TW526327B

TW526327B - Detection apparatus and method of physical variable

Info

Publication number: TW526327B
Application number: TW088102456A
Authority: TW
Inventors: Toshiyuki Matsumoto; Yoshihiro Hirota; Muneo Harada; Takaya Miyano
Original assignee: Sumitomo Metal Ind
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2003-04-01
Also published as: KR20010020129A; WO1999042847A1; AU730847B2; EP1653771B1; EP0975983A2; WO1999042848A2; KR100341964B1; AU2547999A; JP3498318B2; EP0975983B1; KR20010006527A; KR100377027B1; CN1161624C; EP0975982B1; IL132450A0; AU731610B2; CN1256756A; JP2001510580A; WO1999042848A3; EP1653771A1

Description

526327 A7 B7 五、發明說明（1 ) 技術領域 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明大致有關一用以偵測物理變數量之偵測裝置及力法’及更特別有關一用以偵測物理變數量以提供對應於一可數位處理數量之信號之偵測裝置及方法。背景技藝經濟部智慧財產局員工消費合作社印製適於偵測一物理量變化之偵測電路之先前技藝範例，譬如斜述在1 9 8 8年發行之日本公用專利（公開特許或 Kokai第63-108257號。第1圖說明第63-1 0 8 2 5 7號專利中所述先前技藝偵測電路之方塊圖。意欲將濕度偵測爲一物理量之偵測電路包含一具有濕度感測器5 4之振盪單元5 1、頻率一電壓（F — V)轉換器 5 2、及一對數放大器5 3。設計該濕度感測器5 4以按照周圍濕度之變化而改變其電阻。然後該電阻變化造成該振盪單元51改變其振盪頻率。其次該振盪單元51之一輸出電壓信號係輸入至將頻率信號轉換成直流電壓之F -V轉換器5 2。其次由該F - V轉換器電路5 2輸出之直流電壓信號係輸入至對數放大該直流電壓之對數放大器 5 3。如此，該偵測電路能以來自該對數放大器5 3之輸出電壓値爲基礎揭露周圍之濕度。另一先前之偵測電路係敘述在日本專利出版物（ Kokoku )第2 — 22338號中。如前述第63-1 0 8 2 5 7號專利之案例，該偵測電路亦偵測濕度中之變化。雖然未在此示出，該偵測電路包括一含有濕度感測 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526327 、 A7 B7 五、發明說明p ) 器之偵測用積分器，如回應於濕度改變其値之電容，及一未改變該時間常數之比較用參考積分器。在該偵測電路之操作中，相同之脈衝信號係輸入至該二積分器；及由一微分放大器遞送來自個別積分器之輸出信號間之差値，及最大差値係另由一峰値保持電路輸出當作一直流電壓信號。如此，該偵測電路能基於該峰値保持電路之輸出電壓提供周圍之濕度。另一先前技藝之偵測電路範例係敘述在日本公用專利 (Kokai )第63-27720號。第2圖說明第63 -2 7 7 2 0號專利中所述用於重量偵測之偵測電路之電路圖。發明槪論近年來，積體電路技術已改進及藉著使用專用於信號處理等之處理器即可輕易地施行需要複雜乘積/加總運算之數位信號處理。既然此數位信號處理能使用軟體控制施行時間分割處理等，即可處理大量之複雜信號以精確地拫露各種資訊，而不需要較大型及增加成本之系統。然而，前述日本公用專利第63 — 108257及2 - 2 2 3 3 8號中所述每一偵測電路由其輸出端輸出一振幅與該物理量相依之類比信號或電壓。因此需用一額外之類比/數位（A/D )轉換器將該輸出電壓轉換成一數位信號，以便數位處理之。爲此緣故，假如導入諸如微電腦之數位處理裝置以處理該偵測電路之輸出，在其間需要諸本紙張尺度適用中國國苳標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — — — — — — — — — I — _ I I -y— I t !!11 *^1^. < (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526327 A7 B7 五、發明說明p ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如A/D轉換器之更複雜架構，如此造成整個系統增加尺寸及增加成本之問題。特別是需要對此偵測電路所輸出之大量信號即時施行平行處理時，必需平行地提供與來自該偵測電路之信號數目相等之A/D轉換器數目，造成上面之問題更爲明題。 •在另一方面，如第2圖所示，日本公用專利第63-2 7 7 2 0號中所述偵測電路包括一含有運算放大器 4 2 a，4 2 b之振還單兀4 2及一按照施加至該處之重量而改變電容之感測器4 1。回應於該感測器4 1電容中之變化而改變振盪單元4 2之振盪頻率。於該振盪單元 4 2中亦提供可變電阻器4 3以調整該振盪頻率之基數。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製該振盪電路4 2之輸出信號係輸入至一包含電晶體 4 6 a之放大器4 6。該放大器4 6放大該振盪單元4 2 之輸出信號以便具有一夠大之振幅，使得微電腦4 5中之計數器4 7可計數該振盪信號之波數。如此，該計數器 4 7於一預定時限期間計數該放大信號中之波數，及輸出一計數値至該微電腦4 5中之處理單元4 8。一電壓設定電路4 4依序設定一預定直流電壓。該直流電壓係輸入至該微電腦4 5中之A/D轉換器4 9，在此其轉換成一數位信號及然後輸出至該處理單元4 8。該處理單元4 8由該計數値計算該感測器4 1之電容，使用由該A / D轉換器4 9所輸入之數位値當作一轉換係數。在第2圖所示偵測電路中，該振盪單元4 2將該感測器4 1之電容變化轉換成頻率之變化。然後，該計數器本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^ ] 526327 A7 B7 五、發明說明θ ) 4 7計數來自該振盪單元4 2之頻率信號中之波數，以致該感測器41之電容變化可揭露爲一數位信號。請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁然而，在第2圖所示偵測電路中，任何寄生電容係不可避免地形成在該運算放大器4 2 a等之一輸入端。因此，當必得使用一具有極小電容之感測器4 1時，由於該寄生電容之影響，感測器4 1電容中之變化不會於輸出信號之頻率中感應一明顯之變化。特別是於預定時限中計數該振盪單元4 2所輸出信號中之波數以揭露該感測器4 1電容變化之方法中，只有頻率中之變化最終超過某一程度時，方纔代表波數中之變化。因此造成一項問題，其中當振盪頻率中之變化未達該程度時，將難以捕獲該感測器4 1 電容中之變化。人們考慮使該振盪單元4 2之振盪頻率變得較高及使用很高速度之計數器以便解決上述問題。然而，該解決方法將導致一更複雜之電路架構及因此導致一很昂貴之裝置。再者，當該振盪單元4 2之運算放大器 4 2 a及該感測器4 1在分開之晶片上形成時，如所論及之寄生電容變得相當大。因此，此一增加之寄生電容將使其難以於該振盪單元4 2中產生穩定之振盪。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製再者，於第2圖所示偵測電路中，所計算波數中之改變必須經由該處理單元4 8中之數位處理轉換成一値中之變化。然而，如上所述該振盪單元4 2之振盪頻率幾乎不能呈現一與該感測器4 i電容値之簡單比例關係。換言之，諸如平方及倒數運算之複雜運算必得在該處理單元4 8 中高速執行，以便即時揭露該感測器4 1電容中之變化。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐）經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526327 A7 ____ B7 五、發明說明p ) 因此’除非使用一特別昂貴及高效能之微電腦，該處理單元4 8之大部份能力將由於此運算而耗盡。本發明即用於解決先前技藝所固有之問題。據此，本發明之一目的係提供使用一振盪單元之偵測裝置之方法，其輸出頻率可靠地依諸如感測器電容之一阻抗而變化。本發明之另一目的係提供使用一振盪單元之偵測裝置及方法，其輸出頻率大致與諸如感測器電容之阻抗成比例地變化。本發明之另一目的係提供能不斷地捕獲一感測器電容中之變化而於簡單架構中不會失靈之偵測裝置及方法，而不管該感測器電容及寄生電容之値。本發明之又另一目的係提供使用一振盪單元之偵測裝置及方法，其輸出頻率依一感測器之電容而變化，其中該振盪單元能提供一方波，以致該振盪輸出振幅中之變化不會影響電容値之偵測。爲了達成本發明之目的，根據本發明，用以偵測回應於至少一感測器所偵測物理量而變化之感測器阻抗之裝置包含一阻抗-頻率轉換單元，用以將該感測器阻抗轉換成一頻率對應於該感測器阻抗之振盪信號；及包含一於預定時限內計數該振盪信號波數之計數器，以輸出一計數値，其中該阻抗-頻率轉換單元包括一含有該感測器阻抗之振盪器，用以產生一方波信號當作該振盪信號。在上述裝置中，該振盪器最好爲一包含有可變增益之放大器及該放大器之正反饋電路之維恩（Wien)橋式振盪器本紙張尺$適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---11111----· IJ— I Ji I ^ · 111-----· (請先閱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 526327 A7 B7 五、發明說明（？) ，其中該正反饋電路包含一用作該感測器阻抗之電阻器或電容器，及選擇該放大器增益及該反饋電路正反饋比之乘積，使其超過或等於1。再者，較佳的是該感測器阻抗之一端點連接至一參考電壓。上述裝置可另包含額外之感測器及計數器，其中該阻抗-頻率轉換單元另包括分別有額外感測器阻抗之額外振盪器，用以產生方波信號當作額外之振盪信號送至個別之額外計數器，該額外振盪信號之頻率分別對應於該額外感測器之阻抗。於該裝置中，該感測器最好係構成爲一諧振器列陣。在本發明之另一論點中，已提供一用以偵測依至少感測器所偵測物理量而變化之感測器阻抗之裝置，該裝置包含一阻抗-頻率轉換單元，用以將該感測器阻抗轉換成一振盪信號，其一頻率係對應於該感測器之阻抗；及包含一於預定時限內計數該振盪信號波數之計數器，以輸出一計數値，其中該阻抗-頻率轉換單元包括一用以提供對應於該感測器阻抗之輸出電壓之阻抗-電壓轉換器，及一含有可變阻抗元件之振盪器，其一阻抗係依該阻抗-電壓轉換器之輸出電壓而變化，用以產生該振盪信號。此外，該振盪信號之頻率係依該元件之各種阻抗而定。第二論點之裝置最好包含一位於該阻抗-電壓轉換單元及該振盪器間之電壓迭加單元，用以將一預定之直流電壓迭加至該阻抗-電壓轉換器之輸出電壓。所迭加之電壓係提供至該振盪器之可變阻抗元件。· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） • I----------· I ----J--訂----------· (請先閱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 526327 A7 B7 五、發明說明（7 ) 在第二論點之裝置中，較佳的是該振盪器之可變阻抗元件係由第一金屬氧化物半導體場效電晶體（ M〇S F E T)之漏一源極電阻所形成，藉著施加至其一柵極之電壓可變化該漏-源極電阻，且該電壓迭加單元包含具有一連接至接收對應於該感測器阻抗之輸出電壓之柵極及一連接至可變負載電阻器以提供迭加電壓至第一 MOSFET柵極之漏極之第二MOSFET。在該第二論點之裝置中，較佳的是該感測器阻抗爲一電容器及該阻抗-電壓轉換器包含（a )第一運算放大器，其具有一連接至由可變電壓發生器經過電阻器接收一輸入電壓及經由一電阻器連接至其輸出端子之倒相輸入端子，且並聯地連接至彼此之第一開關，及一連接至經由該感測器阻抗接收該輸入電壓及經由一開關接收一參考電壓之不倒相輸入端子，其中在關掉該開關期間可變化該輸入電壓，（b)第二運算放大器，其具有一連接至由可變電壓發生經過電阻器接收該輸入電壓及經由一電阻器連接至其輸出之倒相輸入，及並聯地連接至彼此之第二開關，及一連接至參考電壓端子之不倒相輸入，與（c )第三運算放大器，其具有一連接至由第一運算放大器接收一輸出電壓之不倒相輸入，及一連接至由第二運算放大器接收輸出電壓及經由一可變電阻器連接至一輸出之倒相輸入，且並聯地連接至彼此之第三開關，其中該輸出係連接至第二 M〇S F E T之柵極，及打開該第一至第三開關以重新設定該阻抗-電壓轉換單元及在開始該阻抗之測量前關掉。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） -10 - --------—II · I —i I !ϊ I ^ « — — — — — — I— . (請先閱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 526327 A7 B7 五、發明說明（8 ) 於重新設定或起始週期間打開該第一至第三開關及在開始一測量週期之前關掉。根據本發明，回應於一感測器所偵測物理量之變化以偵測一感測器電容之方法包含下列步驟：（a )將該感測器電容轉換成一對應之電壓，（b)回應於所轉換之電壓變化一元件之電阻，（c )由一回應於該元件之阻抗而變化之振盪器產生一頻率信號，（d)在預定時間中計數來自該振盪器之頻率信號之波數，藉此該感測器電容係轉換成呈數位形式之振盪頻率信號。圖面簡述第1圖說明先前用以偵測感測器電容之偵測裝置方塊圖；第2圖係另一說明先前用以偵測感測器電容之偵測裝置方塊圖；第3圖顯示一根據本發明槪要地說明用以偵測感測器電容之偵測裝置方塊圖；第4圖說明一可用作第3圖所示裝置之振盪信號產生單元之維恩橋式振盪器詳細構造；第5圖係於第4圖所示維恩橋式振盪器之模擬範例中說明閉環增益A及振盪頻率間之關係曲線圖；第6圖係依各種閉環增益而定之曲線圖，每一曲線圖說明第4圖所示模擬維恩橋式振盪器之感測器電容及振邊頻率間之關係；本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------裝·！·--J--訂·-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526327 A7 B7 五、發明說明（9 ) 第7圖係一諧振器列陣構成感測器之平面圖； (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第8圖說明第7圖所示模擬諧振器列陣之振盪頻率及振幅間之關係曲線圖；第9係第7圖所示部份諧振器列陣之一槪要橫截面視圖， .第10圖說明該諧振器列陣之感測器電容中之變化曲線圖，第1 1圖係使用第7圖所示諧振器列陣及第4圖所示振盪器之感測器電容偵測裝置方塊圖；第1 2及1 3圖說明可用作第3圖所示裝置之振盪信號產生單元之振盪器電路圖；第1 4圖說明第3圖所示裝置之另一振盪信號產生單兀構造之方塊圖；第1 5圖顯示用以說明第1 4圖中振盪信號產生單元之時間圖；第16圖說明第14圖所示電壓輸出電路模擬範例之感測器電容及輸出電壓間之關係曲線圖；第1 7圖係第1 6圖所示之一放大曲線圖；經濟部智慧財產局員工消費合作社印製第1 8圖說明第1 4圖所示電壓輸出電路之測試範例中所獲得感測器電容及輸出電壓間之關係曲線圖；及第1 9圖說明第1 4圖所示振盪信號產生單元模擬範例中之感測器電容及振盪頻率間之關係曲線圖。元件對照表：本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 526327 - A7 B7 五、發明說明（10 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 偵測裝置 2 數位信號處理裝置 3 振盪信號產生單元 4 計數器 5 峰値保持單元 6 電容轉換器單元 7 振幅偵測單元 8 感測器 9 運算放大器 9 a 不倒相輸入端子 9 b 倒相輸入端子 1 〇輸出端子 1 1 電路 1 2 輸入端子 2 0 諧振器列陣 2 1 第一隔膜 2 2 第二隔膜 2 3 橫樑 2 4 側樑 2 5 樑式電極 2 6 固定式電極 3 1 電阻器 3 2 電阻器 3 3 電阻器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -13- 526327 , A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製五、發明說明（11 ) 3 4 電阻器 3 5 電容器 3 6 電容器 3 7 第一阻抗部份 38 第二阻抗部份 39 接地端子 4 0 電容器 4 1 感測器 42 振動單元 4 2a •運算放大器 42b 運算放大器 43 可變電阻器 44 電壓設定電路 4 5 微電腦 4 6 放大器 46a 電晶體 4 7 計數器 48 處理單元 49 類比/數位轉換器 51 振動單元 5 2 頻率一電壓轉換器 53 對數式放大器 54 濕度感測器 60 可變電壓發生器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） :14—- 526327 - A7 _ B7 五、發明說明02 ) 70 電壓輸出電路 80 電壓加法電路 9 0 振盪器。施行本發明之最佳模式第3圖係根據本發明大致說明一偵測系統之方塊圖，其包含一偵測裝置1及一數位信號處理裝置2。該偵測裝置1係由一具有感測器8之振盪信號產生單元3及一計數器4所構成，及提供一對應於由該感測器8所偵測物理量並可用該數位信號處理裝置2直接處理之數位信號。該數位信號處理裝置2係由一峰値保持單元5、電容轉換器單元6、及一振幅偵測單元7所構成，及基於該計數器4所提供之信號辨識該感測器所偵測之物理量。該電容轉換器單元6係一由該峰値保持單元5所提供之峰値電壓計算一電容値之裝置。該振幅偵測單元7係一由該電容轉換器單元6之電容値計算一諧振信號振幅之裝置。第4圖說明倂入第3圖所示偵測裝置1之振盪信號產生單元3第一實施例之電路圖。該單元3係用作一維恩橋式振盪器，並藉著一具有頻率選擇性之反饋電路網施加一正反饋至一放大器。更特別地是該反饋電路網係由包含電阻器3 1及電容器3 5之串聯電路之第一阻抗部份3 7、及由電阻器3 2及電容器3 6之並聯電路所組成之第二阻抗部份3 8所形成。該反饋電路網施加一正反饋至一運算放大器9之不倒相輸入端子或節點9 a.，而藉著第三及第本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -- 526327 、 A7 B7 五、發明說明（13 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 四電阻器3 3及3 4施加一負反饋至該運算放大器9之一倒相輸入端子或節點9 b °第二阻抗部份3 8之一端點連接至一接地端子3 9，及藉著第3圖所示感測器8構成其電容器3 6。在具有第4圖所示感測電容器3 6之維恩橋式振盪器 3中，可藉著下列方程式表示具有負反饋之放大器增益’ 亦即一閉環增益A : A = l+R4/R3 ......(1) 於該方程式（1 )中，R3及R4分別爲該電阻器3 3及 3 4之電阻。包含該感測器電容之整個振盪器之增益G係以下列方程式表示成該閉環增益A及藉著該反饋電路網之一正反饋比之乘積： G = (1+R4/R3)/(1+R1/R2 + C2/C1) ......(2) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印¾ 於該方程式（2)中，R1及R2分別爲該電阻器3 1及 3 2之電阻，及C 1及C 2分別爲該電容器3 5及3 6之電容。當該增益G大致爲>1"時’該振盪器3之振盪頻率f可藉著下列方程式表示： f=l/(2 π )*(C1*C2*R1*R2)*1/2 ...... ( 3 ) 本纸張尺度適用中國國寥標準（CNSW規格（210 X 297公釐） 526327 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（14 ) · 一般設定振盪器各元件之個別常數，致使增益G總是大於1。然而，實驗顯示當該增益G增加至遠超過1時，第4圖所示維恩橋式振盪器3之振盪頻率逐漸偏離方程式 (3 )所示之理論値。當施行其詳細分析時，吾人認爲該現象係局部由於該運算放大器9之非線性等所促成。第5圖顯示一振盪頻率f及閉環增益A間之關係曲線圖，其與第4圖所示振盪器3之模擬範例中之增益G成比例，在此其假設R1=R2=R3=50千歐姆、Cl= 100非（毫微微）法拉、C2 = 50非法拉、及R4係可變的。當該增益G等於1時，亦即當該閉環增益A等於 2 . 5時，該模擬範例中之振盪頻率f大約4 5兆赫。所獲得之4 5兆赫頻率大致等於由該方程式（3 )所計算獲得者。然而，當該閉環增益A由2.5逐漸增加時，所獲得之振盪頻率如第5圖所示逐漸變得較低。第6圖說明對第4圖所示振盪器3模擬範例中各種閉環增益A之電容器3 6電容C 2及振盪頻率ί間之關係曲線圖，在此其設定R1=R2 = R3 = 5 0千歐姆及C 1 =100非法拉。如第6圖所示，只要C2約200非法拉或更多，由於該閉環增益A中之變化而不會大幅改變該振盪頻率f。在另一方面，當C 2大約少於2 0 0非法拉時，頻率f變化對C 2變化之比依該閉環增益A之不同値而大幅變化。譬如，對於C2 = 3 00非法拉，當A爲 2 . 5時頻率f爲1 · 84兆赫，當A爲1 1時頻率f爲 1 1 . 8 3兆赫，在該二情況之間未呈現値得注意之差別本紙張尺度適用中國國事標準（CNS)A4規格（210>< 297公釐) 「竹· -------------裝---：---：--訂--------- (請先閱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制衣 526327 A7 __ B7 五、發明說明c15 ) 。然而，當C 2在由2 0 0非法拉至1 0非法拉之範圍時 ’當A爲2·5時頻率f由22·5兆赫大幅改變至 100兆赫，而當A爲11時頻率ί僅只由13 · 98兆赫改變至1 9 · 8 6兆赫。因此可能藉著改變該閉環增益 Α調整其靈敏度，亦即振盪頻率f變化對電容c 2變化之比。使用該電阻器3 3或3 4之一可變電阻器或藉著用其他電阻器更換這些電阻器可變化該閉環增益A。第3圖所示感測器8 (或第4圖所示電容器3 6 )可構成爲一諧振器列陣。第7圖係一可用於根據本發明偵測系統之諧振器列陣2 0之平面圖，其已由本發明家及他人事先提出。該列陣2 0包含由單一橫樑2 3所耦合之第一隔膜2 1及第二隔膜2 2及多數彼此具有不同長度之側樑 2 4，側樑2 4係以預定間隔平行地排列及大致正交於該橫樑2 3。架構該諧振器列陣2 0以人工地複製人類之聽覺系統及大致作用如下。當該第一隔膜2 1設有一於聲頻頻帶內之震動信號時，該震動信號係經由該橫樑2 3從第一隔膜 2 3從第一隔膜2 1傳送至第二隔膜2 2。當正在該傳送過程時，各個例樑2 4開始在其各自之諧振頻率震動。換言之，該側樑2 4由所傳送之震動信號吸收大致與其各自譜振頻率一致之頻率分—以便震動，藉此該輸入之震動信號係分成各個頻率分量。第8圖說明在該側樑2 4之震動振幅爲頻率f之一函數之曲線圖。如由該曲線圖亦爲明顯的是當偵測某些側樑2 4之震動振幅時，可由輸入該第一本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） •丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨 I.丨丨I*—丨^^ I丨—丨丨II丨· . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526327 、 A7 __ B7 五、發明說明〇6 ) 隔膜21之震動信號擷取及顯示特定之頻率分量。第9圖係設計供偵測一側樑2 4之機械式震動振幅W 之感測器8槪要橫截面視圖。如第9圖所示’該感測器8 包含一放在該側樑2 4底部表面上之樑式電極2 5，及一面對該樑式電極2 5之固定式電極2 6。具有此架構，一電容器係形成於該樑式及固定式電極2 5及2 6之間。當該二電極2 5，2 6間之距離D回應於側樑2 4之震動而變化時，該電容器之電容亦與該距離D成反比地改變。這意指架構一感測器8使其根據所偵測之機械震動改變其電容。第9圖所示之感測器8能用作第4圖所示振盪器3中之電容器3 6。第1 0圖說明第9圖所示感測器8所形成電容器3 6 之電容C 2變化爲時間函數之一曲線圖。如第1 0圖所示，該電容器3 6之電容C 2於一週期中在最大電容 C m a X及一最小電容C m i η之間變化，該週期係與該側樑2 4之機械震動週期Τ 一致。當該零容器3 fi呈現如第1 0圖所示變化之電容C 2時，，該振盪頻率f如第6圖所示回應於該閉環增益A而變化。更特別地是該振I頻率 f採取一對應於該最大電容Cm a X之最小頻率f m i η 及一對應於該最小電容Cm i η之最大頻率f ma X。如上所述，設定第4圖中振盪器3之元件，以致該增益G總是大於1。因此，該振盪器3之輸出振盪振幅由供電時間單調地增加，及因此由該振盪單元3之輸出端1 0 (看第4圖）輸出一脈衝式振盪波形信號，其振幅係在一本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱! - ^ - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝經濟部智慧財產局員工消費合作社印製經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526327 A7 ___ B7 五、發明說明（17 ) 電源電壓下飽合。第3圖所示計數器4接收該脈衝式波形信號及在一預定時限內計算該信號內所包含之脈衝或波數。可藉著一簡單之電路提供該計數器4，諸如一常見具有歸零功能等之二進位計數器。更特別地是該計數器4接收該脈衝式波形信號當作一輸入時鐘信號及一具有預定週期之歸零信號，以重新設定該計數器4及計數該預定週期之時鐘信號。於該案例中，假如該計數器輸入譬如8位元之二進位信號，該計數器能計數高達2 5 5個時鐘信號。因此，該振盪頻率f可由該計數器4轉換成用二進位之數位信號所表示之計數器，及如此該計數値可直接輸入至第3 圖所示之數位信號處理裝置2。如先前參考第3圖所述，該數位信號處理裝置2包含該峰値保持單元5、該電容轉換器6、及該振幅轉換單元7。然而該數位信號處理裝置 2可能設有一專用之處理器，可於另一選擇中使用一微電腦供另外施行其他控制等。該計數器4所輸入之計數値具有一對應於該最小頻率 f m i X及因此對應第8圖中最大電容Cm a X之最小計數値CNTmi η，及一對應於該最大頻率fmax及因此對應第8圖中最小電容C m i η之最大數計數値 C N T m a X。如此，該峰値保持單元5偵測該最小計數値CNTm i η及該最大計數値CNTm i η，及將其保持在該單元5之暫存器中。該電容轉換器單元6將該最大計數値CNTma X轉換成最小電容Cm i η，及將該最小計數値CNTm i η 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） ----------丨丨 •丨丨I - *^丨訂-------· (請先閱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 526327 Α7 Β7 五、發明說明（18 ) 轉換成最大電容Cm a X。爲施行這些轉換，如第6圖所示該電容C 2及振盪頻率f間之相互關係，亦即該電容 C 2及該計數器4之計數値間之相互關係必須事先儲存於該數位信號處理裝置2所提供之記憶體中，而對應於第4 圖所示該振盪器3之閉環增益A，然後，可使用該計數値 CNTma X及CNTm i η當作位址以由該記憶體取回該電容C 2，藉此可完成該轉換。如此推得之電容Cma X及Cm i η係分別基於第9 圖所示二電極2 5及2 6間之距離D。於下一步驟中，該振幅偵測單元7將該最大電容Cma X轉換成最大距離 Dm i η，及將該最小電容Cm i η轉換成最大距離 Dm a X。雖然能以類似上述之方式使用該數位信號處理裝置2所提供之記億體同樣地施行這些轉換，可由一表示該電容器電極間之距離及其電容間之關係方程式計算該最小及最大距離。藉著計算該最大距離Dm a X及最小距離 Dm i η間之差値，可揭露該側蹲2 4之振幅W，藉此使其可能在施加至該諧振器列陣2 0隔膜2 1之震動信號內偵測具有特定頻率分量之信號振幅。如上面所說明，該諧振器列陣2 0把輸入震動信號分成各頻率分量，及在該側樑2 4平行地輸出該頻率分量當作具有振幅W之機械震動。因此，爲即時偵測該輸入震動信號中所含之各個頻率分量，必須藉著上述方法平行計算該側樑2 4之振幅W。第1 1圖說明一設計供偵測振幅W 之裝置之局部方塊圖.。第1 1圖中之每一電路1 1係與第本纸張尺度適用中國國寥標準（CNSM4規格(210 X 297公釐) -21 - ------------：裝—丨丨丨—訂---------^^^1· {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526327 A7 B7 五、發明說明（19 ) 請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁 4圖所示電路部件1 1相同，及如此除了該電容器3 6外與該振盪單元電路3相同。該諧振器列陣2 0係由導電構件製成，其一部份連接至該接地端子3 9。彼此並聯排列之局部電路1 1之輸入端子1 2係在該側樑2 4之前導端連接至面對該電極2 5之固定式電極2 6。具有此架構，由該電路11之輸出端子10係以類似參考第4圖所說明之方式平行地輸出脈衝信號，以致該信號係輸入該計數器 4。如此，可對該頻率分量平行地導出個別之振幅。在使用第4圖所示振盪器3及計數器4之偵測裝置1 中，該電容器3 6之感測器電容C 2係輸出成由二進位數値所表示之計數器値。既然當該計數値在該數位信號處理裝置2時可處理之，即可省略任何曾經需要之A / D轉換器。特別是當使用第1 1圖所示諧振器列陣2 0時，既然該側樑2 4之振幅W係輸出爲數位計數値，可省略多數A /D轉換器，藉此使其架構更簡單。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製在使用第4圖所示振盪器3及計數器4之偵測裝置1 中，該振盪器3之增益G係設定爲大於1，以致由其輸出端10輸出一脈衝信號。該計數器4藉著決定該波超過一預定閾電壓之時間點計算該波數。因此，對於一來自該振盪單元3之脈衝式輸出信號，由於來由該振盪單元3之輸出振幅變化，可防止該決定時間點在時間軸方向位移。當產生脈衝式輸出信號之振盪器3係用作該電路1 1時，因爲防止該決定時間點之位移而可能正確地顯示該側樑2 4 之振幅値W。再者，該振盪器3之輸出信號總是爲一藉著本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱）經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526327 A7 一 B7 五、發明說明户）電源電壓所飽合之脈衝信號。如此，縱使呈現干擾、老化改變、局部變異等，該輸出信號之振幅將必定超過該閾電壓。如此防止該計數器4中發生錯誤之計數。雖然該維恩橋式振盪器3之振盪頻率f回應於該電容 C 2中之變化而變化，該頻率f之變動容差係受限於該計數器4之運算速度。這是因爲當該頻率ί過高時，該計數器4難以計數每一脈衝而無遺漏。在另一方面，既然該電容C 2之一改變量係由該感測器8之特性所示，一般難以控制該電容C 2供調整該振盪頻率f之變化範圍。然而於該探測器裝置1中，可藉著改變該振盪器3之閉環增益A 按照該計數器電路4之運算速度調整該振盪頻率之變化範圍。再者，既然只要該增益G爲1或更多即總是輸出相同之脈衝波形，故可調整其變化範圍而未造成任何其他不便〇在該偵測裝置1之振盪器3中，藉著該感測器8構成一端連接至該接地端子3 9之電容器3 6。因此，當隨同該電路1 1使用多數感測器8以形成第1 1圖所示各個振盪器3時，每一感測器8之一端點能連接至一共用電線。假如多數感測器8類似該諧振器列陣2 0形成在一矽晶片上，可輕易地形成一端點已事先彼此連接之感測器。因此，假如此感測器8用於形成多數振盪器3，該感測器之互相連接端點可在一點連接至該接地線3 9。這消除分別連接該感測器8之一端點至接地線3 9之費力操作，藉此使其可能顯著簡化該偵測裝置1之架構。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -I----I-----裝.—丨，丨丨I*丨丨訂·丨丨丨丨丨丨丨· . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526327 * A7 B7 五、發明說明？1 ) ------------裝·丨I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 假如該偵測裝置1只有單一振盪器3具有感測器8 ’ 第4圖中諸如該電阻器3 1或電容器3 5之另一電氣元件可構成爲一用以控制該控制該振盪頻率f之感測器元件8 。再者另一選擇是所有該電氣元件可構成爲感測器元件8 0 在先前之實施例中，該感測器8係形成爲該電谷器 3 6，其電容C 2由於所感測物理量之變化而改變。然而，該感測器8未受限於所述形式。另一選擇是譬如可能利用一具有電阻之感測器8，該電阻由於所感測物理量之變化而改變。雖然用作多數感測器8之諧振器列陣2 0 (第 7及9圖）亦藉著所偵測之機械震動改變其電氣特性，其可能除了前述者以外使用由於變化濕度、溫度、磁性、壓力、光線、氣體、及任何其他物理量而改變其電氣特性之各種感測器8。經濟部智慧財產局員工消費合作社印；再者，該振盪器3未受限於一維恩橋式振盪器，及可使用另一振盪器型式取代之。譬如可使用第1 2圖所示利用運算放大器之方波振盪器。在該案例中，至少任一電容器40及電阻器41，42，43可構成爲該感測器8，因此該感測器8所偵測物理量之_化可輸出爲一方波振盪信號之基頻變化。另一選擇是可使用第1 3圖所示之用一史密特（Schmidt )互補金屬氧化物半導體（CMO S )方波振盪器。於該案例中，當至少一電容器4 6及一電阻器 4 5構成爲一感測器8時，該感測器8所偵測物理量之變化可輸出爲該方波振盪信號之基頻變化。譬如當一端點連 :24 · 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 526327 、 Α7 _ Β7 五、發明說明户） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 接至地線3 9之第1 2或1 3圖電容器4 0或電容器4 6 元件係構成爲一感測器8，及該偵測裝置1係構成包括多數含有多數平行排列感測器8振盪單元3時，可大幅簡化該裝置，因爲該感測器8之一端點可事先在矽晶片上之一位置一起連接至地線，如同該諧振器列陣2 0之案例。代替連接感測器元件之一端點至該地線，亦可能將其連接至諸如如正極或負極電源線之另一參考電壓線，藉此可簡化該裝置。於該偵測裝置1中可使用其他不同之振盪器。當利用一感容（L C )振盪單元時，可能採用此一由於所偵測物理量之變化而改變其電感之感測器。再者，假如該振幅大於一閾電平，甚至可利用一提供有振幅小於電源電壓之脈衝信號或具有正弦波信號之振盪單元。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製已架構該偵測裝置1之一測試範例使用第4圖所示之每一振盪器3及如第7圖所示感測器8之諧振器列陣。每一振盪單元3各元件之個別常數如下：R1=R2=R3 =50千歐姆、R4=500千歐姆、及Cl=l〇〇非法拉。因此，該閉環增益A係計算爲1 1。該計數器4計算波數之週期（參考時限）係選擇爲6 · 7微秒。在該測試裝置中，5千赫之正弦波施加至該諧振器列陣2 0之第一隔膜2 1，當作一偵測信號。於該案例中，在該5千赫正弦波每週期3 0點處計算波數，其中最大計數器CNTmax爲134，及最小計數値CNTmi η 爲7 8。由該計數値CNTma χ及CNTm i η導出最 -25 - 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） 526327 A7 B7 五、發明說明f3 ) 大頻率fmax = 2 0 · 〇兆赫及最小頻率fmi n = (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 1 · 6兆赫。由他們另外獲得該電容器3 6之電容C 2 由等於1 0非法拉之最小電容Cm i n ( Cm i n = 1 〇非法拉）變化至等於5 0 0非法拉之最大電容Cma x ( Cmax=500非法拉）。然後，如上述基於該電容 C m i η及C m a X可揭露該諧振器列陣2 0中所形成側樑2 4之振幅W。當該閉環增益A選擇爲1 1時，其振盪頻率f之變化範圍由1 1 · 6兆赫延伸至20 · 0兆赫，這呈現一可藉著多用途之高速互補金屬氧化物半導體晶片 (CMO S - I C )式計數器等充分計數之頻率區。再者假如已平均，既然該波數之一次計數對應大約等於9非法拉之電容改變，可用一充分之分辨力達成偵測。此外，既然可藉著具有8位元二進位輸出之計數器計算波數，亦可簡化該計數器4之架構。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製第1 4圖係根據本發明說明第3圖所示該偵測裝置1 之振盪信號產生單元3之另一實施例方塊圖，其包含一可變電壓發生器6 0、一電壓輸出電路7 0、一電壓加法電路80、一振盪器90，及一控制單元（未示出）。該振盪器9 0由一輸出端子OUT 9至第4圖所示計數器4提供一振盪輸出信號F 〇 u t ，及該計數器4依序於一預定時限內計算該信號F 〇 u t之波數。該控制單元控制該可變電壓發生器6 0、該電壓輸出電路70、及該振盪器 9 0。該可變電壓發生器6 0產生電壓Vh或Vh+AV 當作該電壓輸出電路7 0輸入端子I N 7之一輸入電壓本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 526327 A7 ___, B7 五、發明說明（24 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) V i η。該控制單元控制該電壓輸出電路7 0及該振盪器 9 0中之開關打開/關閉。該控制單元可控制該計數器4 之一重置或歸零運算（第3圖）。該電壓輸出電路7 0包含第一至第三個運算放大器〇Ρ4 — ΟΡ6。一電阻器Ri 1連接於一電壓輸入端子或節點（V i η )及該第一運算放大器〇p 4之倒相輸入端子或節點之間，而一包含並聯連接至彼此之電阻器 R f 1及開關SW1 1之反饋電路係連接在一輸出端子或節點及該第一運算放大器Ο P 4之倒相輸入端子之間。由於所感測物理量之變化（譬如壓力、震動、溫度、氣體密度等）而變化其電容C s之感測器8係連接在該運算放大器〇P 4之一不倒相輸入端子或節點及該電壓輸入端子 I N 7之間，該不倒相輸入端子係經由一開關S W 1 2連接至一參考電壓端子Vh (其提供該參考電壓Vh)。如此，上述各零組件構成一用以將該感測器8之電容C s轉換成一輸出電壓V1之電容/電壓轉換器電路。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製一電阻器R i 2連接於該第二運算放大器0P 5之一倒相輸入端子或節點及該電壓輸入端子I N 7之間，而一包含並聯連接至彼此之電阻器R f 2及開關SW1 3之反饋電路係連接在一輸出端子或節點及該第二運算放大器〇P 5之倒相輸入端子之間。該運算放大器Ο P 5之不倒相輸入端子或節點係連接至該參考電壓端子Vh。該第一運算放大器Ο P 4之輸出端子係經由彼此串聯連接之分壓電阻器R.h 3及R g 3連接至一參考電壓端子本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 526327 A7 ______ B7 五、發明說明f5 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Vh ’及其一接點係連接至第三運算放大器op 6之一不倒相輸入端子或節點。該電阻器R h 3具有一固定式電阻 ’而該電阻器R g 3係形成爲一電位器及如此具有可變之電阻。該第二運算放大器ο P 5之輸出端子係經由一電阻器R i 3連接至該第三運算放大器0P 6之一倒相輸入端子或節點。一包含並聯連接至彼此之可變電阻器R f 3及開關SW1 4之反饋電路係連接在一輸出端子或節點及該第二運算放大器〇 P 6之倒相輸入端子之間。該電壓加法電路8 0譬如包含一 N型溝道增強式金屬氧化物半導體（MOS)電晶體T29。該電晶體T29 具有一連接至該電壓輸出電路7 0之輸出端或節點之柵極 ’亦即該運算放大器0 P 6之輸出端係連接至該電晶體 T 2 9之柵極。該電晶體T 2 9之源極係連接至地線 G 3 4。該電晶體T2 9之漏極經由負載可變電阻器Rlev 連接至供給電壓+VDD之正電源端子VDD，及因此用作該電壓加法電路8 0之輸出端或節點。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製該振盪器9 0基本上係形成爲一維恩橋式振盪器。換言之，彼此串聯連接之一電阻器Rw 1及一電容器Cw 1 係連接在一不倒相輸入端子或節點及第四運算放大器〇P7之一輸出端子或節點之間。一開關SW15係與該 Rw 1 — Cw 1串聯電路並聯地連接。一電容器Cw2及一MOS電晶體T30、並聯地連接至該電容器Cw2之漏極及源極係耦合於該運算放大器〇 P 7之不倒相輸入端子及一參考電壓端子Vh之間。該電阻器Rwl、電容器本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 526327 - A7 B7 五、發明說明户） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Cwl及Cw2、及該電晶體T30漏一源極之一電阻構成該維恩橋式振盪器之一 C R反饋電路網。該電晶體丁 3 0與該電晶體T 2 9爲相同型式（亦即N型溝道增強式）。該電晶體T30具有一連接至該電壓加法電路80 之輸出端子之栅極，亦即該電晶體T2 9之漏極。再者，一電阻器Rw 2係連接於該運算放大器Ο P 7之一倒相輸入端子或節點及一參考電壓端子V h之間，及一電阻器 Rw 3係連接於該放大器〇P 7之倒相輸入端子及輸出端子之間。該運算放大器Ο P 7之輸出端子係連接至該振盪器90之一輸出端子或節點。經濟部智慧財產局員工消費合作社印製來自該振盪器9 0之輸出信號Font係提供至該計數器 4 (第3圖），在此以預定時限計數該信號Font之波數。如上述參考第3圖，該計數器4譬如可爲具有歸零端子之常見二進位計數器，其由該輸出端子OUT 9接收該信號 Fout當作一輸入時鐘信號，計算該信號之波數直至一歸零信號由該控制單元每隔一預定時限提供至該歸零端子，及然後立即在該歸零時限之前輸出所獲得之計數値。如此，該計數器4能對應於該信號Fout之頻率輸出二進位之數位信號。所有參考端子V h係連接至相同之電壓線以提供相同之電壓V h。該控制單元譬如可由一微電腦及一激勵電路所提供。該控制單元可提供相同之控制信號c T R L以切換各個開關 SW1 ，SW12，SW13，SW14，SW15 之 -29 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 526327 A7 B7 五、發明說明θ7 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 控制端子 SWlla，SW12a，SW13a， SW14a，SW15a，以致其在相同定時下打開或關閉。該控制單元亦控制該電壓發生器6 0以產生該電壓 V h或V h + AV當作該輸入端子I N 7之輸入電壓 V i η。其次將說明第1 4圖所示振盪單元3之運作。第1 5 圖說明該控制單元施加至各個開關SW11—SW15之所有切換控制端子SW1 1 a - SW1 5 a之控制信號 CTRL狀態、輸入至該電壓輸入端子IN7之電壓經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 V i η、及由該輸出端子0UT9所輸出信號Fout之定時圖。達到時間T 1時，該控制單元在高電平提供該控制信號C T R L以維持所有開關S W 1 1 - S W 1 5打開。當該開關在打開狀態時，該控制單元控制該可變電壓發生器 6 0以提供該電壓V i n = Vh至該電壓輸入端子I N7 。再者，基於該開關之打開狀態，該運算放大器〇P 4 -〇P 7之輸出係在該參考電壓V h及因此來自該輸出端子 OUT 9之輸出信號Font係保持在Vh。因此已起始該振盪單元3。於該案例中，倘若在該電壓輸入端子I N7及該控制單元之間造成一高阻抗狀態，亦可能藉著該控制單元獨自施加該參考電壓V h至該電壓輸入端子I N 7。其次，在·時間T 1，該控制單元將該控制信號 CTRL改變至一低電平，導致關閉各個開關SW11— S W 1 5。於該開關S W 1 1 — S W 1 5之開關狀態期間，藉著下列方程式表示該第一運算放大器〇 P 4之輸出電 -3ϋ- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526327 ~ Α7 Β7 五、發明說明（28 ) 壓VI ，在此Vpl係在該放大器0P4之不倒相輸入端子之電壓：

Vl=-(Rfl/Ril)(Vin-Vpl) + Vpl ……(4 ) 當Rf 1及Ri 1相同或Rf 1/Ri 1 = 1時，上面方程式（4 )變成：

Vl = -Vin + 2VP1 ……（5 ) 倘若Ri 2/Ri 2 = 1，藉著下列方程式表示該第二運算放大器〇P 5之輸入電壓V 2 : V2 = -(Rf2/Ri2)(Vin-Vh) + Vh = -Vin + 2Vh ……(6 ) 藉著下列方程式表示該第三運算放大器Ο P 6之輸出電壓値 V 〇 u t :

Vout = K(Vl-V2) + Vh ……(7 ) (在此 K = Rg3/Rh3 = Rf3/Ri3 ) 其次，在該時間T 1 +ΔΤ，由該可變電壓發生器 6 0至該電壓輸入端子I N7之電壓V i η係由該參考電本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -31 - I I I I--丨丨---- I— - I -訂·!ί — - (請先閱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 526327 、 A7 _ B7 五、發明說明（29 ) 壓V h改變至一較高之預定電壓V h + AV。既然該電路中之電壓係處理爲一與該參考電壓V h之差値，在下列敘述中假設Vh = 〇。當Vh = 〇時，在該第一運算放大器〇 P 4之不倒相輸入端子之電壓v p 1係表示爲：

Vpl = A V*Cs/(Cs + Cp) ……(8 ) 在此，C p係一形成在該感測器8及該運算放大器Ο P 4 間之一聯接處之寄生電容。然後，將該方程式（7 )分別代入前述方程式（4)及（5)，其中Vh = 〇，導出下列方程式：

Vl=-Vin + 2A V*Cs/(Cs + Cp) V2 = -Vin 藉著將該方程式代入該方程式（6 )即可導出該電壓輸出電壓7 0之輸出電壓Vo u t如下：

Vout = 2K*A V*Cs/(Cs + Cp) ...... ( 9 ) 當該感測器8及該第一運算放大器〇 P 4係形成在各個分開之晶片上時，於該二者之一連接部份所形成之寄生電容C p大致在於1皮（微微）法拉至約1 〇〇皮法拉或更多之範圍中。在另一方面，既然該感測器8之電容C s 本紙張尺度適用中國國琴標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — — — — — — — — — — I — · I I 1·1 I ·11111111 (請先閱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 526327 . A7 ___ B7 五、發明說明（30 ) 大致在約由1非（毫微微）法拉至數百非法拉之範圍中，及如此保持Cp>>Cs，該方程式（9)中之Cs/( Cs + Cp)可逼近至Cs/Cp。因此，該電壓輸出電路7 0之輸出電壓V 〇 u t可表示爲：

Vout = 2K*A V*Cs/Cp ......(10) 如由該方程式（1 0 )明顯看出者，該輸出電壓7 0產生與該感測器8之電容C s成比例之輸出電壓V 〇 u t。方程式（1 0 )指出由第三運算放大器OP 6可導出與該感測器電容C s成比例之電壓。應注意的是當V h # 〇時，該方程式（1 0)變得更複雜。既然於Vh#0之案例及 Vh = 〇案例中之運算原理相同，已省略Vh尹0案例中代表Vout之方程式。第1 6圖說明一感測器8之電容C s及該輸出電壓電路7 0模擬範例之輸出電壓V 〇 u t間之關係曲線圖。第 1 7圖係以一放大視圖只說明第1 6圖中一部份曲線圖之曲線圖，在此該感測器8之電容C s爲1 0 0非法拉或更少。於該模擬電路中，已假設利用之

Ril:Rfl=Ri2 = Rf2 = Rh3 = Ri3 = 10 千歐姆及 Rg3=Rf3 = 1百萬歐姆之可變電阻器，及該Rg 3與R f 3係調整至滿足Rg3/Rh3=Ri 3/Ri 3。亦由第16及 1 7圖所示曲線圖明顯看出者，應了解的是該感測器8之電容C s及該輸出電壓V 〇 u t大致呈比例關係，如該方本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） • I I---------r · I J I I ! I I ^ ·11111111 · (請先閱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 526327 A7 ____ B7 五、發明說明（31 ) 程式（1 0 )所示。當該感測器8之電容c S很小至等於 1 〇 0非法拉或更少時，該比例關係保持均等。於第1 6 及1 7圖中，該寄生電容係假設爲2 0皮法拉，及Vh = Vdd/2 = 2 · 5伏特。因此，假如Cs爲零， v 〇 u t約2 · 5伏特。其次該電壓輸出電路7 0之輸出電壓係輸入至該電壓加法電路8 0之電晶體T 2 9柵極。藉著在柵極電壓 v 〇 u t及電阻Rlev控制下流動之漏一源極電流決定該電晶體T 2 9之柵極至漏極電壓。呈直流電壓之柵極至漏極電壓係加至該電壓V 〇 u t然後輸出爲一輸出電壓 V 1 e v至該振盪器9 0。可藉著下列方程式表示該電壓 v 1 e V之一理論値：

Vlev = VDD-(l/2)Rlev* β l(Vout-Vt)2 ……(11) 於該方程式（1 1)中，石1及Vt係電晶體T29之一增益係數及閾電壓。如上面方程式（1 1 )所示，該電壓 V 1 e V理論上與V 〇 u t及V t間之差値平方成比例地改變。然後該輸出電壓V 1 e v提供至該電晶體T 3 0之柵極。藉著下列方程式使用該電壓V 1 e v表示該電晶體 T 3 0之一理論開啓電阻R ο η :

Ron = Vp4/[ β 2{ Vlev.Vt}Vp4-(l/2)Vp4}2] ……（12) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------丨裝·丨 J------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526327 A7 ___ B7 五、發明說明（32 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 於該方程式（1 2 )中，Vp 4係在該運算放大器0P 7 之不倒相輸入端子之電壓。如將由該方程式（1 2 )所了解者，該電阻Ro η理論上與V 1 e v及V t間之差値倒數成比例地改變。該電阻R ο η於該維恩橋式振盪器9 〇之C R反饋電路網中具有一電阻元件之功能。因此，藉著下列方程式表示由該輸出端子OUT 9所輸出信號 F 〇 u t之頻率f : f=l/(2 π )*(Rwl*Ron*Cwl*Cw2)*1/2 ……(13) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製換言之，該頻率f與該電阻R ο η平方根之倒數成比例地改變。當藉著該控制信號C T R L關閉所有開關S W 1 1 一 SW1 5時，在方程式（1 3 )中所示頻率f處輸出該信號Fou t。隨後當各個開關SW1 1 — SW1 5如第 1 6圖所示於時間T 2再次打開，即再次放電該感測器8 及該運算放大器0 P 4間之寄生電容上所累積之電荷，及再次由該輸出端子OUT 9輸出該參考電壓V h。然後，於時間T3再次關掉各個開關SW1 1 — SW1 5，在該電壓輸入端子I N 7之電壓V i η增加至該測量電壓値 Vh+AV，導致在該頻率f之輸出信號F 〇 u t以類似前面之方式由該輸出端子OUT 9輸出。第1 8圖顯示一感測器之電容C s及該電壓輸出電路 7 0之測試範例輸出電壓V 〇 u t間之關係曲線圖，其中本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526327 、 A7 -- B7 五、發明說明（33 ) 不同地變化該電容C s及對於每~電容c s測量該電壓 v 0 u t。在該曲線圖中’小點代表所測量之電壓。如由該曲線圖明顯看出者’該電壓V 〇 u t回應於該測試範例中電容C s而線性地變化，其關係可表示如下： V〇ut = 3.146Cs + 228.432 在該測試範例所測量電容C s之最小値爲5非法拉。據此，可根據本發明獲得回應於該感測器電容而線性變化之輸出電壓。第1 9圖說明一感測器8之電容C s及一輸出信號 F 〇 u t之頻率f間之關係曲線圖，其在具有如第1 4圖所示構造之測試裝置中之電容C s範圍係在4 0 0非法拉以下。於該測試裝置中，一電壓輸出電路7 0與關於第 1 6及1 7圖所說明之測試裝置具有相同構造。藉著1千歐姆之可變電阻器提供及調整一負載電阻器R 1 e v，以致一電晶體T 3 0之開啓電阻R ο η適於造成一維恩橋式振盪器9 0振盪。與該維恩橋式振盪器9 0振盪。與該維恩橋式振盪器90相關之各個常數係：Rwl=50千歐姆，Cwl = Cw2 = l非法拉，Rw2 = l百萬歐姆及 Rw3 = 2百萬歐姆。如第1 8圖所示，將了解的是該電容C s及該頻率f大致在上述範圍中成比例關係。雖然將要求一詳細之分析，吾人認爲當該電晶體T 2 9之柵極至漏極電壓加至該電壓V 〇 u t時所產生之非線性’及當藉本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----— — — —— — — · I J I I J I I ^ 11111111 . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526327 Α7 Β7 五、發明說明（34 ) 著該電壓V 1 e V改變該電晶體T3 0之開啓電阻Ro η 時所產生之非線性，係抵銷該振盪頻率f關於該電阻 R ο η變化中之非線性之主因。如由第1 9圖明顯看出者，來自該振盪器9 0之頻率 f係回應於該感測器電容C s而線性地變化，及如此可在該處理單元2中消除複雜之運算。根據具有第1 4圖所示感測器8之振盪信號產生單元 3，該感測器8之電容C s係一次轉換成電壓Vo 11 t，取代回應於該電容C s以直接改變該振盪頻率f。然後，基於該電壓V 〇 u t以該電壓V 1 e v控制該電晶體 T30之開啓電阻Ron，及依該開啓電阻Ron而定改變該維恩橋式振盪器90之振盪頻率f。據此，該振盪器 9 0之振盪狀態及振盪頻率f不受該運算放大器〇 P 7輸入端子所形成之寄生電容及該感測器8電容C s間之關係影響。因此，可能總是穩定地振盪該振盪器90，及導出一基於電容Cs之變化而正確地變化之適當振盪頻率f。如此，藉著該計數器4能可靠地計數該感測器8之電容 Cs (第3圖）。再者既然該電晶體T30之開啓電阻具有一可變電阻元件之功能，該電路架構係簡單及較便宜，及亦適於在晶片上（on-chip)架構中提供該振盪器9 0。再者，既然可調整該電壓加法電路8 0所輸出之電壓 V 1 e v，可提供一合適之電晶體T3 0開啓電阻Ro η ，以造成該振盪9 0適當地振盪而不會減弱。因此，該振盪器9 0可在一穩定狀態中運作。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） ------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---,--訂--- 舞經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526327 - A7 B7 五、發明說明（?5 ) 由該振盪器9 0所輸出信號F ο ία t之頻率f於第 1 8圖所示預定範圍中與該感測器電容C s中之變化成比例地變化。因此，不須複雜之平方運算、倒數運算等以由該信號F 〇 u t顯示該電容C s。爲此緣故，縱使使用一般用途之微電腦以獲得該電容値，對此複雜運算將不會耗盡其大部份能力，以致可輕易地即時顯示該電容C s。如此，使用根據本發明偵測裝置之系統可實現一簡單之架構〇在關掉該開關SW1 2之後，在該電壓輸入端子 I N7之電壓V i η係由Vh增加至Vh+AV，以由該參考電壓端子Vh分開該感測器8。選擇該電壓AV至超過一預定電平，而足以射出足夠數量之電荷進入該感測器 8。縱使在該運算放大器〇P 4之不倒相輸入端子及該感測器8之間形成一大寄生電容，可關於該電容C s中之變化提供該電壓Vo u t中之充分變化。因此，縱使由於該感測器8及運算放大器〇 P 4在不同晶片上之分開成形呈現一大寄生電容，該感測器電容C s能可靠地轉換成該電壓 V 〇 u t 〇此外，在起始期間，與該開關S W 1 2相同定時地打開該開關SW11，以將該電壓Vh施加至該電壓輸入端子I N 7。這造成該感測器8之兩端位在一相等電位，以致可在起始期間放電至目前爲止累積在該感測器8上之所有電荷。因此如僅只比較於充電該感測器8，可能輸出更穩定及精確之電壓Vo u t。再者，當打開該開關本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝訂：經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526327 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（36 ) SWl 1及SW1 2時亦打開該開關SW1 3 — SW1 5 。因此，先前累積在該電壓輸出電路7 0中該運算放大器 0 P 5及Ο P 6之倒相輸入端子與輸出端子及該振盪器 9 0中電容器Cw 1間之雜散及/或寄生電容上之電荷可同樣放電，而在開始測量之前不會減弱。至於該電容器 Cw2，既然藉著打開該開關SW1 5使其端子具有相同電壓V h，在起始期間可放電任何電荷。因此可能輸出一更穩定及精確之偵測信號。在該電壓輸出電路7 0中，具有微分放大器功能之運算放大器Ο P 6係用於放大該運算放大器〇 P 4及〇 P 5 所輸入電壓V 1及V 2間之差値。既然該電壓V 1及V 2 依所輸入電壓V i η而定，該電壓V i η之影響未能藉著該微分放大作用出現在該輸出電壓Vo u t上。縱使於所施加電壓V i η中提供一大變化，這可防止該輸出電壓 Vou t變飽合，藉此可按照該感測器8之電容Cs對該寄生電容C p之比適當地產生該運算放大器〇 P 6之增益〇由該計數器4，對應於在該感測器8所偵測物理量或電容之値係輸出爲數位信號。因此，免除一用以將對應於感測器電容C s之類比信號轉換成數位信號之A/D轉換器，藉此使其可能改善抗擾性及架構低功率損耗之偵測裝置。在第1 4圖所示裝置中，於該維恩橋式振盪器9 0之 C R反饋電路網內，藉著該MO S電晶體T 3 0提供該運本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------- — I — — I 訂· — ！！1· (請先閱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 526327 A7 _ B7 五、發明說明（37 ) 算放大器Ο P 7之不倒相輸入端子及該參考電壓端子V h 之間所連接之電阻元件。然而，代替第1 5圖所示構造，可能更換該運算放大器Ο P 7之反饋環路之電晶體T 3 0 及電阻器R w 1。再者，於該裝置中，使用該第二及第三運算放大器〇P 5及0P 6以減少由該第一運算放大器0P 4之輸出 VI施加至該電壓輸入端子IN7之電壓Vi η之影響。藉著該可變電阻器R g 3及R f 3可適當設定該放大器〇P 6之增益。然而，假如該裝置之簡化及減少成本係比該放大增益之此一適當設定具有較高優先權，該運算放大器〇P 5及0P 6可由該裝置移去，及該電壓V 1可直接提供至該電晶體T 2 9之柵極，在該案例中可藉著採用可變電阻器當作環繞該運算放大器0P4之電阻器Ri1及 R f 1以執行一增益控制。再者，如該電壓輸出電路7 0，可利用異於第1 5圖所示之一習知電壓輸出電路，諸如日本公用專利（Kokai ) 第6 - 1 8 0 3 3 6號中所述者。該習知電路分別包含對應於各元件〇P4，8，SW12，及Rl 1與Rf 1之一運算放大器、一感測器、一開關、及電阻器。然而，在該習知電路中，既然該感測器上所累積之電荷亦分佈至一寄生電容，該寄生電容對該電路之輸出產生一大影響。爲此緣故，當該感測器及運算放大器係形成在單一矽晶片上時，方可利用第6 — 1 8 0 3 3 6號專利中所述電路。該振盪器9 0未受限於維恩橋式振盪器’及可使用第本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------•裝——,—=丨丨訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526327 A7 B7 五、發明說明（38 ) 1 2圖所示使用運算放大器之方波振盪器或第1 3圖所示之史密特（Schmidt )互補金屬氧化物半導體（CMOS) 電路代替該維恩橋式振盪器。同理，具有此另一種振盪器 ’一MO S F E T可用作一供改變振盪頻率之可變或可控制電阻元件，藉此使其可能穩定地操作該振盪器及導出該振盪頻率f之一適當改變量，而不管一寄生電容C p及一感測器電容C s間之關係。在第1 5圖所示裝置中，將該電壓AV選擇爲一正値，及因此該測量電壓Vh+AV高於該參考電壓Vh。另一選擇是，該電壓AV可爲一負數，以造成該測量電壓 V h + AV低於該參考電壓V h。當該裝置係架構成單電源電路時，當然該裝置可爲涉及正負電源之雙電源電路。雖然已敘述本發明之特定實施例，本發明未受限於前面之實施例，但可在本發明之申請專利範圍內以各種方式修改。 (請先閱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本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims

526327 A8 B8 C8 D8 p / ΊΤ' 六、申請專利範圍第88 1 02456號專利申請案中文申請專利範圍修正本民國90年1月修正轉參 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 袋...： τ 1 . 一種用以偵測回應於至少一感測器所偵測物理量士而變化之感測器阻抗之裝置，其包含：；：一用以將該感測器阻抗轉換成一振盪信號之阻抗-頻 ^率轉換單元；及 V"： V，一於預定時限中計數該振盪信號波數之計數器；彳-‘、 y 該阻抗-頻率轉換單元包括一含有該感測器阻抗之振 |盪器，用以產生一方波信號當作該振盪信號， Φ 其中該振盪器爲一包含有放大器及該放大器之正反饋電路之維恩（Wien )橋式振盪器，該正反饋電路包含一用作該感測器阻抗之電阻器或電容器，及該放大器增益及該反饋電路正反饋比之乘積係超過或等於1。 2 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該放大器具有一可變增益。經濟部智慧財.4局員工消費合作社印製 3 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該感測器阻抗之一端點連接至一參考電壓。 4 .如申請專利範圍第1項之裝置，另包含額外之感測器及計數器，其中該阻抗一頻率轉換單元另包含分別含有額外感測器阻抗之額外振盪器，用以產生方波信號當作額外之振盪信號送至個別之額外計數器，該額外振盪信號之頻率分別對應於該額外之感測器阻抗。 5 ·如申請專利範圍第4項之裝置，其中該感測器係本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 526327 A8 B8 C8 D8 #'申請專利範圍構成爲一諧振器列陣。 6 . —種用以偵測回應於至少一感測器所偵測物理量而變化之感測器阻抗之裝置，其包含：一用以將該感測器阻抗轉換成一振盪信號之阻抗-頻率轉換單元；及一於預定時限中計數該振盪信號波數之計數器；該阻抗-頻率轉換單元包括：一用以提供對應於該感測器阻抗之輸出電壓之阻抗-電壓轉換器；及一含有可變阻抗元件之振盪器，其一阻抗係回應於該阻抗-電壓轉換器之輸出電壓而變化，用以產生該振盪信號。 7 .如申請專利範圍第6項之裝置，其中該振盪器之一頻率依該可.變阻抗元件之各種阻抗而定。 8 .如申請專利範圍第6項之裝置，另包含一用以將預定之直流電壓迭加至該阻抗-電壓轉換器之輸出電壓之電壓迭加單元，藉此用該迭加之電壓變化該振盪器之可變阻抗元件之阻抗。 9 .如申請專利範圍第6項之裝置，其中該振盪器之可變阻抗元件係一電阻元件。 1 〇 ·如申請專利範圍第8項之裝置，其中該振盪器之可變阻抗元件係由第一金屬氧化物半導體場效應電晶體 (Μ 0 S F E T )之漏一源極電阻所形成，藉著施加至其一柵極之電壓可變化該漏-源極電阻，且該電壓迭加單元 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂集· 經濟部智慧財.4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（210Χ 297公釐） -2- 526327 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財4局員工消費合作社印製六、申請專利範圍包含具有一連接至接收對應於該感測器阻抗之輸出電壓之柵極及一連接至可變負載電阻器以提供加電壓至第一 MOSFET柵極之漏極之第二MOSFET。 1 1 ·如申請專利範圍第6項之裝置，其中該感測器阻抗係一電容器。 1 2 .如申請專利範圍第1 0項之裝置，其中該感測器阻抗係一電容器，及該阻抗-電壓轉換單元包含：第一運算放大器，其具有一連接至經由電阻器接收一輸入電壓及經由一電阻器連接至其輸出端子之倒相輸入端子，及一連接至經由該感測器阻抗接收該輸入電壓及經由第一開關連接至一參考電壓端子之不倒相輸入，其中在關掉該開關期間可變化該輸入電壓。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之裝置，該阻抗一電壓轉換單元另包含：第二運算放大器，其具有一連接至經由電阻器接收該輸入電壓及經由一電阻器連接至其輸出之倒相輸入，及連接至一參考電壓端子之不倒相輸入；及第三運算放大器，其具有一連接至由第一運算放大器接收一輸出電壓之不倒相輸入，及一連接至由第二運算放大器接收一輸出電壓及經由一可變電阻器連接至輸出之倒相輸入，該輸出係連接至第二M〇S F E T之柵極。 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項之裝置，另包含分別連接於該第一至第三運算放大器之輸出及倒相輸入間之第一至第三開關。本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 夢丨、1T 線： 526327 Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之裝置，其中在重新設定週期期間打開該第一至第三開關。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之裝置，其中在開始測量週期之前 7 種測一電容之方法該感測器應於所轉關掉該第一至第三開關。回應於一感測器所偵測物理量之變化以偵，包含下列步驟：經濟部智慧財.4局員工消費合作社印製將回由信號；在藉此該 1 步驟包經放大器放大器連接至提放大器此由該電容轉換成一對應之電壓；換之電壓變化一元件之電阻；回應於該元件之阻抗而變化之振盪器產生一頻率及預定時限中計數來自該振盪器之頻率信號之波數，感測器電容係轉換成呈數位形式之振盪頻率信號。 8 .如申請專利範圍第1 7項之方法，其中該轉換含下列步驟：由一電阻器及該感測器提供一輸入電壓至第一運算之倒相及不倒相輸入，及經由一電阻器至第二運算之一倒相輸入，該第二運算放大器之不倒相輸入係一參考電壓端子；及供該第一及第二運算放大之倒相及不倒相輸入，以第三運算放大器輸出與該器之輸出電壓至第三運算微分放大其輸出電壓，藉感測器電容成比例之電壓 1 9 ·如申請專利範圍第1 8項之方法，其中該第一至第三運算放大器分別包括有彼此並聯連接之第一至第三請· 先閱背 ιέ 之、注意事項再填頁訂、線本紙張尺度適用中國國家標( CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） -4 - 526327 - C8 D8 六、申請專利範圍電阻器及第一至第三開關之第一至第三負反饋電路，及該第一運算放大器之不倒相輸入係經由第四開關連接至該參考電壓端子，該方法另包含下列步驟：於一重新設定週期間打開該第一至第四開關；及在開始一測量週期之前關閉該第一至第四開關。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂經濟部智慧財.4局員工消費合作社印製本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5-