CN102590635B - 电容检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种电容检测装置，能以比调整用电容元件的最小值更高精度来调整偏移。电容检测装置(10)具备偏移调整电路(14)，偏移调整电路(14)用于从自电荷读取机构(12)向积分器(13)传输的电荷中去除偏移，偏移调整电路(14)具备：可变电容元件(21)，其由多个电容元件构成，且通过对被并联连接于传输线路的电容元件个数进行切换来设定为规定电容值；和调整用电容元件(23)，其与可变电容元件(21)并联连接，且是构成可变电容元件(21)的电容元件的最小值。偏移调整电路(14)被驱动控制为：在M次反复由可变电容元件(21)进行偏移去除的期间，仅N次(M＞N，M、N为自然数)由调整用电容元件(23)进行偏移去除。

Description

电容检测装置
技术区域
本发明涉及电容检测装置，其在将由静电电容式传感器中检测到的微小静电电容的变化转换为电荷并传输到积分器的过程中进行偏移调整。
背景技术
以往，存在一种电容检测装置，其由静电电容式传感器来检测微小静电电容的变化，并将所检测到的静电电容的变化在电荷读取机构中转换为电荷，且将在电荷读取机构中读取到的电荷传输到积分器进行积分，由此转换为电压信号。在电荷读取机构从静电电容式传感器中读取且向积分器传输的电荷中，含有本来的检测对象电容以外的电容成分(以下，称为“偏移(offset)”)。期望在从电荷读取机构向积分器传输电荷过程中消除偏移。
在从电荷读取机构向积分器传输电荷的线路(line)中能够设置用于抽出(或者注入)电荷的偏移调整电路。偏移调整电路具有一端与传输电荷的电荷传输线路连接、从另一端可施加驱动脉冲的可变电容元件。与积分动作(从电荷读取机构向积分器传输电荷)同步地每积分一次就施加驱动脉冲并从传输电荷中抽出与偏移相当的电荷。偏移调整电路上配备的可变电容元件的分辨率，取决于构成可变电容元件的多个调整用电容元件的合成电容。选择调整用电容元件的数量，从而由可变电容元件抽出与合成电容相当的电荷作为偏移。
专利文献1：JP特开2007-3300号公报
但是，构成可变电容元件的每个电容器，由于半导体工艺的制约而导致其小容量化有限。因此偏移调整电路通过一次的积分动作由可变电容元件抽出(或者注入)电容的精度也有限，不一定能实现充分的分辨率。
本发明正是鉴于这样的现状而做出的，其目的在于提供一种电容检测装置，该电容检测装置能以比调整用电容元件的最小值更高的精度来调整偏移。
发明内容
本发明的电容检测装置，具备：
静电电容元件，其根据周围的状况，使静电电容发生变化；
电荷读取机构，其读取所述静电电容元件的电荷；
积分器，其对自所述电荷读取机构传输的读取电荷进行积分而转换为电压信号；
偏移调整电路，其从自所述电荷读取机构向所述积分器传输的电荷中去除偏移；和
控制电路，其控制所述偏移调整电路的动作，
所述偏移调整电路具备：
可变电容元件，其由多个电容元件构成，且通过对并联连接于电荷传输线路的电容元件个数进行切换来设定为指定电容值，其中，所述电荷传输线路形成在所述电荷读取机构与所述积分器之间；和
调整用电容元件，其相对于所述电荷传输线路与所述可变电容元件并联连接，且具有与构成所述可变电容元件的电容元件的最小值对应的电容值，
所述控制电路，驱动所述可变电容元件，以使得每当所述电荷读取机构向所述积分器进行电荷传输时就由所述可变电容元件进行偏移去除；且驱动所述调整用电容元件，以使得在M次反复由所述可变电容元件进行偏移消除的期间，仅N次(M>N；M，N是自然数)由所述调整用电容元件进行偏移去除。
根据该构成，由于驱动调整用电容元件被驱动为：在M次反复由可变电容元件进行偏移去除的期间，仅N次由驱动调整用电容元件进行偏移去除，因此若假设：将调整用电容元件的电容值设为半导体工艺上的最小值Cmin，则由偏移调整电路能够近似地实现Cmin×(N／M)的分辨率。
(发明效果)
根据本发明，能够提供一种电容检测装置，该电容检测装置能以比调整用电容元件的最小值更高的精度来调整偏移。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的电容检测装置的概略图。
图2是表示在实施方式中将连续积分次数M设为M=5的情况下的时序图。
图3是表示仅用可变电容元件进行偏移调整的情况下的比较示例的图。
图4是与自电容式的静电电容式传感器相适合的电容检测装置的详细方框图。
图5是图4表示的电容检测装置的时序图。
图6是与互电容式的静电电容式传感器相适合的电容检测装置的详细方框图。
图7是图6表示的电容检测装置的时序图。
附图标记的说明：
10…电容检测装置
11…静电电容式传感器
12…电荷读取机构
13…积分器
14…偏移调整电路
15…A／D转换器(模数转换器)
16…控制电路
21…可变电容元件
22…脉冲发生源
23…调整用电容元件
24…脉冲发生源
具体实施方式
以下，参照附图对本发明进行详细说明。
图1是表示本发明的实施方式的电容检测装置的概略图。本实施方式的电容检测装置10配备有：读取由静电电容式传感器11检测到的静电电容(电荷)的电荷读取机构12、对由电荷读取机构12读取到的电荷进行积分并转换为电压信号的积分器13、从自电荷读取机构12传输到积分器13的电荷中去除偏移的偏移调整电路14、将积分器13输出的电压信号转换为数字信号的A／D转换器15、和控制包括偏移调整在内的装置整体动作的控制电路16。
静电电容式传感器11根据构成传感电容Cs的传感器电极周围的状况来改变静电电容。例如，当将静电电容式传感器11用于触摸屏的传感器时，静电电容随着操作者手指的靠近而变化。
偏移调整电路14上配备有：将最小电容Cmin的调整用电容元件C1、C2、C3并联连接的可变电容元件21；对调整用电容元件C1、C2、C3的一端与电荷传输线路L1之间独立地进行接通／断开(ON／OFF)的开关SW1、SW2、SW3；对构成可变电容元件21的各调整用电容元件C1、C2、C3的另一端并行施加驱动脉冲的脉冲发生源22；与可变电容元件21并联连接的由最小电容Cmin形成的一个调整用电容元件23；和对调整用电容元件23施加驱动脉冲的脉冲发生源24。构成偏移调整电路14的调整用电容元件C1、C2、C3与调整用电容元件23形成在同一集成电路内。考虑到半导体工艺上的制约，最小电容Cmin可以是可实现的最小电容。
控制电路16将由电荷读取机构12读取到的电荷连续M次传输至积分器13，M次中仅N次激活复位信号，从而对积分器13进行复位。此时，控制电路16对脉冲发生源22进行控制，使其与从电荷读取机构12向积分器13的电荷传输同步地每进行一次积分就向可变电容元件21施加驱动脉冲，并且对脉冲发生源24进行控制，使其在M次连续积分的过程中仅N次(N次是0次至M-1次)向调整用电容元件23施加驱动脉冲。M>N，M、N是自然数。在M次的连续积分(电荷传输)中，虽然对可变电容元件21以设定的电容值进行每次(M次)抽出(或者注入)，但调整用电容元件23的最小电容Cmin被控制为仅N次抽出(或者注入)。这样，最小电容Cmin就近似地以N／M的电容值进行偏移调整。例如，若假设M=16、N=1，则在16次的连续积分动作中(对可变电容元件21生成16个驱动脉冲)，对调整用电容元件23仅生成1次驱动脉冲。若假设最小电容Cmin=100fF，则相当于得到100fF×1／16=6.25fF的分辨率。
然后，对如上构成的本实施方式的动作进行说明。
图2是表示将连续积分次数M设为M=5的情况下的时序图。控制电路16向对静电电容式传感器11生成驱动脉冲的脉冲发生源16以指定周期供给定时信号(A：图2(a))，并且还向电荷读取机构12供给电荷传输所需的控制信号。此时，以与定时信号(A)相同的定时，对可变电容元件21的脉冲发生源22供给定时信号(B：图2(b))。在供给了5个脉冲的驱动脉冲后，向A／D转换器15赋予读取触发(H：图2(h))，在A／D转换器15读取了积分器13的积分输出之后，向积分器13供给复位信号(G：图2(g))。于是，控制电路16在5次的连续积分中仅1次向调整用电容元件23的脉冲发生源24供给定时信号(C：图2(c))。
如图2所示，电荷读取机构12与定时信号(A)同步地进行电荷传输(D：图2(d))，由于与电荷传输同步地向可变电容元件21的脉冲发生源22赋予定时信号(B)，因此每当电荷传输时(每进行一次积分)，就对经由构成可变电容元件21的调整用电容元件C1～C3中接通的开关(SW1～SW3)而与电荷传输线路L1连接的调整用电容元件抽出(或者注入)电荷。在图2(e)(图1中的E)中从第2位至第5位的信号波形相当于仅在可变电容元件21抽出的电荷。在图2的示例中，针对在5次连续积分中供给第一次积分的传输电荷，根据定时信号(C)向调整用电容元件23赋予驱动脉冲，抽出最小电容Cmin。由此，利用偏移调整电路14，近似地实现了Cmin／5的分辨率。图2(e)所示的波形线部分示出：即使在Cmin／5的分辨率下也有略微残余的偏移误差。
积分器13对在Cmin／5的分辨率下进行了偏移调整后得到的传输电荷进行积分，并将积分值作为电压信号(F：图2(f))而输出。电压信号(F)如虚线所示，略微含有偏移误差。A／D转换器15将作为积分器13的第5次积分值的电压信号(F)转换为数字信号，向后级的处理电路进行输出(未图示)。
图3是仅用可变电容元件21进行偏移调整的情况下的比较示例。该图3的(a)(b)(d)～(h)分别对应于图2(a)(b)(d)～(h)的信号波形。
如图3所示，在仅用可变电容元件21进行偏移调整的情况下，由于无法得到比最小电容Cmin更高的分辨率，因此每当由可变电容元件21从传输电荷中抽出电荷时都会产生偏移误差。每积分一次该偏移误差就累积，直至积分器13被复位，因而在作为积分器13的第5次积分值的电压信号(F：图2(f))中会产生较大的偏移误差。
如上所述，根据本实施方式，在偏移调整电路14中，与可变电容元件21并联地设置了由最小电容Cmin形成的调整用电容元件23，虽然在可变电容元件21中，与M次的积分次数中所有的积分动作同步地抽出电荷，但在调整用电容元件23中，仅用M次的积分次数中的N次(M>N)进行最小电容Cmin下的电荷的抽出，因此偏移调整电路14可近似地实现Cmin×(N／M)的分辨率。
接下来，对与自电容式或者互电容式的静电电容式传感器相适合的电容检测装置的详细构成进行说明。自电容式以自电容(传感器电极与GND间的电容)作为检测对象。互电容式以定义为2个传感器电极间形成的互电容、或者基准电极与2个传感器电极之间形成的互电容之差的电容作为检测对象。
图4是与自电容式的静电电容式传感器相适合的电容检测装置的详细方框图。基本构成与图1所示的电容检测装置相同，电荷读取机构12采用与自电容式的静电电容式传感器相适合的电路构成。
自电容式的静电电容式传感器由检测静电电容变化的传感器电容Cs和作为固定电容的参考电容Cref构成。在自电容式的情况下，传感器电容Cs及参考电容Cref分别有一端接地。传感器电容Cs及参考电容Cref的另一端经由开关SW00能够以电压Vdd充电，传感器电容Cs及参考电容Cref通过开关SW11进行复位。传感器电容Cs及参考电容Cref经由开关SW2与电荷读取机构12内的再分配电容Cpm、Cnm的一端连接。再分配电容Cpm、Cnm构成为经由开关SW12能够以电压Vdd充电，且构成为可通过开关SW01进行复位。再分配电容Cpm、Cnm经由开关SW3与交叉开关XSW的输入端连接。在交叉开关XSW一个输入端上，并联连接了偏移调整电路14中的可变电容元件21_p及调整用电容23_p。此外，在交叉开关XSW另一个输入端上，并联连接了偏移调整电路14中的可变电容元件21_n及调整用电容23_n。偏移调整电路14的电路构成虽与图1所示的电路构成基本相同，但其与差动电路相对应且与电荷传输线路Lp、Ln的双方的极性相对应地设置了偏移调整电路14。还有，对电荷传输线路Lp、Ln经由开关SW20施加电压Vdd／2。交叉开关XSW的输出端与积分器13连接。
图5是上述电容检测装置的时序图。在该图5中，调整用电容23_p／23_n按4次积分中1次的比例进行最小电容Cmin下的电荷抽出(负极性侧为注入)。而且，每积分1次，可变电容元件21_p／21_n就进行电荷抽出(负极性侧为注入)。
与积分器13被复位的同时，通过接通开关SW00／SW01，使传感器电容Cs及参考电容Cref以电压Vdd进行充电，再分配电容Cpm、Cnm被复位。在断开开关SW00／SW01之后，接通开关SW2／SW20。通过接通开关SW2，传感器电容Cs的电荷被分配至再分配电容Cpm，并且参考电容Cref的电荷被分配至再分配电容Cnm。另外，通过接通开关SW20，对电荷传输线路Lp、Ln施加固定电压Vdd／2。在断开开关SW2／SW20的时刻，接通开关SW3而连接再分配电容Cpm、Cnm与积分器13，并且使此前处于高电平状态的驱动脉冲BCDP0／BCDN0、BCDP1／BCDN1下降。使驱动脉冲BCDP0／BCDN0下降时的下降沿脉冲成为赋予可变电容元件21_p／21_n的驱动脉冲；使驱动脉冲BCDP1／BCDN1下降时的下降沿脉冲成为赋予调整用电容23_p／23_n的驱动脉冲。在接通开关SW3的时刻，交叉开关XSW被设定为并行(parallel)连接。其结果是，分配了传感器电容Cs侧电荷的再分配电容Cpm的电荷，经过电荷传输线路Lp而被输入到积分器13一个输入端子(正极侧)。此外，分配了参考电容Cref侧电荷的再分配电容Cnm的电荷，经过电荷传输线路Ln而被输入到积分器13另一个输入端子(负极侧)。此时，由于可变电容元件21_p／21_n及调整用电容23_p／23_n都被赋予了驱动脉冲，因此在可变电容元件21_p／21_n及调整用电容23_p／23_n中会分别进行电荷的抽出(或注入)。
接着，在断开开关SW3之后，接通开关SW11／SW12。通过接通开关SW11，传感器电容Cs及参考电容Cref被复位，通过接通开关SW12，使再分配电容Cpm、Cnm以电压Vdd充电。在断开开关SW11／SW12之后，接通开关SW2／SW20。通过接通开关SW2，从而在以电压Vdd被充电的再分配电容Cpm、Cnm与被复位的传感器电容Cs及参考电容Cref之间进行电荷再分配。在断开开关SW2之后，使开关SW3接通，且仅使驱动脉冲BCDP0／BCDN0上升。通过接通开关SW3，从而使再分配电容Cpm、Cnm的电荷经由被设定为交叉状态的交叉开关XSW，以与上次相反的极性传输至积分器13。此时，驱动脉冲BCDP0／BCDN0上升时的上升沿脉冲成为赋予可变电容元件21_p／21_n的驱动脉冲，且仅由可变电容元件21_p／21_n进行偏移调整(电荷的抽出／注入)。之后，同样地在驱动脉冲BCDP0／BCDN0的上升沿／下降沿进行第3次、第4次反复的积分，每次，仅由可变电容元件21_p／21_n进行偏移调整。然后，在从开始算起的第5次积分中，驱动脉冲BCDP0／BCDN0与BCDP1／BCDN1同时下降。由此，由在驱动脉冲BCDP0／BCDN0的下降沿生成的驱动脉冲，进行基于可变电容元件21_p／21_n的电荷抽出／注入；由在BCDP1／BCDN1的下降沿生成的驱动脉冲，进行基于调整用电容23_p／23_n的电荷抽出／注入。
如上所述，由于调整用电容23_p／23_n按4次积分中1次的比例进行最小电容Cmin下的电荷抽出／注入，偏移调整电路14可近似地实现Cmin×(1／5)的分辨率。
图6是与互电容式的静电电容式传感器相适合的电容检测装置的详细方框图。基本构成与图1所示的电容检测装置相同，且电荷读取机构12采用与互电容式的静电电容式传感器相适合的电路构成。
互电容式的静电电容式传感器由检测静电电容变化的传感器电容Cs和作为固定电容的参考电容Cref构成。在互电容式的情况下，传感器电容Cs及参考电容Cref的构成为，各自的一端分别为电源电压Vdd/2侧，另一端可供给驱动脉冲SDRV。传感器电容Cs与再分配电容Cpm之间通过开关SW13p连接，参考电容Cref与再分配电容Cnm之间通过开关SW13n连接。对传感器电容Cs的一个端子经由开关SW02p、SW13p施加电压Vdd/2。另外，对参考电容Cref的一个端子经由开关SW02n、SW13n施加电压Vdd/2。其他的构成与图4所示的电容检测装置相同。
图7是上述电容检测装置的时序图。在该图7中，调整用电容23_p／23_n按4次积分中1次的比例进行最小电容Cmin下的电荷抽出(负极性侧为注入)。而且，每积分1次，可变电容元件21_p／21_n就进行电荷抽出(负极性侧为注入)。
与积分器13被复位的同时，通过接通开关SW02p／SW02n，使再分配电容Cpm、Cnm以电压Vdd／2充电。然后，与断开开关SW02p／SW02n同步地接通开关SW13p、13n、20，并且使驱动脉冲SDRV上升。以驱动脉冲SDRV的上升沿，使与传感器电容Cs及参考电容Cref的电容对应的电荷被分配至再分配电容Cpm、Cnm。接着，如果断开开关SW13p、13n、20，则接通开关SW3，并且使此前维持于高电平的驱动脉冲BCDP0／BCDN0、BCDP1／BCDN1下降。驱动脉冲BCDP0／BCDN0的下降沿脉冲成为赋予可变电容元件21_p／21_n的驱动脉冲；驱动脉冲BCDP1／BCDN1的下降沿脉冲成为赋予调整用电容23_p／23_n的驱动脉冲。在接通开关SW3的时刻，交叉开关XSW被设定为并行连接。其结果是，分配了传感器电容Cs侧电荷的再分配电容Cpm的电荷，经由电荷传输线路Lp，被输入到积分器13的一个输入端子(正极侧)。此外，分配了参考电容Cref侧电荷的再分配电容Cnm的电荷，经由电荷传输线路Ln，被输入到积分器13的另一个输入端子(负极侧)。此时，由于可变电容元件21_p／21_n及调整用电容23_p/23_n都被赋予了驱动脉冲，因此在可变电容元件21_p/21_n及调整用电容23_p/23_n中会分别进行电荷的抽出(或注入)。
接着，当再次接通开关SW02p、SW02n时，再分配电容Cpm、Cnm以电压Vdd／2充电。然后，与断开开关SW02p／SW02n同步地接通开关SW13p、13n、20，且使驱动脉冲SDRV下降。由驱动脉冲SDRV的下降沿，使与传感器电容Cs及参考电容Cref的电容对应的电荷被分配至再分配电容Cpm、Cnm。接着，如果断开开关SW13p、13n、20，则接通开关SW3，并且使此前维持于低电平的驱动脉冲BCDP0／BCDN0上升。驱动脉冲BCDP0／BCDN0的上升沿脉冲成为赋予可变电容元件21_p／21_n的驱动脉冲。由于驱动脉冲BCDP1／BCDN1没有变化，因此调整用电容23_p／23_n不被驱动。在接通开关SW3的时刻，交叉开关XSW被设定为交叉(cross)连接。其结果是，分配了传感器电容Cs侧电荷的再分配电容Cpm的电荷被输入到积分器13的另一个输入端子(负极侧)。分配了参考电容Cref侧电荷的再分配电容Cnm的电荷被输入到积分器13的一个输入端子(正极侧)。此时，由于只有可变电容元件21_p／21_n被赋予驱动脉冲，因此只由可变电容元件21_p/21_n进行电荷的抽出(或注入)。之后，同样地在驱动脉冲BCDP0／BCDN0的上升沿／下降沿进行第3次、第4次反复的积分，每次，仅由可变电容元件21_p／21_n进行偏移调整。然后，在从开始算起的第5次积分中，使驱动脉冲BCDP0／BCDN0与BCDP1／BCDN1同时下降。由此，由在驱动脉冲BCDP0／BCDN0的下降沿生成的驱动脉冲，进行基于可变电容元件21_p／21_n的电荷抽出／注入；由在BCDP1／BCDN1的下降沿生成的驱动脉冲，进行基于调整用电容23_p／23_n的电荷抽出／注入。
如上所述，由于调整用电容23_p／23_n按4次积分中1次的比例进行最小电容Cmin下的电荷抽出／注入，因此偏移调整电路14可近似地实现Cmin×(1／5)的分辨率。
此外，本发明不局限于上述的实施方式，而可通过进行各种变更来实施。在上述的实施方式中并不局限于附图图示的电路构成，在发挥本发明效果的范围之内可做适当变更。此外，只要不脱离本发明的目的，可适当变更实施。
(产业上利用的可能性)
本发明可适用于触摸传感器等静电电容式传感器的电容检测装置。

Claims (3)

1.一种电容检测装置，其特征在于，
具备：
静电电容元件，其根据周围的状况，使静电电容发生变化；
电荷读取机构，其读取所述静电电容元件的电荷；
积分器，其对自所述电荷读取机构传输的读取电荷进行积分而转换为电压信号；
偏移调整电路，其从自所述电荷读取机构向所述积分器传输的电荷中去除偏移；和
控制电路，其控制所述偏移调整电路的动作，
所述偏移调整电路具备：
可变电容元件，其由多个电容元件构成，且通过对被并联连接于电荷传输线路的电容元件个数进行切换来设定为规定电容值，其中，所述电荷传输线路形成在所述电荷读取机构与所述积分器之间；和
调整用电容元件，其相对于所述电荷传输线路与所述可变电容元件并联连接，且具有与构成所述可变电容元件的电容元件的最小值对应的电容值，
所述控制电路，
驱动所述可变电容元件，以使得每当所述电荷读取机构向所述积分器进行电荷传输时，就由所述可变电容元件进行偏移去除；且驱动所述调整用电容元件，以使得在M次反复由所述可变电容元件进行偏移消除的期间，仅N次由所述调整用电容元件进行偏移去除，其中，M>N，M、N为自然数。
2.根据权利要求1所述的电容检测装置，其特征在于，
所述可变电容元件与所述调整用电容元件形成在一个集成电路内。
3.根据权利要求1所述的电容检测装置，其特征在于，
所述可变电容元件的驱动次数M和所述调整用电容元件的驱动次数N被预先确定，以使得由所述调整用电容元件来吸收由所述可变电容元件所致的偏移误差。
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