TWI420826B - 具有校正機制之電容式感測器及電容偵測方法 - Google Patents

Description

具有校正機制之電容式感測器及電容偵測方法

本揭示內容是有關於一種電子感測裝置及方法，且特別是有關於一種具有校正機制之電容式感測器及電容偵測方法。

電容在受到刺激後，將造成其電荷儲存量改變，而產生相對應的感應訊號。針對此特性，電容被廣泛地應用在各種感測的機制上。舉例來說，加速度計(Accelerometer)、又稱角加速度計的陀螺儀(Gyroscope)以及麥克風等等，都是應用電容特性來進行感測的範例。以加速度或角加速度造成移動，或是以聲音振動，都可以給予電容刺激而改變電容值，使得加速度值、角加速度值或音量大小都可以經由精密設計的電容所產生的電荷改變量測量出來。

然而，電容即使經過精密的設計，仍然可能存在許多不理想的狀況。例如電容在未經刺激的時候，理想狀況為不產生任何感測訊號，但如電容具有些微不對稱的情形，則可能在未受刺激的情形下即有感測訊號產生。另一方面，相同類型的電容感測器在受到同樣的刺激下，仍可能因製程上的差異而在感受的程度具有略微的不同，而在感測靈敏度上造成誤差。對愈來愈講求高精密度的現代電子科技來說，這些誤差將可能造成巨大的影響。

因此，如何設計一個新的具有校正機制之電容式感測器及電容偵測方法，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此，本揭示內容之一態樣是在提供一種電容式感測器，包含：一組感應電容、減除電路以及積分電路。此組感應電容用以產生電容變化。減除電路包含：第一電容陣列以及第二電容陣列。第一電容陣列根據此組感應電容之初始電容誤差產生誤差調整電荷。第二電容陣列根據此組感應電容之感測靈敏度產生減除電荷。積分電路包含二輸入端，其中之一連接於此組感應電容及減除電路。當位於感測週期，積分電路根據電容變化持續進行一積分，且根據誤差調整電荷進行誤差消除，俾產生積分輸出訊號。當位於計算週期，積分電路根據減除電荷持續減除積分輸出訊號，以計算減除次數。

依據本揭示內容一實施例，其中誤差調整電荷為每隔一週期產生，以對積分進行誤差消除。

依據本揭示內容另一實施例，電容式感測器更包含控制電路，用以控制第一電容陣列及第二電容陣列，進一步調整誤差調整電荷及減除電荷。控制電路更用以控制感測週期之長度及用以將減除次數轉換為數位碼以輸出至外部電路。

依據本揭示內容又一實施例，其中積分電路之二輸入端未連接於感應電容及減除電路者，係連接於參考電壓。電容式感測器更包含比較器，用以於計算週期接收積分輸出訊號，以判斷計算週期是否結束。

依據本揭示內容再一實施例，其中感應電容為一組第一感應電容，電容變化為第一電容變化，電容式感測器更包含一組第二感應電容，用以產生與第一電容變化相反之第二電容變化，積分電路之二輸入端其中之一連接於第一感應電容及減除電路，另一輸入端連接於第二感應電容及減除電路。積分輸出訊號實質上包含正積分輸出訊號以及負積分輸出訊號，其中正積分輸出訊號及負積分輸出訊號為相反。電容式感測器更包含比較器，用以於計算週期接收正積分輸出訊號及負積分輸出訊號，以判斷計算週期是否結束。

依據本揭示內容更具有之一實施例，其中感測週期於超過一特定時脈數結束。

本揭示內容之另一態樣是在提供一種具有校正機制之電容感測方法，包含下列步驟：根據一組感應電容感測外界物理量以產生電容變化；進入感測週期，以根據電容變化持續進行積分；根據感應電容之初始電容誤差產生誤差調整電荷，以進行誤差消除；判斷感測週期是否結束；當感測週期結束，根據積分以及誤差調整電荷之結果產生積分輸出訊號；根據感應電容之感測靈敏度產生減除電荷；以及進入計算週期，以根據減除電荷持續減除積分輸出訊號，以計算減除次數。

依據本揭示內容一實施例，其中誤差調整電荷為每隔一週期產生，以對積分進行誤差消除。

依據本揭示內容另一實施例，電容感測方法更包含一步驟：於減除電荷持續減除積分輸出訊號時根據積分輸出訊號判斷計算週期是否結束。

依據本揭示內容又一實施例，電容感測方法更包含一步驟：於減除電荷持續減除積分輸出訊號時根據正積分輸出訊號及負積分輸出訊號判斷計算週期是否結束。

依據本揭示內容再一實施例，感測週期於超過一特定時脈數結束。

依據本揭示內容更具有之一實施例，電容感測方法更包含一步驟：轉換計數值為數位碼以輸出至外部電路。

應用本揭示內容之優點係在於藉由第一電容陣列以及第二電容陣列分別產生誤差調整電荷及減除電荷，以在感應電容感測到變化而由積分電路進行積分時消除感應電容之初始電容誤差，與由減除電荷計算積分的量值時消除感應電容之感測靈敏度造成之誤差，而輕易地達到上述之目的。

請參照第1圖，為本揭示內容一實施例之電容式感測器1的電路圖。電容式感測器1包含：一組感應電容100、減除電路102、積分電路104、控制電路106、比較器108以及時脈產生電路110。

感應電容100用以感測外界之物理量而具有電容變化，進而產生電荷變化訊號101。舉例來說，感應電容100可感測到加速度、角加速度或是聲音等物理量的變化以產生變化。於本實施例中，感應電容100為兩個分別具有二金屬板之電容。積分電路104包含二輸入端及一輸出端。實質上此二輸入端分別為正輸入端及負輸入端，分別以+及-記號表示於第1圖上，而輸出端則以o記號表示。於本實施例中，負輸入端與感應電容100及減除電路102相連接，其相連接處為A點，而正輸入端則接收參考電壓Vr。

理想的情形下，如在外界未給予刺激時，感應電容100將不會產生任何訊號，而僅在外界給予刺激時，由於感應電容100產生電容變化，進而產生電荷變化訊號101，並由積分電路104根據電荷變化訊號101持續進行一積分，而在輸出端產生積分之結果。由於感應電容100之不同，此積分之結果對參考電壓Vr而言可能為正方向的積分或是負方向的積分。

然而，電容即使經過精密的設計，仍然可能存在許多不理想的狀況，而使電容在未經刺激的時候，具有初始電容誤差。或是相同的電容感測器在受到同樣的刺激下，仍可能因製程上的差異而在感受的程度具有略微的不同，而在感測靈敏度上造成誤差。其中，由於感應電容100之不對稱而造成的初始電容誤差，將使得積分電路104即使在未經刺激的時候，仍會進行積分。因此在外界刺激的情形下，此初始電容誤差將影響積分結果的正確性。

請參照第2A圖。第2A圖為本揭示內容一實施例中，減除電路102更詳細之電路圖。減除電路102包含：第一電容陣列20、第二電容陣列22、第三電容陣列24以及參考電容26。第一電容陣列20實質上包含數個具有開關的電容，以根據感應電容100之初始電容誤差調整開關，調整A、B端所等效之電容值，產生誤差調整電荷103，將最終的誤差調整電荷103由A點傳送至積分電路104的負輸入端。上述之減除電路102，可進行一正向或負向之調整或減除。於一實施例中，可設置兩個結構相同之減除電路102，以使其中之一進行正向之調整或減除，而另一個則進行負向之調整或減除。其等效電路，繪示為如第2B圖所示之結構。其中A點至B點間的等效電容，即包含第2A圖所示之各電容陣列，而A點至C點間的等效電容亦與A點至B點間的等效電容相同。

因此，請再參照第1圖，在感應電容100產生電荷變化訊號101後，電容式感測器1將進入感測週期，積分電路104根據電荷變化訊號101持續進行積分的同時，也根據減除電路102經由A點所傳送的誤差調整電荷103進行誤差消除。於一實施例中，此誤差調整電荷103設定為每隔一週期產生。意即，誤差調整電荷103用於校正在同樣的週期內，外界未給予刺激時，積分電路104根據不對稱的感應電容100而產生的誤差結果。

請參照第3A圖。第3A圖為本揭示內容一實施例中，感應電容100在未受刺激時，積分電路104由於感應電容100之初始誤差造成之積分結果之示意圖。

積分電路104由於感應電容100之初始誤差，即使未受外界的刺激，也將持續進行積分，而形成如波形30之階梯狀的積分結果。因此，誤差調整電荷103於一實施例中，可設定為在一個固定週期32結束時產生，以消除此固定週期32的時脈數內，由於感應電容100的不對稱所造成的誤差。因此如第3A圖所示，在固定週期32後，將具有一誤差消除週期34，以將此誤差做歸零的動作。因此，將此歸零動作應用於電容式感測器1的積分電路104，即能消除初始電容誤差。

舉例來說，積分電路104根據電荷變化訊號101在1024個時脈數內持續進行積分，而誤差調整電荷103則每隔32個時脈數即產生，以消除此32個時脈數內，由於感應電容100的不對稱所造成的誤差。因此，於此1024個時脈數中，誤差調整電荷103將進行32次如第3A圖所示的誤差消除動作，以消除初始電容誤差造成的影響。

請再參照第1圖，上述之時脈數，於一實施例中，是藉由時脈產生電路110產生，以供應至電容式感測器1的各元件。而控制電路106則用以判斷感測週期開始後，經過的時脈數，以於超過一特定時脈數，如上述的1024個時脈數時，判斷感測週期結束，使積分電路104進入計算週期。此時，上述積分及誤差消除之結果，即於積分電路104輸出端產生積分輸出訊號105。

請再參照第2圖。當位於計算週期，第二電容陣列22如同第一電容陣列20，實質上包含數個具有開關的電容，以根據感應電容100之感測靈敏度調整電容的開啟或關閉，用以調整A、B端所等效之電容值，產生減除電荷107，由A點傳送至積分電路104的正輸入端。

因此，請再參照第1圖，於計算週期中，積分電路104將根據減除電荷107持續減除積分輸出訊號105，以計算減除次數。比較器108將接收被減除的積分輸出訊號105以及參考電壓Vr以進行比較。於一實施例中，當積分輸出訊號105被減除至小於參考電壓Vr時，比較器108即判斷計算週期結束，並將總共減除的次數算出。

請參照第3B圖。第3B圖為本揭示內容一實施例中，感測週期31期間的積分過程及計算週期33期間，積分輸出訊號105為減除電荷107所減除之示意圖。

積分電路104在經過感測週期31期間的積分過程後，將產生積分輸出訊號105，並在緊接著的計算週期33中，為減除電荷107所減除。

舉例來說，積分電路104經過1024個時脈數所積分出的積分輸出訊號105，每隔一時脈即由減除電荷107減除一固定的值，直到積分輸出訊號105被減除至小於參考電壓Vr為止。此時，在計算週期33內，積分輸出訊號105被減除電荷107減除的次數即為減除次數。需注意的是，參考電壓Vr之值可因應不同之實施例而設定不同之數值。

由於即使設計為相同的感應電容100，在製程上造成的些微誤差，對於同樣的外界刺激，可能會產生不同的感測電容值，因此在計算上易造成靈敏度上的誤差。藉由第二電容陣列22根據靈敏度的調整，將可使上述的誤差減到最小。

上述的減除次數，即為電容式感測器1的感應電容100所感測到的外界物理量，如加速度、角加速度以及聲音。於一實施例中，控制電路106可將此減除次數轉換為數位碼以輸出至外部電路(未繪示)。

於一實施例中，減除電路102中的第一電容陣列20以及第二電容陣列22的開關，是在經由測試，確定感應電容100的初始電容誤差及靈敏度將造成的誤差值後，再由控制電路106進行控制，以將各電容陣列的電容值及輸出的誤差調整電荷103與減除電荷107調整至適當的準位。第一電容陣列20以及第二電容陣列22的電容數目亦可於不同之實施例中進行調整，以達到更精確的誤差校正，不為第2圖繪示所限。於一實施例中，減除電容陣列24並非必要，而可僅藉由設置第一電容陣列20以及第二電容陣列22達到校正之目的。

因此，藉由上述實施例中的電容式感測器1，感應電容100在初始電容誤差及靈敏度上所造成的誤差情形，將可以藉由減除電路102的設計而大幅改善，並提升其感測的準確度。

請參照第4圖。第4圖為本揭示內容一實施例之電容式感測器4的電路圖。電容式感測器4包含：一組第一感應電容400a、一組第二感應電容400b、減除電路402、積分電路404、控制電路406、比較器408以及時脈產生電路410。

第一感應電容400a及第二感應電容400b實質上為對稱之兩組電容，當感應到外界之刺激時，將分別產生第一電容變化及第二電容變化，進而據此產生第一電荷變化訊號401a及與第一電荷變化訊號401a相反之第二電荷變化訊號401b。於本實施例中，第一感應電容400a及第二感應電容400b分別與積分電路404之正輸入端及負輸入端相連接(如同第1圖中分別以+及-記號標示)，以全差動(Fully differential)之方式輸入，分別使積分電路404產生正負相反但絕對值相同之積分結果。

減除電路402與前一實施例中的減除電路102具有相同的架構，因此不再贅述。然而於本實施例中，減除電路402將產生兩個誤差調整電荷403a、403b與兩個減除電荷407a、407b，以分別傳送至積分電路404之正輸入端及負輸入端，並如前一實施例中所述，於感測週期中進行初始電容誤差之消除，並依據時脈產生電路410的時脈數判斷感測週期之結束以產生正負相反之正積分輸出訊號405a及負積分輸出訊號405b，以及於計算週期中進行靈敏度的校正。需注意的是，正積分輸出訊號405a及負積分輸出訊號405b之名稱，是指其由正輸出端或負輸出端輸出，並非限定其電壓值為正或負。

於本實施例中，比較器408接收正積分輸出訊號405a及負積分輸出訊號405b，以進行比較。於一實施例中，正積分輸出訊號405a及負積分輸出訊號405b為兩個減除電荷407a、407b所持續減除，直至其值相差為零或接近零，則比較器408將判斷計算週期結束，產生減除次數。於其他實施例中，可設定其他的判斷機制以由比較器408判斷計算週期之結束。

請參照第5圖。第5圖為本揭示內容一實施例中，感測週期51期間的積分過程及計算週期53期間，正積分輸出訊號405a及負積分輸出訊號405b為兩個減除電荷407a、407b所減除之示意圖。

積分電路404在經過感測週期51期間的積分過程後，將產生正積分輸出訊號405a及負積分輸出訊號405b，並在緊接著的計算週期53中，為減除電荷407a、407b所減除。

第4圖中之控制電路406於本實施例中亦可如同前一實施例，對控制感測週期之長度、控制減除電路402之各電容開關及各參數以調整誤差校正及精確度校正的程度，並可將所計算的減除次數轉換為數位碼以輸出至外部電路(未繪示)。

請參照第6圖。第6圖為本揭示內容一實施例中，一種具有校正機制之電容感測方法之流程圖。電容感測方法可應用於如第1圖或第4圖所繪示的電容式感測器。於本實施例中是以第1圖之電容式感測器1為例進行說明。電容感測方法包含下列步驟。

於步驟601，根據一組感應電容100感測電荷變化訊號101。於步驟602，進入感測週期，以使積分電路104根據電荷變化訊號101持續進行積分。於步驟603，根據感應電容100之初始電容誤差產生誤差調整電荷103，以進行誤差消除。於步驟604，判斷感測週期是否結束。當感測週期尚未結束，則繼續執行步驟603以進行積分及誤差消除。當感測週期結束，於步驟605，根據積分以及誤差調整電荷103之結果產生積分輸出訊號105。於步驟606，根據感應電容之感測靈敏度產生減除電荷107。於步驟607，進入計算週期，以根據減除電荷107持續減除積分輸出訊號105，以計算減除次數。於步驟608，判斷計算週期是否結束。當計算週期尚未結束，則繼續執行步驟607以計算減除次數。當計算週期結束，於步驟609，轉換計數值為數位碼以輸出至外部電路。

因此，藉由上述實施例中的電容式感測器及電容感測方法，感應電容在初始電容誤差及靈敏度上所造成的誤差情形，將可以藉由減除電路的設計而大幅改善，並提升其感測的準確度。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．電容式感測器

100．．．感應電容

101．．．電荷變化訊號

102．．．減除電路

103．．．誤差調整電荷

104．．．積分電路

105．．．積分輸出訊號

106．．．控制電路

107．．．減除電荷

108．．．比較器

110．．．時脈產生電路

20．．．第一電容陣列

22．．．第二電容陣列

24．．．第三電容陣列

26．．．參考電容

30．．．波形

31．．．感測週期

32．．．固定週期

33．．．計算週期

34．．．誤差消除週期

4．．．電容式感測器

400a．．．第一感應電容

400b．．．第二感應電容

401a．．．第一電荷變化訊號

401b．．．第二電荷變化訊號

402．．．減除電路

403a、403b．．．誤差調整電荷

404．．．積分電路

405a．．．正積分輸出訊號

405b．．．負積分輸出訊號

406．．．控制電路

407a、407b．．．減除電荷

408．．．比較器

410．．．時脈產生電路

51．．．感測週期

53．．．計算週期

601-609．．．步驟

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖為本揭示內容一實施例之電容式感測器的電路圖；

第2A圖為本揭示內容一實施例中，減除電路更詳細之電路圖；

第2B圖為第2A圖之減除電路之等效電路之示意圖；

第3A圖為本揭示內容一實施例中，感應電容未受刺激時，積分電路由於感應電容之初始誤差造成之積分結果之示意圖；

第3B圖為本揭示內容一實施例中，感測週期的積分過程及計算週期中積分輸出訊號為減除電荷所減除之示意圖；

第4圖為本揭示內容一實施例之電容式感測器的電路圖；

第5圖為本揭示內容一實施例中，感測週期積分過程及計算週期中，正及負積分輸出訊號為減除電荷所減除之示意圖；以及

第6圖為本揭示內容一實施例中，一種具有校正機制之電容感測方法之流程圖。

1．．．電容式感測器

100．．．感應電容

101．．．電荷變化訊號

102．．．減除電路

103．．．誤差調整電荷

104．．．積分電路

105．．．積分輸出訊號

106．．．控制電路

107．．．減除電荷

108．．．比較器

110．．．時脈產生電路

Claims (17)

1. 一種具有校正機制之電容式感測器，包含：一組感應電容，用以產生一電容變化；一減除電路，包含：一第一電容陣列，用以根據該組感應電容之一初始電容誤差產生一誤差調整電荷；以及一第二電容陣列，用以根據該組感應電容之一感測靈敏度產生一減除電荷，其中該減除電荷為一定值；以及一積分電路，包含二輸入端，其中之一連接於該組感應電容及該減除電路；當位於一感測週期，該積分電路根據該電容變化持續進行一積分，且根據該誤差調整電荷進行一誤差消除，俾產生一積分輸出訊號；當位於一計算週期，該積分電路根據為該定值之該減除電荷持續減除該積分輸出訊號直到該積分輸出訊號小於一參考電壓，以計算一減除次數。
2. 如請求項1所述之電容式感測器，其中該誤差調整電荷為每隔一週期產生，以對該積分進行該誤差消除。
3. 如請求項1所述之電容式感測器，更包含一控制電路，用以控制該第一電容陣列及該第二電容陣列，進一步調整該誤差調整電荷及該減除電荷。
4. 如請求項3所述之電容式感測器，該控制電路更用以控制該感測週期之長度。
5. 如請求項3所述之電容式感測器，該控制電路更用以將該減除次數轉換為一數位碼以輸出至一外部電路。
6. 如請求項1所述之電容式感測器，其中該積分電路之該二輸入端未連接於該組感應電容及該減除電路者，係連接於一參考電壓。
7. 如請求項1所述之電容式感測器，更包含一比較器，用以於該計算週期接收該積分輸出訊號，以判斷該計算週期是否結束。
8. 如請求項1所述之電容式感測器，其中該組感應電容為一組第一感應電容，該電容變化為一第一電容變化，該電容式感測器更包含一組第二感應電容，用以產生與該第一電容變化相反之一第二電容變化，該積分電路之該二輸入端其中之一連接於該組第一感應電容及該減除電路，另一者連接於該組第二感應電容及該減除電路。
9. 如請求項8所述之電容式感測器，該積分輸出訊號實質上包含一正積分輸出訊號以及一負積分輸出訊號， 其中該正積分輸出訊號及該負積分輸出訊號係為相反。
10. 如請求項9所述之電容式感測器，更包含一比較器，用以於該計算週期接收該正積分輸出訊號及該負積分輸出訊號，以判斷該計算週期是否結束。
11. 如請求項1所述之電容式感測器，其中該感測週期於超過一特定時脈數結束。
12. 一種具有校正機制之電容感測方法，包含下列步驟：根據一組感應電容感測一外界物理量以產生一電容變化；進入一感測週期，以根據該電容變化持續進行一積分；根據該組感應電容之一初始電容誤差產生一誤差調整電荷，以進行一誤差消除；判斷該感測週期是否結束；當該感測週期結束，根據該積分以及該誤差調整電荷之結果產生一積分輸出訊號；根據該組感應電容之一感測靈敏度產生一減除電荷，其中該減除電荷為一定值；以及進入一計算週期，以根據為該定值之該減除電荷持續減除該積分輸出訊號直到該積分輸出訊號小於一參考電壓，以計算一減除次數。
13. 如請求項12所述之電容感測方法，其中該誤差調整電荷為每隔一週期產生，以對該積分進行該誤差消除。
14. 如請求項12所述之電容感測方法，更包含一步驟：於該減除電荷持續減除該積分輸出訊號時根據該積分輸出訊號判斷該計算週期是否結束。
15. 如請求項12所述之電容感測方法，其中該積分輸出訊號包含一正積分輸出訊號以及一負積分輸出訊號，該電容感測方法更包含一步驟：於該減除電荷持續減除該積分輸出訊號時根據該正積分輸出訊號及該負積分輸出訊號判斷該計算週期是否結束。
16. 如請求項12所述之電容感測方法，其中該感測週期於超過一特定時脈數結束。
17. 如請求項12所述之電容感測方法，更包含一步驟：轉換該計數值為一數位碼以輸出至一外部電路。