JP4105255B2 - ブリッジ回路の読出し回路およびこの読出し回路を有するセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロメカニックな半導体デバイスとしての静電容量式測定センサおよびこのようなセンサに用いられる読出しおよび評価回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定量のごく小さい変化に応じて評価可能なごく小さい測定信号を与えるたとえば圧力センサおよび加速度センサのような大きな感度を有する静電容量式測定センサに対しては、ごく小さいキャパシタンス変化を測定量に一義的に対応付け可能な出力信号に変換する評価回路が必要である。従って、数１０ａＦの範囲までのごく小さいキャパシタンスおよびそれらの変化に対して使用可能であり、また特にマイクロメカニックな半導体デバイスとして好ましくはシリコンで実現される静電容量式センサと一緒にモノリシックに集積するのに適している読出し回路が必要とされている。マイクロメカニックなデバイスとしての静電容量式圧力センサはたとえばドイツ特許第 4401999C2号明細書に記載されており、またマイクロメカニックなデバイスとしての静電容量式加速度センサはたとえばヨーロッパ特許第 0543901B1号明細書に記載されている。読出し回路は、入力信号をマイクロプロセッサにより読み入れられるビットストリームまたはディジタルワードに変換する評価回路に接続されなければならない。検出すべき電荷量がごく小さいために、一方では信号を損なわず、他方では読出しを可能にするため十分な感度を有する技術が必要である。このため一般に従来のアナログ増幅器が使用され、増幅された信号は続いてアナログ／ディジタル変換されている。まれには、たとえば刊行物、サンセン（W.Sansen）ほか編「アナログ回路設計（Analog Circuit Design)」クラワー・アカデミック(Kluwer Academic) 出版、ドルドレヒト(Dordrecht) 、１９９４年、第１６３〜１８１頁のアゼレド・レム（C.Azeredo Leme）およびバルテス（H.Baltes）著「マイクロセンサシステム用インタフェース」に記載されているようなΣ‐Δ変調器も使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ごく小さいキャパシタンスに対する読出し回路およびそれによって作動する高感度の静電容量式測定センサを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題は請求項１の特徴を有する読出し回路および請求項４または５の特徴を有するマイクロメカニックなセンサにより解決される。他の実施態様はそれぞれの従属請求項に記載されている。
【０００５】
本発明による読出し回路では、原理的には公知のスイッチド‐キャパシタンス技術による二次のΣ‐Δ変調器（以下では短縮してＳＤＭとも呼ぶ）が使用される。測定すべきキャパシタンスは３つの他のキャパシタンスと共に、コンデンサの各２つが直列に接続されまたこれらの両直列回路が互いに並列に接続されているブリッジ回路に一括接続される。このブリッジ回路の入力端としてはこれらの直列回路の終端における端子が、また出力端としてはそれぞれ相前後して直列に接続されているコンデンサの端子が用いられる。このブリッジ回路は、従来のＳＤＭでは２つの適当に回路内に組み込まれたコンデンサにより形成される入力段の一部を置換するものである。このようにしてキャパシタンスの変化の際（たとえば静電容量式測定センサに作用する量の変化の際）このキャパシタンスブリッジの不平衡によりＳＤＭの出力信号（ビットストリーム）が影響される。
【０００６】
本発明により実現されるセンサでは、好ましくは、静電容量信号を供給する２つの同じ種類のセンサ要素が共通に使用される。これらのセンサのコンデンサまたはコンデンサとして作用する部分（以下では測定コンデンサと呼ぶ）は２つの基準コンデンサと一緒に、本発明による読出し回路のブリッジ回路に組み込まれ、ブリッジ回路の各入力端および出力端にそれぞれ１つの測定コンデンサおよび基準コンデンサが接続される。センサ要素に作用する量の変化により互いに逆向きのキャパシタンス変化を生ずる２つのセンサ要素が使用される場合には、両測定コンデンサは直列に接続され、また両基準コンデンサは直列に接続される。
【０００７】
【実施例】
以下、図１ないし図３により本発明による読出し回路およびそれにより実現可能なセンサを一層詳細に説明する。
【０００８】
図１には本発明による読出し回路の一例が詳細に示されている。Σ‐Δ変調器としては基本的に同一の機能を有するすべての形式のものが使用される。このΣ‐Δ変調器の入力段は、図示のように、コンデンサＣｓ１およびＣｓ２（測定コンデンサ）、コンデンサＣｒ１およびＣｒ２（基準コンデンサ）が回路の左側に記入されているように接続されているブリッジ回路を有するものとして変更される。電位Ｖ１およびＶ２は交互にブリッジ回路の入力端ｋ３またはｋ５に与えられ、その際以下のスイッチのうち符号ｏｄを付されている２つのスイッチは閉じられ、また符号ｅｄを付されている２つのスイッチは開かれる（またはその逆）。これらのスイッチのクロックによる切換制御は、図面の右に記入されているＳＤＭのブロック内に配置されているクロック制御回路ＴＧ（タイミング発生器）を介して行われる。ブリッジ回路の出力端は符号ｉｎｐおよびｉｎｍを付されている。電流供給部はブロックＰＳとして示されている。好ましくは電位Ｖ１およびＶ２は、記入されている中央電位Ｖｂ１と電位Ｖ１およびＶ２の各１つとの間の電位差が同じ大きさで互いに逆の符号を有するように選ばれる（たとえばＶ１＝０．５Ｖ、Ｖｂ１＝２Ｖ、Ｖ２＝３．５Ｖ）。
【０００９】
ＳＤＭの入力端におけるブリッジ回路は２つのセンサ要素および２つの基準コンデンサが使用できるように構成されており、それによってセンサ全体の感度が著しく高められる。なぜならば、２つの同じ種類のセンサ要素が測定のために同時に使用され、また読出し回路が両センサ要素の等しい向きのキャパシタンス変化を、従来の読出し方法にくらべて信号レベルの顕著な上昇が生ずるように評価するからである。
【００１０】
好ましい実施例では、ブリッジ回路は追加的に平衡装置を設けられている。このような平衡装置の一例が図２に詳細に示されている。この平衡装置は複数個のコンデンサにより形成されており、これらのコンデンサはそれらの端子の１つでそれぞれブリッジ回路の同一の出力端に接続されており、またそれらのキャパシタンス値は重み付けされている。これらのコンデンサはたとえば図面中に記入されているように特定のキャパシタンス値（ここでは６ｆＦ）の２ⁿ 倍（ｎ＝０、１、２、・・・）のキャパシタンスを有する。これらのキャパシタンス値は、できるだけ少数のコンデンサにより設定可能なキャパシタンス値の密なシリーズを得ることを考慮に入れて選ばれている。スイッチＣ０５、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ８、Ｃ１６Ｑ（図１中ではＣｘｘとして一括されている）を介してこれらのコンデンサの他方の端子が交互にブリッジ回路の入力端ｋ３または入力端ｋ５に接続される。従って、この平衡装置内での切換によって、ブリッジ回路のコンデンサ（たとえば測定コンデンサの１つ）に対して並列に接続されているキャパシタンスが特定の値だけ高められ、またこの上記のコンデンサと直列に接続されているコンデンサ（たとえば当該の測定コンデンサに属する基準コンデンサ）に対して並列に接続されているキャパシタンスが同一の特定の値だけ減ぜられる。
【００１１】
好ましくはこのような平衡装置はブリッジ回路の両枝路内に、すなわち各２つのコンデンサ（Ｃｓ１およびＣｒ１またはＣｓ２およびＣｒ２）の両直列回路内にそれぞれ挿入される。同じ大きさのキャパシタンスを有する２つの同じ種類のセンサ要素を使用する際には２つの平衡装置は、１つのセンサ要素に対応付けられている２つの全キャパシタンス（測定コンデンサおよびそれに対して並列に接続されている付設の平衡装置のコンデンサ）はより大きく（より小さく）、また対応付けられている基準コンデンサの２つの全キャパシタンス（基準コンデンサおよびそれに対して並列に接続されている平衡装置のコンデンサ）はより小さく（より大きく）なるように切換えられる。測定コンデンサのキャパシタンスが同じ大きさであり（同じ種類のセンサ要素）、かつ基準コンデンサのキャパシタンスが同じ大きさであり、しかし測定および基準コンデンサのキャパシタンスが異なっている場合には、平衡装置の適当な設定によりブリッジ回路の平衡に対して重要な全キャパシタンスが、同じキャパシタンスの４つのコンデンサから成るブリッジ回路に相当するように互いに適合され得る。すなわち、ブリッジ回路のできるだけ大きい対称性を得るために、両平衡装置が両枝路内の同じ組の測定および基準コンデンサのキャパシタンスの比に関して同じ方向に操作される。それによってＳＤＭの調整範囲内の零点シフトが達成される。
【００１２】
検出された影響量の変化の際に互いに逆方向にキャパシタンスが変化する２つの静電容量式測定センサが使用される場合には、これらのセンサ要素はブリッジ回路において同一の出力端ｉｎｍまたはｉｎｐに、すなわちコンデンサＣｓ１およびＣｒ１として、またはコンデンサＣｓ２およびＣｒ２として接続される。
【００１３】
ＳＤＭの出力端におけるビットストリームは、この実施例では、３次のデシメーションフィルタによりフィルタされる。それから生ずる１６ビット‐ワードはＳＣＩプロトコルにより直列フォーマットに変換され、また後段に接続されているマイクロプロセッサに与えられる。
【００１４】
マイクロメカニックな半導体デバイスとしてのセンサの本発明による実施例では、２つの同じ種類の静電容量式測定センサ要素、たとえば２つの圧力センサダイアフラムまたは発生する慣性力を決定するための２つの可動質量部分（加速度センサ）が１つのチップの上に集積される。これらのセンサ要素により形成されまたセンサにより検出される影響量の変化の際にも（不可避の製造許容誤差を別として）常に同一のキャパシタンスを有する測定コンデンサは、コンデンサＣｓ１およびＣｓ２として読出し回路のブリッジ回路に接続されている。基準コンデンサＣｒ１およびＣｒ２はたとえば２つのそのようなセンサ要素により形成されるが、それらのキャパシタンスは別の手段により、好ましくは正規値または休止値に等しい一定の値に保たれる。
【００１５】
圧力センサではセンサ要素は、チップ内に形成された空所の上に配置されまた圧力を測定すべき外部媒体によりアクセス可能な表面を有する導電性のダイアフラム層により形成される。キャパシタンスはこのダイアフラム層とチップ内の導電性にドープされた範囲との間で測定される。基準コンデンサとして使用すべき相応のセンサ要素はその場合にたとえば相応のしかし外方が覆われているダイアフラム層により形成される。空所は完全にはエッチング除去されていないので、ダイアフラム層はこの方向にも固く保持されており、従ってまた運動不可能である。基準コンデンサとして使用されるセンサ要素のダイアフラム層の下には少なくとも広範囲に空所が設けられいるので、誘電定数はここでは近似的に測定コンデンサとして使用される（本来の）センサ要素の誘電定数に等しい。従って、すべての４つのキャパシタンスは十分な近似で同じ大きさである。不正確さは上記のように２つの平衡装置により除去される。これらの平衡装置のコンデンサは好ましくは回路のその他のコンデンサのように、たとえば互いに絶縁された半導体層または導体路により構成される。
【００１６】
本発明により実現された加速度センサではセンサ要素は２つの同じ種類で導電性の可動の質量部分により形成され、これらの質量部分は、慣性力が運動方向に生じない場合には、弾性的懸垂により休止位置に保たれる。キャパシタンスはこの質量部分とチップに関して固定の対向電極との間で測定される。基準コンデンサはここでは同じく同じ種類の２つの別の対向電極を有する質量部分により形成することもできる。基準コンデンサの質量部分は可動的に懸垂されずに、休止位置に相応する位置に固定されている。
【００１７】
検出される影響量の変化の際にキャパシタンスが互いに逆向きに変化する２つの静電容量式測定センサ要素が使用される場合には、同一の読出し回路が使用されるが、測定コンデンサはブリッジ回路の同一の枝路内で直列に相い前後して接続されている（Ｃｓ１およびＣｒ１として、またはＣｓ２およびＣｒ２として）。これはたとえば、センサ要素が共通の可動的な導電性の中央板およびその上下に固定配置されている各１つの対向電極から形成されるセンサ（圧力センサまたは加速度センサ）の場合、または可動的な導電性質量部分がその側方の両側に配置されている２つの対向電極の間を往復して動かされるセンサ（加速度センサ）の場合である。
【００１８】
本来のセンサ要素と少なくとも近似的に同一のキャパシタンスを有するような固定された追加的なセンサ要素の代わりに、基準コンデンサはたとえば互いに絶縁されている半導体層または導体路により電子回路の構成要素として形成することができる。その場合にセンサ要素のキャパシタンスとの平衡が通常必要で或るが、この平衡は前記の平衡装置により行われる。基準コンデンサは特に平衡装置の構成部分、すなわち平衡装置内で互いに並列に接続されているコンデンサの１つとすることができる。
【００１９】
図３には、本発明により実現されたセンサを有するチップの概要が示されている。測定コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２のセンサ要素と、固定されているがその他の点では同じ種類の基準コンデンサＣｒ１、Ｃｒ２のセンサ要素は、同じ大きさの圧力センサダイアフラムとして示されている。回路ブロックとして電流供給部ＰＳ、コンデンサを設けられている平衡装置ＣＣの回路部分、およびクロック制御部ＴＧを有するΣ‐Δ変調器ＳＤＭが示されている。回路の作用効果を検証するため、内蔵のスイッチによりブリッジ回路はチップ上に集積された４つの別のコンデンサから成る他のブリッジ回路により置換することができる。この検査目的で使用される別のブリッジ回路は診断コンデンサＤＣの回路ブロックとして示されているコンデンサ装置により形成される。前記のデシメーションフィルタＤＦおよびＳＣＩインタフェースＳＣＩ（クロック分割器およびＳＣＩインタフェース回路）は好ましくは同じくチップ上に集積されている。
【００２０】
診断コンデンサと同じようにして別の感度範囲を有しまたは別の影響量を検出するセンサ要素から成る別のセンサ複合体もＳＤＭの入力段に接続することができる。このようにして多領域ないし多重センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による読出し回路の一実施例を示す結線図。
【図２】図１の回路の一部詳細図。
【図３】チップとして実現された本発明によるセンサの概要図。
【符号の説明】
Ｃｓ１、Ｃｓ２ 測定コンデンサ
Ｃｒ１、Ｃｒ２ 基準コンデンサ
ｅｄ、ｏｄ スイッチ
ｉｎｍ、ｉｎｐ ブリッジ回路出力端
ｋ３、ｋ５ ブリッジ回路入力端
ＴＧ クロック制御回路
Ｃ０５、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ８、Ｃ１６Ｑ；Ｃｘｘ スイッチ

Claims (8)

1. ４つのコンデンサ（Ｃｓ１、Ｃｓ２、Ｃｒ１、Ｃｒ２）から成り、４つのコンデンサ（Ｃｓ１、Ｃｓ２、Ｃｒ１、Ｃｒ２）のうち少なくとも１つのコンデンサ（Ｃｓ１、Ｃｓ２）が静電容量式測定センサによって形成されているブリッジ回路の読出し回路において、
   ブリッジ回路がΣ‐Δ変調器の入力段に設けられ、
   読出し回路が２つの入力端（ｋ３、ｋ５）および２つの出力端（ｉｎｍ、ｉｎｐ）を介してブリッジ回路に接続されており、
   これらの入力端の１つおよびこれらの出力端の１つから成る各対に対して４つのコンデンサの１つがこの対の入力端と出力端との間に接続されており、
   ２つの相い異なる電位を時間的に交互に切換えてブリッジ回路の両入力端に与えるスイッチ（ｅｄ、ｏｄ）およびクロック制御回路（ＴＧ）が設けられていることを特徴とするブリッジ回路の読出し回路。
2. ４つのコンデンサが等しいキャパシタンスのコンデンサの２つの対により形成されており、
   これらの対の各々のコンデンサがブリッジ回路の異なる入力端および異なる出力端と接続されており、
   それぞれ複数個のコンデンサおよびスイッチを含んでいる２つの平衡装置が設けられており、
   これらの平衡装置のコンデンサが互いに並列にそれらの端子の１つによりそれぞれブリッジ回路の同一の出力端に接続されており、またスイッチ（Ｃ０５、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ８、Ｃ１６Ｑ；Ｃｘｘ）を介してそのそれぞれ他方の端子により交互にブリッジ回路の入力端の１つに接続されることを特徴とする請求項１記載の読出し回路。
3. ４つのコンデンサが同一のキャパシタンスを有することを特徴とする請求項１記載の読出し回路。
4. 各１つの測定コンデンサを形成する２つの同じ種類のセンサ要素が設けられており、
   これらの測定コンデンサのキャパシタンスが測定すべき量の変化の際に互いに同じ向きに変化し、
   これらの測定コンデンサがブリッジ回路の４つのコンデンサのうちの２つとして接続されており、また
   測定コンデンサがブリッジ回路の異なる入力端および異なる出力端に接続されていることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の読出し回路を有するセンサ。
5. 各１つの測定コンデンサを形成する２つの等しい種類のセンサ要素が設けられており、
   これらの測定コンデンサのキャパシタンスが測定すべき量の変化の際に互いに逆方向に変化し、
   これらの測定コンデンサがブリッジ回路の４つのコンデンサの２つとして接続されており、また
   測定コンデンサがブリッジ回路の同一の出力端と接続されていることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の読出し回路を有するセンサ。
6. 測定すべき量の変化時にキャパシタンスが変化しない各１つの基準コンデンサを形成する２つの同じ種類のセンサ要素が設けられており、
   これらの基準要素がセンサ要素と同じ種類に構造化されかつセンサ要素の予め定められた基本状態で測定コンデンサのキャパシタンスに少なくとも近似的に等しいように固定されており、また
   これらの基準コンデンサがブリッジ回路の４つのコンデンサのうちの２つとして接続されていることを特徴とする請求項４または５記載のセンサ。
7. 各センサ要素が、圧力測定のために十分に変形可能であり、表面に圧力を測定すべき媒体のアクセスが可能であり、また測定コンデンサの一部を形成する少なくとも部分的に導電性のダイアフラムを有することを特徴とする圧力センサとしての請求項４ないし６の１つに記載のセンサ。
8. 各センサ要素が、加速度測定のために十分に運動可能であり、慣性力がない場合に休止位置に保たれ、また測定コンデンサの一部を形成する少なくとも部分的に導電性の質量部分を有することを特徴とする加速度センサとしての請求項４ないし６の１つに記載のセンサ。

Images