JP2013217655A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＳＤに起因した破壊を防止することが可能であり且つ高精度化を図ることが可能なセンサ装置を提供する。
【解決手段】センサ装置は、センサ部１１および第１のＥＳＤ保護回路１２を有するセンサ素子１と、センサ部１１の出力電圧を信号処理する信号処理回路２１および第２のＥＳＤ保護回路２２を有するＩＣ素子２とを備える。センサ装置は、センサ部１１と第１のＥＳＤ保護回路１２との間に設けられセンサ部１１の出力電圧を信号成分の周波数よりも高い所定のチョッピング周波数ｆ_L0でチョッピングする第１のミキサ１３と、ＩＣ素子２に設けられチョッピング周波数ｆ_L0で入力電圧をチョッピングする第２のミキサ２５と、ＩＣ素子２において第２のミキサ２５の後段に設けられカットオフ周波数がチョッピング周波数ｆ_L0よりも低く且つ上記信号成分の周波数よりも高いフィルタであるローパスフィルタ２６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置に関するものである。

従来から、赤外線センサと、赤外線センサの出力信号を信号処理するＩＣ素子と、赤外線センサおよびＩＣ素子が収納されたパッケージとを備えた赤外線センサモジュールが提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載された赤外線センサは、マイクロマシニング技術を利用して形成された赤外線アレイセンサである。そして、この赤外線センサは、熱型赤外線検出部と画素選択用スイッチング素子であるＭＯＳトランジスタとを有する複数の画素部が、シリコン基板からなるベース基板の一表面側において２次元アレイ状に配列されている。また、特許文献１には、熱型赤外線検出部の感温部を、サーモパイル、抵抗ボロメータ、焦電体薄膜などにより構成できることが記載されている。なお、特許文献１には、赤外線センサに関して、赤外線アレイセンサに限らず、少なくとも１つの感温部を備えたものであればよい旨が記載されている。また、特許文献１には、ＩＣ素子として、ベアチップを用いている旨が記載されている。

また、ＩＣなどの半導体デバイスにおいては、静電気放電（ＥＳＤ：Electro-StaticDischarge）による半導体デバイスの破壊を防止するために、半導体デバイスのチップ上に、ＥＳＤ保護回路が設けられるのが一般的である（例えば、非特許文献１）。非特許文献１には、ＥＳＤ保護回路として、図１０に示すようにグラウンドラインと電源電圧ラインＶ_DDとの間に接続された、２つのダイオードＤ₁，Ｄ₂の直列回路が記載されている。

特開２０１１−１７４７６２号公報

「アナログＣＭＯＳ集積回路の設計 応用編」、丸善株式会社、平成１５年１０月１０日第４刷発行、ｐ．８０４−８０７

センサ素子と、センサ素子の出力電圧を信号処理するＩＣ素子とを備えたセンサ装置においては、センサ素子の出力電圧の振幅が小さく、センサ素子の出力インピーダンスが高いため、出力電圧を増幅して信号処理を行うことが多い。例えば、上述の赤外線センサモジュールでは、センサ素子である赤外線センサの感温部がサーモパイルの場合、出力信号である出力電圧の振幅が小さく、赤外線センサの出力インピーダンスが高い。このため、本願発明者らは、ＩＣ素子に、赤外線センサの出力電圧を増幅する増幅回路、この増幅回路のアナログの出力電圧をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換回路などを設けることを考えた。

また、本願発明者らは、上述の赤外線センサモジュールのようなセンサ装置において、赤外線センサおよびＩＣ素子それぞれのＥＳＤによる破壊を防止するために、赤外線センサおよびＩＣ素子のそれぞれに、ＥＳＤ保護回路を設けることを考えた。

しかしながら、センサ素子である赤外線センサとＩＣ素子とのそれぞれにＥＳＤ保護回路を設けたセンサ装置では、各ＥＳＤ保護回路に流れるリーク電流に起因したオフセット電圧が生じ、Ｓ／Ｎ比が低下してしまうことがあった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ＥＳＤに起因した破壊を防止することが可能であり且つ高精度化を図ることが可能なセンサ装置を提供することにある。

本発明のセンサ装置は、検出対象の物理量に応じたアナログの出力電圧を発生するセンサ部および第１のＥＳＤ保護回路を有するセンサ素子と、前記出力電圧を信号処理する信号処理回路および第２のＥＳＤ保護回路を有するＩＣ素子とを備えたセンサ装置であって、前記センサ素子において前記センサ部と前記第１のＥＳＤ保護回路との間に設けられ前記センサ部の出力電圧を信号成分の周波数よりも高い所定のチョッピング周波数でチョッピングする第１のミキサと、前記ＩＣ素子に設けられ前記チョッピング周波数で入力電圧をチョッピングする第２のミキサと、前記ＩＣ素子において前記第２のミキサの後段に設けられカットオフ周波数が前記チョッピング周波数よりも低く且つ前記信号成分の周波数よりも高いローパスフィルタとを備えることを特徴とする。

このセンサ装置において、前記第１のＥＳＤ保護回路は、前記センサ素子の高電位側の出力端と第１の電源電圧ラインとの間に前記出力端側をアノード側として接続された第１のダイオードと、前記センサ素子の前記出力端と第１のグラウンドラインとの間に前記出力端側をカソード側として接続された第２のダイオードとからなり、前記第２のＥＳＤ保護回路は、前記センサ素子の前記出力端に接続される前記ＩＣ素子の入力端と第２の電源電圧ラインとの間に前記入力端側をアノード側として接続された第３のダイオードと、前記入力端と第２のグラウンドラインとの間に前記入力端側をカソード側として接続された第４のダイオードとからなることが好ましい。

このセンサ装置において、前記ＩＣ素子は、前記信号処理回路が、前記センサ素子の出力電圧を増幅するアンプを備え、前記第２のミキサを前記アンプの後段に設けてあることが好ましい。

このセンサ装置において、前記センサ素子が、前記センサ部を複数備え、前記第１のミキサよりも前段で前記センサ部それぞれに直列接続された複数のアナログスイッチを備えてなることが好ましい。

このセンサ装置において、前記センサ素子が、前記センサ部を複数備え、前記センサ部ごとに前記第１のミキサを備え、前記各第１のミキサは、４個のアナログスイッチをブリッジ接続したブリッジ回路からなり、前記ブリッジ回路の各アームを構成する各２個の前記アナログスイッチが交互にオンオフされ、かつ、前記ブリッジ回路の対角位置の２個の前記アナログスイッチが同時にオンオフされるものであり、前記センサ素子は、複数の前記第１のミキサが択一的に動作することが好ましい。

このセンサ装置において、前記センサ素子は、前記センサ部を複数備え、前記センサ部ごとに前記第１のミキサを備え、前記第１のミキサごとに前記チョッピング周波数が異なり、前記ＩＣ素子は、前記第２のミキサの前記チョッピング周波数が可変であり、前記フィルタは、バンドパスフィルタであることが好ましい。

このセンサ装置において、前記センサ素子が、前記センサ部を複数備え、前記センサ部ごとに前記第１のミキサを備え、前記各第１のミキサは、４個のアナログスイッチをブリッジ接続したブリッジ回路からなり、前記ブリッジ回路の各アームを構成する各２個の前記アナログスイッチが交互にオンオフされ、かつ、前記ブリッジ回路の対角位置の２個の前記アナログスイッチが同時にオンオフされるものであり、前記センサ素子は、前記第１のミキサごとに前記チョッピング周波数が異なり、前記フィルタは、バンドパスフィルタであり、前記ＩＣ素子は、前記第２のミキサと前記バンドパスフィルタとの組を複数備え、前記第２のミキサが並列的に設けられており、前記第２のミキサごとに前記チョッピング周波数が異なることが好ましい。

前記ＩＣ素子は、前記信号処理回路が、前記各バンドパスフィルタそれぞれの後段にＡ／Ｄコンバータを備えてなることが好ましい。

本発明のセンサ装置においては、ＥＳＤに起因した破壊を防止することが可能であり且つ高精度化を図ることが可能となる。

（ａ）は実施形態１のセンサ装置の概略回路図、（ｂ）は実施形態１のセンサ装置の概略等価回路図である。 （ａ）は実施形態１のセンサ装置における第１のミキサの回路図、（ｂ）は実施形態１のセンサ装置における第２のミキサの回路図である。 実施形態１のセンサ装置の動作説明図である。 （ａ）は実施形態２のセンサ装置の概略回路図、（ｂ）は実施形態２のセンサ装置の概略等価回路図である。 （ａ）は実施形態３のセンサ装置の概略回路図、（ｂ）は実施形態３のセンサ装置の概略等価回路図である。 （ａ）は実施形態４のセンサ装置の概略回路図、（ｂ）は実施形態４のセンサ装置の概略等価回路図である。 （ａ）は実施形態５のセンサ装置の概略回路図、（ｂ）は実施形態５のセンサ装置の概略等価回路図である。 実施形態５のセンサ装置の動作説明図である。 （ａ）は実施形態６のセンサ装置の概略回路図、（ｂ）は実施形態６のセンサ装置の概略等価回路図である。 従来のＥＳＤ保護回路の説明図である。

（実施形態１）
以下では、本実施形態のセンサ装置について図１〜図３に基づいて説明する。

センサ装置は、検出対象の物理量に応じたアナログの出力電圧を発生するセンサ部１１および第１のＥＳＤ保護回路１２を有するセンサ素子１を備えている。また、センサ装置は、センサ部１１の出力電圧を信号処理する信号処理回路２１および第２のＥＳＤ保護回路２２を有するＩＣ素子２を備えている。図１は、（ａ）がセンサ装置の概略回路図、（ｂ）がセンサ装置の等価回路図である。ここで、図１（ｂ）では、センサ部１１の等価回路を、センサ部１１の出力電圧の信号電圧に対応する電圧源Ｖｓとセンサ部１１のインピーダンスに対応する抵抗Ｒｓとの直列回路で表してある。要するに、電圧源Ｖｓの電圧は、センサ部１１の信号電圧であり、抵抗Ｒｓの抵抗値は、センサ部１１のインピーダンスである。

センサ装置は、センサ素子１においてセンサ部１１と第１のＥＳＤ保護回路１２との間に設けられた第１のミキサ１３と、ＩＣ素子２に設けられた第２のミキサ２５と、第２のミキサ２５の後段に設けられたローパスフィルタ２６とを備えている。第１のミキサ１３は、センサ部１１の出力電圧を信号成分の周波数よりも高い所定のチョッピング周波数ｆ_L0でチョッピングするものである。第２のミキサ２５は、チョッピング周波数ｆ_L0で入力電圧をチョッピングするものである。ローパスフィルタ２６は、カットオフ周波数が上記チョッピング周波数よりも低く且つ上記信号成分の周波数よりも高いフィルタである。センサ装置は、第１のＥＳＤ保護回路１２および第２のＥＳＤ保護回路２２に起因してセンサ部１１に流れるリーク電流Ｉ_Lとセンサ部１１のインピーダンスとで決まるオフセット電圧が生じる。しかしながら、センサ装置は、第１のミキサ１３、第２のミキサ２５およびローパスフィルタ２６を設けたことにより、オフセット電圧を低減することが可能となる。

第１のＥＳＤ保護回路１２は、センサ素子１の高電位側の出力端と第１の電源電圧ラインＶ_DD1との間に出力端側をアノード側として接続された第１のダイオードＤ₁と、センサ素子１の出力端と第１のグラウンドラインＶ_GND1との間に出力端側をカソード側として接続された第２のダイオードＤ₂とからなる。したがって、第１のＥＳＤ保護回路１２は、２つのダイオードＤ₁，Ｄ₂の直列回路から構成される簡単な回路構成とすることができる。

第２のＥＳＤ保護回路２２は、センサ素子１の出力端に接続されるＩＣ素子２の入力端と第２の電源電圧ラインＶ_DD2との間に当該入力端側をアノード側として接続された第３のダイオードＤ₃と、当該入力端と第２のグラウンドラインＶ_GND2との間に当該入力端側をカソード側として接続された第４のダイオードＤ₄とからなる。したがって、第２のＥＳＤ保護回路２２は、２つのダイオードＤ₃，Ｄ₄の直列回路から構成される簡単な回路構成とすることができる。

図１（ｂ）では、ダイオードＤ₁〜Ｄ₄を電流源Ｉ₁〜Ｉ₄それぞれとして表してある。なお、第１の電源電圧ラインＶ_DD1の電位と、第２の電源電圧ラインＶ_DD2の電位とは同電位とする。また、第１のグラウンドラインＶ_GND1の電位と、第２のグラウンドラインＶ_GND2の電位とは同電位とする。また、本実施形態のセンサ装置は、センサ素子１とＩＣ素子２とが１つのパッケージ（図示せず）に収納されている。

センサ素子１としては、例えば、サーモパイルからなるセンサ部１１、第１のＥＳＤ保護回路１２、第１のミキサ１３が第１のシリコン基板の一表面側に形成された赤外線センサチップを用いることができる。センサ素子１のセンサ部１１は、サーモパイルに限らず、例えば、サーミスタでもよい。また、センサ素子１のセンサ部１１は、これらに限らず、電圧出力型の物理量センサ部や化学量センサ部であればよい。いずれにしても、センサ素子１は、センサ部１１がアナログの出力電圧を発生する。

ＩＣ素子２は、例えば、信号処理回路２１として、アンプ（増幅回路）２３、Ａ／Ｄ変換回路２４および制御部２７、更に、第２のミキサ２５およびローパスフィルタ２６が第２のシリコン基板に形成されたＩＣチップを用いることができる。

アンプ２３としては、例えば、チョッパアンプを用いることができるが、チョッパアンプ以外のアンプを用いることもできる。

Ａ／Ｄ変換回路２４としては、例えば、一重積分型Ａ／Ｄ変換器や二重積分型Ａ／Ｄ変換器などの積分型Ａ／Ｄ変換器を用いることができる。また、Ａ／Ｄ変換回路２４としては、追従比較型Ａ／Ｄ変換器や逐次比較型Ａ／Ｄ変換器などの比較型Ａ／Ｄ変換器を用いることもできる。

制御部２７は、第１のミキサ１３、第２のミキサ２５、アンプ２３、Ａ／Ｄ変換回路２４などを制御する機能を有している。制御部２７は、適宜のプログラムを搭載したマイクロコンピュータなどにより構成してもよいし、タイミングコントロール回路や、それぞれ所望の機能を実現するように設計した複数の回路などの組み合せにより構成してもよい。

第１のミキサ１３は、例えば、図２（ａ）に示すように、４個のアナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃，Ｑ₁₄をブリッジ接続したブリッジ回路（以下、第１のブリッジ回路とも称する）により構成することができる。第１のブリッジ回路の各アームを構成する各２個ずつのアナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂およびＱ₁₃，Ｑ₁₄は、それぞれ直列接続され、アナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂およびＱ₁₃，Ｑ₁₄の各直列回路は、センサ部１１に並列接続されている。また、アナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂の接続点とアナログスイッチＱ₁₃，Ｑ₁₄の接続点との間には、ＩＣ素子２が接続される。第１のミキサ１３は、第１のブリッジ回路の各アームを構成する各２個のアナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂およびＱ₁₃，Ｑ₁₄が交互にオンオフされ、かつ、第１のブリッジ回路の対角位置の２個のアナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₄およびＱ₁₂，Ｑ₁₃が同時にオンオフされる。第１のミキサ１３の各アナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃，Ｑ₁₄は、制御部２７からのチョッピング周波数ｆ_L0の制御信号によってオンオフ制御される。

第１のミキサ１３の各アナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃，Ｑ₁₄の各々は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタにより構成することが好ましい。これにより、各アナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃，Ｑ₁₄の各々は、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにより構成する場合に比べて、オン抵抗を低減できるとともに、高速動作が可能となる。

第２のミキサ２５は、例えば、図２（ｂ）に示すように、４個のアナログスイッチＱ₂₁，Ｑ₂₂，Ｑ₂₃，Ｑ₂₄をブリッジ接続したブリッジ回路（以下、第２のブリッジ回路とも称する）により構成することができる。第２のブリッジ回路の各アームを構成する各２個ずつのアナログスイッチＱ₂₁，Ｑ₂₂およびＱ₂₃，Ｑ₂₄は、それぞれ直列接続され、アナログスイッチＱ₂₁，Ｑ₂₂およびＱ₂₃，Ｑ₂₄の各直列回路は、センサ部１１に並列接続されている。また、アナログスイッチＱ₂₁，Ｑ₂₂の接続点とアナログスイッチＱ₂₃，Ｑ₂₄の接続点との間には、ＩＣ素子２が接続される。第２のミキサ２５は、第２のブリッジ回路の各アームを構成する各２個のアナログスイッチＱ₂₁，Ｑ₂₂およびＱ₂₃，Ｑ₂₄が交互にオンオフされ、かつ、第２のブリッジ回路の対角位置の２個のアナログスイッチＱ₂₁，Ｑ₂₄およびＱ₂₂，Ｑ₂₃が同時にオンオフされる。第２のミキサ２５の各アナログスイッチＱ₂₁，Ｑ₂₂，Ｑ₂₃，Ｑ₂₄は、制御部２７からのチョッピング周波数ｆ_L0の制御信号によってオンオフが制御される。

第２のミキサ２５の各アナログスイッチＱ₂₁，Ｑ₂₂，Ｑ₂₃，Ｑ₂₄の各々は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタにより構成することが好ましい。これにより、各アナログスイッチＱ₂₁，Ｑ₂₂，Ｑ₂₃，Ｑ₂₄の各々は、ｐチャネルＭＯＳトランジスタにより構成する場合に比べて、オン抵抗を低減できるとともに、高速動作が可能となる。

ローパスフィルタ２６は、例えば、ＣＲ型のローパスフィルタを用いることができる。この場合、抵抗の抵抗値をＲ₁、コンデンサの容量をＣ₁とすると、カットオフ周波数は、１／（２πＲ₁Ｃ₁）で表される。

ところで、センサ素子１は、センサ部１１がサーモパイルやサーミスタで、検出対象の物理量が人体から放射される赤外線に起因した温度変化量の場合、センサ部１１の出力電圧における信号電圧（信号成分）の周波数は、０〜１０Ｈｚ程度である。また、リーク電流Ｉ_Lとセンサ部１１のインピーダンスとで決まるオフセット電圧（オフセット成分）は、直流成分である。

第１のミキサ１３は、センサ部１１の出力電圧をチョッピング周波数ｆ_L0（例えば、３０ｋＨｚ）でチョッピングすることで変調することができる。チョッピング周波数ｆ_L0は、信号成分の周波数よりも高い周波数に設定する。チョッピング周波数ｆ_L0は、特に限定するものではないが、信号成分の周波数よりも十分に高い周波数（例えば、フリッカ雑音の振幅レベルが信号成分の振幅レベルよりも十分小さくなる周波数よりも高い周波数）が好ましい。

センサ部１１の出力電圧が図３（ａ）のような模式的な周波数スペクトル分布の場合、第１のミキサ１３の出力電圧は、図３（ｂ）のような模式的な周波数スペクトル分布となる。図３（ｂ）では、Ａ１が、信号成分、Ａ２が、リーク電流Ｉ_Lとセンサ部１１のインピーダンスとで決まるオフセット成分を示している。要するに、第１のミキサ１３により、信号成分とオフセット成分とを分離することができる。

第２のミキサ２５は、入力電圧（ここでは、第１のミキサ１３の出力電圧）をチョッピング周波数ｆ_L0でチョッピングすることでセンサ部１１の信号成分Ａ１を元の低周波数帯に移す一方で、オフセット成分Ａ２をチョッピング周波数に移すことができる。第２のミキサ２５の出力電圧は、図３（ｃ）のような模式的な周波数スペクトル分布となる。図３（ｃ）には、ローパスフィルタ２６のフィルタ特性を一点鎖線で示してある。ローパスフィルタ２６は、チョッピング周波数を有するオフセット成分Ａ２を除去し、かつ、チョッピング周波数ｆ_L0よりも低周波数帯にある信号成分Ａ１を抽出することができるようにカットオフ周波数が設定されている。

以上説明したセンサ装置では、センサ素子１、ＩＣ素子２が、第１のＥＳＤ保護回路１２、第２のＥＳＤ保護回路２２をそれぞれ備えていることにより、ＥＳＤに起因した破壊を防止することが可能となる。そして、センサ装置は、上述の第１のミキサ１３と、第２のミキサ２５と、ローパスフィルタ２６とを備えている。これにより、センサ装置は、第１のＥＳＤ保護回路１２および第２のＥＳＤ保護回路２２に起因してセンサ部１１に流れるリーク電流Ｉ_Lとセンサ部１１のインピーダンスとで決まるオフセット電圧を低減することが可能となり、高精度化を図ることが可能となる。

（実施形態２）
以下では、本実施形態のセンサ装置について図４に基づいて説明する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のセンサ装置は、ＩＣ素子２において、第２のミキサ２５およびローパスフィルタ２６が、アンプ２３の後段側に設けられている点などが実施形態１のセンサ装置と相違する。要するに、ＩＣ素子２の信号処理回路２１は、センサ素子１の出力電圧を増幅するアンプ２３の後段に第２のミキサ２５を設け、第２のミキサ２５の後段にローパスフィルタ２６を設けてある。そして、信号処理回路２１は、ローパスフィルタ２６の後段にＡ／Ｄ変換回路２４を設けてある。

本実施形態のセンサ装置では、実施形態１と同様、センサ素子１、ＩＣ素子２が、第１のＥＳＤ保護回路１２、第２のＥＳＤ保護回路２２をそれぞれ備えていることにより、ＥＳＤに起因した破壊を防止することが可能となる。また、本実施形態のセンサ装置では、実施形態１と同様、リーク電流Ｉ_Lとセンサ部１１のインピーダンスとで決まるオフセット電圧を低減することが可能となり、高精度化を図ることが可能となる。

また、本実施形態のセンサ装置では、第２のミキサ２５およびローパスフィルタ２６が、アンプ２３の後段側に設けられていることにより、リーク電流Ｉ_Lに起因したオフセット電圧だけでなく、アンプ２３の雑音電圧を除去することが可能となる。

（実施形態３）
以下では、本実施形態のセンサ装置について図５に基づいて説明する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のセンサ装置は、センサ素子１が、センサ部１１を複数備え、第１のミキサ１３よりも前段でセンサ部１１それぞれに直列接続された複数のアナログスイッチＳＷ₁を備えている点などが実施形態２のセンサ装置と相違する。なお、以下では、説明の便宜上、複数のアナログスイッチＳＷ₁をアナログスイッチＳＷ₁₁〜ＳＷ_1n（図示例では、ｎは３以上の整数）と称することもある。

各アナログスイッチＳＷ₁の各々は、センサ部１１とセンサ素子１の高電位側の出力端との間に設けられている。複数のアナログスイッチＳＷ₁は、ＩＣ素子２の制御部２７によってオンオフ制御される。制御部２７は、複数のアナログスイッチＳＷ₁が１つずつオンとなるように複数のアナログスイッチをサイクリックに制御する。

センサ素子１としては、感温部および当該感温部の出力電圧を取り出すためのＭＯＳトランジスタを具備する複数の画素部が、半導体基板（シリコン基板）の一表面側において２次元アレイ状に配置された赤外線アレイセンサを用いることができる。この赤外線アレイセンサは、全ての感温部の出力を時系列的に読み出すことが可能なものである。この種の赤外線アレイセンサとしては、例えば、特開２０１０−２３７１１７号公報に開示された赤外線アレイセンサを用いることができる。センサ素子１として赤外線アレイセンサを用いた場合には、各感温部の各々が、センサ部１１を構成し、各ＭＯＳトランジスタの各々がアナログスイッチＳＷ₁を構成する。なお、この赤外線アレイセンサを温度センサとして用いる場合には、半導体基板の温度を一定に保つことで感温部におけるサーモパイルの冷接点の温度を一定温度に保つペルチェ素子を用いるか、あるいは、冷接点の温度を検出するサーミスタを設けることが好ましい。

各アナログスイッチＳＷ₁₁〜ＳＷ_1nそれぞれは、所望のセンサ部１１（ここでは、直列接続されたセンサ部１１）の出力電圧を読み出すための選択用のスイッチ要素を構成する。

ここで、複数のセンサ部１１は、同構成である。要するに、複数のセンサ部１１は、仕様が同じであり、特性が同じとなるように設計してある。したがって、センサ素子１は、各センサ部１１それぞれで検出される物理量が同じであるとすれば、各センサ部１１それぞれの出力電圧の信号電圧に対応する電圧源Ｖｓ₁〜Ｖｓ_nの電圧をＶｓ、各センサ部１１それぞれのインピーダンスに対応する抵抗Ｒｓ₁〜Ｒｓ_nの抵抗値をＲｓとみなすことができる。センサ装置は、複数のアナログスイッチＳＷ₁₁〜ＳＷ_1nのうち、アナログスイッチＳＷ₁₁のみが択一的にオンされているときに、等価回路が電圧源Ｖｓ₁と抵抗Ｒｓ₁との直列回路で表わされるセンサ部１１の出力電圧が、第１のミキサ１３に入力される。同様に、センサ装置は、複数のアナログスイッチＳＷ₁₁〜ＳＷ_1nのうち、アナログスイッチＳＷ₁₂のみが択一的にオンされているときに、等価回路が電圧源Ｖｓ₂と抵抗Ｒｓ₂との直列回路で表わされるセンサ部１１の出力電圧が、第１のミキサ１３に入力される。同様に、センサ装置は、複数のアナログスイッチＳＷ₁₁〜ＳＷ_1nのうち、アナログスイッチＳＷ_1nのみが択一的にオンされているときに、等価回路が電圧源Ｖｓ_nと抵抗Ｒｓ_nとの直列回路で表わされるセンサ部１１の出力電圧が、第１のミキサ１３に入力される。

本実施形態のセンサ装置では、実施形態１と同様、センサ素子１、ＩＣ素子２が、第１のＥＳＤ保護回路１２、第２のＥＳＤ保護回路２２をそれぞれ備えていることにより、ＥＳＤに起因した破壊を防止することが可能となる。また、センサ装置は、第１のＥＳＤ保護回路１２および第２のＥＳＤ保護回路２２に起因してセンサ部１１に流れるリーク電流Ｉ_Lとセンサ部１１のインピーダンスとで決まるオフセット電圧を低減することができるので、高精度化を図ることが可能となる。

（実施形態４）
以下では、本実施形態のセンサ装置について図６に基づいて説明する。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のセンサ装置は、センサ素子１が、センサ部１１ごとに第１のミキサ１３を備えている点などが実施形態３のセンサ装置と相違する。なお、以下では、説明の便宜上、複数の第１のミキサ１３を第１のミキサ１３₁〜１３_n（図示例では、ｎは３以上の整数）と称することもある。

各第１のミキサ１３は、実施形態１と同様、図２（ａ）に示すように、４個のアナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃，Ｑ₁₄をブリッジ接続した第１のブリッジ回路からなる。第１のブリッジ回路の各アームを構成する各２個ずつのアナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂およびＱ₁₃，Ｑ₁₄は、それぞれ直列接続され、アナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂およびＱ₁₃，Ｑ₁₄の各直列回路は、センサ部１１に並列接続されている。また、アナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂の接続点とアナログスイッチＱ₁₃，Ｑ₁₄の接続点との間には、ＩＣ素子２が接続される。

第１のミキサ１３は、第１のブリッジ回路の各アームを構成する各２個のアナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂およびＱ₁₃，Ｑ₁₄が交互にオンオフされ、かつ、第１のブリッジ回路の対角位置の２個のアナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₄およびＱ₁₂，Ｑ₁₃が同時にオンオフされる。

第１のミキサ１３のアナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃，Ｑ₁₄は、制御部２７からの制御信号によってオンオフが制御される。ここで、本実施形態のセンサ装置では、各第１のミキサ１３の各々が同一のチョッピング周波数ｆ_L0の制御信号によって制御される。ここで、制御部２７は、複数の第１のミキサ１３が択一的に動作させる。すなわち、センサ素子１は、複数の第１のミキサ１３がＩＣ素子２の制御部２７によってサイクリックに制御される。

ところで、実施形態３のセンサ装置では、センサ素子１において、各センサ部１１ごとにアナログスイッチＳＷ₁が１つずつ直列接続されているので、択一的にオンされた選択用のスイッチ要素であるアナログスイッチＳＷ₁に直列接続されているセンサ部１１の出力電圧に、アナログスイッチＳＷ₁のリーク電流に起因したオフセット電圧が生じてしまう。

一方、本実施形態のセンサ装置では、各センサ部１１の各々の両端間に第１のミキサ１３が１つずつ接続されているので、各第１のミキサ１３の各々の２個のアナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₄が、選択用のスイッチ要素を兼ねている。したがって、本実施形態のセンサ装置は、第１のミキサ１３に接続されているセンサ部１１の両端にアナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₄がそれぞれ直列接続されるので、選択用のスイッチ要素のリーク電流に起因したオフセット電圧を低減することが可能となる。

（実施形態５）
以下では、本実施形態のセンサ装置について図７に基づいて説明する。なお、実施形態４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態のセンサ装置は、第１のミキサ１３ごとにチョッピング周波数が異なり、ＩＣ素子２の第２のミキサ２５のチョッピング周波数が可変である点、フィルタがバンドパスフィルタ２８である点などが実施形態４のセンサ装置とは相違する。また、図７では、説明を簡単にするために、センサ部１１の数が３つの場合を例示してあるが、センサ部１１の数は特に限定するものではない。

第１のミキサ１３₁は、アナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃，Ｑ₁₄（図２（ａ）参照）のオンオフが、制御部２７からのチョッピング周波数ｆ₁の制御信号によって制御される。また、第１のミキサ１３₂は、アナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃，Ｑ₁₄のオンオフが、制御部２７からのチョッピング周波数ｆ₂の制御信号によって制御される。同様に、第１のミキサ１３₃は、アナログスイッチＱ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃，Ｑ₁₄のオンオフが、制御部２７からのチョッピング周波数ｆ₃の制御信号によって制御される。

一方、第２のミキサ２５は、アナログスイッチＱ₂₁，Ｑ₂₂，Ｑ₂₃，Ｑ₂₄（図２（ｂ）参照）のオンオフが、制御部２７からのチョッピング周波数ｆ_n（ｎは自然数）の制御信号によって制御される。ここで、制御部２７は、センサ部１１の出力電圧が第１のミキサ１３₁を通してＩＣ素子２に入力されるように第１のミキサ１３₁をチョッピング周波数ｆ₁の制御信号によって制御する場合、第２のミキサ２５をチョッピング周波数ｆ₁の制御信号によって制御する。同様に、制御部２７は、センサ部１１の出力電圧が第１のミキサ１３₂を通してＩＣ素子２に入力されるように第１のミキサ１３₂をチョッピング周波数ｆ₂の制御信号によって制御する場合、第２のミキサ２５をチョッピング周波数ｆ₂の制御信号によって制御する。同様に、制御部２７は、センサ部１１の出力電圧が第１のミキサ１３₃を通してＩＣ素子２に入力されるように第１のミキサ１３₃をチョッピング周波数ｆ₃の制御信号によって制御する場合、第２のミキサ２５をチョッピング周波数ｆ₃の制御信号によって制御する。

センサ部１１の出力電圧が図８（ａ）のような模式的な周波数スペクトル分布の場合、センサ素子１の出力電圧は、図８（ｂ）のような模式的な周波数スペクトル分布となる。図８（ｂ）は、各信号成分Ａ１（信号成分Ｖｓ₁，Ｖｓ₂，Ｖｓ₃）とオフセット成分Ａ２とが分離されていることを示している。

第２のミキサ２５は、入力電圧（ここでは、第１のミキサ１３の出力電圧）をチョッピング周波数ｆ_nでチョッピングすることでセンサ部１１の信号成分Ａ１を元の低周波数帯に移す一方で、オフセット成分Ａ２をチョッピング周波数に移すことができる。第２のミキサ２５のチョッピング周波数ｆ_nを例えばチョッピング周波数ｆ₂とした場合、第２のミキサ２５の出力電圧は、図８（ｃ）のような模式的な周波数スペクトル分布となる。図８（ｃ）には、バンドパスフィルタ２８のフィルタ特性を一点鎖線で示してある。バンドパスフィルタ２８は、チョッピング周波数ｆ_nを有するオフセット成分Ａ２を除去し、かつ、チョッピング周波数ｆ_nよりも低周波数帯にある信号成分Ａ１を抽出することができるようにカットオフ周波数が設定される。

本実施形態のセンサ装置は、実施形態１と同様、センサ素子１、ＩＣ素子２が、第１のＥＳＤ保護回路１２、第２のＥＳＤ保護回路２２をそれぞれ備えていることにより、ＥＳＤに起因した破壊を防止することが可能となる。そして、本実施形態のセンサ装置では、第１のＥＳＤ保護回路１２および第２のＥＳＤ保護回路２２に起因してセンサ部１１に流れるリーク電流Ｉ_Lとセンサ部１１のインピーダンスとで決まるオフセット電圧を低減することができるので、高精度化を図ることが可能となる。

また、本実施形態のセンサ装置は、第１のミキサ１３ごとにチョッピング周波数が異なり、ＩＣ素子２の第２のミキサ２５のチョッピング周波数が可変である。これにより、センサ装置は、所望のセンサ部１１の出力電圧を、第１のミキサ１３、アンプ２３、第２のミキサ２５、バンドパスフィルタ２８を通してＡ／Ｄ変換回路２４に入力させることができる。

（実施形態６）
以下では、本実施形態のセンサ装置について図９に基づいて説明する。なお、実施形態５と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のセンサ装置は、ＩＣ素子２が、第２のミキサ２５とバンドパスフィルタ２８との組を複数備え、第２のミキサ２５が並列的に設けられている点などが相違する。ここで、本実施形態のセンサ装置は、第２のミキサ２５ごとにチョッピング周波数が異なる。なお、以下では、説明の便宜上、複数の第２のミキサ２５を第２のミキサ２５₁〜２５_n（図示例では、ｎは３）と称することもある。

ここで、制御部２７は、第１のミキサ１３₁，１３₂，１３₃をチョッピング周波数ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃の制御信号によってそれぞれ制御する一方で、第２のミキサ２５をチョッピング周波数ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃の制御信号によってそれぞれ制御する。これにより、センサ装置は、複数のセンサ部１１の出力電圧を、第１のミキサ１３₁，１３₂，１３₃それぞれでチョッピングした後、第２のミキサ２５₁，２５₂，２５₃それぞれでチョッピングすることができる。要するに、本実施形態のセンサ装置では、複数のセンサ部１１の出力電圧を略同時に取り扱うことができる。

センサ装置は、ＩＣ素子２の信号処理回路２１が、各バンドパスフィルタ２８それぞれの後段にＡ／Ｄ変換回路２４を備えていることが好ましい。これにより、複数のセンサ部１１の出力電圧それぞれに対応したディジタル信号を複数のＡ／Ｄ変換回路２４それぞれから出力させることが可能となる。

１ センサ素子
２ ＩＣ素子
１１ センサ部
１２ 第１のＥＳＤ保護回路
１３ 第１のミキサ
２１ 信号処理回路
２２ 第２のＥＳＤ保護回路
２３ アンプ
２４ Ａ／Ｄ変換回路
２５ 第２のミキサ
２６ ローパスフィルタ（フィルタ）
２７ 制御部
２８ バンドパスフィルタ（フィルタ）
Ｄ₁ 第１のダイオード
Ｄ₂ 第２のダイオード
Ｄ₃ 第３のダイオード
Ｄ₄ 第４のダイオード
Ｉ_L リーク電流
ｆ_L0，ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃，ｆ_n チョッピング周波数
Ｑ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃，Ｑ₁₄ アナログスイッチ
Ｑ₂₁，Ｑ₂₂，Ｑ₂₃，Ｑ₂₄ アナログスイッチ
ＳＷ₁ アナログスイッチ
Ｖ_DD1 第１の電源電圧ライン
Ｖ_DD2 第２の電源電圧ライン
Ｖ_GND1 第１のグラウンドライン
Ｖ_GND2 第２のグラウンドライン

Claims (8)

1. 検出対象の物理量に応じたアナログの出力電圧を発生するセンサ部および第１のＥＳＤ保護回路を有するセンサ素子と、前記出力電圧を信号処理する信号処理回路および第２のＥＳＤ保護回路を有するＩＣ素子とを備えたセンサ装置であって、前記センサ素子において前記センサ部と前記第１のＥＳＤ保護回路との間に設けられ前記センサ部の出力電圧を信号成分の周波数よりも高い所定のチョッピング周波数でチョッピングする第１のミキサと、前記ＩＣ素子に設けられ前記チョッピング周波数で入力電圧をチョッピングする第２のミキサと、前記ＩＣ素子において前記第２のミキサの後段に設けられカットオフ周波数が前記チョッピング周波数よりも低く且つ前記信号成分の周波数よりも高いフィルタとを備えることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記第１のＥＳＤ保護回路は、前記センサ素子の高電位側の出力端と第１の電源電圧ラインとの間に前記出力端側をアノード側として接続された第１のダイオードと、前記センサ素子の前記出力端と第１のグラウンドラインとの間に前記出力端側をカソード側として接続された第２のダイオードとからなり、前記第２のＥＳＤ保護回路は、前記センサ素子の前記出力端に接続される前記ＩＣ素子の入力端と第２の電源電圧ラインとの間に前記入力端側をアノード側として接続された第３のダイオードと、前記入力端と第２のグラウンドラインとの間に前記入力端側をカソード側として接続された第４のダイオードとからなることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記ＩＣ素子は、前記信号処理回路が、前記センサ素子の出力電圧を増幅するアンプを備え、前記第２のミキサを前記アンプの後段に設けてあることを特徴とする請求項１又は２記載のセンサ装置。
4. 前記センサ素子が、前記センサ部を複数備え、前記第１のミキサよりも前段で前記センサ部それぞれに直列接続された複数のアナログスイッチを備えてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
5. 前記センサ素子が、前記センサ部を複数備え、前記センサ部ごとに前記第１のミキサを備え、前記各第１のミキサは、４個のアナログスイッチをブリッジ接続したブリッジ回路からなり、前記ブリッジ回路の各アームを構成する各２個の前記アナログスイッチが交互にオンオフされ、かつ、前記ブリッジ回路の対角位置の２個の前記アナログスイッチが同時にオンオフされるものであり、前記センサ素子は、複数の前記第１のミキサが択一的に動作することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
6. 前記センサ素子は、前記センサ部を複数備え、前記センサ部ごとに前記第１のミキサを備え、前記第１のミキサごとに前記チョッピング周波数が異なり、前記ＩＣ素子は、前記第２のミキサの前記チョッピング周波数が可変であり、前記フィルタは、バンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１又は２記載のセンサ装置。
7. 前記センサ素子が、前記センサ部を複数備え、前記センサ部ごとに前記第１のミキサを備え、前記各第１のミキサは、４個のアナログスイッチをブリッジ接続したブリッジ回路からなり、前記ブリッジ回路の各アームを構成する各２個の前記アナログスイッチが交互にオンオフされ、かつ、前記ブリッジ回路の対角位置の２個の前記アナログスイッチが同時にオンオフされるものであり、前記センサ素子は、前記第１のミキサごとに前記チョッピング周波数が異なり、前記フィルタは、バンドパスフィルタであり、前記ＩＣ素子は、前記第２のミキサと前記バンドパスフィルタとの組を複数備え、前記第２のミキサが並列的に設けられており、前記第２のミキサごとに前記チョッピング周波数が異なることを特徴とする請求項５記載のセンサ装置。
8. 前記ＩＣ素子は、前記信号処理回路が、前記各バンドパスフィルタそれぞれの後段にＡ／Ｄコンバータを備えてなることを特徴とする請求項７記載のセンサ装置。

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