差分式互电容检测电路、芯片及设备的制作方法

本实用新型涉及互电容检测领域，尤其是涉及一种差分式互电容检测电路、芯片及设备。

背景技术：

互电容检测技术应用范围广泛，如在触摸屏上检测手指触摸，或者在指纹识别过程中感测指纹纹路。图1是现有技术中基于互电容检测原理的感应元件阵列示意图，由于感应元件1内驱动电极tx与感应电极rx之间的感应电场随导体接近而减弱，因此，可通过检测感应元件1互电容值的变化量得知导体距离的远近。

感应元件的互电容值包括本征互电容值和有效互电容值，其中，不受导体影响的互电容值为本征互电容值，随导体距离远近而变化的互电容值为有效互电容值。提高感应元件的有效互电容值的占比，能够增大检测电路输出信号量的放大倍数，以及降低对后续模数转换器的信号动态范围的要求。由于感应元件的有效互电容值是变化的，因此提高感应元件的有效互电容值的占比，需考虑如何减小感应元件的本征互电容值。

现有技术主要是在检测电路中设置基础电容，通过基础电容值来抵消感应元件的本征互电容值，进而提高感应元件的有效互电容值的占比。然而，在检测电路中设置基础电容需要占据额外的芯片面积，增加了芯片成本。此外，基础电容固定在检测电路上，调节基础电容值需设置额外的调节电路，导致基础电容值不易调节，限制了芯片的使用范围。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种差分式互电容检测电路，能够检测感应元件的互电容值，提高感应元件的有效互电容值的占比。

本实用新型还提出一种差分式互电容检测芯片。

本实用新型还提出一种差分式互电容检测设备。

第一方面，本实用新型的一个实施例提供了一种差分式互电容检测电路：包括放大器、反馈电容和第一开关，以及至少两个感应元件；

至少两个感应元件相互并联，分别独立地连接放大器的反相输入端；反馈电容的一端连接放大器的反相输入端，反馈电容的另一端连接放大器的输出端，形成第一反馈回路；第一开关的一端连接放大器的反相输入端，第一开关的另一端连接放大器的输出端，形成第二反馈回路。

本实用新型实施例的一种差分式互电容检测电路至少具有如下有益效果：

1.能够检测各个感应元件的互电容值；

2.感应元件数量可调，易于扩展；

3.能够通过差分方式提高感应元件的有效互电容值的占比；

4.不需要额外设置基础电容，简化了检测电路的结构。

根据本实用新型的另一些实施例的一种差分式互电容检测电路，还包括第二开关，第二开关与反馈电容串联，并与第一开关并联。

通过设置第二开关，本实用新型实施例的一种差分式互电容检测电路能够进行累和计算，从而能够提高检测电路输出信号的信噪比。

第二方面，本实用新型的一个实施例提供了一种差分式互电容检测芯片，包括差分式互电容检测电路。

本实用新型实施例的一种差分式互电容检测芯片至少具有如下有益效果：

1.能够检测感应元件的互电容值；

2.芯片内的差分式互电容检测电路无须设置基础电容，减小了芯片面积，降低了芯片成本。

第三方面，本实用新型的一个实施例提供了一种差分式互电容检测设备，包括差分式互电容检测芯片。

本实用新型实施例的一种差分式互电容检测设备至少具有如下有益效果：

1.能够检测感应元件的互电容值；

2.设备内的差分式互电容检测芯片无须内置基础电容，降低了设备成本。

附图说明

图1是现有技术中基于互电容检测原理的一种感应元件阵列示意图；

图2是本实用新型实施例中一种差分式互电容检测电路的一具体实施例的原理图；

图3是本实用新型实施例中一种差分式互电容检测电路的另一具体实施例的原理图；

图4是本实用新型实施例中一种差分式互电容检测电路的另一具体实施例的原理图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本实用新型的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。

在本实用新型实施例的描述中，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上；如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

参照图1，示出了现有技术中基于互电容检测原理的一种感应元件阵列示意图。如图1所示，横向连接的菱形表示驱动电极tx，竖向连接的菱形表示感应电极rx，驱动电极tx与感应电极rx交叉的地方形成感应元件1。驱动电极tx与感应电极rx分别构成了感应元件1的两极。当导体接近感应元件时，影响了导体附近两个电极之间的耦合，从而改变了这两个电极之间感应元件的互电容值大小。由于感应元件内驱动电极与感应电极之间的感应电场随导体接近而减弱，因此，可通过检测感应元件互电容值的变化量得知导体距离的远近。

实施例1

参照图2，示出了本实用新型实施例中一种差分式互电容检测电路的一具体实施例的原理图。如图2所示，第一感应元件10和第二感应元件11并联，分别独立地连接放大器的反相输入端n；反馈电容c的一端连接放大器的反相输入端n，反馈电容c的另一端连接放大器的输出端vo，形成第一反馈回路；第一开关s1的一端连接放大器的反相输入端n，第一开关s1的另一端连接放大器的输出端vo，形成第二反馈回路。其中，第一感应元件10的互电容值ca包括本征互电容值cma和有效互电容值ctma，第二感应元件11的互电容值cb包括本征互电容值cmb和有效互电容值ctmb。ctm越大，表示导体越接近感应元件。第一感应元件10的驱动电极为txa，第二感应元件11的驱动电极为txb。

复位阶段

闭合s1，给txa施加电压vtx1，给txb施加电压vtx2，给放大器的同相输入端p施加工作电压vcm。

放大器的反相输入端n和输出端vo的电压被复位，均为vcm，检测电路的总电荷量为：

q1＝(vcm-vtx1)·(cma-ctma)+(vcm-vtx2)·(cmb-ctmb)(1)

电荷转移阶段

断开s1，给txa施加电压vtx2，给txb施加电压vtx1，由于放大器输入端的虚短路特性，放大器的反相输入端n的电压仍为vcm，输出端vo的电压为vout，反馈电容c的电容量为cf，检测电路的总电荷量为：

根据电荷守恒，q1＝q2，计算得到：

由于感应元件的构造基本相同，小范围内的制程偏差也很小，因此距离相近的感应元件的本征互电容值非常近似，第一感应元件10和第二感应元件11的本征互电容值相互抵消，式(3)可简化为：

由于第一感应元件10的互电容值ca＝cma-ctma，第二感应元件11的互电容值cb＝cmb-ctmb，则第一感应元件10和第二感应元件11的互电容差值为：

测量第一感应元件10的互电容值ca，根据测得的ca和由式(5)计算得到的δcab，计算得到第二感应元件11的互电容值cb。

在本实用新型实施例的一种差分式互电容检测电路的另一具体实施例中，基于实施例1，预设第一感应元件10的归一化互电容值ca为x，x可为任意实数，根据由式(5)计算得到的δcab，计算得到第二感应元件11的归一化互电容值cb。

实施例2

参照图3，示出了本实用新型实施例中一种差分式互电容检测电路的另一具体实施例的原理图。如图3所示，基于实施例1，增加第三感应元件12，第一感应元件10、第二感应元件11、第三感应元件12相互并联，分别独立地连接放大器的反相输入端n；反馈电容c的一端连接放大器的反相输入端n，反馈电容c的另一端连接放大器的输出端vo，形成第一反馈回路；第一开关s1的一端连接放大器的反相输入端n，第一开关s1的另一端连接放大器的输出端vo，形成第二反馈回路。其中，第一感应元件10的互电容值ca包括本征互电容值cma和有效互电容值ctma，第二感应元件11的互电容值cb包括本征互电容值cmb和有效互电容值ctmb，第三感应元件12的互电容值cc包括本征互电容值cmc和有效互电容值ctmc。第一感应元件10的驱动电极为txa，第二感应元件11的驱动电极为txb，第三感应元件12的驱动电极为txc。

首先，按照实施例1的步骤，根据测得的ca和由式(5)计算得到的δcab，计算得到第二感应元件11的互电容值cb。然后，断开txa和txb的电压输入，再实施如下步骤：

复位阶段

闭合s1，给txb施加电压vtx2，给txc施加电压vtx3，放大器的同相输入端p的工作电压仍为vcm。

放大器的反相输入端n和输出端vo的电压被复位，均为vcm，检测电路的总电荷量为：

q1＝(vcm-vtx2)·(cmb-ctmb)+(vcm-vtx3)·(cmc-ctmc)(6)

电荷转移阶段

断开s1，给txb施加电压vtx3，给txc施加电压vtx2，由于放大器输入端的虚短路特性，放大器的反相输入端n的电压仍为vcm，输出端vo电压为vout，反馈电容的电容量为cf，检测电路的总电荷量为：

根据电荷守恒，q1＝q2，计算得到：

由于距离相近的感应元件的本征互电容值非常近似，第二感应元件11和第三感应元件12的本征互电容值相互抵消，式(8)可简化为：

由于第二感应元件11的互电容值cb＝cmb-ctmb，第三感应元件12的互电容值cc＝cmc-ctmc，则第二感应元件11和第三感应元件12的互电容差值为：

根据计算得到第二感应元件11的互电容值cb和由式(10)计算得到的δcbc，计算得到第三感应元件12的互电容值cc。

在本实用新型实施例的一种差分式互电容检测电路的另一具体实施例中，基于实施例1，预设第一感应元件10的归一化互电容值ca为0，根据由式(5)计算得到的δcab，计算得到第二感应元件11的归一化互电容值cb。根据第二感应元件11的归一化互电容值cb和由式(10)计算得到的δcbc，计算得到第三感应元件12的归一化互电容值cc。

实施例3

在本实用新型实施例的一种差分式互电容检测电路的另一具体实施例中，基于实施例1，txa和txb的输入电压同频同幅反相。

复位阶段

闭合s1，txa和txb的输入电压均为0v，放大器的同相输入端p的工作电压仍为vcm。

放大器的反相输入端n和输出端vo的电压被复位，均为vcm，检测电路的总电荷量为：

q1＝vcm·(cma-ctma)+vcm·(cmb-ctmb)(11)

电荷转移阶段

断开s1，给txa施加电压-vtx，给txb施加电压vtx，由于放大器输入端的虚短路特性，放大器的反相输入端n的电压仍为vcm，输出端vo的电压为vout，反馈电容c的电容量为cf，检测电路的总电荷量为：

根据电荷守恒，q1＝q2，计算得到：

第一感应元件10和第二感应元件11的本征互电容值相互抵消，式(13)可简化为：

由于第一感应元件10的互电容值ca＝cma-ctma，第二感应元件11的互电容值cb＝cmb-ctmb，则第一感应元件10和第二感应元件11的互电容差值为：

测量第一感应元件10的互电容值ca，根据测得的ca和由式(15)计算得到的δcab，计算得到第二感应元件11的互电容值cb。

实施例4

参照图4，示出了本实用新型实施例中一种差分式互电容检测电路的另一具体实施例的原理图。如图4所示，基于实施例1，增加第二开关s2，第二开关s2与反馈电容c串联，反馈电容c的一端连接放大器的反相输入端n，反馈电容c的另一端连接第二开关s2的一端，第二开关s2的另一端连接放大器的输出端vo，形成第一反馈回路；第一开关s1的一端连接放大器的反相输入端n，第一开关s1的另一端放大器的输出端vo，形成第二反馈回路。其中，第一感应元件10的互电容值ca包括本征互电容值cma和有效互电容值ctma，第二感应元件11的互电容值cb包括本征互电容值cmb和有效互电容值ctmb。第一感应元件10的驱动电极为txa，第二感应元件11的驱动电极为txb。

第一复位阶段

闭合s1和s2，给txa施加电压vtx1，给txb施加电压vtx2，给放大器的同相输入端p施加工作电压vcm。

放大器的反相输入端n和输出端vo的电压被复位，均为vcm，检测电路的总电荷量为：

q1＝(vcm-vtx1)·(cma-ctma)+(vcm-vtx2)·(cmb-ctmb)(16)

第一电荷转移阶段

断开s1，s2仍然闭合，给txa施加电压vtx2，给txb施加电压vtx1，由于放大器输入端的虚短路特性，放大器的反相输入端n的电压仍为vcm。

第一感应元件10的电荷量变化为δqma＝(vtx1-vtx2)·(cma-ctma)，第二感应元件11的电荷量变化为δqmb＝(vtx2-vtx1)·(cmb-ctmb)，第一感应元件10和第二感应元件11变化的电荷量都转移至反馈电容c，反馈电容c储存的电荷量为qcf1＝-(δqma+δqmb)，即：

qcf1＝(vtx2-vtx1)·(ctmb-ctma)+(vtx1-vtx2)·(cmb-cma)(17)

第二复位阶段

闭合s1，断开s2，给txa施加电压vtx1，给txb施加电压vtx2，反馈电容c储存的电荷量不变，检测电路的总电荷量为：

q3＝(vcm-vtx1)·(cma-ctma)+(vcm-vtx2)·(cmb-ctmb)+qcf1(18)

第二电荷转移阶段

断开s1，闭合s2，给txa施加电压vtx2，给txb施加电压vtx1。

第一感应元件10的电荷量变化为δqma＝(vtx1-vtx2)·(cma-ctma)，第二感应元件11的电荷量变化为δqmb＝(vtx2-vtx1)·(cmb-ctmb)，第一感应元件10和第二感应元件11变化的电荷量都转移至反馈电容c，反馈电容c储存的电荷量qcf2＝qcf1-(δqma+δqmb)，即：

qcf2＝2·(vtx2-vtx1)·(ctmb-ctma)+2·(vtx1-vtx2)·(cmb-cma)(24)

重复第二复位阶段和第二电荷转移阶段的步骤m次(m为自然数)，得到反馈电容c存储的电荷量：

另外，根据反馈电容c的电容量cf和分配在反馈电容c上的电压值，得到：

qcf(m+2)＝cf·(vcm-vout)(20)

由式(19)和式(20)，得到：

第一感应元件10和第二感应元件11的本征互电容值相互抵消，式(21)可简化为：

由于第一感应元件10的互电容值ca＝cma-ctma，第二感应元件11的互电容值cb＝cmb-ctmb，则第一感应元件10和第二感应元件11的互电容差值为：

由式(22)和式(23)可知，通过对反馈电容c存储的电荷量进行m次累和计算，能够增大放大器输出端vo的电压vout，从而提高放大器输出信号的信噪比，并降低对后续模数转换器的精度要求。

上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。