TWI221196B - Impedance measuring circuit, its method, and electrostatic capacitance measuring circuit - Google Patents

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1221196 A7 B7 五、發明説明（1) 技術領域’ 本發明係有關於一種用於檢測阻抗以及靜電電容量之 電路以及方法，特別是關於一種以高精度來檢測微小的阻 抗以及電容之電路以及方法。 背景技術 靜電電容量檢測電路的習知例則有特開平9-280806 號公報中所記載者。圖1爲靜電電容量檢測電路的電路圖 。該檢測電路，其中由電極90、91所形成的電容感測器 92則經由信號線93被連接到運算放大器95的反轉輸入 端子。此外，除了在該運算放大器95的輸出端子與上述 反轉輸入端子之間連接有電容器96外，也將交流電壓 Vac施加在非反轉輸入端子。又，信號線93爲’遮蔽線94 所被覆，而在電氣上相對於外亂雜訊被遮蔽。此外，該遮 蔽線94被連接到運算放大器95的非反轉輸入端子。輸出 電壓Vd則從運算放大器95的輸出端子經由變壓器97被 取出。 在該檢測電路中，運算放大器9 5的反轉輸入端子與 非反轉輸入端子則成爲一假想短路（imaginary short ) 狀態，而被連接到反轉輸入端子的信號線9 3與被連接到 非反轉輸入端子的遮蔽線9 4則互相成爲大約相同的電位 。藉此，信號線93會爲遮蔽線94所保護，亦即，在兩者 9 3、9 4之間的浮游電容會被消除，而得到較難影響到浮 游電容的輸出電壓Vd。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） I---------批衣II (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

* An ϋ— m I -4- 1221196 A7 __ B7 五、發明説明（2) (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 然而若根據如此之習知技術，當電容感測器92的電 容大到某種程度時，則對於可以得到不會影響到信號線 93與遮蔽線94之間之浮游電容之正確的輸出電壓Vd者 而言，在檢測數PF或是fF級以下之微小的電容時，則會 有誤差變大的問題。 又，根據所施加之交流電壓Vac的頻率，會因爲在運 算放大器95之內部的搜軌誤差等而導致在處於假想短路 之狀態之反轉輸入端子與非反轉輸入端子之電壓之間產生 微紗的相位•振幅的偏離，因此會有檢測誤差變大的問題 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另一方面，以行動電話等爲代表之輕量•小型的聲音 通信機器，乃要求一可以高感度且忠實地將由電容型麥克 風等的電容感測器所檢測出來的聲音轉換成電氣信號之輕 巧的放大電路。若是能夠正確地檢測出數PF或fF級以下 之微小的電容或是其變化時，可以實現一能夠以極高的感 度，且忠實地檢測出聲音高性能的麥克風，也能夠大幅地 提高行動電話等之聲音通信機器對於聲音之拾取 （ p i c k - u p )的性能。 在此，本發明則有鑑於該狀況，其目的在於提供一種 可以正確地檢測出微小的電容變化，且適合於檢測以使用 在輕量•小型之聲音通信機器中之電容型麥克風等的電容 感測器爲首之阻抗的阻抗檢測電路以及靜電電容量檢測電 路等。 本紙張尺度適用中.國國家標準（〇?^)六4规格（2!(^ 297公釐） -5- 1221196 A7 B7 五、發明説明（3) 發明的揭露 爲了要達成上述目的，本發明之阻抗檢測電路以及靜 電電容量檢測電路，其主要係針對一用來輸出與被檢測阻 抗的阻抗呈對應之檢測信號的阻抗檢測電路，其特徵在於： 具備有：輸入阻抗高，但輸出阻抗低的阻抗轉換器、 電容型的第1阻抗元件、第1運算放大器、將直流電壓施 加在上述第1運算放大器的直流電壓產生器、以及連接到 上述第1運算放大器之輸出的信號輸出端子， 上述被檢測阻抗的一端與上述第1阻抗元件的一端連 接到上述阻抗轉換器的輸入端子， 在上述第1運算放大器的負回饋路徑包含有上述第1 阻抗元件以及上述阻抗轉換器， 上述被檢測阻抗與上述阻抗檢測電路乃設成’相鄰。 又，本發明之阻檢測電路以及靜電電容量檢測電路其 主要係針對一用來輸出與被檢測阻抗的阻抗呈對應之檢測 信號的阻抗檢測電路，其特徵在於：具備有··輸入阻抗高， 但輸出阻抗低的阻抗轉換器、電容型的第1阻抗元件、第 1運算放大器、將直流電壓施加在上述第1運算放大器的 直流電壓產生器、以及連接到上述第1運算放大器之輸出 的信號輸出端子，上述被檢測阻抗的一端與上述第1阻抗 元件的一端連接到上述阻抗轉換器的輸入端子^在上述胃 1運算放大器的負回饋路徑包含有上述第1阻抗元件以及 上述阻抗轉換器，上述被檢測阻抗、上述第丨阻抗元件、 及上述阻抗轉換器則設成互相接近。 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X 297公釐） ---^-- (讀先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印¾ -6 - 1221196 A7 ____B7__ 五、發明説明（4) 在此，在本案說明書中，所謂的「接近」是指信號線 的浮游電容處於相對於被檢測電容器的電容値或電容性的 第1阻抗元件之電容値大的一方不超過10倍的狀態。而 此，當信號線的浮游電容設成一不超過所連接之元件之電 容値之一位數以上之數値的電容値時，則可知本發明的靜 電電容量檢測電路能夠防範檢測感度的大幅度的惡化，而 此爲依經驗可得到。該信號線的浮游電容則是在未將被檢 測電容器、第1阻抗元件、阻抗轉換器連接到信號線的狀 態下，若是進行電容測量即可以測出。此外，在本案說明 書中乃將在上述接近的條件下，彼此相鄰而接的狀態稱之 爲「鄰接」。 又，本發明之阻抗檢測方法以及靜電電容量檢測方法， 其主要係針對一用來輸出與被檢測阻抗的阻抗的變化（靜 電電容量的變化等）呈對應的檢測信號的阻抗檢測方法， 其特徵在於： 將電容型的第1阻抗元件連接到運算放大器的輸出端 子與阻抗轉換器的輸入端子之間， 將被檢測阻抗連接到上述阻抗轉換器的輸入端子與所 設定的電位之間， 經由電阻將直流電壓施加在上述運算放大器的其中一 個的輸入端子，將另一個的輸入端子成所設定的電位， 將在上述運算放大器的輸出端子所出現的電壓當作檢 測信號而輸出， 將上述被檢測阻抗，上述阻抗轉換器、及上述第1阻 本紙張尺度追用中國國家標準（CNS ) A4规格（2!〇X 297公釐） I--------衣II (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1221196 A7 ____B7_ 五、發明説明（5) 抗元件設成互相接近且加以連接。 具體的例子，阻抗檢測電路乃具備有：直流電壓產生 器、非反轉輸入端子被連接到所定之電位的運算放大器、 阻抗轉換器、被連接在運算放大器的反轉輸入端子與阻抗 轉換器之輸出端子間的電阻（R2)、以及被連接到運算 放大器的輸出端子與阻抗轉換器的輸入端子之間的電容性 的阻抗元件，而被檢測阻抗則與該阻抗檢測電路呈鄰接、 或是儘量接近以使得信號線的浮游電容不會超過所連接之 元件電容之最大値的10倍，而連接到阻抗轉換器的輸入 端子與所定之電位之間。在此所謂的所定的電位係指某個 基準電位、所設定的直流電位、接地電位、或浮游 （ floating )狀態的其中任一者，可以配合實施的形態選擇 最適合者。又，也可包含一連接到直流電壓產生器與運算 放大器之反轉輸入端子之間的電阻（R1)。 藉由此一構成，除了將一定的電壓施加在被檢測阻抗 外，流經該被檢測阻抗的電流幾乎全部也會流過阻抗元件， 而從信號輸出端子輸出與被檢測阻抗的阻抗呈對應的信號 〇 此外，也可以將電阻與阻抗元件呈並聯連接。 又，利用爲遮蔽構件所覆蓋的信號線來連接被檢測阻 抗的一端與阻抗轉換器的輸入端子，而附加一可將所定的 電壓施加在遮蔽構件的防護電壓施加機構，在此所謂的所 定的電位係指任意的一定電位，最好是地面（ground )， 但也可以是與上述信號線的電壓相同的電位。藉著將所定 本紙张尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4规格（210X 297公釐） I^-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消费合作社印^ -8- 1221196 A7 B7 五、發明説明（6) 的電壓施加在遮蔽構件，可以使得電路的動作得以安定。 如上所述，根據本發明也可以正確地檢測出微小的阻 抗以及電容，且實現一適合於小型化的靜電電容量檢測電 路等，特別是可以大幅地提升行動電話等之輕量·小型之 聲音通信機器的聲音性能，因此其實用上的價値極高。 又，阻抗轉換器也可以是由電壓追隨電路所構成，也 可以是一由電壓增益較1爲小、或較1爲大的電壓放大電 壓所構成。 防護電壓施加機構例如是一將遮蔽構件連接到地面的 機構、或是將直流電壓產生器的輸出電壓或阻抗轉換器的 輸出電壓當作輸入而產生所定的電壓的機構。 又，本發明的應用，則是被檢測阻抗是一可根據電容 的變化來檢測物理量的電容型感測器，而作爲阻抗檢測電 路的靜電電容器檢測電路最好是形成在印刷基板或矽基板， 上，且將該些電容型感測器與基板加以固定。更具體地說， 以1C來實現靜電電容檢測電路，將該些電容型麥克風與 1C予以一體化，而收容在1個框體（遮蔽盒 Shield box ) 內當作使用在行動電話機等的麥克風來使用。此時，電容 型麥克風與1C是固定在鄰接的位置上，而以導電性的板 、配線圖案、線接合（wire bonding )等來連接。 圖式說明 圖1爲習知之靜電電容檢測電路的電路圖。 圖2爲本發明之第1實施形態之靜電電容檢測電路的 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4规格（2〗0 X 297公釐） -裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 1221196 A7 _____B7 五、發明説明（7) 電路圖。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖3表示在圖2所示之靜電電容檢測電路中之阻抗轉 換器的具體的電路圖。 圖4爲本發明之第2實施形態之靜電電容檢測電路的 電路圖。 圖5爲與圖4所示之靜電電容檢測電路的變形例相關 的電路圖。 圖6爲圖4及圖5所示之防護電壓施加電路之具體的 電路例子。 圖7爲表示本發明之靜電電容檢測電路對於電子機器 的應用例的圖（麥克風的斷面圖）。 圖8爲圖7所示之麥克風的槪略的外觀圖，（a)爲平 面圖、（b)爲正面圖、（c)爲底面圖。 圖9爲麥克風之其他的例子的斷面圖。 圖10爲圖9所示之麥克風的槪略的外觀圖、（a)爲 平面圖、（b)爲正面圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖1 1爲本發明之其他實施形態之靜電電容檢測電路 的電路圖。 主要元件對照表 11 直流電壓產生器 12 電阻 (R1) 13 電阻 (R2) 14 運算放大器 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4规格（2!0X 297公釐） -10- 1221196 A7 B7 五、發明説明（8) 15 16 17 20 10 30 32 34 35 40 41 42 43a > 43b 、 43c 50 51 52 53 54 5 5a 56 55b 58 59 61 a、61 b 阻抗元件 阻抗轉換器 被檢測電容器 信號輸出端子 靜電電容量檢測電路 運算放大器 運算放大器 N 型 MOSFET p m MOSFET 靜電電容量檢測電路 信號線 遮蔽線 防護電壓施加電路 麥克風 蓋體 音孔 振動膜 環 間隔件 固定電極 絕緣板 1C晶片 1C封裝件 外部電極 I---------^—— (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產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规格（210 X 297公釐） -11 - 1221196 A7 ___B7 _ 五、發明説明（9 ) 實施發明的最佳形態 以下請參照圖面詳細地說明本發明的實施形態。 .(第1實施形態） 圖2爲本發明之第1實施形態例子中之阻抗檢測電路 的電路圖。此外，在本圖中，在作爲該阻抗檢測電路的靜. 電電容檢測電路則連接有作爲爲檢測對象之被檢測阻抗的 被檢測電容器17 (在此爲一電容型麥克風等之利用靜電電 容Cs的變化來檢測各種物理量的電容型感測器）。 該靜電電容檢測電路10是由產生直流電壓的直流電 壓產生器11、電阻（R1) 12、電阻（R2) 13、運算放大器14 、阻抗元件（在此爲電容Cf的電容器）15、以及阻抗轉 換器1 6所構成。從信號輸出端子20輸出與被檢測電容器 1 7之靜電電容之時間的變化呈對應的檢測信號（電壓 Vout)。在此所謂的「時間的變化」則包含頻率地變化、 脈衝地變化、逐漸地變化、以及隨著時間隨機的變化等的 意義，即使是沒有週期性亦可。 直流電壓產生器11，其中一端被連接到所設定的電 位（在本例中爲接地），而從另一端（輸出端子）產生一 定的直流電壓Vin。在直流電壓產生器11的輸出端子與 運算放大器14的反轉輸入端子之間則連接有電阻（R1) 12。運算放大器14是一輸入阻抗以及開放迴路增益非常 高的電壓放大器，在此，非反轉輸入端子被連接到所設定 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） ，裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 •12· 1221196 A7 ______B7_ 五、發明説明（1Q) -------—— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 的電位（在本例中爲接地），而非反轉輸入端子以及反轉 輸入端子成爲假設短路（imaginary short )狀態。該運 算放大器14的負回饋路徑，亦即在從運算放大器14的輸 出端子到反轉輸入端子爲止之間則依序串聯連接有電容器 1.5、阻抗轉換器16以及電阻（R2) 13。 阻抗轉換器1 6是一輸入阻抗非常高，但輸出阻抗非 常低，而電壓增益爲A倍的電壓放大器。被檢測電容器 17的一端連接到該阻抗轉換器16的輸入端子21，另一方 面，被檢測鼇容器1 7的另一端則連接到所設定的電位（ 在本例中爲接地），在運算放大器14的輸出端子則連接 有用來輸出該靜電電容檢測電路1 0的輸出信號，亦即， 與被檢測電容器17的電容値的變化呈對應之檢測信號的 信號輸出端子20。此外，在本案中以A倍等來表示的變 數A則均表示零（0)以外的實數。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 若著眼於由電阻（R1) 12、電阻（R2) 13以及運算放 大器14等所構成的反轉放大電路時，則運算放大器14的 兩輸入端子成爲假想短路的狀態而爲相同電位（例如0V) ，且由於其輸入阻抗變得非常的高而電流無法流動，因此， 流經電阻（R1) 12的電流成爲Vin/Rl，由於其全部流經 電阻（R2) 13，因此，當將阻抗轉換器16的輸出饞壓設 爲V 2時，則成立

Vin/Rl = -V2/R2, 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2j〇X 297公釐） -13- 1221196 A7 _B7_ 五、發明説明（11) 將其加以整理，阻抗轉換器16的輸出電壓V2成爲 V2 = -(R2/Rl)-Vin (式 1) 又，由於阻抗轉換器16的電壓增益爲A，因此從輸 入電壓（輸入端子21的電壓）VI與輸出電壓（在輸出端 子22的電壓）V2的關係，該輸入電VI成爲

Vl= (1/A) · V2 (式 2) 但是當被檢測電容器17爲電容型麥克風等時，其電 容Cs會根據所輸入之聲音的頻率而變化。在此，當將與 此變化對應之從運算放大器14向電容器15，亦即，從電 容器15向被檢測電容器17的電荷設爲△ Q (亦即，被檢 測電容器1 7的電容變化成分）時，由於阻抗轉換器1 6的 輸入阻抗非常的高，由於該電荷Q的全部會流到被檢測 電容器17，因此成爲·νΐ = Δ0/Δ〇8，而從信號輸出端子 20所輸出之檢測信號的電壓Vout的變化成分 △ V 〇 u t則成立 Δ Vout= (Δ Cs/Cf) · VI (式 3) 當由上述式（1)與式（2)消去V2時，則可得到 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21GX 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焚 -14 - 1221196 A7 B7 五、發明説明（

Vl = - (R2/R1) · (Vin/A) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 當將該VI代入上述式（3)時，則成爲 Δ Vout = -(l/Cf) · (R2/R1) · (Vin/A)· Δ Cs = K · Δ Cs (式5) 但是 K = - (1/Cf) · (R2/R1) · (Vin/A) (式 6) 亦即，檢測信號之輸出電壓V 〇 u t的變化成分△ V o u t 則成爲一與被檢測電容器1 7的電容Cs的變化成分△ Cs 呈比例的値。藉著只取出從該靜電電容檢測電路10所輸 出之檢測信號的交流成分△ Vout，可得到與輸入到電容型 麥克風的聲音呈對應的信號。此外，可以大幅地放大與聲 音對應之真正的信號（與ACs對應的電壓），而實現高感 度的麥克風。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此外，上述式（6)所示的比例常數K未包含有與頻 率（聲音的頻率）相關的項目，而是一定値。因此，該靜 電電容檢測電路1 0乃與聲音的頻率無關，而以一定的增 益來輸出與聲音的強弱呈對應之忠實的電壓信號。在此， 則是從電壓來檢討被檢測電容器1 7的動作。另一方面， 爲了有助於理解，若從電流加以分析則如下。· 被檢測電容器1 7的電容乃隨著時間如下地變化。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0ΧΖ97公嫠） -15· 1221196 A7 B7 五、發明説明（1冷

Cs = Cd + A Csinwet (式7) 此時，Cd爲被檢測電容器17之基本上本來所擁有的 基準電容、△ C爲變化的峰値、We爲被檢測電容器1 7之 已檢出之電容的變化的頻率。此時，流經被檢測電容器 1 7的電流爲 ic=Qs=-^^(Cd+ΔC · sincoct) - Vi ojc · AC · coscoct · Vi (式8) ;^-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 由於電流全部流經電容器15，因此 ic=Qs=—(Cf)(Vout-V〇 dt ：Cf d dt •Vout (式9) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在此，由於式8、式9之各自的電流相等，因此 △ C - sinojet 、， △ Vout: - * ^ · V1 由式（1)、式（2)，式（10)成爲 △ Vout=( — △ C · sinoJet、 Vin R2

Cf A Ri 而還是輸出被檢測電容器17的變化成分 (式 10) (式ιυ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公f ) -16- 1221196 A7 __ B7 五、發明説明（14) (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 又，該靜電電容檢測電路1〇，由於根據DC驅動（直 流電壓產生器11)而動作，因此，相較於Ac驅動會安定 地動作，而能夠抑制雜訊等。更且，不需要交流發信器等 的零件，可以縮小電路規模。 圖3表示在圖2所示之靜電電容檢測電路中之阻 抗轉換器16的具體的電路圖。圖3 (a)表示使用運算放 大器30電壓追隨器16a。運算放大器30的反轉輸入端子 與輸出端子乃呈短路。將該運算放大器30的非反轉輸入 端子當作阻抗轉換器16的輸入，將運算放大器3〇的輸出 端子當作阻抗轉換器1 6的輸出，藉此可以得到一輸入阻 抗非常高，且電壓增益成爲1的阻抗轉換器16。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖3 (b)表示使用運算放大器31的非反轉放大電路 1 6b。在運算放大器3 1的反轉輸入端子與所設定的電位之 間連接有電阻（R3) 32，而在.運算放大器31的反轉輸入 端子與輸出端子之間連接有回饋電阻（電阻（R4) 33)。 將該運算放大器3 1的非反轉輸入端子當作阻抗轉換器】6 的輸入，將運算放大器31的輸出端子當作阻抗轉換器16 的輸出，藉此可以得到一輸入阻抗非常的高，且電壓增益 A成爲（R3 + R4) /R3的阻抗轉換器16。 圖3 (c)表示一在圖3 (a)或圖3 (b)所示之運算放 大器的輸入段附加CMOS構造之緩衝器的電路16c。如圖 所示，N型MOSFET34與p型MOSFET35經由電阻被串聯 在正負電源之間，而緩衝器的輸出則連接到運算放大器 30 (或31)的輸入。將該緩衝器的輸入當作阻抗轉換器 本紙张尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4规格（210X29*7公釐） -17- 1221196 A7 _B7 五、發明説明（ (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 16的輸入，將運算放大器的輸出端子當作阻抗轉換器 1 6的輸出，藉此可以得到一輸入阻抗非常高的阻抗轉換 器。 圖3 (d)表示一如圖3 (c)之輸入段的緩衝器般的 電路16d。如圖所示，將N型MOSFET34與p型 MOSFET35串聯連接到正負電源之間，而從兩個 MOSFET的連接部輸出。 圖3 (e)乃將運算放大器32的非反轉輸入當作阻 抗轉換器的輸入，而運算放大器32的輸出與反轉輸入 之間則經由電阻來連接。如圖3 (d)以及圖3 (e)所示， 藉由設成如此的構成，可以得到一輸入阻抗非常高的阻 抗轉換器1 6。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此外，根據與本發明有關的實驗，在圖2的阻抗檢 測電路中，例如當Cs (被檢測電容器：在本實施形態中爲 麥克風）的原來的靜電電容爲20Pf時，若信號線的浮游 電容超過2000pF時，則檢測感度會變得相當的惡化。又， 上述Cs，當以多個其他的靜電電容値來確認時，可以得 到相同傾向的結果。 又，作爲第1阻抗元件的電容Cf與被檢測電容器Cs， 在該電路中均是一被連接到信號線的電容元件，不管是從 那個元件來看，在計算上均可以帶來與上述相同的效果。 由該些實驗結果以及經驗可知信號線的浮游電容只 要不超過該C s或C f之電容値的一位數以上的値，若是 讓被檢測電容器與第1阻抗元件和阻抗轉換器互相接近， 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -18- 1221196 A7 B7 五、發明説明（1自 即可以得到良好的檢測感度。 (第2實施形態） 接著則說明本發明之第2實施形態中的阻抗檢測電 路。 圖4爲作爲本發明之第2實施形態例子中之阻抗檢 測電路的靜電電容檢測電路40的電路圖。該靜電電容檢 測電路40則相當於在第1實施形態例子中的靜電電容檢 測電路10附加上防護功能者。亦即，用來連接被檢測電 容器17與靜電電容檢測電路40的電纜，則使用由遮蔽線 42的覆蓋的信號線41 (同軸電纜），更且，則在該同軸電 纜的遮蔽線42爲了要施加與信號線41相同電位之防護電 位，乃附加防護電壓施加電路43a。 防護電壓施加電路43a則是一被連接到直流電壓產生 器11的輸出端子與遮蔽線42之間，對直流電壓產生器 11的輸出電壓Vin當作輸入，而以事先經調整的一定的 電壓增益來放大（或是分壓），產生與信號線41的電壓 相同電位的防護電壓，且將其施加輸出到遮蔽線42的直 流電壓放大器。此外，該防護電壓施加電路43a的電壓增 益具體地說被調整成Vi/Vin，亦即，如上述式4可知被調 整成（-R2/R1) · (1/A)。 藉由設成如此的構成，由於信號線41與遮蔽線42經 常保持在相同的電位而消除其間的電容（浮游電容），因 此，測量誤差，除了可以避免在被檢測電容器1 7的電容 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS) A4規格（ 210X 297公釐） 批衣-- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -19- 1221196 A7 _ B7 五、發明説明（ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 加上浮游電容的問題外，也藉由遮蔽線42來遮蔽想要流 入到信號線41的外亂訊，而能夠進行精度更高且安定的 電容檢測。 此外，將防護電壓施加在遮蔽線42的防護電壓施加 電路43a的連接位置，則不限於圖4所示之直流電壓產生 器11與遮蔽線42之間，也可以如圖5所示之靜電電容檢 測電路45所示，設在阻抗轉換器16的輸出端子與遮蔽線 42之間。此時，防護電壓施加電路43b (或43c)，則將阻 抗轉換器16的輸出電壓V2設爲輸入，藉著以一定的電壓 增益（1/A)來放大而產生防護電壓，且將其施加在遮蔽 線42。 但是防護電壓施加電路並不限於施加DC的情形，由 於無法期待消除浮游電容的效果，因此，此時可以採用一 構成簡單，且外亂因素難以進入的地面連接的方式。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印^ 圖6表示圖4或圖5所示之防護電壓施加電路43a〜c 的具體的電路例子。圖6(a)所示的防護電壓施加電路 43a是一將可變電阻當作回饋電阻的反轉放大電路。藉著 調整回饋電阻的電阻値，可以得到上述的電壓增益，且能 夠產生與信號線41相同電位的防護電壓。圖6(b)所示 之防護電壓施加電路43b是一由2個電阻與1個運算放大 器所構成的非反轉放大電路。圖6 (c)所示的防護電壓施 加電路43c是一由2個電阻與1個運算放大器所構成的電 壓追隨電路。圖6 (b)以及圖6 (c)藉著調整電阻的値， 可以產生與圖5之信號線41相同電位的防護電壓。 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) Α4規格（210X2W公釐） -20- 1221196 A7 B7 五、發明説明（ 此外，當發生運算誤差，搜軌誤差等的情形，若是將 增益A設爲1，則有可能減低，因此最好是設成A=l。 至於本發明的靜電電容檢測電路對於電子機器的應用， 被檢測阻抗，則爲可根據阻抗的變化來檢測物理量的感測 器，阻抗檢測電路則考慮形成在印刷基板或矽基板上，而 將該些感測器與基板加以固定而一體化。更具體地說，被 檢測阻抗採用電容型麥克風，以1C來實現靜電電容檢測 電路，將該些電容型麥克風與1C予以一體化，而當作可 使用在行動電話等的麥克風而收容在1個框體（遮蔽盒 shield box )內。 圖7爲上述第1實施形態例子中的靜電電容檢測電路 對於電子機器的應用例。在此，則表示一使用在電容型麥 克風與靜電電容檢測電路已經一體化的行動電話等上的麥 克風50的斷面圖。該麥克風50是由具有音孔52的蓋體 51、因聲音而振動的振動膜53、用來固定振動膜53的環 54、間隔件55a、經由間隔件55a面向振動膜53而設的固 定電極56、用來支固定電極56的絕緣板55b、被固定在 絕緣板55b的背面，已形成有上述實施形態之靜電電容檢 測電路的1C晶片58、將1C晶片58模製的1C封裝物59 、以線接合、接觸孔等與1C晶片5 8連接的外部電極61 a 、61b等所構成。 作爲形成電容器之其中一個的電極的振動膜53則連 接到所設定的電位（在本例中爲接地），而作爲另一個的 電極的固定電極5 6則經由絕板或接合線（w i r e b ο n d i n g ) 本紙张尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4規格（21 Ox 297公麓） I^-- (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 • - 1 - 1— - I —1 - · -21 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印災 1221196 A7 ____B7_ 五、發明説明（増 等導電體而連到1C晶片58的電路。由振動膜53與固定 電極56所構成之電容器的電容或其變化，則是由在經由 絕緣板55b而鄰接的ic晶片58內的靜電電容檢測電路所 檢測出，且被轉換成電氣信號而從外部電極61a、61b等 輸出。此外，蓋體51是由鋁等的金屬所構成，除了作爲 形成在絕緣基板60的上面的導電膜（未圖示）外，也可 以發揮作爲用於遮蔽外亂雜訊侵入到內部的電容器53、 56或1C晶片58的遮蔽盒的作用。又，在本例中，雖然 是將固定電極56與電路連接，而將振動膜53連接到所設 定的電位，但是也可以將振動膜53與電路連接，而將固 定電極56連接到所設定的電位。但是依照經驗以前者較 佳。 圖8爲圖7所示之麥克風50之槪略的外觀_。圖8 (a)爲平面圖、圖8 (b)爲正面圖、圖8 (c)爲底面圖。 圖（a)、（b)所示之蓋體51的大小，例如大約是0 5mmx 高度2mm。圖8 (c)所示之4個的外部電極61a〜61d則例 如是靜電電容檢測電路之電源用的2個的端子與輸出信號 用的2個的端子。 在該應用例中，被檢測電容器（在此爲電容器型麥克 風）與靜電電容檢測電路（在此稱爲1C晶片），係被相 鄰配置使其在上述之接近的條件下互相鄰接。此外，該些 零件則被金屬製的蓋體等的遮蔽構件的被覆。因此，在該 應用例中，對於由混入到用於連接被檢測電容器與靜電電 容檢測電路之信號線（導電體）的外亂雜訊等所造成的惡 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規袼（210X 297公楚) ~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

-22· 1221196 A7 _B7_ 五、發明説明（2(j> 劣影饗可以忽視。 在本應用例中，被檢測電容器與靜電電容檢測電路， 則最好是藉由非遮蔽（未被遮蔽）導電板、配線圖案、線 接合（wire bonding )、導線（lead )等來連接最短路 徑。亦即，在本應用例中，由於是一信號線未具備遮蔽構 件之小型的麥克風，因此，被檢測電容器與靜電電容檢測 電路係，被極短的導電體所連接，而不需要一將保護電壓 施加在遮蔽構件等之特殊的電路，而不會導致電路規模變 大或是防礙到電路的小型化^ 其他之麥克風的例子，如圖9以及圖10所示，電路 規模會因爲與信號之遮蔽相關的部分而稍微地變大，因此 爲了要進行更高精度的測量，由於該種方式較佳，因此也 可以使用此一構成方式。 以上，雖然是根據2個的實施形態例來說明本發明之 阻抗檢測電路以及靜電電容檢測電路，但本發明並不限定 於該些實施形態例。 例如2第實施形態例子，用於連接被檢測電容器17 與靜電電容檢測電路40的電纜，雖然是使用一層的遮蔽 電纜，但也可以改用雙層的遮蔽電纜。此時，將保護電壓 施加在用於覆蓋信號線的內側遮蔽層，且將用於覆蓋內側 遮蔽層的外側遮蔽層連接到所定的電位或是接地，藉此可 以提高對於外亂雜訊的遮蔽效果。 又，如圖11所示，也可以將電阻1 8呈並聯地附加連 接到在上述實施形態之靜電電容檢測電路I 〇以及30中之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公嫠) — -23- (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 1221196 A7 ___B7 _ 五、發明説明（21) (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 電容器15。藉此，電容器15與被檢測電容器17的連接 點則經由電阻1 8而與第1運算放大器14的輸出端子連接， 而消除在直流上成爲浮游（floating)狀態的現象，而 可以將電位加以固定。 又，當作被檢測阻抗而連接者，則不限於電容器型麥 克風，也包含有：加速度感測器、地震針、壓力感測器、 位移感測器、位移計、近接感測器、接觸感測器（touch sensor )、離子感測器、濕度感測器、雨滴感測器、雪 感測器、雷感測器、定位感測器、接觸不良感測器、形狀 感測器、終點檢測感測器、振動感測器、超音波感測器、 角速度感測器、液量感測器、瓦斯感測器、紅外線感測器 、放射線感測器、水位計、凍結感測器、水分計、振動計 、帶電感測器、印刷基板檢查機等之用於檢測各種物理量 之全部的元件。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由以上的說明可知，本發明之阻抗檢測電路、靜電電 容檢測電路以及該些的方法，藉著將直流電壓施加在運算 放大器，且將被檢測阻抗連接到信號線，可以檢測出被檢 測阻抗的阻抗。亦即，除了將電容器連接到將非反轉輸入 端子連接到所定之電位的運算放大器的輸出端子與阻抗轉 換器之輸入端子之間外，也將被檢測阻抗連接到阻抗轉換 器的輸入端子與所定的電位之間。 藉此，流經被檢測阻抗之電荷的幾乎全部會流到阻抗 元件，而將與被檢測阻抗的阻抗呈對應的正確的信號輸出 到運算放大器的輸出端子，而能夠檢測出極爲微小的阻抗 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X 297公釐) -24- 1221196 A7 B7 五、發明説明（23 。特別是當阻抗爲電容型時，可以檢測出Ff級以下之微 小的電容。 此外，由於除了運算放大器的非反轉輸入端子被連接 到所定的電位外，直流電壓也經由電阻被施加在反轉輸入 端子，因此，運算放大器會安定地動作，而抑制在檢測信 號中所包含的雜訊。此外，由於檢測電路整體係藉由DC 驅動而動作，而不需要交流信號振盪器等，因此得以簡化 、小型化。 又，由於在運算放大器與阻抗轉換器之間連接有電容 器，因此不會因爲將電阻連接到運算放大器與阻抗轉換器 之間，而導致S/N比因爲來自該電阻的熱雜訊而劣化。 又，藉由將連接到信號線的電路元件設置成接近，或 是將之設在該阻抗檢測電路與被檢測阻抗鄰接的位置，可 以不需要設置一用於連接其間的遮蔽電纜、或是用於消除 在該電纜所產生之浮游電容的特殊的電路。 此外，由於在運算放大器的輸出端子產生一與被檢測 阻抗之阻抗的變化成分呈對應的變化成分，因此藉由取出 輸出端子的變化成分，可以實現一適合於電容會根據電容 型麥克風等之物理量的變化而變化之電容型感測器的放大 電路。例如可以實現能夠以極高的感度來檢測聲音的麥克 風。 此外，以爲遮蔽構件所覆蓋的信號線來連接被檢測電 容器的一端與阻抗轉換器的輸入端子，也可以附加一用於 將與該信號線的電壓相同電位的電壓施加在遮蔽構件的防 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） ~ ' -25- 装-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} -訂 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 1221196 A7 五、發明説明（2：i 護電壓施加機構。藉此，可以藉由相同電位的遮蔽構件來 保護信號線，由於可以消除在信號線與遮蔽構件之間所產 生的浮游電容，因此能夠以高的精度來檢測更微小的電容

C 如上所述，根據本發明也可以正確地檢測出微小的阻 抗以及電容，且實現一適合於小型化的靜電電容量檢測電 路等，特別是可以大幅地提升行動電話等之輕量·小型之 聲音通信機器的聲音性能，因此其實用上的價値極高0 產業上之可利用性 本發明之靜電電容檢測電路，其中電容型感測器的檢 測電路特別可以當作行動電話等之小型•輕量的機器中之 麥克風裝置來使用。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

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Claims (1)

1221196 A8 B8 C8 D8 、二一h一 i '4 \· ^ iX 93. 3. 26 年月 曰 六、申請專利範圍 第9 1 1 203 3 8號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國93年3月26日修正 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1. 一種阻抗檢測電路，其主要係針對一用來輸出與 被檢測阻抗的阻抗呈對應之檢測信號的阻抗檢測電路，其 特徵在於： 具備有：輸入阻抗高，但輸出阻抗低的阻抗轉換器、 電容型的第1阻抗元件、第1運算放大器、將直流電壓施 加在上述第1運算放大器的直流電壓產生器、以及連接到 上述第1運算放大器之輸出的信號輸出端子， 上述被檢測阻抗的一端與上述第1阻抗元件的一端連 接到上述阻抗轉換器的輸入端子， 在上述第1運算放大器的負回饋路徑包含有上述第1 阻抗元件以及上述阻抗轉換器， 上述被檢測阻抗與上述阻抗檢測電路乃設成相鄰。 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 2. —種阻抗檢測電路，其主要係針對一用來輸出與 被檢測阻抗的阻抗呈對應之檢測信號的阻抗檢測電路，其 特徵在於： 具備有：輸入阻抗高，但輸出阻抗低的阻抗轉換器、 電容型的第1阻抗元件、第1運算放大器、將直流電壓施 加在上述第1運算放大器的直流電壓產生器、以及連接到 上述第1運算放大器之輸出的信號輸出端子， 上述被檢測阻抗的一端與上述第1阻抗元件的一端連 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 1221196

六、申請專利範圍 接到上述阻抗轉換器的輸入端子， 在上述第1運算放大器的負回饋路徑包含有上述第1 阻抗元件以及上述阻抗轉換器， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 上述被檢測阻抗、上述第1阻抗元件、及上述阻抗轉 換器則設成互相接近。 3. 如申請專利範圍第1項或第2項之阻抗檢測電路， 其中上述被檢測阻抗爲電容型的阻抗元件。 4. 如申請專利範圍第1項或第2項之阻抗檢測電路， 其中上述阻抗檢測電路更包含有與上述第1阻抗元件並聯 連接的電阻元件。 5. 如申請專利範圍第1項或第2項之阻抗檢測電路 ，更包含有位在上述交流電壓產生器與上述第1運算放大 器之間的第2阻抗元件。 6. 如申請專利範圍第1項或第2項之阻抗檢測電路， 以被遮蔽構件所覆蓋的信號線來連接上述被檢測阻抗的一 端與上述阻抗轉換器的輸入端子， 上述阻抗檢測電路更備有將所設定的電壓施加在上述 遮蔽構件的防護電壓施加機構。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7. 如申請專利範圍第6項之阻抗檢測電路，其中上 述防護電壓施加機構將上述直流電壓產生器的輸出電壓當 作輸入。 8. 如申請專利範圍第6項之阻抗檢測電路，其中上 述防護電壓施加機構將上述阻抗轉換器的輸出電壓當作輸 入0 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -2 - 1221196

六、申請專利範圍 9. 如申請專利範圍第1項或第2項之阻抗檢測電路， 其中上述阻抗轉換器爲電壓追隨器。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 10. 如申請專利範圍第1項或第2項之阻抗檢測電路, 其中上述阻抗轉換器是一包含有第2運算放大器，而具有 較1爲大的電壓增益的電壓放大電路。 11. 如申請專利範圍第1項或第2項之阻抗檢測電路， 其中上述阻抗轉換器包含有由MOSFET所構成的輸入電路 與第2運算放大器。 1 2.如申請專利範圍第1項或第2項之阻抗檢測電路, 其中上述被檢測阻抗是電容會隨著時間而變化的電容型感 測器，上述第1阻尼元件是電容器。 13. 如申請專利範圍第12項之阻抗檢測電路，其中 上述被檢測阻抗是電容型麥克風。 14. 一種阻抗檢測方法，其主要係針對一用來輸出與 被檢測阻抗的阻抗呈對應的檢測信號的阻抗檢測方法，其 特徵在於： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 將電容型的第1阻抗元件連接到運算放大器的輸出端 子與阻抗轉換器的輸入端子之間， 將被檢測阻抗連接到上述阻抗轉換器的輸入端子與所 設定的電位之間， 經由電阻將直流電壓施加在上述運算放大器的其中一 個的輸入端子，將另一個的輸入端子成所設定的電位， 在上述運算放大器的輸出子所出現的電壓當作檢測信 號而輸出， 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1221196 · ' ' i A8

六、申請專利範圍 將上述被檢測阻抗，上述阻抗轉換器、及上述第1阻 抗元件設成彼此接近且加以連接。 被與 以端 ,一 法的 方抗 測阻 檢測 抗檢 。 阻被 件 之述 構 項上 蔽 4 接 遮 1連，述 第來子上 圍線端在 範號入加 利信輸施 專的的壓 請蓋器電 申覆換的 如所轉定 .件抗所 15構阻將 蔽述 遮上 (請先聞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 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -4 -