电容传感装置和寄生电容补偿方法、电子设备

摘要

本申请公开一种电容传感装置及其寄生电容补偿方法，一种电子设备，所述电容传感装置包括：传感电容；片外补偿模块，用于提供片外补偿电容；电容检测电路，用于检测传感电容，并根据所述片外补偿电容和所述传感电容的电容值，输出与所述传感电容的电容变化相对应的传感信号；其中，所述片外补偿模块，位于所述电容检测电路所在芯片外部，在所述传感电容未产生电容变化时，所述片外补偿电容使得所述电容检测电路输出的传感信号小于第一阈值。所述电容传感装置具有较大的寄生电容补偿范围。

说明书

技术领域

本申请涉及传感技术领域，具体涉及一种电容传感装置和寄生电容补偿方法、电子设备。

背景技术

电容式传感器是将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，电容式传感器由于结构简单、性能稳定、灵敏度高等优点被广泛应用到工业及消费类电子产品领域，如：压力、位移、加速度、厚度、液位等测量。

通过电容检测电路，可把传感器电容的变化量转换为电信号输出。测知电信号的大小，可判断被测量的大小。这就是电容式传感器的基本工作原理。

电容传感器的电容(Cx)包括两个部分，寄生电容(Cp)和可变电容(ΔC)，Cx＝Cp+ΔC，其中寄生电容Cp为一固定电容值，当手指接近传感器时，会导致电容传感器的可变电容△C发生变化。

请参考图1，为一种自电容结构的电容传感器的示意图。所述电容只有一个极板11，极板11与地10之间形成固有的寄生电容Cp，当手指接近传感器时，手指与传感器极板11之间形成一个可变电容ΔC，由于人体电容相对较大，其电位相当于地，因此ΔC与手指和极板间距离相关。通过检测ΔC的大小，就可以判断手指是否接近或者计算手指和电容传感器的距离。

在实际应用中，寄生电容Cp的值可能远大于可变电容ΔC，而真正对于传感有效的电容是可变电容ΔC的值。如果寄生电容Cp过大，容易导致电容检测电路饱和，而无法检测出ΔC的变化。所以，现有技术中，电容传感装置中，通常带有寄生电容补偿功能，实现对传感器固有的寄生电容的补偿，通过选择合适的补偿电容Cb1，使得在可变电容ΔC＝0时，传感装置的输出信号在零附近，从而当有物体接近时，可变电容ΔC发生的变化能够有效反映在输出信号的变化上。

现有技术进行寄生电容的补偿时，通常在电容传感芯片内部设置电容补偿模块，由于芯片尺寸及芯片成本限制，在芯片内部能够实现的补偿电容的大小有限，通常在200pF以内，当寄生电容超过芯片内部的补偿范围时，电容传感装置无法正常的工作。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种电容传感装置和寄生电容补偿方法、一种电子设备，以解决现有的寄生电容补偿范围较小的问题。

本申请提供的一种电容传感装置，包括：传感电容；片外补偿模块，用于提供片外补偿电容；电容检测电路，用于检测传感电容，并根据所述片外补偿电容和所述传感电容的电容值，输出与所述传感电容的电容变化相对应的传感信号；其中，所述片外补偿模块，位于所述电容检测电路所在芯片外部，在所述传感电容未产生电容变化时，所述片外补偿电容使得所述电容检测电路输出的传感信号小于第一阈值，所述第一阈值为大于零的一个预设值。

可选的，所述电容检测电路还包括片内补偿模块，用于在所述片外补偿电容的基础上，提供片内补偿电容，使得在所述传感电容未产生电容变化时，所述电容检测电路输出的传感信号在小于第一阈值的基础上，进一步接近于零。

可选的，所述片内补偿模块包括若干并联的片内电容，且每个片内电容的下极板均接地，上极板分别通过各自对应的开关连接至公共端。

可选的，所述片外补偿电容的电容值固定；所述片内补偿电容的电容值可调。

可选的，所述片外补偿电容的电容值小于所述传感电容的寄生电容的电容值，所述片内补偿电容的电容值小于所述片外补偿电容的电容值。

可选的，所述片内补偿模块还包括控制单元，连接至所述电容检测电路，用于根据所述电容检测电路在所述传感电容未产生电容变化时输出的传感信号，控制各个开关的通断状态，以调整所述片内补偿电容的电容值。

可选的，所述传感电容为自电容结构，包括一感应极板，所述感应极板连接至所述电容检测电路。

可选的，所述片外补偿模块包括：单个外部电容或多个并联的外部电容。

可选的，所述外部电容一端接地，另一端连接至所述电容检测电路；或者，所述外部电容的两端均连接至所述电容检测电路。

可选的，所述电容检测电路包括电容转模拟模块，所述电容转模拟模块包括：补偿处理单元、检测单元和模拟输出单元，所述补偿处理单元用于获取所述片外补偿电容和所述片内补偿电容的电信号，并根据所述电信号输出相应的模拟补偿信号；所述检测单元用于获取所述传感电容的电信号，并输出相应的模拟检测信号；所述模拟输出单元用于根据所述模拟补偿信号和所述模拟检测信号，输出对所述模拟检测信号进行补偿后的模拟传感信号。

可选的，所述电容检测电路还包括：模数转换模块，用于将所述模拟传感信号转换为数字传感信号并输出。

本发明的技术方案还提供一种电容传感装置的寄生电容补偿方法，所述电容传感装置如上述所述的电容传感装置，包括：在所述传感电容未产生电容变化时，获取所述电容检测电路输出的传感信号；根据所述传感信号，配置合适的片外补偿电容，使得所述电容检测电路输出的传感信号小于第一阈值；根据所述传感信号，配置合适的片内补偿电容，使得所述电容检测电路输出的传感信号在小于第一阈值的基础上，进一步接近于零。

可选的，配置合适的片内补偿电容包括：根据所述电容检测电路在所述传感电容未产生电容变化时的输出的传感信号，调整所述片内补偿模块提供的片内补偿电容的电容值。

可选的，调整所述片内补偿模块提供的片内补偿电容的电容值的方法包括：设置所述片内补偿电容初始值为0；若传感信号大于0，则在所述片内补偿电容的若干可配置的电容值范围内逐步增大所述片内补偿电容的值，直至所述传感信号等于零或最接近于零。

本发明的技术方案还提供一种电子设备，包括：上述任一项所述的电容传感装置。

本发明的电容传感装置包括片外补偿模块，设置于电容检测电路所在芯片外，能够在更大电容范围内提供片外补偿电容，扩大可补偿的寄生电容的范围，提高所述电容传感装置的适用范围。

进一步的，所述电容传感装置能够通过片外补偿模块对寄生电容进行粗补偿，将寄生电容补偿到合理范围内后，再通过片内补偿模块对寄生电容进行精细补偿，可以进一步提高寄生电容补偿的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例的自电容结构的电容传感器的示意图；

图2a是本申请一实施例的电容传感装置的结构示意图；

图2b是本申请一实施例的电容传感装置的结构示意图；

图3是本申请一实施例的片外补偿模块的结构示意图；

图4是本申请一实施例的片内补偿模块的结构示意图；

图5是本申请一实施例的电容传感装置的结构示意图；

图6是本申请一实施例的寄生电容补偿方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。

请参考图2a，为本发明一实施例的电容传感装置的结构示意图。

该实施例中，所述电容传感装置包括：传感电容110、片外补偿模块120以及电容检测电路130。

图2a中传感电容110以一电容Cx作为示意。所述传感电容110为自电容结构，包括一个感应极板，所述感应极板连接至所述电容检测电路130，所述感应极板与地之间形成寄生电容。在其他实施例中，所述传感电容110还可以包括两个电极板，其中一个电极板作为感应极板，连接至电容检测电路130，另一个电极板接地作为地端。所述传感电容110的电容值Cx＝Cp+ΔC；其中Cp为寄生电容，包括感应极板和地之间的固定电容以及其他线路结构产生的寄生电容，ΔC为电容变化量，当手指靠近传感电容时，ΔC发生变化，ΔC正是电容传感检测过程中所要检测的量。

所述片外补偿模块120，用于提供片外补偿电容CB2；所述电容检测电路130，用于检测传感电容110的电容值Cx，并根据所述片外补偿电容CB2和所述传感电容110的电容值Cx，输出与所述传感电容的电容变化量ΔC相对应的传感信号。

其中，所述片外补偿模块120和传感电容110均位于所述电容检测电路130所在芯片100例如电容传感芯片的外部，并且，在所述传感电容110未产生电容变化时，所述片外补偿电容CB2使得所述电容检测电路130输出的传感信号小于第一阈值，第一阈值为大于零的一个预设值。在一个实施例中，所述电容检测电路130所在的芯片贴片于PCB板上，所述传感电容110和所述片外补偿模块120也设置于所述PCB板上，片外补偿模块120通过PCB板上的电连线，连接至所述芯片100的外部接口Cc。所述传感电容110的感应极板通过芯片100的外部接口Cs连接至所述电容检测电路130。

所述片外补偿模块120可以包括：单个外部电容或多个并联的外部电容。由于所述片外补偿模块120位于芯片100外部，可以不受芯片面积的限制，可选用的电容的容值范围更大，从而提高可补偿的寄生电容的范围。由于所述片外补偿模块120设置于片外，很难进行调整，因此，所述片外补偿电容CB2通常为一固定值。在其他实施例中，所述片外补偿电容CB2也可以为可变电容，但是由于设置于片外的可变电容的电容补偿精度通常较大，因此所述片外补偿电容CB2能够实现的寄生电容补偿精准度较低。其中，所述电容补偿精度为单次可调整的补偿电容值。

在一个实施例中，所述片外补偿模块120包括单个外部电容，采用通用的分立器件电容，例如陶瓷贴片电容。但是，由于分立器件的电容值不是任意可选的，单个电容只能选择某些特定值，例如：100pF、220pF、330pF等，因此对寄生电容的补偿范围有限。

在其他实施例中，所述片外补偿模块120采用多个电容组合结构。请参考图3，为本发明一实施例的片外补偿模块120的结构示意图。所述片外补偿模块120包括n个电容，分别为C

该实施例中，所述片外补偿电容CB2的第一端接地，另一端连接至所述电容检测电路130，所述电容检测电路130通过获取所述片外补偿电容CB2的一端信号，获得与所述片外补偿电容CB2电容值对应的电信号。

在其他实施方式中，所述片外补偿电容CB2的两端分别通过芯片接口Cc1和Cc2连接至所述电容检测电路130(请参考图2b)，所述电容检测电路130通过获取所述片外补偿电容CB2的两端信号，获得与所述片外补偿电容CB2电容值对应的电信号。

由于所述片外补偿模块120所提供的片外补偿电容CB2的电容值为一固定值或者电容补偿精度较大，因此，无法实现对所述传感电容110的寄生电容Cp的最佳补偿。在没有物体接近传感电容110的电极板时，即所述传感电容110的电容变化量ΔC等于或几乎为0时，所述片外补偿电容CB2使得所述电容检测电路130输出的传感信号小于第一阈值。可以根据所述第一阈值，为所述片外补偿模块120配置合适大小的外部电容。在设置第一阈值时，所述第一阈值可以与所述片外补偿电容CB2能够调整的最小电容补偿精度对应，使得在仅通过所述片外补偿电容CB2对寄生电容进行补偿的情况下，所述电容检测电路130输出的信号尽可能的接近于零。

该实施例中，为了进一步提高寄生电容的补偿效果(即降低电容补偿精度)所述电容检测电路130还包括片内补偿模块132，用于在所述片外补偿电容CB2的基础上，提供片内补偿电容CB1，使得在所述传感电容110未产生电容变化时，所述电容检测电路130输出的传感信号在小于第一阈值的基础上，进一步接近于零。本实施例中，片外补偿电容CB2起到主要的补偿寄生电容Cp(抵消寄生电容Cp)作用，片内补偿电容CB1起到减小电容补偿精度，提高补偿精准度的作用，进一步地补偿寄生电容Cp。不难理解一般情况下，片外补偿电容CB2的电容值小于补偿寄生电容Cp的电容值，片内补偿电容CB1的电容值小于片外补偿电容CB2的电容值。

由于所述片内补偿模块132形成于所述电容检测电路130所在的芯片100内，通过集成电路工艺形成，因此所述片内补偿模块132采用的电容容值较小，可以提供的片内补偿电容CB1的容值也较小，可补偿范围有限。通过片外补偿模块120以及所述片内补偿模块132共同进行寄生电容补偿，既能够提高可补偿的范围，又能够实现高精准度的补偿。

所述电容检测电路130进一步包括电容转模拟模块131和模数转换模块ADC。所述电容转模拟模块131用于根据所述传感电容110以及片外补偿电容CB2、片内补偿电容CB1，输出与传感电容110的电容变化量对应的模拟传感信号AOUT。所述模数转换模块ADC，用于将所述模拟传感信号转换为数字传感信号DOUT并输出。

请参考图4，为本发明一实施例的所述片内补偿模块132的结构示意图。

所述片内补偿模块132包括电容阵列1321，包括若干并联的片内电容C

所述电容阵列1321提供片内补偿电容CB1,CB1＝k

所述片内补偿模块132能够根据需求，对片内补偿电容CB1进行调整，以实现最佳的补偿效果。该实施例中，所述片内补偿模块132还包括控制单元1322，连接至所述电容检测电路130的信号输出端，用于根据所述模拟传感信号AOUT或数字传感信号DOUT向所述开关K

所述电容阵列1321内的各个电容大小可以按照一定的规律设置，以便于片内补偿电容CB1的电容值的调整。在一个实施例中，C

在其他实施方式中，所述片内补偿模块132还可以通过电流型DAC或其他方式实现，本领域技术人员可以通过具体需求，选择合适的方式进行片内电容补偿，提供等效的片内补偿电容CB1。

所述电容转模拟模块131的输出值AOUT与CB1、CB2、Cx成线性关系。

该实施例中，由于所述传感电容为自感式电容，通过片内补偿电容CB1和片外补偿电容CB2对传感电容110的寄生电容进行补偿，使得所述电容转模拟模块131输出的模拟传感信号AOUT如下式：

AOUT＝a·(Cx-b·CB1-c·CB2)，其中，b、c由电容检测电路130的内部参数决定，例如内部的放大器的增益系数，电流镜的镜像比例等。在一些实施例中，b＝c＝1。

当Cx的可变电容的电容变化量ΔC＝0时，通过选择合适的CB1、CB2，可以使得AOUT等于零或者尽可能接近于零，就实现了寄生电容补偿。对于特定的传感电容Cx，可以在ΔC＝0时，首先配置合适的片外补偿电容CB2，使得AOUT或DOUT小于第一阈值，未被补偿的寄生电容在片内补偿电容CB1的补偿范围内；然后再根据感应信号AOUT或DOUT进一步调整片内补偿电容CB1，使得AOUT或DOUT等于或者尽可能接近0。

请参考图5，为本发明另一实施例的电容传感装置的结构示意图。

该实施例中，所述电容转模拟模块131包括：补偿处理单元1311、检测单元1312和模拟输出单元1313。

该实施例中，所述片外补偿电容CB2的一端接地，另一端连接至所述补偿处理单元1311；在另一实施例中，所述片外补偿电容CB2的两端均连接至所述补偿处理单元1311。

所述补偿处理单元1311用于获取所述片外补偿电容CB2和片内补偿电容CB1的电信号，并根据所述电信号输出与CB2和CB1相关的模拟补偿信号；所述检测单元1312用于获取所述传感电容Cx的电信号，，并根据所述电信号输出与传感电容Cx相关的模拟检测信号；所述模数转换单元1313用于根据所述模拟补偿信号和所述模拟检测信号，输出对所述模拟检测信号进行补偿后的模拟传感信号AOUT，AOUT＝a·(Cx-b·CB1-c·CB2)。

在一些实施方式中，所述补偿处理单元1311和所述检测单元1312可以采用调频电路、运算放大电路或其他方式，将接收到的电信号转变为模拟电压信号。模拟输出单元1313根据模拟补偿信号和模拟检测信号输出模拟传感信号AOUT。由于片内补偿电容CB1和片外补偿电容CB2对传感电容Cx的寄生电容的补偿，所述模拟传感信号AOUT仅与电容变化量ΔC相关。

上述电容传感装置具有片外补偿模块，设置于电容检测电路所在芯片外，能够在更大电容范围内提供片外补偿电容，扩大可补偿的寄生电容的范围，提高所述电容传感装置的适用范围。

本发明的实施例还提供一种电子设备，包括上述实施例中所述的电容传感装置。所述电子设备包括手机、平板电脑等智能终端设备。

本发明的实施例进一步提供上述实施例中的电容传感装置的寄生电容补偿方法。

请参考图6，为本发明一实施例的寄生电容补偿方法的流程示意图。

所述寄生电容补偿方法包括如下步骤：

步骤S601:在所述传感电容未产生电容变化时，获取所述电容检测电路输出的传感信号。

所述传感信号OUT，所述传感信号OUT可以是最终输出的数字传感信号DOUT，也可以是电容检测电路内的电容模拟转换模块输出的模拟传感信号AOUT。

步骤S602:提供合适的片外补偿电容，使得所述电容检测电路输出的传感信号小于第一阈值。

由于通过电容检测电路所在的芯片外部的片外补偿模块提供所述片内补偿电容，所述片外补偿电容的电容值不易根据情况随时进行调整，因此片外补偿电容通常采用固定电容值。在根据具体的传感电容，获得合适的片外补偿电容后，就固定采用所述片外补偿电容值，进行片外补偿。

步骤S603:提供合适的片内补偿电容，使得所述电容检测电路输出的传感信号在小于第一阈值的基础上，进一步接近于零。

调整所述片内补偿电容的方法包括：在传感电容未发生电容变化的情况下，调整所述片内补偿电容的方法包括：设置所述片内补偿电容初始值为0；若传感信号大于0，则逐步增大片内补偿电容的值，直至在所述片内补偿电容的可调范围内，所述传感信号为零或者最接近于零。

在一个实施方式中，所述片内补偿电容由图4所示的电容阵列结构提供，具体的，在设定片外补偿电容的基础上，进一步寻找所述合适的片内补偿电容的方法包括：

(1)首先断开所有开关，使得k

(2)闭合开关K

若OUT>0，开关K

(3)闭合开关K

若OUT>0，开关K

(4)依次闭合K

在另一些实施例中，还包括：在不同的使用环境下，对所述片内补偿电容CB1进行调整。由于使用环境中温度湿度的变化，会导致寄生电容Cp发生变化，可以在使用环境发生变化后，进一步通过上述步骤S603的方法，对所述片内补偿电容CB1进行调整，确保电容检测装置的检测结果的准确性。

上述实施例，通过片外补偿电容对寄生电容进行粗补偿(即起主要的补偿作用)，然后再通过片内补偿电容进行精细补偿(进一步补偿寄生电容)，可以进一步提高寄生电容补偿的准确性，减小或消除寄生电容的影响。由于片外补偿电容的设置灵活性较高，能够提高寄生电容的可补偿范围，从而提高电容传感装置的应用范围。

即，以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。