CN102313566B - 具有校正机制的电容式传感器及电容感测方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种具有校正机制的电容式传感器及电容感测方法，电容式传感器包含：一组感应电容、减除电路及积分电路。感应电容产生电容变化。减除电路包含：根据感应电容的初始电容误差产生误差调整电荷的第一电容阵列以及根据感应电容的感测灵敏度产生减除电荷的第二电容阵列。积分电路包含二输入端，其中之一连接于感应电容及减除电路。当位于感测周期，积分电路根据电容变化持续进行一积分，且根据误差调整电荷进行误差消除，以产生积分输出信号。当位于计算周期，积分电路根据减除电荷持续减除积分输出信号，以计算减除次数。

Description

具有校正机制的电容式传感器及电容感测方法

技术领域

本发明是有关于一种电子感测装置及方法，且特别是有关于一种具有校正机制的电容式传感器及电容感测方法。

背景技术

电容在受到刺激后，将造成其电荷储存量改变，而产生相对应的感应信号。针对此特性，电容被广泛地应用在各种感测的机制上。举例来说，加速度计(Accelerometer)、又称角加速度计的陀螺仪(Gyroscope)以及麦克风等等，都是应用电容特性来进行感测的范例。以加速度或角加速度造成移动，或是以声音振动，都可以给予电容刺激而改变电容值，使得加速度值、角加速度值或音量大小都可以经由精密设计的电容所产生的电荷改变量测量出来。

然而，电容即使经过精密的设计，仍然可能存在许多不理想的状况。例如电容在未经刺激的时候，理想状况为不产生任何感测信号，但如电容具有些微不对称的情形，则可能在未受刺激的情形下即有感测信号产生。另一方面，相同类型的电容传感器在受到同样的刺激下，仍可能因制程上的差异而在感受的程度具有略微的不同，而在感测灵敏度上造成误差。对愈来愈讲求高精密度的现代电子科技来说，这些误差将可能造成巨大的影响。

因此，如何设计一个新的具有校正机制的电容式传感器及电容感测方法，乃为此一业界亟待解决的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有校正机制的电容式传感器及电容感测方法。

本发明的一实施方式是在提供一种电容式传感器，包含：一组感应电容、减除电路(subtraction circuit)以及积分电路(integration circuit)。此组感应电容用以产生电容变化。减除电路包含：第一电容阵列以及第二电容阵列。第一电容阵列根据此组感应电容的初始电容误差产生误差调整电荷(offset-adjusting charge)。第二电容阵列根据此组感应电容的感测灵敏度产生减除电荷(subtraction charge)。积分电路包含二输入端，其中之一连接于此组感应电容及减除电路。当位于感测周期，积分电路根据电容变化持续进行一积分，且根据误差调整电荷进行误差消除，以产生积分输出信号(integrationoutput singnal)。当位于计算周期，积分电路根据减除电荷持续减除(subtracted)积分输出信号，以计算减除次数(subtraction count)。

依据本发明一实施例，其中误差调整电荷为每隔一周期产生，以对积分进行误差消除。

依据本发明另一实施例，电容式传感器还包含控制电路，用以控制第一电容阵列及第二电容阵列，进一步调整误差调整电荷及减除电荷。控制电路还用以控制感测周期的长度及用以将减除次数转换为数字码以输出至外部电路。

依据本发明又一实施例，其中积分电路的二输入端未连接于感应电容及减除电路者，是连接于参考电压。电容式传感器还包含比较器，用以在计算周期接收积分输出信号，以判断计算周期是否结束。

依据本发明再一实施例，其中感应电容为一组第一感应电容，电容变化为第一电容变化，电容式传感器还包含一组第二感应电容，用以产生与第一电容变化相反的第二电容变化，积分电路的二输入端其中之一连接于第一感应电容及减除电路，另一输入端连接于第二感应电容及减除电路。积分输出信号实质上包含正积分输出信号以及负积分输出信号，其中正积分输出信号及负积分输出信号为相反。电容式传感器还包含比较器，用以在计算周期接收正积分输出信号及负积分输出信号，以判断计算周期是否结束。

依据本发明还具有的一实施例，其中感测周期于超过一特定频率数结束。

本发明的另一实施方式是在提供一种具有校正机制的电容感测方法，包含下列步骤：根据一组感应电容感测外界物理量以产生电容变化；进入感测周期，以根据电容变化持续进行积分；根据感应电容的初始电容误差产生误差调整电荷，以进行误差消除；判断感测周期是否结束；当感测周期结束，根据积分以及误差调整电荷的结果产生积分输出信号；根据感应电容的感测灵敏度产生减除电荷；以及进入计算周期，以根据减除电荷持续减除积分输出信号，以计算减除次数。

依据本发明一实施例，其中误差调整电荷为每隔一周期产生，以对积分进行误差消除。

依据本发明另一实施例，电容感测方法还包含一步骤：在减除电荷持续减除积分输出信号时根据积分输出信号判断计算周期是否结束。

依据本发明又一实施例，电容感测方法还包含一步骤：在减除电荷持续减除积分输出信号时根据正积分输出信号及负积分输出信号判断计算周期是否结束。

应用本发明的优点在于通过第一电容阵列以及第二电容阵列分别产生误差调整电荷及减除电荷，以在感应电容感测到变化而由积分电路进行积分时消除感应电容的初始电容误差，与由减除电荷计算积分的量值时消除感应电容的感测灵敏度造成的误差，而轻易地达到上述的目的。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1为本发明一实施例的电容式传感器的电路图；

图2A为本发明一实施例中，减除电路更详细的电路图；

图2B为图2A的减除电路的等效电路的示意图；

图3A为本发明一实施例中，感应电容未受刺激时，积分电路由于感应电容的初始误差造成的积分结果的示意图；

图3B为本发明一实施例中，感测周期的积分过程及计算周期中积分输出信号为减除电荷所减除的示意图；

图4为本发明一实施例的电容式传感器的电路图；

图5为本发明一实施例中，感测周期积分过程及计算周期中，正及负积分输出信号为减除电荷所减除的示意图；以及

图6为本发明一实施例中，一种具有校正机制的电容感测方法的流程图。

【主要组件符号说明】

1：电容式传感器               100：感应电容

101：电荷变化信号             102：减除电路

103：误差调整电荷             104：积分电路

105：积分输出信号               106：控制电路

107：减除电荷                   108：比较器

110：频率产生电路               20：第一电容阵列

22：第二电容阵列                24：第三电容阵列

26：参考电容                    30：波形

31：感测周期                    32：固定周期

33：计算周期                    34：误差消除周期

4：电容式传感器                 400a：第一感应电容

400b：第二感应电容              401a：第一电荷变化信号

401b：第二电荷变化信号          402：减除电路

403a、403b：误差调整电荷        404：积分电路

405a：正积分输出信号            405b：负积分输出信号

406：控制电路                   407a、407b：减除电荷

408：比较器                     410：频率产生电路

51：感测周期                    53：计算周期

601-609：步骤

具体实施方式

请参照图1，为本发明一实施例的电容式传感器1的电路图。电容式传感器1包含：一组感应电容100、减除电路102、积分电路104、控制电路106、比较器108以及频率产生电路110。

感应电容100用以感测外界的物理量而具有电容变化，进而产生电荷变化信号101。举例来说，感应电容100可感测到加速度、角加速度或是声音等物理量的变化以产生变化。在本实施例中，感应电容100为两个分别具有二金属板的电容。积分电路104包含二输入端及一输出端。实质上此二输入端分别为正输入端及负输入端，分别以+及-记号表示于图1上，而输出端则以o记号表示。在本实施例中，负输入端与感应电容100及减除电路102相连接，其相连接处为A点，而正输入端则接收参考电压Vr。

理想的情形下，如在外界未给予刺激时，感应电容100将不会产生任何信号，而仅在外界给予刺激时，由于感应电容100产生电容变化，进而产生电荷变化信号101，并由积分电路104根据电荷变化信号101持续进行一积分，而在输出端产生积分的结果。由于感应电容100的不同，此积分的结果对参考电压Vr而言可能为正方向的积分或是负方向的积分。

然而，电容即使经过精密的设计，仍然可能存在许多不理想的状况，而使电容在未经刺激的时候，具有初始电容误差。或是相同的电容传感器在受到同样的刺激下，仍可能因制程上的差异而在感受的程度具有略微的不同，而在感测灵敏度上造成误差。其中，由于感应电容100的不对称而造成的初始电容误差，将使得积分电路104即使在未经刺激的时候，仍会进行积分。因此在外界刺激的情形下，此初始电容误差将影响积分结果的正确性。

请参照图2A。图2A为本发明一实施例中，减除电路102更详细的电路图。减除电路102包含：第一电容阵列20、第二电容阵列22、第三电容阵列24以及参考电容26。第一电容阵列20实质上包含数个具有开关的电容，以根据感应电容100的初始电容误差调整开关，调整A、B端所等效的电容值，产生误差调整电荷103，将最终的误差调整电荷103由A点传送至积分电路104的负输入端。上述的减除电路102，可进行一正向或负向的调整或减除。在一实施例中，可设置两个结构相同的减除电路102，以使其中之一进行正向的调整或减除，而另一个则进行负向的调整或减除。其等效电路，绘示为如图2B所示的结构。其中A点至B点间的等效电容，即包含图2A所示的各电容阵列，而A点至C点间的等效电容亦与A点至B点间的等效电容相同。

因此，请再参照图1，在感应电容100产生电荷变化信号101后，电容式传感器1将进入感测周期，积分电路104根据电荷变化信号101持续进行积分的同时，也根据减除电路102经由A点所传送的误差调整电荷103进行误差消除。在一实施例中，此误差调整电荷103设定为每隔一周期产生。意即，误差调整电荷103用于校正在同样的周期内，外界未给予刺激时，积分电路104根据不对称的感应电容100而产生的误差结果。

请参照图3A。图3A为本发明一实施例中，感应电容100在未受刺激时，积分电路104由于感应电容100的初始误差造成的积分结果的示意图。

积分电路104由于感应电容100的初始误差，即使未受外界的刺激，也将持续进行积分，而形成如波形30的阶梯状的积分结果。因此，误差调整电荷103在一实施例中，可设定为在一个固定周期32结束时产生，以消除此固定周期32的频率数内，由于感应电容100的不对称所造成的误差。因此如图3A所示，在固定周期32后，将具有一误差消除周期34，以将此误差做归零的动作。因此，将此归零动作应用于电容式传感器1的积分电路104，即能消除初始电容误差。

举例来说，积分电路104根据电荷变化信号101在1024个频率数内持续进行积分，而误差调整电荷103则每隔32个频率数即产生，以消除此32个频率数内，由于感应电容100的不对称所造成的误差。因此，在此1024个频率数中，误差调整电荷103将进行32次如图3A所示的误差消除动作，以消除初始电容误差造成的影响。

请再参照图1，上述的频率数，在一实施例中，是通过频率产生电路110产生，以供应至电容式传感器1的各组件。而控制电路106则用以判断感测周期开始后，经过的频率数，以于超过一特定频率数，如上述的1024个频率数时，判断感测周期结束，使积分电路104进入计算周期。此时，上述积分及误差消除的结果，即于积分电路104输出端产生积分输出信号105。

请再参照图2A、图2B。当位于计算周期，第二电容阵列22如同第一电容阵列20，实质上包含数个具有开关的电容，以根据感应电容100的感测灵敏度调整电容的开启或关闭，用以调整A、B端所等效的电容值，产生减除电荷107，由A点传送至积分电路104的正输入端。

因此，请再参照图1，在计算周期中，积分电路104将根据减除电荷107持续减除积分输出信号105，以计算减除次数。比较器108将接收被减除的积分输出信号105以及参考电压Vr以进行比较。在一实施例中，当积分输出信号105被减除至小于参考电压Vr时，比较器108即判断计算周期结束，并将总共减除的次数算出。

请参照图3B。图3B为本发明一实施例中，感测周期31期间的积分过程及计算周期33期间，积分输出信号105为减除电荷107所减除的示意图。

积分电路104在经过感测周期31期间的积分过程后，将产生积分输出信号105，并在紧接着的计算周期33中，为减除电荷107所减除。

举例来说，积分电路104经过1024个频率数所积分出的积分输出信号105，每隔一频率即由减除电荷107减除一固定的值，直到积分输出信号105被减除至小于参考电压Vr为止。此时，在计算周期33内，积分输出信号105被减除电荷107减除的次数即为减除次数。需注意的是，参考电压Vr的值可因应不同的实施例而设定不同的数值。

由于即使设计为相同的感应电容100，在制程上造成的些微误差，对于同样的外界刺激，可能会产生不同的感测电容值，因此在计算上易造成灵敏度上的误差。藉由第二电容阵列22根据灵敏度的调整，将可使上述的误差减到最小。

上述的减除次数，即为电容式传感器1的感应电容100所感测到的外界物理量，如加速度、角加速度以及声音。在一实施例中，控制电路106可将此减除次数转换为数字码以输出至外部电路(未绘示)。

在一实施例中，减除电路102中的第一电容阵列20以及第二电容阵列22的开关，是在经由测试，确定感应电容100的初始电容误差及灵敏度将造成的误差值后，再由控制电路106进行控制，以将各电容阵列的电容值及输出的误差调整电荷103与减除电荷107调整至适当的准位。第一电容阵列20以及第二电容阵列22的电容数目亦可于不同的实施例中进行调整，以达到更精确的误差校正，不为图2A、图2B绘示所限。在一实施例中，减除电容阵列24并非必要，而可仅通过设置第一电容阵列20以及第二电容阵列22达到校正的目的。

因此，通过上述实施例中的电容式传感器1，感应电容100在初始电容误差及灵敏度上所造成的误差情形，将可以通过减除电路102的设计而大幅改善，并提升其感测的准确度。

请参照图4。图4为本发明一实施例的电容式传感器4的电路图。电容式传感器4包含：一组第一感应电容400a、一组第二感应电容400b、减除电路402、积分电路404、控制电路406、比较器408以及频率产生电路410。

第一感应电容400a及第二感应电容400b实质上为对称的两组电容，当感应到外界的刺激时，将分别产生第一电容变化及第二电容变化，进而据此产生第一电荷变化信号401a及与第一电荷变化信号401a相反的第二电荷变化信号401b。在本实施例中，第一感应电容400a及第二感应电容400b分别与积分电路404的正输入端及负输入端相连接(如同图1中分别以+及-记号标示)，以全差动(Fully differential)的方式输入，分别使积分电路404产生正负相反但绝对值相同的积分结果。

减除电路402与前一实施例中的减除电路102具有相同的架构，因此不再赘述。然而在本实施例中，减除电路402将产生两个误差调整电荷403a、403b与两个减除电荷407a、407b，以分别传送至积分电路404的正输入端及负输入端，并如前一实施例中所述，在感测周期中进行初始电容误差的消除，并依据频率产生电路410的频率数判断感测周期的结束以产生正负相反的正积分输出信号405a及负积分输出信号405b，以及在计算周期中进行灵敏度的校正。需注意的是，正积分输出信号405a及负积分输出信号405b的名称，是指其由正输出端或负输出端输出，并非限定其电压值为正或负。

在本实施例中，比较器408接收正积分输出信号405a及负积分输出信号405b，以进行比较。在一实施例中，正积分输出信号405a及负积分输出信号405b为两个减除电荷407a、407b所持续减除，直至其值相差为零或接近零，则比较器408将判断计算周期结束，产生减除次数。在其它实施例中，可设定其它的判断机制以由比较器408判断计算周期的结束。

请参照图5。图5为本发明一实施例中，感测周期51期间的积分过程及计算周期53期间，正积分输出信号405a及负积分输出信号405b为两个减除电荷407a、407b所减除的示意图。

积分电路404在经过感测周期51期间的积分过程后，将产生正积分输出信号405a及负积分输出信号405b，并在紧接着的计算周期53中，为减除电荷407a、407b所减除。

图4中的控制电路406在本实施例中亦可如同前一实施例，对控制感测周期的长度、控制减除电路402的各电容开关及各参数以调整误差校正及精确度校正的程度，并可将所计算的减除次数转换为数字码以输出至外部电路(未绘示)。

请参照图6。图6为本发明一实施例中，一种具有校正机制的电容感测方法的流程图。电容感测方法可应用于如图1或图4所绘示的电容式传感器。在本实施例中是以图1的电容式传感器1为例进行说明。电容感测方法包含下列步骤。

在步骤601，根据一组感应电容100感测电荷变化信号101。在步骤602，进入感测周期，以使积分电路104根据电荷变化信号101持续进行积分。在步骤603，根据感应电容100的初始电容误差产生误差调整电荷103，以进行误差消除。在步骤604，判断感测周期是否结束。当感测周期尚未结束，则继续执行步骤603以进行积分及误差消除。当感测周期结束，在步骤605，根据积分以及误差调整电荷103的结果产生积分输出信号105。在步骤606，根据感应电容的感测灵敏度产生减除电荷107。在步骤607，进入计算周期，以根据减除电荷107持续减除积分输出信号105，以计算减除次数。在步骤608，判断计算周期是否结束。当计算周期尚未结束，则继续执行步骤607以计算减除次数。当计算周期结束，在步骤609，转换计数值为数字码以输出至外部电路。

因此，通过上述实施例中的电容式传感器及电容感测方法，感应电容在初始电容误差及灵敏度上所造成的误差情形，将可以通过减除电路的设计而大幅改善，并提升其感测的准确度。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种具有校正机制的电容式传感器，其特征在于，包含：

一组感应电容，用以产生一电容变化；

一减除电路，包含：

一第一电容阵列，用以根据该组感应电容的一初始电容误差产生一误差调整电荷；

一第二电容阵列，用以根据该组感应电容的一感测灵敏度产生一减除电荷；以及

一积分电路，包含二输入端，其中之一连接于该组感应电容及该减除电路；

当位于一感测周期，该积分电路根据该电容变化持续进行一积分，且根据该误差调整电荷进行一误差消除，以产生一积分输出信号；

当位于一计算周期，该积分电路根据该减除电荷持续减除该积分输出信号，以计算一减除次数。

2.根据权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于，该误差调整电荷为每隔一周期产生，以对该积分进行该误差消除。

3.根据权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于，该电容式传感器还包含一控制电路，用以控制该第一电容阵列及该第二电容阵列，进一步调整该误差调整电荷及该减除电荷并将该减除次数转换为一数字码以输出至一外部电路，且该控制电路还用以控制该感测周期的长度，使该感测周期在超过一特定频率数时结束。

4.根据权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于，该积分电路的该二输入端未连接于该组感应电容及该减除电路者，是连接于一参考电压，该电容式传感器还包含一比较器，用以在该计算周期接收该积分输出信号，以判断该计算周期是否结束。

5.根据权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于，该组感应电容为一组第一感应电容，该电容变化为一第一电容变化，该电容式传感器还包含一组第二感应电容，用以产生与该第一电容变化相反的一第二电容变化，该积分电路的该二输入端其中之一连接于该组第一感应电容及该减除电路，另一者连接于该组第二感应电容及该减除电路。

6.根据权利要求5所述的电容式传感器，其特征在于，该积分输出信号包含一正积分输出信号以及一负积分输出信号，其中该正积分输出信号及该负积分输出信号为相反，该电容式传感器还包含一比较器，用以在该计算周期接收该正积分输出信号及该负积分输出信号，以判断该计算周期是否结束。

7.一种具有校正机制的电容感测方法，其特征在于，包含下列步骤：

根据一组感应电容感测一外界物理量以产生一电容变化；

进入一感测周期，以根据该电容变化持续进行一积分；

根据该组感应电容的一初始电容误差产生一误差调整电荷，以进行一误差消除；

判断该感测周期是否结束；

当该感测周期结束，根据该积分以及该误差调整电荷的结果产生一积分输出信号；

根据该组感应电容的一感测灵敏度产生一减除电荷；以及

进入一计算周期，以根据该减除电荷持续减除该积分输出信号，以计算一减除次数。

8.根据权利要求7所述的电容感测方法，其特征在于，该误差调整电荷为每隔一周期产生，以对该积分进行该误差消除。

9.根据权利要求7所述的电容感测方法，其特征在于，还包含一步骤：

在该减除电荷持续减除该积分输出信号时根据该积分输出信号判断该计算周期是否结束。

10.根据权利要求7所述的电容感测方法，其特征在于，该积分输出信号包含一正积分输出信号以及一负积分输出信号，该电容感测方法还包含一步骤：

在该减除电荷持续减除该积分输出信号时根据该正积分输出信号及该负积分输出信号判断该计算周期是否结束。

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