сигнальным электродом (10a) и упомянутой структурой (20) базового электрода и которое выполнено с возможностью предоставления величины сигнала, которая зависит от тока упомянутого сигнального электрода (10a), вызванного изменениями упомянутого напряжения.

3. Способ обнаружения проводящего тела (BOD1) с помощью использования датчика (100) по п.1 или системы по п.2, причем упомянутый способ содержит включение переменного напряжения (V₁₂) между упомянутым первым сигнальным электродом (10a) и упомянутой структурой (20) базового электрода и определение величины, которая зависит от тока упомянутого сигнального электрода (10a), вызванного изменениями упомянутого напряжения.

4. Сенсорная лента (77), содержащая множество датчиков (100) по п.1, в которой, по существу, одинаковый шаблон электродов скопирован вдоль продольного размера (направления SX) упомянутой ленты (77) таким образом, что шаблон электродов имеет продольный период.