利用差分值指示的电容感测

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2020年6月2日提交的美国临时专利申请序列第62/704,895号的权益，该临时专利申请的公开内容据此全文以引用方式并入本文。

技术领域

一个或多个示例整体涉及电容感测。一个或多个示例整体涉及电容距离感测和料位感测。一个或多个示例整体涉及采集差分值，该差分值是自电容分量的指示。

背景技术

电容传感器用于各种操作环境，例如，用于电容接近感测和距离感测，但不限于此。

附图说明

为了容易地识别对任何特定元素或动作的讨论，参考标记中最重要的一个或多个数字是指首次介绍该元素的图号。

图1A是描绘根据一个或多个示例的电容感测系统的框图。

图1B是描绘根据一个或多个示例的电容感测系统的框图。

图1C是描绘根据一个或多个示例的电容感测系统的框图。

图2是描绘根据一个或多个示例的检测器的框图。

图3是描绘根据一个或多个示例的用于生成差分值的过程的流程图。

图4是描绘根据一个或多个示例的采集过程的流程图。

图5是描绘根据一个或多个示例的施加到第一传感器的电极的第一驱动信号和施加到第二传感器的电极的第二驱动信号的框图，第二驱动信号的定时与第一驱动信号的定时异相180度(θ-180)。

图6是描绘根据一个或多个示例的由所公开的检测器执行的用于生成差分值的过程的示例性执行期间的第一电压和第二电压的示例性电压电平的图。

图7是描绘根据一个或多个示例的由所公开的检测器执行的用于生成差分值的过程的示例性执行期间的示例性电压电平的图。

图8是描绘根据一个或多个示例的被配置为施加保护电压的检测器部分的框图，该保护电压增大对传感器的相应电极处的泄漏电流的抗扰度。

图9描绘根据一个或多个示例的第一采集相和第二采集相期间的示例性电压电平的图解视图。

图10是描绘根据一个或多个示例的测量电路的框图，作为非限制性示例，该测量电路可用于用单个ADC实现第一测量电路和第二测量电路。

图11是描绘根据一个或多个示例的示例性操作中的自电容指示和耦合电容指示的图。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，参考了形成本公开的一部分的附图，并且在附图中以举例的方式示出了可实践本公开的特定示例。充分详细地描述了这些示例，以使本领域的普通技术人员能够实践本公开。然而，可利用本文已启用的其他示例，并且可在不脱离本公开的范围的情况下进行结构、材料和流程变化。

本文所呈现的图示并不旨在为任何特定方法、系统、设备或结构的实际视图，而仅仅是用于描述本公开的示例的理想化表示。在一些情况下，为了读者的方便，各附图中的类似结构或部件可保持相同或相似的编号；然而，编号的相似性并不一定意味着结构或部件在尺寸、组成、构造或任何其他属性方面是相同的。

以下描述可包括示例以帮助本领域的普通技术人员实践本发明所公开的示例。使用术语″示例性的″、″通过示例″和″例如″是指相关描述是说明性的，虽然本公开的范围旨在涵盖示例和法律等同形式，但使用此类术语并不旨在将示例或本公开的范围限制于指定的部件、步骤、特征或功能等。

应当容易理解，如本文一般所述并且在附图中示出的示例的部件可被布置和设计成多种不同的配置。因此，对各种示例的以下描述并不旨在限制本公开的范围，而是仅代表各种示例。虽然这些示例的各个方面可在附图中给出，但附图未必按比例绘制，除非特别指明。

此外，所示出和描述的特定实施方式仅为示例，并且不应理解为实施本公开的唯一方式，除非本文另外指明。元件、电路和功能可以框图形式示出，以便不以不必要的细节模糊本公开。相反，所示出和描述的特定实施方式仅为示例性的，并且不应理解为实施本公开的唯一方式，除非本文另外指明。

另外，块定义和各个块之间逻辑的分区是特定实施方式的示例。对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，本公开可通过许多其他分区解决方案来实践。在大多数情况下，已省略了关于定时考虑等的细节，其中此类细节不需要获得本公开的完全理解，并且在相关领域的普通技术人员的能力范围内。

本领域的普通技术人员将会理解，可使用多种不同技术和技法中的任何一者来表示信息和信号。为了清晰地呈现和描述，一些附图可以将信号示出为单个信号。本领域的普通技术人员应当理解，信号可表示信号总线，其中总线可具有多种位宽度，并且本公开可在包括单个数据信号在内的任意数量的数据信号上实现。

结合本文所公开的示例描述的各种示例性逻辑块、模块和电路可以用通用处理器、专用处理器、数字信号处理器(DSP)、集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑设备、分立栅极或晶体管逻辑部件、分立硬件部件或被设计成执行本文所描述的功能的其任何组合来实现或执行，术语″处理器″的使用涵盖以上全部。通用处理器可为微处理器，但在替代方案中，处理器可为任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可实现为计算设备的组合，诸如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器或任何其他此类配置。在通用计算机被配置为执行与本公开的示例相关的计算指令(例如，软件代码，但不限于此)时，包括处理器的通用计算机被认为是专用计算机。

示例可根据被描绘为流程图、流程示意图、结构图或框图的过程来描述。虽然流程图可将操作动作描述为连续过程，但是这些动作中的许多动作可按照另一序列、并行地或基本上同时地执行。此外，可重新安排动作的顺序。本文中的过程可对应于方法、线程、函数、过程(procedure)、子例程、子程序、其他结构或它们的组合。此外，本文公开的方法可通过硬件、软件或这两者来实施。如果在软件中实现，这些函数可作为一个或多个指令或代码存储或传输到计算机可读介质上。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，该通信介质包括有利于将计算机程序从一个位置传递到另一个位置的任何介质。

使用诸如″第一″、″第二″等名称对本文的元件的任何引用不限制那些元件的数量或顺序，除非明确陈述此类限制。相反，这些名称可在本文中用作在两个或更多个元件或元件的实例之间进行区分的便利方法。因此，提及第一元件和第二元件并不意味着在那里只能采用两个元件，或者第一元件必须以某种方式在第二元件之前。此外，除非另外指明，一组元件可包括一个或多个元件。

如本文所用，涉及给定参数、属性或条件的术语″基本上″或″约″是指并且包括本领域的普通技术人员将理解在具有较小方差程度(诸如，在可接受的制造或操作公差内)的情况下满足该给定参数、属性或条件的程度。以举例的方式，取决于基本上满足的具体参数、性质或条件，参数、性质或条件可至少满足90％、至少满足95％、或甚至至少满足99％。

如本文所用，为了在理解本公开和附图时的清楚性和方便性而使用任何关系术语(诸如″在......上方″、″在......之上″、″在......下方″、″在......上″、″在......下″、″上部″或″下部″，但不限于此)，并且该关系术语并不暗示或取决于任何特定偏好、取向或顺序，除非上下文另有明确指示。

在此描述中，可使用术语″耦接″和其派生词来指示两个元件彼此协作或交互。当将元件描述为″耦接″至另一元件时，那么该元件可直接物理或电接触，或者可存在居间元件或层。相比之下，当将元件描述为″直接耦接″至另一元件时，那么不存在居间元件或层。术语″连接″在本说明书中可与术语″耦接″可互换地使用，并且具有与″耦接″相同的含义，除非另有明确指示或者上下文将以其他方式向本领域普通技术人员指示。应当理解，当元件称为″连接″或″耦接″第一元件和第二元件时，则该元件耦接到第一元件并且该元件耦接到第二元件。

当元件在本文中被称为″电耦合″到另一个元件时，则电荷或信号中的一者或多者可直接或经由居间元件(如果存在的话)在元件与另一元件之间转移。应当理解，当元件被称为″电连接″或″电耦合″第一元件和第二元件时，则电荷和/或信号中的一者或多者可经由元件、直接或经由居间元件(如果存在的话)在第一元件与第二元件之间转移。

自电容是电极对虚拟接地的电容，并且这种虚拟接地可能是已知的，也可能是未知的。

当测量电极的自电容时，这通常相对于具有本地接地作为参考电位的信号进行，并且该信号用作自电容或其中的变化幅度的指示。电极与虚拟接地之间的耦合可能存在变化，这影响电极的自电容和自电容的指示，并且此类变化可能是已知的，也可能是未知的。作为非限制性示例，如果电极耦合到感兴趣材料，则由于环境因素(例如，接触材料的对象或其中存在材料的被测设备，但不限于此)，可能存在感兴趣材料与电容传感器的接地电位或本地接地的电耦合，这可能影响电极的自电容和自电容的指示。此外，电噪声可能会降低信号的准确性和分辨率以及为表示信号而生成的值。作为非限制性示例，如果信号或其代表值被用于推断有关感兴趣材料的信息，那么信号/值中噪声影响的存在以及由于材料变化以外的其他原因引起的变化会降低信号与感兴趣材料之间的相关程度以及根据信号/值推断出关于感兴趣材料的信息。这此类影响的存在在本文称为″耦合误差″

在利用自电容指示来推断关于感兴趣材料的信息的应用中，诸如料位感测(例如，容器中的液体、溶液或混合物的液位，但不限于此)，耦合误差可能对利用这种信息的系统或过程产生不期望的、甚至灾难性的影响。此外，本公开的发明人意识到，通常很难在运行时补偿耦合误差而不恶化耦合误差。此外，耦合误差的幅度取决于许多因素，诸如电容传感器的电源拓扑(例如，隔离的或非隔离的、切换的、线性的、电池供电的，但不限于此)、由于其他应用负载的运行时变化而引起的耦合变化、以及与地的材料耦合的运行时变化(例如，诸如人手耦合，但不限于此)，但不限于此，并且很难提前预测到并解决所有这些问题。

在耦合误差敏感应用中，有时试图增大材料与电容传感器电路接地的受控电容耦合程度，以便降低感兴趣材料与接地之间的变化的影响。本公开的发明人意识到，在实施过程中，由于机械、电气或成本约束，完全实现这种方法的益处是具有挑战性的。有时试图将感兴趣材料耦合接地，然而，本公开的发明人意识到，这意味着其他约束，诸如电绝缘、将外来金属体(用于接地路径的导体)引入可能腐蚀的材料中，以及监管约束，诸如食品和饮料应用中的健康问题。

本公开的发明人意识到，作为非限制性示例，一种能够自然地减少耦合误差而没有上文讨论的部分或全部缺点的解决方案将是期望的。

本公开的发明人意识到，在电极的自电容变化的情况下，这些变化可能是由于感兴趣材料的变化而引起的，这些变化可能是由于电容传感器的感兴趣材料/电路与地电位之间的变化而引起的，并且变化的分量可能由于感兴趣材料的变化以及电容传感器的感兴趣材料/电路与地电位之间的变化而分开。本公开的发明人意识到，期望观察或捕获由于感兴趣材料的变化而引起的自电容变化的分量，该变化与电容传感器的感兴趣材料/电路和地电位之间的变化无关。

如本文所用，″耦合电容″是指电极的自电容的对应于与电极的局部参考电位的电容耦合的分量。

图1A是描绘根据一个或多个示例的电容感测系统100的框图。电容感测系统100一般被配置为生成差分值106，该差分值与被测设备114(DUT114)处存在的材料110的性质112成比例。材料110的性质112可以变化，并且差分值106可以反映出性质112的变化。在一个或多个示例中，材料110的性质112可至少部分地基于材料110中的第一材料140a和第二材料140b之间的关系116。材料110中的第一材料140a和第二材料140b之间的关系116可以变化，并且材料110的性质112可以反映出关系116的变化。以这种方式，性质112是第一材料140a和第二材料140b之间的关系116的指示。

在一个或多个示例中，性质112、关系116的值以及与其成正比的第一材料140a、第二材料140b或DUT 114的度量可至少部分地基于检测器102的电极108的相应耦合电容(C

检测器102可通过执行易受耦合误差影响的特定过程来生成自电容指示124的信号和值。自电容指示124包括耦合电容指示。自电容指示124可附加地包括耦合误差指示。如上文所讨论的，耦合误差指示的存在可能影响自电容指示124与电极108的耦合电容的对应程度。通过取电极108的相应自电容指示124之间的差异，检测器102生成指示电极108的耦合电容的值，即差分值106。更具体地，检测器102被配置为以如下方式生成自电容指示124，即相应自电容指示124中存在的耦合误差指示能够被单独抵消。相应自电容指示124中存在的耦合电容指示被保留在差分值106中。

图1B是描绘电容感测系统100的框图。电极108具有分别与电极108中的相应电极118a和118b相关联的耦合电容C

在一个或多个示例中，可至少部分地基于差分值106来可靠地做出各种推断。推断的非限制性示例包括材料140a或140b的相应量或液位或DUT 114的利用量(例如，已利用容量、剩余容量，但不限于此)。

图1C是描绘电容感测系统100的图。第一传感器130和第二传感器132邻近体积136(例如，由图1的DUT 114限定)布置。第一传感器130和第二传感器132的相应电极118a和118b的相应长度沿第一竖直方向连续延伸(例如，如图1C所描绘沿Y方向延伸，但不限于此)。第一竖直方向可基本上平行于体积136的竖直取向的边界平面延伸。体积136表示材料110占据的空间的体积(参考标号″110″指向体积136的全部内容)。材料110包括第一材料140a(例如，液体，但不限于此)和第二材料140b(例如，空气，但不限于此)，该第一材料和该第二材料是不同的。在各种示例中，材料110可具有非均质状态或均质状态。作为非均质状态的非限制性示例，非零量的第一材料140a和第二材料140b可存在于材料110中(例如，DUT114中具有一些液体，但没有充满，并且体积的其余部分中具有空气，但不限于此)。作为均质状态的非限制性示例，第一材料140a或第二材料140b中的一者或另一者存在(例如，DUT114″充满″第一材料140a或第二材料140b，但不限于此)。

电极118a和118b的耦合电容可与性质112的变化成比例地变化，该性质是材料110的介电性质。介电性质的非限制性示例包括介电几何形状(例如，材料110的厚度或宽度，但不限于此)和介电材料特性(即，来自电场的能量吸收的表征)。材料110的介电性质可至少部分地基于第一材料140a和第二材料140b的相应介电性质，并且因此至少部分地基于体积136中存在的第一材料140a和第二材料140b的相应量的比率。第一材料140a和第二材料140b的相应量的比率可以变化。材料110的介电性质可响应于体积136中存在的第一材料140a和第二材料140b的相应量的比率的变化而变化。在一个或多个示例中，电极118a和118b的相应耦合电容可以是关系116(图1A)的指示，其中关系116是第一材料140a和第二材料140b的相应量的比率。第一材料140a和第二材料140b的相应量的比率可以是第一材料140a或第二材料140b的液位或竖直高度的指示。第一材料140a的表面120的竖直高度可以变化(例如，上升或下降，但不限于此)。作为非限制性示例，可从体积136中添加或移除各种量的第一材料140a，并且可移除或添加类似量(以体积计)的第二材料140b。在一个或多个示例中，表面120可以是基本上平坦的或块状的、相对于其上设置有体积136的表面基本上平行的或成角度的。

电极118a和118b的耦合电容(C

图2是描绘根据一个或多个示例的检测器200的框图。检测器200一般被配置为生成差分值220，该差分值是第一传感器208和第二传感器210的相应电极228和230的耦合电容C

在一个或多个示例中，第一传感器208和第二传感器210是对称的。如本文所用，当电容传感器(诸如第一传感器208和第二传感器210)被描述为″对称的″时，这意味着电容传感器以基本上相同的程度响应于相应电极228和230的耦合电容的基本上相同的变化。作为非限制性示例，对称电容传感器表现出基本上相同程度的与材料的电容耦合，并且响应于影响材料的介电常数K的变化的材料的介电性质的变化而经历基本上相同程度的电容耦合的变化。作为非限制性示例，由于压力或温度，介电性质的变化的非限制性示例包括介电几何形状的变化(例如，厚度或宽度的变化，但不限于此)或介电材料特性的变化(即，来自电场的能量吸收的表征的变化)。在一个或多个示例中，为了增大第一传感器208和第二传感器210之间的对称度，相应电极228和230的面积A1和A2(A1＝A2)、内部电容器的电容(C

图2所描绘的第一外部电容器214和第二外部电容器216的电路是用于表示电极228和230的相应耦合电容C

在第一外部电容器214和第二外部电容器216中的每一者的情况下，材料或液体(未描绘)用作相应的第一外部电容器214和第二外部电容器216的电介质，并且电极228和230是布置在限定DUT的保持区域(例如，其中存在或将存在材料的盆、腔室、中空部、空腔或空间，但不限于此)的壁的一部分附近的绝缘电极，用作第一外部电容器214和第二外部电容器216的相应板。不要求电极228或230与DUT的壁或DUT中存在的材料或者与DUT或其中存在的材料物理接触的另一种材料物理接触。

虽然示例可能看起来是指刚性壁的或固定体积的DUT，但这不是必需的，并且刚性壁的、柔性的、固定和非固定体积的DUT(例如，用于经由泵分配液体的袋、腔室，但不限于此)是特别考虑的，并且不超出本公开的范围。

在一个或多个示例中，第一传感器208被配置为生成指示电极228的自电容的第一电压V1，并且第二传感器210被配置为生成指示电极230的第二自电容的第二电压V2。在一个或多个示例中，通过分别经由第一传感器208的第一采集电路222和第二传感器210的第二采集电路224执行不同但互补的采集过程来生成电压V1和V2。第一采集电路222和第二采集电路224各自包括多个开关，该多个开关经控制以执行第一采集过程或第二采集过程(视情况而定)，并在后面参考图4进行讨论。

至少部分地响应于第一采集电路222执行第一采集过程和第二采集电路224执行第二采集过程，分别在第一采集电路222的第一内部电容器212和第二采集电路224的第二内部电容器218处生成电压V1和V2，这些电压分别表现出分别指示第一外部电容器214和第二外部电容器216的自电容的电压电平。这些自电容可能(但不一定)包括耦合误差。

在一个或多个示例中，第一电压V1的电压电平的增大或减小应反映出自电容指示的相应成比例的增大或减小，而第二电压V2的电压电平的减小或增大应反映出第二自电容指示的相应成比例的增大或减小。

测量电路226包括第一传感器208的第一模拟-数字转换器(ADC)202、第二传感器210的第二ADC 204和处理器206。第一ADC 202和第二ADC204被布置为生成分别对应于电压V1和V2的相应电压电平的第一值R1和第二值R2。因此，第一值R1和第二值R2指示自电容，第一电压V1和第二电压V2也指示自电容。在一个或多个示例中，第一内部电容器212和第二内部电容器218可分别布置和确定尺寸，使得电压V1和V2的相应电压电平在第一ADC 202和第二ADC 204的操作范围内。处理器206一般被配置为计算第一值和第二值之间的差值(即，R1-R2)，并生成反映第一值R1和第二值R2之间的差值并指示耦合电容C

在测量的给定执行中，第一传感器208和第二传感器210中的任一者可根据第一采集过程(例如，图4的第一采集过程424，但不限于此)或第二采集过程(例如，图4的第二采集过程426，但不限于此)来操作。在一个或多个示例中，第一传感器208和第二传感器210可利用它们相应的开关S1、S2、S3和S4来操作。如本文所用，当开关或经由开关的连接被描述为″接通″时，这意味着电流流过开关或连接，并且当开关被描述为″断开″时，这意味着电流不流过开关或连接。

图3是描绘根据一个或多个示例的用于生成作为耦合电容的指示的差分值的过程300的流程图。

在操作302处，过程300获得指示电极的自电容指示的差异的差分值。可在第一内部电容器和第二内部电容器处表现出自电容指示。在一个或多个示例中，自电容指示可任选地通过执行第一采集过程和第二采集过程来获得，该第一采集过程和该第二采集过程是不同的。

在操作304处，过程300任选地至少部分地响应于差分值来推断耦合到电极的被测设备处存在的材料的表面的竖直高度。在一个或多个示例中，过程300任选地推断被测设备处存在的第一材料和第二材料之间的关系，并且任选地至少部分地响应于差分值来推断第一材料和第二材料中的一者的表面的竖直高度。

图4是描绘根据一个或多个示例的用于采集指示耦合电容的差分值的差分采集过程400的流程图。

差分采集过程400包括第一采集过程424和第二采集过程426。第一采集过程424和第二采集过程426是过程300的第一采集过程和第二采集过程的非限制性示例。

在一个或多个示例中，检测器200(或更一般地，差分采集过程400)可被配置为根据第一采集过程424或第二采集过程426操作第一传感器208和第二传感器210中的任一者以用于差分采集过程400的给定执行。在图4所描绘的特定非限制性示例中，第一传感器208执行第一采集过程424并且第二传感器210执行第二采集过程426。

在一个或多个示例中，第一采集过程424和第二采集过程426基本上同时执行。以下操作基本上同时执行：操作404/操作412、操作406/操作414、操作408/操作416和操作410/操作418。如下文所讨论的，这确保执行第一采集过程424和第二采集过程426的传感器以相同但相反的方式受到影响，如下文所讨论的。

在操作402处，差分采集过程400启动测量。在一个或多个示例中，差分采集过程400初始化第一传感器(例如，第一传感器208，但不限于此)以根据第一采集过程424执行测量，并且初始化第二传感器(例如，第二传感器210，但不限于此)以根据第二采集过程426执行测量。

在操作404处，第一采集过程424将第一内部电容器充电至参考电压Vref。在第一传感器208的情况下，经由开关S1、S3和S4的连接断开，并且Vref与第一内部电容器212之间经由开关S2的连接接通，并且第一内部电容器212与第一外部电容器214和接地两者之间经由开关S2的连接断开。

在操作406处，第一采集过程424对第一外部电容器放电(即，对由第一外部电容器表示的电极的自电容放电)。在第一传感器208的情况下，经由开关S1和S3的连接断开，第一外部电容器214与接地之间经由开关S4的连接接通，VREF与第一内部电容器212之间经由开关S2的连接接通，并且第一内部电容器212与第一外部电容器214和接地两者之间经由开关S2的连接断开。在第一传感器208的情况下，操作404和操作406可同时执行。

在操作408处，第一采集过程424将第一内部电容器和第一外部电容器耦合。在第一传感器208的情况下，经由开关S1、S3和S4的连接断开，第一内部电容器212与第一外部电容器214之间经由开关S2的连接接通，并且第一内部电容器212与Vref和接地两者之间经由开关S2的连接断开。该布置启动从第一内部电容器212到第一外部电容器214的电荷共享。

值得注意的是，至少部分地响应于执行操作404、406和408，第一电压V1的电压电平是参考电压Vref、第一外部电容器214的第一耦合电容Cs

在操作410处，第一采集过程424测量第一内部电容器上存在的第一电压V1以获得第一值。第一值表示第一电压V1的电压电平。在第一传感器208的情况下，第一ADC 202与第一内部电容器212之间经由开关S1的连接接通，第一内部电容器212与第一外部电容器214之间经由开关S2的连接接通，第一内部电容器212与Vref和接地之间经由开关S2的连接断开，并且开关S3和S4的相应连接断开。经由第一ADC 202测量第一电压V1以获得第一值R1。

转向第二采集过程426，在操作412处，第二采集过程426对第二内部电容器放电。在第二传感器210的情况下，经由开关S1、S3和S4的连接断开，并且接地与第二内部电容器218之间经由开关S2的连接接通，并且第二内部电容器218与第二外部电容器216和Vref两者之间经由开关S2的连接断开。

在操作414处，第二采集过程426将第二外部电容器充电至参考电压Vref。(即，将由第二外部电容器表示的电极的自电容充电至参考电压Vref)。在第二传感器210的情况下，经由开关S1和S4的连接断开，第二外部电容器216与Vref之间经由开关S3的连接接通，接地与第二内部电容器218之间经由开关S2的连接接通，并且第二内部电容器218与第二外部电容器216和接地两者之间经由开关S2的连接断开。

在操作416处，第二采集过程426将第二内部电容器和第二外部电容器耦合。在第二传感器210的情况下，经由开关S1、S3和S4的连接断开，第二内部电容器218与第二外部电容器216之间经由开关S2的连接接通，并且第二内部电容器218与Vref和接地两者之间经由开关S2的连接断开。该布置启动从第二外部电容器216到第二内部电容器218的电荷共享。

值得注意的是，至少部分地响应于执行操作412、414和416，第二电压V2的电压电平是参考电压Vref、第二外部电容器216的第二耦合电容C

在操作418处，第二采集过程426测量第二内部电容器上存在的第二电压V2以获得第二值。第二值表示第二电压V2的电压电平。在第二传感器210的情况下，第二ADC 204与第二内部电容器218之间经由开关S1的连接接通，第二内部电容器218与第二外部电容器216之间经由开关S2的连接接通，第二内部电容器218与Vref和接地之间经由开关S2的连接断开，并且开关S3和S4的相应连接断开。经由第二ADC 204测量第二电压V2以获得第二值R2。

在任选操作420处，差分采集过程400可任选地利用第一传感器208来执行第二采集过程426的另一执行并且利用第二传感器210来执行第一采集过程424的另一执行。由第一传感器208执行第一采集过程424和第二采集过程426所获得的第一值和第二值可组合以获得第一值R1，并且由第二传感器210执行第一采集过程424和第二采集过程426所获得的值可组合以获得第二值R2。

图6(将在下文进一步描述)描绘了在无任选操作420的差分采集过程400期间生成的电压，并且图7(将在下文进一步描述)描绘了在具有任选操作420的差分采集过程400期间生成的电压。

在操作422处，差分采集过程400计算第一值R1和第二值R2之间的差值，以获得指示耦合电容的差分值。所获得的差值指示第一电容和耦合电容C

值得注意的是，由于下文描述的第一采集过程424和第二采集过程426基本上同时执行，因此它们受到相同的噪声和耦合误差的影响。由于第一传感器和第二传感器(例如，第一传感器208和第二传感器210，但不限于此)是对称的，因此它们在相同程度上受到相同噪声和环境耦合误差的影响，即，存在基本上相同幅度的耦合误差。在执行第一采集过程424和第二采集过程426时，在第一传感器和第二传感器处经历的电压和电荷流方向的净变化是极性相反的，因此信号以相反的方式受到噪声和环境耦合误差的影响，即，存在的相应耦合误差具有相反的符号。电压V1和V2中存在互补(例如，幅度基本上相同，但符号基本上相反)的耦合误差，并且由值R1和R2捕获。当从R1中减去R2时，耦合误差被抵消，并且得到与距离成正比的耦合误差不存在或无关紧要的值。

图5是描绘施加到第一传感器208的电极228的第一驱动信号502和施加到第二传感器210的电极230的第二驱动信号504的框图，其中第二驱动信号504的定时与第一驱动信号502的定时异相180度(θ-180)。第一驱动信号502是在第一采集过程424的执行期间施加到电极228的驱动信号的非限制性示例，并且第二驱动信号504是在第二采集过程426的执行期间施加到电极230的驱动信号的非限制性示例。在一个或多个示例中，第一驱动信号502和第二驱动信号504被同步施加。

在任选操作420中，其中第一传感器208执行第二采集过程426并且第二传感器210执行第一采集过程424，用于生成这些测量信号的相应驱动信号的相可以保持相同或也可以变化，只要相应定时保持180度异相即可。

图6是描绘在由检测器200执行的差分采集过程400的示例性执行期间，分别在第一曲线图602和第二曲线图604中的第一电压V1和第二电压V2的示例性电压电平的图。

在时间t0，第一传感器208的第一内部电容器212被充电至Vdd(参考电压Vref)，如第一曲线图602的虚线所示，并且第二传感器210的第二内部电容器218被放电至Vss(接地或系统接地)，如第二曲线图604的虚线所示。在从t0到t1的持续时间期间，第一外部电容器214被放电至Vss，如第一曲线图602的实线所示，并且第二外部电容器216被充电至Vdd，如第二曲线图604的实线所示。

在时间t1，第一内部电容器212和第一外部电容器214耦合，并且从t1到时间t2，存在从第一内部电容器212到第一外部电容器214的电荷共享。该电荷共享在时间t2将第一电压V1减小到指示第一耦合电容C

在第一传感器208的情况下，曲线606因此表示电荷从第一内部电容器212到第一外部电容器214的流出，并且从时间t1到时间t0，第一电压V1的电压电平存在净负方向变化。在第二传感器210的情况下，曲线608表示电荷从第二外部电容器216到第二内部电容器218的流入，并且从时间t1到时间t0，第二电压V2的电压电平存在净正方向变化。

图7是描绘在由检测器200执行的差分采集过程400(包括任选操作420)的示例性执行期间的示例性电压电平的图。

图7描绘了在两个采集相(采集相1和采集相2)期间第一传感器208和第二传感器210处的电压电平。在采集相1期间，第一传感器208执行第一采集过程424，如上部曲线图所描绘，并且第二传感器210执行第二采集过程426，如下部曲线图所描绘。在采集相2期间，第一传感器208执行第二采集过程426，如上部曲线图所描绘，并且第二传感器210执行第一采集过程424，如下部曲线图所描绘。

第一曲线702a和第一曲线702b分别表示在采集相1和采集相2期间由电压V1(在内部电容器上)表现出的电压电平。第二曲线704a和第二曲线704b分别表示在采集相1和采集相2期间由外部电容器上的电压表现出的电压电平。

第三曲线706a和第三曲线706b分别表示在采集相1和采集相2期间由电压V2表现出的电压电平。第四曲线708a和第四曲线708b分别表示在采集相1和采集相2期间由外部电容器表现出的电压电平。在采集相1期间的时间t2

在时间t2

类似地，在时间t2

通过至少部分地响应于由每个传感器执行两相测量而获得的差分值可表示为：差分值＝VA1(t1

图8是描绘检测器部分800的框图，该检测器部分被配置为施加保护电压(即，称为驱动屏蔽)，该保护电压增大对第一传感器和第二传感器的相应电极(例如，第一传感器208的电极228和第二传感器210的电极230)处的泄漏电流的抗扰度，但不限于此。

第一保护线814布置在第一支撑结构部分806(例如，印刷电路板(PCB)的一部分，但不限于此)上，位于围绕布置在第一支持结构部分806上的电极810的路径上。类似地，第二保护线824布置在第二支撑结构部分808(其可以是与第一支撑结构部分806相同或不同的支撑结构)上，位于围绕电极812的路径上。提供耦合到第一保护线814的第一驱动保护电极820用于接收由第一保护电路802生成的第一保护电压816，并且提供耦合到第二保护线824的第二驱动保护电极822用于接收由第二保护电路804生成的第二保护电压818。

在一个或多个示例中，第一保护电压816和第二保护电压818的相应波形可跟踪第一外部电容器214和第二外部电容器216处的电压的波形。然而，只要第一保护电压816和第二保护电压818表现出的电压电平的总净变化与第一外部电容器214和第二外部电容器216两端的电压在感兴趣的持续时间内表现出的总电压电平的净变化相同，就不需要波形的1比1对应关系。在一个或多个示例中，第一保护电路802和第二保护电路804可配置有关于净电压变化和定时的信息，以分别生成第一保护电压816和第二保护电压818，该第一保护电压和该第二保护电压表现出适合保护的电压电平。

图9描绘了包括任选操作420的示例性差分采集过程400的第一采集相和第二采集相期间的示例性电压电平以及图8的保护电压的图解视图。

第一图解视图910描绘了在示例性差分采集过程400的第一采集相和第二采集相期间在电极810和第一保护电压816处表现出的电压电平。第二图解视图912描绘在示例性差分采集过程400的第一采集相和第二采集相期间由第二保护电压818和电极812表现出的电压电平。

第一采集相为时间t0

在第一图解视图910中，第一曲线902a表示第一保护电压816在第一采集相期间表现出的电压电平，并且第一曲线902b表示第一保护电压816在第二采集相期间表现出的电压电平。第二曲线904a表示电极810在第一采集相期间表现出的电压电平，并且第二曲线904b表示电极810在第二采集相期间表现出的电压电平。

在第二图解视图912中，第三曲线906a表示第一采集相期间第二保护电压818的电压电平，并且第三曲线906b表示第二采集相期间第二保护电压818的电压电平。第四曲线908a表示电极812在第一采集相期间表现出的电压电平，并且第四曲线908b表示电极812在第二采集相期间表现出的电压电平。

从时间t0

值得注意的是，紧接在t2

第一保护电压816和第二保护电压818的存在(表现出跟踪由电极810和电极812表现出的电压电平的净变化以及这种变化的极性的电压电平)使电极810与电极812免受泄漏电流的影响。

图10是描绘测量电路1000的框图，作为非限制性示例，该测量电路可用来用单个ADC 1004实现第一测量电路226和第二测量电路226。测量电路1000包括第一采样保持电路1006和第二采样保持电路1008，该第一采样保持电路和该第二采样保持电路分别被配置为对连续变化的模拟信号的电压进行采样并在指定的持续时间内将其值保持在恒定电平。在一个或多个示例中，第一采样保持电路1006和第二采样保持电路1008的相应输入可经由第一端子1010和第二端子1012耦合到不同传感器的感测线，诸如第一传感器208的第一感测线236和第二传感器210的第二感测线238，但不限于此。在一个或多个示例中，第一采样保持电路1006和第二采样保持电路1008被配置为响应于定时信号1016执行相应的电压采样。在一个或多个示例中，第一采样保持电路1006和第二采样保持电路1008利用相同的定时信号1016(或两个良好同步的定时信号)，使得可以控制该第一采样保持电路和该第二采样保持电路以基本上同时执行它们相应的电压采样。

测量电路1000包括多路复用器1014，该多路复用器被布置为将第一采样保持电路1006和第二采样保持电路1008的输出中的一者选择性地提供给ADC 1004的输入。ADC 1004被配置为将由多路复用器1014提供的相应电压电平数字化并将这些值存储在缓冲器1002中。数字化值存储在缓冲器1002中，可供处理器(例如，处理器206，但不限于此)检索并组合以获得指示耦合电容的差分值。虽然ADC 1004测量由相应输入在不同时间提供给多路复用器1014的电压，但电压表现出基本上同时采样的电压的电压电平，并且因此包括互补耦合误差，如本文所讨论的。

图11是包括第一图解视图1102和第二图解视图1104的图，该第一图解视图和该第二图解视图描绘了在若干事件期间分别利用自电容指示(例如，图1A的自电容指示124，但不限于此)和差分值(例如，图1A的差分值106或图2的差分值220，但不限于此)的竖直高度的值指示。通过比较事件期间(1根手指、2根手指、手掌触摸DUT壁；手指触摸DUT处存在的水；以及接地线插入水中)视图1102和1104所描绘的相应值可以看出，视图1102中竖直高度的值指示响应于事件而发生相当大的变化，包括当接地线插入水中时，与没有事件时的值指示相比，这会导致很大的变化。在第二图解视图1104中，对于大多数事件，竖直高度的值指示没有表现出实质性变化，并且当接地线插入水中时，与第一图解视图1102相比，观察到适度的变化。

因此，第一图解视图1102描绘了分别受1根手指、2根手指、手掌触摸DUT壁；手指触摸DUT处存在的水；以及接地线插入水中影响的自电容指示值，这导致数值中存在耦合误差。耦合误差的存在导致值的大波动。如在第二图解视图1104中可以看出，利用差分值提供了对自电容指示的减小的影响。

在此描述中任何将某物表征为″典型″、″常规″、″已知″等不一定意味着该物在现有技术中公开或在现有技术中了解所论述的方面。此类表征也不一定意味着在相关领域中它是众所周知的、充分理解的或常规使用的。这仅意味着本公开的发明人已知或理解。

如本公开内容所用，涉及多个元件的术语″组合″可包括所有元件的组合或某些元件的各种不同子组合中的任何一种组合。例如，短语″A、B、C、D或它们的组合″可指A、B、C或D中的任一个；A、B、C和D中的每一个的组合；以及A、B、C或D的任何子组合，诸如A、B和C；A、B和D；A、C和D；B、C和D；A和B；A和C；A和D；B和C；B和D；或C和D。

本公开且特别是所附权利要求中所用的术语(例如，所附权利要求的主体等)通常旨在作为″开放式″术语(例如，术语″包括(including)″应解释为″包括但不限于″，术语″具有″应解释为″至少具有″，术语″包括(includes)″应解释为″包括但不限于″，等等)。如本文所用，术语″各个″意指一些或全部。如本文所用，术语″每一个″是指全部。

另外，如果预期特定数量的引入的权利要求表述，则在权利要求中将明确叙述此类意图，并且在不进行此类表述的情况下，不存在此类意图。例如，作为对理解的辅助，以下所附权利要求书可包含使用引入性短语″至少一个″和″一个或多个″来引入权利要求叙述。然而，使用此类短语不应理解为暗示由不定冠词″一个″或″一种″引入的权利要求表述将包含此类引入的权利要求表述的任何特定权利要求限定于仅包含一个此类表述的示例，即使当相同的权利要求包括介绍性短语″一个或多个″或″至少一个″和不定冠词，诸如″一个″或″一种″(例如，″一个″和/或″一种″可被解释为指的是″至少一个″或″一个或多个″，但不限于此)；使用定冠词来引入权利要求叙述也是如此。如本文所用，术语″每个″意指一些或全部，并且术语″每个和各个″意指全部。

另外，即使明确叙述了特定数量的所引入的权利要求叙述，本领域的技术人员也将认识到，此类叙述应被解译为旨在至少所叙述的数量(例如，无修饰的叙述″两项叙述″在没有其他修饰成分的情况下旨在至少两项叙述，或两项或更多项叙述，但不限于此)。此外，在使用类似于″A、B和C中的至少一者，但不限于此″或″A、B和C中的一者或多者，但不限于此″的惯例的那些实例情况下，此类构造一般旨在包括单独A、单独B、单独C、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起，但不限于此。

此外，无论在说明书、权利要求书或附图中，呈现两个或更多个替代性术语的任何分离的词或措辞应当理解为考虑包括该术语中的一个术语、该术语中的任意一个术语或两个术语的可能性。例如，短语″A或B″应理解为包括″A″或″B″或″A和B″的可能性。

本公开的非限制性示例的各种示例包括：

实施例1：一种装置，该装置包括：检测器，其中该检测器被配置为感测的信号是指示在第一内部电容器和第二内部电容器处表现出的自电容指示的差异的差分值，其中该差分值与耦合到该检测器的电极的被测设备处存在的材料的表面的竖直高度成比例。

实施例2：根据实施例1所述的装置，该装置包括：第一传感器，该第一传感器被配置为生成指示相应电极的第一自电容的第一电压；和第二传感器，该第二传感器被配置为生成指示相应电极的第二自电容的第二电压。

实施例3：根据实施例1和2中任一项所述的装置，其中：该第一传感器被配置为至少部分地响应于该第一自电容的变化而改变该第一电压的电压电平；并且该第二传感器被配置为至少部分地响应于该第二自电容的变化而改变该第二电压的电压电平。

实施例4：根据实施例1至3中任一项所述的装置，其中该第一传感器和该第二传感器被配置为提供对与该被测设备处存在的材料的电容耦合的基本上对称的响应。

实施例5：根据实施例1至4中任一项所述的装置，其中该第一传感器和该第二传感器被配置为提供对该被测设备处存在的该材料与该第一传感器和该第二传感器之间的耦合变化的基本上对称的响应。

实施例6：根据实施例1至5中任一项所述的装置，其中该第一传感器和该第二传感器被配置为提供的该基本上对称的响应包括：对该被测设备处存在的该材料与该第一传感器和该第二传感器之间的耦合变化的响应至少部分地响应于该材料的介电性质的变化。

实施例7：根据实施例1至6中任一项所述的装置，其中：该第一传感器包括：第一采集电路，该第一采集电路被配置为在该第一内部电容器处生成该第一电压；和第一测量电路，该第一测量电路被配置为生成第一值，该第一值指示由该第一电压表现出的电压电平，并且该第二传感器包括：第二采集电路，该第二采集电路被配置为在该第二内部电容器处生成该第二电压；和第二测量电路，该第二测量电路被配置为生成第二值，该第二值指示由该第二电压表现出的电压电平。

实施例8：根据实施例1至7中任一项所述的装置，其中：该第一测量电路包括第一模拟-数字转换器，该第一模拟-数字转换器被布置为测量在该第一内部电容器处生成的该第一电压；并且该第二测量电路包括第二模拟-数字转换器，该第二模拟-数字转换器被布置为测量在该第二内部电容器处生成的该第二电压。

实施例9：根据实施例1至8中任一项所述的装置，该装置包括：采样保持电路；模拟-数字转换器；和处理器，该处理器被配置为控制该采样保持电路和该模拟-数字转换器以交替地测量在该第一内部电容器处生成的该第一电压和在该第二内部电容器处生成的该第二电压。

实施例10：根据实施例1至9中任一项所述的装置，该装置包括：第一导线，该第一导线围绕该第一传感器的相应电极布置；第二导线，该第二导线围绕该第二传感器的相应电极布置；和第一驱动保护电极，该第一驱动保护电极电耦合到该第一导线并被配置为接收第一保护电压；和第二驱动保护电极，该第二驱动保护电极电耦合到该第二导线，该第二驱动保护电极被配置为接收第二保护电压。

实施例11：一种方法，该方法包括：获得指示电极的自电容指示的差异的差分值，该自电容指示在第一内部电容器和第二内部电容器处表现出；以及至少部分地响应于该差分值来推断耦合到该电极的被测设备处存在的材料的表面的竖直高度。

实施例12：根据实施例11所述的方法，该方法包括：执行第一采集过程以获得该电极中的第一电极的第一自电容指示；以及执行第二采集过程以获得该电极中的第二电极的第二自电容指示。

实施例13：根据实施例11和12中任一项所述的方法，其中执行该第一采集过程包括：将第一内部电容器充电至参考电压；对第一外部电容器放电，该第一外部电容器与该电极中的该第一电极相关联；将该第一内部电容器和该第一外部电容器耦合；以及测量由该第一内部电容器表现出的电压。

实施例14：根据实施例11至13中任一项所述的方法，其中执行该第二采集过程包括：对第二内部电容器放电；将第二外部电容器充电至参考电压，该第二外部电容器与该电极中的该第二电极相关联；将该第二内部电容器和该第二外部电容器耦合；以及测量由该第二内部电容器表现出的电压。

实施例15：根据实施例11至14中任一项所述的方法，其中执行该第一采集过程和该第二采集过程包括：利用第一传感器执行该第一采集过程并且利用第二传感器执行该第二采集过程；以及利用该第一传感器执行该第二采集过程并且利用该第二传感器执行该第一采集过程。

实施例16：根据实施例11至15中任一项所述的方法，其中该第一采集过程和该第二采集过程基本上同时执行。

实施例17：根据实施例11至16中任一项所述的方法，其中该第一自电容指示和该第二自电容指示基本上同时生成。

实施例18：一种装置，该装置包括：检测器，其中该检测器被配置为感测的信号是差分值，该差分值是由两个相应电极表现出的耦合电容的指示，其中该耦合电容的该指示与耦合到该检测器的该两个相应电极的被测设备处存在的第一材料和第二材料之间的关系成比例。

实施例19：一种装置，该装置包括：检测器，其中该检测器被配置为感测的信号是电极的自电容的变化，该电极的自电容的变化仅包括由于电极和感兴趣材料之间的电容耦合的变化而引起的自电容的变化。

实施例20：一种装置，该装置包括：检测器，其中该检测器被配置为感测的信号是电极的自电容的变化，该电极的自电容的变化仅包括由于感兴趣材料的介电性质的变化而引起的自电容的变化。

在不脱离本公开的范围的情况下，本文所述的各种示例的特征不是相互排斥的，并且可以各种组合和排列存在，即使本文未明确描述此类组合或排列。事实上，在不脱离本公开的范围的情况下，本领域的普通技术人员将认识到本文所述内容的变型、修改和其他具体实施。因此，本发明不应仅由前述示例性描述限定，而应仅由所附权利要求书及其法律等同物限定。