JP2007187509A - 容量式物理量センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】リーク電流を抑制することにより、0点オフセットや感度などの温度特性の低下を防止できる容量式物理量センサを提供する。
【解決手段】加速度センサの検出回路20におけるC−V変換回路21のスイッチ21cを構成するPch−MOS21caとNch−MOS21cbのバックゲート電位がVdd/2となるようにする。つまり、これらのバックベーと電位が入力電圧に相当する可動電極1a、1bの電位を近似させる。これにより、電流を抑制することができ、0点オフセットや感度などの温度特性の低下を防止することが可能となる。
【選択図】図1
【解決手段】加速度センサの検出回路20におけるC−V変換回路21のスイッチ21cを構成するPch−MOS21caとNch−MOS21cbのバックゲート電位がVdd/2となるようにする。つまり、これらのバックベーと電位が入力電圧に相当する可動電極1a、1bの電位を近似させる。これにより、電流を抑制することができ、0点オフセットや感度などの温度特性の低下を防止することが可能となる。
【選択図】図1
Description
本発明は、物理量が加えられたときにセンサエレメントとして備えられた可動電極と固定電極との間に形成される容量が変化することを利用して、加えられた物理量を検出する容量式物理量センサに関するもので、特に加速度センサに用いて好適である。
従来より、一般的に使用されている車載用加速度センサとして、容量式加速度センサがある。この容量式加速度センサは、加速度変化により生じるセンサエレメントでの容量変化をC−V変換回路にて電気信号に変換し、変換された電気信号をサンプルホールド回路およびスイッチドキャパシタ回路を有する信号処理回路にて差動増幅することでセンサ出力を発生させるようになっている(例えば、特許文献1参照)。
このような構成の容量式加速度センサでは、高感度なセンサ出力を得るために、高倍率のC−V変換回路や高ゲインの増幅回路が必要になる。このため、特許文献1に記載の容量式加速度センサでは、スイッチドキャパシタ方式のC−V変換回路を用いて高倍率のC−V変換を行っている。
特開2002−40047号公報
スイッチドキャパシタ方式のC−V変換回路では、アナログスイッチが図5に示す回路構成、つまりPチャネル型のMOSトランジスタ(以下、Pch−MOSという)101とNチャネル型のMOSトランジスタ(以下、Nch−MOSという)102を備えた構成とされ、これら各MOSトランジスタ101、102のバックゲート電位はそれぞれPch−MOS101がVdd電位、Nch−MOS102がGND電位とされる。このため、センサエレメントからの入力電位と各MOSトランジスタのバックゲート電位との間に電位差が発生し、各MOSトランジスタが形成された半導体基板へのリーク電流の発生原因となる。特に、高温域において大きなリーク電流を発生させることになる。その結果、0点オフセットや感度などの温度特性、特に高温特性を低下させる。
本発明は上記点に鑑みて、リーク電流を抑制することにより、0点オフセットや感度などの温度特性の低下を防止できる容量式物理量センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明では、C−V変換回路(21)は、容量の変化に応じた信号が反転入力端子に入力されるオペアンプ(21a)と、オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続されるコンデンサ(21b)と、コンデンサに対して並列接続されるスイッチ(21c)とを有し、スイッチがPチャネル型MOSトランジスタ(21ca)とNチャネル型MOSトランジスタ(21cb)を並列接続した構成とされており、該スイッチを構成するPチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタのバックゲート電位が入力電位とされていることを第1の特徴としている。
このように、C−V変換回路を構成するPch−MOSとNch−MOSのバックゲート電位が入力電位となるように近似させている。これにより、電流を抑制することができ、0点オフセットや感度などの温度特性の低下を防止することが可能となる。
また、本発明では、検出回路にC−V変換回路の出力電圧をサンプリングおよびホールドするサンプルホールド回路(22a)が含まれる場合において、該サンプルホールド回路には出力電圧をサンプリングする場合とホールドする場合との切り替えを行うスイッチ(22ab)を構成するPチャネル型MOSトランジスタ(221a)とNチャネル型MOSトランジスタ(221b)のバックゲート電位が入力電位とされていることを第2の特徴としている。
このように、サンプルホールド回路のスイッチを構成するPch−MOSとNch−MOSのバックゲート電位が入力電位となるように近似させても、電流を抑制することができ、0点オフセットや感度などの温度特性の低下を防止することが可能となる。
さらに、本発明では、検出回路には、C−V変換回路の出力電圧から規定範囲の周波数帯を通過させるローパスフィルタ回路(22c)が備えられる場合において、該ローパスフィルタ回路のスイッチを構成するPチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタのバックゲート電位が入力電位とされていることを第3の特徴としている。
このように、ローパスフィルタ回路のスイッチを構成するPch−MOSとNch−MOSのバックゲート電位が入力電位となるように近似させても、電流を抑制することができ、0点オフセットや感度などの温度特性の低下を防止することが可能となる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態にかかる半導体式の容量式加速度センサの回路ブロックの全体構成を図1に示す。以下、図1に基づいて加速度センサの構成を説明する。
本発明の第1実施形態にかかる半導体式の容量式加速度センサの回路ブロックの全体構成を図1に示す。以下、図1に基づいて加速度センサの構成を説明する。
加速度センサは、可動電極1a、1b及び固定電極2a、2bを備えたセンサエレメント10と、可動電極1a、1bと固定電極2a、2bによる差動容量の変化に基づいて加速度を検出する検出回路20とを有した構成となっている。
センサエレメント10は梁構造体を有する構造となっており、この梁構造体によって可動電極1a、1b及び固定電極2a、2bが構成されている。そして、対向配置された可動電極1a及び固定電極2aと可動電極1b及び固定電極2bとによって差動の容量を構成し、各固定電極2a、2bに対して互いに反転する信号(搬送波)PW1、PW2を周期的に印加することで、可動電極1a、1bの変位に応じた差動容量変化に基づく加速度検出が行われる。
一方、検出回路20には、C−V変換回路21、差動増幅回路22、及び制御信号発生回路23が備えられている。
C−V変換回路21は、可動電極1a、1bと固定電極2a、2bからなる差動容量の変化を電圧に変換するもので、オペアンプ21a、コンデンサ21b、スイッチ21cおよび中点電圧供給回路21dを有した構成となっている。オペアンプ21aの反転入力端子は可動電極1a、1bに接続されており、反転入力端子と出力端子との間には、コンデンサ21b及びスイッチ21cが並列に接続されている。スイッチ21cは制御信号発生回路23からの信号S1によって駆動され、オペアンプ21aの非反転入力端子には、中点電圧供給回路21dで形成された電圧が入力される。具体的には、中点電圧供給回路21dでは、固定電極2a、2bに印加された電圧Vdd(例えば5V)の半分の電圧Vdd/2(すなわち中点電圧、例えば2.5V)が形成されており、この電圧がオペアンプ21aの非反転入力端子に入力される。
図2は、C−V変換回路21におけるスイッチ21cの具体的な回路構成を示した図である。この図に示されるように、スイッチ21cは、Pch−MOS21caとNch−MOS21cbを有して構成されている。これらPch−MOS21caとNch−MOS21cbは並列接続(つまり互いのソースおよびドレインが接続)された構成とされている。そして、各MOSトランジスタ21ca、21cbのバックゲート電位には、定電圧源24が発生する定電圧Vddを分圧抵抗25a、25bにて分圧した電圧Vdd/2がボルテージホロワ26を介して印加されている。なお、スイッチ21aに入力される信号S1は、Pch−MOS21caおよびNch−MOS21cbのゲートに印加され、信号S1に基づいてPch−MOS21caとNch−MOS21cbのON/OFFが制御される。
差動増幅回路22は、サンプルホールド回路22aと増幅回路22bおよびローパスフィルタ回路(以下、LPFという)22cとを有した構成となっている。サンプルホールド回路22aは、制御信号発生回路23からの信号S2に基づいて駆動され、C−V変換回路21の出力をサンプリングして一定期間保持する。
増幅回路22bは、サンプルホールド回路22aでサンプリングされたC−V変換回路21の出力を所定のゲインで増幅するものである。
LPF回路22cは、制御信号発生回路23からの信号F1に基づいて駆動され、サンプルホールド回路22aの出力電圧から所定の周波数帯域の成分のみを取り出して加速度信号として出力する。
制御信号発生回路23は、所定周期の電圧信号(搬送波)PW1、PW2、スイッチ21cの切替えタイミングを示す信号S1、サンプルホールド回路22aの制御信号S2、LPF回路22cの駆動クロック信号F1を出力する。
続いて、以上のように構成された加速度センサの作動について、図3に示す加速度検出時における信号波形を参照して説明する。
制御信号発生回路23から出力された信号PW1、PW2は、互いに電圧レベルが反転した電圧Vddの振幅(例えば5V)を有する信号となっており、4つの期間t1〜t4でハイレベル(Hi)とローレベル(Low)が変化する一定振幅の矩形波信号となっている。
まず、第1の期間t1では、信号PW1、PW2に基づいて固定電極2aの電位がVdd、固定電極2bの電位が0にされると共に、制御信号発生回路23からの信号S1によりスイッチ21cが閉じられる。このため、オペアンプ21aの働きにより可動電極1a、1bがVdd/2の電位にバイアスされると共に、帰還容量となるコンデンサ21bの電極間に蓄えられた電荷が放電される。
このとき、仮に可動電極1aと固定電極2aとの間の容量C1と、可動電極1bと固定電極2bとの間の容量C2とが、C1>C2の関係となっている場合には、この関係と固定電極2a、2bに印加される電位の関係とから、可動電極1a、1bは負の電荷が多い状態になる。
次に、第2の期間t2では、信号PW1、PW2に基づいて固定電極2aの電位がVdd、固定電極2bの電位が0にされると共に、制御信号発生回路23からの信号S1によりスイッチ21cが開かれる。このため、可動電極1a、1bの状態に応じた電荷がコンデンサ21bに蓄えられる。そして、このときコンデンサ21bに蓄えられた電荷に応じた電圧値がC−V変換回路21から出力されると、信号S2に基づきサンプルホールド回路22aによってC−V変換回路21の出力電圧がサンプリングされる。
続いて、第3の期間t3では、信号PW1、PW2に基づいて固定電極2aの電位が0、固定電極2bの電位がVddとなるように電位が入れ替えられると共に、制御信号発生回路23からの信号S1によりスイッチ21cが開かれたままにされる。
このとき、可動電極1a、1bの電荷の状態は信号PW1、PW2の反転により、第2の期間t2と逆になる。すなわち、上述したようにC1>C2の関係を満たす場合には、固定電極2a、2bへの印加電位の反転により、可動電極1a、1bは正の電荷が多い状態になる。
しかしながら、このとき、可動電極1a、1bとコンデンサ21bとの間が閉回路となっており、第1の期間t1の電荷量が保存されているため、可動電極1a、1bの電荷量のバランスから溢れ出した電荷がコンデンサ21bに移動して蓄えられる。そして、Q=CVの関係から、移動してきた電荷量に比例すると共にコンデンサ21bの容量Cに反比例した電圧値がC−V変換回路21から出力される。
さらに、第4の期間t4、すなわち信号PW1、PW2に基づいて固定電極2aの電位が0、固定電極2bの電位がVddとなるようにしたのちC−V変換回路21の出力が十分に安定すると、信号S2に基づきサンプルホールド回路22aにて、C−V変換回路21の出力電圧がサンプリングされる。
そして、最終的に、第2の期間t2にサンプリングされた電圧値と第4の期間t4にサンプリングされた電圧値とがサンプルホールド回路22aで差動演算されたのち出力される。この出力に基づいて可動電極1a、1bの変位に応じた加速度検出が行われる。
このような加速度検出時において、上述したように可動電極1a、1bがVdd/2の電位にバイアスされることになる。このとき、本実施形態の容量式加速度センサでは、Pch−MOS21caとNch−MOS21cbのバックゲート電位がVdd/2とされているため、入力電圧に相当する可動電極1a、1bの電位(Vdd/2)との電位差が無くなる。このため、Pch−MOS21caとNch−MOS21cbが形成された半導体基板へのリーク電流を抑制することができ、0点オフセットや感度などの温度特性の低下を防止できる。
以上説明したように、本実施形態の容量式加速度センサによれば、Pch−MOS21caとNch−MOS21cbのバックゲート電位が電圧Vdd/2となるように、つまり入力電圧に相当する可動電極1a、1bの電位と近似するようにしている。これにより、電流を抑制することができ、0点オフセットや感度などの温度特性の低下を防止することが可能となる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。上記第1実施形態では、スイッチドキャパシタ方式が採用されるC−V変換回路21に備えられるスイッチ21cに関して、Pch−MOS21caとNch−MOS21cbのバックゲート電位を入力電位に近づけている。これに対し、本実施形態では、容量式加速度センサにおいて、同様にスイッチドキャパシタ方式が採用されるサンプルホールド回路22aに対して本発明の一実施形態を適用する。
本発明の第2実施形態について説明する。上記第1実施形態では、スイッチドキャパシタ方式が採用されるC−V変換回路21に備えられるスイッチ21cに関して、Pch−MOS21caとNch−MOS21cbのバックゲート電位を入力電位に近づけている。これに対し、本実施形態では、容量式加速度センサにおいて、同様にスイッチドキャパシタ方式が採用されるサンプルホールド回路22aに対して本発明の一実施形態を適用する。
図4(a)は、サンプルホールド回路22aの回路構成、図4(b)は、サンプルホールド回路22aに備えられる後述するスイッチ22acの回路構成を示したものである。
図4(a)に示すように、ボルテージフォロワを構成する演算増幅器22aa、22adと、スイッチ22abと、コンデンサ22acとにより周知の構成とされている。このような構成により、サンプリング時にスイッチ22abがONされると、コンデンサ22acがC−V変換回路21から伝えられた入力電位に充電され、スイッチ22cbがOFFされるとコンデンサ22acに充電された入力電位がホールドされる。
このように構成されたサンプルホールド回路22aのスイッチ22abは、上述したC−V変換回路21におけるスイッチ21cと同様の構成とされている。すなわち、図4(b)に示されるように、Pch−MOS221aとNch−MOS221bを有して構成されている。これらPch−MOS221aとNch−MOS221bは並列接続(つまり互いのソースおよびドレインが接続)された構成とされている。そして、これらPch−MOS221aとNch−MOS221bのバックゲート電位が定電圧源27、抵抗28a、28bおよびボルテージホロワ回路29により電圧Vdd/2とされている。
このような構成により、サンプルホールド回路22aに関しても、入力電位との電位差を無くせるため、各MOSトランジスタ221a、221bが形成された半導体基板へのリーク電流を抑制することができ、より0点オフセットや感度などの温度特性の低下を防止できる容量式加速度センサとすることが可能となる。
(他の実施形態)
上記第1、第2実施形態では、スイッチドキャパシタ方式が採用されるC−V変換回路21に備えられるスイッチ21cや、サンプルホールド回路22aに関して、Pch−MOS21ca、221aとNch−MOS21cb、221bのバックゲート電位を入力電位に近づけている。これに対し、容量式加速度センサにおいて、図示しないが、スイッチドキャパシタ方式が採用されるLPF回路22cに関してもPch−MOSおよびNch−MOSにより構成されるスイッチが備えられるため、これらのバックゲート電位を入力電位に近づけるようにしても、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。
上記第1、第2実施形態では、スイッチドキャパシタ方式が採用されるC−V変換回路21に備えられるスイッチ21cや、サンプルホールド回路22aに関して、Pch−MOS21ca、221aとNch−MOS21cb、221bのバックゲート電位を入力電位に近づけている。これに対し、容量式加速度センサにおいて、図示しないが、スイッチドキャパシタ方式が採用されるLPF回路22cに関してもPch−MOSおよびNch−MOSにより構成されるスイッチが備えられるため、これらのバックゲート電位を入力電位に近づけるようにしても、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、上記実施形態では容量式物理量センサとして加速度センサを例に挙げて説明したが、それ以外のセンサ、例えば圧力センサやヨーレートセンサにも本発明を適用することが可能である。
1a、1b…可動電極、2a、2b…固定電極、10…センサエレメント、
21…C−V変換回路、21a…オペアンプ、21b…コンデンサ、
21c…スイッチ、21ca…Pch−MOS、21cb…Nch−MOS、
22…信号処理回路、22a…サンプルホールド回路、221a…Pch−MOS、
221b…Nch−MOS、22b…増幅回路、22c…LPF回路、
23…制御信号発生回路。
21…C−V変換回路、21a…オペアンプ、21b…コンデンサ、
21c…スイッチ、21ca…Pch−MOS、21cb…Nch−MOS、
22…信号処理回路、22a…サンプルホールド回路、221a…Pch−MOS、
221b…Nch−MOS、22b…増幅回路、22c…LPF回路、
23…制御信号発生回路。
Claims (7)
- 物理量の変化に応じて変位する可動電極(1a、1b)と、前記可動電極に対向して配置され、互いに逆位相となる周期的な電圧の搬送波(PW1、PW2)が印加される第1、第2固定電極(2a、2b)とを有したセンサエレメント(10)と、
前記可動電極と前記第1、第2固定電極との間に形成される容量の変化に応じた電位が入力電位(Vx)として入力され、該容量の変化に応じた電圧を出力するC−V変換回路(21)を含む検出回路(20)とを備えてなる容量式物理量センサにおいて、
前記C−V変換回路は、前記容量の変化に応じた信号が反転入力端子に入力されるオペアンプ(21a)と、前記オペアンプの出力端子と前記反転入力端子との間に接続されるコンデンサ(21b)と、前記コンデンサに対して並列接続されるスイッチ(21c)とを有し、前記スイッチがPチャネル型MOSトランジスタ(21ca)とNチャネル型MOSトランジスタ(21cb)を並列接続した構成とされており、該スイッチを構成する前記Pチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタのバックゲート電位が前記入力電位とされていることを特徴とする容量式物理量センサ。 - 前記検出回路には、前記C−V変換回路の出力電圧をサンプリングすると共にホールドするサンプルホールド回路(22a)が含まれ、該サンプルホールド回路には前記出力電圧をサンプリングする場合とホールドする場合との切り替えを行うスイッチ(22ab)が備えられており、該スイッチがPチャネル型MOSトランジスタ(221a)とNチャネル型MOSトランジスタ(221b)を並列接続した構成とされており、該スイッチを構成する前記Pチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタのバックゲート電位が前記入力電位とされていることを特徴とする請求項1に記載の容量式物理量センサ。
- 物理量の変化に応じて変位する可動電極(1a、1b)と、前記可動電極に対向して配置され、互いに逆位相となる周期的な電圧の搬送波(PW1、PW2)が印加される第1、第2固定電極(2a、2b)とを有したセンサエレメント(10)と、
前記可動電極と前記第1、第2固定電極との間に形成される容量の変化に応じた電位が入力電位(Vx)として入力され、該容量の変化に応じた電圧を出力するC−V変換回路(21)を含む検出回路(20)とを備えてなる容量式物理量センサにおいて、
前記検出回路には、前記C−V変換回路の出力電圧をサンプルホールドするサンプルホールド回路(22a)が含まれ、該サンプルホールド回路には前記出力電圧をサンプリングする場合とホールドする場合との切り替えを行うスイッチ(22ab)が備えられており、該スイッチがPチャネル型MOSトランジスタ(221a)とNチャネル型MOSトランジスタ(221b)を並列接続した構成とされており、該スイッチを構成する前記Pチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタのバックゲート電位が前記入力電位とされていることを特徴とする容量式物理量センサ。 - 前記検出回路には、前記C−V変換回路の出力電圧から規定範囲の周波数帯を通過させるローパスフィルタ回路(22c)が備えられ、該ローパスフィルタ回路にはスイッチが備えられており、該スイッチがPチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタを備えた構成とされており、該スイッチを構成する前記Pチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタのバックゲート電位が前記入力電位とされていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の容量式物理量センサ。
- 物理量の変化に応じて変位する可動電極(1a、1b)と、前記可動電極に対向して配置され、互いに逆位相となる周期的な電圧の搬送波(PW1、PW2)が印加される第1、第2固定電極(2a、2b)とを有したセンサエレメント(10)と、
前記可動電極と前記第1、第2固定電極との間に形成される容量の変化に応じた電位が入力電位(Vx)として入力され、該容量の変化に応じた電圧を出力するC−V変換回路(21)を含む検出回路(20)とを備えてなる容量式物理量センサにおいて、
前記検出回路には、前記C−V変換回路の出力電圧から規定範囲の周波数帯を通過させるローパスフィルタ回路が備えられ、該ローパスフィルタ回路(22c)にはスイッチが備えられており、該スイッチがPチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタを備えた構成とされており、該スイッチを構成する前記Pチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタのバックゲート電位が前記入力電位とされていることを特徴とする容量式物理量センサ。 - 前記スイッチを構成する前記Pチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタのバックゲート電位として、前記搬送波の電圧の1/2の電位(Vdd/2)が印加されていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の容量式物理量センサ。
- 請求項1ないし6のいずれか1つに記載の容量式物理量センサは、前記物理量として加速度を検出するものであることを特徴とする容量式加速度センサ。
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