具有校正機制的電容式傳感器及電容感測方法
2023-06-23 23:18:01 2
專利名稱：具有校正機制的電容式傳感器及電容感測方法
技術領域：
本發明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的電容式傳感器及電容感測方法。
背景技術：
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信號。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信號，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信號產生。另一方面，相同類型的電容傳感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的電容式傳感器及電容感測方法，乃為此一業界亟待解決的問題。
發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種具有校正機制的電容式傳感器及電容感測方法。本發明的一實施方式是在提供一種電容式傳感器，包含一組感應電容、減除電路 (subtraction circuit)以及積分電路(integration circuit)。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的初始電容誤差產生誤差調整電荷(offset-adjusting charge) 0第二電容陣列根據此組感應電容的感測靈敏度產生減除電荷(subtraction charge) 0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。當位於感測周期，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，以產生積分輸出信號(integration output singnal) 0當位於計算周期，積分電路根據減除電荷持續減除(subtracted)積分輸出信號，以計算減除次數(subtraction count)。依據本發明一實施例，其中誤差調整電荷為每隔一周期產生，以對積分進行誤差消除。依據本發明另一實施例，電容式傳感器還包含控制電路，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。控制電路還用以控制感測周期的長度及用以將減除次數轉換為數字碼以輸出至外部電路。
依據本發明又一實施例，其中積分電路的二輸入端未連接於感應電容及減除電路者，是連接於參考電壓。電容式傳感器還包含比較器，用以在計算周期接收積分輸出信號， 以判斷計算周期是否結束。依據本發明再一實施例，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，電容式傳感器還包含一組第二感應電容，用以產生與第一電容變化相反的第二電容變化，積分電路的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。積分輸出信號實質上包含正積分輸出信號以及負積分輸出信號，其中正積分輸出信號及負積分輸出信號為相反。電容式傳感器還包含比較器，用以在計算周期接收正積分輸出信號及負積分輸出信號，以判斷計算周期是否結束。依據本發明還具有的一實施例，其中感測周期於超過一特定頻率數結束。本發明的另一實施方式是在提供一種具有校正機制的電容感測方法，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；進入感測周期，以根據電容變化持續進行積分；根據感應電容的初始電容誤差產生誤差調整電荷，以進行誤差消除；判斷感測周期是否結束；當感測周期結束，根據積分以及誤差調整電荷的結果產生積分輸出信號；根據感應電容的感測靈敏度產生減除電荷；以及進入計算周期，以根據減除電荷持續減除積分輸出信號，以計算減除次數。依據本發明一實施例，其中誤差調整電荷為每隔一周期產生，以對積分進行誤差消除。依據本發明另一實施例，電容感測方法還包含一步驟在減除電荷持續減除積分輸出信號時根據積分輸出信號判斷計算周期是否結束。依據本發明又一實施例，電容感測方法還包含一步驟在減除電荷持續減除積分輸出信號時根據正積分輸出信號及負積分輸出信號判斷計算周期是否結束。應用本發明的優點在於通過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的初始電容誤差，與由減除電荷計算積分的量值時消除感應電容的感測靈敏度造成的誤差，而輕易地達到上述的目的。
為讓本發明的上述和其它目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附附圖的說明如下圖1為本發明一實施例的電容式傳感器的電路圖；圖2A為本發明一實施例中，減除電路更詳細的電路圖；圖2B為圖2A的減除電路的等效電路的示意圖；圖3A為本發明一實施例中，感應電容未受刺激時，積分電路由於感應電容的初始誤差造成的積分結果的示意圖；圖;3B為本發明一實施例中，感測周期的積分過程及計算周期中積分輸出信號為減除電荷所減除的示意圖；圖4為本發明一實施例的電容式傳感器的電路圖；圖5為本發明一實施例中，感測周期積分過程及計算周期中，正及負積分輸出信號為減除電荷所減除的示意圖；以及圖6為本發明一實施例中，--種具有校正機制的電容感測方法的流程圖。
主要組件符號說明
1 電容式傳感器100 感應電容
101 電荷變化信號102 減除電路
103 誤差調整電荷104 積分電路
105 積分輸出信號106 控制電路
107 減除電荷108 比較器
110 頻率產生電路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 感測周期32 固定周期
33 計算周期34 誤差消除周期
4:電容式傳感器400a 第一感應電容
400b 第二感應電容401a:第一電荷變化信號
401b:第二電荷變化信號402 減除電路
403a、403b 誤差調整電荷404 積分電路
405a:正積分輸出信號405b 負積分輸出信號
406 控制電路407a、407b 減除電荷
408 比較器410 頻率產生電路
51 感測周期53 計算周期
601-609 步驟
具體實施例方式請參照圖1，為本發明一實施例的電容式傳感器1的電路圖。電容式傳感器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以及頻率產生電路110。感應電容100用以感測外界的物理量而具有電容變化，進而產生電荷變化信號 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。在本實施例中，感應電容100為兩個分別具有二金屬板的電容。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-記號表示於圖1上，而輸出端則以O記號表示。在本實施例中，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將不會產生任何信號，而僅在外界給予刺激時，由於感應電容100產生電容變化，進而產生電荷變化信號101，並由積分電路104根據電荷變化信號101持續進行一積分，而在輸出端產生積分的結果。由於感應電容100的不同，此積分的結果對參考電壓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
6經刺激的時候，具有初始電容誤差。或是相同的電容傳感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的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。請參照圖2A。圖2A為本發明一實施例中，減除電路102更詳細的電路圖。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M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的初始電容誤差調整開關，調整A、B端所等效的電容值，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。上述的減除電路102，可進行一正向或負向的調整或減除。在一實施例中，可設置兩個結構相同的減除電路102，以使其中之一進行正向的調整或減除，而另一個則進行負向的調整或減除。其等效電路，繪示為如圖2B所示的結構。其中A點至B點間的等效電容，即包含圖2A所示的各電容陣列，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，請再參照圖1，在感應電容100產生電荷變化信號101後，電容式傳感器1將進入感測周期，積分電路104根據電荷變化信號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。在一實施例中，此誤差調整電荷 103設定為每隔一周期產生。意即，誤差調整電荷103用於校正在同樣的周期內，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。請參照圖3A。圖3A為本發明一實施例中，感應電容100在未受刺激時，積分電路 104由於感應電容100的初始誤差造成的積分結果的示意圖。積分電路104由於感應電容100的初始誤差，即使未受外界的刺激，也將持續進行積分，而形成如波形30的階梯狀的積分結果。因此，誤差調整電荷103在一實施例中，可設定為在一個固定周期32結束時產生，以消除此固定周期32的頻率數內，由於感應電容100 的不對稱所造成的誤差。因此如圖3A所示，在固定周期32後，將具有一誤差消除周期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傳感器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根據電荷變化信號101在IOM個頻率數內持續進行積分，而誤差調整電荷103則每隔32個頻率數即產生，以消除此32個頻率數內，由於感應電容100的不對稱所造成的誤差。因此，在此IOM個頻率數中，誤差調整電荷103將進行32 次如圖3A所示的誤差消除動作，以消除初始電容誤差造成的影響。請再參照圖1，上述的頻率數，在一實施例中，是通過頻率產生電路110產生，以供應至電容式傳感器1的各組件。而控制電路106則用以判斷感測周期開始後，經過的頻率數，以於超過一特定頻率數，如上述的IOM個頻率數時，判斷感測周期結束，使積分電路 104進入計算周期。此時，上述積分及誤差消除的結果，即於積分電路104輸出端產生積分輸出信號105。請再參照圖2A、圖2B。當位於計算周期，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的感測靈敏度調整電容的開啟或關閉，用以調整A、B端所等效的電容值，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，請再參照圖1，在計算周期中，積分電路104將根據減除電荷107持續減除積分輸出信號105，以計算減除次數。比較器108將接收被減除的積分輸出信號105以及參考電壓Vr以進行比較。在一實施例中，當積分輸出信號105被減除至小於參考電壓Vr時，比較器108即判斷計算周期結束，並將總共減除的次數算出。請參照圖;3B。圖;3B為本發明一實施例中，感測周期31期間的積分過程及計算周期33期間，積分輸出信號105為減除電荷107所減除的示意圖。積分電路104在經過感測周期31期間的積分過程後，將產生積分輸出信號105，並在緊接著的計算周期33中，為減除電荷107所減除。舉例來說，積分電路104經過IOM個頻率數所積分出的積分輸出信號105，每隔一頻率即由減除電荷107減除一固定的值，直到積分輸出信號105被減除至小於參考電壓Vr 為止。此時，在計算周期33內，積分輸出信號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的值可因應不同的實施例而設定不同的數值。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，即為電容式傳感器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。在一實施例中，控制電路106可將此減除次數轉換為數字碼以輸出至外部電路(未繪示)。在一實施例中，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的實施例中進行調整，以達到更精確的誤差校正，不為圖2A、圖2B繪示所限。在一實施例中，減除電容陣列M並非必要，而可僅通過設置第一電容陣列20以及第二電容陣列22達到校正的目的。因此，通過上述實施例中的電容式傳感器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，將可以通過減除電路102的設計而大幅改善，並提升其感測的準確度。請參照圖4。圖4為本發明一實施例的電容式傳感器4的電路圖。電容式傳感器 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以及頻率產生電路410。第一感應電容400a及第二感應電容400b實質上為對稱的兩組電容，當感應到外界的刺激時，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信號 401a及與第一電荷變化信號401a相反的第二電荷變化信號401b。在本實施例中，第一感應電容400a及第二感應電容400b分別與積分電路404的正輸入端及負輸入端相連接(如同圖1中分別以+及-記號標示)，以全差動(Fully differential)的方式輸入，分別使積分電路404產生正負相反但絕對值相同的積分結果。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。然而在本實施例中，減除電路402將產生兩個誤差調整電荷403a、40;3b與兩個減除電荷407a、407b，以分別傳送至積分電路404的正輸入端及負輸入端，並如前一實施例中所述，在感測周期中進行初始電容誤差的消除，並依據頻率產生電路410的頻率數判斷感測周期的結束以產生正負相反的正積分輸出信號40 及負積分輸出信號40 ，以及在計算周期中進行靈敏度的校正。需注意的是，正積分輸出信號40 及負積分輸出信號40 的名稱，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。在本實施例中，比較器408接收正積分輸出信號40 及負積分輸出信號40 ，以進行比較。在一實施例中，正積分輸出信號40 及負積分輸出信號40 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將判斷計算周期結束， 產生減除次數。在其它實施例中，可設定其它的判斷機制以由比較器408判斷計算周期的結束。請參照圖5。圖5為本發明一實施例中，感測周期51期間的積分過程及計算周期 53期間，正積分輸出信號40 及負積分輸出信號40 為兩個減除電荷407a、407b所減除的示意圖。積分電路404在經過感測周期51期間的積分過程後，將產生正積分輸出信號40 及負積分輸出信號40 ，並在緊接著的計算周期53中，為減除電荷407a、407b所減除。圖4中的控制電路406在本實施例中亦可如同前一實施例，對控制感測周期的長度、控制減除電路402的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字碼以輸出至外部電路(未繪示)。請參照圖6。圖6為本發明一實施例中，一種具有校正機制的電容感測方法的流程圖。電容感測方法可應用於如圖1或圖4所繪示的電容式傳感器。在本實施例中是以圖1 的電容式傳感器1為例進行說明。電容感測方法包含下列步驟。在步驟601，根據一組感應電容100感測電荷變化信號101。在步驟602，進入感測周期，以使積分電路104根據電荷變化信號101持續進行積分。在步驟603，根據感應電容100的初始電容誤差產生誤差調整電荷103，以進行誤差消除。在步驟604，判斷感測周期是否結束。當感測周期尚未結束，則繼續執行步驟603以進行積分及誤差消除。當感測周期結束，在步驟605，根據積分以及誤差調整電荷103的結果產生積分輸出信號105。在步驟606，根據感應電容的感測靈敏度產生減除電荷107。在步驟607，進入計算周期，以根據減除電荷107持續減除積分輸出信號105，以計算減除次數。在步驟608，判斷計算周期是否結束。當計算周期尚未結束，則繼續執行步驟607以計算減除次數。當計算周期結束， 在步驟609，轉換計數值為數字碼以輸出至外部電路。因此，通過上述實施例中的電容式傳感器及電容感測方法，感應電容在初始電容誤差及靈敏度上所造成的誤差情形，將可以通過減除電路的設計而大幅改善，並提升其感測的準確度。雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視所附的權利要求書所界定的範圍為準。
權利要求
1.一種具有校正機制的電容式傳感器，其特徵在於，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的一初始電容誤差產生一誤差調整電荷； 一第二電容陣列，用以根據該組感應電容的一感測靈敏度產生一減除電荷；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； 當位於一感測周期，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，以產生一積分輸出信號；當位於一計算周期，該積分電路根據該減除電荷持續減除該積分輸出信號，以計算一減除次數。
2.根據權利要求1所述的電容式傳感器，其特徵在於，該誤差調整電荷為每隔一周期產生，以對該積分進行該誤差消除。
3.根據權利要求1所述的電容式傳感器，其特徵在於，還包含一控制電路，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並將該減除次數轉換為一數字碼以輸出至一外部電路，且該控制電路還用以控制該感測周期的長度，使該感測周期在超過一特定頻率數時結束。
4.根據權利要求1所述的電容式傳感器，其特徵在於，該積分電路的該二輸入端未連接於該組感應電容及該減除電路者，是連接於一參考電壓，該電容式傳感器還包含一比較器，用以在該計算周期接收該積分輸出信號，以判斷該計算周期是否結束。
5.根據權利要求1所述的電容式傳感器，其特徵在於，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，該電容式傳感器還包含一組第二感應電容，用以產生與該第一電容變化相反的一第二電容變化，該積分電路的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。
6.根據權利要求5所述的電容式傳感器，其特徵在於，該積分輸出信號包含一正積分輸出信號以及一負積分輸出信號，其中該正積分輸出信號及該負積分輸出信號為相反，該電容式傳感器還包含一比較器，用以在該計算周期接收該正積分輸出信號及該負積分輸出信號，以判斷該計算周期是否結束。
7.一種具有校正機制的電容感測方法，其特徵在於，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；進入一感測周期，以根據該電容變化持續進行一積分；根據該組感應電容的一初始電容誤差產生一誤差調整電荷，以進行一誤差消除； 判斷該感測周期是否結束；當該感測周期結束，根據該積分以及該誤差調整電荷的結果產生一積分輸出信號；根據該組感應電容的一感測靈敏度產生一減除電荷；以及進入一計算周期，以根據該減除電荷持續減除該積分輸出信號，以計算一減除次數。
8.根據權利要求7所述的電容感測方法，其特徵在於，該誤差調整電荷為每隔一周期產生，以對該積分進行該誤差消除。
9.根據權利要求7所述的電容感測方法，其特徵在於，還包含一步驟在該減除電荷持續減除該積分輸出信號時根據該積分輸出信號判斷該計算周期是否結束。
10.根據權利要求7所述的電容感測方法，其特徵在於，該積分輸出信號包含一正積分輸出信號以及一負積分輸出信號，該電容感測方法還包含一步驟在該減除電荷持續減除該積分輸出信號時根據該正積分輸出信號及該負積分輸出信號判斷該計算周期是否結束。
全文摘要
本發明揭露一種具有校正機制的電容式傳感器及電容感測方法，電容式傳感器包含一組感應電容、減除電路及積分電路。感應電容產生電容變化。減除電路包含根據感應電容的初始電容誤差產生誤差調整電荷的第一電容陣列以及根據感應電容的感測靈敏度產生減除電荷的第二電容陣列。積分電路包含二輸入端，其中之一連接於感應電容及減除電路。當位於感測周期，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，以產生積分輸出信號。當位於計算周期，積分電路根據減除電荷持續減除積分輸出信號，以計算減除次數。
文檔編號G01R27/26GK102313566SQ20101021688
公開日2012年1月11日 申請日期2010年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者葉力墾, 陳曉翔 申請人:漢積科技股份有限公司