CN111865287A - 电极装置、半导体装置和半导体系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够精确检测待检测对象的电极装置、半导体装置和半导体系统。根据一个实施例，电极装置11被用于检测互电电容系统的电容，并且包括接收电极PR1、面对接收电极PR1布置的发射电极PX1、面对接收电极PR1布置的发射电极PX2，使发射电极PX1介于发射电极PX2和接收电极PR1之间、以及电介质板101，设置在发射电极PX1和发射电极PX2之间以用于固定发射电极PX1和发射电极PX2之间的距离和介电常数。

Description

电极装置、半导体装置和半导体系统

相关申请的交叉引用

2019年4月25日提交的日本专利申请号2019-083988的公开包括说明书、附图和摘要，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及电极装置、半导体装置和半导体系统，例如，本发明涉及适于精确检测待检测对象的电极装置、半导体装置和半导体系统。

背景技术

近年来，需要利用互电容型传感器精确地检测诸如纸张的待检测对象(检测目标对象)是否被插入在电极之间或触摸电极是否被诸如手指的待检测对象触摸。例如，专利文献1公开了一种互电容型触摸传感器的结构，用于检测触摸电极是否被手指触摸。下面列出了公开的技术。

[专利文献1]

日本未审查专利申请公开2017-204900。

发明内容

然而，在现有技术的配置中，当电极之间的距离由于轻微振动等而无意地变化时，无论待检测对象存在或不存在或者在检测待检测对象时，都会出现无意的数值波动，并且存在错误检测或检测错误发生的可能性。即，在现有技术的配置中，仍然不可能精确地检测到待检测对象。根据本说明书和附图的描述，其他问题和新颖特征将变得明显。

根据一个实施例，一种被用于互电容型电容检测的电极装置，包括：接收电极；第一发射电极，与接收电极相对设置；第二发射电极，与接收电极相对设置且使第一发射电极介于第二发射电极和接收电极之间；以及电介质基板，被提供在第一发射电极和第二发射电极之间，用于固定第一发射电极和第二发射电极之间的距离和介电常数。

根据一个实施例，一种半导体装置，包括：接收电极；第一发射电极，与接收电极相对设置；第二发射电极，与接收电极相对设置且使第一发射电极介于第二发射电极和接收电极之间；以及电介质基板，被提供在第一发射电极和第二发射电极之间，用于固定第一发射电极和第二发射电极之间的距离和介电常数；脉冲信号输出电路，用于选择性地将脉冲信号输出到电极装置的第一发射电极和第二发射电极中的任何一个；电容检测电路，通过使用当所述脉冲信号被施加到第一发射电极时接收电极中消耗的电流以及当脉冲信号仅被施加到第二发射电极时接收电极中消耗的电流来计算第一发射电极和接收电极之间的电容改变；以及算术处理单元，基于电容检测电路的检测结果来确定被检测目标对象是否设置在电极装置中。

根据一个实施例，一种半导体系统，包括：电极装置和半导体装置，其中电极装置包括：接收电极；第一发射电极，面对接收电极设置；第二发射电极，面对接收电极设置，使第一发射电极介于第二发射电极和接收电极之间；以及电介质基板，被提供在第一发射电极和第二发射电极之间以固定第一发射电极和第二发射电极之间的距离和介电常数，并且其中，半导体装置包括：脉冲信号输出电路，用于选择性地将脉冲信号输出到第一发射电极和第二发射电极中的任何一个；电容检测电路，使用当脉冲信号被施加到第一发射电极时接收电极中消耗的电流以及当脉冲信号仅被施加到第二发射电极时接收电极中消耗的电流来计算第一发射电极和接收电极之间的电容改变量；以及算术处理单元，基于电容检测电路的检测结果来确定待检测对象是否设置在电极装置上。

本发明的效果

根据上述实施例，可以提供能够高精度检测待检测对象的电极装置、半导体装置和半导体系统。

附图说明

图1是示出根据第一实施例的电极装置的示例性配置的示意性截面图。

图2是示出包括图1所示的电极装置的半导体装置的示例性配置图。

图3是示出根据第二实施例的电极装置的示例性配置的示意性截面图。

图4是示出在图3所示的电极装置的电极之间插入纸张的状态的示意性截面图。

图5是示出具有图3所示电极装置的半导体系统的配置示例图。

图6是示出图3所示电极装置的第一修改示例的示意性截面图。

图7是示出图3所示电极装置的第二修改示例的示意性截面图。

图8是示出根据第一实施例的半导体系统的应用示例图。

图9是示出根据在第一实施例之前构思的电极装置的配置示例的示意性截面图。

图10是示出在图9所示电极装置的电极之间插入纸张的状态的示意性截面图。

图11是用于说明在电极之间形成电容的图。

具体实施方式

为了说明清楚，适当地省略和简化以下说明和附图。此外，在附图中被描述为用于执行各种处理的功能块元件可以在硬件方面被配置为CPU(中央处理单元)、存储器和其它电路，并且在软件方面可以由加载到存储器中的程序来实现。因此，本领域技术人员应当理解，这些功能块可以通过单独的硬件、单独的软件或其组合以各种形式实现，并且本发明不限于其中的任何一种。在附图中，相同的元件由相同的附图标记表示，并且必要时省略其重复描述。

而且，可以使用各种类型的非瞬态计算机可读介质来存储上述程序并将其提供给计算机。非瞬态计算机可读介质包括各种类型的有形存储介质。非瞬态计算机可读介质的示例包括磁记录介质(例如，软磁盘、磁带、硬盘驱动器)、磁光记录介质(例如，磁光盘)、CD-ROM(只读存储器、CD-R、CD-R/W)、固态存储器(例如，掩膜ROM、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦除PROM)、闪速ROM、RAM(随机存取存储器))。程序也可以由各种类型的瞬态计算机可读介质提供给计算机。瞬态计算机可读介质的示例包括电信号、光信号和电磁波。瞬态计算机可读介质可以将程序经由有线或无线通信路径(诸如电线和光纤)提供给计算机。

首先，参照图9，将描述本发明者预先研究的电极装置60。图9是示出根据在第一实施例之前构思的电极装置的配置示例的示意性截面图。

电极装置60被用于检测互电容型的电容，并且通过在电极之间插入待检测对象(例如纸张)来改变电极之间的电容。使用电极装置60的传感器基于从电极装置60获得的电容变化来检测是否在电极之间插入了待检测对象(例如纸张)。此后，将给出具体描述。

如图9所示，电极装置60包括发射电极PX1、接收电极PR1和介质基板101和102。

具体地，发射电极PX1设置在电介质基板101的主表面上。接收电极PR1设置在介质基板102的、面对介质基板101设置的主表面上，使得接收电极PR1面对发射电极PX1，其间具有预定的距离d。电介质基板101和102例如是玻璃环氧树脂基板。在发射电极PX1和接收电极PR1之间形成静电电容C1。

在图9中，在发射电极PX1和接收电极PR1之间形成能够在其中插入待检测对象(诸如纸张)的空间区域。在下文中，将例示待检测对象是纸张(纸)P1的情况。

图10是示出纸张P1被插入在电极装置60的电极PX1和PR1之间的状态的示意性截面图。如图10所示，如果纸张的厚度为d1(<d)，则在电极PX1、PR1之间距离为d的空间区域中的对应于厚度d1的区域中插入介电常数与空气不同的纸张P1来代替空气。

现在参照图11，电极之间产生的电容C的电容通常由以下等式(1)表达。其中C为静电电容(电容、静电电容、电容)的电容值C，d为电极间距离，k为电极间区域的相对介电常数，A为电极面积，ε0为电常数。

C＝k×ε0×A/d···(1)

由等式(1)可知，电容C与电极面积A成正比，与电极间区域的相对介电常数k成正比，与电极间距离d成反比。

因此，当在电极之间插入具有与空气不同的介电常数的纸张P1时，静电电容C1的电容值发生改变。使用电极装置60的传感器可以基于电容的改变量来检测纸张P1是否被插入在电极之间。

这里，假设纸张P1的厚度为90μm，纸张P1的介电常数是空气介电常数的两倍，由于纸张P1插入电极之间而导致的电容C1的电容值改变则等于当电极之间的距离d缩短了45μm时的电容值改变。因此，如果电极之间的距离d由于轻微振动等而无意地波动，则使用电极装置60的传感器可能错误地检测为纸张P1已被插入电极之间。

因此，已经找到能够解决这种问题的根据第一实施例的电极装置11、控制装置(半导体装置)12和传感器系统(半导体系统)SYS1。

第一实施例

图1是示出根据第一实施例的电极装置11的配置示例的示意性截面图。电极装置11被用于检测互电容型的电容，并且通过在电极之间插入待检测对象(诸如纸张)来改变电极之间的电容。使用电极装置11的传感器(稍后描述的控制装置12)基于从电极装置11获得的电容改变来检测待检测对象(例如纸张)是否被插入在电极之间。此后，将给出具体描述。

如图1所示，电极装置11包括两个发射电极PX1和PX2、接收电极PR1以及电介质基板101和102。

具体地，发射电极PX1设置在电介质基板101的一个主表面上，并且发射电极PX2设置在电介质基板101的另一个主表面上。接收电极PR1设置在电介质基板102的、面对电介质基板101的主表面上，使得接收电极PR1面对发射电极PX1，其间具有预定的距离d，并且接收电极PR1面对发射电极PX2设置且发射电极PX1和电介质基板101介于其间。电介质基板101和102例如是玻璃环氧树脂基板。

在发射电极PX1和接收电极PR1之间形成电容C1。在发射电极PX1和PX2之间形成电容C2。

在图1所示的实施例中，在发射电极PX1和接收电极PR1之间形成能够在其中插入待检测对象(诸如纸张)的空间区域。在下文中，将例示待检测对象是纸张P1的情况。

另一方面，在发射电极PX1和PX2之间提供介质基板102。因此，发射电极PX1和PX2之间的距离和介电常数是固定的。

静电电容C1的计算方法

接下来，将描述计算电极装置11的静电电容C1的电容值的方法。这里，将描述以下的情况：通过将电容值转换成发射电极PX1和接收电极PR1之间的距离d来计算电极装置11的电容C1的电容值。

首先，当发射电极PX1和接收电极PR1之间的电容C1的电容值为Ca，并且发射电极PX2和接收电极PR1之间的电容值为Cb时，以下等式(2)和(3)成立。然而，当在电极PX1和PR1之间产生电场时(即，当在电极PX1和PR1之间施加电压时)，发射电极PX2被设置为HiZ(高阻抗状态)。当在电极PX2和PR1之间产生电场时(即，当在电极PX2和PR1之间施加电压时)，发射电极PX1被设置为HiZ状态。

等式1

等式2

如果I是消耗电流(后面描述的电流I1的电流值)，F是工作频率(后面描述的时钟信号CLK1的振荡频率)，C是电容值，V是电极间电压，则I＝FCV成立。因此，当在电极PX1和PR1之间产生电场时，消耗电流I1a由来自等式(2)的以下等式(4)表达。当在电极PX2和PR1之间产生电场时，消耗电流I1b由来自等式(3)的以下等式(5)表示。

I1a＝F·C1·V···(4)

等式3

从等式(4)和等式(5)中，下列等式(6)成立。

等式4

当等式(6)被转换时，它被表示为等式(7)。

等式5

等式6

I1a·C2＝I1b·(C1+C2)

I1a·C2＝I1b·C1+I1b·C2

(I1a-I1b)C2＝I1b·C1

等式7

这里，

[等式8]

距离d由下式(8)表达。这里，ε0表示电常数，εr表示电极间区域的相对介电常数，S表示电极面积，d表示电极间距离。

等式9

等式10

等式11

根据εr＝1，距离d由以下等式(9)表示。

等式12

从等式(9)可以理解，距离d可以通过测量电流值I1a和电流值I1b来计算。根据距离d的计算结果的改变，静电电容C1的电容值的改变则变得清楚。即，根据距离d的计算结果的改变，可以得到静电电容C1的电容值随着纸张P1被插入电极PX1和PR1之间而改变的改变量。因此，使用电极装置11的传感器可以基于距离d的计算结果精确地检测纸P1是否被插入在电极PX1和PR1之间。根据检测精度的提高，使用电极装置11的传感器还可以确定在电极PX1和PR1之间插入的纸张P1的材料。

对具有电极装置11的传感器系统SYS1的说明

随后，图2被用于描述具有电极装置11的传感器系统。图2是示出包括电极装置11的传感器系统(半导体系统)SYS1的示例性配置的图。

如图2所示，传感器系统SYS1包括电极装置11和控制装置(半导体装置)12。控制装置12是所谓的微型计算机，并且具有传感器的功能，用于基于从电极装置11检测到的静电电容C1的变化来检测纸张P1是否被插入在电极装置11的电极之间。此外，控制装置12可以具有传感器的功能，用于基于从电极装置11检测到的静电电容C1的绝对电容值来具体说明插入纸张P1的材料。

具体地，控制装置12包括电容检测单元13、算术处理单元(CPU)14和端子TX1、TX2和TR1。电容检测单元13包括电流镜15、开关电路16、电流控制振荡电路(CCO；电流控制振荡器)17、计数器18、缓冲器B1和B2以及平滑电容器Cs。缓冲器B1和B2构成脉冲信号输出电路。在电容检测单元13的组件中，电容检测电路由脉冲信号输出电路以外的组件构成。

电极装置11的发射电极PX2连接到端子TX1。电极装置11的发射电极PX1连接到端子TX2。电极装置11的接收电极PR1连接到端子TR1。

电源电压下降电路VDC包括P沟道MOS晶体管MP11(以下简称为“晶体管”)和放大器AMP。在晶体管MP11中，源极连接到电源电压端子VDD，漏极连接到节点NR，栅极被施加放大器AMP的输出电压。放大器AMP放大节点NR的电压VDDR和参考电压Vref之间的电位差，并将放大的电压施加到晶体管MP11的栅极。即，放大器AMP控制晶体管MP11的栅极电压，使得节点NR的电压VDDR等于参考电压Vref。

在晶体管MP12中，源极连接到电源电压端子VDD，并且放大器AMP的输出电压被施加到栅极。即，晶体管MP11和MP12构成电流镜电路。因此，在晶体管MP12的源极和漏极之间流动的电流I2与在晶体管MP11的源极和漏极之间流动的电流I1成比例。根据设计规范，可以将每个晶体管MP11和MP12的电流驱动能力(晶体管尺寸)设置为任意值。

开关电路16具有开关元件SW1和SW2。开关元件SW1设置在节点NR和节点NS之间，并且基于时钟信号CLK1而接通和断开。开关元件SW2设置在节点NS和接地电压端子GND之间，并且基于时钟信号CLK1与开关元件SW1互补地接通和断开。节点NS连接到端子TR1。

例如，当时钟信号CLK1处于L(低)电平时，开关元件SW1接通，开关元件SW2断开。因此，节点NR的电压VDDR被施加到端子TR1。即，节点NR的电压VDDR经由端子TR1被施加到接收电极PR1。因此，电荷积聚在接收电极PR1中。

另一方面，当时钟信号CLK1处于H(高)电平时，开关元件SW1断开，开关元件SW2接通。因此，接地电压(地电位)GND被施加到端子TR1。即，接地电压GND经由端子TR1被施加到接收电极PR1。因此，在接收电极PR1中积聚的电荷被放电。

即，开关电路16生成通过反转时钟信号CLK1的逻辑电平而获得的驱动脉冲DRV，并通过端子TR1将驱动脉冲DRV施加到接收电极PR1。

缓冲器B1是所谓的三态缓冲器，并且针对是将时钟信号CLK1输出为脉冲信号PS1还是将输出设置为HiZ状态来进行切换。缓冲器B2是所谓的三态缓冲器，并且以与缓冲器B1的输出互补的方式将时钟信号CLK1的输出切换为脉冲信号PS2或将缓冲器B2的输出切换到HiZ状态。

例如，当缓冲器B1将时钟信号CLK1作为脉冲信号PS1输出时，缓冲器B2的输出被设置为HiZ状态。因此，脉冲信号PS1被施加到发射电极PX1。另一方面，发射电极PX2被设置为HiZ状态。此时，驱动脉冲DRV被施加到接收电极PR1。因此，在发射电极PX1和接收电极PR1之间出现电场。

另一方面，当缓冲器B2将时钟信号CLK1作为脉冲信号PS2输出时，缓冲器B1的输出被设置为HiZ状态。因此，脉冲信号PS2被施加到发射电极PX2。另一方面，发射电极PX1被设置为HiZ状态。此时，驱动脉冲DRV被施加到接收电极PR1。因此，在发射电极PX2和接收电极PR1之间出现电场。

电流镜电路15包括电源电压下降电路(恒压生成电路)VDC和P沟道MOS晶体管(以下简称为晶体管)MP12。电源电压下降电路VDC在节点NR处生成通过降低电源电压VDD而获得的电压VDDR。平滑电容器Cs设置在节点NR和接地电压端子GND之间，并根据检测到的电容平滑由开关电路16的开关电容滤波器(Switched Capacitor Filter)生成的充电电流波形，并将平滑后的充电电流波形发送到电流控制振荡电路17。

电流控制振荡电路17输出时钟信号CLK2，其频率对应于与电流I1成比例的电流I2。电流控制振荡电路17包括环形振荡器和缓冲器电路。在环形振荡器中，将其延迟时间随电流I2变化的多个反相器电路连接成环形。缓冲器电路在多个反相器电路的最后级中放大反相器电路的输出，并将放大的输出作为时钟信号CLK2输出。计数器18对时钟信号CLK2每预定周期的振荡次数进行计数，并输出计数值NC2。

例如，随着电流I2的值增大，在电流控制振荡电路17中提供的反相器的延迟时间减小，使得时钟信号CLK2的频率增大，并且因此，计数值NC2增大。另一方面，当电流I2的值减小时，在电流控制振荡电路17中提供的反相器的延迟时间增加，使得时钟信号CLK2的频率减小，结果计数值NC2减小。

算术处理单元14基于此时的计数值NC2计算电流I1的值。具体地，算术处理单元14计算在电极PX1、PR1之间产生电场时的电流I1的值(I1a)，计算在电极PX2、PR1之间产生电场时的电流I1的值(I1b)。算术处理单元14通过将电流值I1a和I1b的计算结果代入上面的等式(9)来计算距离d。这里，根据距离d的计算结果的改变，静电电容C1的电容值的改变则变得清楚。因此，算术处理单元14可以根据距离d的计算结果的改变量来计算静电电容C1的电容值的改变量，该电容值随着纸张P1被插入在电极PX1和PR1之间而改变。即，算术处理单元14根据距离d的计算结果能够精确地检测纸张P1是否被插入在电极PX1和PR1之间。算术处理单元14还可以根据距离d的计算结果确定被插入在电极PX1和PR1之间的纸张P1的材料。

传感器系统SYS1操作

接下来，说明传感器系统SYS1的操作。

首先，传感器系统SYS1测量在电极装置11中提供的发射电极PX1和接收电极PR1之间产生电场时的电流I1的值(即，电流值I1a)。

此时，缓冲器B1将时钟信号CLK1输出为脉冲信号PS1，缓冲器B2将输出设置为HiZ状态。因此，脉冲信号PS1被施加到发射电极PX1。另一方面，发射电极PX2被设置为HiZ状态。此时，开关电路16输出通过反转时钟信号CLK1的逻辑电平而获得的驱动脉冲DRV。因此，驱动脉冲DRV被施加到接收电极PR1。因此，在发射电极PX1和接收电极PR1之间出现电场。

由于纸张P1被插入发射电极PX1和接收电极PR1之间而引起的静电电容C1的改变表现为电流I1(I1 a)的积分值的改变。

电流控制振荡电路17输出时钟信号CLK2，其频率对应于与电流I1成比例的电流I2。计数器18对时钟信号CLK2的每预定周期的振荡次数进行计数，并输出计数值NC2。

算术处理单元14基于在发射电极PX1和接收电极PR1之间产生电场时的计数值NC2来计算此时电流I1(即，电流值I1a)的值。

接着，传感器系统SYS1测量在电极装置11中提供的发射电极PX2和接收电极PR1之间产生电场时的电流I1的值(即，电流值I1b)。

此时，缓冲器B1将输出设置为HiZ状态，缓冲器B2将时钟信号CLK1输出为脉冲信号PS2。因此，发射电极PX1被设置为HiZ状态。另一方面，脉冲信号PS2被施加到发射电极PX2。此时，开关电路16输出通过反转时钟信号CLK1的逻辑电平而获得的驱动脉冲DRV。因此，驱动脉冲DRV被施加到接收电极PR1。因此，在发射电极PX2和接收电极PR1之间出现电场。

由于纸张P1被插入发射电极PX1和接收电极PR1之间而引起的静电电容C2的改变表现为电流I1(I1b)的积分值的改变。

电流控制振荡电路17输出时钟信号CLK2，其频率对应于与电流I1成比例的电流I2。计数器18对时钟信号CLK2的每预定周期的振荡次数进行计数，并输出计数值NC2。

算术处理单元14基于在发射电极PX2和接收电极PR1之间产生电场时的计数值NC2来计算此时电流I1的值(即，电流值I1b)。

此后，算术处理单元14通过将电流值I1a和I1b的计算结果代入上面等式(9)来计算距离d。这里，根据距离d的计算结果的改变，静电电容C1的电容值的改变变得清楚。因此，算术处理单元14可以根据距离d的计算结果的改变量来计算静电电容C1的电容值的改变量，该电容值随着纸张P1被插入电极PX1和PR1之间而改变。即，算术处理单元14可以通过距离d的计算结果精确地检测纸张P1是否被插入在PX1和PR1之间，算术处理单元14还可以根据检测精度的提高来确定插入在PX1和PR1之间的纸张P1的材料。

如上所述，根据本实施例的电极装置11包括接收电极PR1、面对接收电极PR1布置的发射电极PX1和PX2、以及设置在发射电极PX1和PX2之间的电介质基板101。然后，传感器系统SYS1基于在电极PX1、PR1之间产生电场时的消耗电流值I1a和在电极PX2、PR1之间产生电场时的消耗电流值I1b来计算静电电容C1的电容值的改变量。因此，传感器系统SYS1可以精确地检测纸张P1是否被插入在电极PX1和PR1之间。根据检测精度的提高控制装置12还可以确定在PX1和PR1电极之间插入的纸张P1的材料。

在本实施例中，被施加到发射电极PX1和PX2的脉冲信号和被施加到接收电极PR1的驱动脉冲DRV具有相反的相位，但本发明不限于此。被施加到发射电极PX 1和PX2的脉冲信号和被施加到接收电极PR1的驱动脉冲DRV可以彼此同相。备选地，可以使用每个反相和同相的电流值I1a之间的差以及每个反相和同相的电流值I1b之间的差来测量静电电容C1的电容值的改变量。因此，除发射电极和接收电极之外的其它外部组件(诸如寄生电容)引起的、被包括在电流I1a和I1b的每一个中的无功电流分量被消除，从而提高了仅在发射电极PX1、PX2和接收电极PR1之间的静电电容C1和C2的电容值的改变量的测量精度。

在本实施例中，已经描述了在缓冲器B1输出脉冲信号PS1时，缓冲器B2的输出被设置为HiZ状态的情况，但是本发明不限于该情况。当缓冲器B1输出脉冲信号PS1时，缓冲器B2可以输出与脉冲信号PS1同相的脉冲信号PS2。此时，由于电极PX1、PX2之间的电位差基本上变为0V，因此电极PX1、PR1之间产生的电场和电极PX1、PX2之间产生的电场的干扰被抑制到可忽略的程度。

在本实施例中，作为示例描述了控制装置12测量在电极PX1、PR1之间产生电场时的消耗电流值和在电极PX2、PR1之间产生电场时的消耗电流值并根据测量结果计算静电电容C1的电容值的改变量的情况，但本发明不限于该示例。例如，控制装置12可被配置为：测量在电极PX1、PR1之间产生电场时的电极间电压以及在电极PX2、PR1之间产生电场时的电极间电压，并且根据测量结果计算静电电容C1的电容值的改变量。

此外，在本实施例中，控制装置12检测纸张P1是否被插入电极装置11的电极PX1和PR1之间，但本发明不限于此。控制装置12还可以检测对电极PX1或电极PR1的触摸，触摸导致电极装置11的电极PX1和PR1之间距离d的变化。

第二实施例

图3是示出根据第二实施例的电极装置21的配置示例的示意性截面图。与电极装置60相比，电极装置21进一步包括由发射电极PXr和接收电极PRr构成的参考电极对。此后，将给出具体描述。

如图3所示，电极装置21包括发射电极PX1、接收电极PR1、发射电极PXr、接收电极PRr以及电介质基板101和102。发射电极PX1和接收电极PR1构成第一电极对，其中可以在电极之间插入待检测对象(诸如纸张)。发射电极PXr和接收电极PRr构成参考电极对。

具体地，发射电极PX1和PXr布置在电介质基板101的一个主表面上。接收电极PR1和PRr在面对发射电极PX1和PXr的预定距离d处，布置在电介质基板102的、面对电介质基板101布置的主表面上。这里，第一电极对和参考电极对彼此邻近布置，使得电场的影响可以被忽略。电介质基板101和102例如是玻璃环氧树脂基板。

在发射电极PX1和接收电极PR1之间形成静电电容C1。在发射极PXr和接收极PRr之间形成静电电容Crf。

在图3中，在发射电极PX1和接收电极PR1之间形成能够在其中插入待检测对象(诸如纸张)的空间区域。在下文中，将例示待检测对象是纸张(纸)P1的情况。另一方面，在发射电极PXr和接收电极PRr之间可以不插入诸如纸张的待检测对象。

图4是示出纸张P1被插入在电极装置11的电极PX1和PR1之间的情况的示意性截面图。如图4所示，如果纸张的厚度为d1(<d)，则在电极PX1和PR1之间距离为d的空间区域中的与厚度d1相对应的区域中插入介电常数与空气不同的纸张P1来代替空气。因此，电极PX1和PR1之间的静电电容C1的电容值改变。

这里，假设纸张P1的厚度为90μm，纸张P1的介电常数是空气介电常数的两倍，由于在电极PX1和PR1之间插入纸张P1，静电电容C1的电容值的改变相当于电极之间的距离d缩短45μm时静电电容C1的电容值的改变。即，在电极PX1和PR1之间形成的静电电容C1的电容值不限于在纸张P1被插入电极PX1和PR1之间的情况，甚至在电极之间的距离d波动时电容值也改变。

另一方面，当纸张P1被插入电极PX1和PR1之间时，在电极PXr和PRr之间形成的静电电容Crf的电容值不改变，但是当电极之间的距离d改变时，该静电电容Crf的电容值与静电电容C1的电容值一起改变。

因此，通过从静电电容C1的电容值中减去静电电容Crf的电容值并且去除由电极之间的距离d的变化引起的静电电容C1的变化分量，可以获得在电极PX1和PR1之间插入纸张P1引起的静电电容C1的电容值的改变。

因此，根据本实施例的电极装置21包括能够在电极和相应的参考电极对之间插入纸张P1的第一电极对。这里，通过从第一电极值的静电电容C1的电容值中减去参考电极对的静电电容Crf的电容值，可以去除由电极间距离d的变化引起的静电电容C1的变化分量。因此，使用电极装置21的传感器可以通过基于在第一电极对和参考电极对的每一个中产生电场时消耗电流值的差异来计算静电电容C1的改变，来精确地检测纸张P1是否被插入在电极PX1和PR1之间。使用电极装置21的传感器还可以根据检测精度的提高来确定在电极PX1和PR1之间插入的纸张P1的材料。

具有电极装置21的传感器系统SYS2的说明

接着说明具有电极装置21的传感器系统SYS2。图5是示出包括电极装置21的传感器系统(半导体系统)SYS2的示例性配置的图。

如图5所示，传感器系统SYS2包括电极装置21和控制装置(半导体装置)22。控制装置22包括电容检测器23、算术处理单元(CPU)14以及端子TX1、TR1和TRr。电极装置21的发射电极PX1和PXr连接到端子TX1。电极装置21的接收电极PR1连接到端子TR1。电极装置21的接收电极PRr连接到端子TRr。

与电容检测单元13相比，电容检测单元23仅包括缓冲器B1和B2中的缓冲器B1，并且进一步包括开关电路SW3。开关电路SW3选择性地将从开关电路16输出的驱动脉冲DRV输出到端子TR1和TRr中的任一个。

电容检测单元23的其余配置与电容检测单元13相同，因此省略对其的描述。

传感器系统SYS2操作

然后描述传感器系统SYS2的操作。首先，传感器系统SYS2测量在电极装置21中提供的发射电极PX1和接收电极PR1之间产生电场时的电流I1的值(电流值I1c)。此时，缓冲器B1将时钟信号CLK1作为脉冲信号PS1输出到端子TX1。因此，脉冲信号PS1被施加到发射电极PX1。开关电路SW3向端子TR1输出从开关电路16输出的驱动脉冲DRV。因此，驱动脉冲DRV被施加到接收电极PR1。因此，在发射电极PX1和接收电极PR1之间出现电场。

由于纸张P1被插入发射电极PX1和接收电极PR1之间或电极之间的距离d的无意变化而引起的静电电容C1的改变表现为电流I1(I1c)的积分改变。

电流控制振荡电路17输出时钟信号CLK2，其频率对应于与电流I1成比例的电流I2。计数器18对时钟信号CLK2的每预定周期的振荡次数进行计数，并输出计数值NC2。

算术处理单元14基于在发射极PX1和接收极PR1之间产生电场时的计数值NC2来计算此时电流I1的值(即，电流值I1c)。

接下来，传感器系统SYS2测量在电极装置21中提供的发射电极PXr和接收电极PRr之间产生电场时的电流I1的值(电流值I1r)。此时，缓冲器B1将时钟信号CLK1作为脉冲信号PS1输出到端子TX1。因此，脉冲信号PS1被施加到发射电极PXr。开关电路SW3将从开关电路16输出的驱动脉冲DRV输出到端子TRr。因此，驱动脉冲DRV被施加到接收电极PRr。因此，在发射电极PXr和接收电极PRr之间出现电场。

这里，由于电极间距离d的无意变化而引起的静电电容Crf的改变表现为电流I1(I1r)的积分改变。

电流控制振荡电路17输出时钟信号CLK2，其频率对应于与电流I1成比例的电流I2。计数器18对时钟信号CLK2的每预定周期的振荡次数进行计数，并输出计数值NC2。

算术处理单元14基于在发射电极PXr和接收电极PRr之间产生电场时的计数值NC2计算此时电流I1的值(即，电流值I1r)。

此后，算术处理单元14从电流值I1c中减去电流值I1r，以去除由电极间距离d的无意变化引起的电流值的变化分量。根据电流值I1c-I1r的改变，静电电容C1的电容值的改变变得清楚。因此，算术处理单元14可以计算静电电容C1的电容值的改变量，电容值随着纸张P1被插入电极PX1和PR1之间而改变。换言之，算术处理单元14可以基于电流值I1c-I1r的改变量精确地检测纸张P1是否被插入电极PX1和PR1之间。算术处理单元14还可以根据检测精度的提高来确定插入在电极PX1和PR1之间的纸张P1的材料。

因此，根据本实施例的电极装置21包括在电极之间可以插入纸张P1的第一电极对以及对应的参考电极对。接着，传感器系统SYS2基于在第一电极对中产生电场时的消耗电流值I1c与在参考电极对中产生电场时的消耗电流值I1r之间的差来计算静电电容C1的电容值的改变量。因此，传感器系统SYS1可以去除由电极间距离d的无意变化引起的静电电容C1的变化分量，并且因此，可以精确地检测纸张P1是否被插入电极PX1和PR1之间。控制装置12还可以确定在电极PX1和PR1之间插入的纸张P1的材料。

在本实施例中，被施加到发射电极PX1的脉冲信号和被施加到接收电极PR1的驱动脉冲DRV具有相反的相位，但本发明不限于此。被施加到发射电极PX 1的脉冲信号和被施加到接收电极PR1的驱动脉冲DRV可以同相。备选地，可以使用每个反相和同相的电流值I1c之间的差以及每个反相和同相的电流值I1r之间的差来测量静电电容C1的电容值的改变量。因此，消除了电流I1c和I1r中包括的无功电流的波动分量，提高了静电电容C1的电容值改变量的测量精度。

在本实施例中，描述了交替测量第一电极对中产生电场时的消耗电流值I1c和参考电极对中产生电场时的消耗电流值I1r的情况，但本发明不限于此情况。通过单独地提供第一电极对的电流供应路径和参考电极对的电流供应路径，可以并行测量消耗电流值I1c、I1r。

在本实施例中，已经描述了以下情况：控制装置22测量在电极PX1和PR1之间产生电场时的消耗电流值，以及在电极PXr和PRr之间产生电场时的消耗电流值，并根据测量结果计算静电电容C1的电容值的改变量，但该情况并不限于此。例如，控制装置22可以被配置为测量在电极PX1和PR1之间产生电场时的电极间电压，以及在电极PXr和PRr之间产生电场时的电极间电压，并根据测量结果计算静电电容C1的电容值的改变量。

此外，在本实施例中，控制装置22检测纸张P1是否被插入电极装置21的电极PX1和PR1之间，但本发明不限于此。控制装置22还可以检测对电极PX1或电极PR1的接触，接触导致电极装置21的电极PX1和PR1之间距离d的变化。然而，在这种情况下，电极装置21需要被配置成使得电极PXr和电极PRr之间的距离不因对电极PX1或电极PR1的接触而变化。

第二实施例的第一修改

图6是示出电极装置21的第一修改是电极装置21a的示意性截面图。如图6所示，与电极装置21相比，电极装置21a包括参考电极对电极之间的固态电介质层103，而不是空间区域。电极装置21a的其余结构与电极装置21的结构相同，因此省略对其的描述。

电极装置21a可以通过在参考电极对的电极之间提供固态电介质层103来防止纸张P1被插入参考电极对的电极之间。

第二实施例的第二修改

图7是示出电极装置21的第二修改是电极装置21b的示意性截面图。如图7所示，与电极装置21a相比，电极装置21b包括两对参考电极而不是一对参考电极。

第一参考电极对包括对应于电极PXr和PRr的电极PXr a和PRra以及对应于电介质层103的电介质层103a。第二参考电极对包括对应于电极PXr和PRr的电极PXrb和PRrb以及对应于电介质层103的电介质层103b。

第一和第二参考电极对例如被布置为夹着纸张P1被插入的区域。电极装置21b的其余结构与电极装置21的结构相同，因此省略对其的描述。

电极装置21b与电极装置21a同样有效。另外，电极装置21b可以抑制第一电极对电极之间距离变化的偏差以及第一和第二参考电极对电极之间距离变化的偏差。

第三实施例

本实施例描述传感器系统SYS1的应用示例。图8是示出传感器系统SYS1的应用示例的图。在图8中，传感器系统SYS1被应用于复印机M1。在图8中，控制装置22进一步包括机器学习单元19。

机器学习单元19根据例如复印机M1中使用的纸张P1的类型来机器学习从电容检测单元13输出的检测结果中的差异。算术处理单元14指令各种装置根据通过机器学习单元19的学习结果所预测的纸张P1的类型来执行处理。

这里，纸张P1的介电常数根据含水量而改变。因此，当复印机M1中使用的纸张P1的类型被确定时，算术处理单元14可以根据复印机M1中使用的纸张P1的介电常数来估计纸张P1的含水量。例如，算术处理单元14基于估计值对安装在复印机M1上的加热器指令纸张P1的干燥温度和干燥时间。因此，适当地抑制了纸张P1的卷曲现象的发生，从而消除了复印机M1的卡纸等现象。

在本实施例中，传感器系统SYS1被应用于复印机M1，但本发明不限于此。当然，传感器系统SYS2可以被应用于复印机M1。

尽管已经基于该实施例对发明人的发明进行了具体的描述，但是本发明并不限于已经描述的实施例，并且不用说，可以在不脱离本发明主旨的情况下进行各种修改。

例如，在根据半导体装置的上述实施例中，半导体衬底的导电类型(p型或n型)、半导体层、扩散层(扩散区域)等可以被反转。因此，如果n型或p型的导电类型之一是第一导电类型，而另一导电类型是第二导电类型，则第一导电类型可以是p型，第二导电类型可以是n型，或者相反，第一导电类型可以是n型，第二导电类型可以是p型。

上述实施例的一部分或全部可以被描述为以下附加表述，但本发明不限于此。

(附加表述1)一种用于互电容型电容检测的电极装置，包括：

第一电极对，允许布置待检测对象；以及

参考电极对，与第一电极对相对应的提供，

其中第一电极对具有第一发射电极和面对第一发射电极以预定间隔布置的第一接收电极，并且

其中参考电极对包括：

第二发射电极，布置在第一基板上，第一发射电极，布置在基板上；以及

第二接收电极，面对第二发射电极以预定间隔布置在第二基板上，第一发射电极布置在第二基板上。

(附加表述2)根据附加表述1的电极装置，其中在第一电极对中的第一发射电极和第一接收电极之间形成能够在其中插入对象的空间区域。

(附加表述3)根据附加表述2的电极装置，其中基于第一发射电极和第一接收电极之间的电容的计算结果，确定对象是否已被插入在第一发射电极和第一接收电极之间；利用在第一发射电极和第一接收电极之间产生第一电场时的消耗电流值和在第二发射电极和第二接收电极之间产生第二电场时的消耗电流值之间的差来计算电容的计算结果。

(附加表述4)根据附加表述2的装置，其中待检测对象是纸张。

(附加表述5)根据附加表述1的电极装置，其中基于第一发射电极和第一接收电极之间的电容计算结果来确定是否存在导致第一发射电极和第一接收电极之间的距离变化的对该对象接触；利用在第一发射电极和第一接收电极之间产生第一电场时的消耗电流值和在第二发射电极和第二接收电极之间产生第二电场时的消耗电流值之间的差来计算该计算结果。

(附加表述6)根据附加表述1的电极装置，其中参考电极对与第一电极对邻近设置。

(附加表述7)根据附加表述1的电极装置，其中参考电极对进一步包括在第二发射电极和第二接收电极之间形成的固态电介质层。

(附加表述8)根据附加表述7的电极装置，

其中参考电极对包括第一参考电极对和第二参考电极对，并且

其中第一电极对设置在第一参考电极对和第二参考电极对之间。

(附加表述9)一种半导体系统包括：

电极装置；和

半导体装置，

其中电极装置包括：

第一电极对，包括第一发射电极和面对第一发射电极以预定间隔布置的第一接收电极；第一电极对被配置以对待检测对象进行设置；

第一参考电极对，包括：

第二发射电极，布置在第一基板上；第一发射电极，布置在第一基板上，以及

第二接收电极，以预定间隔与第二发射电极相对地布置在第二基板上；第一接收器，布置在第二基板上；

其中半导体装置包括：

脉冲信号输出电路，用于将脉冲信号输出到第一发射电极和第二发射电极中的每一个；

电容检测电路，用于计算第一发射电极和第一接收电极之间电容的改变量；基于当脉冲信号被施加到第一发射电极时在第一接收电极处消耗的电流以及当脉冲信号被施加到第二发射电极时在第二接收电极处消耗的电流来计算电容的改变量，以及

算术处理单元，用于基于电容检测电路的检测结果来确定对象是否被设置在电极装置的第一电极对上。

(附加表述10)根据附加表述9的半导体系统，

其中在第一发射电极和第一接收电极之间形成能够在其中插入对象的空间区域，并且

其中算术处理单元被配置为基于电容检测电路的检测结果来确定对象是否被插入在第一发射电极和第一接收电极之间。

(附加表述11)根据附加表述9的半导体系统，其中算术处理单元被配置成基于电容检测电路的检测结果确定是否存在导致第一发射电极和第一接收电极之间距离变化的对该对象的触摸。

(附加表述12)根据附加表述9的半导体系统，其中，算术处理单元被配置为确定对象是否设置在电极装置的第一电极对上，并且基于对象是否设置在电极装置的第一电极对上的判断来确定针对对象的处理。

(附加表述13)根据附加表述12的半导体系统，进一步包括机器学习单元，用于机器学习电容检测电路的检测结果根据对象类型的差异，其中算术处理单元被配置为根据对象的类型来确定针对对象的处理；由机器学习单元根据学习结果来预测该处理。

(附加表述14)一种用于互电容型电容检测的电极装置，包括：

接收电极；

第一发射电极，以面对接收电极设置；

第二发射电极，与接收电极相对设置，使第一发射电极介于第二发射电极和接收电极之间；以及

在第一发射电极和第二发射电极之间提供电介质基板，以固定第一发射电极和第二发射电极之间的距离和介电常数。

(附加表述15)根据附加表述14的电极装置，其中在第一发射电极和接收电极之间形成能够在其中插入待检测对象的空间区域。

(附加表述16)根据附加表述15的电极装置，

其中基于第一发射电极和接收电极之间电容的计算结果，计算被转换为第一发射电极和接收电极之间距离的值，通过使用在第一发射电极和接收电极之间产生第一电场时的消耗电流值以及在第二发射电极和包括电介质基板的接收电极之间产生第二电场时的消耗电流值来计算电容的计算结果，并且

其中根据被转换为第一发射电极和接收电极之间距离的值的计算结果，确定检测对象是否已被插入在第一发射电极和接收电极之间或具体说明对象的材料。

Claims (20)

1.一种用于互电容型的电容检测的电极装置，包括：

接收电极；

第一发射电极，与所述接收电极相对地设置；

第二发射电极，与所述接收电极相对地设置，使所述第一发射电极介于所述第二发射电极和所述接收电极之间；以及

电介质基板，设置在所述第一发射电极和所述第二发射电极之间，并且被配置为固定所述第一发射电极和所述第二发射电极之间的距离和介电常数。

2.根据权利要求1所述的电极装置，其中在所述第一发射电极和所述接收电极之间形成能够在其中插入待检测对象的空间区域。

3.根据权利要求2所述的电极装置，其中基于所述第一发射电极和所述接收电极之间的电容的计算结果，确定所述待检测对象是否被插入在所述第一发射电极和所述接收电极之间；通过使用在所述第一发射电极和所述接收电极之间产生第一电场时的第一消耗电流值和在所述第二发射电极和所述接收电极之间产生第二电场时的第二消耗电流值来计算所述计算结果。

4.根据权利要求2所述的电极装置，其中所述待检测对象是纸张。

5.根据权利要求1所述的电极装置，其中基于所述电容的计算结果来确定是否存在导致所述第一发射电极和所述接收电极之间距离变化的待检测对象的接触；通过使用在所述第一发射电极和所述接收电极之间产生第一电场时的第一消耗电流值以及在所述第二发射电极和所述接收电极之间产生第二电场时的第二消耗电流值来计算所述计算结果。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述电介质基板是玻璃环氧树脂基板。

7.一种半导体装置，包括：

电极装置，包括：

接收电极；

第一发射电极，面对所述接收电极设置；

第二发射电极，面对所述接收电极设置，使所述第一发射电极介于所述第二发射电极和所述接收电极之间；以及

电介质基板，用于固定所述第一发射电极和所述第二发射电极之间的距离和介电常数，所述电介质基板设置在所述第一发射电极和所述第二发射电极之间，

脉冲信号输出电路，被配置为选择性地将脉冲信号输出到所述第一发射电极和所述第二发射电极中的任何一个，

电容检测电路，其基于在所述脉冲信号被施加到所述第一发射电极时由所述接收电极消耗的第一消耗电流以及在所述脉冲信号仅被施加到所述第二发射电极时由所述接收电极消耗的第二消耗电流来计算所述第一发射电极和所述接收电极之间的电容改变；以及

算术处理单元，其基于所述电容检测电路的检测结果来确定被检测目标是否设置在所述电极装置上。

8.根据权利要求7所述的半导体装置，

其中在所述第一发射电极和所述接收电极之间形成能够在其中插入待检测对象的空间区域；以及

其中所述算术处理单元基于由所述电容检测电路获得的检测结果来确定所述对象是否被插入在所述第一发射电极和所述接收电极之间。

9.根据权利要求7所述的半导体装置，其中所述算术处理单元基于由所述电容检测电路获得的检测结果，确定所述对象是否被触摸，所述对象被触摸导致所述第一发射电极和所述接收电极之间的距离变化。

10.根据权利要求7所述的半导体装置，其中所述脉冲信号输出电路被配置为在将所述脉冲信号输出到所述第二发射电极时将所述第一发射电极设置为高阻抗状态。

11.根据权利要求7所述的半导体装置，其中所述脉冲信号输出电路被配置为在将所述脉冲信号输出到所述第一发射电极时将所述第二发射电极设置为高阻抗状态。

12.根据权利要求7所述的半导体装置，其中所述脉冲信号输出电路被配置为当所述脉冲信号被输出到所述第一发射电极时，除了将所述脉冲信号输出到所述第一发射电极之外，还将所述脉冲信号输出到所述第二发射电极。

13.根据权利要求7所述的半导体装置，

其中所述脉冲信号输出电路被配置为根据第一时钟信号输出所述脉冲信号，

其中所述电容检测电路包括：

恒定电压生成电路，用于生成恒定电压；

开关电路，用于基于所述第一时钟信号在向所述接收电极施加所述恒定电压与将所述接收电极中的累积电荷放电之间进行切换；

电流控制振荡电路，用于在所述恒定电压被施加到所述接收电极时生成第二时钟信号，所述第二时钟信号具有根据从所述恒定电压生成电路流向所述开关电路的电流的频率；以及

计数器，用于对所述第二时钟信号的每个预定周期的振荡次数进行计数，以及

其中所述算术处理单元被配置为基于所述计数器的计数值来确定所述对象是否设置在所述电极装置上。

14.一种半导体系统，包括：

电极装置；和

半导体装置，

其中所述电极装置包括：

接收电极；

第一发射电极，与所述接收电极相对地设置；

第二发射电极，与所述接收电极相对地设置，使所述第一发射电极介于所述第二发射电极和所述接收电极之间；以及

电介质基板，用于固定所述第一发射电极和所述第二发射电极之间的距离和介电常数，其中所述半导体装置包括：

脉冲信号输出电路，用于选择性地将脉冲信号输出到所述第一发射电极和所述第二发射电极中的任何一个；

电容检测电路，用于基于在所述脉冲信号被施加到所述第一发射电极时所述接收电极中消耗的第一消耗电流以及在所述脉冲信号仅被施加到所述第二发射电极时所述接收电极中消耗的第二消耗电流来计算所述第一发射电极和所述接收电极之间的电容改变；以及

算术处理单元，用于基于所述电容检测电路的检测结果来确定待检测对象是否设置在所述电极装置上。

15.根据权利要求14所述的半导体系统，

其中在所述第一发射电极和所述接收电极之间形成能够在其中插入所述待检测对象的空间区域，并且

其中所述处理单元被配置为基于所述电容检测电路的所述检测结果来确定所述对象是否被插入在所述第一发射电极和所述接收电极之间。

16.根据权利要求14所述的半导体系统，其中所述算术处理单元被配置为基于所述电容检测电路的检测结果来确定是否存在导致所述第一发射电极和所述接收电极之间距离变化的对所述对象的接触。

17.根据权利要求14所述的半导体系统，其中所述脉冲信号输出电路被配置为在将所述脉冲信号输出到所述第二发射电极时将所述第一发射电极设置为高阻抗状态。

18.根据权利要求14所述的半导体系统，其中所述脉冲信号输出电路被配置为在将所述脉冲信号输出到所述第一发射电极时将所述第二发射电极设置为高阻抗状态。

19.根据权利要求14所述的半导体装置，其中所述算术处理单元被配置为确定关于所述对象是否设置在所述电极装置上的确定结果，并且基于所述确定结果来确定针对所述对象的处理。

20.根据权利要求19所述的半导体系统，还包括：

机器学习单元，用于根据所述对象的类型机器学习在所述电容检测电路的检测结果中的差异；以及

所述算术处理单元被配置为根据所述对象的所述类型确定针对所述对象的处理；由所述机器学习单元根据学习结果预测所述处理。

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