TW200944803A - Sensing circuit of capacitive sensor and its method using the same - Google Patents

Description

200944803 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 - 本發明係有關於一種電容式感應元件之感測電路及方 法，尤指一種可感測電容式感應元件的電容變化量的感踯 電路及其方法。 ' 【先前技術】 1圖，係為習用技術電容型感應元件之感挪 電路之電路示意圖。如圖所示，感測電路之主要結構包 括有一直流偏壓源（dcbias)ll、一電容式感應元件13、一 高阻抗元件15及一初級放大器17。 直流偏壓源11的正端連接電容式感應元件13的其中 k，其負端連接尚阻抗元件15的其中一端。而電容式截 應兀件13及高阻抗元件15的另一端與該放大器17的輪入 端共連接於一第一節點131。此外，該電容式感應元件^ φ 係為一可變電容的感應元件。 另，初級放大器17，例如：一運算放大器，具有〜言 輸入阻抗，因此，直流偏壓源u所產生的電流丨，將^ 流向高阻抗元件15及初級放大器i7，並且在第一節點 上的電壓將接近於零。 ” 31 而經由運算推導將可得到以下公式·· △Cs=(AVs/Vs)*Cs b因此’由上述公式得知電容式感應元件13的電容 置ACS將與直流偏壓源u的電壓變化量呈現正比的關 200944803 係’並藉由公式的計算即可檢測出電容式感應元件13的電 • 容變化量ACs。 • 習用感測電路10使用直流方式檢測一施加於電容式感 應元件13上的物理量，例如：聲波，並且一般聲波範圍大 約落在100Hz至ΙΟΚΗζ低頻間。若，使用直流方式感測此 低頻聲波，將容易受到低頻雜訊的干擾，而最後將影響到 感測的結果。

【發明内容】 本發明之主要目的，在於提出一種電容式感應元件之 感測電路及其方法，係以回授方式調整其感測狀態，並計 算輸入於電容式感應元件及參考電容元件的感測訊號及參 考訊號之訊號變化量，即可得到電容式感應元件的電容變 化量，進而得知施加於感測電路的物理量變化。 的感測結果 本發月之-人要目的’在於提出一種電容式感應元件之 感測電駭其綠，係錢流料❹m加於電容式感應 元ΐ上的物理量，將可避免低頻雜訊的干擾，以得到精準 為此，本發明提供一稀雷 谷式感應7Μ牛之感測電路， 其主n係⑽有：―電容式感應元件 物理里’並藉此產生電容變化;一參考電容::收:: 電容式感應7L件於—第一節點，並且在 ^ 一輸出訊號；一感應器，連接該 Μ ρ,·、產生有 出訊號’並產生-回授訊號2 ’用以感測該輸 及控制電路，分別連接該 5 200944803 電谷式感應元件、該參考電容元件及該感應器，用以接收 該回，訊號’並藉此以產生一感測訊號及一參考訊號，感 觀號將傳送至該電容式感應元件，而參考訊號則傳送至 該參考電容元件。 士本發明另提供一種電容式感應元件之感測電路，其主 f結構係包括有：一電容式感應元件，可接收一外在物理 置以產生電容變化，並產生一感測電流；一參考電容元 ❹ 件’用以產生—參考電流；一感應器’分別連接該電容式 感f70件及該參考電容元件，以㈣該感測電流及該參考 L ’、並產生一回授訊號；及一控制電路’分別連接該電 感應元件、該參考電容元件及該感應器，用以接收該 回，訊號’並藉此以產生-感測訊號及-參考訊號，感測 $號將傳送至該電容式感應元件，而參考訊號則傳送至該 參考電容元件。 又’本發明提供一種電容式感應元件之感測方法，其 © 主要步驟係包括有：施加一物理量於一電容式感應元件及 參考電容7L件上，以產生一輸出訊號；感測該輸出訊號， 以產生一回授訊號；產生一感測訊號及一參考訊號根據該 回授訊號；輸入該感測訊號至該電容式感應元件，且輸入 該參考訊號至該參考電容元件，藉此以調控該輸出訊號至 二額定值；及計算該感測訊號及該參考訊號的訊號變化 I ’藉此以得到該電容式感應元件的電容變化量。 【實施方式】 200944803 首先，凊參閱第2圖，係為本發明電容式感應元件之 感別電路較佳實施例之電路示意圖。如圖所示電容式 感應70件之感測電路2G之主要結構包括有：-控制電路 21 電谷式感應元件23、一參考電容元件25及一感應器 27。其中電容核應元件23、參考電容元件25及感應器 27連接於一第—節點26 ,而控制電路21分別連接至電容 式感應元件23、參考電容it件25及感應器27。 本發明感測電路2〇係以回授方式調整其感測狀態。當 -物理量P施加於電容式感應^件23時，電容式感應元件 23將產生一感測電流1s ’同時間參考電容元件25也將產 生參考電流Ir ’並且參考電流Ir係為感測電流Is的反 向，而感測電流Is及參考電流Ir間的電流差，將在 第一淹點26產生負載的輸出訊號v〇(t)。此外，電容式感 應兀件23係為一可變電容的電容元件，而參考電容元件25 係為一固定電容值的電容元件。 感應器27可感測第一節點26上的輸出訊號Vo(t)，而 產生一回授訊號271。控制電路21接收回授訊號271，並 根據回授訊號271產生一感測訊號Vs(t)及一參考訊號 νΓ(Ό °該感測訊號Vs(t)及該參考訊號vr(t)皆為交流訊 號’兩者係為頻率相同且大致反相的同步波形’並且兩者 間的相位差及振幅將根據回授訊號271所控制。 控制電路21將感測訊號Vs(t)及參考訊號Vr(t)分別 輸入於電容式感應元件23及參考電容元件25，並且電容式 感應元件23及參考電容元件25所產生的感測電流Is及參 200944803 考電流Ir將根據感測訊號ys(t)及參考訊號Vr(t)的控制 * 量而改變’此外’第一節點26上的輸出訊號V〇(t)也將因 • 此回授控制而達到感測電路20所設定的一預設值。如上所 述’將可得電路公式（1)及（2):

Vs(t)-Vo(t) = Is*l/i0Cs......(1) V〇(t)-Vr(t)=Ir*l/ii2>Cr……（2) 在回授控制條件設定輸出訊號Vo(t) = 0的情況下： % Is=-Ir » i i«)Vs(t)Cs=i ωVr(t)Cr

Vs(t)Cs=Vr(t)Cr ； dVs/dt*Cs+Vs*dCs/dt=dVr/dt*Cr ； ACs=(AVrCr-AVsCs)/Vs……（3) 因此，藉由以上推導可得公式（3)，並可由公式（3)得 知，感測電路20之控制電路21計算輸入於電容式感應元 件23及參考電容元件25的感測訊號AVs及參考訊號 的訊號變化量，即可得到電容式感應元件23的電容變化 Ο 量，進而以得知施加於電容式感應元件23的物理量p的變 化，例如：波形變化、振幅變化或頻率變化。 又，本發明感測電路20可用以選擇感測一聲波、一壓 力及一電能等各種物理量，並可設置於一微機電麥克風、 一壓力計或一配置有電容式感應元件23的電子裝置中。再 者’本發明感測電路2 0係以父流控制方式’馬頻感測施加 於電容式感應元件23上的物理量P，將可避免低頻雜訊的 干擾，而得到更精準的感測結果。 200944803 請參閱第3圖’係為本發明控制電路—較佳實施例之 . 電路示意圖。如圖所示’控制電路21包括有—運算控制器 • 211、一訊號驅動器213及一訊號產生器215。 ° 其中運算控制器211連接於感應器27及訊號驅動器 213間，用以接收感應器27所產生的回授訊號271，並在 接收到回授訊號271日寺’控制訊號驅動器213驅動訊號產 生器215產生作動，並且該運算控制器211具有運算的功 能，藉此將可應用於計算感測訊號AVs及參考訊號△訐的 訊號變化量。 訊號驅動器213連接於運算控制器211及訊號產生器 215間，可根據運算控制器211的控制，而驅動訊號產生器 215產生感測訊號ys(t)及參考訊號vr(t)。 而訊號產生器215連接於訊號驅動器213及電容式感 應兀件23與參考電容元件25間，可根據回授訊號271的 訊號大小’調整控制感測訊號Vs(t)及參考訊號Vr(t)間的 〇 相位差及振幅’藉此感測訊號Vs(t)輸入於電容式感應元件 23及參考訊號vr(t)輸入於參考電容元件25時，將改變電 容式感應元件23及參考電容元件25所產生的感測電流Is 及參考電流Ir間的電流差，進而控制調整第一節點26上 所負载的輸出訊號Vo(t)，以達到本發明感測電路20所設 定的額定值。 請參閱第4圖，係為本發明電容式感應元件之感測電 路另一實施例之電路示意圓。如圖所示，感測電路30之結 構包括有：一控制電路31、一電容式感應元件33、一參考 9 200944803 電容元件35及一感應器37。其中感應器37分別連接電容 • 式感應元件33及參考電容元件35，而控制電路31分別連 - 接至電容式感應元件33、參考電容元件35及感應器37。 本實施例感測電路30之結構雷同於第2圖感測電路 20，其差異點在於，本實施例感應器37未連接第一節點 (26) ’並直接連接該電容式感應元件及該參考電容元件 35，以感測電容式感應元件33及該參考電容元件35所產 ❹ 生的感測電流Is及參考電流Ir，並產生一回授訊號。 控制電路31在接收回授訊號371後，將產生一感測訊 號Vs(t)及一參考訊號Vr(t) ’並輸入於電容式感應元件33 及參考電谷元件35。藉此，電容式感應元件33及參考電容 兀件35所產生的感測電流is及參考電流Ir將根據感測訊 號Vs(t)及參考訊號Vr(t)的控制而進行改變。 而後，本實施例感測電路30之控制電路31計算輸入 於電容式感應元件33及參考電容元件35之感測訊號Vs(t) ❹ 及參考訊號νΓ(ΐ)的訊號變化量，即可得到電容式感應元件 33的電容變化量’也將得知物理量ρ的變化。 、最後，請參閱第5圖，係為本發明電容式感應元件之 感測方法一較佳實施例之步驟流程圖，並配合參閱第2圖。 一 一物理量Ρ施加於一電容式感應元件23及一參考電容 轉25上，以產生—輸出訊號VQ(t)，並且電容式感應元 件23係為—可變電容的電容元件’而參考電容元件25係 為一固定電容值的電容元件，如步驟S31所示。 感應器27感應輸出訊號Vo(t)，以產生一回授訊號 200944803 271，如步驟S33所示。 控制電路21接收回授訊號271後，將根據回授訊號271 產生一感測訊號Vs(t)及一參考訊號Vr(t)，並且感測訊號 Vs(t)及參考訊號Vr(t)係為交流訊號，兩者係為頻率相同 且大致反相的同步波形，此外，回授訊號271將玎進一步 用以調整控制感測訊號Vs(t)及參考訊號Vr(t)間的相位差 及振幅，如步驟S35所示。 控制電路21將感測訊號Vs(t)輸入至電容式感應元件 23及參考訊號Vr(t)輸入至參考電容元件25，以調整控制 輸出訊號Vo(t)達到設定的一額.定值.，並且本發明感測方法 係將額定值設定為零，如步驟S37所示。 最後’感測電路20計算控制電路21輸入於電容式感 應元件23及參考電容元件25的感測訊號Vs(t)及參考訊號 Vr(t)的訊號變化量，藉此即可得到電容式感應元件23的 電谷變化量，進而以得知施加於電容式感應元件23的物理 量P變化’如步驟S39所示。 再者，電容式感應元件23及參考電容元件25根據所 施加的物理量P可產生—感測電流Is及-參考電流Ir，並 根f感測電流is及參考電流Ir間的電流差，即可於一第 節點26上負載產生該輸出訊號， 本發明感測方法可用以選擇感測一聲波、—壓力及一 理量，並且該感測方法可運用於—微機電麥 F土力計或一配置有電容式感應元件的電子裝置 ’本發明制方法係以交餘財式，高頻感測 200944803 施加於fS式錢元件上的解量，财魏低頻雜訊的 干擾，而得到更精準的感測結果。 以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用 來限定本發明倾之_，即絲本發 述之形狀、構造、特徵及精神 μ專·圍所 應包括於本發明之申請專利範圍内、之均等變化與修飾，均

【圖式簡單說明】 應元件之感測電路之電路 第1圖：係為習用技術電容型残 示意圖。 第2圖：係為本發明電容式感應_ 施例之電路示意圖。70件之感測電路一較佳實 第3圖：係為本發明控制電路〜_ 第4圖：係為本發明電容式感應乂佳實施例之電路示意圖。 例之電路示意圖。 元件之感測電路另一實施 第5圖：係為本發明電容式感應_ 、 施例之步驟流程圖。〜凡件之感測方法一較佳實 11 131 17 21 213 直流偏壓源 第一節點 初級放大器 控制電路 訊號驅動器 【主要元件符號說明】 1 〇 感測電路 電容式感應元件 15 高阻抗元件 2〇 感測電路 211 運算控制器 12 200944803 215 訊號產生器 23 25 參考電容元件 26 27 感應器 271 30 感測電路 31 33 電容式感應元件 35 37 感應器 371 電容式感應元件 第一節點 回授訊號 控制電路 參考電容元件 回授訊號

13

Claims (1)

1. 200944803 申請專利範圍： 1 一種電容式感應元件之感測電路，其主要結構係包括 有： 一電容式感應元件，可接收一外在物理量，並藉此產 生電容變化； 一參考電容元件，連接該電容式感應元件於一第一節 點，並且在第一節點上產生有一輸出訊號； ❹ 一感應器，連接該第一節點，用以感測該輸出訊號， 並產生一回授訊號；及 一控制電路，分別連接該電容式感應元件、該參考電 容元件及該感應器，用以接收該回授訊號，並藉此 以產生一感測訊號及一參考訊號，感測訊號將傳送 至該電容式感應元件，而參考訊號則傳送至該參 電容元件。 2 ·如申請專利範圍第i項所述之感測電路，其中該抨 電路包括有： Μι% 一訊號產生器，分別連接該電容式感應元件及該參考 電谷元件，且用以產生該感測訊號及該參考訊號· -訊號驅動H，連接該訊號產生器’用以驅動該^號 產生器；及 〜 運·ττ控制器’連接該感應器及該訊號驅動器 回授訊號，並控制該訊號驅動器驅動該訊: 3 如申請專利範圍第1項所述之感測電路，其中該電容 14 200944803 式感應元件將產生一感測電流，而該參考電容元件則 將產生一參考電流，感測電流及參考電流之間的電流 差將在該第—節點上負載，且藉此產生該輸出訊號。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之感測電路，其中該參考 電容元件具一固定電容值。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之感測電路，其中該感測 訊號及該參考訊號係為交流的同步訊號。 6 ·如申請專利範圍第丄項所述之感測電路，其中該控制 電路將根據該回授訊號以控制該感測訊號及該參考訊 號之間的相位差及振幅。 7 .如申請專利範圍第1項所述之感測電路’其中該第— 節點上的輸出訊號將藉由該感測訊號及該參考訊號的 控制調整以達到一額定值。 8 ·如申請專利範圍第7項所述之感測電路，其中該額定 值為零。 9 .如申請專利範圍第丄項所述之感測電路，其中該電容 式感應元件的電容值將根據該感測訊號的變化而作改 變。 10 ·如申請專利範圍第1項所述之感測電路，其中該感測 電路係以交流方式來感測該物理量。 11 ·如申請專利範圍第1項所述之感測電路，其中該物理 量係為一聲波、一壓力或一電能。 12 ·如申請專利範圍第丄項所述之感測電路，其中該感测 電路係設置於-微機電今克風、一壓力計或一具有電 15 200944803 容式感應7〇件的電子裝置中。 13 .一種電容式感應元件之感測電路，其主要結構係包括 有： /電容式感應元件，可接收一外在物理量，以產生電 容變化’並產生一感測電流； 〆參考電容元件，用以產生一參考電流； 一感應器’分別連接該電容式感應元件及該參考電容 兀件，以感測該感測電流及該參考電流，並產生一 φ 回授訊號；及 一控制電路’分別連接該電容式感應元件、該參考電 容70件及該感應器，用以接收該回授訊號，並藉此 以產生一感測訊號及一參考訊號，感測訊號將傳送 至該電谷式感應元件，而參考訊號則傳送至該參考 電容元件。 14 ·如申請專利範圍第13項所述之感測電路，其中該控制 φ 電路包括有： 一訊號產生器’分別連接該電容式感應元件及該參考 電容元件’且用以產生該感測訊號及該參考訊號； 一訊號驅動器，連接該訊號產生器，用以驅動該訊號 產生器；及 一運算控制器，連接該感應器及該訊號驅動器，用以 接收該回授訊號，並控制該訊號驅動器驅動該訊號 產生器。 15如申凊專利範圍第13項所述之感測電路，其中該參考 16 200944803 電容元件具一固定電容值。 16 ·如申請專利範圍第13項所述之感測電路’其中該感測 訊號及該參考訊號係為交流的同步訊號。 17 ·如申請專利範圍第13項所述之感測電路，其中該控制 電路將根據該回授訊號以控制該感測訊號及該參考訊 號之間的相位差及振幅。 18 ·如申請專利範圍第13項所述之感測電路，其中該物理 董係為一聲波、一壓力或一電能。 Φ 19 ·如申請專利範圍第13項所述之感測電路，其中該感測 電路係設置於一微機電麥克風、一壓力計或一具有電 容式感應元件的電子裝置中。 20 · 一種電容式感應元件之感測方法’其主要步驟係包括 有： 施加一物理量於一電容式感應元件及一參考電容元件 上’以產生一輸出訊號； 感測該輸出訊號，以產生一回授訊號； ❹ 產生一感測訊號及一參考訊號根據該回授訊號； 輸入該感測訊號至該電容式感應元件，且輸入該參考 訊號至該參考電容元件，藉此以調控該輸出訊號至 一額定值；及 計算該感測訊號及該參考訊號的訊號變化量，藉此以 付到該電容式感應元件的電容變化量。 21 .如申請專利範圍第2〇項所述之感測方法，其中該電容 式感應元件及該參考電容元件係根據所施加的該物理 17 200944803 量以產生—感測電流及一參考電流，並根據感測電抓 及，考電流之間的電流差來產生該輸出訊號。 22如，凊專利範圍第20項所述之感測方法，其中該感測 訊號及該參考訊號係為交流式的同步訊號。 23 .如申請專利範圍第2G項所述之感測方法，其中該回授 訊號用以調整控制該感測訊號及該參考訊號之間的相 位差及振幅。 24 ·如申請專利範圍第20項所述之感測方法，其中該額定 值係為零。 25 ·如申請專利範圍第20項所述之感測方法，其中該參考 電容元件具有一固定電容值。 26 .如申請專利範圍第2〇項所述之感測方法，其中該感測 電路係以父流方式來感測該物理量。 27 ·如申請專利範圍第2〇項所述之感測方法，其中該物理 量係為一聲波、一壓力或一電能。 28 .如申請專利範圍第20項所述之感測方法，其中該感測 方法係運用於一微機電麥克風、一壓力計及一配置有 電容式感應元件的電子裴置中。 18