JP2008026249A - 可変容量値検出回路およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容量素子から読み出される信号について、Ｓ／Ｎ比の向上が図られ、感度の向上が図られた可変容量値検出回路を提供する。
【解決手段】可変容量値検出回路は、物理現象に伴って容量値が変化する可変容量１０１と、積分容量１０２と演算増幅器１０３とを有する積分回路１０９と、可変容量１０１または積分回路１０９に接続する複数のスイッチとを備えている。複数のスイッチを適宜オンまたはオフさせることによって、可変容量１０１に電荷を蓄積させるステップと、可変容量１０１に蓄積された電荷を積分容量１０２に転送するステップとを交互に複数回繰り返し、ノイズの低減を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度や圧力などの種々の物理現象に応じて容量が可変することを利用した容量値変化検知素子の検出回路に関する。

室温の物体や人体からは、波長１０μｍ付近の赤外線が輻射されており、これを計測することにより、それらの存在や温度の情報が非接触で得られるため、侵入警戒器、科学計測等のさまざまな応用がなされている。

例えば、より高度な温度検知装置を用いれば、夜間でも物体の温度分布を非接触で得られる。この温度検知装置を使用することで従来より安全な自動車走行が実現されている。

こういった温度検知装置において、重要な要素技術の一つは熱を検知することのできる赤外線イメージセンサである。赤外線イメージセンサは大別すると量子型赤外センサと非冷却型赤外センサの２種類に大きく分けられる。

量子型赤外センサは、感度が大きいため検知能力に優れているが、冷却が必要なため装置が大型になるといった点で実用面、価格面に課題がある。

一方、非冷却型赤外センサは、量子型赤外センサに比べ感度が多少劣るものの、冷却装置を使わずに室温動作が可能であるという利点があり、低コストで赤外線検知装置を実現することができる。このため、非冷却型赤外線センサとして、抵抗ボロメータの温度特性や、ｐｎダイオードのドレイン電流の温度特性を利用するもの、焦電効果を用いるもの、誘電ボロメータ、サーモパイル等を用いるものなど、数多くのものが提案されている。中でも、電界を印加して誘電率の温度変化を検知する誘電ボロメータは、チョッパが必要ない等の優れた特徴を有しており、実用的見地から期待されている。

誘電ボロメータでは、赤外線により温度上昇した時にキャパシタ（容量素子）の容量値が変化することを利用している。ところが、容量値を直接検出することは通常できない。そのため、温度によって変化する容量素子と温度変化しない参照容量素子とを直列接続し、接続された素子の両端に電圧を印加した際の中間電位の変化や位相の変化など読み取ることで微小な容量値の変化を読み取る。

図８は、従来のセンサの構成と、当該センサで発生するノイズとを示す図である。同図に示すように、画素１００１において、センサ容量１００３と参照容量１００５の二つの容量を直列に接続し、その両端に電圧を印加する場合、センサ容量１００３および参照容量１００５と増幅器１００９との間にトランジスタスイッチ１００７を配置し、そのスイッチをオンした状態で微小な容量変化を読む。
特開２００６−３３０１ ＵＳＰ４９０２８９５

従来のセンサでは、２つの容量の中間電位は容量に蓄積された電荷がスイッチのオン抵抗の熱ノイズに起因してランダムにばらつく。これがいわゆるｋＴ／Ｃノイズである。このノイズは容量に電荷が存在する限り発生する。このため、従来のセンサでは、期待通りの測定精度を得るのが困難であった。

例えば、大気、レンズなどの光学系を介してセンサに到達する赤外線の伝達率が約１／１０００、センサ容量の容量値温度変化率が１％／Ｔであり、参照容量、センサ容量が共に１ｐＦである場合を考える。被写体の温度変化が１℃変化した時、センサ容量の温度変化は０．００１℃となり、容量変化はΔＣ＝１ｐＦｘ０．００１ｘ０．０１＝１ｘ１０^−５ｐＦとなる。直列容量への印加電圧が５Ｖとすると、基準の中間電圧２．５Ｖからの変化分の信号電圧は１２.５μＶとなる。これに対して、各画素でのトランジスタスイッチで生じる雑音電圧は３０〜４０μＶと考えられており、読み出し限界レベルであるＳ／Ｎ＝１〜２のレベルには到達しない。このように、極めて小さい容量値の変化を熱ノイズの影響を抑えながら十分に高いＳ／Ｎ比で読み出すことは困難であった。

また、図９は、一般的な容量素子の容量値と温度との関係を示す図である。同図に示すように、温度によって容量値が変化するセンサ容量の中には、少なからずバイアス依存性が存在する材料で構成された容量絶縁膜を有するものもある。図９に示す例では、センサ容量への印加電圧を上げていけば、温度に対する容量値の変化率が下がるような材料で容量絶縁膜が構成されている。この場合、互いに直列に接続された両容量への印加電圧を上げることにより差分信号電圧を増加させようとしても、高いバイアス電圧を印加する際に容量値の温度に対する感度が低下してしまい、信号電圧を増加させることができない。

上記不具合に鑑み、本発明では、容量素子から読み出される信号について、Ｓ／Ｎ比の向上が図られ、感度の向上が図られた可変容量値検出回路を提供することを目的とする。

本発明の可変容量値検出回路は、第１の電極と第２の電極とを有し、物理現象に伴って容量値が変化する可変容量と、第１の基準電圧を前記第１の電極に印加するための第１のスイッチと、前記第１のスイッチと同時にオン状態にならず、前記第１の基準電圧とは異なる第２の基準電圧を前記第１の電極に印加するための第２のスイッチと、前記第２のスイッチと同期して動作し、前記第１の基準電圧を前記第２の電極に印加するための第３のスイッチと、前記第１のスイッチと同期して動作し、前記第２の電極に接続された第４のスイッチと、前記第１のスイッチおよび前記第３のスイッチに接続され、前記第１の基準電圧が入力される第１の入力端子と、前記第４のスイッチに接続された第２の入力端子とを有し、前記第１の入力端子と前記第２の入力端子との間の電位差を増幅する演算増幅器と、前記演算増幅器の出力部と前記第２の入力端子との間に介設された積分容量とを有し、入力された電荷信号を積分する積分回路とを備えている。

この構成により、第１〜第４のスイッチを用いて可変容量を充電する第１のステップと、可変容量に充電された電荷信号を積分容量に転送する第２のステップとを別々に行うことが可能になる。そのため、当該第１のステップと第２のステップとを繰り返すことにより、可変容量に蓄積される電荷信号を一度で積分容量に読み出す場合に比べてノイズを低減させることができる。このため、本発明の可変容量値検出回路によれば、高感度で物理現象を検出することが可能となる。また、可変容量に充電された電荷信号を積分容量に複数回転送することで、可変容量に印加する電圧を低くしても積分回路の出力電圧を十分に高くすることができる。このため、可変容量の容量値の変化率を落とすことなく物理現象を検出することが可能となる。なお、物理現象の例としては、温度や可変容量に加わる圧力などが挙げられる。

また、可変容量は行列状に配置されていてもよく、その場合、本発明の可変容量値検出回路は、例えば赤外線イメージセンサなどを構成することもできる。

本発明の可変容量値検出回路の駆動方法は、第１の電極および第２の電極を有し、物理現象に伴って容量値が変化する可変容量と、第１の基準電圧が入力される第１の入力端子と、第２の入力端子とを有し、前記第１の入力端子と前記第２の入力端子との間の電位差を増幅する演算増幅器と、前記演算増幅器の出力部と前記第２の入力端子との間に介設された積分容量とを有し、入力された電荷信号を積分する積分回路とを備えた可変容量値検出回路の駆動方法である。具体的には、前記可変容量を充電するステップ（ａ）と、前記第１の電極を前記第１の入力端子に接続させ、前記第２の電極を前記第２の入力端子および前記積分容量に接続させることにより、前記ステップ（ａ）で前記可変容量に蓄積された前記電荷信号を前記積分容量に転送するステップ（ｂ）と、前記積分回路の出力電圧を用いて前記物理現象を検知するステップ（ｃ）とを備え、前記ステップ（ａ）と、前記ステップ（ｂ）とを交互に複数サイクル行った後に前記ステップ（ｃ）を行う。

このように、可変容量に蓄積するステップ（ａ）と電荷信号を積分容量に転送するステップ（ｂ）を複数サイクル繰り返すことにより、スイッチ等で発生するノイズを低減することができる。また、可変容量の容量値の変化率を低下させることなく可変容量値検出回路を駆動させることができるので、物理現象の検出感度の低下を防ぐことができる。

また、前記可変容量に印加される電圧の絶対値は、電源電圧よりも低く、且つ前記電源電圧を前記ステップ（ａ）および前記ステップ（ｂ）のサイクル数で除算した値以上であることが好ましい。

前記積分回路は、前記積分容量の両端を電気的に短絡させるためのリセット用スイッチをさらに有しており、前記ステップ（ｃ）の後に、前記リセット用スイッチをオンすることにより、前記積分回路の動作をリセットするステップ（ｄ）をさらに備えていることにより、経時的に物理現象を検出したり、複数の可変容量に対して１つの積分回路が設けられている際などに異なる可変容量からの電荷信号の読み出しを行ったりすることが可能となる。

また、前記可変容量は行列状に配置されていてもよく、この際には１行ずつ同時に可変容量から電荷信号を読み出すことが好ましい。

また、前記可変容量値検出回路は第３の電極および第４の電極を有する参照容量をさらに備えており、前記ステップ（ｂ）と同時に、前記演算増幅器から見て逆極性の電荷を前記参照容量に蓄積させるステップ（ｅ）と、前記ステップ（ａ）と同時に、前記第３の電極を前記第１の入力端子に接続させ、前記第４の電極を前記第２の入力端子および前記積分容量に接続させることにより、前記参照容量に蓄積された電荷を前記積分容量に転送するステップ（ｆ）とをさらに備えていてもよい。参照容量を設けることで、物理現象に対して電荷信号が変化する分のみを積分容量に保持させることができる。

また、前記積分回路は、前記第２の入力端子に接続された第５の電極と、第６の電極とを有するオフセットキャンセル容量をさらに有しており、前記ステップ（ｂ）および前記ステップ（ｆ）を除く期間中に、前記第５の電極を前記演算増幅器の出力部に接続させるとともに、前記第６の電極を前記積分容量に接続させるステップ（ｇ）と、前記ステップ（ｂ）および前記ステップ（ｆ）を除く期間中であって前記ステップ（ｇ）の後に、前記第６の電極を前記第１の入力端子に接続するとともに、前記第６の電極に前記第１の基準電圧を印加するステップ（ｈ）とをさらに備えていることが好ましい。

本発明の可変容量値検出回路によれば、可変容量に電荷を蓄積するステップと可変容量に蓄積された電荷信号を積分容量に転送するステップとを複数サイクル行って物理現象の検出を行うことができるので、ノイズを低減するとともに、可変容量の容量値の変化率の低減を防ぐことができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る可変容量値検出回路について、図面を用いて説明する。

−回路構成−
図１は、本発明の第１の実施形態に係る可変容量値検出回路の構成例を示す回路図である。

同図に示すように、本実施形態の可変容量値検出回路は、物理現象に伴って容量値が変化するセンサキャパシタ（Cs;可変容量）１０１と、センサキャパシタ１０１から転送される電荷信号の積分値を出力部１０８から出力する積分回路１０９とを備えている。ここで、「物理現象」の例としては、温度やセンサキャパシタ１０１に加わる圧力などが挙げられる。例えば、物体から放射される赤外線をセンサキャパシタ１０１が受けて温度変化を起こす場合、当該物体の温度を検知することもできる。センサキャパシタ１０１の容量値が装置外部の温度によって変化する場合、可変容量値検出回路は温度センサとして機能する。センサキャパシタ１０１の容量値が圧力により変化する場合、可変容量値検出回路は加速度センサとして機能させることができる。

センサキャパシタ１０１は、第１の電極および第２の電極と第１の電極と第２の電極とに挟まれた容量絶縁膜とを有している。容量絶縁膜は高誘電体または強誘電体により構成される。

積分回路１０９は、（＋）側入力端子（第１の入力端子）と（−）側入力端子（第２の入力端子）との間の電位差を増幅する演算増幅器１０３と、演算増幅器１０３の出力部と（−）側入力端子との間に介設された積分容量（Cint)１０２と、積分容量１０２の両端を短絡するためのリセット用スイッチ１１３とを有している。このリセット用スイッチ１１３は後述するリセット動作を行うために設けられているが、センサとしての動作はリセット用スイッチ１１３がなくても行うことができる。また、積分回路１０９において、演算増幅器１０３の（＋）側入力端子には動作期間中を通して電圧Ｖ１が印加されている。このとき、積分回路１０９の特性から、演算増幅器１０３の（−）側入力端子（ノードＸ１）はいわゆる仮想接地され、その電圧は理想的にはＶ１になる。ただしこの場合、Ｖ１は必ずしも接地電圧でなくてもよく、例えば安定供給される直流電圧であってもよい。なお、図示しないが、演算増幅器１０３には電源電圧と接地電圧とが供給されている。

また、可変容量値検出回路は、バイアス固定電圧Ｖ１が入力される第１の電圧入力端子（X2）１０６と、電圧Ｖ１とは異なる駆動電圧Ｖ２が入力される第２の電圧入力端子（X3)１０７と、第１の電圧入力端子１０６とセンサキャパシタ１０１の第１の電極との間に介設された第１のスイッチ（SW1）１０５と、第２の電圧入力端子１０７とセンサキャパシタ１０１の第１の電極との間に介設された第２のスイッチ（SW2)１０４と、第１の電圧入力端子１０６とセンサキャパシタ１０１の第２の電極との間に介設された第３のスイッチ（SW3)１１０と、センサキャパシタ１０１の第２の電極と演算増幅器１０３の（−）側入力端子との間に介設された第４のスイッチ（SW4)１１１とを備えている。

上述のスイッチのうち、第２のスイッチ１０４と第３のスイッチ１１０は同相の制御信号によって導通状態が制御されており、両スイッチは互いに同期してオンまたはオフする。また、第１のスイッチ１０５と第４のスイッチ１１１は別の同相の制御信号によって導通状態が制御されており、両スイッチは互いに同期してオンまたはオフする。また、第２のスイッチ１０４および第３のスイッチ１１０と、第１のスイッチ１０５および第４のスイッチ１１１とは同時にオンしないように制御されている。

−可変容量値検出回路の動作−
図２は、本実施形態の可変容量値検出回路の各部における信号波形を示すチャート図である。同図では、第１のスイッチ１０５および第２のスイッチ１０４の制御信号と、バイアス固定電圧Ｖ１、駆動電圧Ｖ２と、センサキャパシタ（Cs)１０１に蓄積される電荷量と、積分容量（Cint）１０２に蓄積される電荷量と、可変容量値検出回路の出力部１０８からの出力電圧とをそれぞれ示す。なお、本実施形態の例では、第１のスイッチ１０５および第２のスイッチ１０４は、それぞれの制御信号がハイレベルの期間にオン状態となり、それぞれの制御信号がローレベルの期間にオフ状態となる。

まず、演算増幅器１０３の（＋）側入力端子と（−）側入力端子の電位が等しく、積分容量１０２に電荷が蓄積されていない状態を初期状態とすると、出力部の電圧Ｖｏｕｔは、
Ｖｏｕｔ＝Ｖ１
となっている。

次に、第２のスイッチ（SW2)１０４および第３のスイッチ（SW3)１１０をオン状態にする。すると、ノードＸ１（演算増幅器１０３の（−）側入力端子）の電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の電圧差がセンサキャパシタ１０１に印加され、センサキャパシタ１０１に蓄積される電荷量Ｑｓは次の式で表される。ここで、Ｖ２とＶ１との電圧差は、電源電圧よりも小さいことが好ましい。

Ｑｓ＝Ｃｓ（Ｖ２−Ｖ１）
次に、第２のスイッチ１０４および第３のスイッチ１１０をオフ状態にする。この時、電荷Ｑｓはセンサキャパシタ１０１に蓄積された状態となっている。

次に、第１のスイッチ１０５および第４のスイッチ１１１をオン状態にする。その時、センサキャパシタ１０１の両電極が同電位になり、センサキャパシタ１０１に蓄積された電荷は積分容量１０２へ移動し、ここに蓄積される。この時、積分容量１０２のノードＸ１（演算増幅器１０３の（−）側入力端子に接続された電極側）に蓄積される電荷に対応する正負逆の電荷が演算増幅器から供給され、積分容量１０２に電荷Ｑｓがたまる。この時、出力部１０８から出力される電圧Ｖｏｕｔは下式で表される。

Ｖｏｕｔ＝Ｑｓ／Ｃｉｎｔ＋Ｖ１
ここで、Ｃｉｎｔは積分容量１０２の電気容量である。

次に、第１のスイッチ１０５および第４のスイッチ１１１をオフ状態にする。

本実施形態の駆動方法では、以上のように、センサキャパシタ１０１に電荷を蓄積するステップと、センサキャパシタ１０１に蓄積された電荷を積分容量１０２に転送するステップとを合計Ｎサイクル（Ｎは２以上の整数）繰り返す。なお、リセット用スイッチ１１３が設けられている場合には、以上で説明した物理現象の検知動作中を通してリセット用スイッチ１１３をオフ状態にしておく。そして、検知の終了後、リセット用スイッチ１１３をオン状態にする。すると、積分容量１０２の両端の電圧が等しくなり、積分回路１０９の出力電圧ＶｏｕｔはＶ１にリセットされる。

このように、両ステップの繰り返し回数がＮ回の場合、積分容量１０２にはＱｉｎｔ（Ｎ）の電荷が蓄積され、
Ｑｉｎｔ（Ｎ）＝Ｎ×Ｑｓ
となる。この時、出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｎ）は、図２に示すように、
Ｖｏｕｔ（Ｎ）＝Ｎ×Ｑｓ／Ｃｉｎｔ＋Ｖ１
となる。

なお、Ｎ回の電荷転送が完了した後、２入力比較器の入力端子の一方に積分回路１０８からの出力電圧を入力し、もう一方の入力端子に参照電圧（基準電位）を入力し、積分回路１０８からの出力電圧と基準電圧とを比較する。この後、２入力比較器の出力をディジタル信号として使用する。ここで、基準電位とは、アナログ信号をディジタル信号に変換する際に基準となる電位のことである。
基準状態における出力電圧と比較するなどして物理現象を検知することができる。

−可変容量値検出回路の効果−
以上で説明した本実施形態の可変容量値検出回路およびその駆動方法によれば、いわゆるスイッチドキャパシタ（センサキャパシタ１０１）に蓄積された電荷を複数回にわたって積分回路１０９内の積分容量１０２に転送する。このため、センサキャパシタ１０１と積分回路１０９との間に設けられたスイッチで生じる熱雑音の影響を小さくすることができる。スイッチとして用いられるＭＯＳトランジスタで生じる熱雑音は、正負がランダムにばらついている。従って、センサキャパシタ１０１から積分容量１０２への電荷の転送を１回のみ行う場合の熱雑音をＶｎとすると、当該電荷の転送をＮ回繰り返した場合の熱雑音は、（１／√Ｎ）×Ｖｎとなり、電荷の転送回数を増やせば増やす程、熱雑音の影響を低減でき、Ｓ／Ｎ比（信号とノイズの比）を向上させることができる。

さらに、本実施形態の可変容量値検出回路では、センサキャパシタ１０１から積分容量１０２への電荷の転送を一度のみ行う回路に比べてセンサキャパシタ１０１の両端に印加する電圧を低くすることができる。また、センサキャパシタ１０１に印加する電圧を低くしながらも、出力電圧を十分に高くすることができる。そのため、センサキャパシタ１０１の容量絶縁膜の温度特性が大きく変化しない範囲で物理現象（例えば温度）の検知を行うことが可能となり、より正確に物理現象の検知を行うことが可能となる。また、高バイアス印加時に容量値の温度特性が大きく変化するような容量絶縁膜を有するキャパシタであってもセンサキャパシタとして使用することができるようになるので、容量絶縁膜の材料を選択する際の自由度を大きくすることができる。ただし、上述の理由から、Ｖ２とＶ１との電圧差は、電源電圧よりも小さいことが好ましく、且つ電源電圧をセンサキャパシタ１０１から積分容量１０２への電荷の転送回数で割った値以上であることが好ましい。

なお、本実施形態の駆動方法において、センサキャパシタ１０１から積分容量１０２への電荷の転送回数は用途、設計等に応じて適宜調節すればよい。熱雑音の影響を低減することを重視する場合には電荷の転送回数を増やせばよいし、測定速度を重視する場合には転送回数を少なくすればよい。電荷の転送回数を多くする場合には、積分容量１０２の電気容量Ｃｉｎｔをセンサキャパシタ１０１の電気容量Ｃｓに比べて大きくすることが好ましい。

なお、図２に示すように、第１の電圧入力端子１０６に印加される電圧Ｖ１が第２の電圧入力端子１０７に印加される電圧Ｖ２より低い場合、可変容量値検出回路の出力は正電圧となってより好ましいが、Ｖ１＞Ｖ２であってもよい。この場合、センサキャパシタ１０１に蓄積される電荷の正負はＶ１＜Ｖ２の場合と逆になり、可変容量値検出回路の出力は負電圧となる。

（第２の実施形態）
−回路構成−
図３は、本発明の第２の実施形態に係る可変容量値検出回路を示す回路図である。同図において、第１の実施形態の可変容量値検出回路と同じ部分には図１と同じ符号を付している。また、第１の実施形態の可変容量値検出回路と機能および構成が同じ部分についての説明は省略あるいは簡略化する。

本実施形態の可変容量値検出回路は、センサキャパシタ１０１、積分回路１０９、第１のスイッチ１０５、第２のスイッチ１０４、第３のスイッチ１１０および第４のスイッチ１１１を備えた第１の実施形態に係る可変容量値検出回路に加え、第１の電極、容量絶縁膜および第２の電極を有する参照容量（Cr）３１２と、共に参照容量３１２の第２の電極に接続された第５のスイッチ（SW4R)および第６のスイッチ（SW3R)３１３とを備えている。図３に示す例では、参照容量３１２が第１の電圧入力端子１０６と演算増幅器１０３の（−）側入力端子との間に介設されており、第５のスイッチ３１４は参照容量３１２の第２の電極と演算増幅器１０３の（−）側入力端子との間に設けられている。第６のスイッチ３１３は、第２の電圧入力端子１０７と参照容量３１２の第２の電極および第５のスイッチ３１４との間に設けられている。第５のスイッチ３１４および第６のスイッチ３１３は参照容量３１２の接続先を変更するためのスイッチであり、第２のスイッチ１０４、第３のスイッチ１１０および第５のスイッチ３１４は互いに同相の第１の制御信号によって動作が制御されている。また、第１のスイッチ１０５、第４のスイッチ１１１および第６のスイッチ３１３は互いに同相の第２の制御信号によって動作が制御されている。第２のスイッチ１０４、第３のスイッチ１１０および第５のスイッチ３１４のスイッチ群と、第１のスイッチ１０５、第４のスイッチ１１１および第６のスイッチ３１３のスイッチ群とは同時にオン状態になることがないように制御されている。なお、センサ容量Ｃｓは参照容量３１２の電気容量Ｃｒより大きくなっている。

−可変容量値検出回路の動作−
図４は、本実施形態の可変容量値検出回路の各部における信号波形を示すチャート図である。以下では、本実施形態の可変容量値検出回路の動作が第１の実施形態の可変容量検出回路の動作と異なる点を重点的に説明する。

まず、初期状態では演算増幅器１０３の出力部（出力ノード）ｏｕｔの電圧ＶｏｕｔはＶ１となっている。

次に、第２のスイッチ（SW2)１０４、第３のスイッチ（SW3)１１０および第５のスイッチ（SW4R)３１４をオン状態にする。すると、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の電圧差がセンサキャパシタ１０１に印加される。一方で、参照容量３１２の両電極には電圧Ｖ１が印加されるため、参照容量３１２には電荷が蓄積されない。本期間中にセンサキャパシタ１０１に蓄積される電荷をＱｓとする。また、Ｑｓからセンサキャパシタ１０１に電圧が印加されない場合にセンサキャパシタ１０１に生じる電荷（理想的にはゼロとなる）を引いた値をΔＱｓとする。

次に、第２のスイッチ（SW2)１０４、第３のスイッチ（SW3)１１０および第５のスイッチ（SW4R)３１４をオフ状態にした後、第１のスイッチ１０５、第４のスイッチ１１１および第６のスイッチ３１３をオン状態にする。センサキャパシタ１０１の両電極が同電位になり、センサキャパシタ１０１に蓄積された電荷は積分容量１０２へと移動する。この期間中には、参照容量３１２の第１の電極には電圧Ｖ１が、第２の電極には電圧Ｖ２が印加されるので、センサキャパシタ１０１から転送される電荷と極性が反対の電荷ΔＱｒが参照容量３１２に蓄積される。ここで、参照容量３１２に蓄積された電荷は、次のサイクルにおいてセンサキャパシタ１０１の充電中に積分容量１０２に転送される。これにより、一回のサイクルで積分容量１０２に蓄積される電荷ΔＱｉｎｔは、
ΔＱｉｎｔ＝ΔＱｓ−ΔＱｒ
となる。積分をＮ回繰り返すと積分容量１０２には、下式で求められるＱｉｎｔ（Ｎ）の電荷が蓄積される。

Ｑｉｎｔ（Ｎ）＝Ｎ×（ΔＱｓ−ΔＱｒ）
なお、Ｃｓ＞Ｃｒであるので、Ｑｉｎｔ（Ｎ）は必ず正の値になる。

−可変容量値検出回路の効果−
本実施形態の回路構成および駆動方法を用いることにより、センサ容量Ｃｓが変化する際に、主としてＣｓの変化に起因する電荷のみを積分容量１０２に蓄積できるようになる。従って、例えば本実施形態の可変容量値検出回路を赤外線検知センサとして用いる場合、背景温度に対する対象物の差分温度を強調して検知することができる。すなわち、ある対象物を検知する時の信号電圧Ｖｓは背景温度による信号電圧Ｖｂｇと対象物の背景温度に対する差分電圧Ｖｏｂｊの和で表現でき、
Ｖｓ＝Ｖｂｇ＋Ｖｏｂｊ
となる。この時様々な外乱に起因する雑音電圧をＶｎとすると、信号と雑音の比Ｖｓ／Ｖｎは、
Ｖｓ／Ｖｎ＝（Ｖｂｇ＋Ｖｏｂｊ）／Ｖｎ
となる。この時Ｖｂｇが大きければ対象物に起因するＶｏｂｊはＶｂｇに埋もれてしまい、Ｓ／Ｎ比はかなり低い値になってしまう。

これに対し、本実施形態の可変容量値検出回路を用いれば、Ｖｂｇに相当する電圧を参照容量を用いて差分することで理想的には、
Ｖｓ／Ｖｎ＝Ｖｏｂｊ／Ｖｎ
とすることができ、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。また、積分容量１０２にＣｓの変化に起因する電荷のみを蓄積することができるので、積分容量１０２がすぐに飽和するのを防ぎ、センサキャパシタ１０１から積分容量１０２への電荷の転送を複数回行いやすくすることができる。このため、積分容量１０２を特段大きくすることなく、ノイズの低減を図ることができるようになり、装置面積の低減と検出精度の向上とを同時に図ることができるようになる。

（第３の実施形態）
−回路構成−
図５は、本発明の第３の実施形態に係る可変容量値検出回路を示す回路図である。同図において、第１および第２の実施形態の可変容量値検出回路と同じ部分には図１および図３と同じ符号を付している。また、第１および第２の実施形態の可変容量値検出回路と機能および構成が同じ部分についての説明は省略あるいは簡略化する。

本実施形態の可変容量値検出回路では、積分回路５０９の構成が第２の実施形態の可変容量値検出回路と異なっている。すなわち、積分回路５０９は、第１および第２の実施形態の可変容量値検出回路における積分回路１０９に加え、演算増幅器１０３の出力部と（−）側入力端子との間に介設された第１のオフセットキャンセルスイッチ(SWOS1)５１５と、積分容量１０２と演算増幅器１０３の（−）側入力端子との間に介設された第２のオフセットキャンセルスイッチ（SWOS2)５１６と、第４のスイッチ１１１、第５のスイッチ３１４および第２のオフセットキャンセルスイッチ５１６と演算増幅器１０３の（−）側入力端子との間に介設されたオフセットキャンセル容量(Cos)５１８と、オフセットキャンセル容量５１８を第１の電圧入力端子１０６および演算増幅器１０３の（−）側入力端子に接続するための第３のオフセットキャンセルスイッチ（SWOS3)５１７とを有している。

センサキャパシタ１０１または参照容量３１２から電荷が転送されない期間中、まず、第１のオフセットキャンセルスイッチ５１５および第２のオフセットキャンセルスイッチ５１６は少なくともオン状態となり、第３のオフセットキャンセルスイッチ５１７はオフ状態となる。その後、第３のオフセットキャンセルスイッチ５１７はオン状態となり、第１のオフセットキャンセルスイッチ５１５および第２のオフセットキャンセルスイッチ５１６はオフ状態となる。

−可変容量値検出回路の動作−
図６（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の可変容量値検出回路における、センサキャパシタ(Cs)１０１、参照容量３１２および積分容量１０２に蓄積される電荷を示すチャート図である。 図６（ａ）に示す波形は、演算増幅器１０３の入力に入力オフセットずれが存在する場合の波形例を示している。

図５では、この入力オフセット電圧を「Ｖｏｓ」とモデル化して表現している。演算増幅器１０３の両入力端子は理想的には同電位になるが、入力端子の電圧は実際にはオフセット電圧分ずれることがある。この場合、センサキャパシタ１０１から転送されるべき本来の電荷ΔＱｓに対し、オフセット電圧に起因するΔＱｏｓｓ分転送が行われない現象が生じてしまう。ここで、ΔＱｏｓｓは次式のようになる。

ΔＱｏｓｓ＝Ｃｓ・Ｖｏｓ
また、参照容量３１２に蓄積された電荷ΔＱｒが転送される際、入力オフセット電圧に起因して参照容量３１２から積分容量１０２への転送量は逆にΔＱｏｓｒだけ増える。

ΔＱｏｓｒ＝Ｃｒ・Ｖｏｓ
従って、オフセットキャンセル手段が設けられない場合、積分容量１０２に実際に蓄積される電荷は、本来積分容量１０２に蓄積されるべき電荷から電荷ΔＱｏｓｓ＋ΔＱｏｓｒだけずれてしまう。このことを防ぐために、本実施形態では演算増幅器１０３に発生するオフセット電圧の影響をキャンセルするための仕組みを設けている。

本実施形態の可変容量値検出回路では、センサキャパシタ１０１もしくは参照容量３１２から電荷が転送されていない期間に第１のオフセットキャンセルスイッチ５１５、第２のオフセットキャンセルスイッチ５１６をオンし、第３のオフセットキャンセルスイッチ５１７をオフする。すると、図６（ｂ）に示すように、オフセットキャンセル容量５１８のノードＸ１（第４のスイッチ１１１および第５のスイッチ３１４に接続されたノード）側の電位はＶ（Ｘ２）となり、かつ、出力部ｏｕｔからは入力オフセットＶｏｓを演算増幅器１０３のゲイン倍した出力電圧が出力される。この時、演算増幅器１０３のゲインを１倍に設定しておくと、オフセットキャンセル容量５１８とオフセット電圧源Ｖｏｓとの間のノードにはＶ（ｘ２）＋Ｖｏｓの電圧が印加される。これにより、結果的にオフセットキャンセル容量５１８にはＶｏｓの電圧が印加されることになる。

その後、第１のオフセットキャンセルスイッチ５１５、第２のオフセットキャンセルスイッチ５１６をオフし、第３のオフセットキャンセルスイッチ５１７をオンすることでノードＸ１の電圧がＶ（ｘ２）で仮想接地されている状態になる。その後、センサキャパシタ１０１、または参照容量３１２に蓄積された電荷が転送されると本来転送されるべきΔＱｓ、またはΔＱｒが積分容量に蓄積される。

−可変容量値検出回路の効果−
本実施形態の可変容量値検出回路によれば、結果的に演算増幅器１０３に個別の入力オフセット電圧が存在し両入力端子の電圧が互いに等しくならない場合であっても、オフセットキャンセル容量５１８を用いて演算増幅器１０３の入力電圧のずれを補正することができる。特に、後の実施形態で示すように、センサキャパシタをアレー状に配置した場合でも、列ごとに出力電圧がばらつくのを防ぐことができる。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係る可変容量値検出回路を示す回路図である。本実施形態では、センサキャパシタがアレー状（行列状）に配置された可変容量値検出回路の例について説明する。ここでは、Ｍ行×Ｎ列のセンサキャパシタが配置された例を示している。センサキャパシタ１０１は、第１のスイッチ１０５、第２のスイッチ１０４、第３のスイッチ１１０、第４のスイッチ１１１と共に、アレー状に配置される。

図７に示すように、本実施形態の可変容量値検出回路では、各列の複数個のセンサキャパシタ１０１がそれぞれ列につき１つ設けられた演算増幅器１０３に接続される。また、参照容量３１２もセンサキャパシタ１０１の行数Ｍ、列数Ｎはそれぞれ任意に設計可能である。また、Ｎ列をＰ個に分割し、演算増幅器１０３の数をＰ倍に増やすような構成を採ることもできる。

また、それぞれの演算増幅器１０３の出力７１Ｏ〜７ＭＯの後段にはソースフォロワ回路や差動増幅器のようにアナログ信号を増幅する構成を配置することも可能であるし、電圧比較器のようにデジタル信号を出力する回路を設けることも可能である。

また、本実施形態の駆動方法では、１つの列のＭ個の演算増幅器１０３において、各演算増幅器１０３に接続されるセンサキャパシタ１０１から転送される電荷を規定回数積分して信号を出力した後、残りのセンサキャパシタ１０１から転送される電荷を同様にして列ごとに順次規定回数積分する。なお、１つの列のセンサキャパシタ１０１からの信号の読み出しが終わると、次の列のセンサキャパシタ１０１からの読み出しを開始する前に各積分回路のリセット用スイッチ１１３をオンして積分回路の動作をリセットする。

本実施形態の可変容量値検出回路によれば、Ｍ行分のセンサキャパシタ１０１から転送される電荷の積分をＭ個の演算増幅器１０３で同時にできるため、動作速度を向上させることができる。この複数のセンサキャパシタ１０１と参照容量３１２、演算増幅器１０３のセットを同一チップ上に複数個セットにして配置することで、センサキャパシタ１０１をアレー状に配置することができる。本実施形態の可変容量値検出回路をレンズなどの光学系、赤外吸収膜などを各センサ容量に適用することで赤外線イメージセンサを実現することができる。

本発明にかかる可変容量値検出回路は、例えば誘電ボロメータを応用した赤外線センサの検出回路として有用である。また容量型圧電センサなどの検出回路としても応用できる。

本発明の第１の実施形態に係る可変容量値検出回路の構成例を示す回路図である。 第１の実施形態に係る可変容量値検出回路の各部における信号波形を示すチャート図である。 本発明の第２の実施形態に係る可変容量値検出回路を示す回路図である。 第２の実施形態の可変容量値検出回路の各部における信号波形を示すチャート図である。 本発明の第３の実施形態に係る可変容量値検出回路を示す回路図である。 （ａ）、（ｂ）は、第３の実施形態に係る可変容量値検出回路における、センサキャパシタ、参照容量および積分容量に蓄積される電荷を示すチャート図である。 本発明の第４の実施形態に係る可変容量値検出回路を示す回路図である。 従来のセンサの構成と、当該センサで発生するノイズとを示す図である。 一般的な容量素子の容量値と温度との関係を示す図である。

符号の説明

１０１ センサキャパシタ
１０２ 積分容量
１０３ 演算増幅器
１０４ 第２のスイッチ
１０５ 第１のスイッチ
１０６ 第１の電圧入力端子
１０７ 第２の電圧入力端子
１０８ 出力部
１０９、５０９ 積分回路
１１０ 第３のスイッチ
１１１ 第４のスイッチ
３１２ 参照容量
３１３ 第６のスイッチ
３１４ 第５のスイッチ
５１５ 第１のオフセットキャンセルスイッチ
５１６ 第２のオフセットキャンセルスイッチ
５１７ 第３のオフセットキャンセルスイッチ
５１８ オフセットキャンセル容量

Claims (16)

1. 第１の電極と第２の電極とを有し、物理現象に伴って容量値が変化する可変容量と、
   第１の基準電圧を前記第１の電極に印加するための第１のスイッチと、
   前記第１のスイッチと同時にオン状態にならず、前記第１の基準電圧とは異なる第２の基準電圧を前記第１の電極に印加するための第２のスイッチと、
   前記第２のスイッチと同期して動作し、前記第１の基準電圧を前記第２の電極に印加するための第３のスイッチと、
   前記第１のスイッチと同期して動作し、前記第２の電極に接続された第４のスイッチと、
   前記第１のスイッチおよび前記第３のスイッチに接続され、前記第１の基準電圧が入力される第１の入力端子と、前記第４のスイッチに接続された第２の入力端子とを有し、前記第１の入力端子と前記第２の入力端子との間の電位差を増幅する演算増幅器と、前記演算増幅器の出力部と前記第２の入力端子との間に介設された積分容量とを有し、入力された電荷信号を積分する積分回路と
   を備えている可変容量値検出回路。
2. 前記演算増幅器には電源電圧および接地電圧が供給されており、
   前記第１の基準電圧と前記第２の基準電圧との差分電圧の絶対値が前記電源電圧より低いことを特徴とする請求項１に記載の可変容量値検出回路。
3. 前記可変容量の容量値は温度に応じて変化することを特徴とする請求項１または２に記載の可変容量値検出回路。
4. 前記積分回路は、前記積分容量の両端を電気的に短絡させるためのリセット用スイッチをさらに有していることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の可変容量値検出回路。
5. 前記積分回路は複数個設けられるとともに列状に配置されており、
   前記可変容量、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチおよび前記第４のスイッチで構成される回路は行列状に配置されるとともに、１つの列に属する前記回路は、複数の前記積分回路の各々から見て並列に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の可変容量値検出回路。
6. 前記演算増幅器の第１の入力端子に接続され、前記第１の基準電圧が印加される第３の電極と、第４の電極とを有する参照容量と、
   前記演算増幅器の前記第２の入力端子および前記積分容量と前記第４の電極との間に介設され、前記第２のスイッチと同期して動作する第５のスイッチと、
   前記第１のスイッチと同期して動作し、前記第４の電極に前記第２の基準電圧を印加するための第６のスイッチと
   をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の可変容量値検出回路。
7. 前記参照容量の容量値は前記可変容量の容量値よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の可変容量値検出回路。
8. 前記積分回路は、
   前記演算増幅器の前記第２の入力端子に接続された第５の電極と、前記第４のスイッチに接続された第６の電極とを有するオフセットキャンセル容量と、
   前記演算増幅器の出力部と前記第２の入力端子および前記第５の電極との間に介設された第１のオフセットキャンセルスイッチと、
   前記積分容量と前記第６の電極との間に介設され、前記第１のオフセットキャンセルスイッチと同期して動作する第２のオフセットキャンセルスイッチと、
   前記第６の電極と前記演算増幅器の前記第１の入力端子との間に介設され、前記第１のオフセットキャンセルスイッチおよび前記第２のオフセットキャンセルスイッチと同時にオン状態にならず、前記第６の電極に前記第１の基準電圧を印加するための第３のオフセットキャンセルスイッチと
   をさらに有していることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の可変容量値検出回路。
9. 第１の電極および第２の電極を有し、物理現象に伴って容量値が変化する可変容量と、第１の基準電圧が入力される第１の入力端子と、第２の入力端子とを有し、前記第１の入力端子と前記第２の入力端子との間の電位差を増幅する演算増幅器と、前記演算増幅器の出力部と前記第２の入力端子との間に介設された積分容量とを有し、入力された電荷信号を積分する積分回路とを備えた可変容量値検出回路の駆動方法であって、
   前記可変容量を充電するステップ（ａ）と、
   前記第１の電極を前記第１の入力端子に接続させ、前記第２の電極を前記第２の入力端子および前記積分容量に接続させることにより、前記ステップ（ａ）で前記可変容量に蓄積された前記電荷信号を前記積分容量に転送するステップ（ｂ）と、
   前記積分回路の出力電圧を用いて前記物理現象を検知するステップ（ｃ）とを備え、
   前記ステップ（ａ）と、前記ステップ（ｂ）とを交互に複数サイクル行った後に前記ステップ（ｃ）を行うことを特徴とする可変容量値検出回路の駆動方法。
10. 前記演算増幅器には電源電圧および接地電圧が供給されており、
    前記可変容量に印加される電圧の絶対値は、前記電源電圧よりも低く、且つ前記電源電圧を前記ステップ（ａ）および前記ステップ（ｂ）のサイクル数で除算した値以上であることを特徴とする請求項９に記載の可変容量値検出回路の駆動方法。
11. 前記積分回路は、前記積分容量の両端を電気的に短絡させるためのリセット用スイッチをさらに有しており、
    前記ステップ（ｃ）の後に、前記リセット用スイッチをオンすることにより、前記積分回路の動作をリセットするステップ（ｄ）をさらに備えていることを特徴とする請求項９または１０に記載の可変容量値検出回路の駆動方法。
12. 前記積分回路は複数個設けられるとともに列状に配置されており、
    前記可変容量は行列状に配置されるとともに、１つの列に属する前記可変容量は、複数の前記積分回路の各々から見て並列に接続されており、
    前記ステップ（ａ）と、前記ステップ（ｂ）とを交互に複数回行って１つの列に属する前記可変容量から各行に配置された前記積分容量への前記電荷信号の転送を同時に行ない、
    前記ステップ（ｄ）を挟んで順次次の列に属する前記可変容量から各行に配置された前記積分容量への前記電荷信号の転送を行うことを特徴とする請求項１１に記載の可変容量値検出回路の駆動方法。
13. 前記可変容量値検出回路は第３の電極および第４の電極を有する参照容量をさらに備えており、
    前記ステップ（ｂ）と同時に、前記演算増幅器から見て逆極性の電荷を前記参照容量に蓄積させるステップ（ｅ）と、
    前記ステップ（ａ）と同時に、前記第３の電極を前記第１の入力端子に接続させ、前記第４の電極を前記第２の入力端子および前記積分容量に接続させることにより、前記参照容量に蓄積された電荷を前記積分容量に転送するステップ（ｆ）とをさらに備えていることを特徴とする請求項９〜１２のうちいずれか１つに記載の可変容量値検出回路の駆動方法。
14. 前記参照容量の容量値は前記可変容量の容量値よりも小さいことを特徴とする請求項１３に記載の可変容量値検出回路の駆動方法。
15. 前記積分回路は、前記第２の入力端子に接続された第５の電極と、第６の電極とを有するオフセットキャンセル容量をさらに有しており、
    前記ステップ（ｂ）および前記ステップ（ｆ）を除く期間中に、前記第５の電極を前記演算増幅器の出力部に接続させるとともに、前記第６の電極を前記積分容量に接続させるステップ（ｇ）と、
    前記ステップ（ｂ）および前記ステップ（ｆ）を除く期間中であって前記ステップ（ｇ）の後に、前記第６の電極を前記第１の入力端子に接続するとともに、前記第６の電極に前記第１の基準電圧を印加するステップ（ｈ）と
    をさらに備えていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の可変容量値検出回路の駆動方法。
16. 前記演算増幅器のゲインが１に設定されていることを特徴とする請求項１５に記載の可変容量値検出回路の駆動方法。

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