电容检测系统及检测方法技术方案

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。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一般地说，本专利技术涉及一种电容-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。附图说明图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-(Cs/Cs′)}*Vin…(2)其中，以Vout′-Vout＝ΔV，Cs′-Cs＝ΔCs，则ΔV与ΔCs之间满足ΔV＝*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。本专利技术已经解决了图1所示现有技术检测电路固有的上述问题。因此，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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示出表示本专利技术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示出表示本专利技术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详细说明本专利技术电容检测电路的优选实施例。图2示出本专利技术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处在参考本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：松本俊行，广田良浩，原田宗生，宫野尚哉，
申请(专利权)人：住友金属工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]