TW418323B - Capacitance detection system and method - Google Patents

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TW418323B
TW418323B TW088102342A TW88102342A TW418323B TW 418323 B TW418323 B TW 418323B TW 088102342 A TW088102342 A TW 088102342A TW 88102342 A TW88102342 A TW 88102342A TW 418323 B TW418323 B TW 418323B
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Toshiyuki Matsumoto
Takaya Miyano
Yoshihiro Hirota
Muneo Harada
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Sumitomo Metal Ind
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Description

經濟部中央檫準局貝工消費合作社印製 r 川323 at B7 五、發明説明（1 ) 技術領域 本發明係關於一種電容一電壓轉換系統及其方法’更 詳細的說，該系統及方法可藉由轉換感測器電容至電壓來 偵測，隨作用在感測器物理量的響應而變化的感測器電容 發明背景 圖1顯示習知技術，電容變也偵測電路的簡圖，描述 於曰本專利公開摘示（Kokai )Ν〇·6_180366; 在該專利中，由光控裝置及一電極相互面對連接而成的感 測器靜態電容》當光控裝置隨著實際的壓力以及相關的作 用響應而移動時，靜態電容亦會跟著變化。習知的電路如 圖.1所示，可解決當感測器經由微加工成形在半導體上時 ，電壓作用在具有光控裝置與電極相置的感測器上，由於 靜電引力造成電極輿光控裝置接觸的問題。 在圖1中，參考標號1及2分別表示電容變化偵測電 路的電壓輸入端與輸出端；輸入電壓V i η供應至輸入端 1，輸出電壓Vout從輸出端2輸出。參考標號3表示 一運算放大器，4及5表示電阻；6表示一開關。輸入端 1透過電阻5及感測器S靜態電容分別與運算放大器3的 反相及非反相輸入端相連。運算放大器3的輸出與輸出端 2 ’及經由電阻4，與反相輸入端相連。非反相輸入端透 過開關6接地。 本紙張尺度適用中周國家樣準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）-4 - - , ------1---!--'裝-- 厂..、 (諳先聞讀背面之注項#:-填寫本頁) 訂_ 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 ί Α18323 Α7 _Β7__— ____- 五、發明説明（2 ) 在圖1的偵測電路中，在初期，由輸入端1提供的® 壓V i η，將感測器電容充電，開關6關閉：當感測器電 容充電到達一定量後，開關6打開。在開關6打開時’由 於感測器S的電容連至具有高阻抗的非反相輸入端，累積 在電容內的電荷不會放電。另一方面，例如，當作用在感 測器S的物理改變，藉者由光控裝置形成的感測器s的壓 力變化；感測器S的靜態電,容改變，.將引靼通過感測器電 容的電壓變化。亀壓改變是藉由運算放大盏3來放大，增 益是由電阻4及電阻5來決定，並由輸出端2顯示出。 利用方程式補充說明上面的描述，假設電阻4及5的 電阻値爲R f及R i ，感測器S最初的靜態電容爲_C s ; 運算放大器3非反相及反向輸入端電壓分別爲V+及。 現在，當開關6關閉，輸出電壓Vo u t以下列方程式表 示：
Vout = -Vin*Rf/Ri ...(1) 在開關6開啓後，假設量得感測器電容從C s變成 C s —，運算放大器3的輸出電壓從Vo u t變成 Vou t >，Vou t’如下式表示：
Vout' = { l-[l + (Rf/Ri)](Cs/Cs,)}*Vin ...(2) 在此，令 Vout’-Vout =Δ V，Cs’-Cs =A Cs， 本紙張尺度適用中阖國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐)-έ - (请先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝_
IT
•IT 4 18 3 2 3 . a? B7 ' 五、發明説明（3 ) Δ V = [l+CRf/Ri)]* Δ Cs/(Cs+A Cs) *Vin ...〇) 滿足Δν及△ C s的關係。 如上所述，由於輸出電壓v 〇 u t ，如同感測器電容 C s，隨著放大器增益（電阻4及5的比値R f/R i ) 而變化，因此輸入至感測器電容的電壓，.如輸入電壓 V i η，不需要高。隨著低輸入電壓V i η，光控裝置的 靜電引力也會相對小；因此’如圖1所示的偵測電路可解 決由於靜電引力造成電極與光控裝置接觸的問題。 發明槪述 經濟部中央標率局員工消費合作社印装 然而，如圖1所示，該習知的偵測電路仍然暗藏另外 的問題，有關於寄生電容。亦即，寄生電容c Ρ通常形成 在感測器S及運算放大器3的連接處。當感測器S與運算 放大器3採用分離的晶片時，寄生電容CP與開關6並連 ，範圍可介於1至1 0 〇 P F之間。在另一方面，感測器 電容Cs ，範圍可介於1至數百fF之間。考慮上述的寄 生電容，當感測器電容C s改變時，感測器電容C s的電 荷分配至寄生電容C ρ。因此，通過感測器電容c s的電 壓變化極端的小，可消除嚴重的雜訊。 在運算放大器3非反相輸入端，電壓變化量Δν+表示 如下式： 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Α4规格（210X297公釐）-6 - 經濟部中央標率局員工消費合乍.土 -f見 ;4183 23 A7 B7_^_ 五、發明説明（4 ) Δ V+= (ν + -νίη)*Δ Cs/CCp-Cs-Δ Cs)…⑷ 在方程式（4)中，既然ACs / (Cp — Cs — AC s )的値介於1至數百，AV+的値也同樣介於1至數 百，如此產生極小的値。爲了要獲得大的電壓變化量A V + ，可考慮增加運算放大器3的輸入電壓V i η且或增加感 測器S的靈敏度。 然而，大的增益可能使輸出電壓達到飽和，導致即使 感測器電容改變，輸出電壓亦不會變化。如果降低運算放 大器3的輸入電壓V i η來防止輸出電壓達到飽和，則會 發生上述，電極與光控裝置互相接觸的問題。此外，另一 個問題也會產生，要控制如此小的輸入電壓變化，本身就 相當複雜且困難。 本發明已解決上述存在於如圖1習知偵測電路的問題 。因此，本發明的目的是提供一種電容偵測系統，可驅動 一輸入電壓，當寄生電容存在時，該電壓隨著感測器電容 的響應而變化。 本發明的另一個目的是提供一種電容偵測系統，可得 到一輸出電壓’當寄生電容存在時，該電壓大體上正比於 感測器電容。 根據本發明之電容偵測系統，可作爲一靜態電容偵測 電路，來偵測具有光控裝置與電極相面對的感測器之靜態 電容'該電容受到作用的物理變化而反應。 爲了要達到目的’根據本發明之電容偵測系統，提洪 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Π -裝· --5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-7 - 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 41832 3 A7 B7 五、發明説明（5 ) 對應於感測器電容的輸出，包含（a ) —電壓輸入，連接 接受可變輸入電壓，以及（b ) —運算放大器，該運算放 大器，具有一反相輸入，經由第一電阻連至電壓輸入端； 以及一非反相輸入，經由一感測器連接至電壓輸入端，並 透過開關1連接至參考電壓。並含一輸出，經由第二電阻 與第二開關並聯而成的迴路與反相輸入連接。 更佳的情形是該電容偵測系統包.含（c )第二運算放 大器；具有一反相輸入，透過第三電阻連接至電壓輸入端 ’一非反相輸入連接至參考電壓，以及一輸出端透過第二 迴路，由第四電阻及第三開關並聯而成，連接至反相輸入 端，該第二運算放大器的增益與第一運算放大器的相同： 連接（d )第三運算放大器，來放大第一與第二運算放大 器輸出電壓的差値。在起始循環期間，第一至第三開關同 時關閉，參考電壓供應至電壓輸入：在測量循環期間，第 一至第三開關同時打開，第二參考電壓(共應至電壓輸入。 本發明的目的同時提供一種電容偵測方法，提供一正 比於感測器電容的電壓，該方法的步驟爲（a )輸出第一 電壓；由感測器電容，及介於感測器電容與電容偵測電路 間的寄生電容來定義，（b)輸出與感測器及寄生電容無 關的第二電壓，（c)輸出一電壓對應至第一及第二電壓 的差，與感測器電容成正比。 圖示簡單說明 圖1顯示習知電容變化偵測電路之電路圖 本紙張尺度適用中國國家標率（CMS ) A4規格（210X297公釐）-8 - π ----..--Γ 裝 II (請先閲讀背面之注意事項#"填寫本頁) 訂 4^8323 A7 B7 五、發明説明（6 ) 圖2顯不依據本發明之電路圖，具體描述一電容偵測 電路’具有與感測器電容有關的輸出電壓。 圖3顯示依據本發明之電路圖，具體描述第二電容偵 測電路’具有與感測器電容有關的輸出電壓。 圖4 A爲~圖表，顯示模擬圖3電容偵測電路所獲得 的感測器電容與輸出電壓間的關係。 圖4 B爲一圖表，顯示圖4A的局部放大圖。 符號說明 1 輸入端 2 輸.出端 3 運算放大器 6 開關 4 5 電阻 1 0 運算放大器 1 1 電阻 1 2 電阻 1 3 開關 1 4 開關 2 0 運算放大器 2 1 電阻 2 2 電阻 2 3 開關 3 2 電阻 3 3 開關 3 4 電阻 3*5 電阻 -----；--..__1 — (請先聞讀背面之注意事項^敗寫本頁) 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 較佳實例之詳細說明 以下，參照圖2至圖4，將詳細說依據本發明之電容 偵測電路的實例。圖2顯示依據本發明之電容偵測電路的 第一個實例，其電路圖。在圖2中，由輸入端1供應一輸 入電壓Vin，經由電阻11，與運算放大器1〇之反相 本紙張尺度適用中國國家標準（匚阳）八4規格（210父297公釐）-9- 41B3 23 A7 B7 經濟部中央標準扃貝工消费合作社印裂
五、發明説明（7 ) 、 輸入端或節點相連。由電阻1 2及開關1 3並聯而成的電 路與輸出端或節點，以及運算放大器1 0的反相輸入端相 連。運算放大器1 0的非反相輸入端或節點，經由開關 1 4接受一參考電壓Vh，具有靜態電容C S之感測器S ，連接於運算放大器10非反相輸入端與輸入端1之間。 寄生電容c P可能會形成在感測器S以及運算放大器1 0 非反相輸入端之間的連接部份。 例如，參考電壓Vh，爲其他電壓可用的接地電壓。 感測器S的結構，形成電容C s介於相面對，一光控裝置 及一電極之間，兩者皆透過微加工製程，具有極小的區域 。感測器S的靜態電容C S受到，由作用在感測器S的物 理變化所引起的光控裝置位移量所影響 感測器S之電容C s的偵測程序包含起始及量測循環 。在起始循環中，開關Γ 3及1 4是關閉的，且v i η設 爲參考電壓Vh，或V i n = Vh，使得輸出電壓 Vo u t與參考電壓Vh相同（至此以後，字、介於"所 指的是全部或部份週期）。再另一方面，在量測循環中’ 開關1 3及1 4打開，輸入鼇壓Vi η設爲Vh + Δν。 當開關1 3及1 4打開來量測電容C s ，以下的方程 式滿足運算放大器10 Θ勺輸出電壓，其中Ri 1、Ri 1 分別爲電阻1 1及1 2的阻抗値；v+及v -爲放大器1 0 非反相輸入端及反相輸入端的電壓値；且令R ί 1 = R i 1 ，貝!J -----,II (請先閱讀背面之注意事項r寫本頁) Γ 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐} - 10 - Α7 Β7 五、發明説明（8 ) Vout = -(Rfl/Ril)(Vin-v + ) + ' =-Vin+2v+ .(5) 當輸入電壓V i η，由起始循環時設定的電壓Vh變 爲Vh+Δν時，感測器電容Cs的累積電荷Q1;寄生 電容C p的累積電荷Q 2，表示如下： Q1 = (Vin-v + )Cs =(Vh+ Δ V-v + )Cs... Q2= v^Cp (6) (7) 因爲感測器電容C s及寄生電容C p串聯，因此C s 及C p的累計電荷量應相同，亦即Q 1 =Q 2。故可滿足 下式
Cp = (Vh+A V-v + )Cs …⑻ 請 先 鬩 讀 背 面 之 注 裝 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 如上所述，Vh = 〇，運算放大器1 0非反相輸入端 電壓V +表示如下： + =Δ V*Cs/(Cs + Cp) ... (9) 將式（9 )代入式（5)中，運算放大器1 0的輸出 電壓Vout重寫如下： 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐）· 11 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Α^3^3 _ Β7五、發明説明（9 ) Vout = -Vin + 2v + 二-Vin + 2*A V*Cs/(Cs + Cp) ·_.(1〇) 當感測器S及圖2中偵測電路的其他電路部份，是由 分離的晶片連接在一起時，寄生電容C p的範圍約從數個 p F至大約1 5 p F或更多，而感測器電容c s則從1至 數百f F。根據上述，既然Cp比c s大很多；C s / ( Cs+Cp)可用Cs/Cp取代。運算放大器1〇的輸 出電壓Vout表示如下： Vout = -Vin + 2*A V氺CsCp·.· (11) 該方程式指出偵測電路的輸出電壓V 0 u t應隨著電 容C s做線性變化。因此，縱使寄生電容c p存在於運算 放大器1 0的非反相輸入端；只要電容C s遠比寄生電容 C p來的小，電容偵測電路能輸出與電容c s呈線性關係 的電壓Vout。此外，根據電容Cs ，可藉由調整運算 放大器1 0的增益（R f 1/R i 1 )以及輸入電壓 V i η的變化量AV來產生足夠大的輸出電壓v〇 u t。 圖3顯示根據本發明之電容偵測電路的第二實例，其 中使用的電容偵測電路如圖2所示。圖3所示的電路或且 包含了裝置，來消除方程式（1 1)中的_Vi η，使得 感應電容與輸出電壓間可獲得正比的關係》 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公釐> -12- " *" Α1Β323 Α7 Β7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（1〇 ) 在圖3中，輸入端1供應輸入電壓v i η，經由電阻 1 1連接至運算放大器1 0的反相輸入端或節點。電阻 12與開關13的並聯電路連結至運算放大器10的輸出 端或節點，以及該運算放大器的反相輸入端。運算放大器 10的非反相輸入端或節點則透過開關14供給一參考電 壓Vh，同時提供一感測器S，具有電容C s，連接於運 算放大器10的非反相輸入端與輸入端1之間。 輸入端1同時經由電阻21建接至第二運算放大器 2 0的反相輸入端或節點。電阻2 2與開關2 3的並聯電 路連接至運算放大器2 0的反相輸入端，以及該運算放大 器的輸出端或節點。運算放大器2 0的非反相輸入端或節 點則供給一參考電壓V h，第二運算放大器2 0同時輸出 電壓V 2。 此外，第二運算放大器2 〇的輸出端透過電阻3 1連 接至第三運算放大器3 0的反相輸入端或節點。電阻3 2 與開關3 3的並聯電路連接至運算放大器3 0的反相輸入 端，以及該運算放大器的輸出端或節點。該輸出端或節點 視爲電容偵測電路的輸出端2。第三運算放大器3 0的反 相輸入端或節點，透過電阻3 4連接至第一運算放大器 1 0的輸出端，並透過電阻3 5供給一參考電壓Vh ;從 輸出端2供應一輸出電壓V 〇 u t。 接下來解釋如圖3所示，電容偵測電路的操作。在起 始循環中，所有的開關13、14、23及33皆關閉， 同時由輸入端1供應的輸入電壓V i η設定給參考電壓 (請先閲讀背面之注意事項'再填寫本頁) r 裝· 訂 2 ' 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0X297公釐）-13 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 4183 23 a? B7 五、發明説明（11 ) V h。如此，使得電壓V h透過電谷C s充電’且輸出腼 2的輸出電壓設定爲參考電壓Vh。 在量測循環中，所有的開關1 3、1 4、2 3及3 3 皆打開，同時由輸入端1供應的輸入電壓乂 i η由Vh變 爲Vh + AV。由於，分布於感測器電容C s及寄生電容 C p間的電荷會隨著輸入電壓而變化；與感測器電容C s 及寄生電容Cp有關的電壓輸入於運.算放大器1 0的非反 相輸入端。接著，非反相輸入端的電壓被放大，並由運算 放大器1 0的輸出端產生一量測電壓V 1。運算放大器 1 0的增益値設定爲不使輸出電壓V 1達到飽和。第二運 算放大器2 0的增益値設定成與第一運算放大器1 0的增 益値相同。如圖3所示，既然運算放大器2 0的非反相輸 入端同樣供給輸入電壓V i η，第二運算放大器2 0，在 感測器電容C s及寄生電容C ρ未連接的情況下輸出電壓 V 2。 第一運算放大器1 0的輸出電壓V 1透過電阻3 4供 應給第三運算放大器3 0的非反相輸入端，同時第二運算 放大器2 0的輸出電壓透過電阻3 1供應給第三運算放大 器30的反相輸入端。因此，第三運算放大器30，放大 第一運算放大器1 0的輸出電壓V 1 (也就是，與感測器 電容C s及寄生電容Cp有關的電壓）及第二運算放大器 2 0的輸出電壓V 2 (也就是，與電容無關的電壓）的差 値，並輸出放大的差値電壓V 〇 u t。 同以下將詳細討論的，當感測器電容C s及寄生電容 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 14 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 0 -裝. 〇 線 經 濟 央 標 準 局 消 費 合 社 印 製 A7 B7 五、發明説明（12 ) Cp的比値（或c s/C p )非常小時，由第三運算放大 器3 0輸出的輸出電壓Vo u t會與感測器電容C s更接 近正比。比例因子爲，運算放大器3 0的增益以及輸入電 壓V i.n的位移電壓，的函數。事實上，既然寄生電容 C p遠比感測器電容C s大，第三運算放大器3 0輸出的 電壓會隨著感測器電容C s做線性變化。 上述的操作過程將以方程式來說明。假設.運算放大器 1 0，2 0及3 0的正、負電源供應又+及卩_具有相同的 値，且參考電壓Vh=〇 (伏特）。値得一提的，根據本 發明的偵測電路中，Vh = 0並不重要。儘管電壓Vh可 依據運算放大器的電源供應V +及採用正、負値：爲求 h V 從然¥ ^既爲 明，設 說中壓 的環電 下循入 以始輸 在起且 ，在， 化 .閉 簡關 ΒΐΦν κ ΠΤΤΤν η 始 開 ο
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器 大 放 算 I- 違 二 第 及 V 0 I^Dr : 出下 輸如 的示 ο 表 1 2 器 V 皆大壓 3 放電 3算出 及運輸 3 一 的 2 第 ο
Vl=V2=Vh=0 接下來，開關1 3、1 4、2 3及3 3皆打開以量測 靜態電容C s ，以下的方程式分別滿足第一至第三運算放 大器10、20及3.0的輸出電壓VI、V2及Vout ，其中Ril，Rfl，Ri2’Rf2，Ri3， Rf3，Rh3 及 Rg3 分別爲電阻 11，12，21， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15- r 4 ⑽ ” a? _ _B7__ 五、發明説明（13 ) 22，31，32，34 及 35 的阻抗；K = Rg3/ R h 3=Ri3/Ri3;v +及 v ^爲運算放大器1 0的 非反相輸入端及反相輸入端的電壓 ;同時令R f 1 = R i 1，R f 2 = R i 2，貝ί! VI = -(Rfl/Ril)(Vin-v+) + v + - -Vin+2v+ ..(12) V2 = -(Rf2/Ri2)(Vm-Vh) + Vh - -Vin ..(13) Vout =K(V1-V2) · ..(14) (請先聞讀背面之注項再填寫本頁) 裝· 當輸入電壓V i η，由起始循環時設定的電壓Vh變 爲Vh + Δν時，感測器電容C s的累積電荷Q 1 ;寄生 電容C ρ的累積電荷Q 2 *表示如下： Q1 = (Vin~v-+)Cs =(Vh+Δ V-v + Cs ...(15) Q2 = v + Cp …（16) 因爲感測器電容C s及寄生電容C p串聯，因此C s 及Cp的累計電荷量應相同，亦即Q1=Q2。故可滿足 下式 v + Cp = (Vh+ Δ V-v + )Cs 本紙張尺度適用中固國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -16 - 4183 ° ^ A7 B7 五、發明說明（14) 電壓V+表示如下： v + =A V*Cs/( Cs + Cp) ...(17) 利用式（17)，式（12)及式（14)可重寫如 下： VI = -Vin + 2v + =-Vin + 2*A Ws/iCs + Cp) ...(18)
Vout = K(V1- V2) =K[-Vin + 2*A V*Cs/(Cs + Cp) + Vin] =2K*A V*Cs/(Cs + Cp) …（19) 當感測器S及圖3中偵測電路的其他電路部份，是由 分離的晶片連接在一起時，寄生電容C p的範圍從1 P F 至大約一百p F或更多，而感測器S電容C s則從1至數 百fF。根據上述，既然Cp比Cs大很多；Cs/(
Cs + Cp)可用Cs/Cp取代。因此方程式（19) (或第三運算放大器3 0的輸出電壓Vo u t )可重寫如 下：
Vout = 2K* Δ V*Cs/Cp ...(20) 方程式（2 0 )指出’可由第三運算放大器3 0獲得 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）
I ----------，--裝--------訂 i (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4183 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（15) 方程式（2 0 )指出，可由第三運算放大器3 0獲得 一與靜態電容C s成正比的電壓。値得注意的是，即使在 圖3的裝置中Vh不爲零，儘管在的情況下式（ 2 0 )變得更加複雜；解決該問題的技術原理與當V h = 0時是相同的。 因此，縱使寄生電容C p存在於運算放大器1 〇的非 反相輸入端；圖3的電容偵’測電路能輸出與電.容C s呈正 比的電壓V 〇 u t ，只要電容C s遠比寄生電容C p來的 小。此外，根據電容C s，可藉由分別調整第一至第三運 算放大器1 0，2 0及3 0的增益以及輸入電壓V i η的 變化量Δν來產生足夠大的輸出電壓Vo u t。 如上所述，如圖3顯示，縱使寄生電容C p很大，只 要藉由改變輸入電壓V i η來增加感測器電容C s的累積 電荷，電容偵測電路能輸出與感測器靜態電容C s呈正比 的電壓V 〇 u t 。另一方面，既然由運算放大器1 〇輸出 的電容量測電壓V I與由運算放大器2 0輸出的參考電壓 V 2間的差値，由第三運算放大器放大；運算放大器1 ◦ 可具有較小的增益，因此可防止輸出電壓V 1達到飽和。 此外，第三運算放大器3 0的增益，能根據感測器電容 C s與寄生電容C p的比値做調整。 圖4爲一圖表，顯示當寄生電容C p設爲2 0 p F時 ，模擬圖3電容偵測電路所獲得的結果。此外，假設v _ = ，v + =5V，且 Vh = Vdd/2 = 2 . 5V ;因此 ，當 Cs = 〇 ，V〇ut 与 2 · 5V。圖 4B 爲一圖表’ (請先閣讀背面之注意事巩再填寫本頁) ，裝 C) 本紙張尺度適用中®國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -18- A18323 A7 B7 五、發明説明（ 16 顯不圖4 A的局部放大圖。圖4 A顯示當感 的範圍從0變化至500 f F，輸出電壓Vc 2 , 4 V至4 . 1 V線性變化。圖4 B顯示 C s的範圍從〇變化至1 〇 〇 f F，輸出電 從2 , 4 1 V線性變化至2 . 7 7 V。 從前述較佳實例的描述中可知*本發明 功效，即使寄生電容存在於'感測.器《容以及 的相連部份，亦可產生正比於感測器電容的 生電容的影響。 儘管根據本發明所描述的較佳實例於文 種，但要知道根據本發明，可應用在多種的 ，欲藉由附加的申請專利範圍來涵蓋所有這 精隨及槪念的修正。 測器電容C s I u t則從 當感測器電容 壓V 〇 u t則 可產生獨特的 偵.測電路之間 電壓而不受寄 中只有提及幾 修正上；在此 類具有本發明 面 之 注 裝η 頁 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2〖0乂29?公釐） -19-

Claims (1)

  1. 418393 li _ D8 六、申請專利範圍 1 · 一種電容偵測系統，該系統提供一與感測器電容 對應的輸出，包含： 連接以接受可變輸入電壓的電壓輸入：以及 一運算放大器，該運算放大器，具有一反相輸入，經 由弟一電阻連至電.壓輸入端；以及一非反相輸入，經由一 感測器連接至電壓輸入端，並透過第一開關連接至參考電 壓；並含一輸出，經由第二電阻與第二開關並聯而成的迴 路與反相輸入連接_。 2 .如申請專利範圍第1項之電容偵測系統，並包含 第二運算放大器，具有一反相輸入，透過第三電阻連 接至電壓輸入端，一非反相輸入連接至參考電壓；以及一 輸出端，透過由第四電阻及第三開關並聯而成的第二迴路 ，連接至反相輸入端，該第二運算放大器的增益與第一運 算放大器的增益相同：第三運算放大器，放大第一與第二 運算放大器輸出電壓的差値。 3 · —種電容偵測系統，該系統提供一與感測器電容 對應的輸出，包含： 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一電壓輸入，連接以接受輸入電壓，該電壓隨著第一 及第二參考電壓而變化；一運算放大器，具有一反相輸入 ，經由第一電阻連至電壓輸入端； 以及一非反相輸入，經由一感測器電容連接至'電壓輸 入端，並透過第一開關連接至參考電壓；並含一輸出，經 由第二電阻與第二開關並聯而成的回饋電路與反相輸入連 接； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -20- D8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 六、申請專利範圍 在初始循環期間’第一及第二開關關閉，第一參考電 壓供給至電壓輸入；在測量循環期間，第一及第二開關打 開’第二參考電壓供給至電壓輸入；藉此.，隨著感測器電 容而線性變化的輸出電壓，將產生供作輸出。 4 .如申請專利範圍第3項之電容偵測系統，並包含 第二運算放大器，具有一反相輸入，透過第三電阻連 接至電壓輸入端，.一非反相輸入連接至第一參考電壓；以 及一輸出端，透過由第四電阻及第三開關並聯而成的第二 回饋電路，連接至反相輸入端，該第二運算放大器的增益 與第一運算放大器的增益相同； 第三運算放大器 > 放大第一與第二運算放大器輸出電 壓的差値； 第三開關，與第一及第二開關同時關閉與開啓，藉此 ，第三運.算放大器輸出與感測器電容呈正比的輸出電壓。 5 .如申請專利範圍第2或第4項之電容偵測系統， 並包含： 第四開關，包含於第三運算放大器的回饋電路中，與 第一至第三開關同時關閉與開啓。 6 .—種電容偵測系統，該系統輸出與感測器電容呈 正比的輸出電壓，包含 第一電路，該電路提供與感測器電容及寄生電容有關 的第一電壓，其中寄生電容形成於感測器電容及偵測電路 連接部份之間； ^ 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閱讀背面之注ί項再填寫本頁) 訂 -21 - 418323
    經濟部中央標準局貝工消費合作社印裂 六、申請專利範圍 第二電路，與第一電路有相同.的電路特性，提供與感 測器電容及寄生電容無關的第二電壓； 第三電路’輸出相對於第—與第二電壓差値的電壓， 同時該電壓正比於感測器電容。 7，如申請專利範圍第6項之電容偵測系統，其中 第一電路包含第一蓮算放大器，該運算放大器具有一 輸入，透過感測器電容連接至電壓輸入端，同時提供第一 電壓，隨著感測器.電容與輸入周圍形成的寄生電容做線性 變化； 第二電路包含第二運算放大器，該運算放大器連接至 電壓輸入端，同時與第一運算放大器具有相同的增益，並 提供與感測器電容及寄生電容無關的第二電壓； 第三電路包含第三算放大器，接收第一及第二電壓， 並輸出對應於第一及第二電壓差値的電壓° 8 .如申請專利範圍第7項之電容偵測系統，其中 第一至第三放大器分別包含第一至第三運算放大器’ 感測器電容連接於輸入電壓以及第一運算放大器的非反相 輸入端之間，用來起始化偵測電路的開關則連接於，第— 及第二運算放大器的反相輸入端及輸出端之間、第三運算 放大器的非反相輸入端及輸出端之間’以及第一運算放大 器的非反相輸入端及參考電壓之間。 9 ·電容偵測方法，提供一正比於感測器電容的電壓 ，該.方法的步驟爲： 輸出第一電壓，其値由感測器電容’及形成於感測器 本紙張尺度適用中國國家摞準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先間讀背面之注$項再填寫本頁)
    -22- 418323六、申請專利範圍 AS B8 C8 D8 經濟部中央榡準局貝工消費合作社印製 電容與電容偵測電路間的寄生電容決定；輸出第二電壓， 該電壓與感測器及寄生電容無關： '輸出一電壓，對應至第一及第二電壓的差値，並與感 測器電容成正比。 .1 0 .如申請專利範圍第9項之方法，其中 輸出第一電壓的步驟.包含提供一輸入電壓，透過一電 阻及一感測器分別連接至第一運算放大器的反相及非反相 輸入端，並從該運算放大器的輸.出端輸出第一電壓； 輸出第二電壓的步驟包含提供一輸入電壓至第二運算 放大器的反相輸入端，並從該運算放大器的輸出端輸出第 二電壓，該運算放大器的非反相輸入端則連接至參考電壓 以及輸出第三電壓的步驟包含提供一第一及第二電壓 至第三運算放大器的非反相輸入端及反相輸入端，並從該 運算放大器的輸出端輸出第三電壓。_ 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之方法，其中 第一至第三運算放大器包含第一至第三負回饋電路， 分別由第一至第三電阻與第一至第三開關並聯而成；第一 運算放大器的非反相輸入端經由第四開關連接至參考電壓 端；此外，該方法至少包含以下其中之—的步驟： 再重置期間內打開第一至第四開關；及 在開始量測循環後，關閉第一至第四開關。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 私紙張尺度適用中國國家操準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -23-
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