JP2011053020A

JP2011053020A - 静電容量型物理量センサ及び角速度センサ

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Publication number: JP2011053020A
Application number: JP2009200508A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Iwazawa; 寛岩澤; Masahiro Matsumoto; 昌大松本; Toshiaki Nakamura; 敏明中村
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-17
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Abstract

【課題】外来ノイズに対する耐性を維持しつつ、内部ノイズに由来するノイズを抑えられる構成とすることで、高精度な静電容量型物理量センサ及び角速度センサを提供することにある。
【解決手段】検出素子１０は、外界からの物理量により変位可能に支持された可動体１８と、検出電極Ｅｆとを有する。シールド配線１６は、容量検出回路３０の入力に接続された配線の周囲に配置され、低インピーダンスの直流電位に接続される。検出素子１０と容量検出回路３０の接続部の低インピーダンスの固定電位に対する入力容量の値Ｃｉｎが、１．５ｐＦ＜Ｃｉｎ＜２０ｐＦの範囲とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量型の物理量センサ及び角速度センサに係り、特に、ノイズ低減に好適な静電容量型物理量センサ及び角速度センサに関する。

従来、外界からの物理量に応じた機械的変位量を電気信号に変換して物理量を検出する様々な物理量センサが知られている。例えば、加速度センサでは、検出素子内において加速度に応じて変位する可動電極と固定された検出電極との間の静電容量の変化を電気信号として取り出して、加速度を検出している（例えば、特許文献１参照）。

これらの物理量センサは、検出素子の静電容量の変化を容量検出回路を用いて電気信号に変換しているが、検出素子と容量検出回路の接続部（以下、容量検出入力部）は電気的に高インピーダンスとなるため、電磁的あるいは静電的な外来ノイズに弱い。このため、特許文献１に記載のように、検出素子を接地された導電部材で覆って電磁シールドとし、外来ノイズの低減を図っている。

特開平７−３０６２２２号公報

特許文献１記載の電磁シールドは、容量検出入力部により近接させ、より大規模に施すほど外来ノイズに強くなるが、一方、内部ノイズに由来するノイズが増大する側面がある。

本発明の目的は、外来ノイズに対する耐性を維持しつつ、内部ノイズに由来するノイズを抑えられる構成とすることで、高精度な静電容量型物理量センサ及び角速度センサを提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、外界からの物理量により変位可能に支持された可動体と、該可動体の少なくとも片面に形成された検出電極とを有する検出素子と、前記可動体の変位による前記検出電極の容量の変化を検出する容量検出回路と、該容量検出回路の入力に接続された配線の周囲に配置され、低インピーダンスの直流電位に接続された配線とを有し、前記可動体の変位による前記検出電極の容量の変化を前記容量検出回路によって電気信号に変換し、物理量を検出する静電容量型物理量センサであって、前記検出素子と前記容量検出回路の接続部の低インピーダンスの固定電位に対する入力容量の値Ｃｉｎが、１．５ｐＦ＜Ｃｉｎ＜２０ｐＦの範囲としたものである。
かかる構成により、外来ノイズに対する耐性を維持しつつ、内部ノイズに由来するノイズを抑えられる構成とすることで、高精度なものとできる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記容量検出回路内の帰還容量の値Ｃｆと前記入力Ｃｉｎの関係が、０．１＜（Ｃｆ／Ｃｉｎ）＜１．０の範囲としたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記シールド配線の電位は、容量検出に用いる搬送波信号の直流電位と同電位としたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記検出素子は、前記可動体に静電引力を印加する診断電極を備えるようにしたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記可動体はシリコン結晶により構成されているものである。

（６）また、上記目的を達成するために、本発明は、外界からの角速度により変位可能に支持された可動体と、該可動体の直交する２面に形成された２つの検出電極と、前記可動体を加振する駆動電極を有する検出素子と、前記駆動電極により生じる前記前記可動体の振動状態において加えられる角速度によるコリオリの作用により前記２つの検出電極の容量の変化を検出する容量検出回路と、該容量検出回路の入力に接続された配線の周囲に配置され、低インピーダンスの直流電位に接続された配線とを有し、前記可動体の変位による前記検出電極の容量の変化を前記容量検出回路によって電気信号に変換し、角速度を検出する角速度センサであって、前記検出素子と前記容量検出回路の接続部の低インピーダンスの固定電位に対する入力容量の値Ｃｉｎが、１．５ｐＦ＜Ｃｉｎ＜２０ｐＦの範囲としたものである。
かかる構成により、外来ノイズに対する耐性を維持しつつ、内部ノイズに由来するノイズを抑えられる構成とすることで、高精度なものとできる。

本発明によれば、外来ノイズに対する耐性を維持しつつ、内部ノイズに由来するノイズを抑えられる構成とすることで、高精度なものとなる。

本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサの構成を示す回路図である。本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサにおけるノイズの説明図である。本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサにおけるノイズについての別の観点からの説明図である。本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを加速度センサに適用した場合の検出素子の構成を示す平面図である。本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを加速度センサに適用した場合の構成を示す回路図である。本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを加速度センサに適用した場合の検出素子の他の構成を示す平面図である。本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを角速度センサに適用した場合の検出素子の構成を示す平面図である。本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを角速度センサに適用した場合の検出素子の他の構成を示す平面図である。本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを圧力センサに適用した場合の検出素子の構成を示す平面図である。

以下、図１〜図３を用いて、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサの構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による静電容量型物理量センサの構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサの構成を示す回路図である。

本実施形態による静電容量型物理量センサは、検出素子１０と、搬送波印加部２０と、容量検出回路部３０とから構成される。

検出素子１０は、可変容量コンデンサ１１を備えている。可変容量コンデンサ１１は、加速度，角速度，圧力などの物理量が加えられても変位しない検出電極Ｅｆと、検出素子１０に物理量が加えられることにより変位する可動電極Ｅｍとから構成される。可動電極Ｅｍと検出電極Ｅｆとは互いに平行に配置され、その間に容量Ｃが形成される。物理量が加えられていない場合における可変容量コンデンサ１１の容量をＣ０とし、物理量が加えられた場合の容量の変化分をΔＣとすると、可変容量コンデンサ１１の容量は、Ｃ０±ΔＣとなる。

検出電極Ｅｆには、検出電極側配線１３が接続されている。可動電極Ｅｍには、可動電極側配線１５が接続されている。可動電極側配線１５の周囲には、シールド配線１６が配置されている。シールド配線１６は、低インピーダンスの直流電位に接続されている。シールド配線１６は、可動電極Ｅｍと同じ直流電位を持つ低インピーダンスの電位に接続されている。このようにシールド配線１６と可動電極を保持する可動体との直流電位を同じとすることで、その電位差により可動体に不要な静電引力が作用することを防ぐことができる。なお、低インピーダンスの直流電位には、グランド電位が含まれる。また、ここで、可動電極側配線１５とシールド配線１６の間には、寄生容量Ｃｐが形成される。寄生容量Ｃｐは、例えば、８．０ｐＦである。

搬送波印加部２０は、搬送波信号源２１を備えている。搬送波信号源２１が出力する搬送波信号Ｖｃａｒｒは、検出素子１０の検出電極側配線１３を介して、検出電極Ｅｆに印加される。この搬送波信号Ｖｃａｒｒは、可変容量コンデンサ１１を経て、可動電極側配線１５に伝達される。このとき、可変容量コンデンサ１１の容量が変化すると、搬送波信号自体も変化する。

容量検出回路部３０は、可動電極側配線１５から出力する搬送波信号を増幅するものである。容量検出回路部３０は、ＯＰアンプ３１と、帰還容量３２と、入力端子３３と、出力端子３７とから構成されている。入力端子３３には、可変容量コンデンサ１１を経由した搬送波信号Ｖｃａｒｒが入力する。入力端子３３は、ＯＰアンプ３１の反転入力に接続されている。帰還容量３２は、ＯＰアンプ３１の出力端子３７と入力端子３３の間に接続されている。ＯＰアンプ３１の非反転入力は、基準電位３４に接続されている。なお、入力端子３３の対地容量も検出素子内の可動電極側配線１５とシールド配線１６との間の容量と同じように振る舞うため、寄生容量Ｃｐに含まれる。

本実施形態による静電容量型物理量センサにおけるノイズについて説明する。ここで、ノイズとしては、１）外部由来ノイズ、２）内部由来ノイズ、３）構造由来ノイズの３種類がある。

静電容量型物理量センサの外部には、ノイズ源がある。このノイズ源からのノイズは、電磁シールド１６によって遮蔽されるが、遮蔽効果が十分でないと、可動電極側配線１５に、外部由来ノイズとして重畳する。この外部由来ノイズは、容量検出回路部３０によって増幅され、出力端子３７から搬送波信号に重畳して検出される。

また、容量検出回路部３０の内部には、内部ノイズ源がある。内部ノイズは、搬送波信号Ｖｃａｒｒと同期したノイズであり、基準電位３４に含まれている。内部由来ノイズは、容量検出回路部３０によって増幅され、出力端子３７から搬送波信号に重畳して検出される。

さらに、可変容量コンデンサ１１を構成する検出電極Ｅｆと可動電極Ｅｍとは互いに平行状態が保たれた上で変化すると、印加された物理量に応じた容量変化を示すが、例えば、電極の寸法が大きくなると、物理量により可動電極Ｅｍが変化する際、可動電極Ｅｍが撓んで変化することが生じる。この場合、可変容量コンデンサ１１の容量変化は、印加された物理量に応じたものでなくなる場合がある。これが、構造由来ノイズである。この構造由来ノイズにより、出力端子には、搬送波信号の変化として検出される。

次に、図２を用いて、本実施形態による静電容量型物理量センサにおけるノイズについて説明する。
図２は、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサにおけるノイズの説明図である。

ここでは、容量検出回路部３の入力部３３に接続された配線の対地容量の値Ｃｉｎとノイズとの関係について説明する。ここで、容量検出回路部３の入力容量Ｃｉｎとは、可変容量コンデンサ１１の容量Ｃ０および寄生容量Ｃｐの合計値である。

図２において、横軸は入力容量Ｃｉｎを示している。縦軸は、ノイズ（Ｎ／Ｓ）を示している。

所定の物理量が加えられ、容量の変化分がΔＣとすると、可変容量コンデンサ１１の容量は、Ｃ０＋ΔＣとなる。搬送波信号が検出電極Ｅｆに印加されると、可動電極Ｅｍに現れる電荷信号は、容量変化分ΔＣに比例したものとなる。可動電極Ｅｍに現れたこの電荷信号は、容量検出回路部３の入力端子３３に入力され、電圧信号に変換される。

容量検出回路部３には、ＯＰアンプを用いた帰還増幅回路が構成されている。ＯＰアンプ３１は帰還容量３２により負帰還回路が構成されていることにより、入力端子３３の電圧が基準電位３４の電圧と等しくなるように出力端子３７に信号を出力する。

この結果、入力端子３３に入力された電荷信号が出力端子３７に電圧信号として変換される。搬送波信号の電圧振幅がＶｃａｒｒであるとき、検出電極容量の変化量ΔＣにより出力端子３７に現れる信号電圧の振幅ＶｏｕｔＳは、ＶｏｕｔＳ＝Ｖｃａｒｒ・ΔＣ／Ｃｆとなる。

信号電圧振幅ＶｏｕｔＳは、容量変化分ΔＣに比例し、これは物理量による可動体の変位に比例するため、信号電圧振幅ＶｏｕｔＳを測定することにより、物理量を検出することができる。

ここで、検出素子１０と容量検出回路部３の接続部に存在する対地容量が大きく、かつ基準電位３４に含まれるノイズ成分が大きいと、これらに由来する内部ノイズが大きくなる。

最初に、内部由来ノイズについて説明する。図２の実線Ａは、内部由来ノイズを示している。

容量検出回路の基準電位３４に搬送波信号と同期した回路内部ノイズが含まれていると、このノイズが容量検出回路部３０の入力部の対地容量Ｃｉｎと容量検出回路の帰還容量Ｃｆを通じて増幅され、出力に現れる。回路内部ノイズの電圧がＶｎｂ、容量検出入力部の対地容量の値の合計がＣｉｎ（＝検出電極容量の値Ｃ０＋寄生容量１７の値Ｃｐ）であるとき、回路内部ノイズに由来し容量検出回路の出力に現れるノイズ電圧ＶｏｕｔＮは、ＶｏｕｔＮ＝Ｖｎｂ・（Ｃｉｎ+Ｃｆ）／Ｃｆと表せる。

すなわち、内部由来ノイズは、図２に実線Ａで示すように、（Ｃｉｎ+Ｃｆ）に比例しており、入力容量Ｃｉｎが増加すると、直線的に増加する。この結果、内部由来ノイズに起因するノイズを低減するには、入力容量Ｃｉｎを小さくすることが好ましいものである。なお、帰還容量Ｃｆは、例えば、０．２ｐＦ〜２．０ｐＦ程度の一定値の帰還コンデンサ３２を用いている。帰還容量Ｃｆが大きいと、図２に示す実線Ａが全体的にノイズが増加する方向にシフトし、帰還容量Ｃｆが小さいと、図２に示す実線Ａが全体的にノイズが減少する方向にシフトする。

次に、外部由来ノイズについて説明する。外来ノイズを抑えには、可動電極側配線１５の周囲に電磁シールド１６を設けると効果的である。但し、電磁シールドを行うと寄生容量Ｃｐが増加し、その結果、入力容量Ｃｉｎも増加する。

図２の破線Ｂは、外部由来ノイズの入力容量Ｃｉｎに対する変化を示している。すなわち、電磁シールドを設けることにより、そのシールドの程度に応じて、外部由来ノイズは急激に低下する。但し、ある入力容量Ｃｉｎを超えると、外部由来ノイズの低減の程度は緩やかになる。外部由来ノイズの低減の程度について調べた結果、図２に破線Ｂで示す曲線は、入力容量Ｃｉｎが１．５ｐＦにおいて変曲点を有し、これ以上では外部由来ノイズの低減の程度が緩やかになることが判明した。

前述した内部由来ノイズは、入力容量に比例するため、入力容量が小さい方が内部由来ノイズの影響を低減できるが、一方では、入力容量を小さくすると、すなわち、電磁シールドの程度を緩やかにすると、外部由来ノイズが増加する。従って、以上の観点からして、入力容量Ｃｉｎは、１．５ｐＦ以上とすることが好ましいものである。

次に、構造由来ノイズについて説明する。図２の点線Ｃは構造由来ノイズが入力容量Ｃｉｎに対して変化する様子を示している。

可動電極の大きさを大きくすると、可変容量コンデンサ１１の容量Ｃ０が増大し、その結果、入力容量Ｃｉｎも増加する。検出素子の微細な構造を保ったまま検出電極の規模を大きくしすぎると、製造上の構造のゆらぎが無視できなくなり、ノイズが急激に増加する。これが構造由来ノイズである。

図２に点線Ｃで示すように、構造由来ノイズは、可動電極の大きさを大きくし、入力容量Ｃｉｎが大きくなると、次第に増加する。その増加の程度は、ある入力容量Ｃｉｎまでは緩やかであるが、それ以降は、急激に増加する特性を示した。この急激に変化する点が変曲点であり、このときの入力容量Ｃｉｎは、４０ｐＦである。従って、構造由来ノイズの観点からは、入力容量Ｃｉｎを４０ｐＦ以下にすることが好ましいが、前述のように、内部由来ノイズは、入力容量Ｃｉｎが増加すると、増加する性質を有している。

図２において、太い実線Ｄは、内部由来ノイズ（実線Ａ）と、外部由来ノイズ（破線Ｂ）と、構造由来ノイズ（点線Ｃ）を加算した合計ノイズを示している。ここで、入力容量Ｃｉｎが４０ｐＦのときの合計ノイズは、内部由来ノイズの影響を受けて、入力容量Ｃｉｎが１．５ｐＦのときの合計ノイズに比べて大幅に大きくなっている。

ここで、外部由来ノイズ（破線Ｂ）と、構造由来ノイズ（点線Ｃ）の特性曲線の交差する点（入力容量Ｃｉｎが２０ｐＦ）における合計ノイズは、入力容量Ｃｉｎが４０ｐＦの場合の合計ノイズに比べて大幅に小さくなっているとともに、入力容量Ｃｉｎが１．５ｐＦの場合の合計ノイズと同じノイズレベルとなっている。

以上の検討結果からして、入力容量の値Ｃｉｎの最適な範囲は、１．５ｐＦ＜Ｃｉｎ＜２０ｐＦとなる。

例えば、浮遊容量Ｃｐが８．０ｐＦの場合、可変容量コンデンサ１１の容量Ｃｏが２．２ｐＦとなるように、検出電極及び可動電極の大きさ及び両者の間隔を設定することで、入力容量Ｃｉｎを１０．２ｐＦとすることができ、前述の最適範囲の中に収めることができる。

次に、図３を用いて、本実施形態による静電容量型物理量センサにおけるノイズについて別の観点から説明する。
図３は、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサにおけるノイズについての別の観点からの説明図である。

本実施形態の静電容量型物理量センサは、容量検出回路部内の帰還容量３２の値Ｃｆと入力容量Ｃｉｎの関係が、０．１＜（Ｃｆ／Ｃｉｎ）＜１．０の範囲にあることでさらに良好な特性を得ることができる。

まず、（Ｃｆ／Ｃｉｎ）の値を０．１以上とすることで、図３に示すように、帰還容量３２の製造誤差による影響（図中の一点鎖線）を少なくすることができる。

次に、（Ｃｆ／Ｃｉｎ）の値を１．０以下とすることで、内部ノイズによる影響（図中の破線）を低減することができる。これは、内部ノイズによる影響はＣｉｎの値だけでなくＣｆの値にも影響を受けるためである。

このことにより、帰還容量３２の製造ばらつきによる誤差の低減と内部ノイズに由来するノイズの影響の低減を両立させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、外来ノイズによる影響の低減と内部ノイズに由来するノイズの影響の低減を両立させることができ、高精度な物理量の検出が可能となる。

次に、図４及び図５を用いて、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを加速度センサに適用した場合の構成及び動作について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを加速度センサに適用した場合の検出素子の構成を示す平面図である。図５は、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを加速度センサに適用した場合の構成を示す回路図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

最初に、図４を用いて、本実施形態による静電容量型物理量センサに用いる検出素子の一例として、加速度センサの構成について説明する。

検出素子１０は、シリコン基板をフォトリソグラフィ技術を用いて加工することで作成されている。検出素子１０は、複数の電気的に絶縁された電極から構成され、互いに静電容量を構成すると同時に、その一部が機械的に変位できるように支持されている。

各電極は、固定された第１検出電極Ｅｆ１ａ，Ｅｆ１ｂと第２検出電極Ｅｆ２ａ，Ｅｆ２ｂと、加速度により変位可能に支持された可動体１８と共に可動するとともに、可動体１８と電気的に導通した可動電極Ｅｍａ，Ｅｍｂから構成される。

可動体１８の両端には、バネ１７ａ，１７ｂの一端が接続され、バネ１７ａ，１７ｂの他端は、可動電極側端子Ｔｍａ，Ｔｍｂに固定されている。従って、検出素子１０に対して外部から加速度がくわわると、可動体１８はその加速度に応じて変位する。可動電極Ｅｍａ，Ｅｍｂは、可動体１８，バネ１７ａ，１７ｂを介して、可動電極側端子Ｔｍａ，Ｔｍｂに導通している。

また、第１検出電極Ｅｆ１ａは、第１検出電極側端子Ｔｆ１ａに導通し、第１検出電極Ｅｆ１ｂは、第１検出電極側端子Ｔｆ１ｂに導通している。また、第２検出電極Ｅｆ２ａは、第２検出電極側端子Ｔｆ２ａに導通し、第２検出電極Ｅｆ２ｂは、第２検出電極側端子Ｔｆ２ｂに導通している。

第１検出電極Ｅｆ１ａと可動電極Ｅｍａとの間に第１可変容量コンデンサ１１ａが形成され、第１検出電極Ｅｆ１ｂと可動電極Ｅｍｂとの間に第１可変容量コンデンサ１１ｂが形成されている。また、第２検出電極Ｅｆ２ａと可動電極Ｅｍａとの間に第２可変容量コンデンサ１２ａが形成され、第２検出電極Ｅｆ２ｂと可動電極Ｅｍｂとの間に第２可変容量コンデンサ１２ｂが形成されている。加速度が加わっておらず、可動電極Ｅｍａ，Ｅｍｂが変位してない状態において、第１可変容量コンデンサ１１ａを容量Ｃｖ１ａとし、第１可変容量コンデンサ１１ｂを容量Ｃｖ１ｂとし、第２可変容量コンデンサ１２ａを容量Ｃｖ２ａとし、第２可変容量コンデンサ１２ｂを容量Ｃｖ２ｂとするとき、これらの容量の合計をＣ０とする。本例では、Ｃ０＝２．２ｐＦである。

ここで、容量Ｃｖ１ａと容量Ｃｖ１ｂとの合計の容量をＣｖ１とし、容量Ｃｖ２ａと容量Ｃｖ２ｂとの合計の容量をＣｖ２とする。また、所定の加速度が加わったとき、容量Ｃｖ１と容量Ｃｖ２の容量差をΔＣとすると、Ｃｖ１＝１／２（Ｃ０−ΔＣ）であり、Ｃｖ２＝１／２（Ｃ０＋ΔＣ）である。本例では、例えば、ΔＣ＝０．１ｐＦである。

また、可動電極Ｅｍａ，Ｅｍｂの周辺には電気的に接地されたシールド配線１６ａ，１６ｂが配置されている。シールド配線１６ａはシールド端子１６ａｔに導通し、シールド配線１６ｂはシールド端子１６ｂｔに導通している。シールド端子１６ａｔ，１６ｂｔは、低インピーダンスの直流電位に接続されることにより、シールド配線１６ａ，１６ｂがシールドの役を果たす。なお、低インピーダンスの直流電位には、グラウンド電位も含まれるが、ここでは、可動電極Ｅｍａ，Ｅｍｂと同じ直流電位を持つ低インピーダンスの電位としている。このようにシールド配線１６ａ，１６ｂと可動体１８との直流電位を同じとすることで、その電位差により可動体に不要な静電引力が作用することを防ぐことができる。

ここで、可動電極Ｅｍａ，Ｅｍｂとシールド配線１６ａ，１６ｂとの間に寄生容量Ｃｐが形成される。本例では、寄生容量Ｃｐの合計は８．０ｐＦである。

次に、図５を用いて、本実施形態による静電容量型物理量センサの一例として、加速度センサの構成について説明する。

本実施形態による静電容量型物理量センサの一例である加速度センサは、検出素子１０と、搬送波印加部２０と、容量検出回路部３０とから構成される。

検出素子１０は、可変容量コンデンサ１１，１２を備えている。可変容量コンデンサ１１は、図４に示した可変容量コンデンサ１１ａ，１１ｂが合成されたものである。可変容量コンデンサ１２は、図４に示した可変容量コンデンサ１２ａ，１２ｂが合成されたものである。

可変容量コンデンサ１１の検出電極（図４の検出電極Ｅｆ１ａ，Ｅｆ１ｂ）には、検出電極側配線１３が接続されている。可動電極（図４の可動電極Ｅｍａ）には、可動電極側配線１５が接続されている。可変容量コンデンサ１２の検出電極（図４の検出電極Ｅｆ２ａ，Ｅｆ２ｂ）には、検出電極側配線１４が接続されている。可動電極（図４の可動電極Ｅｍｂ）には、可動電極側配線１５が接続されている。可動電極側配線１５の周囲には、シールド配線１６が配置されている。シールド配線１６は、低インピーダンスの直流電位に接続されている。シールド配線１６は、可動電極Ｅｍと同じ直流電位を持つ低インピーダンスの電位に接続されている。また、ここで、可動電極側配線１５とシールド配線１６の間には、寄生容量Ｃｐが形成される。寄生容量Ｃｐは、例えば、８．０ｐＦである。

搬送波印加部２０は、搬送波信号源２１，２２を備えている。搬送波信号源２１が出力する搬送波信号Ｖｃａｒｒは、検出素子１０の検出電極側配線１３を介して、可変容量コンデンサ１１の検出電極に印加される。搬送波信号源２２が出力する搬送波信号−Ｖｃａｒｒは、検出素子１０の検出電極側配線１４を介して、可変容量コンデンサ１２の検出電極に印加される。搬送波信号源２１と搬送波信号源２２が出力する搬送波信号は、同一の周波数であるが、電圧の極性が逆となっている交流信号である。搬送波信号Ｖｃａｒｒ，−Ｖｃａｒｒは、それぞれ、可変容量コンデンサ１１，１２を経て、可動電極側配線１５に伝達される。このとき、可変容量コンデンサ１１，１２の容量が変化すると、搬送波信号自体も変化する。

次に、動作について説明する。検出素子１０に加速度が作用すると、可動体１８が加速度に比例して変位し、可動体１と第１検出電極Ｅｆ１ａ，Ｅｆ１ｂおよび１４との距離が変化する。その結果、検出電極容量１１および１２の値が差動で変化するように構成されている。

ここで、可変容量コンデンサ１１の容量をＣｖ１とし、可変容量コンデンサ１２の容量をＣｖ２とする。また、所定の加速度が加わったとき、容量Ｃｖ１と容量Ｃｖ２の容量差をΔＣとすると、Ｃｖ１＝１／２（Ｃ０−ΔＣ）であり、Ｃｖ２＝１／２（Ｃ０＋ΔＣ）である。本例では、例えば、ΔＣ＝０．１ｐＦである。

可変容量コンデンサ１１の検出電極と可変容量コンデンサ１２の検出電極には、搬送波印加部２からの高周波の搬送波信号がそれぞれ接続されている。二つの搬送波信号は同一の周波数であるが、電圧の極性が逆となっている交流信号であるので、両者の影響が合成され、可変容量コンデンサ１１，１２の可動電極に現れる電荷信号は、可変容量コンデンサ１１，１２の容量Ｃｖ１とＣｖ２の差ΔＣに比例したものとなる。可動電極に現れた電荷信号は、容量検出回路部３の入力端子３３に入力され、電圧信号に変換される。

容量検出回路部３０には、ＯＰアンプを用いた帰還増幅回路が構成されている。ＯＰアンプ３１は帰還容量３２により負帰還回路が構成されていることにより、入力端子３３の電圧が基準電位３４の電圧と等しくなるように出力端子３７に信号を出力する。本例では、帰還容量３２の値Ｃｆ＝２．０ｐＦである。

この結果、入力端子３３に入力された電荷信号が出力端子３７に電圧信号として変換される。搬送波信号の電圧振幅がＶｃａｒｒであるとき、検出電極容量の変化量ΔＣにより出力端子３７に現れる信号電圧の振幅ＶｏｕｔＳは、ＶｏｕｔＳ＝Ｖｃａｒｒ・ΔＣ／Ｃｆと表せる。

信号電圧振幅ＶｏｕｔＳは、検出電極容量１１と１２との容量差ΔＣに比例し、これは加速度による可動体の変位に比例するため、信号電圧振幅ＶｏｕｔＳを測定することにより、加速度を検出することができる。本例では、搬送波信号の電圧振幅Ｖｃａｒｒ＝０．４Ｖｐｐである。

以上は加速度による信号成分の変換に関する動作であるが、検出素子１０と容量検出回路部３０の接続部（可動電極側配線１５〜入力端子３３）に存在する対地容量が大きく、かつ基準電位３４に含まれるノイズ成分が大きいと、これらに由来する内部ノイズが大きくなり問題となる。

また、検出電極の規模を大きくすることでも入力容量の値Ｃ０が増大し、その結果Ｃｉｎも増加する。検出素子の微細な構造を保ったまま検出電極の規模を大きくしすぎると、製造上の構造のゆらぎが無視できなくなり、ノイズが急激に増加する。

これらの内部ノイズ由来のノイズ、構造上のゆらぎによるノイズ、および外来ノイズの合計と入力容量Ｃｉｎの値との関係を考えると、図２にて説明したように、入力容量の値Ｃｉｎの最適な範囲は、１．５ｐＦ＜Ｃｉｎ＜２０ｐＦとなる。

また、図３にて説明したように、容量検出回路部内の帰還容量３２の値Ｃｆと入力容量Ｃｉｎの関係が、０．１＜（Ｃｆ／Ｃｉｎ）＜１．０の範囲にあることでさらに良好な特性を得ることができる。

次に、図６を用いて、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを加速度センサに適用した場合の検出素子の他の構成について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを加速度センサに適用した場合の検出素子の他の構成を示す平面図である。なお、図１，図４と同一符号は、同一部分を示している。

本例の検出素子１０Ａは、第１検出電極Ｅｆ１ａ，Ｅｆ１ｂおよび第２検出電極Ｅｆ２ａ，Ｅｆ２ｂの他に、電圧を印加することで可動体に能動的に静電力を与え、可動体の固着などの故障を診断するための第１診断電極Ｅｄ１ａ，Ｅｄ１ｂおよび第２検出電極Ｅｄ２ａ，Ｅｄ２ｂと、第２可動電極Ｅｍａ２，Ｅｍｂ２を備えている。

この場合、第１診断電極Ｅｄ１ａと第２可動電極Ｅｍａ２の間、第１診断電極Ｅｄ１ｂと第２可動電極Ｅｍａ２の間、第２診断電極Ｅｄ２ａと第２可動電極Ｅｍａ２の間、第２診断電極Ｅｄ２ｂと第２可動電極Ｅｍａ２の間に、それぞれ診断電極容量が形成されるが、診断電極は本質的には低インピーダンスの信号であり、これらの容量は寄生容量１７に含まれるものとする。

次に、図７を用いて、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを角速度センサに適用した場合の構成及び動作について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを角速度センサに適用した場合の検出素子の構成を示す平面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

検出素子１０Ｂは、複数の電気的に絶縁された電極から構成され、互いに静電容量を構成すると同時に、その一部が直交した二方向に機械的に可動体１８Ａが変位できるように、バネ１７ｃ，１７ｄにより支持されている。第一の方向であるＸ方向における可動体１８Ａの変位を検出するための検出電極Ｅｆｘ１，Ｅｆｘ２が構成されており、可動体１８Ａと導通された可動電極との間にそれぞれ第１可変容量コンデンサ２１１，２１２が形成されている。同様に、Ｘ方向と直交した第二の方向であるＹ方向における可動体１８Ａの変位を検出するための検出電極Ｅｆｙ１，Ｅｆｙ２が構成されており、可動体１８Ａと導通された可動電極可動電極との間にそれぞれ第２可変容量コンデンサ３１１，３１２が形成されている。

また、可動体１８ＡをＸ方向に静電引力により加振するための駆動電極Ｅｄ１，Ｅｄ２が構成されている。さらに、可動体１８Ａと導通された可動電極の周辺には電気的に接地されたシールド配線１６が配置されている。ここで、可動電極Ｅとシールド配線１６との間に寄生容量Ｃｐが形成される。

このような検出素子において、まず、加速度の検出においては、検出素子１０にＸ方向に加速度が加わるとＸ方向に可動体１８Ａが変位し、この変位により可動体１８Ａと導通された可動電極と検出電極Ｅｆｘ１，Ｅｆｘ２との間の距離が変化し、第１可変容量コンデンサ２１１，２１２の値が変化するため、この容量変化を、図１に示したような搬送波印加部２０及び容量検出回路部３０で検出し、その直流成分を検出することによりＸ方向の加速度を検出することができる。

また、検出素子１０にＹ方向に加速度が加わるとＹ方向に可動体１８Ａが変位し、この変位により可動体１８Ａと導通された可動電極と検出電極Ｅｆｙ１，Ｅｆｙ２との間の距離が変化し、第２可変容量コンデンサ３１１，３１２の値が変化するため、同様にその直流成分を検出することによりＹ方向の加速度を検出することができる。

次に、角速度の検出においては、駆動電極Ｅｄ１，Ｅｄ２にそれぞれ逆相の交流電圧を加えると、交流の静電引力が可動体１８Ａに生じて可動体１８ＡがＸ方向に振動する。この状態で検出素子１０ＢにＸ方向，Ｙ方向の両者に直交した方向の角速度が印加されるとコリオリの作用により可動体１８ＡにＹ方向の力が作用し、可動体１８ＡはＹ方向にも振動する。この振動変位により可動体１８Ａと導通された可動電極と検出電極Ｅｆｙ１，Ｅｆｙ２との間の距離が変化し、第２可変容量コンデンサ３１１，３１２の値が変化するため、この容量変化のうち振動の周波数に同期した振幅を検出することにより角速度を検出することができる。

次に、図８を用いて、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを角速度センサに適用した場合の他の構成について説明する。
図８は、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを角速度センサに適用した場合の検出素子の他の構成を示す平面図である。なお、図１，図７と同一符号は、同一部分を示している。

図８は、検出素子１０Ｃとして、Ｘ方向の加速度の検出用のセンサ１０ａｃｃｘと、Ｙ方向の加速度の検出用のセンサ１０ａｃｃｙと、角速度の検出用のセンサ１０ａｎｇとをそれぞれ別体の検出素子を用いて、回路部分を統合したセンサである。

次に、図９を用いて、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを圧力センサに適用した場合の構成及び動作について説明する。
図９は、本発明の一実施形態による静電容量型物理量センサを圧力センサに適用した場合の検出素子の構成を示す平面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

圧力センサとしては、圧力による変形を伴う静電容量の変化から圧力を検出する。検出素子１０Ｄである圧力センサは、シリコン基板を加工して作られる。

検出素子１０Ｄは、搬送波印加部２０である搬送波印加部回路と、容量検出回路部３０であるＣＶ変換部回路と一緒に、シリコン基板１０１を加工することで作られる。検出素子１０Ｄには、薄膜加工された支持部１０２と、ダイアフラム部１０３が形成されている。シリコン基板１０１の上面には固定された検出電極Ｅｆとダイアフラムとともに変位する可動電極Ｅｍが形成され、その周りに接地されたシールド１６が構成されている。検出電極Ｅｆと可動電極Ｅｍとの間には、可変容量コンデンサ１１が形成されている。可動電極Ｅｍとシールド１６との間に寄生容量Ｃｐが形成されている。検出電極Ｅｆは搬送波印加部２に、可動電極Ｅｍは容量検出回路部３にそれぞれ接続されている。

搬送波印加部２および容量検出回路部３は、図１に示したような回路構成となっており、図１にて説明した搬送波印加部２および容量検出回路部３と同等の動作を行う。

ダイアフラム部１０３に圧力が加わると、可動電極Ｅｍと共に支持部１０２がたわんで可動電極Ｅｍと検出電極Ｅｆとの間の距離が変化し、可変容量コンデンサ１１の容量の値が変化する。この容量変化を、図１にて説明したのと同等の搬送波印加部２及び容量検出回路部３で電圧信号に変換することで、圧力を検出することができる。

本例の圧力センサに関しても、検出素子１０と容量検出回路部３の接続部に存在する対地容量が大きく、かつ基準電位に含まれるノイズ成分が大きいと、これらに由来する内部ノイズが大きくなり問題となるが、本発明の内容を適用することで良好な特性を得ることができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…検出素子
１１，１２…可変容量コンデンサ
１６…シールド配線
１８，１８Ａ，１８Ｖ，１８Ｃ…可動体
２０…搬送印加部
２１，２２…搬送波信号源
３０…容量検出回路部
３１…ＯＰアンプ
３２…帰還容量
３３…入力端子
３４…基準電位
３５…回路内部ノイズ
３７…出力端子
Ｃｐ…寄生容量
Ｅｆ…検出電極
Ｅｍ…可動電極

Claims

外界からの物理量により変位可能に支持された可動体と、該可動体の少なくとも片面に形成された検出電極とを有する検出素子と、
前記可動体の変位による前記検出電極の容量の変化を検出する容量検出回路と、
該容量検出回路の入力に接続された配線の周囲に配置され、低インピーダンスの直流電位に接続された配線とを有し、
前記可動体の変位による前記検出電極の容量の変化を前記容量検出回路によって電気信号に変換し、物理量を検出する静電容量型物理量センサであって、
前記検出素子と前記容量検出回路の接続部の低インピーダンスの固定電位に対する入力容量の値Ｃｉｎが、１．５ｐＦ＜Ｃｉｎ＜２０ｐＦの範囲にあることを特徴とする静電容量型物理量センサ。
請求項１記載の静電容量型物理量センサにおいて、
前記容量検出回路内の帰還容量の値Ｃｆと前記入力Ｃｉｎの関係が、０．１＜（Ｃｆ／Ｃｉｎ）＜１．０の範囲にあることを特徴とする静電容量型物理量センサ。
請求項１に記載の静電容量型物理量センサにおいて、
前記シールド配線の電位は、容量検出に用いる搬送波信号の直流電位と同電位であることを特徴とする静電容量型物理量センサ。
請求項１記載の静電容量型物理量センサにおいて、
前記検出素子は、前記可動体に静電引力を印加する診断電極を備えることを特徴とする静電容量型物理量センサ。
請求項１記載の静電容量型物理量センサにおいて、
前記可動体はシリコン結晶により構成されていることを特徴とする静電容量型物理量センサ。
外界からの角速度により変位可能に支持された可動体と、該可動体の直交する２面に形成された２つの検出電極と、前記可動体を加振する駆動電極を有する検出素子と、
前記駆動電極により生じる前記前記可動体の振動状態において加えられる角速度によるコリオリの作用により前記２つの検出電極の容量の変化を検出する容量検出回路と、
該容量検出回路の入力に接続された配線の周囲に配置され、低インピーダンスの直流電位に接続された配線とを有し、
前記可動体の変位による前記検出電極の容量の変化を前記容量検出回路によって電気信号に変換し、角速度を検出する角速度センサであって、
前記検出素子と前記容量検出回路の接続部の低インピーダンスの固定電位に対する入力容量の値Ｃｉｎが、１．５ｐＦ＜Ｃｉｎ＜２０ｐＦの範囲にあることを特徴とする角速度センサ。