JP2000065664A - 静電容量式力学量センサ - Google Patents
静電容量式力学量センサInfo
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
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Abstract
(57)【要約】
【課題】静電容量式センサで検出する力学量的変位をオ
ペアンプの応答性の制約を受けることなく高速の検出用
駆動周波数を使用して、しかも浮遊容量の影響を受ける
ことなく安定して、且つ直線的に電圧（直流出力）に変
換する。 【解決手段】力学量検出用静電容量５（ＣS）が力学量
に応じて変位すると、この素子５と参照用静電容量４と
の間に充電される電荷量に均衡がくずれて差が生じ、こ
の電荷量の差に応じてオペアンプ７の出力Ｖoutが変化
するが、出力Ｖoutは、最終的に、力学量検出用静電容
量５と参照用静電容量４の電荷量が等しくなるところで
安定する。この出力Ｖoutは力学量検出用静電容量ＣSの
逆数に比例し、直流電圧の形態をとる。また、積分帰還
容量（帰還用コンデンサ）ＣFに依存しない出力が得ら
れる。
ペアンプの応答性の制約を受けることなく高速の検出用
駆動周波数を使用して、しかも浮遊容量の影響を受ける
ことなく安定して、且つ直線的に電圧（直流出力）に変
換する。 【解決手段】力学量検出用静電容量５（ＣS）が力学量
に応じて変位すると、この素子５と参照用静電容量４と
の間に充電される電荷量に均衡がくずれて差が生じ、こ
の電荷量の差に応じてオペアンプ７の出力Ｖoutが変化
するが、出力Ｖoutは、最終的に、力学量検出用静電容
量５と参照用静電容量４の電荷量が等しくなるところで
安定する。この出力Ｖoutは力学量検出用静電容量ＣSの
逆数に比例し、直流電圧の形態をとる。また、積分帰還
容量（帰還用コンデンサ）ＣFに依存しない出力が得ら
れる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば圧力，加速
度等の力学量を検出する静電容量式力学量センサに関す
る。
度等の力学量を検出する静電容量式力学量センサに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の圧力センサの例としては、例えば
特公平７−５０７８９号公報に記載されるような表面デ
バイス処理形の静電容量式圧力センサがある。これは、
単結晶シリコン基板の上に不純物拡散によって第１の電
極（固定電極）を形成し、さらに、単結晶シリコン基板
上には、導電性を有する多結晶シリコンにより形成した
ダイアフラム形の第２の電極（可動電極）を第１の電極
と空隙を介して対向するよう配置して成り、圧力によっ
て第２の電極が変位することによって静電容量が変化
し、圧力を検出する構成となっている。
特公平７−５０７８９号公報に記載されるような表面デ
バイス処理形の静電容量式圧力センサがある。これは、
単結晶シリコン基板の上に不純物拡散によって第１の電
極（固定電極）を形成し、さらに、単結晶シリコン基板
上には、導電性を有する多結晶シリコンにより形成した
ダイアフラム形の第２の電極（可動電極）を第１の電極
と空隙を介して対向するよう配置して成り、圧力によっ
て第２の電極が変位することによって静電容量が変化
し、圧力を検出する構成となっている。
【０００３】図７に上記静電容量式圧力センサの圧力検
出部の断面構造を示す。
出部の断面構造を示す。
【０００４】図７に示すように、シリコンの単結晶基板
２１に、拡散層でできた固定電極２２があり、この上に
窒化膜等の保護膜２３と空隙２５を介して可動電極（ダ
イヤフラム）３１が配置されている。可動電極３１は、
窒化膜等の保護膜２６、２９と多結晶シリコンの導電層
２８により構成される。
２１に、拡散層でできた固定電極２２があり、この上に
窒化膜等の保護膜２３と空隙２５を介して可動電極（ダ
イヤフラム）３１が配置されている。可動電極３１は、
窒化膜等の保護膜２６、２９と多結晶シリコンの導電層
２８により構成される。
【０００５】可動電極３１と固定電極２２間の静電容量
信号（電気信号）はアルミニウム配線等で取り出され
る。この可動電極３１と固定電極２２との対向する面積
をＳ、電極２２，３１間の空隙の距離をｄとすると、こ
の容量変換素子の静電容量値ＣSは（１）式で表され
る。
信号（電気信号）はアルミニウム配線等で取り出され
る。この可動電極３１と固定電極２２との対向する面積
をＳ、電極２２，３１間の空隙の距離をｄとすると、こ
の容量変換素子の静電容量値ＣSは（１）式で表され
る。
【０００６】
【数１】ＣS＝ε0・Ｓ／ｄ …（１） ここでε0は真空中の誘電率。
【０００７】圧力が可動電極３１に加わると、電極２
２，３１間の空隙ｄが変化し、センサ容量ＣSが変化す
るが、上記（１）式のままＣSを電気信号に変換する場
合には、入力圧力に対するＣSの変化は感度を大きくと
ればとるほど（ｄを大きく変化させるほど）非線形な特
性となる。そのため、静電容量センサの小型化とＳ／Ｎ
比の向上の両立を図るために圧力入力に対する静電容量
変化を大きく取ろうしても、上記の非線形特性が実現を
妨げる原因となる。
２，３１間の空隙ｄが変化し、センサ容量ＣSが変化す
るが、上記（１）式のままＣSを電気信号に変換する場
合には、入力圧力に対するＣSの変化は感度を大きくと
ればとるほど（ｄを大きく変化させるほど）非線形な特
性となる。そのため、静電容量センサの小型化とＳ／Ｎ
比の向上の両立を図るために圧力入力に対する静電容量
変化を大きく取ろうしても、上記の非線形特性が実現を
妨げる原因となる。
【０００８】また、シリコン基板の上に電極を形成（こ
の場合は拡散によって形成）しているので、固定電極２
２とシリコン基板２１間と、可動電極３１あるいは配線
３０とシリコン基板２１間の浮遊容量がセンサ容量ＣS
に対して相対的に大きくなる。
の場合は拡散によって形成）しているので、固定電極２
２とシリコン基板２１間と、可動電極３１あるいは配線
３０とシリコン基板２１間の浮遊容量がセンサ容量ＣS
に対して相対的に大きくなる。
【０００９】上記の電気信号の非線形特性を解消する方
法としては、静電容量ＣSの逆数に比例した出力を得る
方式が既に提案されており、例えば、sensors and actu
ators A60(1997) P32〜36に記載の回路がある。これ
は、圧力によって変化する静電容量を変換する回路がオ
ペアンプの積分帰還容量により構成されており、積分帰
還容量にチャージされる電荷量を電圧信号に変換する構
成になっている。
法としては、静電容量ＣSの逆数に比例した出力を得る
方式が既に提案されており、例えば、sensors and actu
ators A60(1997) P32〜36に記載の回路がある。これ
は、圧力によって変化する静電容量を変換する回路がオ
ペアンプの積分帰還容量により構成されており、積分帰
還容量にチャージされる電荷量を電圧信号に変換する構
成になっている。
【００１０】図８に本従来例の回路構成を示し、１は定
電圧源、２ａ，３ａは切替スイッチ、４は参照用（基準
用）静電容量素子でその容量ＣRは固定されている。５
は可動電極・固定電極により構成され力学量に応じて静
電容量すなわちＣSが変化する力学量検出用静電容量素
子、７はオペアンプである。
電圧源、２ａ，３ａは切替スイッチ、４は参照用（基準
用）静電容量素子でその容量ＣRは固定されている。５
は可動電極・固定電極により構成され力学量に応じて静
電容量すなわちＣSが変化する力学量検出用静電容量素
子、７はオペアンプである。
【００１１】参照用静電容量素子４は、オペアンプ７の
反転入力端子と接続され、この反転入力端子とオペアン
プ出力端子との間の帰還回路に力学量検出用静電容量素
子５（静電容量ＣS）が設けられている。スイッチ２
ａ，３ａは静電容量ＣR，ＣSの充，放電回路の要素とな
り、タイミングφ１の時に実線位置にあり、タイミング
φ１Ｂの時に破線位置にある。
反転入力端子と接続され、この反転入力端子とオペアン
プ出力端子との間の帰還回路に力学量検出用静電容量素
子５（静電容量ＣS）が設けられている。スイッチ２
ａ，３ａは静電容量ＣR，ＣSの充，放電回路の要素とな
り、タイミングφ１の時に実線位置にあり、タイミング
φ１Ｂの時に破線位置にある。
【００１２】この回路構成によれば、タイミングφ１の
時、参照用静電容量素子４に波高値Ｖｃｃの定電圧源１
がスイッチ２ａを介して印加され、充電電荷が力学量検
出用の静電容量素子５に積分される。タイミングφ１Ｂ
の時、参照用静電容量素子４に充電された電荷はスイッ
チ２ａを介して放電され、力学量検出用静電容量素子５
に充電された電荷はスイッチ３ａを介して放電される。
この２つのモードを繰り返すことによって出力端子９に
パルス的に出力信号が得られる。
時、参照用静電容量素子４に波高値Ｖｃｃの定電圧源１
がスイッチ２ａを介して印加され、充電電荷が力学量検
出用の静電容量素子５に積分される。タイミングφ１Ｂ
の時、参照用静電容量素子４に充電された電荷はスイッ
チ２ａを介して放電され、力学量検出用静電容量素子５
に充電された電荷はスイッチ３ａを介して放電される。
この２つのモードを繰り返すことによって出力端子９に
パルス的に出力信号が得られる。
【００１３】本回路構成の出力Ｖoutは（２）式で表さ
れる。
れる。
【００１４】
【数２】 Ｖout＝−（ＣR／ＣS）Ｖcc＝−（ＳRｄS／ＳSｄR）Ｖcc …（２） ＳS：力学量検出用静電容量素子の面積 ｄS：力学量
検出用静電容量素子の電極間距離（空隙） ＳR：参
照用静電容量素子の面積 ｄR：参照用静電容量素子
の電極間距離（空隙） 従って、力学量検出用静電容量素子の容量ＣSの逆数に
比例して、即ち空隙ｄSの変化に比例して出力電圧が変
化するよう構成されているため、原理的には非線形性の
ない良好な特性となる。このような回路構成は、例えば
特開平４−３２９３７１号公報、特開平５−１８９９０
号公報に記載されている。
検出用静電容量素子の電極間距離（空隙） ＳR：参
照用静電容量素子の面積 ｄR：参照用静電容量素子
の電極間距離（空隙） 従って、力学量検出用静電容量素子の容量ＣSの逆数に
比例して、即ち空隙ｄSの変化に比例して出力電圧が変
化するよう構成されているため、原理的には非線形性の
ない良好な特性となる。このような回路構成は、例えば
特開平４−３２９３７１号公報、特開平５−１８９９０
号公報に記載されている。
【００１５】この場合、力学量検出用の静電容量Ｃ
Sは、オペアンプの積分帰還容量となっているため、オ
ペアンプの応答速度によって検出用駆動周波数に制約を
受ける。微小容量（1pF以下）を高精度で電圧信号に変
換するためには高速の検出用駆動周波数（数100kHz以
上）により力学量を検出しなければならないが、上記の
ようにオペアンプの応答速度によって検出用駆動周波数
に制約を受ける場合には、高周波数で高精度に容量検出
を図るために高速応答性のオペアンプが必要となり、コ
ストアップ、回路規模の大型化につながる。
Sは、オペアンプの積分帰還容量となっているため、オ
ペアンプの応答速度によって検出用駆動周波数に制約を
受ける。微小容量（1pF以下）を高精度で電圧信号に変
換するためには高速の検出用駆動周波数（数100kHz以
上）により力学量を検出しなければならないが、上記の
ようにオペアンプの応答速度によって検出用駆動周波数
に制約を受ける場合には、高周波数で高精度に容量検出
を図るために高速応答性のオペアンプが必要となり、コ
ストアップ、回路規模の大型化につながる。
【００１６】更に、第１の従来例に示したような浮遊容
量の大きな素子を駆動する場合は、この浮遊容量がオペ
アンプの応答性、安定性の向上を妨げる原因となるた
め、結局は、微小容量を高精度で検出するには不向きで
ある。更に、直流出力を得るためには後段にサンプルホ
ールド回路を付加しなければならない。
量の大きな素子を駆動する場合は、この浮遊容量がオペ
アンプの応答性、安定性の向上を妨げる原因となるた
め、結局は、微小容量を高精度で検出するには不向きで
ある。更に、直流出力を得るためには後段にサンプルホ
ールド回路を付加しなければならない。
【００１７】また、特表平６−５０７７２３号公報に記
載の圧力測定装置には、圧力によって変化する電極を分
割した参照容量Ｃｆでセンサ容量Ｃｓと基準容量Ｃｒの
差との比をとる技術が開示され、この場合の容量測定に
よって圧力を導出する伝達関数Ｆを式であらわせば、次
のようになる。
載の圧力測定装置には、圧力によって変化する電極を分
割した参照容量Ｃｆでセンサ容量Ｃｓと基準容量Ｃｒの
差との比をとる技術が開示され、この場合の容量測定に
よって圧力を導出する伝達関数Ｆを式であらわせば、次
のようになる。
【００１８】
【数３】 Ｆ＝（Ｃｓ−Ｃｒ）／Ｃｆ …（３） この公知例は、１／Ｃの関数で取りきれない誤差分を圧
力によって変化する静電容量の電極を分割（換言すれば
容量をＣｓとＣｆに分割）して、非線形性を補償しよう
としたものである。この場合にも、帰還積分容量Ｃｆが
力学量検出の出力に影響を及ぼすため、微小容量を高周
波数で高精度に検出するためには、高速応答性のオペア
ンプを必要とし、また、出力を直流で取り出すには、容
量検出回路の後段にサンプルホールド回路等が必要とな
る。
力によって変化する静電容量の電極を分割（換言すれば
容量をＣｓとＣｆに分割）して、非線形性を補償しよう
としたものである。この場合にも、帰還積分容量Ｃｆが
力学量検出の出力に影響を及ぼすため、微小容量を高周
波数で高精度に検出するためには、高速応答性のオペア
ンプを必要とし、また、出力を直流で取り出すには、容
量検出回路の後段にサンプルホールド回路等が必要とな
る。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の諸々の
課題に着目してなされ、その目的は、基本的には、静電
容量式力学量センサにおいて、微小な静電容量（力学量
的変位）をオペアンプの応答性の制約を受けることなく
高速の検出用駆動周波数を使用して、高速でしかも浮遊
容量の影響を受けることなく安定して、且つ直線的に電
圧に変換して検出し得るセンサを実現することにある。
また、サンプルホールドを後段に付加しなくとも直流出
力が得られるこの種静電容量式力学量センサを提供する
ことにある。
課題に着目してなされ、その目的は、基本的には、静電
容量式力学量センサにおいて、微小な静電容量（力学量
的変位）をオペアンプの応答性の制約を受けることなく
高速の検出用駆動周波数を使用して、高速でしかも浮遊
容量の影響を受けることなく安定して、且つ直線的に電
圧に変換して検出し得るセンサを実現することにある。
また、サンプルホールドを後段に付加しなくとも直流出
力が得られるこの種静電容量式力学量センサを提供する
ことにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明は、基本的には、
次のように構成される。なお、発明の構成要素に付加し
た符号は、便宜的に図１の実施例の符号を引用した。
次のように構成される。なお、発明の構成要素に付加し
た符号は、便宜的に図１の実施例の符号を引用した。
【００２１】すなわち、力学量に応じて静電容量ＣSが
変化する力学量検出用静電容量素子５と、参照用の静電
容量ＣRを形成する参照用静電容量素子４と、前記力学
量検出用静電容量素子５の静電容量ＣSの逆数に比例し
た力学量検出信号を出力する容量検出回路（図１の例で
は積分帰還容量ＣFとオペアンプ７が相当する）とを備
え、前記力学量検出用静電容量素子５が力学量に応じて
変位すると、この力学量検出用静電容量素子５と参照用
静電容量素子４との間に充電される電荷量に均衡がくず
れて差が生じ、この電荷量の差に応じて前記容量検出回
路の出力Ｖoutが変化する回路構成としてあり、且つ、
この容量検出回路の出力Ｖoutを用いて該出力が前記力
学量検出用静電容量素子５と前記参照用静電容量素子４
の電荷量が等しくなるところまで変化するよう動作させ
る充放電回路（図１の例では定電圧電源１，加算器８，
切替スイッチ２，３が相当する）を備えて成ることを特
徴とする。
変化する力学量検出用静電容量素子５と、参照用の静電
容量ＣRを形成する参照用静電容量素子４と、前記力学
量検出用静電容量素子５の静電容量ＣSの逆数に比例し
た力学量検出信号を出力する容量検出回路（図１の例で
は積分帰還容量ＣFとオペアンプ７が相当する）とを備
え、前記力学量検出用静電容量素子５が力学量に応じて
変位すると、この力学量検出用静電容量素子５と参照用
静電容量素子４との間に充電される電荷量に均衡がくず
れて差が生じ、この電荷量の差に応じて前記容量検出回
路の出力Ｖoutが変化する回路構成としてあり、且つ、
この容量検出回路の出力Ｖoutを用いて該出力が前記力
学量検出用静電容量素子５と前記参照用静電容量素子４
の電荷量が等しくなるところまで変化するよう動作させ
る充放電回路（図１の例では定電圧電源１，加算器８，
切替スイッチ２，３が相当する）を備えて成ることを特
徴とする。
【００２２】上記構成によれば、力学量検出用静電容量
素子５が力学量に応じて変位すると、この力学量検出用
静電容量素子５と参照用静電容量素子４との間に充電さ
れる電荷量に均衡がくずれて差が生じ、この電荷量の差
に応じて前記容量検出回路の出力Ｖoutが変化するが、
結論的に述べれば（詳細は、発明の実施の形態の項で説
明する）、出力Ｖoutは、最終的に、力学量検出用静電
容量素子５と前記参照用静電容量素子４の電荷量が等し
くなるところで安定する。この出力Ｖoutは力学量検出
用静電容量ＣSの逆数に比例し、直流電圧の形態をと
る。また、出力Ｖoutが上記のように力学量検出用静電
容量素子５と参照用静電容量素子４の電荷量が等しくな
るところで安定した場合、容量検出回路として積分帰還
容量（帰還用コンデンサ）ＣF付きオペアンプ７を使用
した場合であっても、この積分帰還容量値に依存しない
出力が得られる。
素子５が力学量に応じて変位すると、この力学量検出用
静電容量素子５と参照用静電容量素子４との間に充電さ
れる電荷量に均衡がくずれて差が生じ、この電荷量の差
に応じて前記容量検出回路の出力Ｖoutが変化するが、
結論的に述べれば（詳細は、発明の実施の形態の項で説
明する）、出力Ｖoutは、最終的に、力学量検出用静電
容量素子５と前記参照用静電容量素子４の電荷量が等し
くなるところで安定する。この出力Ｖoutは力学量検出
用静電容量ＣSの逆数に比例し、直流電圧の形態をと
る。また、出力Ｖoutが上記のように力学量検出用静電
容量素子５と参照用静電容量素子４の電荷量が等しくな
るところで安定した場合、容量検出回路として積分帰還
容量（帰還用コンデンサ）ＣF付きオペアンプ７を使用
した場合であっても、この積分帰還容量値に依存しない
出力が得られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の静電容量式力学量センサ
を図１〜図６を用いて説明する。図１は本発明の第１実
施例に係る静電容量式力学量センサの回路構成図、図２
は図１の回路を更に等価的に表した回路詳細図、図３は
本実施例の動作を示すタイムチャート、図４は本実施例
のセンサの全体概要を示すブロック図、図５は本実施例
に係るセンサの断面構造を示す説明図である。
を図１〜図６を用いて説明する。図１は本発明の第１実
施例に係る静電容量式力学量センサの回路構成図、図２
は図１の回路を更に等価的に表した回路詳細図、図３は
本実施例の動作を示すタイムチャート、図４は本実施例
のセンサの全体概要を示すブロック図、図５は本実施例
に係るセンサの断面構造を示す説明図である。
【００２４】図１に示すように、本実施例に係る静電容
量式力学量センサは、定電圧源１、切替スイッチ２，
３、参照用静電容量素子４、力学量検出用静電容量素子
５、積分帰還容量素子（帰還用コンデンサ）６、オペア
ンプ７、加算器８、出力端子９を備えて成る。
量式力学量センサは、定電圧源１、切替スイッチ２，
３、参照用静電容量素子４、力学量検出用静電容量素子
５、積分帰還容量素子（帰還用コンデンサ）６、オペア
ンプ７、加算器８、出力端子９を備えて成る。
【００２５】参照用静電容量素子（固定コンデンサ）４
は、容量が固定された参照用（基準）の静電容量ＣRを
形成する。一方、力学量検出用静電容量素子（可変コン
デンサ）５は、力学量（例えば圧力）に応じて静電容量
ＣSが変化する。以下、力学量検出用静電容量素子を力
学量検出素子と略称し、参照用静電容量素子を参照素子
と略称する。
は、容量が固定された参照用（基準）の静電容量ＣRを
形成する。一方、力学量検出用静電容量素子（可変コン
デンサ）５は、力学量（例えば圧力）に応じて静電容量
ＣSが変化する。以下、力学量検出用静電容量素子を力
学量検出素子と略称し、参照用静電容量素子を参照素子
と略称する。
【００２６】参照素子４及び力学量検出素子５は、直列
に接続され、その間の共通の接続線を介してオペアンプ
７の反転入力端子に接続されている。オペアンプ７の非
反転入力端子は接地されている。オペアンプ７の出力端
子と反転入力端子との間に帰還用の静電容量素子（固定
コンデンサ）６が接続されている。以下、帰還用の静電
容量素子６を帰還用コンデンサ６と称する。帰還用コン
デンサ６及びオペアンプ７が容量検出回路の主たる要素
となる。
に接続され、その間の共通の接続線を介してオペアンプ
７の反転入力端子に接続されている。オペアンプ７の非
反転入力端子は接地されている。オペアンプ７の出力端
子と反転入力端子との間に帰還用の静電容量素子（固定
コンデンサ）６が接続されている。以下、帰還用の静電
容量素子６を帰還用コンデンサ６と称する。帰還用コン
デンサ６及びオペアンプ７が容量検出回路の主たる要素
となる。
【００２７】定電圧源１の（＋）側は切替スイッチ２を
介して参照素子４に接続され、さらに定電圧源１の
（＋）側はオペアンプ７の出力Ｖoutとの差をとる加算
器８の入力側に接続され、加算器８の出力側が切替スイ
ッチ３を介して力学量検出素子５と接続されている。
介して参照素子４に接続され、さらに定電圧源１の
（＋）側はオペアンプ７の出力Ｖoutとの差をとる加算
器８の入力側に接続され、加算器８の出力側が切替スイ
ッチ３を介して力学量検出素子５と接続されている。
【００２８】本例では、スイッチ２とスイッチ３は逆位
相で動作し、交互に所定周波数のパルスで高速に切り替
わる。ＣSとＣRの容量値が等しければ、帰還用コンデン
サ６には電流が流れ込まず（出力Ｖｏ，出力Ｖoutが０
Ｖ）、ＣSがＣRよりも大きくなると、その容量差分だけ
ＣSへ充電電流が多く流れ、ＣSに充電される電荷量とＣ
Rに充電される電荷量の差分が帰還用コンデンサ６（容
量ＣF）に積分され出力される（力学量検出素子５と参
照素子４の電荷量の差に応じて出力電圧Ｖoutが変化す
る）が、加算器８が存在することで、最終的には力学量
検出素子５と参照素子４の電荷量が等しくなるところで
均衡を保ち、これが直流の出力電圧Ｖoutとなる。
相で動作し、交互に所定周波数のパルスで高速に切り替
わる。ＣSとＣRの容量値が等しければ、帰還用コンデン
サ６には電流が流れ込まず（出力Ｖｏ，出力Ｖoutが０
Ｖ）、ＣSがＣRよりも大きくなると、その容量差分だけ
ＣSへ充電電流が多く流れ、ＣSに充電される電荷量とＣ
Rに充電される電荷量の差分が帰還用コンデンサ６（容
量ＣF）に積分され出力される（力学量検出素子５と参
照素子４の電荷量の差に応じて出力電圧Ｖoutが変化す
る）が、加算器８が存在することで、最終的には力学量
検出素子５と参照素子４の電荷量が等しくなるところで
均衡を保ち、これが直流の出力電圧Ｖoutとなる。
【００２９】この時の出力電圧Ｖoutは、（４）式によ
り表される。
り表される。
【００３０】
【数４】 Ｖout＝（１−ＣR／ＣS）Ｖcc …（４） 次に上記実施例の動作を図２の等価回路及び図３のタイ
ムチャートを用いて、より詳しく説明する。
ムチャートを用いて、より詳しく説明する。
【００３１】本実施例の容量検出回路１０は、力学量検
出素子５、参照素子４、定電圧源１１，１２、スイッチ
２１，２２，２３，２４，３１，３２、帰還用コンデン
サ６、オペアンプ７、反転器８１、出力端子９で構成さ
れる。
出素子５、参照素子４、定電圧源１１，１２、スイッチ
２１，２２，２３，２４，３１，３２、帰還用コンデン
サ６、オペアンプ７、反転器８１、出力端子９で構成さ
れる。
【００３２】ここで、スイッチ２１，２３，３１及び２
２，２４，３２が図１のスイッチ２及び３に相当し、ス
イッチ２１、２３、３１は駆動信号φ１で、スイッチ２
２、２４、３２は逆位相φ１Ｂで駆動される。
２，２４，３２が図１のスイッチ２及び３に相当し、ス
イッチ２１、２３、３１は駆動信号φ１で、スイッチ２
２、２４、３２は逆位相φ１Ｂで駆動される。
【００３３】また、反転器８１は入力信号を−１倍して
出力させるもので、オペアンプを使った簡単な反転増幅
器や、スイッチドキャパシタ回路などで容易に実現でき
る。
出力させるもので、オペアンプを使った簡単な反転増幅
器や、スイッチドキャパシタ回路などで容易に実現でき
る。
【００３４】仮に初期値としてＶout＝０Ｖすなわち検
出される力学量が零の状態を考えると、スイッチ２１、
２３、３１がオンしているときはＣS、ＣRともに電荷が
充電されていないが、スイッチ２２、２４、３２がオン
した瞬間に静電容量ＣSとＣRに電荷が充電される。ＣS
とＣRの容量値が等しければ、帰還用コンデンサ６（容
量ＣF）には電流が流れ込まず、従ってオペアンプ７の
出力Ｖｏ、Ｖoutともに０Ｖのままとなる。
出される力学量が零の状態を考えると、スイッチ２１、
２３、３１がオンしているときはＣS、ＣRともに電荷が
充電されていないが、スイッチ２２、２４、３２がオン
した瞬間に静電容量ＣSとＣRに電荷が充電される。ＣS
とＣRの容量値が等しければ、帰還用コンデンサ６（容
量ＣF）には電流が流れ込まず、従ってオペアンプ７の
出力Ｖｏ、Ｖoutともに０Ｖのままとなる。
【００３５】圧力等の力が加わり、力学量検出素子５の
容量ＣSが参照素子４の容量ＣRよりも大きくなった場
合、ＣSへの充電電流が多く流れるため、ＣSに充電され
る電荷量とＣRに充電される電荷量の差分がコンデンサ
ＣFに積分される。このときの電圧Ｖo(1)は（５）式に
従う。
容量ＣSが参照素子４の容量ＣRよりも大きくなった場
合、ＣSへの充電電流が多く流れるため、ＣSに充電され
る電荷量とＣRに充電される電荷量の差分がコンデンサ
ＣFに積分される。このときの電圧Ｖo(1)は（５）式に
従う。
【００３６】
【数５】 Ｖo(1)＝（ＣR−ＣS）Ｖcc／ＣF …（５）
出力電圧Ｖoutは、Ｖｏの−１倍の出力になるため、セ
ンサ出力Ｖoutは（６）式に従う。
出力電圧Ｖoutは、Ｖｏの−１倍の出力になるため、セ
ンサ出力Ｖoutは（６）式に従う。
【００３７】
【数６】 Ｖout(1)＝（ＣS−ＣR）Ｖcc／ＣF …（６） 従って、次のスイッチ動作ステップではＣRに印加され
る電圧の波高値は代わらずＶccであるが、ＣSへはＶcc
−Ｖout分の電圧が加わるようになり、その動作は
（７）式で表される。そして、ＣSに充電される電荷量
とＣRへ充電される電荷量が等しくなるところまで出力
電圧Ｖoutは変化し、安定する。
る電圧の波高値は代わらずＶccであるが、ＣSへはＶcc
−Ｖout分の電圧が加わるようになり、その動作は
（７）式で表される。そして、ＣSに充電される電荷量
とＣRへ充電される電荷量が等しくなるところまで出力
電圧Ｖoutは変化し、安定する。
【００３８】
【数７】 Ｖout(2)＝｛ＣS（Ｖcc−Ｖout(1)）−ＣRＶcc｝／ＣF …（７） 言い換えると、ＣRとＣSの充放電する電荷量が等しくな
り、ＣFに電荷が流れ込まなくなるまで出力は変化す
る。従って、その安定条件は（８）式となり、積分容量
ＣFとは無関係になる。従って、その最終出力電圧は
（３）式となる。
り、ＣFに電荷が流れ込まなくなるまで出力は変化す
る。従って、その安定条件は（８）式となり、積分容量
ＣFとは無関係になる。従って、その最終出力電圧は
（３）式となる。
【００３９】
【数８】 ＣS（Ｖcc−Ｖout）＝ＣRＶcc …（８） このような回路を構成することによって、１／ＣSに比
例した、即ち力学量の変位により変化する静電容量の空
隙ｄに比例した線形性を有する直流出力信号を直接得る
ことができる。このため、検知素子の面積を小さくして
も検出可能であるし、Ｓ／Ｎ比を向上させるために可動
電極の変位を大きくとっても入力圧力に比例した出力を
得ることが可能である。
例した、即ち力学量の変位により変化する静電容量の空
隙ｄに比例した線形性を有する直流出力信号を直接得る
ことができる。このため、検知素子の面積を小さくして
も検出可能であるし、Ｓ／Ｎ比を向上させるために可動
電極の変位を大きくとっても入力圧力に比例した出力を
得ることが可能である。
【００４０】また、帰還用コンデンサ６に流れ込む帰還
電流（図２中に矢印で表した）は定電圧源１２から流れ
込み、しかも、（３）式からも明らかなように、センサ
出力Ｖoutが最終的には帰還用コンデンサ６に依存しな
いで成立するので、オペアンプの動作スピード（応答
性）の制約を受けることなく、しかも、このようなオペ
アンプの応答性の制約を受けることがないので、オペア
ンプの応答性に悪影響を与える浮遊容量（力学量検出素
子と基板間についた浮遊容量）が存在しても、高速の検
出用駆動周波数を使用して微小な静電容量（力学量的変
位）を高精度，高速に検出することができる。
電流（図２中に矢印で表した）は定電圧源１２から流れ
込み、しかも、（３）式からも明らかなように、センサ
出力Ｖoutが最終的には帰還用コンデンサ６に依存しな
いで成立するので、オペアンプの動作スピード（応答
性）の制約を受けることなく、しかも、このようなオペ
アンプの応答性の制約を受けることがないので、オペア
ンプの応答性に悪影響を与える浮遊容量（力学量検出素
子と基板間についた浮遊容量）が存在しても、高速の検
出用駆動周波数を使用して微小な静電容量（力学量的変
位）を高精度，高速に検出することができる。
【００４１】更に、帰還用コンデンサ６の積分容量ＣF
が固定コンデンサのため、積分器の安定度を確実に確保
することが可能である。
が固定コンデンサのため、積分器の安定度を確実に確保
することが可能である。
【００４２】次に、図５を用いて本実施例に係る力学量
センサの断面構造を説明する。
センサの断面構造を説明する。
【００４３】本実施例の力学量センサは、既述した図７
同様に、シリコンの単結晶基板２１に、拡散層でできた
固定電極２２があり、この上に窒化膜等の保護膜２３と
空隙２５を介して可動電極（ダイヤフラム）３１が配置
されている。可動電極３１は、窒化膜等の保護膜２６、
２９と多結晶シリコンの導電層２８により構成される。
同様に、シリコンの単結晶基板２１に、拡散層でできた
固定電極２２があり、この上に窒化膜等の保護膜２３と
空隙２５を介して可動電極（ダイヤフラム）３１が配置
されている。可動電極３１は、窒化膜等の保護膜２６、
２９と多結晶シリコンの導電層２８により構成される。
【００４４】可動電極３１と固定電極２２間の静電容量
信号（電気信号）はアルミニウム配線３０等で取り出さ
れる。
信号（電気信号）はアルミニウム配線３０等で取り出さ
れる。
【００４５】また、基板２１上にはオペアンプ７となる
ＭＯＳトランジスタ３２が形成され、さらに帰還用コン
デンサ６（ＣF）となるＭＯＳ容量３３が形成されてい
る。なお、図示されていないが、参照用素子４に相当す
る固定コンデンサも上記容量３３同様の表面デバイス処
理により形成されている。
ＭＯＳトランジスタ３２が形成され、さらに帰還用コン
デンサ６（ＣF）となるＭＯＳ容量３３が形成されてい
る。なお、図示されていないが、参照用素子４に相当す
る固定コンデンサも上記容量３３同様の表面デバイス処
理により形成されている。
【００４６】本発明の容量検出回路を使った力学量セン
サの構成を図４に示す。
サの構成を図４に示す。
【００４７】本実施例は力学量検出素子５、参照素子
４、本発明の容量検出回路である1/Ｃ-Ｖ変換回路１０
０、出力調整回路１０１によって構成される。圧力等の
力が力学量検出素子５に加わると、その信号と参照用信
号から力学量検出素子の容量値の逆数に比例した形で1/
Ｃ-Ｖ変換回路１００で電圧信号Ｖoutに変換され、出力
調整回路１０１で所定の出力電圧に調整された後、セン
サ出力として出力される。
４、本発明の容量検出回路である1/Ｃ-Ｖ変換回路１０
０、出力調整回路１０１によって構成される。圧力等の
力が力学量検出素子５に加わると、その信号と参照用信
号から力学量検出素子の容量値の逆数に比例した形で1/
Ｃ-Ｖ変換回路１００で電圧信号Ｖoutに変換され、出力
調整回路１０１で所定の出力電圧に調整された後、セン
サ出力として出力される。
【００４８】このような構成にすることによって、入力
された力学信号に比例した出力信号を容易に取り出すこ
とができる。
された力学信号に比例した出力信号を容易に取り出すこ
とができる。
【００４９】図６に本発明の第２実施例の力学量センサ
の回路構成を示す。
の回路構成を示す。
【００５０】図中、既述した図１の実施例の符号と同一
符号は同一の要素を示す。図１の実施例と異なる点は加
算器８に代えて掛け算器８０を用い、オペアンプ７の出
力Ｖoutが掛け算器８０で係数ＧSで掛け算されて切替ス
イッチ３を介して力学量検出素子５に印加されるように
したことにある。
符号は同一の要素を示す。図１の実施例と異なる点は加
算器８に代えて掛け算器８０を用い、オペアンプ７の出
力Ｖoutが掛け算器８０で係数ＧSで掛け算されて切替ス
イッチ３を介して力学量検出素子５に印加されるように
したことにある。
【００５１】本実施例においても、圧力等を検知して力
学量検出素子５の容量ＣSが変化した場合、当初は
（６）式の出力がなされるが、上記の掛け算器８０を設
けることで、その動作は、最終的にはＣSに充電される
電荷量とＣRへ充電される電荷量が等しくなるところま
で出力電圧Ｖoutは変化し、安定する。
学量検出素子５の容量ＣSが変化した場合、当初は
（６）式の出力がなされるが、上記の掛け算器８０を設
けることで、その動作は、最終的にはＣSに充電される
電荷量とＣRへ充電される電荷量が等しくなるところま
で出力電圧Ｖoutは変化し、安定する。
【００５２】
【数９】 Ｖout(2)＝（ＧSＣSＶout(1)−ＣRＶcc）／ＣF …（９） 上記出力Ｖoutの最終的な安定条件は、（１０）式とな
る。
る。
【００５３】
【数１０】 ＧSＣSＶout＝ＣRＶcc Ｖout＝ＣRＶcc／ＧSＣS …（１０） したがって、本実施例においても、１／ＣSに比例し
た、即ち力学量の変位により変化する静電容量の空隙ｄ
に比例した線形性を有する直流出力信号を直接得ること
ができ、しかも、センサ出力Ｖoutが最終的には帰還用
コンデンサ６に依存しないで成立するので、オペアンプ
の動作スピード（応答性）の制約を受けることなく、し
かも、このようなオペアンプの応答性の制約を受けるこ
とがないので、オペアンプの応答性に悪影響を与える浮
遊容量（力学量検出素子と基板間についた浮遊容量）が
存在しても、高速の検出用駆動周波数を使用して微小な
静電容量（力学量的変位）を高精度，高速に検出するこ
とができる。
た、即ち力学量の変位により変化する静電容量の空隙ｄ
に比例した線形性を有する直流出力信号を直接得ること
ができ、しかも、センサ出力Ｖoutが最終的には帰還用
コンデンサ６に依存しないで成立するので、オペアンプ
の動作スピード（応答性）の制約を受けることなく、し
かも、このようなオペアンプの応答性の制約を受けるこ
とがないので、オペアンプの応答性に悪影響を与える浮
遊容量（力学量検出素子と基板間についた浮遊容量）が
存在しても、高速の検出用駆動周波数を使用して微小な
静電容量（力学量的変位）を高精度，高速に検出するこ
とができる。
【００５４】これまでは圧力を検知し電圧出力するセン
サについて説明したが、本発明の回路は加速度や角速度
等の他の力学量を静電容量の変化として捕らえるセンサ
であれば総て同様の回路を適用できる。
サについて説明したが、本発明の回路は加速度や角速度
等の他の力学量を静電容量の変化として捕らえるセンサ
であれば総て同様の回路を適用できる。
【００５５】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、静電容量
式力学量センサにおいて、微小な静電容量（力学量的変
位）をオペアンプの応答性の制約を受けることなく高速
の検出用駆動周波数を使用して、高速でしかも浮遊容量
の影響を受けることなく安定して、且つ直線的に電圧に
変換して検出することができる。また、サンプルホール
ドを後段に付加しなくとも直流出力を得ることができ
る。
式力学量センサにおいて、微小な静電容量（力学量的変
位）をオペアンプの応答性の制約を受けることなく高速
の検出用駆動周波数を使用して、高速でしかも浮遊容量
の影響を受けることなく安定して、且つ直線的に電圧に
変換して検出することができる。また、サンプルホール
ドを後段に付加しなくとも直流出力を得ることができ
る。
【図１】本発明の第１実施例に係る静電容量式力学量セ
ンサの回路構成図。
ンサの回路構成図。
【図２】図１の回路を更に等価的に表した回路詳細図。
【図３】第１実施例の動作を示すタイムチャート。
【図４】本実施例のセンサの全体概要を示すブロック
図。
図。
【図５】本実施例に係るセンサの断面構造を示す説明
図。
図。
【図６】本発明の第２実施例に係る静電容量式力学量セ
ンサの回路構成図。
ンサの回路構成図。
【図７】従来の静電容量式センサの断面構造を示す説明
図。
図。
【図８】従来例を表す回路構成図。
１，２，３，８…充放電回路（定電圧源，切替スイッ
チ，加算器）、４…参照用静電容量素子、５…力学量検
出用静電容量素子、６…帰還用（電荷積分用）コンデン
サ、７…オペアンプ（容量検出回路）、９…出力端子、
１１，１２…定電圧源、２１，２２，２３，２４，３
１，３２…切替スイッチ、８０…掛け算器、８１…反転
器、１００…容量検出回路、１０１…出力調整回路。
チ，加算器）、４…参照用静電容量素子、５…力学量検
出用静電容量素子、６…帰還用（電荷積分用）コンデン
サ、７…オペアンプ（容量検出回路）、９…出力端子、
１１，１２…定電圧源、２１，２２，２３，２４，３
１，３２…切替スイッチ、８０…掛け算器、８１…反転
器、１００…容量検出回路、１０１…出力調整回路。
フロントページの続き (72)発明者 松本 昌大 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 嶋田 智 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 斉藤 明彦 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小野瀬 保夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 市川 範男 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 堀江 潤一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 栗生 誠司 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD05 EE25 FF11 GG36 GG44
Claims (4)
- 【請求項１】 力学量に応じて静電容量ＣSが変化する
力学量検出用静電容量素子と、参照用の静電容量ＣRを
形成する参照用静電容量素子と、前記力学量検出用静電
容量素子の静電容量ＣSの逆数に比例した力学量検出信
号を出力する容量検出回路とを備え、 前記力学量検出用静電容量素子が力学量に応じて変位す
ると、この力学量検出用静電容量素子と参照用静電容量
素子との間に充電される電荷量に均衡がくずれて差が生
じ、この電荷量の差に応じて前記容量検出回路の出力が
変化する回路構成としてあり、且つ、この容量検出回路
の出力を用いて該出力が前記力学量検出用静電容量素子
と前記参照用静電容量素子の電荷量が等しくなるところ
まで変化するよう動作させる充放電回路を備えて成るこ
とを特徴とする静電容量式力学量センサ。 - 【請求項２】 前記容量検出回路は、前記力学量検出用
静電容量素子と前記参照用静電容量素子との電荷量の差
分を積分して出力する電荷積分回路を有し、 前記充放電回路は、前記積分した出力を電圧源の電圧か
ら差し引いて前記力学量検出用静電容量素子に加えるこ
とで、前記力学量検出用静電容量素子と前記参照用静電
容量素子とに充電される電荷量が最終的に等しくなるよ
うにした請求項１記載の静電容量式力学量センサ。 - 【請求項３】 前記容量検出回路は、前記力学量検出用
静電容量素子と前記参照用静電容量素子との電荷量の差
分を積分して出力する電荷積分回路を有し、 前記充放電回路は、前記積分した出力をかけ算して前記
力学量検出用静電容量素子に加えることで、前記力学量
検出用静電容量素子と前記参照用静電容量素子とに充電
される電荷量が最終的に等しくなるよう構成した請求項
１記載の静電容量式力学量センサ。 - 【請求項４】 前記力学量検出用静電容量素子と前記参
照用静電容量素子とは直列に接続され、前記容量検出回
路は、前記力学量検出用静電容量素子と前記参照用静電
容量素子間の共通の接続線と接続される反転入力端子を
有するオペアンプと、この反転入力端子とオペアンプの
出力端子との間に接続される帰還用コンデンサとによっ
て構成されており、前記帰還用コンデンサが前記電荷積
分回路の要素となり、前記力学量検出用静電容量素子と
前記参照用静電容量素子とに充電される電荷量が最終的
に等しくなると前記容量検出回路の出力が前記帰還用コ
ンデンサの容量値に依存しない構成とした請求項２また
は３記載の静電容量式力学量センサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10240434A JP2000065664A (ja) | 1998-08-26 | 1998-08-26 | 静電容量式力学量センサ |
| DE19940422A DE19940422C2 (de) | 1998-08-26 | 1999-08-26 | Sensor mit kapazitivem Element zur Erfassung einer dynamischen Größe |
| US09/384,289 US6377056B1 (en) | 1998-08-26 | 1999-08-26 | Electrostatic capacitance type dynamical quantity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10240434A JP2000065664A (ja) | 1998-08-26 | 1998-08-26 | 静電容量式力学量センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000065664A true JP2000065664A (ja) | 2000-03-03 |
Family
ID=17059445
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10240434A Withdrawn JP2000065664A (ja) | 1998-08-26 | 1998-08-26 | 静電容量式力学量センサ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6377056B1 (ja) |
| JP (1) | JP2000065664A (ja) |
| DE (1) | DE19940422C2 (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003006925A1 (fr) * | 2001-07-12 | 2003-01-23 | Sony Corporation | Capteur de capacitance electrostatique et dispositif de recueil d'empreinte comprenant ce capteur |
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