JP2020003211A - 容量測定回路及び容量測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】容量センサの浮遊容量の影響を受けずに、従来技術に比較して高い精度で静電容量を測定することができる。【解決手段】容量測定回路は、センス端子ＴＳとベース端子ＴＢとの間のセンス容量１０と、ベース端子ＴＢとガード端子ＴＧとの間の浮遊容量１１と、センス端子ＴＳとガード端子ＴＧとの間の浮遊容量１２とを有するＭＥＭＳ容量センサ１のセンス容量Ｃｓを、センス端子ＴＳから測定するフロントエンド回路２及び信号処理回路３を備えた容量測定回路であって、所定期間において、センス端子ＴＳとガード端子ＴＧとを同一の電位にする制御回路を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）にて形成された容量センサの容量を測定する容量測定回路、並びに、容量センサと前記容量測定回路を備えた容量測定システムに関する。

図５は、例えば特許文献１において開示された、従来例１に係る容量測定回路の構成を示す回路図である。

図５において、従来例１に係る容量測定回路は被測定回路１０１の微少容量の被測定容量Ｃｘを測定するものであり、被測定回路１０１は浮遊容量Ｃｓｆを含む。ここで、容量測定回路は、被測定回路１０１を電圧Ｖ０に充電するための定電圧源Ｖｓ１と、放電電流Ｉ１の定電流源Ｉｓと、被測定回路１０１の電圧をインピーダンス変換して低インピーダンスで出力するバッファ増幅器ＢＡと、反転増幅器ＯＰＡとを備える。ここで、反転増幅器ＯＰＡは、バッファ増幅器ＢＡの出力を第１の所定の倍率であるＭ１倍（Ｍ１＝−Ｒ１０２／Ｒ１０１、但しＲ１０１，Ｒ１０２はそれぞれ抵抗Ｒ１０１，Ｒ１０２の抵抗値）で増幅する。Ｒ１０１，Ｒ１０３は分圧回路でありバッファ増幅器ＢＡの出力電圧を交流的，直流的にＲ１０３／（Ｒ１０１＋Ｒ１０３）の割合に分圧する。バッファ増幅器ＢＡの出力の交流振幅を次段の反転増幅器ＯＰＡの入力レンジ減衰させるとともに，電圧源ＶｏＦの印加電圧Ｖｂ１によって直流オフセット電圧を調整し，反転増幅器ＯＰＡの出力電圧を適正な範囲にシフトさせる。

容量測定回路はさらに、反転増幅器ＯＰＡの出力電圧をデジタル値に変換するＡＤ変換回路及び演算回路を含むデータ処理部１０２と、ダイオードＤ及び直流電源Ｖ_ＬＭＴから構成されたリミッタ回路１０４と、被測定回路１０１を定電圧源Ｖｓ１に接続するスイッチＳＷ１１と、被測定回路１０１を定電流源Ｉｓに接続するスイッチＳＷ１２と、被測定容量Ｃｘを容量測定回路に接続するスイッチＳＷ１３と、制御回路１０３とを備える。ここで、制御回路１０３は、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３のオン／オフを制御する信号ＣＣ１，ＣＣ２，ＣＣ３を出力する。

図５の容量測定回路では、浮遊容量Ｃｓｆを伴う被測定回路１０１の被測定容量Ｃｘを測定する方法として、以下の手順が提案されている。
（１）浮遊容量Ｃｓｆを所定電圧Ｖｐｒｅ１に充電した後、所定時間、電流Ｉ１で放電し出力電圧Ｖ１を得る。
（２）浮遊容量Ｃｓｆと被測定容量Ｃｘの合成容量を所定電圧Ｖｐｒｅ２に充電した後、所定時間、電流Ｉ１で放電し出力電圧Ｖ２を得る。
（３）それぞれの放電時の電圧Ｖ１，Ｖ２を増幅し、ＡＤ変換した後、数値演算することで被測定体の被測定容量Ｃｘを得る。

特開２００３−０３５７３２号公報 国際公開第２０１５／１０７４５３号公報

特許文献２において開示された、従来例２に係るＭＥＭＳ容量センサ１（図１Ａ、図１Ｂにおいて構造を図示し、その等価回路を図２に示す。）では、測定したいセンス容量Ｃｓを有するセンス容量１０に対し、浮遊容量１１，１２が存在する。ここで、浮遊容量１１はセンス容量１０と直列に接続され、浮遊容量１２は、センス容量１０と浮遊容量１１との直列回路に対し並列に接続され、浮遊容量１１，１２はそれぞれ容量値Ｃｂｇ，Ｃｓｇを有する。

図６は図５の容量測定回路を用いて、従来例２に係るＭＥＭＳ容量センサ１の容量を測定したときの動作を示す回路図である。

従来例２に係るＭＥＭＳ容量センサ１を用いて、センス容量Ｃｓを高精度で測定するために、従来例１に係る「複数の接続パターンで切り替えて放電した後の出力電圧から演算する」構成を適用しようとすると、図６に示すように、フェーズＰ１１〜Ｐ１３の配線パターンとなるようにスイッチを切り替え、それぞれの状態において得られた出力電圧からセンス容量Ｃｓを算出する、という方法が想定される。なお、図６において、センス容量１０はセンス端子ＴＳとベース端子ＴＢとの間に接続され、浮遊容量１１はベース端子ＴＢとガード端子ＴＧとの間に接続され、浮遊容量１２はセンス端子にＴＳとガード端子ＴＧとの間に接続される。また、Ｖｐは測定用電圧である。

具体的な容量測定手順は以下の通りである
（１）図６（ａ）のフェーズＰ１１において、容量（Ｃｓ＋Ｃｂｇ）での電荷（Ｃｓ＋Ｃｂｇ）×（Ｖｐ−Ｖｃｏｍ）を放電して、放電後の電圧Ｖ１を測定する。
（２）図６（ｂ）のフェーズＰ１２において、容量（Ｃｓ＋Ｃｓｇ）での電荷（Ｃｓ＋Ｃｓｇ）×（Ｖｐ−Ｖｃｏｍ）を放電して、放電後の電圧Ｖ２を測定する。
（３）図６（ｃ）のフェーズＰ１３において、容量（Ｃｓｇ＋Ｃｂｇ）での電荷（Ｃｓｇ＋Ｃｂｇ）×（Ｖｐ−Ｖｃｏｍ）を放電して、放電後の電圧Ｖ３を測定する。
（４）放電後に得られた電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に基づいて、次式を用いてセンス容量Ｃｓを算出する。

Ｃｓ＝（１／２）×｛（Ｃｓ＋Ｃｂｇ）＋（Ｃｓ＋Ｃｓｇ）＋（Ｃｓｇ＋Ｃｂｇ）
（１）

しかし、この手法では上述の３ステップの切替えが必要で、さらに手順が放電時定数に依存するため、時定数によっては容量測定に多大な時間がかかるという問題点があった。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、容量センサの浮遊容量の影響を受けずに、従来技術に比較して高い精度で静電容量を測定することができる容量測定回路、並びに、容量センサと容量測定回路を備えた容量測定システムを提供することにある。

第１の発明に係る容量測定回路は、
第１の端子と第２の端子との間のセンス容量と、
前記第２の端子と第３の端子との間の第１の浮遊容量と、
前記第１の端子と前記第３の端子との間の第２の浮遊容量とを有する容量センサのセンス容量を、前記第１の端子から測定する測定手段を備えた容量測定回路であって、
所定期間において、前記第１の端子と前記第３の端子とを同一の電位にする制御回路を備えたことを特徴とする。

前記容量測定回路において、前記制御回路は、
第１の期間において、前記第１の端子と前記第３の端子とを同一の電位にし、前記第２の端子に第１の電圧を印加し、
前記第１の期間に続く第２の期間において、前記第２の端子に第２の電圧を印加し、前記第３の端子を前記電位にし、前記第１の端子の電圧を前記測定手段により測定することで前記センス容量を測定することを特徴とする。

ここで、前記容量測定回路において、前記第１の電圧は前記同一の電位よりも高く、前記第２の電圧は前記同一の電位よりも低いことを特徴とする。

もしくは、前記容量測定回路において、前記第１の電圧は前記同一の電位よりも低く、前記第２の電圧は前記同一の電位よりも高いことを特徴とする。

また、前記容量測定回路において、前記制御回路は、
前記第１の期間において第１の制御信号を出力し、前記第２の期間において第２の制御信号を出力するタイミング信号発生器と、
前記第１の端子と前記電位との間に接続され、前記第１の制御信号に基づいてオンとされる第１のスイッチと、
前記第１の端子と前記測定手段との間に接続され、前記第２の制御信号に基づいてオンとされる第２のスイッチと、
前記第２の端子と前記第１の電圧との間に接続され、前記第１の制御信号に基づいてオンとされる第３のスイッチと、
前記第２の端子と前記第２の電圧との間に接続され、前記第２の制御信号に基づいてオンとされる第４のスイッチとを備えたことを特徴とする。

さらに、前記容量測定回路において、前記タイミング信号発生器は、前記第１の制御信号と前記第２の制御信号を所定の周期で繰り返し発生することを特徴とする。

またさらに、前記容量測定回路において、前記測定手段は、前記第１の端子の電圧を増幅して積分して出力電圧を出力する積分器をさらに備えたことを特徴とする。

またさらに、前記容量測定回路において、前記測定手段は、前記積分器からの出力電圧のうち低周波成分を通過ろ波する低域通過フィルタをさらに備えたことを特徴とする。

また、前記容量測定回路において、前記測定手段は、前記積分器又は前記低域通過フィルタからの出力電圧を、周囲温度に応じて補正して、補正後の出力電圧に基づいて、前記センス容量の容量値を算出する補正回路をさらに備えたことを特徴とする。

さらに、前記容量測定回路において、前記測定手段は、前記積分器又は前記低域通過フィルタからの出力電圧を、周囲温度に応じて補正して、補正後の出力電圧に基づいて、前記センス容量の容量値に対応する気圧値を算出する補正回路をさらに備えたことを特徴とする。

またさらに、前記容量測定回路において、前記容量センサは、基板上に、密閉空間を形成するように、第１の絶縁層と、導電層と、第２の絶縁層とを介して、ダイアフラム板を形成して構成され、
前記ダイアフラム板は前記第１の端子に接続され、前記導電層は前記第３の端子に接続され、前記基板は前記第２の端子に接続されることを特徴とする。

第２の発明に係る容量測定システムは、
前記容量センサと、
前記容量測定回路とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る容量測定回路及び容量測定システムによれば、容量センサの浮遊容量の影響を受けずに、従来技術に比較して高い精度で静電容量を測定することができる。

本発明の一実施形態に係る容量測定システムで用いるＭＥＭＳ容量センサ１の構成を示す平面図である。 図１ＡのＡ−Ａ’線についての縦断面図である。 図１Ａ及び図１ＢのＭＥＭＳ容量センサ１のセンス容量Ｃｓを測定する容量測定回路を示す回路図である。 図２の容量測定回路の動作を示すタイミングチャートである。 図２の容量測定回路のフェーズＰ１における動作を示すＭＥＭＳ容量センサ１の回路図である。 図２の容量測定回路のフェーズＰ２における動作を示すＭＥＭＳ容量センサ１の回路図である。 従来例１に係る容量測定回路の構成を示す回路図である。 図５の容量測定回路を用いて、従来例２に係るＭＥＭＳ容量センサ１の容量を測定したときの動作を示す回路図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

図１Ａは本発明の一実施形態に係る容量測定システムで用いるＭＥＭＳ容量センサ１の構成を示す平面図であり、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ’線についての縦断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、ＭＥＭＳ容量センサ１は、例えば平行平板の導電性基板２１上において、その中央部に密閉空隙２２を形成するように、絶縁層２８、導電層２７、絶縁層２９を介して、全体をカバーするメンブレンであるダイアフラム板２０を形成して構成される。ここで、絶縁層２８、導電層２７、及び絶縁層２９により側壁層２３を構成する。導電層２７はＷ１×Ｗ１のサイズの中央矩形開口を有し、絶縁層２９はＷ２×Ｗ２のサイズの中央矩形開口を有する。なお、絶縁層２８，２９は例えば二酸化シリコンで形成され、導電性基板２１、導電層２７及びダイアフラム板２０は例えばポリシリコンで形成される。

以上のように構成されたＭＥＭＳ容量センサ１において、例えば気圧変化により所定の圧力がダイアフラム板２０に印加されたときに、ダイアフラム板２０が上下に変化することで、センス端子ＴＳとベース端子ＴＢとの間のセンス容量Ｃｓが変化する。このセンス容量Ｃｓの変化を図２の容量測定回路により測定することで、例えば気圧の変化を測定することができる。

図２は図１Ａ及び図１ＢのＭＥＭＳ容量センサ１のセンス容量Ｃｓを測定する容量測定回路を示す回路図である。図２において、容量測定システムは、ＭＥＭＳ容量センサ１と、フロントエンド回路２と、信号処理回路３とを備えて構成される。容量測定回路は、フロントエンド回路２と、信号処理回路３とを備えて構成される。

ＭＥＭＳ容量センサ１は、上述のように、センス容量１０と、浮遊容量１１，１２とを含む。ここで、浮遊容量１１はセンス容量１０と直列に接続され、浮遊容量１２は、センス容量１０と浮遊容量１１との直列回路に並列に接続され、浮遊容量１１，１２はそれぞれ容量値Ｃｂｇ，Ｃｓｇを有する。センス容量１０はセンス端子ＴＳとベース端子ＴＢとの間に接続され、浮遊容量１１はベース端子ＴＢとガード端子ＴＧとの間に接続され、浮遊容量１２はセンス端子にＴＳとガード端子ＴＧとの間に接続される。

フロントエンド回路２は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４と、積分器１５と、タイミング信号発生器１６と、直流電圧源１７，１８とを備えて構成される。ここで、積分器１５は、オペアンプである差動増幅器１３と、積分容量１４と、リセットスイッチＳＷ５とを備える。オペアンプはリーク電流による誤差を避けるためＣＭＯＳなどの高入力インピーダンスのオペアンプが望ましい。

タイミング信号発生器１６は、制御信号φ１，φ２を発生することで、ＭＥＭＳ容量センサ１及びフロントエンド回路２の動作を制御する制御回路を構成する。ここで、タイミング信号発生器１６は、制御信号φ１をスイッチＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５に出力することでスイッチＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５をオン／オフする。また、タイミング信号発生器１６は、制御信号φ２をスイッチＳＷ２，ＳＷ４に出力することでスイッチＳＷ２，ＳＷ４をオン／オフする。ここで、図３を参照して後述するように、制御信号φ１はフェーズＰ１においてオンとなり、フェーズＰ２においてオフとなる。一方、制御信号φ２はフェーズＰ１においてオフとなり、フェーズＰ２においてオンとなる。従って、制御信号φ１，φ２は所定の周期で繰り返される、互いに逆相の周期信号であって、それぞれ例えば５０％のデューティ比を有する。なお、デューティ比は５０％に限らない。

センス端子ＴＳはスイッチＳＷ１を介して差動増幅器１３の非反転出力端子に接続されるとともに、スイッチＳＷ２を介して差動増幅器１３の反転入力端子に接続される。ここで、非反転出力端子は所定の電位Ｖｃｏｍ（Ｖｒｅｆｎ＜Ｖｃｏｍ＜Ｖｒｅｆｐ）に接続される。ここで、電位Ｖｃｏｍは例えば接地電位であってもよい。さらに、差動増幅器１３の出力端子は、容量値Ｃｆｂを有する積分容量１４とリセットスイッチＳＷ５の並列回路である帰還回路を介して差動増幅器１３の反転入力端子に接続される。これにより、前記期間回路を有する差動増幅器１３は、ＭＥＭＳ容量センサ１のセンス端子ＴＳの電荷による出力電圧を増幅して積分することでサンプルホールドする積分器１５を構成する。

さらに、ベース端子ＴＢはスイッチＳＷ１を介して、電圧Ｖｒｅｆｐの直流電圧源１７を介して電位Ｖｃｏｍに接続されるとともに、スイッチＳＷ２を介して、電圧Ｖｒｅｆｎの直流電圧源１８を介して電位Ｖｃｏｍに接続される。ガード端子ＴＧは電位Ｖｃｏｍに接続される。ここで、フロントエンド回路２の積分器１５と信号処理回路３とは、センス容量Ｃｓを測定する測定手段を構成し、積分器１５からの出力電圧Ｖｏは信号処理回路３のＡＤ変換器３１に入力される。

信号処理回路３は、ＡＤ変換器３１と、低域通過フィルタ３２（図２においてＬＰＦと表記する）と、デジタル補正回路３３と、温度センサ３４と、不揮発メモリ３５と、ＦＩＦＯ（Ｆｉｒｓｔ−Ｉｎ Ｆｉｒｓｔ−Ｏｕｔ）メモリ３６と、インターフェース回路３７とを備えて構成される。

ＡＤ変換器３１は入力される出力電圧Ｖｏを例えば２値のデジタル電圧に変換した後、低域通過フィルタ３２に出力する。低域通過フィルタ３２は入力されるデジタル電圧のうち所定の低周波成分のみを低域通過ろ波して、ろ波後の信号をデジタル補正回路３３に出力する。ここで、ＡＤ変換器３１は、公知の通り、例えば、減算器、遅延器、コンパレータ及びＤＡ変換器を含むΔΣ型ＡＤ変換器で構成され、差動増幅器１３とＡＤ変換器３１とが連動した形式で動作する。各フェーズ毎に電荷をＡＤ変換器３１の最終段まで転送し、電荷を電圧化した時点で前記コンパレータに入力してデジタル値を得る。ΔΣ型ＡＤ変換器は次数が高いほど量子化ノイズが低減されるので、コンパレータから前記ＤＡ変換器を介して主信号経路に帰還をかけることが好ましい。また、低域通過フィルタ３２は、サンプリング周波数などの高周波成分を除去するために設けられ、簡易的にダウンサンプリングと積分器及び微分器を組み合わせたＳｉｎｃフィルタでも同様の作用効果が得られる。

デジタル補正回路３３には、温度センサ３４と、不揮発メモリ３５と、ＦＩＦＯメモリ３６戸が接続される。温度センサ３４はＭＥＭＳ容量センサ１の周囲温度を測定して、測定された温度のデジタル値をデジタル補正回路３３に出力する。不揮発性メモリ３５は、フロントエンド回路２からの出力電圧Ｖｏ（センス容量Ｃｓに対応する）を圧力値に変換しかつ周囲温度を考慮した補正を行うための補正係数を格納する。デジタル補正回路３３は、低域通過フィルタ３２からのデジタル値に対して補正係数を例えば乗算してデジタル圧力値（気圧値）を演算し、ＦＩＦＯメモリ３６に一時的に記憶した後、インターフェース回路３７に出力する。インターフェース回路３７は入力されるデジタル圧力値を所定のフォーマットのデジタルデータの出力信号に変換して外部回路に出力する。

デジタル補正回路３３を設ける意義は以下の通りである。ＭＥＭＳ容量センサ１からのそのままの容量出力値では、気圧に対する容量値の直線性が得られない。また、周囲温度に合わせて温度特性が変動する。そのため、容量のデジタル値と温度のデジタル値を用いて内部演算し，所望の直線性を有する温度特性を得る。具体的にはセンサモジュールを組み立てた後に、モジュール個別の圧力特性及び温度特性を工場で計測し，初期特性を取得する。初期特性を元にデジタル補正の係数を算出して得られた係数を不揮発性メモリ３５に書き込んでおく。実際にセンサモジュールを動作させると、周囲温度及び周囲圧力に合わせて測定された容量デジタル値及び温度デジタル値と予め用意された多項式演算に前出の補正係数を不揮発メモリ３５から呼び出して演算することで正確なデジタル圧力値を算出できる。

本実施形態では、デジタル補正回路３３はデジタル圧力値（気圧値）を演算しているが、本発明はこれに限られず、センス容量Ｃｓを演算して出力してもよい。

図３は図２の容量測定回路の動作を示すタイミングチャートである。図３に示すように、容量測定回路の動作のフェーズＰ１において、制御信号φ１がハイレベルとなる一方、制御信号φ２がローレベルとなる。このとき、スイッチＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５はオンされる一方、スイッチＳＷ２，ＳＷ４はオフされる。このときのベース端子電圧Ｖｂは電圧Ｖｒｅｆｐとなり、出力電圧Ｖｏは電位Ｖｃｏｍとなる。次いで、フェーズＰ２において、制御信号φ１がローレベルとなる一方、制御信号φ２がハイレベルとなる。このとき、スイッチＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５はオフされる一方、スイッチＳＷ２，ＳＷ４はオンされる。このときのベース端子電圧Ｖｂは電圧Ｖｒｅｆｎとなり、出力電圧Ｖｏは測定値Ｖｍｅａｓとなる。

図２の構成を有する容量測定回路においては、以下の特徴を有する。
（１）センス容量Ｃｓを測定する方法として、フロントエンド回路２からベース端子ＴＢに矩形波を入力して発生する電荷をセンス端子ＴＳを介してフロントエンド回路２に取り出している。
（２）センス端子ＴＳとガード端子ＴＧが同電位Ｖｃｏｍとなるように制御して、センス容量Ｃｓを測定している。
（３）ベース端子ＴＢに、フェーズＰ１のとき電圧Ｖｒｅｆｐを有し、フェーズＰ２のときに電圧Ｖｒｅｆｎを有する矩形波を入力している。
（４）センス端子ＴＳはフェーズＰ２のときフロントエンド回路２の積分器１５に接続されるように構成する。
（５）積分器１５の出力電圧Ｖｏを１周期ごとにサンプルホールドして離散的な電圧信号列を得る。

以上のように構成された容量測定回路の動作について、図４Ａ及び図４Ｂを参照して以下詳述する。図４Ａは図２の容量測定回路のフェーズＰ１における動作を示すＭＥＭＳ容量センサ１の回路図であり、図４Ｂは図２の容量測定回路のフェーズＰ２における動作を示すＭＥＭＳ容量センサ１の回路図である。

フェーズＰ１のとき、図４Ａの通り接続され、容量１０，１１には以下の電荷Ｑｓ１，Ｑｂｇ１が充電される。

Ｑｓ１＝Ｃｓ×（Ｖｒｅｆｐ−Ｖｃｏｍ） （２）
Ｑｂｇ１＝Ｃｂｇ×（Ｖｒｅｆｐ−Ｖｃｏｍ） （３）

次いで、フェーズＰ２のとき、図４Ｂの通り接続され、容量１０，１１には以下の電荷Ｑｓ１，Ｑｂｇ１が充電される。

Ｑｓ２＝Ｃｓ×（Ｖｃｏｍ−Ｖｒｅｆｎ） （４）
Ｑｂｇ２＝Ｃｂｇ×（Ｖｃｏｍ−Ｖｒｅｆｎ） （５）

ここで、センス端子ＴＳが積分器１５に接続されるので、次式の電荷ｄＱｓが積分器１５以降の回路に転送される。

ｄＱｓ
＝Ｑｓ１＋Ｑｓ２
＝Ｃｓ×（Ｖｒｅｆｐ−Ｖｒｅｆｎ） （６）

ここで、フロントエンド回路２の積分器１５の帰還容量をＣｆｂとし、出力電圧をｄＶ０として、ｄＶ０＝ｄＱｓ／Ｃｆｂの関係があり、当該出力電圧を電圧値として出力することができる。

以上のように構成された容量測定回路によれば、浮遊容量１２の両端電位はフェーズにかかわらず常に電位Ｖｃｏｍであって等しいため、浮遊容量１２に電荷が一切発生しない。また、浮遊容量１１には各フェーズで電荷が溜まるが、とりだす電荷はセンス端子ＴＳからだけであって、浮遊容量１１に溜まった電荷がセンス端子ＴＳに移動することもないため、容量測定値に影響を与えない。従って、センス容量１０のセンス容量Ｃｓを浮遊容量１１，１２の影響を受けずに従来例に比較して高い精度で測定でき、また、フェーズＰ１，Ｐ２の２つのステップで測定できるので従来例に比較して高速で容量を検出できる。

すなわち、実施形態において、所定期間において、センス端子ＴＳとガード端子ＴＧとを同一の電位にすることで、浮遊容量１１，１２の影響を受けずにセンス容量１０の容量値を、従来例に比較して高い精度で測定できる。

また、フェーズＰ１において、センス端子ＴＳとガード端子ＴＧとを同一の電位にし、ベース端子ＴＢに前記電位よりも高い第１の電圧Ｖｒｅｆｐを印加し、前記フェーズＰ１に続くフェーズＰ２において、ベース端子ＴＢに前記電位よりも低い第２の電圧Ｖｒｅｆｎを印加し、ガード端子ＴＧを前記電位にし、センス端子ＴＳの電圧を前記測定手段により測定することでセンス容量１０を測定する。これにより、フェーズＰ１においてセンス端子ＴＳとガード端子ＴＧとを同一の電位にすることで、浮遊容量１１，１２の影響を受けずに、かつ、その後のフェーズＰ２でセンス容量１０の容量値を、従来例に比較して高い精度で測定できる。

さらに、フロントエンド回路２をタイミング信号発生器１６及びスイッチＳＷ１〜ＳＷ４で構成することで、フェーズＰ１においてセンス端子ＴＳとガード端子ＴＧとを同一の電位にし、フェーズＰ２でセンス容量１０の容量値を測定する回路を実現できる。

またさらに、タイミング信号発生器１６は、制御信号φ１と制御信号φ２を所定の周期で繰り返し発生することで、センス容量１０の容量値を繰り返し所定の周期で測定する回路を実現できる。

また、積分器１５を備えることで、センス容量１０の変化が微小容量であっても、高精度で容量値を測定できる。

さらに、低域通過フィルタ３２を備えることで、ＡＤ変換器３１よりも前段で発生するスプリアス成分を除去でき、高精度で容量値を測定できる。また、タイミング発生器でSW切り替えを行っているクロック周波数の成分を除去することができる。

またさらに、デジタル補正回路３３を備えることで、周囲温度に応じて補正して、補正後の出力電圧に基づいて、前記センス容量の容量値を算出することで、周囲温度に依存せず、高精度で容量値を測定できる。

なお、デジタル補正回路３３が気圧値を算出することで、気圧センサとしても構成できる。

また、ＭＥＭＳ容量センサ１は例えば図１Ａ及び図１Ｂのごとく形成でき、当該ＭＥＭＳ容量センサ１を用いて浮遊容量１１，１２の影響なしにセンス容量１０の容量値を高精度で測定できる。

さらに、ＭＥＭＳ容量センサ１と、フロントエンド回路２及び信号処理回路３からなる容量測定回路とを備えることで、容量測定システムを構成できる。

変形例．
以上の実施形態では、図２の容量測定回路を気圧センサ回路として用いているが、本発明はこれに限られず、センス容量１０のセンス容量Ｃｓそのものを測定してもよい。

以上の実施形態では、フェーズＰ１とフェーズＰ２を周期的に繰り返しているが、本発明はこれに限らず、少なくともフェーズＰ１の時間期間とフェーズＰ２の時間期間があれば、センス容量１０のセンス容量Ｃｓを測定することができる。

なお、電位Ｖｃｏｍは例えば接地電位であってもよく、この場合は、電圧Ｖｒｅｆｐは正の電圧となり、電圧Ｖｒｅｆｎは負の電圧となる。

以上の実施形態においては、ＡＤ変換器３１を備えているが、本発明はこれに限らず、デジタル補正回路３３をアナログ回路で構成する場合は、ＡＤ変換器３１を省略し、積分器１５の後段にバッファのためのオペアンプを別途設けるようにしてもよい。

以上の実施形態においては、低域通過フィルタ３２を備えているが、本発明はこれに限らず、ＡＤ変換器３１からの出力電圧信号のスプリアスが所定値以下で低い場合は、低域通過フィルタ３２を省略してもよい。

以上の実施形態においては、フェーズＰ１の期間において、ベース端子ＴＢとガード端子ＴＧとを同一の電位Ｖｃｏｍにし、ベース端子ＴＢに前記同一の電位Ｖｃｏｍよりも高い電圧Ｖｒｅｆｐを印加し、フェーズＰ１の期間に続くフェーズＰ２の期間において、ベース端子ＴＢに前記同一の電位Ｖｃｏｍよりも低い電圧Ｖｒｅｆｎを印加し、ガード端子ＴＧを前記同一の電位Ｖｃｏｍにし、センス端子ＴＳの電圧を測定することでセンス容量Ｃｓを測定している。しかし、本発明はこれに限らず、フェーズＰ１の期間において、ベース端子ＴＢとガード端子ＴＧとを同一の電位Ｖｃｏｍにし、ベース端子ＴＢに前記同一の電位Ｖｃｏｍよりも低い電圧Ｖｒｅｆｎを印加し、フェーズＰ１の期間に続くフェーズＰ２の期間において、ベース端子ＴＢに前記同一の電位Ｖｃｏｍよりも高い電圧Ｖｒｅｆｐを印加し、ガード端子ＴＧを前記同一の電位Ｖｃｏｍにし、センス端子ＴＳの電圧を測定することでセンス容量Ｃｓを測定してもよい。

以上詳述したように、容量センサの浮遊容量の影響を受けずに、従来技術に比較して高い精度で静電容量を測定することができる容量測定回路及び容量測定システムを提供できる。

１ ＭＥＭＳ容量センサ
２ フロントエンド回路
３ 信号処理回路
１０ センス容量
１１，１２ 容量
１３ 差動増幅器
１４ 容量
１５ 積分器
１６ タイミング信号発生器
１７，１８ 直流電圧源、
２０ ダイアフラム板
２１ 導電性基板
２２ 密閉空隙
２３ 側壁層
２７ 導電層
２８，２９ 絶縁層
３１ ＡＤ変換器
３２ 低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
３３ デジタル補正回路
３４ 温度センサ
３５ 不揮発メモリ
３６ ＦＩＦＯメモリ
３７ インターフェース回路
ＳＷ１〜ＳＷ５ スイッチ
ＴＢ ベース端子
ＴＧ ガード端子
ＴＳ センス端子

Claims (12)

1. 第１の端子と第２の端子との間のセンス容量と、
   前記第２の端子と第３の端子との間の第１の浮遊容量と、
   前記第１の端子と前記第３の端子との間の第２の浮遊容量とを有する容量センサのセンス容量を、前記第１の端子から測定する測定手段を備えた容量測定回路であって、
   所定期間において、前記第１の端子と前記第３の端子とを同一の電位にする制御回路を備えたことを特徴とする容量測定回路。
2. 前記制御回路は、
   第１の期間において、前記第１の端子と前記第３の端子とを同一の電位にし、前記第２の端子に第１の電圧を印加し、
   前記第１の期間に続く第２の期間において、前記第２の端子に第２の電圧を印加し
   、前記第３の端子を前記電位にし、前記第１の端子の電圧を前記測定手段により測定することで前記センス容量を測定することを特徴とする請求項１記載の容量測定回路。
3. 前記第１の電圧は前記同一の電位よりも高く、前記第２の電圧は前記同一の電位よりも低いことを特徴とする請求項２記載の容量測定回路。
4. 前記第１の電圧は前記同一の電位よりも低く、前記第２の電圧は前記同一の電位よりも高いことを特徴とする請求項２記載の容量測定回路。
5. 前記制御回路は、
   前記第１の期間において第１の制御信号を出力し、前記第２の期間において第２の制御信号を出力するタイミング信号発生器と、
   前記第１の端子と前記電位との間に接続され、前記第１の制御信号に基づいてオンとされる第１のスイッチと、
   前記第１の端子と前記測定手段との間に接続され、前記第２の制御信号に基づいてオンとされる第２のスイッチと、
   前記第２の端子と前記第１の電圧との間に接続され、前記第１の制御信号に基づいてオンとされる第３のスイッチと、
   前記第２の端子と前記第２の電圧との間に接続され、前記第２の制御信号に基づいてオンとされる第４のスイッチとを備えたことを特徴とする請求項２〜４のうちのいずれか１つに記載の容量測定回路。
6. 前記タイミング信号発生器は、前記第１の制御信号と前記第２の制御信号を所定の周期で繰り返し発生することを特徴とする請求項５記載の容量測定回路。
7. 前記測定手段は、前記第１の端子の電圧を増幅して積分して出力電圧を出力する積分器をさらに備えたことを特徴とする請求項１から６までのうちのいずれか１つに記載の容量測定回路。
8. 前記測定手段は、前記積分器からの出力電圧のうち低周波成分を通過ろ波する低域通過フィルタをさらに備えたことを特徴とする請求項７記載の容量測定回路。
9. 前記測定手段は、前記積分器又は前記低域通過フィルタからの出力電圧を、周囲温度に応じて補正して、補正後の出力電圧に基づいて、前記センス容量の容量値を算出する補正回路をさらに備えたことを特徴とする請求項７又は８記載の容量測定回路。
10. 前記測定手段は、前記積分器又は前記低域通過フィルタからの出力電圧を、周囲温度に応じて補正して、補正後の出力電圧に基づいて、前記センス容量の容量値に対応する気圧値を算出する補正回路をさらに備えたことを特徴とする請求項７又は８記載の容量測定回路。
11. 前記容量センサは、基板上に、密閉空間を形成するように、第１の絶縁層と、導電層と、第２の絶縁層とを介して、ダイアフラム板を形成して構成され、
    前記ダイアフラム板は前記第１の端子に接続され、前記導電層は前記第３の端子に接続され、前記基板は前記第２の端子に接続されることを特徴とする請求項１から１０までのうちのいずれか１つに記載の容量測定回路。
12. 請求項１記載の容量センサと、
    請求項１から１１までのうちのいずれか１つ記載の容量測定回路とを備えたことを特徴とする容量測定システム。

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