TW201432270A - 電容檢測單元以及獲得可變電容的方法 - Google Patents

電容檢測單元以及獲得可變電容的方法 Download PDF

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Abstract

本發明是有關於一種於施加至檢測系統的交流電壓交替時，基於因施加至連接於檢測系統的感測器電容器及輔助電容器的電壓的差而產生的電荷共用現象，檢測感測器電容的新穎的方式的聯動於交流電源的電容檢測單元及檢測方法。本發明的電容檢測單元是感應因物件18的接近而產生感測器電容CS的檢測單元，其特徵在於包括：感測器14，其與上述物件18之間形成感測器電容器cs；輔助電容器caux，其一側連接於上述感測器14，另一側連接於系統接地端GND1；開關元件10，其管理上述感測器電容器cs及上述輔助電容器caux的充電；及訊號檢測部22，其於連接於外部接地端VG的上述物件18與上述感測器14之間形成上述感測器電容器cs時，與施加至檢測系統20的系統電源的大小變化同步地於上述感測器14形成電壓，並檢測該電壓。根據本發明，於檢測系統檢測到的訊號的感度提高，因此具有穩定地獲得感測器電容的大小或變化量的效果。

Description

電容的檢測裝置、關於交流電源的方法
本發明是有關於一種檢測電容器(capacitor)的大小、即檢測電容(capacitance)的單元及方法，更詳細而言是有關於一種於施加至檢測電容的大小或變化量的檢測系統的交流(Alternating Current，AC)電源的大小發生變化時，施加至被測定電容器的電壓發生變化而發生電荷的充放電，基於與連接於與被測定電容器相同點的輔助電容器相互產生的電荷共用(charge sharing)效應，檢測電容的大小或變化量的單元及檢測方法。
於在兩個導電體之間存在具有介電常數的某種物質時，若對兩個導電體的兩端施加電壓或電流，則形成電容器而產生蓄積電荷的能力即電容，電容的大小與兩個導電體之間的介電體的介電常數、與兩個導電體的對向面積及對向距離具有相關關係。
利用此種原理而製造的商業性電容器有陶瓷(ceramic)電容器、電解電容器、麥拉(Mylar)電容器等各種種類。
此種商用電容器的電容通常具有1pF(Pico Farad，微微法拉)、1nF(Nano Farad，奈法拉)、或1uF(Micro Farad，微 法拉)或其以上的大小，可使用如萬用表(Multi Meter)的計測器而容易地測定電容。
然而，於電容為1pF(Pico Farad，pF)以下的情形時，在使用如萬用表的簡單的計測器進行測定時，因計測器的誤差而無法實現精密的測定，如無法利用計測器進行測定的條件、即如欲測定形成於人的手與電梯(elevator)按鈕(button)之間的電容的大小的情形般亦存在無法利用計測器測定電容的情形。
於此種情形時，可間接地測定電容，圖1是表示關於此種方法的一例。
參照圖1，如形成於人的手與電梯按鈕之間的電容器的情形般不知電容的大小，未充電的電容器c1連接於電容檢測系統的P1點，欲利用圖1的檢測系統得知電容器c1的電容即C1的大小。圖1的訊號檢測部是用以檢測P1點的電壓的檢測部，若於圖1的訊號檢測部檢測出P1點的電壓，則可藉由運算而得知電容器c1的電容即C1的大小。
已知以V1的大小的電壓充電的電容器c2的電容即C2，若接通圖1的開關(switch)SW而電容器c2連接於P1點，則P1點的電位Vp1由以下<公式1>決定。
欲得知的電容器c1的電容C1如以下<公式2>。
若假設於圖1的訊號檢測部檢測到的<公式1>的Vp1的電位為5V，C2為1pF，且V1為10V，則可藉由<公式2>的 運算而得知C1的大小為1pF。因此，若構成如圖1的電容檢測系統，則即便不使用計測器，亦可得知電容的大小。
若於連接兩個物體間的距離變化即位移的檢測系統中，應用如圖1的實施例的檢測電容的系統，則可檢測電容的大小，亦可利用所檢測到的電容檢測位移。
圖2是關於檢測位移的感測器的一實施例，於塑膠(plastic)、玻璃、或虛擬的汽缸(cylinder)內部，兩個活塞(piston)以固定距離對向。參照圖2，於汽缸內部，具有稱為“S”的相同的面積的兩個活塞最初以“d1”的距離對向。於對上端活塞施力，從而上端活塞接近下端活塞而上下端活塞的距離變為“d2”時，可利用圖1所示的檢測系統得知上端活塞所移動的距離即“d1-d2”。
參照圖2，圖2的活塞之間是由介電常數為“ε1”的物質填充，於對向面積為“S”及對向距離為“d”的情形時，如下般定義形成於活塞兩端的電容器c4的電容CVR。
若將已知的最初距離“d1”、已知的對向面積“S”、及已知的介電常數“ε1”代入至<公式3>，則於最初距離為“d1”時，可得知形成於圖2的兩個活塞之間的電容的大小即“CVR1”。又，可藉由圖1的電容檢測系統及<公式1>、<公式2>的運算，抽選由任意的“d2”得出的“CVR2”，若將該“CVR2”代入至<公式3>，則可得知“d2”，因此可藉由“d1-d2”的運算，得知圖2的上端活塞的移動距離。
圖3是關於將圖1所示的電容檢測系統更具體化的電容檢測系統的實施例。參照圖3，由圖2的構成產生的電容器c4的 一側連接於圖3的P2點，c4的另一側連接於構成圖3的系統的接地端(Ground)。c2與c3是形成於圖3的檢測系統中的寄生電容器(Parasitic Capacitor)。例如，c2亦可為以如下之佈局形成者：圖3的訊號檢測部內置於積體電路(Integrated Circuit，IC)，到達開關元件(SW1)與訊號檢測部的輸入端的P2點的配線與IC內部的某個訊號線以微小的間距配線或交叉等；c3亦可為如下者：將形成於構成圖3的訊號檢測部的電路元件的輸入部即閘極(gate)、與系統接地端之間的寄生電容器模型化(Modeling)。此種寄生電容器並無限定，根據檢測系統的構成而以各種方式分佈。
若於圖3的開關SW2處於斷開(off)的狀態下，接通(turn on)開關SW1而對P2點供給稱為“Vchg”的充電電壓，則連接於P2的電容器即c2/c3/c4以“Vchg”充電，電容器c1因開關“SW2”的斷開(off)而處於與P2點斷路的狀態，從而不會受到“Vchg”的影響(小寫c2/c3/c4為電容器，大寫C1/C2/C3/C4為各個電容器的電容)。此後，若接通圖3的開關“SW2”而以“V2”充電的電容器c1連接於“P2”點，則於圖3的訊號檢測部檢測到的電位“Vp2”如以下<公式4>。
於<公式4>中，Vp2已於圖3的訊號檢測部檢測而得知大小，且若全部已知V2、Vchg、及C1/C2/C3的大小，則可藉由運算抽選CVR的大小。又，若將CVR代入至上述<公式3>，則可得知“d2”的大小。因此，若已知“d1”，則可得知圖2的上側活塞的位移量即“d1-d2”。
然而，於具有如上所述的模型化的系統中，在根據圖2 的上側活塞的位移而檢測CVR的變化量的情形時，存在若干問題。
例如，於<公式4>中，在假設C1=C2=C3=10pF、CVR=1pF、Vchg=1V、V2=10V時，Vp2=4.2258V。若因圖2的上側活塞的位移而CVR自1pF朝0.9pF改變0.1pF左右，則於圖3的訊號檢測部檢測到的Vp2為4.2362V，因此於CVR改變0.1pF時，Vp2的變化量僅為4.2362-4.2258=0.0104V即10.4mV。雖未於圖3的訊號檢測部中圖示，但使用有將於訊號檢測部檢測到的電壓即類比(analog)值轉換為數位(digital)的類比數位轉換器(Analog to Digital Converter，ADC)。由於所檢測倒的Vp2為4.2V附近，因此用以檢測Vp2的大小的訊號檢測部的ADC將3.5V~4.5V左右設定為檢測範圍。於假設於檢測部使用10位元(Bit)的ADC時，應利用10Bit的ADC檢測4.5V-3.5V即1V，因此ADC的解析度為“1V/1024bit”而每bit的解析度大致成為1mV左右。藉此，於圖2的位移感測器的訊號變化量為10.4mV的情形時，僅使用了具有1024bit的解析度的10bit的ADC所具有的性能的1%左右。
通常，系統的信噪比(Ratio)即SNR(Signal to Noise Ratio)為1%者相當於較佳的系統，而通常噪音(Noise)不超過訊號的數%。因此，若檢測到的訊號的大小僅為1%左右，則於噪音為數%的情形時，難以區分訊號與噪音，因此檢測到的訊號的可靠性降低。
因此，產生如下問題：於在此種系統檢測到的電容CVR的大小變化微小時，檢測到的訊號不可靠。
本發明是為了解決如上所述的先前的檢測電容的大小的系統的問題而提出者，其目的在於提供一種利用使用於檢測電容的檢測系統的系統電源施加AC電源，於AC電源的大小發生變化時，因施加於被檢測電容器的電壓的變化而與被檢測電容器、及與被檢測電容器連接的電容器產生電荷共用，從而檢測基於電荷共用的電壓的差異而抽選被檢測電容器的電容的大小或電容變化量的檢測單元及檢測方法。
一種檢測單元，其檢測因接近物件(object)18而產生感測器電容CS的情形，且包括：感測器14，其與上述物件18之間形成感測器電容器cs；輔助電容器caux，其一側連接於上述感測器14，另一側連接於系統接地端GND1，開關元件10，其管理上述感測器電容器cs及上述輔助電容器caux的充電；及訊號檢測部22，其於在連接於外部接地端VG的上述物件18與上述感測器14之間形成上述感測器電容器cs時，與施加至檢測系統20的系統電源的大小變化同步地於上述感測器14形成電壓，並檢測該電壓。
根據一實施例，上述系統電源由正(Positive)系統電源Vsupply與上述系統接地端GND1構成，上述正系統電源Vsupply是以上述系統接地端GND1為基準的直流(direct current)電壓。
根據另一實施例，上述正系統電源Vsupply與上述系統接地端GND1為同相(Same Phase)，且為以大地接地端為基準而交替的AC電壓。
根據又一實施例，於上述AC電壓的大小發生變化的反 曲點，包含DC區域。
根據又一實施例，於上述DC區域內對感測器14及與感測器14連接的電容器進行充電，或者將於檢測系統20中運算的結果輸出至外部。
根據又一實施例，於將檢測系統20的運算結果輸出至外部時，系統接地端(GDN1)與外部接地端相互連接。
根據又一實施例，基於施加至上述檢測系統的系統電源的大小變化而於上述感測器14檢測到的電壓的大小是基於輔助電容器caux與感測器電容器cs的電荷共用現象而改變。
根據又一實施例，於產生上述電荷共用現象時，上述輔助電容器caux供給上述感測器電容器cs所需的電荷、或充入感測器電容器釋放的電荷。
根據又一實施例，上述輔助電容器caux為存儲電容器(storage capacitor)cst。
根據又一實施例，上述存儲電容器cst形成於檢測系統20的內部。
根據又一實施例，上述輔助電容器caux為雜散電容器cp。
根據又一實施例，上述雜散電容器為自上述訊號檢測部22的輸入端觀察到的所有雜散電容器的等效電容器。
根據又一實施例，上述外部接地端VG不受系統電源的大小變化的影響。
根據又一實施例，上述外部接地端VG為大地接地端。
根據又一實施例，上述外部接地端VG為DC電壓。
根據又一實施例，上述外部接地端VG為不受施加至系統的AC電壓的影響的AC電壓。
根據又一實施例，上述訊號檢測部22的輸入端的電壓的大小與施加至上述檢測系統20的系統電源的大小變化同步地改變。
根據又一實施例，上述訊號檢測部22基於在未形成感測器電容器cs時施加至檢測系統20的系統電源，於感測器14檢測電壓，於物件與感測器14對向而附加感測器電容器cs時，檢測感測器14中的電壓，利用檢測到的兩個電壓的差(Difference)，抽選物件18與感測器14的對向距離或對向面積。
根據又一實施例，以充電電壓Vchg對上述感測器14進行充電，於未形成上述感測器電容器cs時，在訊號檢測部22檢測到的電壓由以下<公式1>決定，於上述物件18接近感測器14而附加感測器電容器cs時，以充電電壓Vchg對上述感測器14進行充電，於訊號檢測部22檢測到的電壓由以下<公式2>決定，上述電壓的差(Difference)是因<公式1>與<公式2>的差而產生。
<公式1>VP=Vsupply+Vchg
(其中，Vp為於感測器14檢測到的電壓的大小，Vsupply為系統電源交替的電壓的大小，Vchg為以大地接地端為基準的充電電壓，CAUX為輔助電容器caux的電容，CS為產生於感測器14與物件18之間的感應電容器cs的電容)
根據又一實施例，於上述物件18為多個時，在形成於 多個物件與多個感測器14之間的多個感測器電容CSn附加於訊號檢測部22的輸入端時，於以充電電壓Vchg對上述感測器進行充電後，在訊號檢測部22檢測到的電壓由以下<公式3>決定。
(其中，Vp為於感測器14檢測到的電壓的大小，Vsupply為系統電源進行交替的電壓的大小，Vchg為以大地接地端為基準的充電電壓，CAUX為輔助電容器caux的電容，CS為產生於感測器14與物件18之間的感應電容器cs的電容，n為感測器電容器的個數)
根據又一實施例，基於藉由一個或多個靜態物件及一個動態物件18而於訊號檢測部22檢測到的電壓Vp的按照時差(Time difference)產生的差異，抽選形成於動態物件與對向的感測器14之間的感應電容CS的按照時差(Time difference)產生的電容變化量。
根據又一實施例，於檢測感測器14的電壓時，上述訊號檢測部22的輸入端處於至少1MΩ以上的高阻抗(high impedance)狀態。
根據又一實施例，上述訊號檢測部22包含ADC。
根據又一實施例，連接於上述訊號檢測部22的輸入端的所有電容器的電容位於“擺動未達要素”的分母。
根據又一實施例，連接於上述訊號檢測部22的輸入端的所有電容器中的另一側連接於上述系統接地端GND1的固定電容器的電容位於“擺動未達要素”的分母。
根據又一實施例，連接於上述訊號檢測部22的輸入端 的所有電容器中的另一側連接於上述外部接地端VG的可變電容器的電容位於“擺動未達要素”的分子。
根據又一實施例，上述固定電容器是即便施加至上述檢測系統20的系統電源的大小發生變化，亦保持初始電荷量。
根據又一實施例，上述可變電容器是若施加至上述檢測系統20的系統電源以外部接地端電位為基準而變大，則蓄積更多的電荷，若施加至上述檢測系統20的系統電源以外部接地端電位為基準而變小，則釋放已蓄積的電荷。
根據又一實施例，上述固定電容器是於上述可變電容器可蓄積更多的電荷時，供給上述電荷，於上述可變電容器釋放蓄積電荷時，儲存該電荷。
根據又一實施例，施加至上述檢測系統20的系統電源的大小變化是與檢測系統20的上升(Up)或下降(Down)訊號同步地實現。
根據又一實施例，於構成連接於一個感測器訊號線16的一個感測器14的兩個面，與彼此不同的物件18對向而形成有感測器電容CS。
一種檢測方法，其感應因物件18的接近而產生的感測器電容CS的情形，且包含如下步驟：(a)連接於外部接地端VG的上述物件18與感測器14對向，附加形成於其之間的感測器電容器cs的步驟；(b)對一側與感測器14共通連接，另一側連接於系統接地端VG的輔助電容器caux施加充電電壓Vchg的步驟；及(c)對連接有上述感測器14的檢測系統20施加交替的系統電源，訊號檢測部22於上述感測器14檢測電壓而檢測感測器電容 器的大小或大小變化量的步驟。
根據一實施例，上述系統電源由正(Positive)系統電源Vsupply與上述系統接地端GND1構成，上述正系統電源Vsupply為以上述系統接地端GND1為基準的DC電壓。
根據另一實施例，上述正系統電源Vsupply與上述系統接地端GND1為同相(Same Phase)，且為以大地接地端為基準而進行交替的AC電壓。
根據又一實施例，於上述AC電壓的大小發生變化的反曲點，包含DC區域。
根據又一實施例，於上述DC區域內對感測器14及與感測器14連接的電容器進行充電，或者將於檢測系統20中運算的結果輸出至外部。
根據又一實施例，於將檢測系統20的運算結果輸出至外部時，系統接地端(GDN1)與外部接地端相互連接。
根據又一實施例，基於施加至上述檢測系統的系統電源的大小變化而於上述感測器14檢測到的電壓的大小基於輔助電容器caux與感測器電容器cs的電荷共用現象發生變化。
根據又一實施例，於發生上述電荷共用現象時，上述輔助電容器caux供給上述感測器電容器cs所需的電荷、或充入上述感測器電容器釋放的電荷。
根據又一實施例，上述輔助電容器caux為存儲電容器cst。
根據又一實施例，上述存儲電容器cst形成於檢測系統20的內部。
根據又一實施例，上述輔助電容器caux為雜散電容器cp。
根據又一實施例，上述雜散電容器為自上述訊號檢測部22的輸入端觀察到的所有雜散電容器的等效電容器。
根據又一實施例，上述外部接地端VG不受系統電源的大小變化的影響。
根據又一實施例，上述外部接地端VG為大地接地端。
根據又一實施例，上述外部接地端VG為DC電壓。
根據又一實施例，上述外部接地端VG為不受施加至系統的AC電壓的影響的AC電壓。
根據又一實施例，上述訊號檢測部22的輸入端的電壓的大小與施加至上述檢測系統20的系統電源的大小變化同步地發生變化。
根據又一實施例，上述訊號檢測部22於未形成感測器電容器cs時，基於施加至檢測系統20的系統電源而於感測器14檢測電壓，於物件與感測器14對向而附加感測器電容器cs時，檢測感測器14中的電壓，利用檢測到的兩個電壓的差(Difference)，抽選物件18與感測器14的對向距離或對向面積。
根據又一實施例，以充電電壓Vchg對上述感測器14進行充電，於未形成上述感測器電容器cs時，在訊號檢測部22檢測到的電壓由以下<公式4>決定，於上述物件18接近感測器14而附加感測器電容器cs時，以充電電壓Vchg對上述感測器14進行充電，於訊號檢測部22檢測到的電壓由以下<公式5>決定，上述電壓的差(Difference)是因<公式4>與<公式5>的差而 產生。
<公式4>VP=Vsupply+Vchg
(其中，Vp為於由感測器14檢測到的電壓的大小，Vsupply為系統電源交替的電壓的大小，Vchg為以大地接地端為基準的充電電壓，CAUX為輔助電容器caux的電容，CS為產生於感測器14與物件18之間的感應電容器cs的電容)
根據又一實施例，於上述物件18為多個時，在形成於多個物件與多個感測器14之間的多個感測器電容CSn附加於訊號檢測部22的輸入端時，於以充電電壓Vchg對上述感測器進行充電後，在訊號檢測部22檢測到的電壓由以下<公式6>決定。
(其中，Vp為於感測器14檢測到的電壓的大小，Vsupply為系統電源交替的電壓的大小，Vchg為以大地接地端為基準的充電電壓，CAUX為輔助電容器caux的電容，CS為產生於感測器14與物件18之間的感應電容器cs的電容，n為感測器電容器的個數)
根據又一實施例，基於藉由一個或多個靜態物件及一個動態物件18而於訊號檢測部22檢測到的電壓Vp的按照時差(Time difference)產生的差異，抽選形成於動態物件與對向的感測器14之間的感應電容CS的按照時差(Time difference)產生的電容變化量。
根據又一實施例，於檢測感測器14的電壓時，上述訊號檢測部22的輸入端處於至少1MΩ以上的高阻抗狀態。
根據又一實施例，上述訊號檢測部22包含ADC。
根據又一實施例，連接於上述訊號檢測部22的輸入端的所有電容器的電容位於“擺動未達要素”的分母。
根據又一實施例，連接於上述訊號檢測部22的輸入端的所有電容器中的另一側連接於上述系統接地端GND1的固定電容器的電容位於“擺動未達要素”的分母。
根據又一實施例，連接於上述訊號檢測部22的輸入端 的所有電容器中的另一側連接於上述外部接地端VG的可變電容器的電容位於“擺動未達要素”的分子。
根據又一實施例，上述固定電容器是即便施加至上述檢測系統20的系統電源的大小發生變化，亦保持初始電荷量。
根據又一實施例，上述可變電容器是若施加至上述檢測系統20的系統電源以外部接地端電位為基準而變大，則蓄積更多的電荷，若施加至上述檢測系統20的系統電源以外部接地端電位為基準而變小，則釋放已蓄積的電荷。
根據又一實施例，上述固定電容器是於上述可變電容器可蓄積更多的電荷時，供給上述電荷，於上述可變電容器釋放蓄積電荷時，儲存該電荷。
根據又一實施例，施加於上述檢測系統20的系統電源的大小變化與檢測系統20的上升(Up)或下降(Down)訊號同步地實現。
根據又一實施例，於構成連接於一個感測器訊號線16的一個感測器14的兩個面，與不同的物件18對向而形成有感測器電容CS。
根據一方面，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元包含：固定電容器，其具有固定的電容(fixed capacitance)； 可變電容器，其產生根據與外部物件(object)的對向距離或對向面積而變化的可變電容(variation capacitance)；及 訊號檢測部，其與施加至上述固定電容器的交流電壓同步化(synchronize)而檢測因於上述固定電容器與上述可變電容器之間流動的電荷引起的電壓變化。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元更包含開關元件，其用於以DC電壓對上述固定電容器進行充電、或為了於充電後保存所充電的電荷而保持浮動狀態，上述訊號檢測部是基於檢測到的上述電壓變化，獲得上述可變電容器的可變電容。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元的特徵在於更包含感測器，其感應上述電壓變化，上述可變電容器形成於與上述物件接觸的導電體與上述感測器之間。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元的特徵在於，基於在上述訊號檢測部獲得的上述可變電容器的可變電容，獲得上述物件與上述導電體之間的間隔、或上述物件與上述導電體接觸的面積。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元中，上述固定電容器具有對於藉由與上述訊號檢測部的連接而產生的雜散電容器(parasitic capacitor)的電容(capacitance)、與儲存上 述電荷的存儲(storage)電容器的電容的等效電容(equivalent capacitance)。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元的特徵在於更包含：第1接地端(ground)；及第2接地端(ground)；且上述固定電容器與上述第1接地端接地，上述可變電容器與上述第2接地端接地。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元中，上述第1接地端與上述交流電壓為相同的頻率、同相(in-phase)，且保持固定大小的振幅差(amplitude difference)，藉此若以上述第1接地端為基準，則對上述固定電容器施加DC電壓。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元中，上述第2接地端為DC電壓為零(zero)的大地接地端或固定大小的DC電壓。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元的特徵在於，於輸出上述訊號檢測部的結果時，上述第1接地端與上述第2接地端相互連接，上述交流電壓保持固定大小的DC電壓。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元的特徵在於，上述第1接地端及上述交流電壓於第1持續期間(duration)內具有第1頻率，於與上述第1持續期間不同的第2持續期間內具有與上述第1頻率不同的第2頻率，上述第1頻率與上述第2頻率交替。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元的特 徵在於更包含感測器，其包含對向的兩個感測面，連接於一個感測器訊號線而感應上述電壓變化， 藉由與上述各感測面接觸的兩個不同的物件，產生兩個可變電容器。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元的特徵在於更包含多個感測器，其感應上述電壓變化， 藉由施加至上述多個感測器的多個物件，產生多個可變電容器。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元中，上述訊號檢測部感應未產生上述可變電容時的上述感測器或上述多個感測器中的各個感測器的第1電壓、與產生藉由所施加的上述物件而產生的上述可變電容時的上述感測器或上述多個感測器中的各個感測器的第2電壓，基於上述第1電壓與上述第2電壓的差異(voltage difference)，獲得上述可變電容或上述多個可變電容。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元的特徵在於，上述第1電壓為固定大小的DC電壓即第1充電電壓(第1Vchg)與上述交流電壓的和，上述第2電壓為上述第1電壓與上述電荷於上述固定電容器與上述可變電容器之間完成流動後的藉由上述感測器檢測到的電壓的差。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元的特徵在於更包含大地接地端，其為固定大小的DC電壓，若上述交流電壓以上述大地接地端為基準而變大，則上述可變電容器蓄積自上述固定電容器接收的電荷，若上述交流電壓以 上述大地接地端為基準而變小，則上述固定電容器蓄積自上述可變電容器接收的電荷。
較佳為，本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元的特徵在於，上述訊號檢測部的輸入端具有至少1MΩ以上的高阻抗。
根據一方面，聯動於AC電壓的電容檢測方法是於系統中獲得上述可變電容者，該系統包含感應電壓變化的感測器、具有固定的電容的固定電容器、及產生根據與外部物件的對向距離或對向面積而變化的可變電容的可變電容器，且上述聯動於AC電壓的電容檢測方法包含如下步驟：DC電壓充電步驟，其是以DC電壓即充電電壓對上述感測器及上述固定電容器進行充電；交流電壓施加步驟，其是對上述固定電容器施加交流電壓；訊號檢測步驟，其是與上述交流電壓同步化而藉由訊號檢測部檢測因於上述固定電容器與上述可變電容器之間流動的電荷引起的電壓變化；及可變電容獲得步驟，其是基於上述電壓變化，獲得上述可變電容。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法的特徵在於，於與上述物件接觸的導電體與上述感測器之間形成上述可變電容。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法於上述DC電壓充電步驟與上述交流電壓施加步驟之間更包含：為了保持保存充電於上述感測器及上述固定電容器的電荷的浮動狀態，斷開開關元件的步驟；及 基於上述可變電容，獲得上述物件與上述導電體之間的間隔或上述物件與上述導電體接觸的面積的步驟。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法中，上述固定電容器具有對於藉由與上述訊號檢測部的連接而產生的雜散電容器(parasitic capacitor)的電容(capacitance)、與儲存上述電荷的存儲(storage)電容器的電容的等效電容(equivalent capacitance)。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法的特徵在於更包含如下步驟：第1接地端接地步驟，其是使上述固定電容器與第1接地端接地；及第2接地端接地步驟，其是使上述可變電容器與第2接地端接地。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法中，上述第1接地端與上述交流電壓為相同的頻率、同相(in-phase)，且保持固定大小的振幅差(amplitude difference)，藉此若以上述第1接地端為基準，則對上述固定電容器施加DC(direct current)電壓。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法的特徵在於，上述第2接地端為DC電壓為零(zero)的大地接地端或固定大小的DC電壓。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法的特徵在於，於輸出上述訊號檢測部的結果時，上述第1接地端與上述第2接地端相互連接，上述交流電壓保持固定大小的DC電壓。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法的特徵在於，上述第1接地端及上述交流電壓於第1持續期間(duration)內具 有第1頻率，於與上述第1持續期間不同的第2持續期間內具有與上述第1頻率不同的第2頻率，上述第1頻率與上述第2頻率交替。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法更包含使不同的兩個物件與上述感測器的對向的兩個感測面的各者接觸而產生兩個可變電容器的步驟。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法中，上述感測器為多個，且更包含藉由與上述多個感測器接觸的多個物件，產生多個可變電容器的步驟。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法中，上述訊號檢測部藉感應於未產生上述可變電容時的上述感測器或上述多個感測器中的各個感測器的第1電壓、與產生藉由所施加的上述物件產生的上述可變電容時的上述感測器或上述多個感測器中的各個感測器的第2電壓，基於上述第1電壓與上述第2電壓的差異(voltage difference)，獲得上述可變電容或上述多個可變電容。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法的特徵在於，上述第1電壓為上述充電電壓與上述交流電壓的和，上述第2電壓為上述第1電壓與上述電荷於上述固定電容器與上述可變電容器之間完成流動後的藉由上述感測器檢測到的電壓的差。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法的特徵在於更包含與固定大小的DC電壓即大地接地端接地的步驟，若上述交流電壓以上述大地接地端為基準而變大，則上述可變電容器蓄積自上述固定電容器接收的電荷，若上述交流電壓以上述大地接地端為基準而變小，上述固定電容器蓄積自上述可變 電容器接收的電荷。
較佳為，聯動於AC電壓的電容檢測方法的特徵在於，上述訊號檢測部的輸入端具有至少1MΩ以上的高阻抗。
根據本發明的聯動於AC電源的電容檢測單元及檢測方法，具有如下效果：於施加至電容檢測系統的系統電源的大小發生變化時，施加至欲檢測電容的大小或變化量的被檢測電容器的電壓的大小發生變化而蓄積於被檢測電容器的電荷量發生變化，從而可利用隨著電荷量的變化而於在檢測部檢測到的電壓中產生差異的現象，檢測電容的大小或電容變化量。
10‧‧‧開關元件
10-1‧‧‧輸入端子
10-2‧‧‧輸出端子
10-3‧‧‧接通/斷開控制端子
12‧‧‧高阻抗輸入元件
14‧‧‧感測器
15‧‧‧緩衝器
15‧‧‧輸入端
16‧‧‧感測器訊號線
18、18-1、18-2‧‧‧物件
20‧‧‧檢測系統
22‧‧‧訊號檢測部
C、C1、C2、C3、CVR‧‧‧電容
c1、c2、c3、c4‧‧‧電容器
caux‧‧‧輔助電容器
CAUX‧‧‧輔助電容
cp‧‧‧雜散電容器
CPR‧‧‧雜散電容器值
cs、cs1、cs2‧‧‧感測器電容器
CS‧‧‧感測器電容
cst‧‧‧存儲電容器
CST‧‧‧存儲電容器值
d‧‧‧對向距離
d1、d2‧‧‧距離
GND‧‧‧接地端
GND1‧‧‧系統接地端
S‧‧‧對向面積
SW、SW1、SW2‧‧‧開關
t1、t2‧‧‧時點
Vchg‧‧‧充電電壓
Vf‧‧‧電壓
VG、VG1、VG2‧‧‧外部接地端
Vsupply‧‧‧系統電源
圖1是關於間接地測定電容的現有實施例的圖。
圖2是關於檢測位移的感測器的實施例。
圖3是將圖1所示的電容檢測系統更具體化的實施例。
圖4是由兩個活塞構成的位移感測器的實施例。
圖5是表示本發明的電容檢測系統的基本結構的電路圖。
圖6是檢測本發明的感測器電容的電路的一實施例。
圖7是關於大小與相位規則性地交替的交流電壓的圖。
圖8是關於大小與相位不規則性地交替的交流電壓的圖。
圖9(a)、圖9(b)是多個物件使用於本發明的電容檢測系統的實施例。
圖10是可檢測多個感測器電容的檢測系統的電路圖。
以下，參照隨附圖式及實施例，詳細地對本發明的較佳的實施例進行說明。
首先，本發明是有關於一種聯動於AC電源的電容的檢測單元及檢測方法，更具體而言是有關於一種於構成電容器的兩個導電體間的距離發生變化、或因兩個導電體間的對向面積發生變化而電容器的電容發生變化時，容易地檢測該情形的單元及方法。
本發明檢測形成於手指或類似於此的具有電特性的導電體(以下稱為物件)與感測器之間的電容。此處，“非接觸輸入”是指於物件(Object)與感測器間隔固定距離的狀態下形成電容。物件可接觸至覆蓋感測器的基板的外表面。然而，於該情形時，物件與感測器亦保持非接觸狀態。因此，物件對感測器的接觸能夠以“接近”的用於表達。另一方面，對於覆蓋感測器的基板的外表面，可為接觸有物件的狀態，因此於本說明書中，通用“接近”與“接觸”。
又，於以下說明的如“~部”的構成是執行某種作用的構成要素，如由緩衝器(Buffer)構成的訊號輸入部般執行單位作用、或指如軟體(software)、或如場可程式化閘陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)的硬體構成要素。又，“~部”可包含於更大的構成要素或“~部”、或包含更小的構成要素及“~部”。又，“~部”亦可本身具有單獨的中央 處理單元(Central Processing Unit，CPU)。
於以下的圖式中，為了明確表現多個層及區域，擴大表示厚度或區域。於說明書全文中，對類似的部分使用相同的圖式符號。於說明為層、區域等部分位於其他部分“上”或“上面”時，該情形不僅包含位於其他部分的“正上方”的情形，而且亦包含於其中間存在另一部分的情形。與此相反，於說明為某個部分位於其他部分的“正上方”時，意味著於其中間不存在其他部分。
又，本說明書中記載的“訊號”於無特別說明，統稱電壓或電流。
又，於本說明書中，“電容(Capacitance)”具有可蓄積電荷的能力，“電容器(Capacitor)”是指具有電容的元件(Element)。於本說明書中，電容器以英文小寫表示，電容以英文大寫表示。例如，c1/C1是指稱為c1的電容器的電容為C1。
本發明的開關元件例如可為繼電器(Relay)、金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor，MOS)開關、雙極接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)、場效電晶體(Field Effect Transistor，FET)、金氧半場效應電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、絕緣閘極雙極型電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、薄膜電晶體(Thin Film Transistor，TFT)、運算放大器(Operational AMPlifier，OPAMP)，亦可藉由該等之間的同種間或異種間的結合而形成。開關元件可無關輸入輸出端子的個數，使用輸入輸出藉由可接通/斷開輸入輸出的單元而接通/斷開的所有元件。
另一方面，作為開關元件的一例，互補金氧半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)開關藉由P型金氧半導體(P-channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS)與N型金氧半導體(N-channel Metal Oxide Semiconductor NMOS)的相互組合而形成，且輸入輸出端子相互連接，但單獨存在接通/斷開控制端子，從而一同連接於相同的控制訊號、或單獨地連接於單獨的控制訊號而決定接通/斷開狀態。繼電器(Relay)是若對控制端子施加電流，則無損耗地輸出施加於輸入端子的電壓或電流的元件，BJT是如下元件：若於將高於基極(Base)的臨限電壓(Threshold voltage)的電壓施加至基極的狀態下，向基極端子流入電流，則按照固定量增大的電流自集極(Collector)流向射極(Emitter)。又，TFT作為使用於構成液晶顯示裝置(Liquid Crystal Display，LCD)或主動陣列有機發光二極體(Active Matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED)等的顯示裝置的畫素部的開關元件，由控制端子即閘極(Gate)端子、輸入端子即源極(Source)端子、及輸出端子即汲極(Drain)端子構成，且為如下元件：若對閘極端子施加較施加於汲極端子的電壓高出臨限電壓以上的電壓，則實現導通，並且包含於施加於閘極端子的電壓的大小內的電流自輸入端子流向輸出端子。
又，於本說明書中，所謂“施加(forcing)訊號(signal)”是指，已保持某種狀態的訊號的位準(Level)改變、或於目前的浮動(Floating)狀態下連接於某個訊號。例如，所謂向開關元件的接通/斷開控制端子施加訊號亦指現有的低(Low)位準電壓變成高(Hi)位準電壓，且亦指為了接通/斷開開關元件，對無任何 訊號而成為浮動的狀態的開關元件的接通/斷開控制端子施加某種電壓。
又，本發明檢測形成於感測器與導電體之間的電容的大小或電容的變化量，電容的大小或電容以相同的含義使用。又，將用以檢測電容的大小或電容的變化量的電容器統稱為“被檢測電容器”。
本說明書中所使用的檢測系統可為積體電路即IC或各種電路零件於印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)上相互連接的“電路物”、或可為IC的一部分或“電路物”的一部分。例如，所謂對檢測系統施加AC電源是指，對IC整體或電路物整體施加電源、或僅對IC的一部分或電路物的一部分施加AC電源。
又，於本說明書中，大地接地端(Ground)或絕對接地端(Ground)為大地電位即零(zero)V，大地接地端、絕對接地端、及大地電位以相同的含義使用。
對檢測系統供給以檢測系統本身具有的接地端電位為基準的電源，將檢測系統的接地端與電源統稱為系統電源。又，系統電源分為正(Positive)系統電源及系統接地端而使用，正系統電源為以系統接地端為基準而供給至檢測系統的電壓。
又，若未於本說明書中特別提及，則所有電壓或電位均以大地電位為基準而決定大小。例如，於將正系統電源設為20V時，意味著以大地電位為基準而大小為20V，於正系統電源以系統接地端為基準而設為5V時，意味著正系統電源與系統接地端的電位差為5V。
又，於本說明書中，電壓(Voltage)與電位(Potential) 以等同的含義使用，將具有特定大小的電壓表示為電位。
又，供給至檢測系統的系統電源為內部電源。因此，非內部電源的所有電源稱為外部電源或外部電位。大地接地端亦為外部電位。
施加至本發明的檢測系統的AC電壓可利用電池而製作。電池的接地端為浮動(floating)接地端，因此若電池的接地端不與大地接地端相互連接，則由電池製作的本發明的AC電壓無法以大地電位為基準而定義絕對大小。因此，於為了提及利用如電池的浮動接地端產生的AC電壓的絕對大小而以大地電位為基準時，假設大地電位與如電池的接地端的浮動接地端接地。
又，於本說明書中，P點的電位、與於感測器14檢測到的電位、於訊號檢測部22檢測到的電位、或於緩衝器15的輸入端檢測到的電位均為相同含義。
又，於本說明書中，作為表示電壓的大小的符號(symbol)的Vsupply或VG亦用作表示電壓的大小或特定電壓的符號。例如，Vsupply為表示正系統電源的符號，用作表示20V的交替電壓的電壓的大小。
於對本發明的具體實施例進行說明前，參照由兩個活塞構成的位移感測器的實施例即圖4，簡單地對在本發明中檢測電容的原理進行說明。圖4是由玻璃或塑膠製作、或於虛擬的主體(Body)內部由兩個對向的活塞構成的汽缸。於實際使用例中，活塞的形狀並無限制，呈各種幾何形狀。例如，活塞由圓形、矩形、或各種多邊形構成。對向的活塞亦可呈彼此相同的幾何形狀，亦可呈彼此不同的幾何形狀。就該方面而言，支撐兩個活塞的主體 為虛擬的主體，汽缸上側的活塞或下側的活塞可藉由自外部施加的力、或藉由本身的能量而改變位置或改變對向面積。
於兩個活塞之間，填充有具有特定的介電常數的物質。例如，空氣的介電常數為1，玻璃具有5或6左右的介電常數。又，可分別對兩個活塞施加特定的電壓。於圖4的實施例中，對上端的活塞施加Vf的電壓，對下端的活塞施加0(zero)V。
如圖4的實施例，試圖利用由兩個活塞構成且形成於兩個活塞之間的電容的變化而檢測兩個活塞的位移是本發明的優異的實施例。或是，使人的手指接近電梯的按鈕，檢測形成於按鈕與人的手指之間的電容器的電容而測定手指與按鈕之間的距離，從而基於此驅動電梯的電梯系統亦為本發明的又一實施例。
參照本發明的實施例即圖4，兩個導電體以對向面積“S”與對向距離“d”相面對，於兩個導電體之間填充有介電常數為“ε”的介電體。如圖4的右側等效電路及公式所示，於兩個導電體之間形成有電容器，所形成的電容器具有於圖4的右側公式定義的電容C。
若對具有電容“C”的兩個導電體供給電壓或電流，則於電容器蓄積藉由V=Q/C的關係式得出的電荷。此處，V為施加至電容器的電壓的大小，C為所產生的電容，Q為蓄積於電容器的電荷量。
參照“V=Q/C”的公式，因施加至電容器的電壓的變化而蓄積於具有相同的電容的電容器的電荷量發生變化，或即便施加至電容器的電壓相同，若電容的大小發生變化，則亦於儲存於電容器的電荷量中產生差異。
若將此種原理應用至圖4，則如下。於圖4的相互對向的活塞的距離保持為固定時，若施加至活塞的一側的電壓Vf的大小變大，則蓄積於形成於對向的活塞之間的電容器的電荷量變多，若上端的活塞移動而兩個活塞的距離變窄，則於圖4中檢測到的電容變大，因此因相同的施加電壓Vf而蓄積於活塞之間的電荷量變多。
此時，於與被施加Vf的電壓的活塞對向的活塞，連接用以移動電流的接地端。接地端為0(zero)V的電位、如1V或100V的DC電壓、或大小及相位發生變化的AC電壓。
圖5是表示本發明的電容檢測系統的基本結構的電路圖。參照圖5，具有由開關元件10、感測器14、感測器訊號線16、存儲電容器cst、雜散電容器cp、及高(Hi)阻抗輸入元件12構成的基本結構。
開關元件10於對開關接通/斷開控制端子10-3施加高(Hi)電壓即Von時接通(Turn on)，向開關輸出端子10-2輸出連接於開關輸入端子10-1的充電電壓Vchg，以固定時間向感測器14及與其連接的所有電容器施加充電電壓而以“Vchg”的大小對該等電容器進行充電。若完成充電，則向開關接通/斷開控制端子10-3施加低(Low)Voff電壓而使開關元件10接通(Turn off)，藉此去除向連接於P點的電容器充電的充電電壓Vchg而P點保持充電電壓。於自開關元件10到達連接於P點的電容器的路徑、及至高阻抗輸入元件12的路徑，存在固定大小的電阻成分，藉此發生充電時間的延遲，但於本說明書中，假設不存在無電阻成分。
於本發明中，為了檢測P點的電位，應使用高阻抗輸入 元件12。高阻抗(Hi Impedance，以下稱為Hi-z)輸入元件12使用緩衝器(Buffer)、運算放大器(OPAMP)、或MOS/FET等的Gate端子。於以下的說明書中，Hi-z輸入元件12混用作緩衝器15。緩衝器15或Hi-z輸入元件12作為構成訊號檢測部22的要素，應表示於圖6的訊號檢測部22的內部，但於圖6中，為了強調為Hi-z輸入，分開表示訊號檢測部22與緩衝器15。
若於以充電電壓Vchg對P點進行充電後，開關元件10斷開，則開始連接於圖5的P點的電容器的放電，為了將放電最小化，較理想的是連接於P點的開關元件10及緩衝器15為Hi-z狀態。Hi-z狀態的輸入元件的阻抗至少為1MΩ以上。又，於P點檢測到的開關元件10的斷開狀態阻抗亦至少為1MΩ以上。
藉由下文將述的電荷共用現象，訊號檢測部22檢測P點的電壓而運算形成於感測器14與物件18之間的電容，於運算中或運算完成後，再次以Vchg對P點進行充電，重複基於電荷共用現象的檢測P點的電壓的流程。
cst作為存儲(Storage)電容器，發揮向圖5的感測器電容器cs供給電荷或充入感測器電容器cs釋放的電荷的作用。存儲電容器cst可設置於下文將述的檢測系統20的內部、或附著於檢測系統的外部。
cp作為雜散電容器(Parasitic Capacitor)，是自圖5的P點觀察到的所有雜散電容器的總和即等效電容器。例如，雖未圖示，但亦於開關元件10的輸出端子10-2與開關接通/斷開(on/off)控制端子10-3之間存在雜散電容器，且亦於Hi-z輸入元件12的輸入端存在雜散電容器。又，於使用多個感測器14的情形時，若 多個感測器訊號線16以相互鄰接的方式配線，則亦與該等感測器14之間存在寄生電容器。
於檢測系統20中必需cst，因此可於檢測系統20的內部形成cst，或亦可利用自然形成的cp而執行存儲電容器的作用。參照圖5的cst或cp，相同地連接於P點，且連接於相同的接地端。因此，根據簡單的電路知識，cst與cp可由一個等效電路構成，以後將該cst與cp表示為輔助電容器caux及輔助電容CAUX。輔助電容器caux發揮如下作用：於下文將述的電荷共用現象中，向下文將述的可變電容器供給電荷、或蓄積可變電容器釋放的電荷。
cs作為以感測器14與物件18及其之間的介電體為媒介而形成的感測器電容器，具有“CS”大小的電容。物件18能夠以觸碰電梯的按鍵的手指為例，每個人的手指的大小不同，且隨著時間的推移而於對向面積與對向距離中發生變化，因此感測器電容的大小具有隨時變化的特徵。
於本發明中，於物件18中，並非系統電源的外部電源用作接地端，外部電源如圖4的連接於下側汽缸的接地端般直接連接於物件18，可如站立於地面的人與大地電位虛擬地連接般虛擬地與物件18連接。於本發明中，以接地端連接於物件18的外部電源亦稱為外部接地端，表示為虛擬接地端(Virtual Ground，以下稱為VG)。
虛擬接地端VG為大地接地端、或以大地接地端為基準的DC電壓或AC電壓。例如，於人以一隻手握持三波長螢光燈並以另一隻手按壓電梯的按鈕時，VG成為自三波長螢光燈輸出的交 流電壓。虛擬接地端VG亦可使用如電池的接地端的浮動接地端。於使用浮動接地端時，檢測系統的所有電壓的大小均以浮動接地端為基準而定義。於本說明書中，大地接地端包含浮動接地端，亦以相同的含義使用。
圖6是檢測本發明的感測器電容的電路的一實施例，若利用圖6對檢測感測器電容器cs的電容CS的方法進行說明，則如下。圖6的以橢圓包圍的部分為檢測系統20。檢測系統20包含訊號檢測部22，可產生系統電源即AC電壓、包含CPU。系統電源可於檢測系統20產生，亦可自外部供給。
於檢測系統20中，將為了檢測感測器電容器cs的感測器電容CS而使用的AC電源稱為系統電源或系統電壓，系統電源由正系統電源即Vsupply與系統接地端GND1構成。
正系統電源即Vsupply以系統接地端即GND1為基準為DC電壓。例如，Vsupply以GND1為基準為3.3V的DC電壓。
雖然Vsupply以GND1為基準為3.3V的DC電壓，但Vsupply以大地接地端為基準為大小與相位發生變化的AC電壓。例如，Vsupply能夠以大地接地端為基準，按照特定週期上升10V或下降10V。或者，可於某個時點按照15V上升或下降、或於某個時點按照20V上升或下降。於本說明書中，將系統電源按照特定的電壓上升或下降的情形稱為交替(Swing)。
又，用作系統電壓的交流電壓作為一實施例，亦可如自10uS上升或下降10V、或自20uS上升或下降10V般改變相位。
Vsuppy與GND1為相互保持固定大小的電壓差的DC電壓，並且為Vsupply以大地接地端為基準而大小與相位發生變化 的AC電壓，因此GND1如Vsupply般亦為以大地接地端為基準而大小與相位發生變化的AC電壓。
使用於檢測系統20的系統電源是以大地接地端為基準而為AC電源，但以GND1為基準而為DC電壓，因此作為用以運算檢測系統20的訊號檢測部22的電壓，可使用系統電源。
為了將於訊號檢測部22運算的某個值輸出至外部，較佳為系統接地端GND1與接收訊號的外部結構體的接地端相互連接。此時，施加於訊號檢測部22的AC電壓較佳為保持不會交替的DC直流電壓的波形。該情形出現於圖8的t1時點或t2時點，AC電壓於交替的反曲點包含於特定期間內保持固定大小的DC區域。包含於AC電壓的DC區域為於確保下文將述的充電時間、或將訊號檢測部的訊號傳輸至外部中所需的區域。例如，為了於圖8的區域1的t2時點，在訊號檢測部22完成某種運算而將其輸出至未圖示的外部，25V的GND1可與大地接地端或包含檢測系統20的上級系統的接地端連接，上級系統亦可具有使用DC電池(battery)的浮動(Floating)接地端。
以訊號檢測部22為基準而所謂外部是指，包含訊號檢測部22的IC或包含訊號檢測部22的PCB的外部，另一方面，可為於IC的內部或PCB的內部去除訊號檢測部22的其他區域。例如，於在IC的內部，訊號檢測部22與驅動圖4的活塞的驅動部存在於其他區域，驅動部的接地端與使用於訊號檢測部22的系統接地端GND1不同時，存在於相同的IC內的驅動部亦可表示為外部。
圖6的輔助電容器caux為存儲電容器cst與雜散電容器 cp的等效電容器。又，感測器電容器cs為形成於圖5的感測器14與物件18之間的電容器，且電容的大小為CS。
感測器14可連接於感測器訊號線16而遠離檢測系統20。又，於使用多個檢測系統20時，多個感測器14能夠以間隔特定距離的方式配置，此時若與感測器14連接的感測器訊號線16相互鄰接，則於感測器訊號線16之間產生雜散電容器cp，雜散電容包含於圖6的輔助電容CAUX。
於本發明中，對除物件18外的開關元件10、緩衝器15、或訊號檢測部22部等檢測系統20施加系統電源。系統電源由正系統電壓即“Vsupply”與系統接地端即“GND1”構成，Vsupply對於GND1為DC，但對於大地接地端為交流。例如，Vsupply與GND1為相互保持5V的電位差的DC電壓。然而，如下文將述的圖7或圖8的實施例，系統電壓對於大地接地端為AC。
檢測系統20可由積體電路(Integrated Circuit，以下稱為IC)實現、或由安裝於PCB的電路實現，實現的方法由不受限定的各種零件的組合構成。若檢測系統20僅使用IC或PCB的一部分區域，則交流電壓僅可供給至IC或PCB的一部分區域即檢測系統20。或者，亦可根據電路構成而供給至IC的整個區域或PCB的整體電路。
系統電源即AC電壓為大小(Amplitude)與相位(Phase)規則性地(Regular)交替的電壓、或大小與相位不規則性地(Non Regular)變動的電壓。若利用圖7與圖8對交流電壓進行說明，則如下。
圖7是關於大小與相位規則性地交替的交流電壓的圖， 圖8是關於大小與相位不規則的交流電壓的圖。首先，若利用圖7對具有規則的大小與相位的交流電壓的情形進行說明，則如下。
圖7是以大地電位為基準，最大(Max)電壓為30V且最小(Min)電壓為10V而交替電壓的大小(Amplitude)為20V的AC電壓。因此，Vsupply以大地電位為基準而交替20V。系統接地端即GND1與Vsupply保持5V。因此，系統接地端即GND1亦為以大地電位為基準，Max電壓為25V且Min電壓為5V而按照20V的大小交替的AC電源。藉此，系統電源Vsuppy以大地電位為基準而為AC電壓，但以GND1為基準(即，於將GND1作為接地端時)而DC電壓為5V。又，AC電壓的週期為60Hz而相位(Phase)亦規則。
如圖7，以大地電位為基準而其大小與相位規則的AC電壓可作為系統電壓而施加，但大小與相位不規則的AC電壓可作為系統電源而施加，圖8是關於該情形的一實施例。
參照圖8，以系統接地端GND1為基準而正系統電源Vsupply的大小為5V，因此以GND1為基準而Vsupply為DC電壓。圖8的區域1的AC電壓的變動幅為20V，區域2的AC電壓的變動幅為15V，區域3的AC電壓的變動幅或大小為25V。區域1的AC電壓的上升週期與下降週期相同，區域2的AC電壓的上升週期與下降週期不同，該情形為於上升時無時間的延遲而上升，於下降時按照特定的週期下降的情形。區域3的AC電壓為於上升及下降時，進行垂直上升及垂直下降的情形的實施例。如上所述，大小與相位不規則的AC電壓可用作系統電源。
於實際使用例中，較佳為如區域1至區域3所示的各種 AC電壓不會混用作系統電源，且使用一個圖案(pattern)。然而，可按照事先程式化(program)的順序(Sequence)依次使用幾種圖案。
如圖8的實施例的系統電源的構成並不規則，但為於以大地電位為基準時，其大小發生變化的電壓，因此於本發明中，此種電壓亦定義為AC電壓(或交流電壓)，此種不規則的AC波形具有可任意地決定週期、或上升圖案或下降圖案的傾斜度的優點。
圖8的交替電壓可於所期望的時點實現電壓的上升或電壓的下降。對於事先程式化的系統電源的上升及下降的圖案是與自檢測系統20提供的上升(UP)或下降(Down)訊號同步地產生。
於物件18為人的手指，且以手指按壓電梯的按鈕時，可將成人的身體與大地電位接地的情形模型化，因此於此種情形時，圖6的VG為0(zero)V而大小不變。然而，系統電源為以大地電位為基準而其大小交替的交流電壓，因此於系統電源的大小發生變化時，圖6的P點的電位與系統電源同步地交替。由於P點的電位交替，因此藉由感測器訊號線16而施加至感測器14的電源亦為與P點相同地交替的電壓。
於物件18的接地端為大小不變的0V的大地電位的情形時，在施加至感測器14的系統電源的大小發生變化時，施加至形成於物件18與感測器14之間的感測器電容器cs的電壓的大小亦與系統電源同步地發生變化。
若施加至具有相同的電容的電容器的電壓發生變化，則於藉由Q=CV的公式而充電的電荷量中產生差異。若如上所述般 於施加至感測器電容器cs的電壓中產生差異，則可利用產生充電於感測器電容器的電荷量的差異的現象，檢測感測器電容器的電容，於以下敍述詳細方法。
施加於物件18的外部電位VG大部分為大地接地端的情形較多，該情形為絕對大小為0(zero)V且為DC的情形。又，可連接包含檢測系統的上級系統的接地端，上級系統的接地端可為DC battery的浮動接地端。外部接地端於某種情形時，可為DC且具有高於或低於系統電源的電壓。於圖7中，在VG=50V的情形時，高於系統電源，於VG=0的情形時，低於系統電源。AC電源可對物件18用作接地端VG，AC電壓直接連接於物件18，或者如物件18與三波長螢光燈鄰接而受到電磁影響的情形般AC電壓可間接地施加至物件18。於AC電源用作物件的接地端的情形時，不與施加至檢測系統20的AC電源具有關聯性。以後提及的AC電源為施加至檢測系統20的AC電源。
於系統電源為AC電壓時，對圖6的緩衝器15施加系統電源即AC電壓，應對開關元件10的on/off控制端子或輸入端子10-1施加考慮到系統電源的適當的電壓，為了施加此種電壓，於系統電源即AC電壓中需要DC區間。
作為一實施例，AC電源於區分圖8的區域1至區域3的上升與下降、或下降與上升的反曲點具有DC區間。
於AC電源的DC區間，對與感測器14共通連接的所有電容器進行充電。又，於AC電源的DC區間，實現訊號檢測部22或檢測系統20的運算、或向外部輸出某種訊號或接收外部的訊號。與訊號檢測部22或檢測系統20收發訊號的外部結構體為CPU 或與訊號的輸入輸出相關的電路元件。外部結構體的接地端可與檢測系統的接地端相同或不同。
於外部結構體的接地端與檢測系統20的接地端不同的情形時，較佳為於將外部結構體的接地端與檢測系統20的接地端相互連接的狀態下，進行檢測系統20與外部結構體的訊號的輸入輸出。
用以檢測本發明的感測器電容CS的AC電壓可於上升或下降的所有區域內檢測感測器電容CS，為了使用下降區域，AC電壓應預先完成上升，為了使用上升區域，AC電壓應預先完成下降。
利用Vchg對圖6的P點進行的充電較佳為於AC電壓的DC區間實現，但亦可於為了實現AC電壓的下降而預先上升的區間、或為了實現AC電壓的上升而預先下降的區間實現充電。
於對於本發明的一實施例的圖6的電路中，P點的電位由以下<公式5>決定。
於上述<公式5>中，Vp為輸入至緩衝器15的P點的電位，Vsupply作為正系統電壓交替的電壓的大小而於圖7的情形時為20V，圖8的區域1為20V，圖8的區域2為15V。Vchg為以大地接地端為基準的充電電壓，CAUX為存儲電容器cst或雜散電容器cp的等效電容器的電容。CS為產生於感測器14與物件18之間的感應電容器cs的電容。
於<公式5>中，在正系統電源Vsupply上升的情形時，Vsupply為正值，於正系統電源Vsupply下降的情形時，Vsupply 為負值。例如，圖6的Vchg為6V，若以6V對圖6的P點進行充電後，開關元件10斷開而P點成為Hi-z，則因Vsupply上升10V而於通常的情形時，僅<公式5>的VP=(Vsupply+Vchg)項發揮作用而P點的電壓變成16V。然而，於本發明中，若假設追加的為0.1，則<公式5>的Vp為15V，該情形意味著應上升為16V的P點僅上升至15V。如下所述，未上升的1V由稱為“擺動未達要素”的項(Term)決定，若已知CAUX，則可檢測CS，或可檢測隨著時間的推移產生的CS的變化量。
另一方面，於<公式5>中，在系統電源下降的情形時，Vsupply的大小應使用-10V。作為一實施例，Vchg為16V，若於P點保持充電及Hi-z狀態的狀態下，系統電源下降10V，則通常圖6的P點變成6V。然而，若假設為0.1，則<公式5>的Vp如下。
VP=(16V-10V)-(-10V)×0.1=7V。其意味著P點應為6V，但僅下降1V，1V由感測器電容的大小決定，因此可藉此得知感測器電容的大小。
參照圖7或圖8的關於系統電壓的波形，由於正系統電壓Vsuuply與系統接地端GND1相互保持固定的DC電壓，因此以大地接地端為基準的系統接地端GND1亦與正系統電壓Vsupply交替的交替電壓的大小相同。因此，<公式5>可如以下<公式6>般表示。
於以下說明書中，由於包含於公式的Vsupply具有與GND1相同的交替大小，因此<公式>的Vsupply與GND1可按照 相同的含義使用，但將Vsupply作為代表來使用。因此，雖於公式中使用了Vsupply，但可由GND1取代而使用。
若於圖5中不存在物件18，則不會於感測器14與物件18之間形成感測器電容器cs，且由於CS為0(zero)，因此<公式6>可如以下<公式7>般表示。
<公式7>VP=Vsupply+Vchg
<公式5>為於存在物件18時，在訊號檢測部22檢測到的P點的電位，<公式7>為於不存在物件18時，在訊號檢測部22檢測到的P點的電位，因此可基於自<公式7>減去<公式5>的值，判斷物件18是否接近感測器。
本發明亦可如上所述般判別是否存在接近感測器14的物件18，但亦可檢測物件18與感測器14的對向距離的變化或對向面積的變化。
作為檢測物件18與感測器14的對向距離的變化或對向面積的變化的一實施例，若引用圖4的公式，則當發生物件18與感測器14的對向距離或對向面積的變化時，形成於感測器14與物件18之間的電容的大小發生變化。因此，若將於感測器14與物件18具有特定的對向距離或對向面積時檢測到的P點的電位稱為Vp1，且將因感測器14與物件18的對向距離或對向面積的變化產生的P點的電位稱為Vp2，則可根據自<公式5>檢測到的Vp1與Vp2的差(difference)，檢測物件18與感測器14的對向距離的變化或對向面積的變化。
參照<公式5>的項，可如下般進行整理。
(整理1)連接於P點的所有電容器的電容位於分母。
(整理2)未連接於系統接地端GND1的電容器的電容位於分子。
(整理3)連接於系統接地端GND1的電容器的電容位於分母。
如上所述，CAUX為一側連接於圖6的P點，另一側連接於系統接地端GND1的多個電容的等效電路，因此CAUX雖看似一個電容，但實際上由多個電容器的電容構成。又，於基於圖6的<公式5>中，接地端連接於外部電源的電容器為一個，但於其他實施例中，可存在多個。
感測器電容器cs的感測器電容CS可於系統電源即AC電源上升或下降的所有情形時實現檢測，關於基於AC電源的上升或下降的感測器電容CS的檢測的詳細實施例如下。
*系統電源上升的情形時的實施例
作為於系統電源上升的情形時，檢測感測器電容的一實施例，若對在應用圖6的檢測系統20中，將圖8的AC電源用作系統電源的情形進行說明，則如下。於圖8的區域1前的t1，對檢測系統20的P點進行充電，若假設充電電壓即Vchg為6V、CAUX=20pF、CS=1pF，則於Vsupply自Min向Max交替(Swing)20V時，Vsupply的值變大，因此<公式5>的Vsupply=+20V。於交替完成後，在P點檢測到的電壓的大小如下。
若假設於<計算式1>中不存在感測器電容CS，則Vp的大小成為26V。該情形意味著若檢測系統使以6V進行充電的P點上升20V，則成為26V。然而，若假設存在CS且其大小為1 pF，則成為較26V小0.9524V的含義。於本說明書中，可檢測此種未達電壓而得知是否存在感測器電容器，即可得知如於手指與電梯按鈕的實施例中所示般手指是否已按壓按鈕。又，可檢測此種未達電壓的大小變化而檢測感測器14與物件18按照多大的對向距離對向、或對向面積為多少，若跟蹤此種值的變化量，則可檢測對向距離的變化或對向面積的變化。參照圖4的公式，若物件18與感測器14的對向距離或對向面積發生變化，則電容發生變化，因此若對向距離與對向面積同時發生變化，則無法確認電容因何而發生變化。因此，實際上較佳為於對向距離為固定的情形時，檢測對向面積的變化，或檢測對向面積固定地構成系統且對向距離發生變化的情形時的對向距離的大小或變化量。
*系統電源下降的情形時的實施例
利用圖6的檢測系統及圖8的AC電源，於系統電源下降的情形時檢測電容的方法如下。首先，對圖6的P點進行充電。於圖8的區域1的DC區域即t2時點，以大地電位為基準而GND1的電壓的大小為25V。因此，於圖8的區域1的t2時點，以GND1為基準而對圖6的P點將充入1V的Vchg、與以大地接地端為基準而充入26V的Vchg為相同的含義。圖6的P點由26V的Vchg充電，若假設CAUX為20pF、CS=1pF，則如圖8的區域1的後半部的實施例，於Vsupply自Max向Min下降20V時，Vsupply為-20V。因此，根據<公式5>，於系統電源下降20V後，在P點檢測到的電壓的大小如下。
參照<計算式2>，意味著以26V充電的P點應因系統 電源下降20V而成為6V，但因感測器電容器cs而小0.9524V。參照該值，表示如下情形：對於<公式5>的相同的參數(Parameter)，於系統電源上升或下降的情形情形時，小於目標值的值相同。
於圖6或<公式5>中，將連接於外部接地端的物件18為一個的情形列舉為例，但某些系統存在多個物件18，且各物件18連接於大小相同或不同的外部接地端。於本說明書中，將多個外部接地端表示為VG1與VG2，且VG1與VG2均包含大小相同或不同的情形。
圖9是於本發明的電容檢測系統20中，使用有多個物件的情形的實施例，圖9a是固定有兩個物件18-1、18-2，且感測器14移動的情形，且是藉由感測器14的移動而使d1與d2均發生變化的情形。d1為感測器14與物件1(18-1)的對向距離，d2為感測器14與物件2(18-2)的對向距離。假設感測器14與各物件18-1、18-2的對向面積相同。於感測器14，與感測器訊號線16一同構成有可使感測器14運動的物體，因感測器訊號線16的移動而於感測器14與物件18-1、18-2之間產生位移。外部接地端1(VG1)藉由彈簧線(Spring wire)而連接於物件1(18-1)，外部接地端2(VG2)藉由彈簧線而連接於物件2(18-2)。感測器電容器1(cs1)按照電容CS1的大小形成於感測器14與物件1(18-1)之間，且亦於感測器14與物件2(18-2)之間形成有cs2/CS2。隨著感測器14運動而CS1及CS2的大小發生變化。
圖9b是感測器14及物件2(18-2)固定，但因物件18-1的移動而物件1(18-1)與感測器14之間的距離發生變化的情形 時的實施例。參照圖9b，於可使物件1(18-1)運動的物體，一同連接有與物件1(18-1)連接的外部接地端1(VG1)。於物件2(18-2)，連接有外部接地端2(VG2)。於如圖9b的實施例中，感測器14及物件2(18-2)固定，因此該等之間的距離d2固定，且形成於該等之間的電容即CS2的大小亦固定。然而，於感測器14的另一側，具有與物件1一同形成的電容CS1，因物件1(18-1)的移動而形成於該燈之間的電容即CS1的大小發生變化。
圖9a與圖9b雖對兩個物件的情形進行了說明，但可實現包含更多的感測器14及與該感測器對向而形成電容器的更多的物件的系統。於本說明書中，雖僅以具有兩個物件的情形為例，但亦可對於其以上的物件應用本發明的原理。
圖10是可檢測多個感測器電容的檢測系統的電路圖。參照圖10，具有與兩個感測器14對向的兩個物件18-1、18-2，兩個感測器14為一個感測器的兩面或不同的感測器。於對檢測兩個感測器電容CS1、CS2的檢測系統20供給以Vsupply的大小交替的AC電源時，在P點檢測到的訊號如下。
於上述<公式8>中，Vp為輸入至緩衝器15的P點的電位，Vsupply為系統電壓交替的電壓的大小，Vchg為以大地接地端為基準的充電電壓。CAUX為存儲電容器cst或雜散電容器cp的等效電容器的電容、或cs及cp的等效電容器的電容。CS為產生於感測器14與物件18之間的感測器電容器cs的電容，CS1為形成於感測器14與物件1(18-1)之間的電容，CS2為形成於感測器14與物件2(18-2)之間的電容。
於上述<公式8>中，如圖9a，於d1及d2一同變更的情形時，難以單獨地運算d1與d2。然而，如圖9b，於d2固定的情形時，僅產生CS1的變化量，因此可基於CS1而檢測d1的大小、物件1(18-1)與感測器14的對向面積的大小、或對向面積的大小變化。
於檢測多個感測器電容的情形時，亦相同地應用(整理1)至(整理3)。
<公式8>為相對於兩個物件18-1、18-2而於P點檢測到的訊號的公式，但於連接於外部接地端的物件為兩個以上的情形時，若將於圖10的P點檢測到的訊號的公式一般化，則如以下<公式9>。
於上述<公式9>中，Vp為輸入至緩衝器15的P點的電位，Vsupply為系統電壓交替的電壓的大小，Vchg為以大地接地端為基準的充電電壓。CAUX為存儲電容器cst或雜散電容器cp的等效電容器的電容。CS為於產生於感測器14與物件18之間的感測器電容器cs的電容，CS1為形成於感測器14與物件1(18-1)之間的電容，CS2為形成於感測器14與物件2(18-2)之間的電容。又，n為連接於外部接地端而與感測器14對向的多個物件的個數，如於為一個時為1、為兩個時為2、為三個時為3般與物件的個數成正比。n為1時的<公式9>為<公式5>，於n為2時，<公式9>為<公式8>。
對於多個物件18，亦相同地應用(整理1)至(整理3)。
於在檢測系統20使用多個感測器電容器cs的情形時， 可為一個感測器14與多個物件對向，亦可為一個感測器與一個物件對向。
參照<公式9>與(整理1)至(整理3)，因多個物件18產生的多個感測器電容CSn共通連接於檢測系統20的訊號檢測部22。於多個感測器電容器csn，連接有外部接地端VG，因此多個感測器電容器csn作為可變電容器而進行動作，且與固定電容器誘發電荷共用的情形如上所述。然而，若於構成多個感測器電容器csn的多個物件與多個感測器14發生位移或發生對向面積的變化，則無法得知於哪個物件18與感測器14之間發生對向面積或對向距離的變化。因此，只有於僅與構成多個感測器電容器csn的多個物件18中的一個物件對向的感測器18之間發生位移或對向面積的變化，才可得知誘發感測器電容CS的變化的物件。
若將多個物件中的誘發感測器電容CS的變化的物件定義為動態物件(Dynamic Object)，將不會誘發變化的物件定義為靜態物件(Static Object)，則藉由動態物件而發生感測器電容的變化，因此可於<公式9>檢測到Vp發生變化，但靜態物件不會誘發<公式9>的感測器電容CS的變化，因此不會發生於<公式9>定義的Vp的變化。
本發明可利用此種原理，於由多個可變電容構成的檢測系統中，抽選因一個動態物件發生的可變電容的變化量。
參照<公式9>，將於任意時點，藉由動態物件及可變物件檢測到的Vp儲存於未圖示的檢測系統的記憶體(memory)，若於在經過固定時間後再次檢測Vp後，對已檢測而儲存於記憶體的Vp與之後的Vp的差異進行分析，則可得知因動態物件誘發大 小變化的感測器電容CS的大小變化。
若假設物件與感測器的距離固定，則當將感測器電容的大小變化量代入至圖4的公式時，可抽選動態物件與感測器的面積變化量，因此可執行因動態物件與感測器的面積變化量引起的二次動作、例如如改變電梯的移動速度的關聯動作。
無法藉由利用<公式9>的一次訊號檢測而檢測到形成於<公式9>的多個物件18與感測器14之間的多個電容CSn，更佳的方法為於除一個感測器電容外的剩餘感測器電容為固定的狀態下，檢測電容不固定的一個感測器電容。
另一方面，若將<公式9>的項(term)定義為“擺動未達要素”，則可得知擺動未達要素與系統電源交替的大小成正比，且亦與感測器電容CS的大小成正比。參照<計算式1>或<計算式2>，“擺動未達要素”為決定於系統電源交替時，在感測器14交替的電壓無法以與系統電源的變化量相同的大小交替的值的因素。
“擺動未達要素”是基於共通連接於圖6或圖10的P點即訊號檢測部22的電容器相互間的電荷共用現象而產生，本發明的電荷共用現象可如下般進行整理。
(整理4)共通連接於相同的檢測系統20的訊號檢測部22的輸入端15的電容器蓄積有特定的電荷量。為此，輸入端15以Vchg充電，將因Vchg而各電容器蓄積的電荷量定義為初始電荷量。
(整理5)於整理4的電容器的一部分，連接有外部接地端。將連接於外部接地端的電容器稱為“可變電容器”。感測器 電容器cs為可變電容器。
(整理6)於整理4的電容器的一部分，連接有系統接地端GND1。將連接於系統接地端的電容器稱為“固定電容器”。輔助電容器caux為固定電容器。
(整理7)由於系統電源為AC電源，因此於系統電源發揮上升或下降的交替作用時，施加至(整理5)的可變電容器的電壓與系統電源同步而改變大小。根據Q=CV的原理，因施加至具有相同的電容的電容器的電壓的變化，而於電容器所蓄積的電荷量中產生差異，因此若施加至可變電容器的電壓變大，則蓄積較初始電荷量更多的電荷，若施加至可變電容器的電壓變低，則釋放所蓄積的電荷，因此蓄積少於初始電荷量的電荷。
(整理8)固定電容器連接於系統接地端，因此即便因系統電源的交替，P點同步而按照相同的大小交替，因交替的系統接地端的影響而施加至固定電容器的電壓的大小亦不會發生變化。因此，固定電容器的初始電荷量是即便發生系統電壓的交替，亦繼續保持。
(整理9)自可變電容器釋放的電荷分配蓄積至固定電容器，根據Q=CV的原理，固定電容器的電壓上升。
(整理10)於可變電容器可蓄積更多的電荷時，固定電容器向變動電容器釋放電荷，根據Q=CV的原理，固定電容器的電壓下降。
(整理11)以系統接地端GND1為基準的P點的電壓由施加於固定電容器的電壓的大小決定，因此根據(整理9)及(整理10)，以系統接地端為基準的P點的電壓的大小發生變化。
(整理12)若以系統接地端GND1為基準而檢測到(整理11)的電壓的大小變化，則可得知變動電容的大小或大小變化。
若基於如上所述的整理，引用圖8及圖10對因系統電源的交替而發生電荷共用現象的實施例進行說明，則如下。於以下說明中，引用了圖9b的實施例，藉此一個感測器14與兩個物件對向。由於物件2(18-2)與感測器14固定，因此CS2的大小亦不會發生變化。又，形成於感測器14與物件1(18-1)之間的感測器電容1(CS1)於保持相同的對向面積且對向距離發生變化、或保持相同的對向距離且對向面積發生變化的情形時，感測器電容1(CS1)的大小發生變化，但於本實施例中，例示了保持相同的對向距離(圖9的d1)，對向面積發生變化而CS1的大小發生變化的情形。然而，此種方法僅為一實施例，業者應瞭解於感測器14與物件1(18-1)的對向面積固定，但對向距離(d1)發生變化的情形時，CS1亦發生變化。
本發明可檢測是否存在物件1(18-1)，且亦可檢測物件1(18-1)與感測器14的對向面積的變化量。例如，於圖9b中，若於任意時點檢測因感測器14與物件1(18-1)的對向面積產生的P點的電位Vp，且隨著時間的經過檢測Vp的變化量，則可檢測物件1(18-1)與感測器的對向面積的變化量。例如，於<公式9>中，若假設於任意時點，Vp的大小為25V，在經過固定時間後，Vp的大小為24V，則該情形意味著CS1的大小增加，因此意味著於經過固定時間後，物件1(18-1)與感測器14的對向面積增加。
以下內容為基於系統電源的上升或下降而檢測感測器 電容CS的更詳細的實施例，且為應用於上述整理的實施例。
*關於基於系統電源的上升而檢測感測器電容的實施例
1.(整理4)的實施例
於圖10中，物件1(18-1)與感測器14按照特定的固定距離及可變面積而對向，從而形成CS1的大小的可變電容，CS2亦為連接外部接地端的可變電容，但電容的大小為固定。
物件1(18-1)的接地端即VG1假設為大地電位，物件2(18-2)的接地端即VG2以大地電位為基準而假設為4V的DC。若以大地電位為基準的Vchg設為6V，則於在圖8的“t1”時點，開關元件10接通時，圖10的P點以6V充電。因此，圖10的P點以大地電位為基準而為6V，但於圖8的t1時點，以大小為5V的GND1為基準的圖10的P點的大小為1V。
隨著圖10的P點以Vchg的電壓充電，於連接於圖10的P點的電容器，以施加於本身另一側的電位為基準而形成電壓。例如，於輔助電容器即caux，連接系統接地端GND1，於圖8的t1時點，系統接地端GND1的大小為5V，因此形成於caux的初始電壓的大小以系統接地端GND1為基準而為1V。使輔助電容器caux的初始電壓以系統接地端GND1為基準的原因在於，於輔助電容器caux連接有系統接地端GND1，且連接於外部接地端的感測器電容器的基準電壓以外部接地端VG為基準而設定。
與感測器電容器1(cs1)連接的VG1為0(zero)V，且P點為6V，因此於以VG1為基準的感測器電容器1(cs1)形成6V，以VG1為基準而cs1的初始電壓為6V。又，VG2為4V，且P點為6V，因此以VG2為基準的感測器電容器2(cs2)的初 始電壓為2V。
另一方面，根據Q=CV的物理量，於各電容器，根據電容器的電容及所形成的電壓而蓄積特定的電荷量。例如，於cs1，充電有與電容CS1及初始電壓6V對應的特定的電荷量，於輔助電容器caux，充電有與電容CAUX及初始電壓1V對應的電荷量。
如上所述，於連接於P點的所有電容器，充電有與電容器的電容及電壓對應的電荷，將於發生系統電源的交替前所充電的電荷量稱為初始電荷量。
2.(整理5)及(整理7)的實施例
於圖10的物件1(18-1)，連接有外部接地端VG1而並非系統接地端GND1，於圖10的物件2(18-2)，亦連接有外部接地端VG2。於施加至圖10的檢測系統20的系統電源如圖8的區域1的前半部般上升20V時，圖10的P點亦與系統電源同步而上升20V。即便系統電源上升20V，並非系統電源的外部接地端VG1與VG2的大小亦不會發生變化，因此因P點上升20V而施加至cs1與cs2的電壓的大小亦改變20V。即，若隨著P點逐漸上升而cs1的初始電壓即6V成為26V，則cs2的初始電壓即2V成為22V(實際上，於電荷共用現象中產生未達電壓，但限定於可變電容器與固定電容器不進行電荷共用的情形)。
隨著系統電壓的上升，形成於cs1及cs2的電壓亦變大，根據Q=CV的公式，蓄積於cs1及cs2的電荷量亦變大。若cs1的初始電壓自6V變更為26V，且於CS1的大小中不存在變化，即若物件1(18-1)與感測器14的對向面積及對向距離無變化， 則於與cs1的初始電壓即6V相比增加20V的26V時，可蓄積與20V的差異成正比的更多的電荷。
又，cs2的初始電壓為2V，因系統電源的上升而施加至cs2的電壓上升至22V，因此cs2亦可蓄積與系統電壓的上升部分即20V成正比的更多的電荷。
3.(整理6)及(整理8)的實施例
於圖10的輔助電容器caux，連接有系統接地端GND1。因此，於施加至圖10的檢測系統20的系統電源藉由圖8的區域1的前半部的圖案而上升20V時，系統接地端GND1亦一同上升，因此施加至輔助電容器caux的電壓的大小不會發生變化(然而為假設不受可變電容器的影響的情形)。
施加至輔助電容器caux的初始電壓以系統接地端GND1為基準而為1V，即便系統電壓上升20V，系統接地端GND1亦上升20V，因此施加至caux的電壓保持初始電壓即1V的狀態。因此，與系統接地端連接的輔助電容器的電壓是即便系統電源上升亦不會發生變化，且所充電的電荷量亦不會發生變化。
4.(整理9)、(整理10)、(整理11)的實施例
參照圖10，於系統電源的交替完成，且電荷共用現象完成而檢測系統20檢測P點的電壓時，開關元件10為斷開狀態，緩衝器15的輸入端為Hi-z狀態，因此P點為Hi-z狀態或浮動(floating)狀態。於Hi-z狀態或浮動狀態下，無法自檢測系統20的外部向P點供給電荷，藉由電荷守恆定律，於P點保存電荷的總量。
可變電容器cs1、cs2可蓄積更多的電荷，因此可變電容 器所需的電荷是自連接於系統接地端GND1的輔助電容器caux供給。即便系統電源上升，於輔助電容器caux蓄積電荷量中亦不會發生變化，因此若將輔助電容器的電荷供給至可變電容器，則輔助電容器的電荷量減少，根據Q=CV的原理，形成於輔助電容器的電壓的大小變小。即，輔助電容CAUX的大小為無變化的狀態，因此若電荷量Q減少，則電壓V變低。
輔助電容器連接於P點與系統接地端GND1之間，因此所謂輔助電容器的電壓變低是指以系統接地端GND1為基準而P點的電壓變低。因此，以6V的Vchg充電的P點應如圖8的前半部般藉由上升20V的系統電源而成為26V，但未能達到26V，小於26V的電壓的大小是基於<公式9>的“擺動未達要素”而決定。
5.(整理12)的實施例
參照<公式8>，若不存在物件1(18-1)，則亦不存在CS1，故若此時已知所檢測到的電壓Vp1，因物件1(18-1)的出現而形成特定的CS1，且此時已知藉由<公式8>檢測到的電壓Vp2，則可運算Vp1與Vp2的差異而確認出是否出現物件1(18-1)。利用此種原理，若感應到手指觸碰電梯按鈕，則可使電梯動作。
又，若物件1(18-1)與感測器14的對向面積發生變化，則根據圖4的公式而CS1的大小發生變化，且變化的CS1的大小可藉由<公式5>而得知，因此可檢測物件與感測器的對向面積的變化(若對向面積固定，則可檢測對向距離的變化)。例如，於<公式8>中，在基於對固定的CS2及可變的任意CS1檢測到的Vp1 而CS1的大小發生變化時，可藉由檢測到的Vp2的大小變化即“Vp1-Vp2”，檢測CS1的大小變化。藉此，可進行如下控制：若檢測到因人的手指隨著時間的經過而更多地按壓電梯按鈕的傾向，而按鈕與手指的接觸面積逐漸增加，則使電梯的速度變快；若按鈕與手指的接觸面積逐漸減少，則使電梯的速度變慢。
以上的一實施例是參照物件為2個的圖10而進行了說明，但於物件為2個以上的情形時，亦可引用<公式9>來一般化而進行說明。
*關於基於系統電源的下降檢測感測器電容的實施例
於系統電源如圖8的區域1的後半部的圖案般下降的情形時，可基於電荷共用現象，檢測感測器電容CS的絕對大小或大小變化。
於系統電源於圖8的區域1的t2時點完成充電後下降的情形時，施加至可變電容器的電壓減少，藉此蓄積至可變電容器cs的電荷量減少。因可變電容器的蓄積電荷量的減少而釋放的電荷蓄積至固定電容器，該電荷使固定電容器caux的電壓的上升，因此P點的電壓上升。因此，若系統電源下降，則P點產生無法按照系統電源下降的程度下降的未達電壓，未達電壓的大小基於<公式9>的“未達電壓要素”而決定的情形與之前說明的系統電源上升的情形的實施例相同。
於系統電源下降的情形時，作為檢測感測器電容CS1的一實施例，若於圖10中，以大地電位為基準的Vsupply設為30V、GND1設為25V、Vchg設為26V、VG1設為0V、VG2設為4V，則意味著Vchg相對於GND1大1V。若於以Vchg對P點進行充 電，斷開開關元件10的狀態下，藉由圖8的區域1的Down訊號而系統電源下降20V，則P點的電位應成為6V，但因共通連接於P點的電容器的電荷共用現象，無法達到6V而成為高於6V的電壓，未達6V的電壓的未達電壓的大小是基於<公式9>的“未達電壓要素”而決定。
聯動於AC即系統電源的電容的檢測法具有提高於圖10的P點檢測到的檢測訊號而使SNR變良好的效果。
若於<公式5>中，在物件18與感測器14之間形成CS為1pF的電容，則於<計算式2>中，Vp=6.95238V。若物件18與感測器14之間的對向距離或對向面積發生變化成為CS=0.9pF，則<計算式2>的值成為Vp=6.86124V。因CS的0.1pF產生的Vp的差異成為91mV。其於施加至以1V為檢測範圍的10bit的ADC時，具有約9%左右的解析度，因此即便於ADC中存在數%的噪音，亦成為可實現檢測的等級。於現有的實施例中，解析度僅為1%左右，因此因存在信噪比較低而訊號不可靠的問題，但根據聯動於AC電源的電容的檢測單元，具有於檢測系統20檢測到的訊號的訊號位準提高9倍左右的效果，因此具有SNR提高而檢測訊號可靠的優點。
於檢測系統的內部，內置有訊號檢測部22。於訊號檢測部22的內部，包含ADC部、數位類比轉換(Digital to Analog Conversion，DAC)、放大部、電源部、及檢測訊號所需的電路要素。DAC使用於檢測P點的電位，檢測到的電位於放大部放大而輸入至ADC。於ADC部轉換成數位的訊號傳輸至運算部而運算cs的電容或運算CS的變化量。此種流程為一個一實施例，業者當 然可實現其他實施例。又，可於訊號檢測部22添附未圖示的其他電路。
如上所述，本發明的聯動於AC電源的電容檢測裝置是欲檢測的電容的變化位於檢測公式的分子，藉此檢測感度提高，因此具有可穩定地檢測訊號的優點。
如上所述，本發明並不限定於上述實施例及隨附圖式，於本發明的技術領域內具有常識者應明白，可於不脫離本發明的技術思想的範圍內實現各種置換、變形及變更。
10‧‧‧開關元件
15‧‧‧緩衝器
16‧‧‧感測器訊號線
20‧‧‧檢測系統
22‧‧‧訊號檢測部
caux‧‧‧輔助電容器
CAUX‧‧‧輔助電容
cs‧‧‧感測器電容器
CS‧‧‧感測器電容
GND1‧‧‧系統接地端
Vchg‧‧‧充電電壓
VG‧‧‧外部接地端
Vsupply‧‧‧系統電源
Von/off‧‧‧電壓

Claims (31)

  1. 一種電容檢測單元，其包括：固定電容器，其具有固定的電容；可變電容器，其產生根據與外部物件的對向距離或對向面積而變化的可變電容；及訊號檢測部，其與施加至上述固定電容器的交流電壓同步化而檢測因於上述固定電容器與上述可變電容器之間流動的電荷所引起的電壓變化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電容檢測單元，其更包括開關元件，其用以利用直流電壓對上述固定電容器進行充電、或為了於充電後保存所充電的電荷而保持浮動狀態，上述訊號檢測部是基於檢測到的上述電壓變化而獲得上述可變電容器的可變電容。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電容檢測單元，其更包括感測器，其感應上述電壓變化，上述可變電容器形成於與上述物件接觸的導電體與上述感測器之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電容檢測單元，其基於自上述訊號檢測部獲得的上述可變電容器的可變電容，獲得上述物件與上述導電體之間之間隔、或上述物件與上述導電體接觸的面積。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電容檢測單元，其中上述固定電容器包括對於藉由與上述訊號檢測部的連接而產生的雜散電容器的電容、與儲存上述電荷的存儲電容器的電容的等效電容。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電容檢測單元，其更包含： 第1接地端；及第2接地端；且上述固定電容器接地於上述第1接地端，上述可變電容器接地於上述第2接地端。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電容檢測單元，其中上述第1接地端與上述交流電壓為相同的頻率、同相，且保持固定大小的振幅差，藉此若以上述第1接地端為基準，則對上述固定電容器施加直流電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的電容檢測單元，其中上述第2接地端為直流電壓為零的大地接地端、或固定大小的直流電壓。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的電容檢測單元，其於輸出上述訊號檢測部的結果時，上述第1接地端與上述第2接地端相互連接，上述交流電壓保持固定大小的直流電壓。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的電容檢測單元，其中上述第1接地端及上述交流電壓於第1持續期間內包括第1頻率，於與上述第1持續期間不同的第2持續期間內包括與上述第1頻率不同的第2頻率，上述第1頻率與上述第2頻率交替。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的電容檢測單元，其更包括感測器，其包括對向的兩個感測面，連接於一個感測器訊號線而檢測上述電壓變化，藉由與上述各個感測面接觸的兩個不同的物件，產生兩個可變電容器。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的電容檢測單元，其更包括多個感測器，其感應上述電壓變化， 藉由施加至上述多個感測器的多個物件，產生多個可變電容器。
  13. 如申請專利範圍第3項、或第11項至第12項中任一項所述的電容檢測單元，其中上述訊號檢測部感應未產生上述可變電容時的上述感測器或上述多個感測器中的各個感測器的第1電壓、與產生藉由所施加的上述物件產生的上述可變電容時的上述感測器或上述多個感測器中的各個感測器的第2電壓，基於上述第1電壓與上述第2電壓的差異，獲得上述可變電容或上述多個可變電容。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的電容檢測單元，其中上述第1電壓為固定大小的直流電壓即第1充電電壓(第1Vchg)與上述交流電壓的和，上述第2電壓為上述第1電壓、與上述電荷於上述固定電容器與上述可變電容器之間完成流動後的藉由上述感測器檢測到的電壓的差。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的電容檢測單元，其更包括大地接地端，其為固定大小的直流電壓，若上述交流電壓以上述大地接地端為基準而變大，則上述可變電容器蓄積自上述固定電容器供給的電荷，若上述交流電壓以上述大地接地端為基準而變小，則上述固定電容器蓄積自上述可變電容器供給的電荷。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的電容檢測單元，其中上述訊號檢測部的輸入端包括至少1MΩ以上的高阻抗。
  17. 一種獲得可變電容的方法，其是於包含感應電壓變化的感測器、包括固定的電容的固定電容器、及產生根據與外部物件 的對向距離或對向面積而變化的可變電容的可變電容器的系統中，獲得上述可變電容的方法，其包括如下步驟：充電步驟，其是以直流電壓即充電電壓對上述感測器及上述固定電容器進行充電；交流電壓施加步驟，其是對上述固定電容器施加交流電壓；訊號檢測步驟，其是與上述交流電壓同步化而藉由訊號檢測部檢測因於上述固定電容器與上述可變電容器之間流動的電荷引起的電壓變化；及可變電容獲得步驟，其是基於上述電壓變化而獲得上述可變電容。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的獲得可變電容的方法，其中上述可變電容形成於與上述物件接觸的導電體與上述感測器之間。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的獲得可變電容的方法，其於上述直流電壓充電步驟與上述交流電壓施加步驟之間，其更包括如下步驟：為了保持保存充電於上述感測器及上述固定電容器的電荷的浮動狀態，斷開開關元件的步驟；及基於上述可變電容，獲得上述物件與上述導電體之間之間隔、或上述物件與上述導電體接觸的面積的步驟。
  20. 如申請專利範圍第17項所述的獲得可變電容的方法，其中上述固定電容器包括對於藉由與上述訊號檢測部的連接而產生的雜散電容器的電容、與儲存上述電荷的存儲電容器的電容的等效電容。
  21. 如申請專利範圍第17項所述的獲得可變電容的方法，其更包括如下步驟：第1接地端接地步驟，其是使上述固定電容器接地至第1接地端；及第2接地端接地步驟，其是使上述可變電容器接地至第2接地端。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的獲得可變電容的方法，其中上述第1接地端與上述交流電壓為相同的頻率、同相，且保持固定大小的振幅差，藉此若以上述第1接地端為基準，則對上述固定電容器施加直流電壓。
  23. 如申請專利範圍第21項所述的獲得可變電容的方法，其中上述第2接地端為直流電壓為零的大地接地端或固定大小的直流電壓。
  24. 如申請專利範圍第21項所述的獲得可變電容的方法，其中於輸出上述訊號檢測部的結果時，上述第1接地端與上述第2接地端相互連接，上述交流電壓保持固定大小的直流電壓。
  25. 如申請專利範圍第22項所述的獲得可變電容的方法，其中上述第1接地端及上述交流電壓於第1持續期間內包括第1頻率，於與上述第1持續期間不同的第2持續期間內包括與上述第1頻率不同的第2頻率，上述第1頻率與上述第2頻率交替。
  26. 如申請專利範圍第17項所述的獲得可變電容的方法，其更包括使不同的兩個物件與上述感測器的對向的兩個感測面的各者接觸而產生兩個可變電容器的步驟。
  27. 如申請專利範圍第17項所述的獲得可變電容的方法，其 中上述感測器為多個，且更包括藉由與上述多個感測器接觸的多個物件而產生多個可變電容器的步驟。
  28. 如申請專利範圍第17項、或第26項至第27項所述的獲得可變電容的方法，其中上述訊號檢測部感應未產生上述可變電容時的上述感測器或上述多個感測器中的各個感測器的第1電壓、與產生藉由所施加的上述物件產生的上述可變電容時的上述感測器或上述多個感測器中的各個感測器的第2電壓，基於上述第1電壓與上述第2電壓的差異，獲得上述可變電容或上述多個可變電容。
  29. 如申請專利範圍第28項所述的獲得可變電容的方法，其中上述第1電壓為上述充電電壓與上述交流電壓的和，上述第2電壓為上述第1電壓、與上述電荷於上述固定電容器與上述可變電容器之間完成流動後的藉由上述感測器檢測到的電壓的差。
  30. 如申請專利範圍第29項所述的獲得可變電容的方法，其更包括接地至固定大小的直流電壓即大地接地端的步驟，若上述交流電壓以上述大地接地端為基準而變大，則上述可變電容器蓄積自上述固定電容器供給的電荷，若上述交流電壓以上述大地接地端為基準而變小，則上述固定電容器蓄積自上述可變電容器供給的電荷。
  31. 如申請專利範圍第17項所述的獲得可變電容的方法，其中上述訊號檢測部的輸入端包括至少1MΩ以上的高阻抗。
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