JP2014006211A - Sensor circuit - Google Patents

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Masatoshi Kunishi
昌利 國司
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Asahi Kasei Electronics Co Ltd
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Asahi Kasei Electronics Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor circuit that allows highly accurate measurement without increasing a circuit scale.SOLUTION: A sensor circuit includes: a piezoelectric element X as a sensor element; an oscillator 11 in which frequency fvco of an oscillation signal is controlled by a control signal Vlp; a PLL circuit 10 that returns a control signal Vlp according to a phase difference Δθ between an oscillation signal (oscillation frequency fvco) and a reference signal (reference frequency fr) to the oscillator 11; and an output part 20 that outputs a variation amount of the sensor element according to a temporal change of the control signal Vlp. Thus, a frequency change in the oscillation signal of the oscillator 11 is detected by voltage variation of the control signal Vlp so as to estimate a sensor variation amount.

Description

本発明は、半導体LSI回路のアナログ技術に関し、特に振動体をセンサー素子として用いるセンサー回路に関する。   The present invention relates to analog technology of a semiconductor LSI circuit, and more particularly to a sensor circuit using a vibrating body as a sensor element.

従来、圧電素子をセンサーとして使用する例として、例えば特許文献1に記載の技術がある。この技術は、水晶発振子を利用して、その圧電効果から微量な物質を検出する技術(QCM:Quarts Crystal Microbalance)である。
水晶発振子は、その電極表面に物質が吸着すると、吸着した物質の重量に応じて共振周波数が変化する。したがって、これを利用すれば、極めて微量な物質の重量を、周波数変化から読み取ることができる。
Conventionally, as an example of using a piezoelectric element as a sensor, for example, there is a technique described in Patent Document 1. This technique is a technique (QCM: Quarts Crystal Microbalance) that uses a crystal oscillator to detect a minute amount of substance from its piezoelectric effect.
When a substance is adsorbed on the electrode surface of the crystal oscillator, the resonance frequency changes according to the weight of the adsorbed substance. Therefore, if this is used, the weight of a very small amount of substance can be read from the frequency change.

図3は、QCMの概念図である。QCMには、図3(a)に示すように反応膜が表面に施された水晶発振子を用いる。検出時には、図3(b)に示すように分析対象の物質が反応膜側に引き寄せられ、図3(c)に示すように水晶発振子表面に吸着される。このように、分析対象の物質が吸着されると、センサーの変異(圧電素子の質量変化や応力変化)が生じ、これが圧電素子の共振特性に影響を及ぼし、センサー変異前後で発振周波数が変化する。   FIG. 3 is a conceptual diagram of QCM. For the QCM, a crystal oscillator having a reaction film on the surface as shown in FIG. At the time of detection, the substance to be analyzed is attracted to the reaction film side as shown in FIG. 3B, and is adsorbed on the surface of the crystal oscillator as shown in FIG. As described above, when the substance to be analyzed is adsorbed, a sensor mutation (a change in mass or stress of the piezoelectric element) occurs, which affects the resonance characteristics of the piezoelectric element, and the oscillation frequency changes before and after the sensor mutation. .

観測者は、センサー変異に伴う周波数変化量を周波数カウンターで測定することで、センサー変異量を推定することができる。この場合、発振器の周波数感度が既知であることが前提である。   The observer can estimate the amount of sensor variation by measuring the amount of frequency change associated with the sensor variation with a frequency counter. In this case, it is assumed that the frequency sensitivity of the oscillator is known.

特開2008−102118号公報JP 2008-102118 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の技術にあっては、周波数変化量を周波数カウンターで測定する構成であるため、周波数が高くなるほど高精度でセンサー変異量を測定することが困難になる。
そこで、本発明は、回路規模を増大させることなく高精度な測定が可能なセンサー回路を提供することを課題としている。
However, in the technique described in Patent Document 1, since the frequency change amount is measured by the frequency counter, it becomes difficult to measure the sensor variation amount with higher accuracy as the frequency becomes higher.
Therefore, an object of the present invention is to provide a sensor circuit that can perform highly accurate measurement without increasing the circuit scale.

上記目的を達成するために、本発明に係るセンサー回路の第1の形態は、センサー素子としての圧電素子を具備すると共に、制御信号によって発振信号の周波数が制御される発振器を有し、前記発振信号と基準信号との位相差に応じた前記制御信号を前記発振器に帰還するPLL回路と、前記制御信号の時間的変化に基づいて、前記センサー素子の変異量を出力する出力部と、を備えることを特徴としている。   In order to achieve the above object, a first form of a sensor circuit according to the present invention includes a piezoelectric element as a sensor element, and has an oscillator in which the frequency of an oscillation signal is controlled by a control signal. A PLL circuit that feeds back the control signal according to a phase difference between a signal and a reference signal to the oscillator, and an output unit that outputs a variation amount of the sensor element based on a temporal change of the control signal. It is characterized by that.

このように、センサー素子となる圧電素子を用いた発振器でPLLを構成することで、センサーの変異に伴う発振周波数変化を発振器へ帰還される制御信号の変化(電圧変化)で検出することができる。発振周波数が常に一定となるように帰還がかかり、従来手法のように周波数変化量を測定する必要がなくなるため、高精度な測定が可能となる。
さらに、PLLを構成する回路や制御信号の時間的変化を検出する回路といった比較的簡易な回路で実現可能であると共に、半導体基板上に集積することが容易であるため、回路規模の小型化を図ることができる。
In this way, by configuring the PLL with an oscillator using a piezoelectric element serving as a sensor element, it is possible to detect an oscillation frequency change accompanying a sensor variation by detecting a control signal change (voltage change) fed back to the oscillator. . Feedback is applied so that the oscillation frequency is always constant, and it is not necessary to measure the amount of frequency change as in the conventional method, so that highly accurate measurement is possible.
Furthermore, it can be realized with a relatively simple circuit such as a circuit that constitutes a PLL or a circuit that detects a temporal change in a control signal, and can be easily integrated on a semiconductor substrate, thereby reducing the circuit scale. Can be planned.

また、第2の形態は、前記出力部は、一定時間毎にアナログの前記制御信号をデジタル信号に変換し出力するAD変換器と、前記AD変換器からの出力値を逐次記憶する不揮発性メモリと、今回の前記AD変換器からの出力値と、前記不揮発性メモリに記憶された前回の前記AD変換器からの出力値との差分を演算する演算回路と、前記演算回路で演算した差分と前記発振器の感度とに基づいて、前記発振信号の周波数変化量を演算し、当該周波数変化量に基づいて、前記センサー素子の変異量を演算する信号処理回路と、を備えることを特徴としている。   In the second embodiment, the output unit converts an analog control signal into a digital signal and outputs it at regular time intervals, and a non-volatile memory that sequentially stores output values from the AD converter And an arithmetic circuit for calculating a difference between the current output value from the AD converter and the previous output value from the AD converter stored in the nonvolatile memory, and a difference calculated by the arithmetic circuit, And a signal processing circuit that calculates a frequency change amount of the oscillation signal based on the sensitivity of the oscillator and calculates a variation amount of the sensor element based on the frequency change amount.

このように、比較的簡易に、発振器へ帰還される制御信号の時間的変化を検出することができる。このとき、不揮発性メモリに、AD変換器からの出力値として、常に前値からの差分値を蓄えるようにすれば、メモリ容量を軽減することができる。また、この場合、メモリ数値を積算することで、センサーの時間的変化も再現することができる。
さらに、発振器の周波数変化量Δfと制御信号の変化量(電圧変化量)ΔVとの間に、Δf=Kvco・ΔV(ここで、Kvcoは周波数感度である)の関係があることを利用し、制御信号の時間的変化と発振器の感度Kvcoとに基づいて、発振器の周波数変化量を演算により精度良く求めることができる。したがって、このようにして求めた周波数変化量に基づいて、センサー変異量も容易且つ適切に推定することができる。
In this way, it is possible to detect a temporal change in the control signal fed back to the oscillator in a relatively simple manner. At this time, if the difference value from the previous value is always stored in the nonvolatile memory as the output value from the AD converter, the memory capacity can be reduced. Further, in this case, the temporal change of the sensor can be reproduced by integrating the memory numerical values.
Furthermore, using the fact that there is a relationship of Δf = Kvco · ΔV (where Kvco is the frequency sensitivity) between the frequency change amount Δf of the oscillator and the change amount (voltage change amount) ΔV of the control signal, Based on the temporal change of the control signal and the sensitivity Kvco of the oscillator, the frequency change amount of the oscillator can be obtained with high accuracy by calculation. Therefore, the sensor variation amount can be easily and appropriately estimated based on the frequency change amount thus obtained.

また、第3の形態は、前記PLL回路と前記出力部との間に低域通過フィルタを備え、前記制御信号を、前記低域通過フィルタを介して前記出力部へ入力することを特徴としている。
これにより、ノイズ成分を効果的に除去することができ、適切に制御信号の時間的変化を検出することができ、高精度なセンサー変異量の測定が可能となる。
The third mode is characterized in that a low-pass filter is provided between the PLL circuit and the output unit, and the control signal is input to the output unit via the low-pass filter. .
Thereby, the noise component can be effectively removed, the temporal change of the control signal can be appropriately detected, and the sensor variation amount can be measured with high accuracy.

さらにまた、第4の形態は、前記圧電素子を除く前記PLL回路と前記出力部とを同一半導体基板上に集積したことを特徴としている。
このように、同一の半導体基板上にセンサー検出回路を集積することができるので、回路規模の小型化を実現することができると共に、実装が容易なセンサー検出回路とすることができる。特に、圧電素子を外部環境に曝される実装とし、圧電素子以外のセンサー検出回路を外部環境から遮断された実装とするなど、用途に適した実装が容易となる。
Furthermore, the fourth embodiment is characterized in that the PLL circuit excluding the piezoelectric element and the output unit are integrated on the same semiconductor substrate.
As described above, since the sensor detection circuit can be integrated on the same semiconductor substrate, the circuit scale can be reduced and the sensor detection circuit can be easily mounted. In particular, mounting suitable for the application is facilitated by mounting the piezoelectric element exposed to the external environment and mounting the sensor detection circuit other than the piezoelectric element from the external environment.

また、第5の形態は、前記圧電素子を除く前記PLL回路と前記出力部とを同一半導体基板上に集積し、当該半導体基板と前記圧電素子とを同一パッケージに実装したことを特徴としている。
このように、圧電素子とセンサー検出回路とを同一パッケージに実装するので、動作環境を安定させることができる。また、組付け時に圧電素子とセンサー検出回路とを別々に実装する必要がなく、簡便にセンサー回路を組付けることができる。
The fifth embodiment is characterized in that the PLL circuit excluding the piezoelectric element and the output unit are integrated on the same semiconductor substrate, and the semiconductor substrate and the piezoelectric element are mounted in the same package.
Thus, since the piezoelectric element and the sensor detection circuit are mounted in the same package, the operating environment can be stabilized. Further, it is not necessary to separately mount the piezoelectric element and the sensor detection circuit at the time of assembly, and the sensor circuit can be easily assembled.

また、第6の形態は、前記圧電素子を含む前記PLL回路と前記出力部とを同一半導体基板上に集積したことを特徴としている。
これにより、回路規模の小型化を実現することができると共に、組付けが容易なセンサー回路とすることができる。
The sixth embodiment is characterized in that the PLL circuit including the piezoelectric element and the output unit are integrated on the same semiconductor substrate.
As a result, the circuit scale can be reduced and the sensor circuit can be easily assembled.

本発明によれば、センサー素子となる圧電素子を用いた発振器でPLLを構成し、発振器へ帰還される制御信号の時間的変化に基づいて、センサー素子の変異量を測定するので、回路規模を増大させることなく、高精度な測定を行うことができる。   According to the present invention, a PLL is constituted by an oscillator using a piezoelectric element serving as a sensor element, and the amount of variation of the sensor element is measured based on the temporal change of the control signal fed back to the oscillator. High-precision measurement can be performed without increasing.

本発明の実施形態におけるセンサー回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the sensor circuit in embodiment of this invention. 発振器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an oscillator. QCMの概念図である。It is a conceptual diagram of QCM.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施形態におけるセンサー回路の構成を示すブロック図である。
図中、符号1はセンサー回路である。このセンサー回路1は、センサー素子となる圧電素子を具備する発振器11を含むPLL回路(位相ロックループ回路)10と、センサー変異量を出力する出力部20と、PLL回路10と出力部20との間に設置された低域通過フィルタ30とを備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sensor circuit in an embodiment of the present invention.
In the figure, reference numeral 1 denotes a sensor circuit. The sensor circuit 1 includes a PLL circuit (phase lock loop circuit) 10 including an oscillator 11 including a piezoelectric element serving as a sensor element, an output unit 20 that outputs a sensor variation, and a PLL circuit 10 and an output unit 20. And a low-pass filter 30 installed therebetween.

発振器11は、図2(a)に示すように、振動素子である圧電素子Xを含んで構成されている。圧電素子Xは、例えば水晶、SAW,BAWなどにより構成され、増幅回路Ampと抵抗R及びコンデンサCL1、CL2とを備えた負性gmから成る発振回路に接続されている。
具体的には、圧電素子Xの一方の端子にコンデンサCL1の一方の端子を接続し、コンデンサCL1の他方の端子を接地する。また、圧電素子Xの他方の端子にはコンデンサCL2の一方の端子を接続し、コンデンサCL2の他方の端子を接地する。さらに、圧電素子Xの一方の端子には、増幅回路Amp及び抵抗Rの夫々一方の端子を接続し、圧電素子Xの他方の端子には、増幅回路Amp及び抵抗Rの夫々他方の端子を接続する。
As shown in FIG. 2A, the oscillator 11 includes a piezoelectric element X that is a vibration element. The piezoelectric element X is made of, for example, crystal, SAW, BAW or the like, and is connected to an oscillation circuit composed of a negative gm having an amplifier circuit Amp, a resistor R, and capacitors CL1 and CL2.
Specifically, one terminal of the capacitor CL1 is connected to one terminal of the piezoelectric element X, and the other terminal of the capacitor CL1 is grounded. Further, one terminal of the capacitor CL2 is connected to the other terminal of the piezoelectric element X, and the other terminal of the capacitor CL2 is grounded. Furthermore, one terminal of the amplifier circuit Amp and the resistor R is connected to one terminal of the piezoelectric element X, and the other terminal of the amplifier circuit Amp and the resistor R is connected to the other terminal of the piezoelectric element X. To do.

この発振回路は、バリキャップ入力付の発振回路であり、制御電圧VcによってコンデンサCL1及びCL2の容量を制御可能となっている。このような図2(a)に示す構成の発振器11を、ここでは図2(b)に示す回路記号で示すものとする。すなわち、図1において、発振器11は制御電圧Vlpによって発振周波数が変化するものである。
PLL回路10は、上述した発振器11と、分周器(1/N)12と、基準周波数発生回路13と、周波数位相比較器14と、チャージポンプ回路15と、ループフィルタ16とを備える。
This oscillation circuit is an oscillation circuit with a varicap input, and the capacitances of the capacitors CL1 and CL2 can be controlled by the control voltage Vc. The oscillator 11 having the configuration shown in FIG. 2A is represented by a circuit symbol shown in FIG. That is, in FIG. 1, the oscillator 11 has an oscillation frequency that varies depending on the control voltage Vlp.
The PLL circuit 10 includes the above-described oscillator 11, frequency divider (1 / N) 12, reference frequency generation circuit 13, frequency phase comparator 14, charge pump circuit 15, and loop filter 16.

分周器12は、プリスケーラーとデバイダーとで構成され、発振器11から出力される発振信号の周波数(発振周波数fvco)を1/Nにした分周信号(周波数fs)を出力する。ここで、Nは分周比である。
基準周波数発生回路13は、TCXOやOCXOなどにより構成され、高精度な基準信号(基準周波数fr)を出力する。周波数位相比較器14は、分周器12から出力された分周信号と、基準周波数発生回路13から出力された基準信号との位相を一定周期で比較し、これらの位相比較信号Δθを生成してチャージポンプ回路15に出力する。
The frequency divider 12 includes a prescaler and a divider, and outputs a frequency-divided signal (frequency fs) in which the frequency (oscillation frequency fvco) of the oscillation signal output from the oscillator 11 is 1 / N. Here, N is a frequency division ratio.
The reference frequency generation circuit 13 is constituted by TCXO, OCXO, or the like, and outputs a highly accurate reference signal (reference frequency fr). The frequency phase comparator 14 compares the phase of the frequency-divided signal output from the frequency divider 12 with the reference signal output from the reference frequency generation circuit 13 at a constant period, and generates these phase comparison signals Δθ. To the charge pump circuit 15.

チャージポンプ回路15は、入力された位相比較信号Δθに応じた電流Ioutを出力する。この出力電流Ioutは、ループフィルタ16に対してチャージ電流を流し込んだり、引き抜いたりしてチャージを出し入れする充放電電流である。
ループフィルタ16は、チャージポンプ回路15からの電流Ioutを平滑化し、制御電圧Vlpを出力する。この制御電圧Vlpは、発振器11に印加する。
The charge pump circuit 15 outputs a current Iout corresponding to the input phase comparison signal Δθ. The output current Iout is a charge / discharge current that flows in and out of the loop filter 16 by charging or discharging the charge current.
The loop filter 16 smoothes the current Iout from the charge pump circuit 15 and outputs a control voltage Vlp. This control voltage Vlp is applied to the oscillator 11.

次に、以上のように構成されたPLL回路10の回路動作を解析的に説明する。
発振器11から出力される発振信号の発振周波数fvcoは、発振器11の周波数感度Kvcoと制御電圧Vlpとをもとに次式で表される。
fvco=Kvco・Vlp ………(1)
発振器11から出力された発振周波数fvcoの発振信号は、分周器12によって1/Nの周波数の信号となる。すなわち、分周器12から出力される分周信号の周波数fsは、次式で表される。
fs=fvco/N ………(2)
Next, the circuit operation of the PLL circuit 10 configured as described above will be analytically described.
The oscillation frequency fvco of the oscillation signal output from the oscillator 11 is expressed by the following equation based on the frequency sensitivity Kvco of the oscillator 11 and the control voltage Vlp.
fvco = Kvco · Vlp (1)
The oscillation signal having the oscillation frequency fvco output from the oscillator 11 is converted to a signal having a frequency of 1 / N by the frequency divider 12. That is, the frequency fs of the frequency-divided signal output from the frequency divider 12 is expressed by the following equation.
fs = fvco / N (2)

次に、周波数位相比較器14により、基準信号(基準周波数fr)と分周信号(周波数fs)との位相差Δθを検出する。このとき、分周信号fsが基準信号に対して遅れていれば、周波数位相比較器14からチャージポンプ回路15に発振器11への入力電圧を上げるためのアップ信号が出力され、分周信号fsが基準信号に対して進んでいれば、周波数位相比較器14からチャージポンプ回路15に発振器11への入力電圧を下げるためのダウン信号が出力される。これにより、チャージポンプ回路15から位相差Δθに応じた電流Ioutが出力される。
Iout=Ip・Δθ/(2・π) ………(3)
ここで、Ipはチャージポンプ電流である。
Next, the phase difference Δθ between the reference signal (reference frequency fr) and the divided signal (frequency fs) is detected by the frequency phase comparator 14. At this time, if the divided signal fs is delayed with respect to the reference signal, an up signal for increasing the input voltage to the oscillator 11 is output from the frequency phase comparator 14 to the charge pump circuit 15, and the divided signal fs is If it is advanced with respect to the reference signal, the frequency phase comparator 14 outputs a down signal for lowering the input voltage to the oscillator 11 to the charge pump circuit 15. As a result, a current Iout corresponding to the phase difference Δθ is output from the charge pump circuit 15.
Iout = Ip · Δθ / (2 · π) (3)
Here, Ip is a charge pump current.

チャージポンプ回路15の出力電流Ioutは、ループフィルタ16で平滑化され、制御電圧Vlpとして出力される。このとき、ループフィルタ16の伝達関数をHlpとすると、制御電圧Vlpは次式で表される。
Vlp=Hlp・Iout ………(4)
そして、その制御電圧Vlpを発振器11に入力することで、発振器11から制御電圧Vlpに応じた周波数の発振信号が出力される。これを繰り返すことにより、基準信号と分周信号との位相のずれが補正され、両信号の位相が一致してロック状態となる。このように、PLL回路10では、発振周波数fvcoが常に基準周波数frに一致するように帰還がかかる。
The output current Iout of the charge pump circuit 15 is smoothed by the loop filter 16 and output as the control voltage Vlp. At this time, if the transfer function of the loop filter 16 is Hlp, the control voltage Vlp is expressed by the following equation.
Vlp = Hlp · Iout (4)
Then, by inputting the control voltage Vlp to the oscillator 11, an oscillation signal having a frequency corresponding to the control voltage Vlp is output from the oscillator 11. By repeating this, a phase shift between the reference signal and the frequency-divided signal is corrected, and the phases of both signals coincide with each other to enter a locked state. Thus, in the PLL circuit 10, feedback is applied so that the oscillation frequency fvco always matches the reference frequency fr.

圧力、質量、温度などの環境変化によりセンサー変異が生じ、発振周波数fvcoが変化すると、上記(2)式により分周信号の周波数fsが変化し、基準信号との位相関係が変化する。この変化は、上記(3)式によりチャージポンプ回路15の出力電流Ioutの変化を引き起こし、最終的に上記(4)式により制御電圧Vlpの変化となって現れる。   When sensor variation occurs due to environmental changes such as pressure, mass, and temperature, and the oscillation frequency fvco changes, the frequency fs of the frequency-divided signal changes according to the above equation (2), and the phase relationship with the reference signal changes. This change causes a change in the output current Iout of the charge pump circuit 15 by the above equation (3), and finally appears as a change in the control voltage Vlp by the above equation (4).

すなわち、PLL回路は負帰還がかかっているため、環境変化によって生じた周波数変化は抑圧され、ループフィルタ16の出力であるDC電圧の変化として現れることになる。したがって、センサー変異は、発振器11へ帰還される制御電圧Vlpの時間的な電圧差分によって検出できることになる。
発振器11に帰還される制御電圧Vlpは、低域通過フィルタ30を介して出力部20にも入力される。
That is, since negative feedback is applied to the PLL circuit, frequency changes caused by environmental changes are suppressed and appear as changes in the DC voltage that is the output of the loop filter 16. Therefore, the sensor variation can be detected by the temporal voltage difference of the control voltage Vlp fed back to the oscillator 11.
The control voltage Vlp fed back to the oscillator 11 is also input to the output unit 20 via the low-pass filter 30.

出力部20は、低域通過フィルタ30を通過した制御電圧Vlp(センサー出力)の時間的変化に基づいて、センサー変異量を出力するものであり、AD変換器(ADC)21と、演算回路(ALU)22と、不揮発性メモリ23と、信号処理回路(DSP)24とを備える。
ADC21は、一定時間毎に入力されるアナログのセンサー出力をデジタル信号に変換し、ALU22に出力する。
The output unit 20 outputs a sensor variation amount based on a temporal change in the control voltage Vlp (sensor output) that has passed through the low-pass filter 30, and includes an AD converter (ADC) 21 and an arithmetic circuit ( ALU) 22, a non-volatile memory 23, and a signal processing circuit (DSP) 24.
The ADC 21 converts an analog sensor output input at regular intervals into a digital signal and outputs the digital signal to the ALU 22.

ALU22は、上記一定時間毎にADC21から出力されるデジタル信号(ADC出力)を入力する。そして、ALU22は、今回のADC出力と前回のADC出力との差分を演算し、これを不揮発性メモリ23に記憶すると共に、DSP24に出力する。
不揮発性メモリ23には、ALU22で演算されたADC出力の差分の他に、ADC出力の初期値(センサーがクリーンな状態でのADC出力)と、発振器11の周波数感度Kvcoとを蓄える。すなわち、ALU22は、ADC21からADC出力を入力したとき、先ず、不揮発性メモリ23からADC出力の初期値と、これまでに記憶されたADC出力の差分を読み出し、ADC出力の初期値にADC出力の差分を積算することで、前回のADC出力を演算する。そして、演算した前回のADC出力と、今回入力したADC出力との差分を演算し、これを不揮発性メモリ23に記憶すると共にDSP24に出力する。
The ALU 22 receives a digital signal (ADC output) output from the ADC 21 at regular intervals. The ALU 22 calculates a difference between the current ADC output and the previous ADC output, stores the difference in the nonvolatile memory 23, and outputs the difference to the DSP 24.
In addition to the ADC output difference calculated by the ALU 22, the nonvolatile memory 23 stores the initial value of the ADC output (ADC output when the sensor is clean) and the frequency sensitivity Kvco of the oscillator 11. That is, when the ADC output is input from the ADC 21, the ALU 22 first reads the difference between the initial value of the ADC output and the ADC output stored so far from the nonvolatile memory 23, and sets the ADC output to the initial value of the ADC output. By integrating the difference, the previous ADC output is calculated. Then, the difference between the calculated previous ADC output and the currently input ADC output is calculated and stored in the nonvolatile memory 23 and output to the DSP 24.

このように、ADC出力をそのまま不揮発性メモリ23に記憶するのではなく、前回のADC出力との差分を記憶することで、不揮発性メモリ23の記憶容量を軽減することができる。また、上述したように、不揮発性メモリ23に蓄えた数値を積算することで、容易にセンサー出力の時間的変化を再現することができる。
DSP24は、ALU22から入力したADC出力の差分と発振器感度Kvcoとに基づいて、発振器11からの発振信号の周波数変化量を演算する。そして、演算した周波数変化量に基づいて、質量変化や圧力(応力)変化等のセンサー変異を推定する。
Thus, the storage capacity of the nonvolatile memory 23 can be reduced by storing the difference from the previous ADC output instead of storing the ADC output in the nonvolatile memory 23 as it is. Further, as described above, by integrating the numerical values stored in the nonvolatile memory 23, it is possible to easily reproduce the temporal change in the sensor output.
The DSP 24 calculates the frequency change amount of the oscillation signal from the oscillator 11 based on the difference between the ADC outputs input from the ALU 22 and the oscillator sensitivity Kvco. Based on the calculated frequency change amount, sensor variations such as mass change and pressure (stress) change are estimated.

任意の時刻(n−1)におけるADC出力をADC(n−1)、時刻(n)におけるADC出力をADC(n)とすると、これらADC出力と周波数foscとの間には、それぞれ以下の関係が成立する。
fosc(n−1)=Kvco・ADC(n−1) ………(5)
fosc(n) =Kvco・ADC(n) ………(6)
したがって、上記(5)及び(6)式から、周波数変化量Δfosc(n)を計算すると以下のようになる。
Δfosc=fosc(n)−fosc(n−1)
=Kvco・(ADC(n)−ADC(n−1))
=Kvco・ΔADC(n) ………(7)
ここで、電圧差分ΔADC(n)は、上述したようにALU22によって容易に演算可能である。
Assuming that the ADC output at an arbitrary time (n-1) is ADC (n-1) and the ADC output at the time (n) is ADC (n), the relationship between the ADC output and the frequency fosc is as follows. Is established.
fosc (n−1) = Kvco · ADC (n−1) (5)
fosc (n) = Kvco · ADC (n) (6)
Therefore, the frequency change amount Δfosc (n) is calculated from the above equations (5) and (6) as follows.
Δfosc = fosc (n) −fosc (n−1)
= Kvco · (ADC (n) −ADC (n−1))
= Kvco · ΔADC (n) (7)
Here, the voltage difference ΔADC (n) can be easily calculated by the ALU 22 as described above.

このように、不揮発性メモリ23にADC出力の差分ΔADCと周波数感度Kvcoとを蓄えることにより、容易に周波数変化量Δfoscを演算することができる。そして、演算した周波数変化量Δfoscから、例えばSauerbreyの式を用いることで、センサー変異量を容易に推定することができる。
ところで、圧電素子をセンサーとして用いたセンサー回路として、センサー変異に伴う発振器の周波数変化量を周波数カウンターで測定することで、センサー変異量を推定するものがある。しかしながら、この場合、周波数カウンターで周波数を測定する必要があるため、周波数が高くなるほど高精度で測定することが困難となる。
Thus, by storing the ADC output difference ΔADC and the frequency sensitivity Kvco in the nonvolatile memory 23, the frequency change amount Δfosc can be easily calculated. Then, the sensor variation amount can be easily estimated from the calculated frequency change amount Δfosc by using, for example, the Sauerbrey equation.
By the way, as a sensor circuit using a piezoelectric element as a sensor, there is a sensor circuit that estimates a sensor variation amount by measuring a frequency change amount of an oscillator accompanying a sensor variation with a frequency counter. However, in this case, since it is necessary to measure the frequency with a frequency counter, it becomes more difficult to measure with higher accuracy as the frequency becomes higher.

これに対して、本実施形態では、バリキャップ入力付きの発振器11でPLLを構成することで、センサー変異に伴う発振器11の周波数変化を、発振器11へ帰還される制御信号Vlpの差で検出することができる。そのため、上記の方法のように周波数変化を直接検出することがなくなり、高い周波数においても高精度でセンサー変異量を推定することができる。   On the other hand, in the present embodiment, a PLL is constituted by the oscillator 11 with a varicap input, so that a change in the frequency of the oscillator 11 due to the sensor variation is detected by the difference in the control signal Vlp fed back to the oscillator 11. be able to. Therefore, the frequency change is not directly detected as in the above method, and the sensor variation amount can be estimated with high accuracy even at a high frequency.

さらに、PLLを構成する回路や制御信号Vlpの時間的変化を検出する回路といった比較的簡易な回路で、上記の動作を実現可能であるため、回路規模の著しい増大は伴わない。
また、本実施形態においては、同一の半導体基板上にセンサー検出回路を集積することが容易となる。ここでは、圧電素子Xを除くPLL回路10と出力部20とを同一の半導体基板上に集積し、それを圧電素子Xと同一パッケージに実装する。
Furthermore, since the above-described operation can be realized with a relatively simple circuit such as a circuit constituting a PLL or a circuit that detects a temporal change in the control signal Vlp, the circuit scale is not significantly increased.
In the present embodiment, it is easy to integrate the sensor detection circuit on the same semiconductor substrate. Here, the PLL circuit 10 excluding the piezoelectric element X and the output unit 20 are integrated on the same semiconductor substrate and mounted on the same package as the piezoelectric element X.

このように、同一の半導体基板上にセンサー検出回路を集積することで、回路規模の小型化を図ることができる。また、圧電素子Xを外部環境に曝される実装とし、圧電素子X以外のセンサー検出回路を外部環境から遮断された実装とするなど、用途に適した実装が容易となる。
さらに、圧電素子とセンサー検出回路とを同一パッケージに実装するので、動作環境を安定させることができる。また、組付け時に圧電素子とセンサー検出回路とを別々に実装する必要がなく、簡便にセンサー回路を組付けることができる。さらに、同一半導体基板上に可変容量CL1,CL2を具備することで、発振器11の発振周波数の調整を容易に行うことができる。
Thus, by integrating the sensor detection circuit on the same semiconductor substrate, the circuit scale can be reduced. In addition, mounting suitable for the application can be facilitated by mounting the piezoelectric element X exposed to the external environment and mounting the sensor detection circuit other than the piezoelectric element X from the external environment.
Furthermore, since the piezoelectric element and the sensor detection circuit are mounted in the same package, the operating environment can be stabilized. Further, it is not necessary to separately mount the piezoelectric element and the sensor detection circuit at the time of assembly, and the sensor circuit can be easily assembled. Furthermore, by providing the variable capacitors CL1 and CL2 on the same semiconductor substrate, the oscillation frequency of the oscillator 11 can be easily adjusted.

このように、回路規模や部品点数を増大させることなく、圧電素子を用いたセンサー回路を半導体基板上に構築することができる。
なお、ここでは、圧電素子Xを除くPLL回路10と出力部20とを半導体基板上に集積し、これを圧電素子Xと同一パッケージに実装する場合について説明したが、圧電素子Xを含むPLL回路10と出力部20とを同一の半導体基板上に集積することもできる。
Thus, a sensor circuit using a piezoelectric element can be constructed on a semiconductor substrate without increasing the circuit scale or the number of parts.
Here, the case where the PLL circuit 10 excluding the piezoelectric element X and the output unit 20 are integrated on the semiconductor substrate and mounted in the same package as the piezoelectric element X has been described. However, the PLL circuit including the piezoelectric element X is described. 10 and the output unit 20 can be integrated on the same semiconductor substrate.

この場合にも、回路規模の小型化を実現することができると共に、組付けが容易なセンサー回路とすることができる。   Also in this case, the circuit scale can be reduced, and the sensor circuit can be easily assembled.

1…センサー回路、10…PLL回路、11…発振器、12…1/N分周器、13…基準周波数発生回路、14…周波数位相比較器、15…チャージポンプ回路、16…ループフィルタ、20…出力部、21…AD変換器(ADC)、22…演算回路(ALU)、23…不揮発性メモリ、24…信号処理回路(DSP)、30…低域通過フィルタ、Amp…増幅回路、CL1,CL2…コンデンサ、R…抵抗、X…圧電素子   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensor circuit, 10 ... PLL circuit, 11 ... Oscillator, 12 ... 1 / N frequency divider, 13 ... Reference frequency generation circuit, 14 ... Frequency phase comparator, 15 ... Charge pump circuit, 16 ... Loop filter, 20 ... Output unit, 21 ... AD converter (ADC), 22 ... arithmetic circuit (ALU), 23 ... non-volatile memory, 24 ... signal processing circuit (DSP), 30 ... low-pass filter, Amp ... amplifier circuit, CL1, CL2 ... capacitor, R ... resistor, X ... piezoelectric element

Claims (6)

センサー素子としての圧電素子を具備すると共に、制御信号によって発振信号の周波数が制御される発振器を有し、前記発振信号と基準信号との位相差に応じた前記制御信号を前記発振器に帰還するPLL回路と、
前記制御信号の時間的変化に基づいて、前記センサー素子の変異量を出力する出力部と、を備えることを特徴とするセンサー回路。
A PLL having a piezoelectric element as a sensor element and having an oscillator in which the frequency of an oscillation signal is controlled by a control signal, and feeding back the control signal according to the phase difference between the oscillation signal and a reference signal to the oscillator Circuit,
An output unit that outputs a variation amount of the sensor element based on a temporal change of the control signal.
前記出力部は、
一定時間毎にアナログの前記制御信号をデジタル信号に変換し出力するAD変換器と、
前記AD変換器からの出力値を逐次記憶する不揮発性メモリと、
今回の前記AD変換器からの出力値と、前記不揮発性メモリに記憶された前回の前記AD変換器からの出力値との差分を演算する演算回路と、
前記演算回路で演算した差分と前記発振器の感度とに基づいて、前記発振信号の周波数変化量を演算し、当該周波数変化量に基づいて、前記センサー素子の変異量を演算する信号処理回路と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のセンサー回路。
The output unit is
An AD converter for converting the analog control signal into a digital signal and outputting it at regular intervals;
A non-volatile memory for sequentially storing output values from the AD converter;
An arithmetic circuit for calculating a difference between an output value from the AD converter this time and an output value from the previous AD converter stored in the nonvolatile memory;
Based on the difference calculated by the arithmetic circuit and the sensitivity of the oscillator, a frequency change amount of the oscillation signal is calculated, and based on the frequency change amount, a signal processing circuit that calculates a variation amount of the sensor element;
The sensor circuit according to claim 1, comprising:
前記PLL回路と前記出力部との間に低域通過フィルタを備え、
前記制御信号を、前記低域通過フィルタを介して前記出力部へ入力することを特徴とする請求項1または2に記載のセンサー回路。
A low-pass filter is provided between the PLL circuit and the output unit,
The sensor circuit according to claim 1, wherein the control signal is input to the output unit via the low-pass filter.
前記圧電素子を除く前記PLL回路と前記出力部とを同一半導体基板上に集積したことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のセンサー回路。   The sensor circuit according to claim 1, wherein the PLL circuit excluding the piezoelectric element and the output unit are integrated on the same semiconductor substrate. 前記圧電素子を除く前記PLL回路と前記出力部とを同一半導体基板上に集積し、当該半導体基板と前記圧電素子とを同一パッケージに実装したことを特徴とする請求項4に記載のセンサー回路。   The sensor circuit according to claim 4, wherein the PLL circuit excluding the piezoelectric element and the output unit are integrated on the same semiconductor substrate, and the semiconductor substrate and the piezoelectric element are mounted in the same package. 前記圧電素子を含む前記PLL回路と前記出力部とを同一半導体基板上に集積したことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のセンサー回路。   The sensor circuit according to claim 1, wherein the PLL circuit including the piezoelectric element and the output unit are integrated on the same semiconductor substrate.
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