专利名称：电容检测系统及检测方法
一般地说，本发明涉及一种电容-电压转换系统和转换方法，具体地说，涉及一种通过将传感器电容转换成电压而检测传感器电容的系统和检测方法，所述电容响应加在该传感器上的物理量而变化。
图1示出日本专利出版物特开平6-180336中揭示的一种现有技术电容变化检测电路的示意图，互相面对的膜片和电极形成的传感器的静电电容被连到该电路。当膜片响应加于其上的物理量压力等而移动时，所述静电电容改变。提出图1所示的现有技术电路是为了解决如下问题，即当通过精细的机械加工使传感器形成于半导体上时，在包含相对的膜片和电极的传感器上的电压导致电极与膜片响应静电吸引力而接触的问题。
图1中的参考标号1和2分别代表电容变化检测电路的电压输入端和输出端。将输入电压Vin加给所述输入端1，而从所述输出端2得到输出电压Vout。参考标号3代表运算放大器，标号4和5为电阻，标号6是开关。输入端1分别通过电阻5和传感器S的静电电容连到运算放大器3的反相输入端和同相输入端。运算放大器3的输出端连到输出端2，并通过电阻4连到所述反相输入端。所述同相输入端通过开关6接地。
在图1的检测电路中，在初始化期间闭合开关6，使传感器电容充电至加给输入端1的电压Vin，并在进行传感器电容检测时打开开关6。在开关5打开状态期间，由于传感器S的电容器被连到高输入阻抗的同相输入端，所以电容器上积累的电荷不被排放。另一方面，通过改变对形成传感器S的膜片的压力，例如传感器S的静电电容改变，作为物理变化加给传感器S，引起该传感器两端电压改变。由运算放大器3使这种电压变化被放大，由电阻4和5确定其增益，并显现在输出端2。
在用方程补充上述描述的时候，必须假设电阻4和5的阻值是Rf和Ri，传感器S的初始静电电容是Cs，运算放大器3的同相输入端和反相输入端的电压分别是V+和V-。于是，当闭合开关6时，输出电压Vout由下式表示Vout＝-Vin*Rf/Ri…(1)假设传感器电容从Cs变到Cs′，并且在物理测量而打开开关6之后，运算放大器3的输出电压从Vout变到Vout′，则Vout′由下式表示Vout′＝{1-[1+(Rf/Ri)](Cs/Cs′)}*Vin…(2)其中，以Vout′-Vout＝ΔV，Cs′-Cs＝ΔCs，则ΔV与ΔCs之间满足ΔV＝[1+(Rf/Ri)]*ΔCs/(Cs+ΔCs)*Vin …(3)如上所述，由于输出电压Vout响应放大器(即电阻4和5的比值Rf/Ri)以及传感器电容Cs的增益，所以无需将一高压作为输入电压Vin加给传感器电容。
采用低输入电压Vin，可使对膜片的静电吸引力比较小些。所以，图1所示的检测电路可以解决因静电引力而使电极与膜片接触的问题。
不过，图1所示的现有技术检测电路中始终包含与寄生电容有关的另一问题。这就是在传感器S与运算放大器3连接点处一般都会形成寄生电容Cp。寄生电容Cp与开关6并联连接，并且在传感器S与运算放大器3在分立芯片上被实现时，它可能在从大约1到上百pF范围内。另一方面，传感器电容Cs可在从1到几百fF范围内。把这种寄生电容考虑进去，则在传感器电容Cs改变时，电容Cs的电荷分布到寄生电容Cp上去。因此，传感器电容Cs两端电压的变化就变得非常小，以致引起抗噪声性变劣。
运算放大器3同相输入端处的电压变化ΔV+由下式表示ΔV+＝(V+-Vin)*ΔCs/(Cp-Cs-ΔCs)…(4)
方程(4)中，由于ΔCs/(Cp-Cs-ΔCs)是几百分之一，ΔV+因而也是几百分之一，因此得到一个非常小的值。为了得到较大的电压变化ΔV+，考虑把输入到运算放大器3的电压Vin提高和/或提高传感器S的灵敏度。不过，在放大器增益较大的情况下，这可能引起输出电压Vout饱和，以致即使传感器电容改变，输出电压Vout也不变化。如果为防止输出电压Vout饱和而降低对运算放大器3的输入电压Vin，可能会引起上述膜片与电极互相接触的问题。此外，还可能出现另一个问题，即控制如此小的输入电压变化是复杂且困难的。
本发明已经解决了图1所示现有技术检测电路固有的上述问题。因此，本发明的目的在于提供一种电容检测系统，即使存在寄生电容，它也能得到响应传感器电容而变化的输出电压。
本发明的另一目的是要提供一种电容检测系统，即使存在寄生电容，它也能得到基本上与传感器电容成正比的输出电压。
本发明的电容检测系统可用为静电电容检测电路，用于检测包含彼此面对之膜片及电极的传感器的静电电容，所述静电电容响应加给传感器的物理变化而改变。
为实现上述目的，本发明的电容检测系统给出与传感器电容对应的输出，该系统包括(a)电压输入端，它被连接成接受变化的输入电压，(b)运算放大器，它有经第一电阻与所述电压输入端相连的反相输入端、经传感器与所述电压输入端相连并经第一开关与一参考电压相连的同相输入端、以及通过一个包含彼此并联之第二电阻和第二开关的电路与所述反相输入端相连的输出端。
所述电容检测系统最好还包括(c)第二运算放大器，它有经第三电阻与所述电压输入端相连的反相输入端、连到所述参考电压的同相输入端、以及通过包含彼此并联之第四电阻和第三开关的第二电路与所述反相输入端相连的输出端，此第二运算放大器的增益与第一运算放大器相同；(d)第三运算放大器，它的反相和同相输入端连接成接受第一和第二运算放大器的输出电压。在初始化期间于同一时刻接通第一至第三开关，并将所述参考电压加给电压输入端，而在测试期间，将这些开关打开，并将第二参考电压加给电压输入端。
本发明还提供一种电容检测方法，用以给出与传感器电容成正比的电压，该方法包括以下步骤(a)输出第一电压，它由传感器电容和所述传感器电容与电容检测电路之间连接部分形成的寄生电容限定，(b)输出与所述传感器电容及寄生电容无关的第二电压，(c)输出一个与所述第一和第二电压之间的差对应的电压，此电压与所述传感器电容成正比。
图1表示现有技术电容变化检测电路的电路图；图2示出表示本发明用于给出与传感器电容相关联之输出电压的电容检测电路一个实施例的电路图；图3示出表示本发明用于给出与传感器电容相关联之输出电压的电容检测电路第二实施例的电路图；图4A是表示按图3所示电容检测电路之模拟试验中所得传感器电容与输出电压之间关系的图线；图4B是图4所示一部分的放大图线。
在以下的叙述中，将参照图2-4详细说明本发明电容检测电路的优选实施例。
图2示出本发明电容检测电路第一实施例的电路图。图2中被加给输入电压Vin的输入端1经电阻11连到运算放大器10的反相输入端或反相输入结点。由电阻12和开关13构成的并联电路被接在所述放大器10的输出端或输出结点与反相输入端之间。通过开关14给运算放大器10的同相输入端或同相输入结点加以参考电位Vh，并将具有静电电容Cs的传感器S接在所述放大器10的同相输入端与所述输出端1之间。传感器S与运算放大器10的同相输入端之间的连接部分可能形成寄生电容Cp。
所述参考电位Vh譬如为地电位，但其它电位也都可用。传感器S的一种示例性结构是在互相面对的膜片与电极之间形成电容Cs的结构，该二者都被微切削加工成具有极小的面积。传感器S响应由加于其上的物理变量所引起的膜片位移而改变电容Cs。
传感器S的电容Cs的检测顺序包括初始化阶段和测量阶段。在初始化期间，开关13和14被闭合，并使输入电压Vin处在参考电压Vh，或Vin＝Vh，同时导致使输出电压Vout处在相同的参考电压Vh。(以下的单词“期间”意味着所述时间段的全部或一部分)另一方面，在测量期间，使开关13和14被打开，并使输入电压Vin处在电压Vh+ΔV。
当打开开关13和14以测量电容Cs时，下述关于运算放大器10输出电压Vout的方程被满足，其中Ri1和Rf1分别是电阻11和12的阻值；V+和V-是所述放大器10的同相及反相输入端的电压；并使Rf1＝Ri1。
Vout＝-(Rf1/Ri1)(Vin-V+)+V+＝-Vin+2V+…(5)当使输入电压Vin从初始化期间被设定的Vh改变到Vh+ΔV时，传感器电容Cs上积累的电荷Q1和寄生电容Cp上积累的电荷Q2由下式表示Q1＝(Vin-V+)Cs＝(Vh+ΔV-V+)Cs …(6)Q2＝V+Cp…(7)由于传感器电容Cs和寄生电容Cp为串联连接，就使等量的电荷分别积累在Cs和Cp上，所以Q1＝Q2成立。因此，下面的方程被满足V+Cp＝(Vh+ΔV-V+)Cs …(8)由于像上面所述的那样Vh＝0，所以运算放大器10的同相输入端处的电压V+由下式表示V+＝ΔV*Cs/(Cs+Cp) …(9)将方程(9)代入方程(5)，则运算放大器10的输出电压Vout被改写如下Vout＝-Vin+2V+＝-Vin+2*ΔV*Cs/(Cs+Cp)…(10)
当把传感器S和图2中检测电路的其余电路部分形成于多个电连接的分立芯片上时，寄生电容Cp可能在接近从几pF到大约15pF或更大的范围内，而传感器S的电容Cs通常是从大约1到几百fF。因此，由于Cp远大于Cs，所以可以用Cs/Cp代替Cs/(Cs+Cp)。于是，运算放大器10的输出电压Vout由下式表示Vout＝-Vin+2*ΔV*Cs/Cp …(11)此方程表明所述检测电路的输出电压Vout响应电容Cs线性变化。
因此，即使在运算放大器10的同相输入端周围存在寄生电容Cp，只要电容Cs远小于寄生电容Cp，所述电容检测电路就能输出对电容Cs有线性关系的电压Vout。另外，通过调节运算放大器10的增益(Rf1/Ri1)和输入电压Vin响应电容Cs的改变量ΔV，可以得到足够大的输出电压Vout。
图3是表示本发明电容检测电路第二实施例的电路图，其中采用图2所示的电容检测电路。为得到传感器电容与输出电压间的正比关系，图3的电路还包括用于从方程(11)抵销“-Vin”的机构。
图3中，经电阻11把被加给输入电压Vin的输入端1连到运算放大器10的反相输入端或反相输入结点。由电阻12和开关13构成的并联电路被接在所述放大器10的输出端或输出结点与反相输入端之间。通过开关14给运算放大器10的同相输入端或同相输入结点加以参考电压Vh，并将具有电容Cs的传感器S接在所述放大器10的同相输入端与所述输出端1之间。
还通过电阻21使输入端1连到第二运算放大器20的反相输入端或反相输入结点。将电阻22和开关23的并联电路接在所述放大器20的反相输入端与输出端或输出结点之间。所述放大器20在其同相输入端或同相输入结点处被加给参考电压Vh。第二运算放大器20输出电压V2。
另外，经电阻31使第二运算放大器20的输出端连到第三运算放大器30的反相输入端或反相输入结点。将电阻32和开关33的并联电路接在所述放大器30的反相输入端与它的输出端或输出结点之间，该输出端即所述电容检测电路的输出端2。经电阻34使第三运算放大器30的同相输入端或同相输入结点连到第一运算放大器10的输出端，并通过电阻35给第三运算放大器30的同相输入端加以参考电压位Vh。从输出端2给出输出电压Vout。
在图3所示的电路图中，将传感器S和(除传感器S以外的)电路部分形成于分立的芯片上，并使传感器S电连接于运算放大器10的同相输入端。在所述连接部分可能形成寄生电容Cp。
以下将说明图3所示电容检测电路的工作情况。在初始化期间，各个开关13、14、23和33都闭合，使加给输入端1的输入电压Vin设定于参考电压Vh。这就造成电压Vh在电容Cs两端充电，同时将输出端2的输出电压Vout设定在参考电压Vh。
在测量期间，全部打开各开关13、14、23和33，使加给输入端1的输入电压Vin从Vh变到Vh+ΔV。由于传感器电容Cs与寄生电容Cp之间的分布的电荷响应该输入电压变化的结果，与电容Cs和寄生电容Cp相关联的电压被输入到第一运算放大器10的同相输入端。然后，同相输入端的电压被放大，并在运算放大器10的输出端产生被测电压V1。所示放大器10的增益被设定为不造成输出电压V1饱和的值。
第二运算放大器20的增益被设定为与第一运算放大器10相同的值。如图3所示，由于运算放大器20还在同相输入端处加有相同的输入电压Vin，所以在传感器不与寄生电容相连的情况下，第二运算放大器20输出电压V2。
经电阻34将第一运算放大器10的输出电压V1提供给第三运算放大器30的同相输入端，而通过电阻31将第二运算放大器20的输出电压提供给第三运算放大器30的反相输入端。于是，第三运算放大器30放大第一运算放大器10的输出电压V1(即与传感器电容Cs和寄生电容Cp有关的电压)与第二运算放大器20的输出电压V2(即不与传感器电容相关的电压)之间的差，并作为输出电压Vout输出该差分放大的电压。
正如下面将要被详细讨论的那样，由于电容Cs对寄生电容Cp的比值(或Cs/Cp)比较小，所以第三运算放大器30的输出电压Vout更与传感器电容Cs成正比。比例因数是运算放大器30增益和输入电压Vin的电压改变量的函数。实际上，由于寄生电容Cp大于传感器电容Cs，所以第三运算放大器30输出一个随电容Cs线性变化的电压。
将用方程说明上述工作情况。假设运算放大器10、20和30被加给相同大小的正电源V+和负电源V-，并假设参考电压Vh＝0(伏)。应当说明，在本发明的检测电路中，Vh＝0并非必须的。当根据各运算放大器的电源电压V+和V-电压Vh取为正值或负值时，为简单计，将由Vh＝0入手进行如下的说明。
在初始化期间，由于开关13、14、23、33均被闭合，且输入电压被设定为Vin＝Vh＝0，所以第一运算放大器10的输出电压V1和第二运算放大器20的输出电压V2被表示如下V1＝V2＝Vh＝0继而，当打开开关13、14、23、33以测量静电电容Cs时，下述方程分别关于第一到第三运算放大器10、20、30的输出电压V1、V2、Vout被满足，其中Ri1、Rf1、Ri2、Rf2、Ri3、Rf3、Rh3、Rg3分别是电阻11、12、21、22、31、32、34和35的阻值；K＝Rg3/Rh3＝Rf3/Ri3；V+和V-是所述放大器10的同相输入端和反相输入端的电压；并使Rf1＝Ri1和Rf2＝Ri2。
V1＝-(Rf1/Ri1)(Vin-V+)+V+＝-Vin+2V+…(12)V2＝-(Rf2/Ri2)(Vin-Vh)+Vh＝-Vin …(13)Vout＝K(V1-V2) …(14)当输入电压Vin从初始化期间已被设定的Vh变到Vh+ΔV时，积累在传感器电容Cs上的电荷Q1和积累在寄生电容Cp上的电荷Q2被表示为Q1＝(Vin-V+)Cs＝(Vh+ΔV-V+)Cs …(15)Q2＝V+Cp …(16)由于传感器电容Cs与寄生电容Cp串联连接，使得等量电荷被积累在电容Cs和Cp上，所以Q1＝Q2成立。因此，下面的方程被满足V+Cp＝(Vh+ΔV-V+)Cs由于像上面所述的那样Vh＝0，所以运算放大器10的同相输入端处的电压V+由下式表示V+＝ΔV*Cs/(Cs+Cp) …(17)利用方程(17)，各个方程(12)和(14)被改写如下V1＝-Vin+2V+＝-Vin+2*ΔV*Cs/(Cs+Cp) …(18)Vout＝K(V1-V2)＝K[-Vin+2*ΔV*Cs/(Cs+Cp)+Vin]＝2K*ΔV*Cs/(Cs+Cp)…(19)当把传感器S和图3中检测电路的其余电路部分形成于多个电连接的分立芯片上时，寄生电容Cp可能在接近从1pF到大约100pF或更大的范围内，而传感器S的电容Cs通常是从大约1fF到几百fF。因此，由于Cp远大于Cs，所以可以用Cs/Cp代替Cs/(Cs+Cp)。于是，方程(19)(或第三运算放大器30的输出电压Vout)由下式表示Vout＝2K*ΔV*Cs/Cp …(20)方程(20)表明从第三运算放大器30可以得到一个与静电电容Cs成正比的电压。应当说明，在Vh≠0的条件变得更为复杂的情况下，通过方程(20)，在图3所示设备中，即使Vh不为0，有关如何解决问题的技术思想原则与Vh＝0时是相同的。
于是，即使在运算放大器10的同相输入端存在寄生电容Cp，只要电容Cs远小于寄生电容Cp，图3所示的电容检测电路就能输出与电容Cs成正比的电压Vout。另外，通过调节第一至第三运算放大器10、20、30各自的增益和输入电压Vin响应电容Cs的改变量ΔV，可以得到足够大的输出电压Vout。
如上所述，即使寄生电容Cp较大，图3的电容检测电路也能输出与传感器S电容Cs成正比的电压Vout，以及通过改变输入电压Vin增加传感器S的电容Cs上积累的电荷量。另外，由于从第一运算放大器10输出的被测电容电压V1与从运算放大器20输出的参考电压V2之间的差被第三运算放大器30放大，所示放大器10可以有较小的增益，因此，就能防止输出电压V1饱和。此外，可以根据传感器电容Cs与寄生电容Cp之比调整第三运算放大器30的增益。
图4是表示当寄生电容Cp为20pF时，图3所示电容检测电路一个模拟例的结果图线。另外，假设V-＝0V，V+＝5V且Vh＝Vdd/2＝2.5V，从而当Cs＝0时，Vout≈2.5V。图4B中的图线是图4A一部分的放大部分。图4A表示当传感器电容Cs在从0到500fF范围内改变时，输出电压Vout在2.4V到4.1V范围内呈线性变化，而图4B表示当Cs在从0到100fF范围内改变时，输出电压Vout在2.41V到2.77V范围内呈线性变化。
从上面关于优选实施例的详细描述将能理解，本发明可以产生独特的效果，即使在传感器电容与检测电路之间的连接部分形成寄生电容，也能得到与传感器电容成正比的电压，而不受寄生所述电容的影响。
虽然已经描述了目前所考虑的本发明优选实施例，但将能理解可以做各种改型，这些改型落入本发明的精髓和范围内，用以覆盖所附各权利要求。
权利要求
1.一种电容检测系统，它提供与传感器的电容对应的输出，包括电压输入端连接成接受变化的输入电压；运算放大器，它有经第一电阻与所述电压输入端相连的反相输入端，经传感器与所述电压输入端相连并经第一开关与一参考电压相连的同相输入端，以及通过一个包含彼此并联之第二电阻和第二开关的电路与所述反相输入端相连的输出端。
2.如权利要求1所述的电容检测系统，还包括第二运算放大器，它有经第三电阻与所述电压输入端相连的反相输入端，连到所述参考电压的同相输入端，以及通过包含彼此并联之第四电阻和第三开关的电路与所述反相输入端相连的输出端，此第二运算放大器的增益与第一运算放大器相同；第三运算放大器，它的反相和同相输入端连接成用以接受第一和第二运算放大器的输出电压。
3.一种电容检测系统，它提供与传感器的电容对应的输出，包括电压输入端，连接成接受在第一与第二参考电压之间变化的输入电压；运算放大器，它有经第一电阻与所述电压输入端相连的反相输入端，经传感器电容与所述电压输入端相连并经第一开关与第一参考电压相连的同相输入端，以及通过一个包含彼此并联之第二电阻和第二开关的反馈电路与所述反相输入端相连的输出端；在初始化期间，所述第一和第二开关被闭合，并将第一参考电压加到所述电压输入端，而在测量期间，所述第一和第二开关被打开，并将第二参考电压加到所述电压输入端，从而在所述输出端得到一个响应传感器电容线性变化的输出电压。
4.如权利要求3所述的电容检测系统，还包括第二运算放大器，它有经第三电阻与所述电压输入端相连的反相输入端，连到第一参考电压的同相输入端，以及通过包含彼此并联之第四电阻和第三开关的反馈电路与所述反相输入端相连的输出端，此第二放大器的增益与第一运算放大器相同；第三运算放大器，它的反相和同相输入端连接成用以接受第一和第二运算放大器的输出电压；第三开关在与第一和第二开关被闭合和/或打开的相同时刻被闭合和/或打开，从而在第三运算放大器的输出端得到一个与传感器电容成正比的输出电压。
5.如权利要求2或4所述的电容检测系统，还包括包含于第三运算放大器的反馈电路中的第四开关，此第四开关在与第一至第三开关被闭合的相同时刻被闭合和/或打开。
6.一种电容检测系统，用于输出与传感器的电容成正比的电压，包括第一电路，用于提供与传感器电容和在传感器电容与检测电路间的连接部分形成之寄生电容有关的第一电压；第二电路，它有与第一电路相同的电路特性，用于提供与传感器电容及寄生电容不相关的第二电压；第三电路，用于输出一个与第一及第二电压间之差对应，从而与传感器电容成正比的电压。
7.如权利要求6所述的电容检测系统，其中第一电路包括第一放大器，该第一放大器的输入端通过传感器电容与电压输入端相连，用以提供响应所述传感器电容和在所述输入端周围形成之寄生电容成线性变化的第一电压；第二电路包括第二放大器，该第二放大器连到所述电压输入端，并有与第一放大器相同的增益，用以提供与传感器寄生电容无关的第二电压；第三电路包括第三放大器，该第三放大器用于接受所述第一和第二电压，用以输出与第一和第二电压之间的差对应的电压。
8.如权利要求7所述的电容检测系统，其中第一到第三放大器分别包含第一至第三运算放大器，所述传感器电容被连接在所述电压输入端与第一运算放大器的同相输入端之间，用于初始化所述检测电路的各开关连接在第一和第二运算放大器的各反相输入端与输出端之间、第三运算放大器的同相输入端与输出端之间、以及第一运算放大器的同相输入端与参考电压接线端之间。
9.一种电容检测方法，用以提供与传感器电容成正比的电压，包括以下步骤输出第一电压，它由传感器电容和所述传感器电容与电容检测电路之间的连接部分形成之寄生电容所限定；输出与所述传感器电容及寄生电容无关的第二电压；输出一个与所述第一和第二电压之间的差对应的第三电压，此电压与所述传感器电容成正比。
10.如权利要求9所述的方法，其中输出第一电压的步骤包含如下步骤，即通过一个电阻和所述传感器将输入电压提供给第一运算放大器的反相输入端和同相输入端，以便从其输出端输出第一电压；输出第二电压的步骤包含如下步骤，即将输入电压提供给第二运算放大器的反相输入端，以从其输出端输出第二电压，将第二运算放大器的同相输入端连到参考电压接线端；输出第三电压的步骤包含如下步骤，即将所述第一和第二电压提供给第三运算放大器的同相输入端和反相输入端，以从其输出端输出第三电压。
11.如权利要求10所述的方法，其中第一到第三运算放大器分别包含第一至第三负反馈电路，它们分别包含彼此并联连接的第一到第三电阻和第一到第三开关，第一运算放大器的同相输入端经第四开关连到参考电压接线端，所述方法还包括以下步骤在重置期间接通第一到第四开关；在测量期间开始之前断开第一到第四开关。
全文摘要
一种能输出与传感器的静电电容成正比之电压的电容检测电路,它包含电压输入端连接成接受变化的输入电压,还包含运算放大器。电压输入端接受的输入电压在两个不同的参考电压之间变化。运算放大器的反相输入端经第一电阻与所述电压输入端相连,放大器的同相输入端通过传感器与所述电压输入端相连并经第一开关与一参考电压相连。放大器的输出端通过一个包含电阻和开关的反馈电路与所述反相输入端相连。在初始化期间,各开关被闭合,并将一个参考电压加到所述输入端。在测量期间,打开各开关,并将另一参考电压加给所述输入端。运算放大器输出一个响应传感器电容成线性变化的输出电压。
文档编号G01D5/24GK1256757SQ99800160
公开日2000年6月14日 申请日期1999年2月19日 优先权日1998年2月19日
发明者松本俊行, 广田良浩, 原田宗生, 宫野尚哉 申请人:住友金属工业株式会社