具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

微电容检测广泛应用于电容式生物传感器、电容式声音(震动)传感器、电容式光传感器、电容式接近传感器、电容式重力传感器、电容式触摸按键、电容式触摸屏以及介质均匀性检测等。然而，现有的微电容检测方法是依赖模拟电路将电容转换为电压、电流、频率等参数然后对这些参数进行分析处理获得相应的电容值，这种方法转换速率较低。针对这一问题，本发明提供一种微电容检测方法，所述微电容检测方法包括：产生一脉冲信号；利用一检测电路将所述脉冲信号转换为一检测参考信号；将待测微电容与所述检测电路相连接；利用所述检测电路将所述脉冲信号转换为一检测信号；获取所述检测信号与所述检测参考信号的相位差；根据所述相位差计算获得所述待测微电容的电容值。所述微电容检测方法完全由数字电路实现，是将微电容的电容值转化为检测信号的相位差，通过检测相位差来实现电容量的检测，相对于传统检测方案检测速度更快、检测范围更宽。

请参阅图1，显示为本发明所述微电容检测方法于一具体实施例中的流程示意图。于本实施例中，所述微电容检测方法包括：

S1，产生一脉冲信号。脉冲信号是一种离散信号，形状多种多样，与普通模拟信号(如正弦波)相比，波形之间在纵轴不连续(波形与波形之间有明显的间隔)但具有一定的周期性。常见的脉冲信号有矩形脉冲、锯齿脉冲、三角脉冲、尖峰脉冲、阶梯脉冲等。

S2，利用一检测电路将所述脉冲信号转换为一检测参考信号。当所述检测电路包含电容元件或与电容元件连接时，所述脉冲信号流过所述检测电路后会产生相位变化，即：使所述脉冲信号会产生一相移。所述相位变化的大小取决于所述检测电路内部的电容元件的电容值以及与所述检测电路相连的电容元件的电容值。于步骤S2中，所述脉冲信号流经所述检测电路后形成所述检测参考信号。特别地，所述检测电路内部不包含电容元件且不与电容元件相连时，所述检测参考信号与所述脉冲信号相位相同，即相位差为0。

S3，利用所述连接有待测微电容的检测电路将所述脉冲信号转换为一检测信号。所述检测信号为所述检测电路与所述待测微电容连接处的信号。由于所述待测微电容的接入，所述脉冲信号流经所述检测电路时产生的相移会发生变化，因此所述检测信号与所述检测参考信号之间存在一个相位差，该相位差的大小与所述待测微电容的电容值有关。

S4，获取所述检测信号与所述检测参考信号的相位差。所述相位差的获取可以利用特定的数字电路或仪器仪表来实现。

S5，根据所述相位差计算获得所述待测微电容的电容值。所述相位差的大小与所述待测微电容的电容值有关，因此可以通过所述相位差计算得到所述待测微电容的电容值。

于本发明的一实施例中，所述产生一脉冲信号的实现过程包括：利用一分频器对一参考时钟信号进行分频处理，生成第一方波信号；所述第一方波信号即为所述脉冲信号。

参考时钟信号是时序逻辑的基础，用于决定逻辑单元中的状态何时更新，是有固定周期并与电路运行状况无关的信号量。参考时钟通常被用于同步电路当中，扮演计时器的角色，并组成电路的电子组件。常见的一种参考时钟信号为50％占空比的方波信号。

分频器是对输入信号进行分频处理并将输入信号中的特定频率分量输出的器件。通过对分频系数的设置可以改变分频器输出的信号的频率。

于本实施例中，将所述参考时钟信号输入所述分频器，所述分频器提取所述参考时钟信号中的特定频率分量并输出即可获得特定频率的方波信号，记为第一方波信号，所述方波信号即可作为步骤S1中的脉冲信号。

请参阅图2A和图2B，clk信号为一参考时钟信号，所述参考时钟信号经过一分频器的分频处理后即可获得对应的第一方波信号drv。图2A和图2B为示例图，于实际应用中，所述参考时钟信号的频率更高，所述第一方波信号一个周期内包含的参考时钟信号的脉冲数量更多。

请参阅图3，于本发明的一实施例中，获取所述检测信号与所述检测参考信号的相位差的实现过程包括：

S41，对所述检测参考信号进行整形，获得第二方波信号。所述整形可以利用整形电路来实现，整形电路主要用来对变化缓慢或不规则的信号进行整形，使其变成边沿陡峭的信号，也可用于剔除输入信号中的干扰信号，还可以实现将一种波形变换为另一种波形。施密特触发器为实际应用中常见的一种整形电路。此外，所述整形还可以利用比较器实现。经过整形后，所述检测参考信号被整形成方波信号，即为所述第二方波信号。请参阅图2A，所述第一方波信号流经所述检测电路后变为检测参考信号in1，所述检测参考信号in1经过整形变为所述第二方波信号fb1。

S42，对所述第一方波信号和所述第二方波信号进行逻辑异或处理，获得第一相位差脉冲。请参阅图2A，对所述第一方波信号drv与所述第二方波信号fb1进行异或处理，二者同为高电平或者同为低电平的部分经异或后输出低电平；一个为高电平另一个为低电平的部分经异或后输出高电平，因此所述第一方波信号drv与所述第二方波信号fb1进行异或处理后获得第一相位差脉冲gat1。所述第二方波信号fb1的上升沿与所述第一方波信号drv的上升沿之间存在时间差，该时间差即为所述第一相位差脉冲gat1的宽度，因此，可以根据所述第一相位差脉冲gat1的宽度计算获得所述第二方波信号与所述第一方波信号之间的相位差。所述第一方波信号一个采样周期内对应的相位变化为2π，因此所述第二方波信号与所述第一方波信号之间的相位差计算公式为其中T表示所述第一方波信号一个采样周期的时间长度；t₁表示所述第一相位差脉冲的脉冲宽度，t₁<T。

S43，对所述检测信号进行整形，获得第三方波信号。所述整形可以利用整形电路实现，也可利用比较电路实现。经过整形之后，所述检测信号被整形成方波信号，即为所述第三方波信号。请参阅图2B，所述检测电路连接待测微电容后，所述第一方波信号drv流经所述检测电路形成检测信号in2，所述检测信号in2经过整形后变为所述第三方波信号fb2。

S44，对所述第一方波信号和所述第三方波信号进行逻辑异或处理，获得第二相位差脉冲。请参阅图2B，所述第一方波信号drv与所述第三方波信号fb2进行异或处理，二者同为高电平或者同为低电平的部分经异或后输出低电平；一个为高电平另一个为低电平的部分经异或后输出高电平，因此gat2信号即为所述第一方波信号drv与所述第三方波信号fb2进行异或处理后获得的第二相位差脉冲。此外，所述第三方波信号fb2的上升沿与所述第一方波信号drv的上升沿之间存在时间差，该时间差即为所述第二相位脉冲gat2的宽度，因此，可以根据所述第二相位差脉冲gat2的宽度计算获得所述第三方波信号与所述第一方波信号之间也存在相位差。所述第一方波信号一个采样周期内对应的相位变化为2π，因此所述第三方波信号与所述第一方波信号之间的相位差的计算公式为其中T表示所述第一方波信号一个采样周期的时间长度；t₂表示所述第二相位差脉冲的脉冲宽度，t₂<T。

S45，根据所述第一相位差脉冲的脉冲宽度和所述第二相位差脉冲的脉冲宽度计算所述检测信号与所述检测参考信号的相位差，计算公式为：其中ΔP₁为所述检测信号与所述检测参考信号的相位差；T表示所述第一方波信号一个采样周期的时间长度；t₁表示所述第一相位差脉冲的脉冲宽度，t₂表示所述第二相位差脉冲的脉冲宽度，t₁<t₂<T。

于本发明的一实施例中，所述相位差脉冲的脉冲宽度的一种测量方法包括：利用所述参考时钟信号测量所述相位差脉冲的脉冲宽度。具体地，请参阅图4，测量所述相位差脉冲的脉冲宽度的实现方法包括：

S451，将所述参考时钟信号与所述相位差脉冲信号进行逻辑与操作，获得对应的相位信号；请参阅图2A，所述参考时钟信号clk与所述第一相位差脉冲信号gat1进行逻辑与操作之后获得第一相位信号phase1；请参阅图2B，所述参考时钟信号clk与所述第二相位差脉冲信号gat2进行逻辑与操作之后获得第二相位信号phase2。在所述第一方波信号的一个采样周期内，所述第一相位信号phase1的脉冲数量正比于所述第一相位差脉冲gat1的脉冲宽度，所述第二相位信号phase2的脉冲数量正比于所述第二相位差脉冲gat2的脉冲宽度。

S452，获取所述相位信号一个周期内包含的脉冲数量。所述脉冲数量可以利用频率计获得。具体地，利用频率计分别测量所述第一相位信号phase1一个周期内包含的脉冲数量以及所述第二相位信号phase2一个周期内包含的脉冲数量。

S453，根据所述脉冲数量计算所述相位差脉冲的脉冲宽度。所述相位信号中每个脉冲的时长与所述参考时钟信号中每个脉冲的时长相同，利用所述脉冲数量乘以所述参考时钟信号中每个脉冲的时长即可得到所述相位差脉冲的脉冲宽度。具体地，根据所述第一相位信号phase1一个周期内包含的脉冲数量计算所述第一相位差脉冲gat1的脉冲宽度，根据所述第二相位信号phase2一个周期内包含的脉冲数量计算所述第二相位差脉冲gat2的脉冲宽度。

于本发明的一实施例中，所述检测电路包括缓冲器和电阻；所述脉冲信号流经所述缓冲器和所述电阻后转换为所述检测参考信号；所述检测电路连接待测微电容后，所述脉冲信号流经所述第一缓冲器和所述电阻后转换为所述检测信号。于实际电路中，所述脉冲信号首先流过所述缓冲器，然后流过所述电阻。

当所述检测电路不连接待测微电容时，所述电阻与所述检测电路中的电容串联构成一RC电路。特别地，若所述脉冲信号为方波，则在所述脉冲信号的一个周期内：

当所述脉冲信号由低电平转换为高电平后，所述检测电路中的电容开始充电，此时所述RC电路中电容器与所述电阻连接处的电压值即为所述检测参考信号，其随时间的变化关系为其中t表示时间；U_s表示所述脉冲信号高电平对应的电压值；R为所述电阻的电阻值，C为所述检测电路中电容的电容值。u_c(t)为所述检测参考信号的电压，其随时间变化的图像如图5A第①段所示。当时间足够长时所述检测参考信号的电压为U_s。

当所述脉冲信号由高电平转换为低电平后，所述检测电路中的电容开始放电，此时所述检测参考信号的电压随时间的变化关系为u_c(t)为所述检测参考信号的电压，其随时间变化的图像如图5A第②段所示。当时间足够长时所述检测参考信号的电压为0。

综上所述，图5A显示为所述脉冲信号的一个周期内所述检测参考信号的电压。

当所述检测电路与待测微电容相连时，所述待测微电容与所述检测电路中的电容并联后与所述电阻构成一RC电路。特别地，若所述脉冲信号为方波，则在所述脉冲信号的一个周期内：

当所述脉冲信号由低电平转换为高电平后，所述检测电路中的电容开始充电，此时所述RC电路中电容器与所述电阻连接处的电压值即为所述检测信号，其随时间的变化关系为其中C_x为所述待测微电容的电容值；u'_c(t)表示所述检测信号的电压。当时间足够长时所述检测信号的电压为U_s。与所述检测参考信号相比，所述检测信号增大的过程更加缓慢。

当所述脉冲信号由高电平转换为低电平后，所述检测电路中的电容开始放电，此时所述检测参考信号的电压随时间的变化关系为当时间足够长时所述检测信号的电压为0。与所述检测参考信号相比，所述检测信号减小的过程更加缓慢。

于本发明的一实施例中，所述整形单元包括一输入缓冲器；所述输入缓冲器与所述检测电路的输出端相连，用于对所述检测参考信号和所述检测信号进行整形；特别地，所述输入缓冲器为施密特触发器。施密特触发器有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压。

请参阅图5A，将图5A所示的检测参考信号作为所述输入缓冲器的输入信号：当u _c(t)大于所述输入缓冲器的阈值时，所述输入缓冲器输出高电平；当u _c(t)小于等于所述输入缓冲器的阈值时，所述输入缓冲器输出低电平。图5B显示为与图5A所述检测参考信号对应的第二方波信号。

类似的，当所述检测电路连接待测微电容时，将检测信号作为所述输入缓冲器的输入信号：当所述检测信号大于所述输入缓冲器的阈值时，所述输入缓冲器输出高电平；当所述检测信号小于等于所述输入缓冲器的阈值时，所述输入缓冲器数数低电平。因此所述检测信号经过所述输入缓冲器整形后可获得对应的第三方波信号。

所述计算模块包括：转换系数计算子单元，与所述相位差获取模块相连，用于计算所述相位差与所述电容值之间的转换系数，所述转换系数的计算公式为其中K表示所述相位差与所述电容值之间的转换系数；f为所述脉冲信号的频率；R为所述电阻的电阻值；D为所述输入缓冲器的阈值与所述第一方波信号的电压比值，其取值范围为0<D<1；优选地，电容值计算子单元，与所述转换系数计算子单元相连，用于计算所述待测微电容的电容值，计算公式为C_x＝K×ΔP₁；其中C_x为所述待测微电容的电容值；ΔP₁为所述检测信号与所述检测参考信号的相位差。

于本实施例中，当所述检测电路不连接待测微电容时，在所述脉冲信号的一个周期内，当所述检测参考信号的电压由低到高变化时，所述检测参考信号的电压与所述第一方波信号的电压比值在tt1时刻等于D，其中tt1＝-RCln(1-D)；因此，当所述检测电路不连接待测微电容时，所述检测信号相对于所述脉冲信号的相移是P₃＝-2πRCfln(1-D)。

当所述检测电路连接待测微电容时，在所述脉冲信号的一个周期内，当所述检测信号的电压由低到高变化时，所述检测信号的电压与所述第一方波信号的电压比值在tt2时刻等于D，其中tt2＝-R(C+C_x)ln(1-D)；因此，当所述检测电路连接待测微电容时，所述检测信号相对于所述脉冲信号的相移是P₄＝-2πR(C+C_x)fln(1-D)。

综上可知，所述检测信号与所述检测参考信号的相位差ΔP＝P₄-P₃＝-2πRC_xfln(1-D)。其中ΔP为所述相位差的理论值。因此，如果已知相位差ΔP，则可以根据求得所述待测微电容的电容值，因此，即为所述相位差与所述电容值之间的转换系数。

于本实施例中，对于测量得到的相位差ΔP₁，可以根据公式C_x＝K×ΔP₁计算获得所述待测微电容的电容值。

于本发明的一实施例中，取电阻值R＝500Kohm，所述脉冲信号的频率f＝1kHZ，所述输入缓冲器的阈值与所述第一方波信号的电压比值则所述转换系数K≈3.183×10^-10。此时，引入1pF的待测微电容产生的相位差为0.124°。

于本发明的一实施例中，所述电阻为所述检测电路内相关元件的内阻，例如缓冲器的内阻。

于本发明的一实施例中，所述微电容检测方法还包括：改变所述电阻的电阻值以改变所述微电容检测方法的相位分辨率；所述相位分辨率表示所述微电容检测方法能检测的最小电容值。由于所述待测微电容引入的相位差所述相位差的大小取决于所述脉冲信号的频率f、所述电阻值R、所述输入缓冲器的阈值以及所述待测微电容的电容值C_x。所述相位差为一个角度，对于相位差的测量取决于角度测量方法的精度；当所述相位差太小时对于该角度的测量误差较大。因此，为了保证测量的准确性，应当让所述待测微电容引入的相位差在恰当的取值范围内。

于本实施例中，通过改变所述电阻的电阻值以改变所述微电容检测方法的相位分辨率。假设采用的相位差测量方法能够精确检测到的最小相位差为0.124°：当电阻值R＝500Kohm，所述脉冲信号的频率f＝1kHZ，所述输入缓冲器的阈值与所述第一方波信号的电压比值此时所述微电容检测方法能够精确检测的电容最小值为1pF；当电阻值R＝5000Kohm，所述脉冲信号的频率f＝1kHZ，所述输入缓冲器的阈值与所述第一方波信号的电压比值此时所述微电容检测方法能够精确检测的电容最小值为0.1pF，相应的所述相位分辨能力提升了10倍。所述改变电阻的电阻值可以通过通过在电路中使用可调电阻来实现，也可以通过新增电阻与原有电阻串联或者并联来实现，还可以通过利用合适阻值的电阻替换原有电阻来实现。

于本发明的一实施例中，所述微电容检测方法还包括：调整所述参考时钟信号的频率以调整所述微电容检测方法的相位分辨率；所述相位分辨率与所述参考时钟信号的频率的关系为其中，P_LSB为所述相位分辨率，表示所述微电容检测方法能检测的最小电容值；f为所述第一方波信号的频率；f_CLK为所述参考时钟信号的频率。于本实施例中，所述相位差的测量通过参考时钟信号来实现，因此能够精确测量的最小相位差与所述参考时钟信号的频率有关。例如，当所述参考时钟信号的频率为f_CLK＝24MHz，所述脉冲信号的频率f＝1KHZ，则所述相位分辨率P_LSB≈0.015°，此时可以分辨出的最小电容值为0.02pF。当所述参考时钟信号的频率f_CLK＝240MHz，所述脉冲信号的频率f＝1KHZ，则所述相位分辨率P_LSB≈0.0015°，此时可以分辨出的最小电容值为0.002pF。因此，所述微电容检测方法的相位分辨能力提升了10倍。

于本发明的一实施例中，同时改变所述电阻的电阻值并调节所述参考时钟信号的频率来改变所述微电容检测方法的相位分辨率。例如，所述电阻阻值R＝10Mohm，参考时钟频率f_CLK＝600MHz，此时所述微电容检测方法可以分辨出0.00004pF的电容值。

于本发明的一实施例中，所述检测电路具有寄生电容。寄生电容一般是指电感，电阻，芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。实际上，一个电阻等效于一个电容、一个电感、和一个电阻的串联，在低频情况下表现不是很明显，而在高频情况下，等效值会增大，不能忽略。于本实施例中，所述寄生电容可以看作与所述检测电路中的电容元件相并联。

本发明还提供一种微电容检测装置。请参阅图6，所述微电容检测装置600包括：

信号产生模块610，用于产生一脉冲信号。脉冲信号是一种离散信号，形状多种多样，与普通模拟信号(如正弦波)相比，波形之间在纵轴不连续(波形与波形之间有明显的间隔)但具有一定的周期性。常见的脉冲信号有矩形脉冲、锯齿脉冲、三角脉冲、尖峰脉冲、阶梯脉冲等。

检测电路620，与所述信号产生模块610相连，用于将所述脉冲信号转换为一检测参考信号；所述检测电路连接待测微电容后，用于将所述脉冲信号转换为一检测信号。当所述检测电路620包含电容元件或与电容元件连接时，所述脉冲信号流过所述检测电路后会产生相位变化，即：使所述脉冲信号会产生一相移。所述相位变化的大小取决于所述检测电路包含的电容元件的电容值以及与所述检测电路相连的电容元件的电容值。

当所述检测电路620不连接待测微电容时，所述脉冲信号流经所述检测电路后形成所述检测参考信号。特别地，所述检测电路不包含电容元件且所述检测电路不具有寄生电容，此时所述检测参考信号与所述脉冲信号相位相同，即相位差为0。

当所述检测电路620连接待测微电容后，所述脉冲信号流经所述检测电路后形成所述检测信号。

相位差获取模块630，与所述检测电路620的输出端和所述信号产生模块分别相连，用于获取所述检测信号与所述检测参考信号的相位差。所述相位差的大小与所述待测微电容的电容值有关，因此可以通过所述相位差计算得到所述待测微电容的电容值。

计算模块640，与所述相位差获取模块630相连，用于根据所述相位差计算获得所述待测微电容的电容值。

于本发明的一实施例中，所述信号产生模块610包括：时钟单元611，用于产生一参考时钟信号；分频器单元612，与所述时钟单元和所述检测电路相连，用于对所述参考时钟信号进行分频处理，生成第一方波信号；所述第一方波信号即为所述脉冲信号。

参考时钟信号是时序逻辑的基础，用于决定逻辑单元中的状态何时更新，是有固定周期并与电路运行状况无关的信号量。参考时钟信号通常被用于同步电路当中，扮演计时器的角色，并组成电路的电子组件。常见的一种参考时钟信号为50％占空比的方波信号。

所述分频单元通过分频器来实现。分频器是对输入信号进行分频处理并将输入信号中的特定频率分量输出的器件。通过对分频系数的设置可以改变分频器输出的信号的频率。

请参阅图2，将所述参考时钟信号输入所述分频器710，所述分频器710提取所述参考时钟信号中的特定频率分量并输出即可获得一特定频率的方波信号，标记为第一方波信号drv。所述第一方波信号即为所述脉冲信号。

于本发明的一实施例中，所述相位差获取模块包括：

整形单元631，与所述检测电路620的输出端相连，用于对所述检测参考信号进行整形，获得第二方波信号；所述检测电路620连接待测微电容后，所述整形单元631用于对所述检测信号进行整形，获得第三方波信号。所述整形单元631用来对变化缓慢或不规则的信号进行整形，使其变成边沿陡峭的信号，也可用于剔除输入信号中的干扰信号，还可以实现将一种波形变换为另一种波形。所述整形单元631可以是施密特触发器，也可以是比较器。经过整形之后，所述检测参考信号被整形成方波信号，即为所述第二方波信号。

异或单元632，与所述整形单元631和所述信号产生模块632分别相连，用于对所述第一方波信号和所述第二方波信号进行逻辑异或处理，获得第一相位差脉冲；请参阅图2A，所述第一方波信号drv与所述第二方波信号fb1进行异或处理，二者同为高电平或者同为低电平部分异或后对应低电平；二者中一个为高电平另一个为低电平部分异或后对应高电平，因此gat1信号即为所述第一方波信号drv与所述第二方波信号fb1进行异或处理后获得的第一相位差脉冲。此外，所述第二方波信号fb1的上升沿与所述第一方波信号drv的上升沿之间存在时间差，该时间差即为所述第一相位差脉冲gat1的宽度，因此，可以根据所述第一相位差脉冲gat1的宽度计算获得所述第二方波信号与所述第一方波信号之间的相位差。所述第一方波信号一个采样周期内对应的相位变化为2π，因此所述第二方波信号与所述第一方波信号之间的相位差计算公式为其中T表示所述第一方波信号一个采样周期的时间长度；t₁表示所述第一相位差脉冲的脉冲宽度，t₁<T。

所述检测电路620连接待测微电容后，所述异或单元631用于对所述第一方波信号和所述第三方波信号进行逻辑异或处理，获得第二相位差脉冲。请参阅图2B，所述第一方波信号drv与所述第三方波信号fb2进行异或处理，二者同为高电平或者同为低电平部分异或后对应低电平；二者中一个为高电平另一个为低电平部分异或后对应高电平，因此gat2信号即为所述第一方波信号drv与所述第三方波信号fb2进行异或处理后获得的第二相位差脉冲。此外，所述第三方波信号fb2的上升沿与所述第一方波信号drv的上升沿之间存在时间差，该时间差即为所述第二相位脉冲gat2的宽度，因此，可以根据所述第二相位差脉冲gat2的宽度计算获得所述第三方波信号与所述第一方波信号之间也存在相位差。所述第一方波信号一个采样周期内对应的相位变化为2π，因此所述第三方波信号与所述第一方波信号之间的相位差的计算公式为其中T表示所述第一方波信号一个采样周期的时间长度；t₂表示所述第二相位差脉冲的脉冲宽度，t₂<T。

相位差计算单元633，与所述异或单元632相连，用于根据所述第一相位差脉冲的脉冲宽度和所述第二相位差脉冲的脉冲宽度计算所述检测信号与所述检测参考信号的相位差，计算公式为：其中ΔP₁为所述检测信号与所述检测参考信号的相位差；T表示所述第一方波信号一个采样周期的时间长度；t₁表示所述第一相位差脉冲的脉冲宽度，t₂表示所述第二相位差脉冲的脉冲宽度，t₁<t₂<T。

于本发明的一实施例中，所述相位差计算单元包括：脉宽测量子单元，与所述异或单元相连，用于利用所述参考时钟信号测量所述相位差脉冲的脉冲宽度。于本实施例中，所述脉宽测量子单元包括逻辑与电路，所述逻辑与电路用于将所述参考时钟信号与所述相位差脉冲信号进行逻辑与操作，获得对应的相位信号。所述脉宽测量子单元与频率计配合即可根据所述相位信号一个周期内包含的脉冲数量计算所述相位差脉冲的脉冲宽度。

于本发明的一实施例中，所述检测电路620包括：第一缓冲器621，与所述信号产生模块相连，用于缓冲所述脉冲信号；电阻622；所述电阻622第一端与所述第一缓冲器621相连，第二端与所述相位差获取模块630相连；所述脉冲信号流经所述第一缓冲器621和所述电阻622后转换为所述检测参考信号；所述检测电路621连接待测微电容后，所述脉冲信号流经所述第一缓冲器621和所述电阻622后转换为所述检测信号。

所述检测电路620不连接待测微电容时，所述电阻622与所述检测电路620中的电容串联构成一RC电路。特别地，若所述脉冲信号为方波，则在所述脉冲信号的一个周期内：

当所述脉冲信号由低电平转换为高电平后，所述检测电路620中的电容开始充电，此时所述RC电路中电容器与所述电阻622连接处的电压值即为所述检测参考信号，其随时间的变化关系为其中t表示时间；U_s表示所述脉冲信号高电平对应的电压值；R为所述电阻的电阻值，C为所述检测电路中电容的电容值。u_c(t)为所述检测参考信号的电压，其随时间变化的图像如图5A第①段所示。当时间足够长时所述检测参考信号的电压为U_s。

当所述脉冲信号由高电平转换为低电平后，所述检测电路620中的电容开始放电，此时所述检测参考信号的电压随时间的变化关系为u_c(t)为所述检测参考信号的电压，其随时间变化的图像如图5A第②段所示。当时间足够长时所述检测参考信号的电压为0。

综上所述，图5A显示为所述脉冲信号的一个周期内所述检测参考信号的电压。

当所述检测电路与待测微电容相连时，所述待测微电容与所述检测电路620中的电容并联后与所述电阻构成一RC电路。特别地，若所述脉冲信号为方波，则在所述脉冲信号的一个周期内：

当所述脉冲信号由低电平转换为高电平后，所述检测电路620中的电容开始充电，此时所述RC电路中电容器与所述电阻622连接处的电压值即为所述检测信号，其随时间的变化关系为其中C_x为所述待测微电容的电容值；u'_c(t)表示所述检测信号的电压。当时间足够长时所述检测信号的电压为U_s。与所述检测参考信号相比，所述检测信号增大的过程更加缓慢。

当所述脉冲信号由高电平转换为低电平后，所述检测电路620中的电容开始放电，此时所述检测参考信号的电压随时间的变化关系为当时间足够长时所述检测信号的电压为0。与所述检测参考信号相比，所述检测信号减小的过程更加缓慢。

于本发明的一实施例中，所述整形单元631包括一输入缓冲器；所述输入缓冲器与所述检测电路的输出端相连，用于对所述检测参考信号和所述检测信号进行整形。特别地，所述输入缓冲器为施密特触发器。施密特触发器有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压。

请参阅图5A，将图5A所示的检测参考信号作为所述输入缓冲器的输入信号：当u _c(t)大于所述输入缓冲器的阈值时，所述输入缓冲器输出高电平；当u _c(t)小于等于所述输入缓冲器的阈值时，所述输入缓冲器输出低电平。图5B显示为与图5A所述检测参考信号对应的第二方波信号。

类似的，当所述检测电路连接待测微电容时，将检测信号作为所述输入缓冲器的输入信号：当所述检测信号大于所述输入缓冲器的阈值时，所述输入缓冲器输出高电平；当所述检测信号小于等于所述输入缓冲器的阈值时，所述输入缓冲器数数低电平。因此所述检测信号经过所述输入缓冲器整形后可获得对应的第三方波信号。

所述计算模块640包括：

转换系数计算单元641，与所述相位差获取模块相连，用于计算所述相位差与所述电容值之间的转换系数，所述转换系数的计算公式为其中K表示所述相位差与所述电容值之间的转换系数；f为所述脉冲信号的频率；R为所述电阻的电阻值；D为所述输入缓冲器的阈值与所述第一方波信号的电压比值，其取值范围为0<D<1；

电容值计算单元642，与所述转换系数计算单元相连，用于计算所述待测微电容的电容值，计算公式为C_x＝K×ΔP；其中C_x为所述待测微电容的电容值；ΔP为所述检测信号与所述检测参考信号的相位差。

于本实施例中，当所述检测电路620不连接待测微电容时，在所述脉冲信号的一个周期内，当所述检测参考信号的电压由低到高变化时，所述检测参考信号的电压与所述第一方波信号的电压比值在tt1时刻等于D，其中tt1＝-RCln(1-D)；因此，当所述检测电路620不连接待测微电容时，所述检测信号相对于所述脉冲信号的相移是P₃＝-2πRCfln(1-D)。

当所述检测电路620连接待测微电容时，在所述脉冲信号的一个周期内，当所述检测信号的电压由低到高变化时，所述检测信号的电压与所述第一方波信号的电压比值在tt2时刻等于D，其中tt2＝-R(C+C_x)ln(1-D)；因此，当所述检测电路620连接待测微电容时，所述检测信号相对于所述脉冲信号的相移是P₄＝-2πR(C+C_x)fln(1-D)。

综上可知，所述检测信号与所述检测参考信号的相位差ΔP＝P₄-P₃＝-2πRC_xfln(1-D)。其中ΔP为所述相位差的理论值。因此，如果已知相位差ΔP，则可以根据求得所述待测微电容的电容值，因此，即为所述相位差与所述电容值之间的转换系数。

于本实施例中，对于测量得到的相位差ΔP₁，可以根据公式C_x＝K×ΔP₁计算获得所述待测微电容的电容值。

于本发明的一实施例中，取电阻值R＝500Kohm，所述脉冲信号的频率f＝1kHZ，所述输入缓冲器的阈值与所述第一方波信号的电压比值则所述转换系数K≈3.183×10^-10。此时，引入1pF的待测微电容产生的相位差为0.124°。

于本发明的一实施例中，所述电阻为所述检测电路中相关元件的内阻，例如缓冲器的内阻。

于本发明的一实施例中，所述电阻的电阻值能够改变；通过改变所述电阻的电阻值能够改变所述微电容检测方法的相位分辨率；所述相位分辨率表示所述微电容检测方法能检测的最小电容值。

由于所述待测微电容引入的相位差，所述相位差的大小取决于所述脉冲信号的频率、所述电阻值、所述输入缓冲器的阈值以及所述待测微电容的电容值。所述相位差为一个角度，对于相位差的测量取决于具体测量方法的精度；当所述相位差取值太小时对于相位差的测量误差较大。因此，为了保证测量的准确性，应当让所述待测微电容引入的相位差在恰当的取值范围内。

于本实施例中，通过改变所述电阻的电阻值以改变所述微电容检测方法的相位分辨率。假设采用的相位差测量方法能够精确检测到的最小相位差为0.124°：当电阻值R＝500Kohm，所述脉冲信号的频率f＝1kHZ，所述输入缓冲器的阈值与所述第一方波信号的电压比值此时所述微电容检测方法能够精确检测的电容最小值为1pF；当电阻值R＝5000Kohm，所述脉冲信号的频率f＝1kHZ，所述输入缓冲器的阈值与所述第一方波信号的电压比值此时所述微电容检测方法能够精确检测的电容最小值为0.1pF，相应的所述相位分辨能力提升了10倍。所述改变电阻的电阻值可以通过通过在电路中使用可调电阻来实现，也可以通过新增电阻与原有电阻串联或者并联来实现，还可以通过利用合适阻值的电阻替换原有电阻来实现。

于本发明的一实施例中，所述时钟单元产生的参考时钟信号频率能够调整；通过调整所述参考时钟信号的频率能够调整所述微电容检测方法的相位分辨率；所述相位分辨率与所述参考时钟信号的频率的关系为其中，P_LSB为所述相位分辨率，表示所述微电容检测方法能检测的最小电容值；f为所述第一方波信号的频率；f_CLK为所述参考时钟信号的频率。

例如，当所述参考时钟信号的频率为f_CLK＝24MHz，所述脉冲信号的频率f＝1KHZ，则所述相位分辨率P_LSB≈0.015°，此时可以分辨出的最小电容值为0.02pF。当所述参考时钟信号的频率f_CLK＝240MHz，所述脉冲信号的频率f＝1KHZ，则所述相位分辨率P_LSB≈0.0015°，此时可以分辨出的最小电容值为0.002pF。相比之下，所述微电容检测方法的相位分辨能力提升了10倍。

于本发明的一实施例中，同时改变所述电阻的电阻值并调节所述参考时钟信号的频率来改变所述微电容检测方法的相位分辨率。例如，所述电阻阻值R＝10Mohm，参考时钟频率f_CLK＝600MHz，此时所述微电容检测方法可以分辨出0.00004pF的电容值。

于本发明的一实施例中，所述检测电路具有寄生电容。寄生电容一般是指电感，电阻，芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。实际上，一个电阻等效于一个电容、一个电感、和一个电阻的串联，在低频情况下这种等效不是很明显，而在高频情况下，等效值会增大，此时的寄生电容不能忽略。于本实施例中，所述寄生电容可以看作与所述检测电路中的电容元件相并联。

于本发明的一实施例中，所述检测电路包含电容元件，所述电容元件可以为所述检测电路的寄生电容，也可以为所述检测电路内部的电容元件，还可以是所述检测电路以外的电容元件。

图7A显示为本实施例中所述检测电路不连接待测微电容时所述微电容检测装置的电路图。所述信号产生模块由参考时钟(图中未示出)和分频器710组成。所述参考时钟信号为一方波，经分频后获得第一方波信号drv。所述电阻720与所述电容750构成一RC电路，所述电容元件可以为所述检测电路的寄生电容，也可以为所述检测电路内部的电容元件，还可以是所述检测电路以外的电容元件。所述第一方波信号drv流经所述第一缓冲器720和电阻730后形成检测参考信号in1。其后利用一施密特触发器760获取所述检测参考信号in1并对其进行整形获得第二方波信号fb1，所述第二方波信号fb1与所述第一方波信号drv通过异或门770进行异或后获得第一相位差脉冲信号gat1；所述第一相位差脉冲信号gat1与所述参考时钟信号clk通过与门770进行逻辑与操作后获得第一相位信号phase1。此后利用频率计在每个采样周期内将所述第二方波信号fb1和所述第一方波信号drv的相位差量化，即利用频率计获得每个采样周期内所述第一相位信号phase1中的脉冲数量，进而计算得出所述相位差。

图7B显示为本实施例中所述检测电路连接待测微电容时的连接关系示意图。所述信号产生模块由参考时钟(图中未示出)和分频器710组成。所述参考时钟信号为一方波，经分频后获得第一方波信号drv。所述电阻720与所述电容750、所述待测微电容740构成一RC电路，所述电容750为所述检测电路中的电容元件或者所述检测电路的寄生电容。所述第一方波信号drv流经所述第一缓冲器720和电阻730形成检测信号in2。其后利用一施密特触发器760获取所述检测信号in2并对其进行整形处理获得第三方波信号fb2，所述第三方波信号fb2与所述第一方波信号drv通过770异或门进行异或后获得第二相位差脉冲信号gat2；所述第二相位差脉冲信号gat2与所述参考时钟信号clk通过与门770进行逻辑与操作后获得第二相位信号phase2。所述第二相位信号phase2中的脉冲数量正比于所述第二相位差脉冲信号gat2脉冲宽度。此后利用频率计在每个采样周期内将所述第三方波信号fb2和所述第一方波信号drv的相位差量化，即利用频率计获得每个采样周期内所述第二相位信号phase2中的脉冲数量，进而计算得出所述相位差。

于本发明的一实施例中，所述检测电路不包含电容元件且不存在寄生电容，且没有待测微电容以外的电容元件与所述检测电路相连。

图8A显示为本实施例中所述检测电路不连接待测微电容时所述微电容检测装置的电路图。所述信号产生模块由参考时钟(图中未示出)和分频器810组成。所述参考时钟信号为一方波，经分频后获得第一方波信号drv。所述第一方波信号drv流经所述第一缓冲器820和电阻830形成检测参考信号in1，所述检测参考信号in1与所述第一方波信号drv均为方波。其后利用一施密特触发器860获取所述检测参考信号in1并对其进行整形处理获得第二方波信号fb1，所述第二方波信号fb1与所述第一方波信号drv通过870异或电路进行异或操作后获得第一相位差脉冲信号gat1，所述相位脉冲gat1在每个周期均为0电平；所述第一相位差脉冲信号gat1与所述参考时钟信号clk通过与电路870进行逻辑与操作后获得第一相位信号phase1，所述第一相位信号phase1在每个周期内同样为0电平。此时利用频率计获取的所述第一相位信号phase1一个周期内的脉冲数量为0，进而计算得出的相位差也为0。

图7B显示为本实施例中所述检测电路连接待测微电容时的连接关系示意图。所述信号产生模块由参考时钟(图中未示出)和分频器810组成。所述参考时钟信号为一方波，经分频后获得第一方波信号drv。所述电阻820与所述待测微电容840构成一RC电路，所述第一方波信号drv流经所述第一缓冲器820和电阻830形成检测信号in2。其后利用一施密特触发器860获取所述检测信号in2并对其进行整形处理获得第三方波信号fb2，所述第三方波信号fb2与所述第一方波信号drv通过870异或电路进行异或操作后获得第二相位差脉冲信号gat2；所述第二相位差脉冲信号gat2与所述参考时钟信号clk通过与电路870进行逻辑与操作后获得第二相位信号phase2。所述第二相位信号phase2中的脉冲数量正比于所述第二相位差脉冲信号gat2脉冲宽度。此后利用频率计在每个采样周期内将所述第三方波信号fb2和所述第一方波信号drv的相位差量化，即利用频率计获得每个采样周期内所述第二相位信号phase2中的脉冲数量，进而计算得出所述相位差。

本发明所述的微电容检测方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。

本发明还提供一种微电容检测装置，所述微电容检测装置可以实现本发明所述的微电容检测方法，但本发明所述的微电容检测方法的实现装置包括但不限于本实施例列举的微电容检测装置的结构，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本发明的保护范围内。

综上所述，本发明所述的微电容检测方法及装置，具有以下有益效果：所述微电容检测方法完全由数字电路实现，外部接口也采用普通的IO口，通过将微电容的电容值转化为检测信号的相位差，通过检测相位差来实现电容量的检测。传统方案普遍在高精度运算放大器、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)等模拟电路器件参与的情况下实现微小电容量的检测。二者相比，本发明所述微电容检测方法具有检测速度快、检测范围宽等优点。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。