TWI498796B

TWI498796B - 量測電容的方法及系統，及計算電容的方法

Info

Publication number: TWI498796B
Application number: TW098117328A
Authority: TW
Inventors: Alex Irkliy
Original assignee: Microchip Tech Inc
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2015-09-01
Also published as: EP2279470B1; EP2279470A2; WO2009151904A2; KR20110014132A; US20090295409A1; CN102084593B; TW201005615A; US9367179B2; CN102084593A; KR101742604B1; WO2009151904A3

Description

量測電容的方法及系統，及計算電容的方法

本發明大體上是關於觸碰感應器、接近感應器及電容量測之領域，其在許多各種領域具有應用，包含汽車、消費性電子器件及醫療技術。

觸碰感應器與接近感應器具有很多用途。例如，觸碰感應器與接近感應器可用作為使用者介面之按鈕、滑桿及開關。可在例如獨立式終端機服務台(kiosk)、掌上型電子裝置及家用器具中找到此等感應器。該等感應器可藉由用一手指擠壓、用一尖筆觸碰一螢幕，或甚至藉由以身體之純粹出現而作為接近感應器予以操作。

感應器自身充當一電容器。隨著感應器受到擠壓或隨著一身體接近感應器，使感應器的電容性質變化。藉由判定電容之值或將其與已知或先前之量相比較，即可判定諸如是否發生接觸或接觸持續了多長時間之資訊。

電容性感應器為機械按鈕與開關之受歡迎的替代物，特別是在微控制器與微處理器之應用中。因此，工程師們尋求使用更少組件以更廉價地實施電容性感應器。用於簡易量測及偵測電容器之變化，同時簡化設計及減少組件之必需數量之系統及方法為吾之所願。

根據一實施例，一種用於量測電容之系統可包括一量測電路，該量測電路包括：連接至一第一節點及一第二節點之一第一參考電容器；該等節點之各者，其連接到可操作以施加一參考電壓或接地至該等節點中之一者的一單元；連接至該第一節點之一第一墊；及可操作以量測該第一節點與該第二節點之間之電壓之一單元。

根據進一步實施例，該系統可進一步包括一連接至第二節點之第二墊。根據進一步實施例，可操作以施加參考電壓及接地至節點之單元可由以下組成：一連接至該節點與參考電壓之第一開關，及一連接至該節點與接地之第二開關。根據進一步實施例，該系統可進一步包括複數個第三節點、第四節點、第三墊、第二參考電容器，及可操作以量測電壓之單元，其中，各該第二參考電容器可連接至一第三節點及一第四節點；各該第三節點及第四節點可連接至一可操作以施加一參考電壓或接地至該節點之單元，各該第三墊可連接至第三節點，各該第四墊可連接至第四節點；及一可操作以量測第三節點與第四節點之間之電壓的單元。根據進一步實施例，可操作以施加參考電壓及接地至節點之單元可嵌入於一晶片上。根據進一步實施例，可操作以施加參考電壓及接地至節點之單元可透過該晶片之組態來啟用。根據進一步實施例，可操作以量測第一節點與第二節點之間之電壓的單元可嵌入於一晶片上。根據進一步實施例，可操作以量測第一節點與第二節點之間之電壓的單元可透過該晶片之組態來啟用。根據進一步實施例，可操作以量測第一節點與第二節點之間之電壓的單元可藉由一類比至數位電路來體現。根據進一步實施例，該系統可包括一接近感應器。

根據進一步實施例，一種量測一墊之電容之方法可包括如下步驟：施加一電壓至該墊及一參考電容器；將該參考電容器接地以產生一包括與該墊串聯耦合之參考電容器的電路；及量測跨該參考電容器之所得電壓，該所得電壓對應於該第一墊之電容值。

根據進一步實施例，跨該墊施加電壓之動作可以由一個微控制器自動完成。根據進一步實施例，跨該參考電容器施加電壓之動作可以由一個微控制器自動完成。根據進一步實施例，將該參考電容器接地以產生包括與該墊串聯耦合之該參考電容器之電路之動作可以由一個微控制器自動完成。根據進一步實施例，對電容的量測可藉由比較該參考電容器之電壓與一基線電壓來完成。根據實施例，該方法可應用於量測複數個墊之電容。

根據一實施例，一種計算跨一參考電容器而連接之複數個墊之電容之方法包括：跨一第一墊施加一電壓；跨一參考電容器施加該電壓；將該參考電容器接地以產生包括與該第一墊串聯耦合之該參考電容器之一電路；量測該參考電容器之第一所得電壓，該所得電壓對應於該第一墊之電容值；跨一第二墊施加一電壓；跨該參考電容器施加該電壓；將該參考電容器接地以產生包括與該第二墊串聯耦合之該參考電容器之一電路；及捕獲跨該參考電容器之第二所得電壓，該所得電壓對應於該第二墊之電容值。

根據一實施例，一種判定兩個或兩個以上墊之相對電容之方法可包括：跨一第一個墊施加一電壓；跨一參考電容器施加該電壓；將該參考電容器接地以產生包括與該第一墊串聯耦合之該參考電容器之一電路；量測跨該參考電容器之第一所得電壓，該所得電壓對應於該第一墊之電容值；及對於每個第二墊，跨該第二墊施加一電壓；跨該參考電容器施加該電壓；將該參考電容器接地以產生包括與該第二墊串聯耦合之該該參考電容器之一電路；捕獲跨該參考電容器之第二所得電壓，該所得電壓對應於該第二墊之電容值；及比較從兩個或兩個以上墊之所得電壓或電容計算結果。

圖1顯示使用一微控制器與一單墊之一實施例。可程式化微控制器1可以有複數個輸入及輸出接針4、5。根據各項實施例，該微控制器可為一專用積體電路(ASIC)、一可程式化處理器，一可重新程式化處理器，或可嵌入電路之任何其他晶片。該微控制器可為一單一單元或由若干單獨的微控制器組成。在本文中被實施為一電容性感應器之一墊2被附接至一第一接針4。墊2可為任意種類之觸碰感應器或接近感應器。一帶有已知電容之阻抗電路3被連接在一第一接針4與一第二接針5之間。根據一實施例，接針4、5為在一微控制器上之接針。接針4、5之其他實施例可採用電線、引線、探針、線路、電極之形式在圖1中，微控制器1可操作以將一參考電壓9施加至接針4、5之任一者。該微控制器1可進一步操作以將接地施加至接針4、5之任一者。微控制器1還可進一步量測連接至接針4、5之任一者之電壓或接針4、5之間的電壓。

圖2顯示一實施例，其中阻抗電路3被實施為一參考電容器6。阻抗電路3之其他實施例可採用一特定應用所需之其他被動元件。墊2對該微控制器而言似乎為一單式元件。墊2是藉由一手指、尖筆或身體之出現操作，其改變電路之特性，如下文將所作出的更詳細解釋。

圖3顯示一實施例之等效電路，其中墊2已經被操作過，例如被一使用者觸碰過。在被操作後，組合之淨電容值將變化。操作該墊之身體電容表示為C_BODY 8。物體具有通過一等效電容C_COUPLING 7至電路接地之一耦合路徑。電容C_COUPLING 7係與身體電容C_BODY 8串聯。當墊2被操作時，C_BODY 8與其至接地之耦合電容C_COUPLING 7之組合表示墊2之新電容。

圖4顯示一項實施例，其具有：一單墊組態，其使用開關以施加參考電壓9及接地至接針4、5；及可操作以量測電壓之單元。根據一實施例，參考電壓9為一上拉直流電壓源。參考電壓9可具有(例如)5伏特或3.3伏特之值。該參考電壓之一實施例使用從外部提供至單元之一電壓。該參考電壓可藉由在感應觸碰時對操作墊有用之任何電壓來體現。一實施例利用一第一開關10連接一參考電壓9至一接針4，及使用一第二開關11以將接針4接地。同樣地，另一第一開關12與另一第二開關13可用於將一參考電壓或接地連接至一不同接針5。開關10、11、12、13係可透過一電路操作或係可透過韌體操作。

可操作以量測或比較一電壓之一單元14連接至第一接針4與第二接針5。用以量測接針4、5間之電壓之單元14之其他實施例可具有若干單獨單元，該等單元係用以量測或比較每個個別接針之電壓。可操作以量測或比較一電壓之單元14之其他實施例可連接至接地或一基線電壓。可操作以量測或比較一電壓之單元14之一實施例使用一微控制器之可內部組態之電路。用以量測或比較一電壓之特定機構可根據晶片之組態被動態地啟用或停用。可量測或比較一電壓之單元14之實施例可為一類比至數位轉換器(ADC)、用以進行量測之一積分器電路，或一比較器，該比較器係用以進行所得電壓與基線電壓之間的比較，而無需判定所得電壓之實際值。進一步實施例比較一電壓讀數與先前之所得電壓，以判定墊2之電容是否發生變化。

圖5顯示一單墊組態之一實施例，其使用可施加一參考電壓9或接地至接針4、5之單元15、16。這些單元可藉由圖4描述之開關組態來體現。其他實施例可以使用諸如一選擇器或一多工器之一不同開關機構以施加參考電壓9或接地至接針。可藉由一微控制器之韌體進行配置或操作單元15、16。其他實施例可將單元15與16組合，以形成一可施加參考電壓9或接地至任何數目之接針的單元。

用於施加參考電壓或施加接地至接針之單元15、16與用於量測接針間的電壓之單元14可在一微控制器1之實施例中組合，或作為結合一微控制器之實施例作業的單獨電路或單元。

可能夠施加參考電壓9或一接地至接針4、5之一單元的進一步實施例使用施加一類比電壓輸出至接針4、5，而不是使施加至接針之電壓從參考電壓變化至接地。

圖6展示在單墊組態下操作本發明之方法。在第一步驟100中，一參考電壓9被施加至第一接針4與第二接針5。因此，跨阻抗單元之淨所得電壓為0伏特，及墊2之所得電壓為施加之參考電壓9。

在第二步驟101中，從第一接針移除參考電壓，且第二接針5被接地。此動作促使產生一墊與阻抗單元3串聯之電路，如圖3所示。累積在墊2上之電荷將被放電。阻抗單元3先前無電荷，但將從墊2得到電荷。第三步驟102為等待達到一穩定狀態，及墊2與阻抗單元3上之電荷相對穩定。

第四步驟103為量測或比較跨阻抗單元3與墊2之所得電壓。在一實施例中，第一接針4可經程式組態作為一類比輸入。該類比輸入也可在單端模式下起作用，藉此該電壓為第一接針4與接地之電位差。

在一實施例中，一旦已判定電壓，即可計算墊2之電容(步驟104)。在一實施例中，可比較第一接針之電壓與另一電壓，而無需明確計算電容。在第三步驟102後，等效電路之電流等於各組件之電容值乘以隨時間變化之電壓(I=C*dV/dt)。該電流同樣流過阻抗單元3與墊2，因此阻抗單元3之電容值乘以阻抗單元3的隨時間變化之電壓等於墊2之電容值乘以墊2的隨時間變化之電壓：

I=C_REF * dV_CREF /dt=C_Pad * dV_Pad /dt (等式1)

從而得到：

C_REF * dV_CREF =C_Pad * dV_Pad． (等式2)

用基爾霍夫(Kirchoff)電壓定律分析該等效電路，阻抗單元3與墊2之電壓和必須為零。跨墊2之電壓之初始值等於參考電壓，且然後減小一量dV_Pad 。跨阻抗單元3之電壓為零，但然後獲得一量dV_CREF 。因此，

dV_CREF =V_REF -dV_Pad (等式3)

結合等式2與3，墊2之電容可表示為：

C_Pad =(C_REF * dV_CREF )/(V_REF -dV_CREF ) (等式4)

其中C_REF 為阻抗單元3之已知電容，V_REF 為施加至接針4之參考電壓，dV_CREF 為跨阻抗單元3或第一接針4之量測電壓。

在一實施例中，可藉由比較所得電壓與基線電壓、另一所得電壓或一設定值完成電容之計算(步驟104)。藉由判定電容值，可判定電容值是否已發生變化。該電容值或電容值之變化以信號告知該墊已被一物體碰觸過或一物體已接近作為一接近感應器之墊。

本發明可以採用其他步驟，這取決於所得電壓或電容之值。其可用於開啟一按鈕，啟動一控制，移動一滑桿，引發一警報，發送資料或發出一警報至另一系統，或任何由一觸碰及接近感應器啟用之活動。

圖7顯示在差動模式下判定所得電壓及計算電容之另一實施例。首先，實施步驟100、101、102、103，在第一接針4產生一第一所得電壓。然後，在步驟105中，跨第二接針5與第一接針4施加一參考電壓9。移除參考電壓9並將第一接針4接地106。在達到一穩定狀態後107，下一步驟108為量測第二接針5之電壓。或者，可直接比較第二接針5之電壓與第一所得電壓。可根據等式4或與藉由與第二接針5之電壓作比較而求得第一接針之所得電容(步驟109)。

圖8顯示另一實施例，其中除第一墊2連接至第一接針4之外，亦有一第二墊17連接至第二接針5。第二墊17可連同現有系統一起作為一接觸感應器或接近感應器使用，而無需任何額外組件。以上討論之各種實施例完全適用於當前之實施例。

圖10顯示為了判定第二墊17之電容或其等效所得電壓，重複圖6或圖7之步驟，但要顛倒第一接針4與第二接針5之角色。

首先，執行步驟100、101、102及103以得到第一墊2之所得電壓。然後，在步驟110中，跨第二接針5與第一接針4施加一參考電壓。阻抗單元3沒有電位，第二墊17具有參考電壓之電位。移除參考電壓並將第一接針4接地111。結果為阻抗單元3與第二墊17一起串聯於一封閉電路中，第二墊17放電，且阻抗單元3收集電荷。達到在穩定狀態(步驟112)後，可量測或比較第二墊17之電壓(步驟113)，及可使用等式4計算第一墊2與第二墊17之所得電容(步驟114)。在一實施例中，第一墊2與第二墊17之電容計算可以發生在不同時間。在一實施例中，步驟100、101、102及103可以在步驟110、111、112及113之後予以執行。在一實施例中，可跳過該組步驟100、101、102與103或該組步驟110、111、112與113來量測一單墊之電容值。

圖11顯示一實施例，其中在差動模式中被判定一雙墊組態之電容值。運用兩個墊的所得電壓量測，相互比較該等電壓以判定相對電容(步驟115)。在一實施例中，可將其用於實施一雙態觸變式開關。

圖9顯示一實施例，其中組合一系列單墊組態或雙墊組態以產生一感應器陣列。該實施例可以包含多個裝置，該裝置包括連接於一第一接針24與一第二接針25之間之一阻抗單元23、連接至第一接針24之一第一墊26及連接至第二接針25之一選用之第二墊27。每個墊可以先前描述之方法進行操作。在一實施例中，每個裝置可連接到一微控制器1。在一實施例中，每個裝置經由其第一接針24與第二接針25連接至可操作以施加電壓及接地之一單元15及可操作以量測或比較電壓之一單元14。

在一實施例中，可操作以施加電壓或接地之單元15及/或可操作以量測或比較電壓之單元14在微控制器1中進行組態。微控制器之內部電路可在本發明運作期間之不同時間啟用這些單元之執行個體。在一實施例中，此可藉由開關予以完成。

1．．．微控制器

2．．．墊

3．．．阻抗電路

4．．．接針

5．．．接針

6．．．參考電容器/C_REF

7．．．身體電容/C_BODY

8．．．等效電容/C_COUPLING

9．．．參考電壓

10．．．第一開關

11．．．第二開關

12．．．第一開關

13．．．第二開關

14．．．單元

15．．．單元

16．．．單元

17．．．第二墊

18．．．阻抗電路

19．．．接針

20．．．接針

21．．．墊

22．．．墊

23．．．阻抗電路

24．．．接針

25．．．接針

26．．．墊

27．．．墊

圖1顯示使用一微控制器之單墊感應器組態之一實施例；圖2顯示使用處於開路或未被觸碰狀態之一參考電容器之單墊感應器組態之另一實施例；圖3顯示當被觸碰或啟動時之一單墊感應器組態之一實施例之一等效電路圖；圖4顯示使用開關以施加參考電壓或接地至接針之一電路組態之一實施例；圖5顯示一單墊感應器組態之另一實施例；圖6顯示一種判定一單墊組態在單端模式中之電容之方法之一實施例；圖7顯示一種判定一單墊組態在差動模式中之電容之方法之一實施例；圖8顯示使用一微控制器之一雙墊式組態之一實施例；圖9顯示使用一微控制器之一N墊式組態之一實施例；圖10顯示一種判定一雙墊式組態之電容之方法之一實施例；及圖11顯示一種判定使用差動模式之一雙墊式組態之電容之方法之一實施例。

2‧‧‧墊

4‧‧‧接針

5‧‧‧接針

6‧‧‧參考電容器/C_REF

9‧‧‧參考電壓

10‧‧‧第一開關

11‧‧‧第二開關

12‧‧‧第一開關

13‧‧‧第二開關

14‧‧‧單元

15‧‧‧單元

Claims

一種用於量測電容之系統，其包括一量測電路，該量測電路包括：一參考電容器，其耦接至一第一節點且耦接至一第二節點；該等節點之每一者連接至一第一單元，該第一單元可操作以施加或移除一參考電壓或接地至該等節點之各一者；一第一墊，其連接至該第一節點；及一第二單元，其可操作以量測該第一節點與該第二節點之間之一電壓，其中該第一單元同時施加該參考電壓至該第一節點與該第二節點，且接著將該第一節點維持在高阻抗，並且將該第二節點自該參考電壓切換至接地，且在一預定的安定時間(settling time)之後，該第二單元量測該第一節點與該第二節點之間之該電壓。
如請求項1之系統，進一步包括一連接至該第二節點之第二墊。
如請求項1之系統，其中可操作以施加一參考電壓及接地至該第一節點及該及第二節點之該第一單元包含分離的(separate)開關單元，每一開關單元包括：一第一開關，其連接至該節點且連接至該參考電壓；及一第二開關，其連接至該節點且連接至接地。
如請求項2之系統，進一步包括：複數個第一與第二節點對、複數個第一墊、複數個第二墊、複數個參考電容器、複數個第一單元，該複數個第一單元可操作以施加一參考電壓或接地至該等第一與第二節點對中之每一節點、及複數個可操作以量測電壓之第二單元；該等參考電容器之每一者連接至該等第一與第二節點對中之一者；該等第一與第二節點對之每一者連接至該等第一單元中之一各別一者；該等第一墊之每一者連接至一各別第一節點；該等第二墊之每一者連接至一各別第二節點；及該等第二單元之每一者可操作以量測該一各別第一節點與一各別第二節點之間之電壓。
如請求項1之系統，其中可操作以施加參考電壓或接地至節點之該第一單元係嵌入在一晶片上。
如請求項5之系統，其中可操作以施加參考電壓或接地至節點之該第一單元可透過該晶片之組態來啟用。
如請求項1之系統，其中可操作以量測該第一節點與該第二節點之間之電壓之該第二單元係嵌入在一晶片上。
如請求項6之系統，其中可操作以量測該第一節點與該第二節點之間之電壓之該第二單元可藉由該晶片之組態來啟用。
如請求項1之系統，其中可操作以量測該第一節點與該第二節點之間之電壓之該第二單元是藉由一類比至數位電路來體現。
如請求項1之系統，其中該系統形成一接近感應器(proximity sensor)。
一種量測一墊之電容之方法，該方法包括：將該墊與一參考電容器之一第一端耦合至一微控制器之一第一I/O埠(port)；將該參考電容器之一第二端耦合至該微控制器之一第二I/O埠；同時施加一電壓至該墊及該參考電容器之兩端；及之後切換該第一I/O埠為高阻抗，且將該參考電容器之該第二端自該電壓切換至接地，以產生包括與該墊串聯耦合之該參考電容器之一電路，及在一預定的安定時間之後，量測跨該參考電容器之所得(resulting)電壓，該所得電壓對應於該第一墊之電容值。
如請求項11之方法，其中跨該墊施加電壓之動作係由一微控制器自動完成。
如請求項11之方法，其中跨該參考電容器施加電壓之動作係由一微控制器自動完成。
如請求項11之方法，其中將該參考電容器接地以產生包含與該墊串聯耦合之該參考電容器之電路的動作係由微控制器自動完成。
如請求項11之方法，其中電容之該量測是利用一類比至數位轉換器或藉由比較該參考電容器之該電壓與一基線 (baseline)電壓而完成。
如請求項11之方法，其中該方法係應用於量測複數個墊之電容。
如請求項11之方法，其進一步包含將一第二墊耦接至該微控制器的該第二I/O埠，並可選擇地比較該第一及第二所得電壓。
一種計算跨一參考電容器的二個墊之電容之方法，其包含：一第一順序(sequence)，其包含下列次序(order)：跨一第一墊施加一第一電壓，並同時施加該第一電壓至一參考電容器的兩端；將該參考電容器之一端接地，同時相對另一端保持在高阻抗，以產生包含與該第一墊串聯耦合之該參考電容器之一電路；及量測跨該參考電容器的第一所得電壓，該第一所得電壓對應於該第一墊的該電容值；及一第二順序，其包含下列次序：跨一第二墊施加一第二電壓，並同時將該第二電壓施加至該參考電容器的兩端；將該參考電容器的一端接地，同時相對另一端保持在高阻抗，以產生包含與該第二墊串聯耦合之該參考電容器之一電路；及量測跨該參考電容器的第二所得電壓，該第二所得電壓對應於該第二墊的該電容值。
一種量測電容之系統，其包含一量測電路，該電路包含：一參考電容器，其連接至一第一節點及一第二節點；該等節點之每一者連接至一第一單元，該第一單元可操作以施加或移除一參考電壓或接地至該等節點之一者；一第一墊，其連接至該第一節點；及一第二單元，其可操作以量測該第一節點與該第二節點之間之一電壓，其中，為了量測電容，該第一單元同時施加該參考電壓至該第一節點及該第二節點，並接著將該第一節點維持在高阻抗，並且將該第二節點接地，且在一預定安定時間之後，該第二單元量測該第一節點處的一第一電壓，及之後該第一單元將該參考電壓施加至該第一節點及該第二節點，接著將該第二節點維持在高阻抗，並將該第一節點接地，在預定安定時間之後，該第二單元量測在該第二節點處之一第二電壓，其中該電容根據該第一電壓及該第二電壓而判定。
如請求項19之系統，其中可操作以施加參考電壓及使該等節點接地之該第一單元包含分離的開關單元，每一開關單元包括：一第一開關，其連接至該節點且連接至該參考電壓；及一第二開關，其連接至該節點且連接至接地。
如請求項19之系統，其進一步包含：複數個第一及第二節點對、複數個第一墊、複數個第二墊、複數個參考阻抗、複數個第一單元，該複數個第一單元可操作以施加一參考電壓或接地至該等第一與第二節點對中之每一節點、及複數個可操作以量測電壓之第二單元；該等參考阻抗的之每一者連接至該等第一與第二節點對中之一者；該等第一與第二節點對之每一者連接至該等第一單元中之一各別一者；該等第一墊之每一者連接至一各別第一節點；該等第二墊之每一者連接至一各別第二節點；及該等第二單元之每一者可操作以量測該一各別第一節點與一各別第二節點之間之電壓。
一種用於量測一墊的電容之方法，其包含下列步驟：將該墊及一參考電容的一第一端耦合至一微控制器的一第一I/O埠；將該參考電容器之一第二端耦合至該微控制器之一第二I/O埠；同時施加一參考電壓至該墊及該參考電容器之兩端；切換該第一I/O埠為高阻抗，且將該參考電容器之該第二端接地，以產生包括與該墊串聯耦合之該參考電容器之一電路，及在一預定的安定時間之後，量測在該第一I/O埠上的一第一所得電壓；將該參考電壓施加至該墊及該參考電容之兩端；切換該第二I/O埠為高阻抗，並將該參考電容的該第一端接地，及在一預定的安定時間之後，量測該第二I/O埠上的一第二所得電壓；及計算來自該第一所得電壓及該第二所得電壓之電容。
如請求項22之方法，進一步包含將一第二墊耦合至該微控制器的該第二I/O埠，並可選擇地比較該第一所得電壓及該第二所得電壓。