專利名稱：Cmos電容型接近開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電容接近開關，又稱電子開關，且為開關量和模擬量型接近開關，特別適用于測距、測厚、挑選不同尺寸和類型的材料、控制傳送帶、測量波動、測量孔徑、定位控制、檢測不均勻度、液位的連續檢測及流水線上工件的計數等。
已有的電容型接近開關是高頻振蕩型，由振蕩電路中外引檢測電極(又稱檢出面)，與接近物體(金屬或非金屬)構成的電容變化，使振蕩起振或停振，給出檢測和控制的開關信號。這種接近開關的檢測距離，受檢測電極大小所制約，開關頻率、遲滯特性、重復精度和溫度漂移等都不甚理想。
本發明的目的是針對上述缺點，提出一種把接近物(金屬或非金屬)與外引檢測電極構成的電容量，疊加在COMS元件輸入端固有的輸入電容(簡稱輸入電容)上，通過外接電阻組成穩態電路，或用電子開關和門電路與外接電阻組成周期充放電路，轉換為電脈沖寬度量，經比較與展寬，或用脈沖寬度與無穩態振蕩周期進行比較，作為開關量的檢測，或細分為模擬量的檢測，擴大了檢測與運用范圍，使其檢測距離、開關頻率、遲滯特性、重復精度及溫度漂移指標，和已有的電容型接近開關相比都有顯著提高和改善。
按照本發明所提供的COMS電容型接近開關敘述如下，用可構成單穩態觸發器的COMS元件輸入端的固有輸入電容和外接電阻，組成兩個元件和參數相同對稱的單穩態電路，或用COMS元件的電子開關和門輸入電容與外接電阻組成周期充放電路，其中一個輸入端有外引檢測電極(又稱檢出面——下同省略)，在無外界物體(金屬或非金屬——下同省略)接近外引檢測電極時，兩個單穩態電路在同一頻率的觸發脈沖作用下或周期充放電路在同一頻率控制下，用電位器的電阻調節，使兩個單穩態電路或周期充放電路的輸出脈電路相同，其相比的差量輸出為零，當外界物體接近外引檢測電極時，外界物體與外引檢測電極構成的電容量，疊加在COMS元件輸入端固有的輸入電容上(并聯相加)，由此對應的這一個單穩電路或周期充放電路輸出脈沖寬度加大，與無外引檢測電極的單穩態電路或周期充放電路相比，有兩個脈沖寬度差的脈沖，用這一脈沖再觸發輸出級一脈沖展寬的單穩態電路，輸出一個寬度大的脈沖，推動發光二極管顯示，作為接近開關輸出的答應信號，或將上述兩個脈沖寬度差的脈沖加以倍頻細分，或由脈沖寬度與電壓轉換并加以放大給出數字量或模擬量的輸出。
本發明的優點1、無需用電感元件組成高振振蕩電路，電路簡單，成本低廉，耗電低，可全電路COMS化，便于組合封裝或專用集成，實現本發明的電路可多種多樣化。
2、把外界物體與外引檢測電極引起的電容變化，通過單穩態電路或周期充放電路轉換為脈沖寬度的檢測，其靈敏度高，電路穩定，漂移小，同樣的答應距離，其外引檢測電極的面小于現有的接近開關外引檢測電極的面。
3、上述電容的變化量，通過單穩態電路或周期充放電路轉換為RC的脈沖寬度變化量是一個明確的線性關系，有利于測距、測厚、挑選不同尺寸和類型材料等檢測，以及模擬量的輸出等。
4、電路中無電感元件，接近開關的外殼無需用隔磁材料，可用導磁金屬——鐵等，簡化制造工藝，降低成本，克服了現有高頻振蕩型接近開關難能集成一體的缺點。
5、利用本發明開關把齒輪式的計數表(如電度表、水表、流量表和里程等)改為微功耗液晶數字顯示計數表極為經濟和簡便。
6、本發明電路適用于差動電容量的檢測，和配用于電容傳感器的電容變化量的檢測，如本發明人的專利(ZL86106551.4)——柵形電容式位置傳感器電容變化量的檢測。
7、本發明各電路的綜合，可制成通用性廣的芯片集成電路，有開關信號，也有模擬和數字信號，分辨率高，穩定可靠性高，改變外接元件，適應不同功能要求，芯片按精度分檔次，按要求配芯片，滿足開關量和模擬量的電容型接近開關，各種電容量的檢測，配作電容型傳感器的檢測電路和其他特殊要求的檢測，充分提高了芯片成品率的百分數。
本發明借助有關必要的舉例結合附圖詳細說明如下(圖形符號用GB4728《電氣圖用圖符號》繪制)
圖1本發明的結構示意圖；圖2本發明由可構成單穩態觸發器的COMS元件輸入端固有輸入電容和外接電阻組成的單穩態電路；
圖3本發明的圖2在外界物體接近外引檢測電極(1)時的有關波形；圖4本發明由COMS門電路元件輸入端的固有輸入電容，外接電阻和電子開關組成周期充放電電路；圖5本發明由COMS元件輸入端的固有輸入電容和外接電阻組成單穩態和無穩態的比較電路；圖6本發明高精度數字量或模擬量的基型電路。
圖1是本發明的結構示意圖，用圓筒形外殼舉例。1.外引檢測電極；2.外殼用塑料或金屬(包括導磁金屬鐵等)；3.固定螺母；4.電路元件；5.可調電位器；6.顯示元件發光二極管LED；7.電源及輸出外引線。
圖2是本發明由可構成單穩態觸發器的COMS元件輸入端的固有輸入電容和外接電阻R1與R2組成的單穩態電路，圖中主令振蕩器由電阻R3、R4，電容C1和雙輸入與非門(CC4011)組成的方波振蕩器，其方波輸出經電阻R5和電容C2產生觸發脈沖，同時觸發單穩態電路A1和B1，由雙單穩態觸發器(CC4538)組成A1和B1兩個參數相同的單穩態電路，其中A1單穩態電路RX/CX端接了一個外引檢測電極1，A1和B1兩個單穩態電路和脈沖輸出寬度，取決于兩個相等電阻R1和R2、電位器W1及RX/CX端的輸入電容大小，對于A1單穩態電路，還要取決于外界物體接近外引檢測電極1的狀態，在外引檢測電極1無外界物體近時，調節電位器W1，使A1和B1兩個單穩態輸出脈沖寬度相等，其相比的差重輸出為零，當外界物體接近外引檢測電極1時與外引檢測電極構成的電容量，疊加在A1單穩態電路的RX/CX端的輸入電容上(并聯相加)，輸出Q1的脈沖寬度變大，并與B1單穩態電路輸出Q2，經雙輸入與非門(CC4011)相比，得出兩個脈沖寬度差的負脈沖，再由輸出級的單穩態電路將其倒相和展寬，輸出級的單穩態電路由CC7555(或NE555)，電阻R6，電容C3、C4組成，輸出脈沖寬度取決于R6和C3參數，用NE555可直接推動發光二極管D1和控制繼電器，R7是限流電阻，或用光電耦合元件控制高壓可控硅元件。
圖3是對應圖2的外引檢測電極1有外界物體接近時，CC4538和CC7555的觸發和輸出波形圖。
組成上述電路主令振蕩器，單穩態電路和脈沖寬度相比電路的元件和途徑很多，如CC4001、CC4011、CC4013、CC4043、CC4069、CC4071、CC4081、CC4093、CC4098、CC40106、CC4528、CC4538等。圖2所列，僅為舉例說明的一種，下列各電路也如示，不再重申。圖2的例舉充分利用了集成件內的每一個功能塊，電路體積小，便于組合封裝。
COMS元件輸入端固有的輸入電容約為5PF，輸入電阻大于108Ω現有集成件有雙單穩態觸發器(本例CC4538是雙精密單穩態觸發器)，兩個電氣參數及其制造工藝完全相同，選這兩個RX/CX端的輸入電容作比較基準，它的溫度影響小，基準電容小，靈敏度高，這類元件品種多，通用性大，價格低廉，本電路無放大系統，其穩定性好，可靠性高，動作頻率取決于主振頻率，無電感元件，無遲滯特性，其開關頻率、重復精度和溫度漂移等特性，都比現有的電容型接近開關好。
圖4是本發明由COMS元件門輸入端固有的輸入電容，外接電阻和電子開關組成周期充放電路，其中兩個COMS元件的電子開關KA1與KB1(CC4066)和門電路DA與DB(CC4069)的輸入電容和外接電阻R10與R11組成兩個元件和參數相同的A2和B2周期充放電路，A2電路中門電路DA輸入端有一個外引檢測電極1，電阻R8、R9、電容C5和門電路(CC4069)組成主令振蕩器，經門電路(CC4069)的整形和倒相，前半周期時接通電子開關KC1開關，斷開電子開關KA1與KB1，電源VDD經電子開關KC1，電位器W2中間可調點，分別向兩個相等電阻R10與R11，至DA與DB門(4069)輸入端固有的輸入電容充電，后半周期時斷開電子開關KC1開關，接通電子開關KA1與KB1，DA與DB門輸入端通過電子開關KA1與KB1直接接地放電。在外引檢測電極1無外界物體接近時，調節電位器W2，使A2和B2周期充放電路的輸出脈沖寬度相等。當外引檢測電極1有外界物體接近時，與外引檢測電極1構成的電容量，疊加在周期充放電路A2的DA門電路輸入端的輸入電容上(并聯相加)，由此對應的周期充放電路A2的輸出脈沖寬度變大，與無外引檢測電極的周期充放電路B2的輸出脈沖寬度相比，有兩個脈沖寬度差的脈沖，圖4用雙輸入或非門(CC4001)比較兩個脈沖寬度，此外，另用兩個雙輸入或非門(CC4001)和電阻R12與電容C6組成輸出級單穩態電路，用三極管BG1，二極管D2和電阻R13，R14組成功率放大電路，推動發光二極管D3，或用光電耦合元件控制高壓可控硅元件。
用上述元件，同樣出于充分利用已有集成件功能塊，便于組合封裝，這只是舉例的一種，組成這一電路元件品種很多。
在圖2中A1和B1兩個單穩態電路的RX/CX端，增加兩個與周期充放電路(圖4)中相同接法和控制方式的電子開關(KA1和KB2)，在主令振蕩器的前半周期是單穩態電路(A1與B1)處於單穩期(單穩期輸出寬度小于主令振蕩器的1/2振蕩周期)時，電子開關斷開，主令振蕩器的后半周期是單穩態電路處於非單穩期，電子開關接通，RX/CX端通過電子開關接地，即進入單穩期前RX/CX端接地，確保輸入電容的充電電流起始值為零，提高其靈敏度和穩定可靠性。
圖5是由COMS元件輸入端固有的輸入電容和外接電阻組成單穩態和無穩態的比較電路，用單穩態的脈沖輸出寬度與無穩態振蕩周期相比，A3電路與A1電路相同，由電阻R15、R17，電容C8，電位器W3和CC4528組成單穩態電路，B3電路是由電阻R16、R18，電容C9和CC4528組成無穩態振蕩器，當接通電源后，Q2為高電位，通過電阻R18向TR+端的電容C9充電至觸發閾值后，進入單穩期，Q2為高電位，Q2為低電位，單穩期結束，Q2又變為高電位，重復上述過程形成無穩態振蕩，單穩態電路A3由Q2端下降沿觸發，在外引檢測電極1無外界物體接近時，選定電阻R15和調節電位器W3使A3單穩態輸出脈沖(Q1)寬度，小于并接近于無穩態電路B3振蕩周期(T)，Q1端為單穩態脈沖寬度輸出，當外引檢測電極1有外界物體接近時，A3單穩態輸出脈沖(Q1)寬度大于無穩態電路B3的振蕩周期(T)，故單穩態電路A3在未復位前，又再次觸發，這便使Q1始終保持高電位輸出，區別于無外界物體接近外引檢測電極的狀態。輸出極的顯示和控制可類似于圖2或圖4(如CC7555或NE555)。單穩態電路A3的觸發脈沖，由無穩態電路B3的Q2輸出經電阻R17和電容C8微分獲得。
上述電路是最為簡單的一種，也可用方波振蕩周期作為比較基準，用晶振形成方波振蕩周期，或正半周作為比較基準，這就更為穩定可靠。
圖6是高精度模擬量輸出的基型電路，圖中A4和B4與圖2中A1和B1相同的單穩態電路，且在兩單穩態電路A4與B4的RX/CX端，加兩個與固有輸入電容并聯的接地電子開關KA2與KB2，G1是主令振蕩器除控制A4和B4單穩電路觸發外，還控制電子開關KA2、KB2和KC2的接通和斷開，KA2和KB2的C端與單穩態電路RX/CX端相連，d端接地，控制端e受主令振蕩器G1控制，在主令振蕩器G1的前半周期，單穩態電路A4與B4處於單穩期(單穩態的輸出寬度小於主令振蕩器的1/2振蕩周期)時，電子開關(KA2與KB2)斷開，主令振蕩器G1的后半周期(即單穩態電路A4與B4處於非單穩期)，電子開關(KA2與KB2)受主令振蕩器G1控制被接通，RX/CX端通過電子開(KA2與KB2)接地，即進入單穩態期前RX/CX端接地確保輸入電容的充電電流起始值為零，提高其靈敏度和穩定可靠性，RX/CX的充電電源由占空比可調的振蕩器G2供給，并受電子開關KC2控制，且與A4和B4的單穩態電路被觸發時同步接通，經電子開關KC2和二極管D4至電位器W4的中間可調點，分別向兩個單穩態電路A4與B4進行間隙性的供電，這不僅展寬了單穩態輸出脈沖寬度，而且改變振蕩器G2的占空比，可相應改變單穩態的輸出脈沖寬度，使其兩個單穩態相比后的脈沖寬度差量增大，提高了靈敏度，便于倍頻細分或頻率電壓轉換器進行數字或模擬量的輸出。
把上述各電路(除圖5外)的外引檢測電極除掉，在兩個單穩態電路的RX/CX端，或由電子開關和門電路組成周期充放電電路的門電路輸入端，各自并接一對差動變化電容傳感器的一個極，另一個極接地，可作為差動變化電容傳感器電容變化量的檢測，或其他差動變化電容量的檢測。
本發明的應用舉例在圖2中所用的元件是CC4538，CC4011和NE555，其中電位器W1是51K，R1＝R2＝200K，R3＝470K，R4＝47K，R5＝20K，R6＝1M，R7＝100Ω，C1＝0.1μC2＝510P，C3＝0.01μ，C4＝0.1μ
權利要求
1.COMS電容型接近開關有外引檢測電極(1，又稱檢出面——下同省略)，外殼(2)，固定螺母(3)，電路元件(4)，可調電位器(5)，顯示元件(6)和電源及輸出外引線(7)所組成，其特征是電路由可構成單穩態觸發器的COMS元件輸入端的固有輸入電容——簡稱輸入電容，和外接電阻(R1與R2)組成兩個元件參數相同對稱的單穩態電路(A1與B1)，由主令振蕩器(門電路CC4011，電阻R3、R4和電容C1組成方波振蕩器)經電容C2與電阻R5同時觸發兩個單穩態電路(A1與B1)或用兩個COMS元件的電子開關(KA1與KB1)，門電路(DA與BD)的輸入電容和外接電阻(R10與R11)組成兩個元件參數相同的周期充放電路(A2與B2)，由主令振蕩器(門電路CC4069，電阻R8、R9和電容C5組成方波振蕩器)前半周期控制電子開關KC1接通，KA1與KB1斷開，VDD電源經電子開關KC1，電位器W2中間可調點，分別向兩個相等電阻(R10與R11)和門電路(DA與DB)的輸入電容充電，后半周期控制電子開關KC1斷開，斷開門電路(DA與DB)的充電電源，同時電子開關KA1 KB1接通，門電路(DA與DB)的輸入電容通過電子開關(KA1與KB1)對地放電，外引檢測電極(1)接在單穩態電路A1的RX/CX輸入端，或接在周期充放電路A2的DA門電路的輸入端，在無外界物體(金屬非金屬——下同省略)接近外引檢測電極(1)時，調節兩個單穩態電路(A1與B1)的共用電位器W1，或調節兩個周期充放電路(A2與B2)的共用電位器W2，使兩個單穩態電路(A1與B1)，或兩個周期充放電路(A2與B2)的輸出脈沖寬度相同，其相比的差量輸出為零，當外界物體接近外引檢測電極(1)時，與外引檢測電極(1)構成的電容量，疊加在單穩態電路A1的RX/CX端。或周期充放電路A2的DA門電路的輸入端的輸入電容上(并聯相加)，由此對應的單穩態電路A1或周期充放電路A2的輸出脈沖寬度變大，與無外引檢測電極(1)的單穩態電路B1或周期充放電路B2的輸出脈沖寬度相比，有兩個脈沖寬度差的脈沖，用這一脈沖再觸發輸出級脈沖展寬的單穩態電路(由電阻R6、電容C3、C4和定時器電路7555組成，或由電阻R12、電容C6和門電路4001組成)，輸出一個寬度大的脈沖，推動輸出顯示(由發光二極管D1和限流電阻R7組成，或由二極管D2，電阻R13、R14，電容C7，三極管BG1和發光二極管D3組成)，作為接近開關的輸出答應信號，或將上述兩個脈沖寬度差的脈沖加以倍頻細分，或由脈沖寬度與電壓轉換加以放大給出數字或模擬量的輸出。
2.按權利要求1所規定的COMS電容型接近開關，其特征是兩個單穩態電路(A1與B1)或兩個周期充放電路(A2與B2)輸出脈沖寬度比較，用雙輸入門電路，現有的與，與非，或，或非及異或非等，比較其一個正向脈沖(Q1)和另一個負向脈沖(Q2)或兩個正向脈沖(Q1與Q2)皆可。
3.按權利要求1所規定的COMS電容型接近開關，其特征是兩個單穩態電路(A1與B1)的RX/CX端，增加兩個與周期充放電路相同接法和控制方式的電子開關，在主令振蕩器的前半周期是單穩態電路處於單穩期(單穩態的輸出寬度小于主令振蕩器的1/2振蕩周期)時，電子開關斷開，主令振蕩器的后半周期是單穩態電路處於非單穩期，電子開關接通，RX/CX端通過電子開關接地，即進入單穩期前RX/CX端接地，確保輸入電容的充電電流起始值為零，提高其靈敏度和穩定可靠性。
4.按權利要求所規定的COMS電容型接近開關，其特征是兩個單穩態電路(A1與B1)輸出脈沖寬度比較，用單穩態電路A3(由電阻R15、R17，電容C8，電位器W3和單穩觸發器CC4528/2組成)，和無穩態電路B3(由電阻R16、R18，電容C9和單穩態發器CC4528/2組成)的輸出脈沖寬度比較，外引檢測電極(1)接在單穩態電路A3的RX/CX端，在外引檢測電極(1)無外界物體接近時，調節電位器W3使單穩態電路A3輸出脈沖(Q1)寬度，小於并接近無穩態的振蕩周期(T)，當外引檢測電極(1)有外界物體接近時，單穩態輸出脈沖(Q1)寬度大於無穩態的振蕩周期(T)，故單穩態電路A3未復位前，又再次觸發，使單穩態電路A3的輸出(Q1)保持高電位，區別於無外界物體接近外引檢測電極(1)的狀態。單穩態的電路A3的觸發脈沖，由無穩態電路B3的Q2輸出經電阻R17和電容C8微分獲得。
5.按權利要求4所規定的COMS電容型接近開關，其特征是無穩態振蕩周期(T)，用晶振形成方波振蕩周期或正半周作比較基準，更為穩定可靠。
6.按權利要求1規定的COMS電容型接近開關，其特征是兩個單穩態電路(A4與B4)的RX/CX端，加兩個與固有輸入電容并聯接地開關(KA2與KB2)，在主令振蕩器G1的前半周期，單穩態電路(A4與B4)處於單穩期(單穩態的輸出寬度小於主令振蕩器的1/2振蕩周期)時，電子開關(KA2與KB2)斷開，主令振蕩器G1的后半周期(即單穩態電路A4與B4處於非單穩期)，電子開關(KA2與KB2)受主令振蕩器G1控制被接通，RX/CX端通過電子開關(KA2與KB2)接地，即進入單穩期前RX/CX端接地，確保輸入電容的充電電流起始值為零，提高其靈敏度和穩定可靠性，主令振蕩器G1還控制電子開關KC1，在兩個單穩態電路(A4與B4)被觸發時，同步接通電子開關KC2，由占空比可調的方波振器G2，經電子開關KC2，二極管D4，電位器W4的中間可調點，分別向兩個單穩態電路(A4與B4)進行間隙性的供電，展寬單穩態輸出脈沖寬度，且改變方波振蕩器的占空比，對應地改變了單穩態的輸出脈沖寬度，增大兩個單穩態輸出脈沖寬度的差量，提高靈敏度，便于倍頻細分或頻率電壓轉換器進行數字或模擬量的輸出。
7.按權利要求1、3和6規定的COMS電容型接近開關，其特征是將兩個單穩態電路(A1與B1或A4與B4)或電子開關和門電路與外接電阻組成周期充放電路(A2與B2)中的外引檢測電極(1)除掉，在兩個單穩態電路(A1與B1或A4與B4)的RX/CX，或由電子開關和門電路與外接電阻組成周期充放電(A2與B2)的兩個門電路(DA與DB)的輸入端，各自并接一對差動變化電容的一個極，另一個極地，可作為差動變化傳感器的電容化量的檢測，或其他差動變化電容的檢測。
8.按權利要求，1、2、3、4、5和6所規定的COMS電容接近開關，其特征是將上述電路綜合制成通用性廣的芯片集成電路，有開關信號，也有模擬和數字信號，分辨率高，穩定可靠性高，改變外接元件，適應不同功能要求，芯片按精度分檔產次，按要求配芯片，滿足開關量和模擬量的電容型接近開關，各種電容量的檢測，配作電容型傳感器的檢測電路和其他特殊要求的檢測，充分提高了芯片成品率的百分數。
全文摘要
本發明提供了一種CMOS元件輸入端的固有輸入電容為比較基準，作成的電容型接近開關。又稱電子開關，且為開關量和模擬量型接近開關。特別實用于測距、測厚，挑選不同尺寸和類型的材料、控制傳送帶、測量波動、測量孔徑、定位控制、檢測不均勻度、液位的連續檢測及流水線上工件的計數等。利用本發明把齒輪式的計數表(如電度表、水表、流量表和里程表等)改為微功耗液晶數字顯示計數表極為經濟和簡便。
文檔編號H03K17/94GK1167371SQ9611299
公開日1997年12月10日 申請日期1996年2月6日 優先權日1995年3月12日
發明者王祖斌, 汪錦春 申請人:王祖斌