CN109813345B - 传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器装置。传感器装置具有与外部电极相向并且产生与静电电容的变化对应的电压的检测电极、运算放大器、在运算放大器的输出端子与反相输入端子之间连接的第二电容器、以及与第二电容器串联连接的第一电容器，检测在检测电极产生的电压。具备：输出基于第一电容器与第二电容器的电容比对在该检测电极产生的电压进行放大后的检测信号的电容型放大电路、将检测电极的电压重置为基准电位的重置开关、对使电容型放大电路作为电容型放大器发挥作用或者作为电压跟随器发挥作用进行切换的切换开关、将第一电容器与电容型放大电路切断的第二切换开关、以及将第一电容器的电压重置为基准电位的第二重置开关。

Description

传感器装置
技术领域
本发明涉及传感器装置。
背景技术
近年来，已知具备传感器的传感器装置（例如，参照专利文献1）。在这样的传感器装置中，例如利用源极跟随器检测光电元件所生成的电压。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-205588号公报。
发明要解决的课题
然而，在代替光电元件而具备例如与被施加电压的外部电极相向并且通过静电电容的变化来产生电压的检测电极的传感器装置中，在检测电极产生的电压微小，因此，在源极跟随器的后级对检测电压进行放大来进行了使用。因此，在这样的以往的传感器装置中，也放大检测电压以及噪声分量，存在检测精度降低的可能性。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供能够减少由噪声造成的影响来提高检测精度的传感器装置。
用于解决课题的方案
为了解决上述问题，本发明的一个方式是，一种传感器装置，其中，具备：检测电极，与被施加规定的电压的外部电极相向，产生与静电电容的变化对应的电压；电容型放大电路，具有运算放大器、在所述运算放大器的输出端子与反相输入端子之间连接的第二电容器、和与所述第二电容器串联连接的第一电容器，对在所述检测电极产生的电压进行检测，输出基于所述第一电容器与所述第二电容器的电容比对在该检测电极产生的电压进行放大后的检测信号；重置开关，将所述检测电极的电压重置为基准电位；切换开关，通过是否使所述输出端子与所述反相输入端子间短路来切换使所述电容型放大电路作为电容型放大器发挥作用或者作为电压跟随器发挥作用；第二切换开关，在所述电容型放大电路作为电压跟随器发挥作用的情况下，将所述第一电容器与所述电容型放大电路切断；以及第二重置开关，在所述第一电容器被与所述电容型放大电路切断的情况下，将所述第一电容器的电压重置为基准电位。
发明效果
根据本发明，能够减少由噪声造成的影响来提高检测精度。
附图说明
图1是示出根据第一实施方式的传感器装置的一个例子的框图。
图2是示出根据第一实施方式的传感器装置的工作的一个例子的时间图。
图3是示出根据第二实施方式的传感器装置的一个例子的框图。
具体实施方式
以下，参照附图来对根据本发明的一个实施方式的传感器装置进行说明。
[第一实施方式]
图1是示出根据本实施方式的传感器装置1a的一个例子的框图。
如图1所示那样，传感器装置1a具备外部电极2、像素块（40a-1、40a-2、…、40a-N）、减法运算电路50、输出处理部60a、定时控制电路70a、以及基准电压生成部80。传感器装置1a是例如利用静电电容来对纸币等纸张（paper sheet）类的厚度的图像进行检测的线图像传感器（line image sensor）装置。传感器装置1a通过串行输出从SIG端子输出示出1条线的量的像素的检测电压。像素块（40a-1、40a-2、…、40a-N）、输出处理部60a、定时控制电路70a和基准电压生成部80被构成为例如1个芯片的半导体集成电路（LSI：Large-ScaleIntegration，大规模集成），传感器装置1a具备该1个芯片的半导体集成电路（LSI）和外部电极2。
再有，在本实施方式中，像素块（40a-1、40a-2、…、40a-N）的每一个为相同的结构，在示出传感器装置1a所具备的任意的像素块的情况或不特别区别的情况下，说明为像素块40a。
外部电极2是配置在像素块40a的外部的电极，与后述的检测电极11对应地配置。外部电极2在像素块40a检测各像素的电场（与纸张类的厚度对应的电场）时被施加规定的电压V1。再有，在本实施方式中，外部电极2针对传感器装置1所具备的全部检测电极11而被构成为1个电极。
像素块40a是对1个像素的量的像素的电场（厚度）进行检测的块，具备检测电极11、位放大器（bit amplifier）部20a、采样电路30a和重置开关SW1。
检测电极11与外部电极2相向，在检测电极11产生根据插入到外部电极2与检测电极11之间的纸币等纸张类的厚度的、静电电容的变化所对应的电压。再有，多个像素块40a所具备的检测电极11的每一个按每1条线检测像素，因此，被配置为直线状。
位放大器部20a（电容型放大电路的一个例子）检测在检测电极11产生的电压，输出基于电容器21与电容器22的电容比对在该检测电极11产生的电压进行放大后的检测信号。具体而言，位放大器部20a具备电容器21（第一电容器）、电容器22（第二电容器）、运算放大器23、第一切换开关SW2、第二切换开关SW3、以及第二重置开关SW4。
将电容器21和电容器22经由节点N2、第二切换开关SW3、以及节点N2-1彼此串联连接。即，第二切换开关SW3被连接在节点N2与节点N2-1之间。电容器22被连接在节点N3与节点N2之间。电容器21被连接在节点N2-1与GND（接地）线（基准电位线的一个例子）之间。
在运算放大器23（运算放大器的一个例子）中，将非反相输入端子经由节点N1与检测电极11连接。此外，在运算放大器23中，电容器22被连接在输出端子（节点N3）与反相输入端子之间，电容器21经由第二切换开关SW3被连接在反相输入端子与基准电位线之间。运算放大器23如上述那样被与电容器21和电容器22连接，由此，作为非反相放大电路发挥作用。
像这样，位放大器部20a是电容型的非反相放大电路（电容型放大器的一个例子），输出通过下述的式（1）对在检测电极11产生的电压进行放大后的检测信号。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
在此，C1表示电容器21的静电电容值，C2表示电容器22的静电电容值。
再有，在图1中，虚线的箭头表示信号的正负的方向，位放大器部20a（运算放大器23）输出正方向的检测信号。
重置开关SW1是例如N沟道型MOS（Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体）晶体管，被连接在Vreset信号线与节点N1之间。此外，在重置开关SW1中，ΦR信号线被连接于栅极端子（控制端子）。在此，Vreset信号是用于将检测电极11初始化（重置）的基准电位。重置开关SW1将检测电极11的电压重置为基准电位Vreset。
例如，重置开关SW1在ΦR信号为H（高）状态的情况下变为接通状态（导通状态），重置检测电极11。此外，重置开关SW1在ΦR信号为L（低）状态的情况下，变为关断状态（非导通状态）。
再有，在以下的说明中，将上述的N沟道型MOS晶体管记载为NMOS晶体管来进行说明。
第一切换开关SW2针对位放大器部20a切换作为电容型放大器的功能和作为电压跟随器的功能。第一切换开关SW2是例如NMOS晶体管，被连接在运算放大器23的输出端子（节点N3）与运算放大器23的反相输入端子（节点N2）之间。第一切换开关SW2变为接通状态，由此，使位放大器部20a作为电压跟随器发挥作用。即，第一切换开关SW2通过是否使运算放大器23的输出端子与反相输入端子间短路来切换通过ΦGS信号使位放大器部20a作为电容型放大器发挥作用或作为电压跟随器发挥作用。
例如，第一切换开关SW2在ΦGS信号为H状态的情况下变为接通状态，使位放大器部20a作为电压跟随器发挥作用。此外，第一切换开关SW2在ΦGS信号为L状态的情况下变为关断状态，使位放大器部20a作为电容型放大器发挥作用。
第二切换开关SW3对是否连接电容器21与运算放大器23的反相输入端子之间进行切换。第二切换开关SW3是例如NMOS晶体管，被连接在电容器21与运算放大器23的反相输入端子之间。第二切换开关SW3变为接通状态，由此，将电容器21与运算放大器23的反相输入端子连接。此外，第二切换开关SW3变为关断状态，由此，切断电容器21与运算放大器23的反相输入端子的连接。也就是说，第二切换开关SW3变为关断状态，由此，将电容器21与运算放大器23切断。
再有，也可以将第一切换开关SW2的寄生电容的大小与第二切换开关SW3的寄生电容的大小彼此相对应。在此，作为将寄生电容的大小彼此相对应的一个例子，可举出第一切换开关SW2的寄生电容的大小与第二切换开关SW3的寄生电容的大小一致的情况。作为一个例子，也可以使第一切换开关SW2和第二切换开关SW3为同一种类或同一尺寸的开关。
第二重置开关SW4是例如NMOS晶体管，被连接在Vreset信号线与节点N2-1之间。此外，在第二重置开关SW4中，ΦR信号线被连接于栅极端子（控制端子）。第二重置开关SW4将电容器21的电压重置为基准电位Vreset。
例如，第二重置开关SW4在ΦR信号为H（高）状态的情况下变为接通状态，重置电容器21的电压。此外，第二重置开关SW4在ΦR信号为L（低）状态的情况下变为关断状态。
采样电路30a是分别对位放大器部20a所输出的检测信号和基准信号进行采样保持来进行保持的采样保持电路。采样电路30a具备NMOS晶体管（31、33）、电容器32、NMOS晶体管（34、36）和电容器35。
NMOS晶体管31被连接在节点N3与节点N4之间，栅极端子被连接于ΦSIN信号线。NMOS晶体管31在ΦSIN信号为H状态的情况下变为导通状态，对位放大器部20a所输出的检测信号进行采样并保持于电容器32。此外，NMOS晶体管31在ΦSIN信号变为L状态的情况下变为截止状态，停止位放大器部20a所输出的检测信号的采样。
电容器32被连接在节点N4与GND线之间，保持采样后的检测信号。
NMOS晶体管33被连接在节点N4与共同信号线BL1之间，栅极端子被连接于ΦSCH信号线。NMOS晶体管33在ΦSCH信号为H状态的情况下变为导通状态，将采样电路30a（电容器32）所保持的检测信号向共同信号线BL1输出。此外，NMOS晶体管33在ΦSCH信号线变为L状态的情况下变为截止状态，停止向共同信号线BL1的输出。
NMOS晶体管34被连接在节点N3与节点N12之间，栅极端子被连接于ΦRIN信号线。NMOS晶体管34在ΦRIN信号为H状态的情况下变为导通状态，对位放大器部20a所输出的基准信号进行采样，并保持于电容器35。此外，NMOS晶体管34在ΦRIN信号变为L状态的情况下变为截止状态，停止位放大器部20a所输出的基准信号的采样。
电容器35被连接在节点N12与GND线之间，保持采样后的基准信号。
NMOS晶体管36被连接在节点N12与共同信号线BL2之间，栅极端子被连接于ΦSCH信号线。NMOS晶体管36在ΦSCH信号为H状态的情况下变为导通状态，将采样电路30a（电容器35）所保持的基准信号向共同信号线BL2输出。此外，NMOS晶体管36在ΦSCH信号线变为L状态的情况下变为截止状态，停止向共同信号线BL2的输出。
采样电路30a通过对基准信号进行采样保持来减少位放大器部20a的偏移。在此，基准信号是指在利用重置开关SW1使检测电极11的电压重置为基准电位Vreset之后、利用第一切换开关SW2将功能从电压跟随器切换为电容型放大器进而利用第二切换开关SW3将电容器21与运算放大器23的反相输入端子的连接切断之后、向外部电极2施加规定的电压之前的、来自位放大器部20a的输出信号。该基准信号包括ΦGS信号利用第一切换开关SW2将功能从电压跟随器切换为电容型放大器时的噪声、以及ΦGSX信号利用第二切换开关SW3将电容器21与运算放大器23的反相输入端子的连接切断时的噪声。
再有，像素块（40a-1、40a-2、…、40a-N）的每一个的采样电路30a被连接于共同信号线BL1和共同信号线BL2。各像素块40a的采样电路30a通过与各像素块40a对应的ΦSCH信号（ΦSCH_1信号、ΦSCH_2信号、…、ΦSCH_N信号）将检测信号按每1个像素向共同信号线BL1输出，将基准信号按每1个像素向共同信号线BL2输出。此外，假设在共同信号线BL1和共同信号线BL2中存在寄生电容SC2。
此外，采样电路30a中的检测信号的Gain（增益）由以下的式（2）表示。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
在此，Cs表示电容器32的静电电容值，Cbits表示共同信号线BL1的寄生电容值。
此外，采样电路30a中的基准信号的Gain（增益）由以下的式（3）表示。
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
在此，Cr表示电容器35的静电电容值，Cbitr表示共同信号线BL2的寄生电容值。
此外，模拟开关AS1被连接于共同信号线BL1。
模拟开关AS1被连接在共同信号线BL1与VREF2信号线之间。将NMOS晶体管和PMOS晶体管（P型沟道MOS晶体管）搭配来构成模拟开关AS1，模拟开关AS1通过控制信号使共同信号线BL1与VREF2信号线之间双向导通。模拟开关AS1在通过控制信号变为接通状态的情况下使共同信号线BL1为基准电位VREF2。
此外，模拟开关AS5被连接于共同信号线BL2。
模拟开关AS5是与上述的模拟开关AS1同样的结构，被连接在共同信号线BL2与VREF2信号线之间。模拟开关AS5通过控制信号使共同信号线BL2与VREF2信号线之间双向导通。模拟开关AS5在通过控制信号变为接通状态的情况下，使共同信号线BL2为基准电位VREF2。
减法运算电路50（减法运算电路的一个例子）生成采样电路30a所保持的基准信号与检测信号的差分。减法运算电路50生成从检测信号减去基准信号后的差分信号。减法运算电路50具备运算放大器（51、52、57）和电阻（53~56）。
在运算放大器51中，非反相输入端子被连接于共同信号线BL2，输出端子（节点N13）被连接于反相输入端子。运算放大器51作为增益为1倍的电压跟随器发挥作用，将与经由共同信号线BL2取得的基准信号相等的信号向输出端子（节点N13）输出。
在运算放大器52中，非反相输入端子被连接于共同信号线BL1，输出端子（节点N14）被连接于反相输入端子。运算放大器52作为增益为1倍的电压跟随器发挥作用，将与经由共同信号线BL1取得的检测信号相等的信号向输出端子（节点N14）输出。
电阻53被连接在节点N13与节点N16之间，电阻54被连接在节点N16与节点N17之间。此外，电阻55被连接在节点N14与节点N15之间，电阻56被连接在节点N15与VREF2信号线之间。
在运算放大器57中，非反相输入端子被连接于节点N15，反相输入端子被连接于节点N16，输出端子被连接于节点N17。在此，电阻53~电阻56和运算放大器57构成从检测信号减去基准信号的减法运算电路。运算放大器57将从经由共同信号线BL1取得的检测信号减去经由共同信号线BL2取得的基准信号后的差分信号作为除去位放大器部20a的偏移后的检测信号向输出端子（节点N17）输出。
输出处理部60a按每1位（1个像素）取得减法运算电路50的差分信号来作为各像素块40a的检测信号，将所取得的检测信号放大并从SIG端子输出。输出处理部60a经由共同信号线BL1按每1位（1个像素）取得来自各像素块40a的检测信号，将所取得的检测信号放大并从SIG端子输出。输出处理部60a具备运算放大器（63、67）、电容器（62、66）、电阻（64、65、68、69）、以及模拟开关（AS2~AS4）。
电容器62被连接在节点N17与节点N6之间，将运算放大器57输出的检测信号传递到节点N6。电容器62利用后述的模拟开关AS2将检测信号传递到做成基准电位VREF2的节点N6，由此，将检测信号变换为以基准电位VREF2为基准的信号。
模拟开关AS2是与上述的模拟开关AS1同样的结构，被连接在节点N6与VREF2信号线之间。模拟开关AS2通过控制信号使节点N6与VREF2信号线之间导通，使节点N6为基准电位VREF2。
在运算放大器63中，非反相输入端子被连接于节点N6，反相输入端子被连接于节点N7，输出端子被连接于节点N8。此外，电阻64和电阻65被串联连接在节点N8与VREF2信号线之间，运算放大器63作为基于电阻64与电阻65的电阻比来对节点N6的信号进行放大的非反相放大电路发挥作用。即，运算放大器63将通过下述的式（4）放大后的检测信号向节点N8输出。
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
在此，R1表示电阻64的电阻值，R2表示电阻65的电阻值。
模拟开关AS3是与上述的模拟开关AS1同样的结构，被连接在节点N8与节点N9之间。模拟开关AS3通过控制信号使节点N8与节点N9之间导通，使电容器66保持由运算放大器63放大后的检测信号。
电容器66被连接在节点N9与GND线之间，保持由运算放大器63放大后的检测信号。再有，模拟开关AS3和电容器66构成采样保持电路。
在运算放大器67中，非反相输入端子被连接于节点N9，反相输入端子被连接于节点N10，输出端子被连接于节点N11。此外，电阻68和电阻69被串联连接在节点N11与VREF2信号线之间，运算放大器67作为基于电阻68与电阻69的电阻比来对节点N9的信号进行放大的非反相放大电路发挥作用。即，运算放大器67向节点N11输出通过下述的式（5）对由电容器66保持的节点N9的信号进一步放大后的检测信号。
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。
在此，R3表示电阻68的电阻值，R4表示电阻69的电阻值。
模拟开关AS4是与上述的模拟开关AS1同样的结构，被连接在节点N11与SIG端子之间。模拟开关AS4通过控制信号使节点N11与SIG端子之间导通，向SIG端子输出由运算放大器67放大后的检测信号。
定时控制电路70a生成对传感器装置1a进行控制的各种定时信号。例如，定时控制电路70a基于FS（帧开始（flame start））信号和CLK（时钟）信号等来生成在各像素块40a中对在检测电极11产生的电压进行检测的各种定时信号。此外，定时控制电路70a基于FS信号等来生成使检测信号从各像素块40a向共同信号线BL1输出的ΦSCH信号（ΦSCH_1信号、ΦSCH_2信号、…、ΦSCH_N信号）。定时控制电路70a具备移位寄存器71和定时信号生成部72a。
移位寄存器71根据CLK信号而被移位，依次输出规定的脉冲宽度的H状态来作为使检测信号从各像素块40a向共同信号线BL1输出的ΦSCH信号（ΦSCH_1信号、ΦSCH_2信号、…、ΦSCH_N信号）。通过输出的ΦSCH信号（ΦSCH_1信号、ΦSCH_2信号、…、ΦSCH_N信号）按每1个像素（1位）将检测信号从各像素块40a向共同信号线BL1输出。
定时信号生成部72a生成例如ΦR信号、ΦSIN信号、ΦI信号、以及对各种模拟开关（AS1~AS5）进行控制的控制信号等，并将其向各结构输出。
定时控制电路70a生成各种定时信号来进行例如以下的（A）~（C）的定时控制。
（A）使重置开关SW1将检测电极11的电压重置为基准电位Vreset。使第二切换开关SW3切断电容器21与运算放大器23的反相输入端子之间的连接。使第二重置开关SW4将电容器21的电压重置为基准电位Vreset。使第一切换开关SW2使位放大器部20a作为电压跟随器发挥作用。
也就是说，在位放大器部20a作为电压跟随器发挥作用的情况下，将电容器21与运算放大器23的反相输入端子之间的连接切断。此外，在将电容器21与运算放大器23切断的情况下，将电容器21的电压重置为基准电位Vreset。
（B）使重置开关SW1解除将检测电极11的电压重置为基准电位Vreset的状态。使第二重置开关SW4解除将电容器21的电压重置为基准电位Vreset的状态。使第二切换开关SW3将电容器21与运算放大器23的反相输入端子之间连接。在使第一切换开关SW2解除作为电压跟随器的功能之后，使采样电路30a保持基准信号。
（C）在使第一切换开关SW2解除作为电压跟随器的功能并且使第二切换开关SW3将电容器21与运算放大器23的反相输入端子之间连接并且向外部电极2施加规定的电压之后经过规定的期间TR1后，使采样电路30a保持检测信号。
定时控制电路70a具备移位寄存器71和定时信号生成部72a。
定时信号生成部72a生成例如ΦR信号、ΦGS信号、ΦRIN信号、ΦSIN信号、ΦI信号和对各种模拟开关（AS1~AS5）进行控制的控制信号等，并将其向各结构输出。
基准电压生成部80生成在传感器装置1a内使用的各种模拟电路的基准电位（基准电压），并将其向各结构供给。基准电压生成部80生成例如基准电位VREF2或基准电位Vreset等基准电位。
接着，参照附图来对根据本实施方式的传感器装置1a的工作进行说明。
图2是示出根据本实施方式的传感器装置1a的工作的一个例子的定时图。
在图2所示的一个例子中，说明了在对检测电极11的电压进行检测并将所检测的检测信号保持于采样电路30a之前的、传感器装置1a的工作。
在图2中，波形W11表示了外部电极2的电压（外部电极电压）的波形。此外，波形W12~波形W17的每一个从上起依次表示了FS信号的逻辑状态、ΦR信号的逻辑状态、ΦRIN信号的逻辑状态、ΦSIN信号的逻辑状态、ΦGS信号的逻辑状态、ΦGSX信号的逻辑状态和ΦI信号的逻辑状态。再有，在该图中，横轴表示了时间。此外，ΦI信号是使位放大器部20a工作的控制信号（例如，使运算放大器23的偏置电流接通/关断的控制信号）。
如图2所示那样，假设定时信号生成部72a使ΦR信号为H状态并且使ΦSIN信号和ΦI信号为L状态来作为初始状态。在该状态下，重置开关SW1和第二重置开关SW4分别变为接通状态，将检测电极11的电压和电容器21的电压分别重置为基准电位Vreset。当在该状态下在时刻T11使FS信号为H状态时，定时信号生成部72a在时刻T12使ΦI信号和ΦGS信号为H状态，使ΦGSX信号为L状态（参照波形W17、波形W16和波形16-1）。由此，定时信号生成部72a使第二切换开关SW3为关断状态而使电容器21为与运算放大器23切断的状态，使运算放大器23的工作开始，并且，使第一切换开关SW2为接通状态，使位放大器部20a作为电压跟随器发挥作用。
接着，当在时刻T13定时信号生成部72a使ΦR信号为L状态时（参照波形W13），重置开关SW1和第二重置开关SW4分别变为关断状态。
接着，当在时刻T14定时信号生成部72a使ΦRIN信号为H状态时（参照波形W14），采样电路30a的NMOS晶体管34变为导通状态，位放大器部20a的输出信号（基准信号）被蓄积在电容器35中。
接着，定时信号生成部72a在时刻T15使ΦGS信号为L状态（参照波形W16），在时刻T15-1使ΦGSX信号为H状态（参照波形W16-1），在时刻T16使ΦRIN信号为L状态（参照波形W14）。由此，NMOS晶体管34变为截止状态，确定利用ΦRIN信号的采样保持，分别包括ΦR信号和ΦGS信号从H状态转变为L状态时的噪声和ΦGSX信号从L状态转变为H状态时的噪声的、基准信号被保持于电容器35。在此，像素块40a-1、像素块40a-2、…、像素块40a-N的1条线的量的全部像素的基准信号被保持于各采样电路30a。
此外，ΦGS信号变为L状态，由此，第一切换开关SW2变为关断状态，从节点N3经由第一切换开关SW2到达节点N2的路径即绕开（bypass）电容器22的路径被遮断。此外，ΦGSX信号变为H状态，由此，第二切换开关SW3变为接通状态，电容器21被连接于运算放大器23的反相输入端子。通过这些2个开关的工作，位放大器部20a作为电容型放大器发挥作用。
接着，当在时刻T17定时信号生成部72a使ΦSIN信号为H状态时（参照波形W15），采样电路30a的NMOS晶体管31变为导通状态，位放大器部20a的输出信号被蓄积在电容器32中。
接着，当在时刻T18向外部电极2施加规定的电压V1时（参照波形W11），在检测电极11产生根据纸张类的厚度的、静电电容的变化所对应的电压。位放大器部20a向节点N3输出利用上述的式（1）的增益对在检测电极11产生的电压进行放大后的检测信号，将放大后的检测信号经由NMOS晶体管31蓄积在电容器32中。
接着，在时刻T19，定时信号生成部72a在向外部电极2施加规定的电压V1之后经过规定的期间TR1后，使ΦSIN信号为L状态（参照波形W15）。在此，规定的期间TR1是对于在采样电路30a的电容器32中蓄积由运算放大器23放大后的检测信号而言充分的期间。当ΦSIN信号变为L状态时，NMOS晶体管31变为截止状态，确定利用ΦSIN信号的采样保持，放大后的检测信号被保持于电容器32。在此，像素块40a-1、像素块40a-2、…、像素块40a-N的1条线的量的全部像素的检测信号被保持于各采样电路30a。
像这样，重置开关SW1将检测电极11的电压重置为基准电位Vreset，并且，第一切换开关SW2使位放大器部20a作为电压跟随器发挥作用，进而，重置开关SW1解除将检测电极11的电压重置为基准电位Vreset后的状态，第一切换开关SW2解除作为电压跟随器的功能，之后，采样电路30a保持基准信号。然后，在第一切换开关SW2解除作为电压跟随器的功能并且向外部电极2施加规定的电压之后经过规定的期间后，采样电路30a保持检测信号。
接着，在时刻T20，定时信号生成部72a使ΦI信号为L状态，使运算放大器23的工作停止。
此外，在时刻T21，定时信号生成部72a使ΦR信号为H状态，使重置开关SW1为接通状态，将检测电极11重置为基准电位Vreset。
接着，在时刻T22，向外部电极2停止规定的电压V1的施加，外部电极2的电压（外部电极电压）例如变为0V（参照波形W11）。
接着，参照图1来说明生成采样电路30a所保持的检测信号与基准信号的差分并且将该差分作为除去偏移后的检测信号串行输出的工作。
在采样电路30a保持了检测信号和基准信号之后，首先，定时信号生成部72a使模拟开关AS1、模拟开关AS5和模拟开关AS2为接通状态，使共同信号线BL1、共同信号线BL2和节点N6为基准电位VREF2。
接着，在定时信号生成部72a使模拟开关AS1、模拟开关AS5和模拟开关AS2为关断状态之后，移位寄存器71使ΦSCH_1信号为H状态。由此，定时信号生成部72a使像素块40a-1的NMOS晶体管33为导通状态，使采样电路30a所保持的检测信号向共同信号线BL1输出，并且，使像素块40a-1的NMOS晶体管36为导通状态，使采样电路30a所保持的基准信号向共同信号线BL2输出。
接着，减法运算电路50生成从检测信号减去基准信号后的差分信号，并将其向节点N17输出。
接着，输出处理部60a取得减法运算电路50的差分信号来作为检测信号，将所取得的检测信号放大并从SIG端子输出。
接着，定时控制电路70a对像素块40a-2执行与像素块40a-1同样的处理。在该情况下，移位寄存器71根据CLK信号而进行移位，使ΦSCH_2信号为H状态，输出处理部60a将像素块40a-2的检测信号作为1个像素的量的检测电压向SIG端子输出。
定时控制电路70a重复这样的处理直到将像素块40a-N的检测信号向SIG端子输出。
如以上说明那样，根据本实施方式的传感器装置1a具备检测电极11、位放大器部20a（电容型放大电路）、重置开关SW1、第一切换开关SW2、第二切换开关SW3、第二重置开关SW4、采样电路30a和减法运算电路50（减法运算电路）。检测电极11与被施加规定的电压V1的外部电极2相向，产生与静电电容的变化对应的电压。位放大器部20a具有串联连接的电容器21（第一电容器）和电容器22（第二电容器），检测在检测电极11产生的电压，输出基于电容器21与电容器22的电容比对在该检测电极11产生的电压进行放大后的检测信号。重置开关SW1将检测电极11的电压重置为基准电位Vreset。第一切换开关SW2对使位放大器部20a作为电容型放大器发挥作用或者作为电压跟随器发挥作用进行切换。在位放大器部20a作为电容型放大器发挥作用的情况下，第二切换开关SW3将电容器21与运算放大器23切断。在将电容器21与运算放大器23切断的情况下，第二重置开关SW4向电容器21供给基准电位Vreset，由此，将电容器21的电压重置为基准电位Vreset。采样电路30a对基准信号和向外部电极2施加规定的电压的状态下的检测信号进行采样保持来分别进行保持。在此，基准信号是在利用重置开关SW1使检测电极11的电压重置为基准电位Vreset之后、利用第一切换开关SW2作为电压跟随器发挥作用并且向外部电极2施加规定的电压之前的、来自位放大器部20a的输出信号。减法运算电路50生成采样电路30a所保持的基准信号与检测信号的差分。
由此，根据本实施方式的传感器装置1a通过位放大器部20a将在检测电极11产生的电压放大并将其作为检测信号输出，因此，能够在位放大器部20a的后级的处理中减少例如由热噪声等噪声造成的影响。因此，根据本实施方式的传感器装置1a能够提高检测精度。
此外，在通常的半导体工艺中，电容器能够以与电阻元件相比较小的尺寸（面积）实现。根据本实施方式的传感器装置1a采用了电容型放大器，因此，能够减少工艺成本。
此外，在根据本实施方式的传感器装置1a中，减法运算电路50生成基准信号与检测信号的差分，因此，能够从检测信号减少位放大器部20a的偏移。因此，根据本实施方式的传感器装置1a能够进一步提高检测精度。
然而，在使位放大器部20a作为电容型放大器发挥作用来输出检测信号的情况下，该检测信号的放大率的精度依赖于电容器21和电容器22的静电电容的精度。在通常的半导体工艺中形成电容器的情况下，所形成的电容器的静电电容（例如，电容器的尺寸）越大，越是提高加工精度，因此，容易提高静电电容的精度。因此，为了提高位放大器部20a所输出的检测信号的放大率的精度，优选使电容器21和电容器22的静电电容比较大。
此外，由于第一切换开关SW2的接通·关断产生的切换噪声（例如，由电荷注入（charge injection）造成的噪声）流入到电容器22等中而被吸收。因此，为了减少由切换噪声造成的向检测精度的影响，也优选使电容器21和电容器22的静电电容比较大。
在此，根据本实施方式的传感器装置1a通过使运算放大器23作为电压跟随器发挥作用，从而得到基准信号，生成该基准信号与检测信号的差分，由此，减少位放大器部20a的偏移。
通常地，在使运算放大器23作为电压跟随器发挥作用的情况下，电容器21的静电电容比较大的情况与电容器21的静电电容比较小的情况相比，存在运算放大器23的相位富余度变小而稳定的放大是困难的情况。
也就是说，产生了以下这样的违背的关系：为了提高检测信号的放大率的精度，优选使电容器21的静电电容比较大，为了使运算放大器23的相位富余度变大，优选使电容器21的静电电容比较小。
根据本实施方式的传感器装置1a在使运算放大器23作为电压跟随器发挥作用的情况下，将电容器21与运算放大器23切断。因此，依据根据本实施方式的传感器装置1a，即使在使电容器21的静电电容比较大的情况下，也能够抑制运算放大器23作为电压跟随器发挥作用的情况下的相位富余度的降低。
此外，在将检测电极11的电压重置为基准电位Vreset时，优选将电容器21的电压也重置为基准电位Vreset。在此，假设在为电容器21未与运算放大器23切断的结构的情况下，当检测电极11的电压被重置为基准电位Vreset时，电容器21经由运算放大器23也被重置为基准电位Vreset。然而，根据本实施方式的传感器装置1a在检测电极11的电压被重置为基准电位Vreset的期间内如上述那样将电容器21与运算放大器23切断，因此，不能期待经由运算放大器23的电容器21的电压的重置。
在此，在根据本实施方式的传感器装置1a中，在将电容器21与运算放大器23切断的期间内，第二重置开关SW4将电容器21重置为基准电位Vreset。因此，依据根据本实施方式的传感器装置1a，在运算放大器23作为电压跟随器发挥作用的情况下，能够使抑制相位富余度的降低和将电容器21重置为基准电位Vreset并存。
此外，在本实施方式中，位放大器部20a是包括运算放大器23（运算放大器）的非反相放大电路，在所述运算放大器23中，在输出端子与反相输入端子之间连接有电容器22，在反相输入端子与GND线（基准电位线）之间连接有电容器21，在非反相输入端子连接有检测电极11。减法运算电路50生成从检测信号减去基准信号后的差分信号。
由此，根据本实施方式的传感器装置1a能够通过简易的结构来减少偏移并对在检测电极11产生的电压进行放大。
此外，在本实施方式中，重置开关SW1将检测电极11的电压重置为基准电位Vreset，并且，第一切换开关SW2使位放大器部20a作为电压跟随器发挥作用，进而，重置开关SW1解除将检测电极11的电压重置为基准电位Vreset后的状态，第一切换开关SW2解除作为电压跟随器的功能，之后，采样电路30a保持基准信号。此外，采样电路30a在第一切换开关SW2解除作为电压跟随器的功能并且向外部电极2施加规定的电压V1之后经过规定的期间后（经过期间TR1后）保持检测信号。
由此，采样电路30a保持包括重置开关SW1和第一切换开关SW2的切换噪声的、基准信号。因此，根据本实施方式的传感器装置1a能够通过检测信号与基准信号的差分减少偏移以及重置开关SW1和第一切换开关SW2的切换噪声。
此外，根据本实施方式的传感器装置1a具备定时控制电路70a。定时控制电路70a进行以下的（A）~（C）的定时控制。
（A）使重置开关SW1将检测电极11的电压重置为基准电位Vreset。使第二切换开关SW3切断电容器21与运算放大器23的反相输入端子之间的连接。使第二重置开关SW4将电容器21的电压重置为基准电位Vreset。使第一切换开关SW2使位放大器部20a作为电压跟随器发挥作用。
也就是说，在位放大器部20a作为电压跟随器发挥作用的情况下，使电容器21与运算放大器23的反相输入端子之间的连接切断。此外，在将电容器21与运算放大器23切断的情况下，使电容器21的电压重置为基准电位Vreset。
（B）使重置开关SW1解除将检测电极11的电压重置为基准电位Vreset后的状态。使第二重置开关SW4解除将电容器21的电压重置为基准电位Vreset后的状态。使第二切换开关SW3将电容器21与运算放大器23的反相输入端子之间连接。在使第一切换开关SW2解除作为电压跟随器的功能之后，使采样电路30a保持基准信号。
（C）在使第一切换开关SW2解除作为电压跟随器的功能并且使第二切换开关SW3将电容器21与运算放大器23的反相输入端子之间连接并且向外部电极2施加规定的电压之后经过规定的期间TR1后，使采样电路30a保持检测信号。
由此，根据本实施方式的传感器装置1a能够通过检测信号与基准信号的差分减少偏移并且如上述那样减少重置开关SW1和第一切换开关SW2的切换噪声。此外，根据本实施方式的传感器装置1a具备定时控制电路70a，因此，不需要从外部进行复杂的定时控制。
此外，在根据本实施方式的传感器装置1a中，将第一切换开关SW2的寄生电容的大小与第二切换开关SW3的寄生电容的大小彼此相对应。通常地，在半导体开关从接通状态切换为关断状态的情况下，从该寄生电容流出电荷，由此，产生切换噪声。此外，在半导体开关从关断状态切换为接通状态的情况下，向该寄生电容流入电荷，由此，产生切换噪声。由于该开关的切换而流入或流出的电荷的量即切换噪声的大小依赖于半导体开关的寄生电容的大小。
然而，本实施方式的第一切换开关SW2和第二切换开关SW3彼此切换为相反的状态。具体而言，在第一切换开关SW2切换为关断状态的情况下，第二切换开关SW3切换为接通状态。在该情况下，从第一切换开关SW2的寄生电容作为切换噪声流出的电荷例如被蓄积在电容器22中。在该电容器22中蓄积的电荷在第二切换开关SW3切换为接通状态时向第二切换开关SW3的寄生电容流入。在此，根据本实施方式的传感器装置1a将第一切换开关SW2的寄生电容的大小与第二切换开关SW3的寄生电容的大小彼此相对应。例如，在第一切换开关SW2的寄生电容的大小与第二切换开关SW3的寄生电容的大小彼此相等的情况下，从一个开关的寄生电容作为切换噪声流出的电荷的量与向另一个开关的寄生电容流入的电荷的量相等。因此，在根据本实施方式的传感器装置1a中，能够减少由第一切换开关SW2和第二切换开关SW3产生的切换噪声的电荷被蓄积在例如电容器22等中的情况。
[第二实施方式]
接着，参照附图来对根据第二实施方式的传感器装置1b进行说明。
在本实施方式中，对根据第一实施方式的位放大器部20a的变形例进行说明。
图3是示出根据本实施方式的传感器装置1b的一个例子的框图。
如图3所示那样，传感器装置1b具备外部电极2、像素块（40b-1、40b-2、…、40b-N）、减法运算电路50a、输出处理部60a、定时控制电路70a、以及基准电压生成部80。
再有，在该图中，对与图1所示的第一实施方式相同的结构标注相同的附图标记，并省略其说明。
此外，在本实施方式中，像素块（40b-1、40b-2、…、40b-N）的每一个为相同的结构，在示出传感器装置1b所具备的任意的像素块的情况或不特别区别的情况下，说明为像素块40b。
像素块40b是对1个像素的量的像素的电场（厚度）进行检测的块，具备检测电极11、位放大器部20b、采样电路30a和重置开关SW1。
位放大器部20b（电容型放大电路的一个例子）与上述的第一实施方式的位放大器部20a同样地检测在检测电极11产生的电压，输出基于电容器21与电容器22的电容比对在该检测电极11产生的电压进行放大后的检测信号。位放大器部20b具备电容器21、电容器22、运算放大器23、第一切换开关SW2、第二切换开关SW3、以及第二重置开关SW4。位放大器部20b是包括运算放大器23的反相放大电路，在所述运算放大器23中，在输出端子与反相输入端子之间连接有电容器22，在反相输入端子与检测电极11之间连接有电容器21，在非反相输入端子连接有Vreset信号线（基准电位线）。在此，位放大器部20b（运算放大器23）输出负方向的检测信号来作为反相信号。
在运算放大器23中，反相输入端子经由电容器21被连接于节点N1，非反相端子被连接于Vreset信号线。
减法运算电路50a（减法运算电路的一个例子）生成采样电路30a所保持的基准信号与检测信号的差分。减法运算电路50a生成从基准信号减去检测信号后的差分信号。减法运算电路50a具备运算放大器（51a、52a、57）和电阻（53~56）。
在运算放大器51a中，非反相输入端子被连接于共同信号线BL1，输出端子（节点N13）被连接于反相输入端子。
在运算放大器52a中，非反相输入端子被连接于共同信号线BL2，输出端子（节点N14）被连接于反相输入端子。
电阻53~电阻56和运算放大器57构成从基准信号减去检测信号的减法运算电路。运算放大器57将从经由共同信号线BL2取得的基准信号减去经由共同信号线BL1取得的检测信号后的差分信号作为除去位放大器部20b的偏移后的检测信号向输出端子（节点N17）输出。
再有，根据本实施方式的传感器装置1b的工作除了位放大器部20b为反相放大电路并且减法运算电路50a从基准信号减去检测信号的方面之外，与第一实施方式同样，因此，在此省略其说明。
如以上说明的那样，根据本实施方式的传感器装置1b具备检测电极11、位放大器部20b（电容型放大电路）、重置开关SW1、第一切换开关SW2、第二切换开关SW3、第二重置开关SW4、采样电路30a和减法运算电路50a（减法运算电路）。
由此，根据本实施方式的传感器装置1b起到与第一实施方式同样的效果，能够减少由噪声造成的影响来提高检测精度。
此外，在根据本实施方式的传感器装置1b中，减法运算电路50a生成基准信号与检测信号的差分，因此，能够从检测信号减少位放大器部20b的偏移。因此，根据本实施方式的传感器装置1b能够进一步提高检测精度。
此外，在本实施方式中，位放大器部20b是包括运算放大器23的反相放大电路，在所述运算放大器23中，在输出端子与反相输入端子之间连接有电容器22，在反相输入端子与检测电极11之间连接有电容器21，在非反相输入端子连接有Vreset信号线（基准电位线）。减法运算电路50a生成从基准信号减去检测信号后的差分信号。
由此，根据本实施方式的传感器装置1b能够通过简易的结构减少偏移并对在检测电极11产生的电压进行放大。
再有，本发明不限定于上述的各实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行变更。
例如，在上述的各实施方式中，说明了定时控制电路70a生成各种定时信号的例子，但是，并不限定于此，也可以从外部供给定时控制电路70a所生成的各种定时信号的一部分或全部。
此外，在上述的各实施方式中，说明了基准电压生成部80生成基准电位Vreset、基准电位VREF2等基准电压的例子，但是，并不限定于此，也可以从外部供给基准电压生成部80所生成的基准电压的一部分或全部。
此外，在上述的各实施方式中，说明了像素块40a（40b）总括全部像素来对检测信号进行检测并在将其保持于采样电路30a之后依次串行输出其的例子，但是，并不限定于此。定时控制电路70a也可以进行定时控制，以使例如像素块40a（40b）按每1个像素（1位）一边对检测信号进行检测一边依次输出其。
此外，在上述的各实施方式中，说明了输出处理部60a将检测信号分成2级来进行放大的例子，但是，并不限定于此。例如，在能够通过1级的放大确保充分的动态范围的情况下，输出处理部60a也可以以1级进行放大。
此外，在上述的各实施方式中，说明了传感器装置1a（1b）为线图像传感器装置的情况下的例子，但是，并不限定于此，也可以为2维图像传感器装置。
此外，在上述的第一实施方式中，说明了位放大器部20a由非反相放大电路构成的例子，但是，也可以如第二实施方式那样由反相放大电路构成。
此外，上述的定时控制电路70a也可以在内部具有计算机系统。然后，此时，上述的检测电极11的输出检测的处理过程被以程序的形式存储于计算机可读取的记录介质，计算机读出该程序来执行，由此，进行上述处理。在此，计算机可读取的记录介质是指磁盘、光磁盘、CD-ROM、DVD-ROM、半导体存储器等。此外，也可以通过通信线路向计算机分发该计算机程序，接收到该分发的计算机执行该程序。
附图标记的说明
1a、1b 传感器装置
2 外部电极
11 检测电极
20a、20b 位放大器部
21、22、32、35、62、66 电容器
23、51a、52a、57、61、63、67 运算放大器
30、30a 采样电路
31、33、34、36 NMOS晶体管
40a、40b、40a-1、40b-1、40a-2、40b-2、40-N、40a-N、40b-N 像素块
50、50a 减法运算电路
53~56、64、65、68、69 电阻
60a 输出处理部
70a 定时控制电路
71 移位寄存器
72a 定时信号生成部
80 基准电压生成部
AS1~AS5 模拟开关
BL1、BL2 共同信号线
SC1、SC2 寄生电容
SW1 重置开关
SW2 切换开关
SW3 第二切换开关
SW4 第二重置开关。

Claims (10)

1.一种传感器装置，其中，具备：
检测电极，与被施加规定的电压的外部电极相向，产生与静电电容的变化对应的电压；
电容型放大电路，具有运算放大器、在所述运算放大器的输出端子与反相输入端子之间连接的第二电容器、和与所述第二电容器串联连接的第一电容器，对在所述检测电极产生的电压进行检测，输出基于所述第一电容器与所述第二电容器的电容比对在该检测电极产生的电压进行放大后的检测信号；
重置开关，将所述检测电极的电压重置为基准电位；
切换开关，通过是否使所述输出端子与所述反相输入端子间短路来切换使所述电容型放大电路作为电容型放大器发挥作用或者作为电压跟随器发挥作用；
第二切换开关，在所述电容型放大电路作为电压跟随器发挥作用的情况下，将所述第一电容器与所述电容型放大电路切断；以及
第二重置开关，在所述第一电容器被与所述电容型放大电路切断的情况下，将所述第一电容器的电压重置为基准电位。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，将所述切换开关的寄生电容的大小与所述第二切换开关的寄生电容的大小彼此相对应。
3.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，具备：
采样电路，对基准信号和所述检测信号进行采样保持来分别进行保持，所述基准信号为在利用所述重置开关和所述第二重置开关使所述检测电极的电压和所述第一电容器的电压分别重置为所述基准电位之后、利用所述第二切换开关将所述第一电容器与所述电容型放大电路切断并且利用所述切换开关作为所述电压跟随器发挥作用并且向所述外部电极施加所述规定的电压之前的、来自所述电容型放大电路的输出信号，所述检测信号为向所述外部电极施加所述规定的电压的状态下的检测信号；以及
减法运算电路，生成所述采样电路所保持的所述基准信号与所述检测信号的差分。
4.根据权利要求2所述的传感器装置，其中，具备：
采样电路，对基准信号和所述检测信号进行采样保持来分别进行保持，所述基准信号为在利用所述重置开关和所述第二重置开关使所述检测电极的电压和所述第一电容器的电压分别重置为所述基准电位之后、利用所述第二切换开关将所述第一电容器与所述电容型放大电路切断并且利用所述切换开关作为所述电压跟随器发挥作用并且向所述外部电极施加所述规定的电压之前的、来自所述电容型放大电路的输出信号，所述检测信号为向所述外部电极施加所述规定的电压的状态下的检测信号；以及
减法运算电路，生成所述采样电路所保持的所述基准信号与所述检测信号的差分。
5.根据权利要求3所述的传感器装置，其中，所述电容型放大电路是非反相放大电路，在所述非反相放大电路中，在所述反相输入端子与基准电位线之间连接有所述第一电容器而在所述运算放大器的非反相输入端子连接有所述检测电极，
所述减法运算电路生成从所述检测信号减去所述基准信号后的差分信号。
6.根据权利要求3所述的传感器装置，其中，所述电容型放大电路是反相放大电路，在所述反相放大电路中，在所述反相输入端子与所述检测电极之间连接有所述第一电容器而在所述运算放大器的非反相输入端子连接有基准电位线，
所述减法运算电路生成从所述基准信号减去所述检测信号后的差分信号。
7.根据权利要求6所述的传感器装置，其中，
所述重置开关和所述第二重置开关将所述检测电极的电压和所述第一电容器的电压分别重置为所述基准电位，并且，所述第二切换开关将所述第一电容器与所述电容型放大电路切断，所述切换开关使所述电容型放大电路作为所述电压跟随器发挥作用，进而，所述重置开关解除将所述检测电极的电压重置为所述基准电位后的状态，所述切换开关解除作为所述电压跟随器的功能，所述第二切换开关使所述第一电容器连接于所述电容型放大电路，之后，所述采样电路保持所述基准信号，
在所述切换开关解除作为所述电压跟随器的功能并且所述第二切换开关使所述第一电容器连接于所述电容型放大电路并且向所述外部电极施加所述规定的电压之后经过规定的期间后，所述采样电路保持所述检测信号。
8.根据权利要求6所述的传感器装置，其中，具备进行以下定时控制的定时控制电路：
使所述重置开关和所述第二重置开关将所述检测电极的电压和所述第一电容器的电压分别重置为所述基准电位，并且，使所述第二切换开关将所述第一电容器与所述电容型放大电路切断，使所述切换开关使所述电容型放大电路作为所述电压跟随器发挥作用，
进而，使所述重置开关解除使所述检测电极的电压重置为所述基准电位后的状态，使所述切换开关解除作为所述电压跟随器的功能，使所述第二切换开关将所述第一电容器连接于所述电容型放大电路，之后，使所述采样电路保持所述基准信号，
在使所述切换开关解除作为所述电压跟随器的功能并且向所述外部电极施加所述规定的电压之后经过规定的期间后，使所述采样电路保持所述检测信号。
9.根据权利要求7所述的传感器装置，其中，具备进行以下定时控制的定时控制电路：
使所述重置开关和所述第二重置开关将所述检测电极的电压和所述第一电容器的电压分别重置为所述基准电位，并且，使所述第二切换开关将所述第一电容器与所述电容型放大电路切断，使所述切换开关使所述电容型放大电路作为所述电压跟随器发挥作用，
进而，使所述重置开关解除使所述检测电极的电压重置为所述基准电位后的状态，使所述切换开关解除作为所述电压跟随器的功能，使所述第二切换开关将所述第一电容器连接于所述电容型放大电路，之后，使所述采样电路保持所述基准信号，
在使所述切换开关解除作为所述电压跟随器的功能并且向所述外部电极施加所述规定的电压之后经过规定的期间后，使所述采样电路保持所述检测信号。
10.根据权利要求1至权利要求9的任一项所述的传感器装置，其中，多个所述检测电极被配置为直线状，
所述传感器装置具备与所述多个检测电极的每一个对应的多个所述电容型放大电路。
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