JP4752417B2

JP4752417B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP4752417B2
Application number: JP2005270614A
Authority: JP
Inventors: 聡兵頭
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP2007078648A

Description

本発明は、半導体微小機械構造を有するセンサ装置に関する。

従来、圧力や加速度等の物理量を検出するセンサ装置として、半導体プロセスを基盤としたマイクロマシン技術を用いて形成された半導体微小機械構造、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術によりキャパシタを構成し、そのキャパシタの静電容量が、付与された物理量に応じて変化することを利用してその静電容量から物理量を検出するようにしたセンサ装置が知られている。

図９は、上述のような背景技術に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である（例えば、特許文献１参照。）。図９に示すセンサ装置１０１は、ＭＥＭＳ基板上に構成された物理量検出用のキャパシタ１０２と、物理量が付与されていない場合におけるキャパシタ１０２の静電容量と同じ静電容量Ｃｒを有し、参照用に用いられる個別部品のキャパシタ１０３と、演算増幅器１０４と、演算増幅器１０４の帰還用キャパシタ１０５と、キャパシタ１０３を介して演算増幅器１０４の反転入力端子へ振幅一定の交流電圧Ｖ１を出力する交流電圧源１０６と、演算増幅器１０４の出力電圧Ｖ２に交流電圧源１０６から出力された交流電圧Ｖ１を加算してその加算電圧を、キャパシタ１０２を介して演算増幅器１０４の反転入力端子へ出力する加算器１０７とを備えている。

そして、キャパシタ１０２，１０３は、演算増幅器１０４の反転入力端子に接続されているため、キャパシタ１０２に付与された物理量によってキャパシタ１０２の静電容量Ｃｓが変化し、キャパシタ１０３の静電容量Ｃｒとの間に差異が生じると、演算増幅器１０４の反転入力端子の電位が変化する結果、反転入力端子の電位を基準電位（演算増幅器１０４の非反転入力端子の電位）と等しくするように、演算増幅器１０４の出力電圧Ｖ２が変化する。そうすると、以下の式（１）で示す関係が成立する。

Ｃｒ・Ｖ１＝Ｃｓ・Ｖ２・・・（１）
従って、式（１）から、キャパシタ１０２に物理量が付与されて静電容量Ｃｓが変化すると、演算増幅器１０４の出力電圧Ｖ２が変化するので、出力電圧Ｖ２からキャパシタ１０２に付与された物理量を検出することができるようになっている。
特開２０００−６５６６４号公報

ところで、上述のように構成されたセンサ装置では、キャパシタ１０２の静電容量Ｃｓとキャパシタ１０３の静電容量Ｃｒとは、製造ばらつき等によりそれぞればらつくため、センサ装置１０１毎に静電容量Ｃｓ，Ｃｒにばらつきが生じ、式（１）においてセンサ装置１０１毎に同じ静電容量Ｃｓの変化量に対して得られる検出値である出力電圧Ｖ２が異なる結果、複数のセンサ装置１０１間で、単位物理量当たりに得られる検出値、すなわち物理量の検出感度にばらつきが生じるという不都合があった。

本発明は、このような問題に鑑みて為された発明であり、複数のセンサ装置間における物理量の検出感度のばらつきを低減することができるセンサ装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係るセンサ装置は、半導体微小機械構造を有すると共に外部から付与された物理量に応じて静電容量が変化する物理量検出用キャパシタと、前記物理量に対する静電容量の変化が前記物理量検出用キャパシタよりも小さい参照用キャパシタと、前記物理量検出用キャパシタの静電容量と前記参照用キャパシタの静電容量との差に基づいて前記物理量を検出する検出部とを備え、前記参照用キャパシタは、前記物理量検出用キャパシタと同一の基板上に前記半導体微小機械構造を有して形成されると共に印加された電圧に応じて静電容量が増加するものであり、前記物理量検出用キャパシタの電極と前記参照用キャパシタの電極とは分離されており、前記検出部は、一方の信号入力端子が前記物理量検出用キャパシタに接続され、他方の信号入力端子が前記参照用キャパシタに接続され、差動出力信号を出力する全差動型演算増幅器と、前記差動出力信号を増幅して出力する差動アンプと、直流電圧を直流のまま前記物理量検出用キャパシタに印加することにより、前記物理量検出用キャパシタを介して前記全差動型演算増幅器における前記一方の信号入力端子へ電圧を出力する電圧源と、前記差動アンプの出力信号から帰還電圧を生成し、当該帰還電圧を前記参照用キャパシタを介して前記全差動型演算増幅器における他方の信号入力端子へ帰還する電圧調整回路とを備え、前記全差動型演算増幅器、前記差動アンプ、前記電圧調整回路、及び前記参照用キャパシタによって、前記物理量検出用キャパシタの静電容量と前記参照用キャパシタの静電容量とが等しくなるまで前記参照用キャパシタの静電容量を増加させるように、前記帰還電圧を上昇させるフィードバックループが構成され、前記検出部は、前記帰還電圧を、前記物理量を示す検出信号として出力すること、を特徴としている。

また、上述のセンサ装置において、前記帰還電圧を予め設定された閾値と比較する比較部と、予め設定された周波数の周期信号を生成する周期信号生成部と、前記比較部による比較結果に応じて前記周期信号生成部により生成された周期信号の周期の数を計数し、当該計数値を前記物理量の検出値として出力する計数部とを備えることを特徴としている。

このような構成のセンサ装置は、半導体微小機械構造を有すると共に外部から付与された物理量に応じて静電容量が変化する物理量検出用キャパシタと、外部から付与された物理量に対する静電容量の変化が物理量検出用キャパシタよりも小さい参照用キャパシタとが、同一の基板上に半導体微小機械構造を有して形成されるので、物理量検出用キャパシタと参照用キャパシタとの間における静電容量の差のばらつきが低減され、物理量検出用キャパシタの静電容量と参照用キャパシタの静電容量との差に基づく物理量の検出感度のばらつきが、複数のセンサ装置間において低減される。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るセンサ装置の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すセンサ装置１は、ＭＥＭＳ基板２と、検出部３と、直流電圧源４と、電圧調整回路５とを備えている。また、ＭＥＭＳ基板２には、物理量検出用キャパシタ２１と、参照用キャパシタ２２とがＭＥＭＳ技術により形成されている。検出部３は、物理量検出用キャパシタ２１の静電容量Ｃｓと参照用キャパシタ２２の静電容量Ｃｒｅｆとの差に基づいて物理量検出用キャパシタ２１に付与された物理量を検出する回路部で、演算増幅器３１と、帰還インピーダンス３２とを備えている。

帰還インピーダンス３２は、例えば抵抗である。そして、帰還インピーダンス３２は演算増幅器３１の出力端子と反転入力端子との間に接続され、演算増幅器３１の非反転入力端子はグラウンドに接続されている。これにより、演算増幅器３１は、反転増幅器として動作する。

図２は、ＭＥＭＳ基板２の構造の一例を示す正面図である。図２に示すＭＥＭＳ基板２は、例えば付与された加速度（物理量）に応じて静電容量が変化する物理量検出用キャパシタ２１と、加速度に対する静電容量の変化が物理量検出用キャパシタ２１よりも小さい参照用キャパシタ２２との構造の一例であり、大略的に、平板状のシリコン基板から成る主基板２０１が、ＭＥＭＳ技術を用いたエッチングなどによってこの図２で示すような形状に彫り出され、平板状のガラス基板から成る支持基板に積層されることにより、主基板２０１上に物理量検出用キャパシタ２１と参照用キャパシタ２２とが形成されている。主基板２０１は、支持基板に対して、たとえば陽極接合によって接合される。

物理量検出用キャパシタ２１は、略中央に可動部材２０２が、図２のＡＡ’方向に変位自在となるように、そのＡＡ’方向の両端面が撓み変形可能な梁２０３，２０４によって前記支持基板に支持されている。前記支持基板からはまた、可動部材２０２の一端側で、一対の支持柱２０５，２０６が立設されており、その支持柱２０５，２０６からは、可動部材２０２の他端側へ向けて、支持梁２０７，２０８が延設されている。前記支持梁２０７，２０８には、櫛歯状となるように、電極２０９，２１０が連設されている。これに対応して、可動部材２０２の図２のＢＢ’方向の両端面にも、櫛歯状の電極２１１，２１２が設けられている。

従って、ＭＥＭＳ基板２に加速度が付与されて可動部材２０２がＡＡ’方向に変位すると、電極２０９，２１０と電極２１１，２１２との間の静電容量Ｃｓが変化するようになっている。また、梁２０３，２０４の形状によって、可動部材２０２の図２のＢＢ’方向の変位は抑制されている。一方、検知方向である図２のＡＡ’方向には変位自在であるけれども、過大変位を制限するために、ストッパ２１３，２１４が前記支持基板から立設されている。

参照用キャパシタ２２は、物理量検出用キャパシタ２１における梁２０３，２０４の代わりに梁２２１，２２２を備えている他、物理量検出用キャパシタ２１と同様に構成されている。そして、梁２２１，２２２は、梁２０３，２０４よりも太さや厚みが大きくされて剛性が高められており、参照用キャパシタ２２は、電極２０９，２１０と電極２１１，２１２との間の静電容量Ｃｒｅｆの、加速度に対する変化が物理量検出用キャパシタ２１よりも小さく、略ゼロになるようにされている。

そして、参照用キャパシタ２２は、梁２２１，２２２の構造を除いて、物理量検出用キャパシタ２１と同様の構造により形成されているので、加速度が付与されていない場合において、物理量検出用キャパシタ２１の静電容量Ｃｓと参照用キャパシタ２２の静電容量Ｃｒｅｆとが略同一にされる。

また、物理量検出用キャパシタ２１と参照用キャパシタ２２とは、同一のＭＥＭＳ基板２上に同一の半導体プロセスによって形成されるので、物理量検出用キャパシタ２１と参照用キャパシタ２２とは、製造ばらつきによる特性ばらつきが同様となる結果、物理量検出用キャパシタ２１の静電容量Ｃｓと参照用キャパシタ２２の静電容量Ｃｒｅｆとの間の差分に対する製造ばらつきの影響が低減される。

なお、物理量検出用キャパシタ２１は、加速度によって静電容量が変化する例を示したが、例えば物理量検出用キャパシタ２１に付与された圧力に応じて静電容量が変化するダイアフラム形状のキャパシタであってもよく、例えば温度、湿度等、他の物理量に対して静電容量が変化するキャパシタであってもよい。そして、参照用キャパシタ２２は、これらの物理量検出用キャパシタ２１と同一のＭＥＭＳ基板２上に形成され、理想的にはこれら物理量に対する容量変化がゼロ（不感）であることが望ましいが、物理量検出用キャパシタ２１よりもこれら物理量に対する容量変化が小さくなるようにされていればよい。

図１に戻って、直流電圧源４は、物理量検出用キャパシタ２１を介して演算増幅器３１の反転入力端子へ、直流電圧Ｖｄｃを出力する。演算増幅器３１は、出力信号Ｖｄを電圧調整回路５と参照用キャパシタ２２とを介して反転入力端子へ帰還する。電圧調整回路５は、例えば演算増幅器３１の出力信号Ｖｄを増幅する増幅回路を用いて構成されており、演算増幅器３１から出力された出力信号Ｖｄを増幅して、物理量検出用キャパシタ２１における静電容量Ｃｓの変化、すなわち検出された物理量を示す検出信号Ｖｏｕｔとして外部へ出力すると共に参照用キャパシタ２２へ帰還信号として出力する。

次に、上述のように構成されたセンサ装置１の動作について説明する。まず、ＭＥＭＳ基板２に加速度が印加されると、物理量検出用キャパシタ２１における可動部材２０２が変位して物理量検出用キャパシタ２１の静電容量Ｃｓが変化する。一方、静電容量Ｃｒｅｆは、加速度に対して変化せず、電圧調整回路５からの出力電圧も初期状態が維持されている。そうすると、物理量検出用キャパシタ２１における静電容量Ｃｓの変化に応じて静電容量Ｃｓと静電容量Ｃｒｅｆとの間に生じた静電容量の差に基づき演算増幅器３１における反転入力端子の電位が変化し、反転入力端子と非反転入力端子との間に生じた電圧が増幅されて出力信号Ｖｄとして電圧調整回路５へ出力される。

この場合、静電容量Ｃｒｅｆは、物理量検出用キャパシタ２１に加速度が付与されていない場合における初期容量値と等しいことから、出力信号Ｖｄは、物理量検出用キャパシタ２１における静電容量Ｃｓの加速度に応じた変化量を示している。そして、電圧調整回路５によって、演算増幅器３１から出力された出力信号Ｖｄが増幅され、参照用キャパシタ２２へ直流の帰還電圧Ｖｒとして出力される。

参照用キャパシタ２２は、帰還電圧Ｖｒが印加されると、電極２０９，２１０と電極２１１，２１２との間に発生する静電引力により電極間距離が縮小し、静電容量Ｃｒｅｆが増加する。そして、演算増幅器３１、電圧調整回路５、及び参照用キャパシタ２２により構成されたフィードバックループにより、静電容量Ｃｒｅｆが増加して静電容量Ｃｓと等しくなり、演算増幅器３１における反転入力端子の電位が非反転入力端子の基準電位と等しくなるまで帰還電圧Ｖｒが増大される。

そうすると、帰還電圧Ｖｒは、物理量検出用キャパシタ２１に付与された加速度に起因する静電容量Ｃｓと静電容量Ｃｒｅｆとの差分を相殺するように電圧が上昇する結果、帰還電圧Ｖｒは、物理量検出用キャパシタ２１における静電容量Ｃｓの変化、すなわち検出された物理量を示すこととなり、電圧調整回路５によって検出信号Ｖｏｕｔとして外部へ出力される。

これにより、物理量検出用キャパシタ２１と参照用キャパシタ２２とは、同一のＭＥＭＳ基板２上に同一の半導体プロセスによって形成され、上述の通り物理量検出用キャパシタ２１の静電容量Ｃｓと参照用キャパシタ２２の静電容量Ｃｒｅｆとの間の差分に対する製造ばらつきの影響が低減されるので、複数のセンサ装置１間における単位加速度当たりに得られる検出信号Ｖｏｕｔのばらつき、すなわち物理量の検出感度のばらつきを低減することができる。

なお、図３に示すセンサ装置１ａのように、図１に示す検出部３の代わりに全差動型オペアンプ３３（全差動型演算増幅器）と、帰還用のキャパシタ３４，３５と、差動アンプ３６とを備えて構成された検出部３ａを用いてもよい。図３に示すセンサ装置１ａにおいて、直流電圧Ｖｄｃは、直流電圧源４から物理量検出用キャパシタ２１を介して全差動型オペアンプ３３における一方の信号入力端子へ出力され、全差動型オペアンプ３３の差動出力信号が差動アンプ３６によって増幅されて電圧調整回路５及び参照用キャパシタ２２を介して全差動型オペアンプ３３の他方の信号入力端子へ帰還される。

また、図４に示すセンサ装置１ｂのように、図１に示す検出部３の代わりに演算増幅器３７（第１の演算増幅器）と、演算増幅器３８（第２の演算増幅器）と、演算増幅器３７の帰還用インピーダンス３９と、演算増幅器３８の帰還用インピーダンス４０と、減算回路４１（差分出力部）とを備えて構成された検出部３ｂを用いてもよい。

図４に示すセンサ装置１ｂにおいて、直流電圧Ｖｄｃは、直流電圧源４から物理量検出用キャパシタ２１を介して演算増幅器３７の反転入力端子へ出力され、演算増幅器３７によって反転増幅されて減算回路４１へ出力され、減算回路４１によって演算増幅器３７の出力信号と演算増幅器３８の出力信号との差分が帰還信号として電圧調整回路５及び参照用キャパシタ２２を介して演算増幅器３８の反転入力端子へ出力されている。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るセンサ装置について説明する。図５は、本発明の第２の実施形態に係るセンサ装置１ｃの構成の一例を示すブロック図である。図５に示すセンサ装置１ｃと図１に示すセンサ装置１とでは、下記の点で異なる。すなわち、図５に示すセンサ装置１ｃでは、センサ装置１において直流電圧源４の代わりに交流電圧Ｖａｃ１を出力する交流電圧源４２を備える。そして、交流電圧Ｖａｃ２を出力する交流電圧源４３と、加算器６とをさらに備える。

また、交流電圧源４３から出力される交流電圧Ｖａｃ２は、図６に示すように、交流電圧源４２から出力される交流電圧Ｖａｃ１とは位相が１８０度異なるようにされている。さらに、交流電圧Ｖａｃ１，Ｖａｃ２の周波数は、物理量検出用キャパシタ２１及び参照用キャパシタ２２における可動部材２０２の機械的な共振周波数から十分離れた周波数にされており、交流電圧Ｖａｃ１，Ｖａｃ２によって物理量検出用キャパシタ２１及び参照用キャパシタ２２の可動部材２０２が振動し、静電容量Ｃｓ，Ｃｒｅｆが変化することが抑制されている。

加算器６は、電圧調整回路５と参照用キャパシタ２２との間に設けられ、電圧調整回路５から出力された帰還電圧Ｖｒと交流電圧源４３から出力された交流電圧Ｖａｃ２とを加算して参照用キャパシタ２２へ供給する。

なお、検出部３の代わりに、センサ装置１ａ，１ｂと同様、検出部３ａ，３ｂを用いてもよい。その他の構成は図１に示すセンサ装置１と同様であるのでその説明を省略し、以下本実施形態の特徴的な動作について説明する。図５に示すセンサ装置１ｃでは、交流電圧源４２によって物理量検出用キャパシタ２１に交流電圧Ｖａｃ１が印加されるので、物理量検出用キャパシタ２１に直流電圧Ｖｄｃが印加されるセンサ装置１，１ａ，１ｂと比べて、物理量検出用キャパシタ２１のインピーダンスが低下し、従って交流電圧源４２から物理量検出用キャパシタ２１を介して検出部３へ流れる電流、すなわち物理量検出用キャパシタ２１の静電容量Ｃｓが反映された信号成分が増加する。

また、センサ装置１ｃでは、電圧調整回路５から出力された帰還電圧Ｖｒに、交流電圧源４３から出力された交流電圧Ｖａｃ２が加算されて参照用キャパシタ２２へ印加されるので、参照用キャパシタ２２に直流の帰還電圧Ｖｒが印加されるセンサ装置１，１ａ，１ｂと比べて、交流電圧Ｖａｃ２に対する参照用キャパシタ２２のインピーダンスが低下し、従って加算器６から参照用キャパシタ２２を介して検出部３へ流れる電流、すなわち参照用キャパシタ２２の静電容量Ｃｒｅｆが反映された信号成分が増加する。

このように、センサ装置１ｃでは、センサ装置１、１ａ，１ｂと比べて物理量検出用キャパシタ２１及び参照用キャパシタ２２から検出部３へ入力される信号成分が増大し、Ｓ／Ｎ比（信号対ノイズ比）が向上するので、検出部３から出力される出力信号Ｖｄに対するノイズの影響が低減される結果、電圧調整回路５から出力される検出信号Ｖｏｕｔに対するノイズの影響を低減することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るセンサ装置について説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係るセンサ装置１ｄの構成の一例を示すブロック図である。図７に示すセンサ装置１ｄと図５に示すセンサ装置１ｃとでは、下記の点で異なる。すなわち、図７に示すセンサ装置１ｄでは、電圧調整回路５の代わりに電圧調整回路５ａを備える点で異なる。なお、検出部３の代わりに、センサ装置１ａ，１ｂと同様、検出部３ａ，３ｂを用いてもよい。

電圧調整回路５ａは、検出部３から出力された帰還電圧Ｖｒを、予め設定された閾値電圧Ｖｒｅｆと比較する比較回路５１（比較部）と、予め設定された周波数の周期信号ＣＬＫを生成する発振器５２（周期信号生成部）と、比較回路５１による比較結果に応じて発振器５２から出力された周期信号ＣＬＫの周期の数を計数し、その計数値ＣＴを加速度の検出値をデジタル値で表す検出値Ｄｏｕｔとして外部へ出力すると共に計数値ＣＴの各ビットを表す信号ｂ０〜ｂ９を並列接続された抵抗Ｒ０〜Ｒ９の一端へそれぞれ出力する例えば１０ビットのカウンタ５３（計数部）と、並列接続された抵抗Ｒ０〜Ｒ９の他端が反転入力端子に接続され、非反転入力端子がグラウンドに接続された演算増幅器５４と、演算増幅器５４の反転入力端子と出力端子間を接続する帰還用の抵抗５５とを備えている。

演算増幅器５４と抵抗５５とは、カウンタ５３から抵抗Ｒ０〜Ｒ９の並列回路を介して供給される電流を帰還電圧Ｖｒに変換する帰還増幅器を構成している。抵抗Ｒ０〜Ｒ９は、抵抗Ｒ０から抵抗Ｒ９へ向かって抵抗値が減少するようにその抵抗値がそれぞれ設定されており、計数値ＣＴの上位側のビットがオンするに従って抵抗Ｒ０〜Ｒ９の並列回路を流れる電流Ｉｃｔが大きく増大する。従って、カウンタ５３の計数値ＣＴは、抵抗Ｒ０〜Ｒ９の並列回路によって電流Ｉｃｔに変換され、演算増幅器５４と抵抗５５とによって帰還電圧Ｖｒに変換されて加算器６へ出力される。すなわち、抵抗Ｒ０〜Ｒ９の並列回路、演算増幅器５４、及び抵抗５５によって、カウンタ５３の計数値ＣＴを帰還電圧Ｖｒに変換するＤＡ変換器５６が構成されている。

その他の構成は図５に示すセンサ装置１ｃと同様であるのでその説明を省略し、以下本実施の形態の特徴的な動作について説明する。図８は、図７に示すセンサ装置１ｄの動作を説明するための信号波形図である。まず、ＭＥＭＳ基板２に加速度が加わると、物理量検出用キャパシタ２１の静電容量Ｃｓが増大し、参照用キャパシタ２２の静電容量Ｃｒｅｆとの間に差異が生じる。そうすると、その静電容量の差に応じて検出部３から比較回路５１へ出力される出力信号Ｖｄの信号レベルが増大する。

比較回路５１では、静電容量Ｃｓと静電容量Ｃｒｅｆとが略等しくなるタイミングを検出するべく検出部３から出力された出力信号Ｖｄと、閾値電圧Ｖｒｅｆとが比較される。センサ装置１ｄの例においては、比較回路５１は、出力信号Ｖｄの電圧が略ゼロの場合にカウンタ５３の計数動作を停止させるべく制御信号ＣＣをローレベルでカウンタ５３へ出力し、出力信号Ｖｄの電圧が略ゼロではない場合にカウンタ５３による計数動作を行わせるべく制御信号ＣＣをハイレベルでカウンタ５３へ出力する。そのため、閾値電圧Ｖｒｅｆは、出力信号Ｖｄが略ゼロであるか否かを判別するための微少な電圧値に設定されている。そして、今、出力信号Ｖｄは、略ゼロではなく閾値電圧Ｖｒｅｆを超えているので、図８（ｃ）に示すように、比較回路５１から制御信号ＣＣがハイレベルでカウンタ５３へ出力される。

次に、カウンタ５３によって、制御信号ＣＣがハイレベルの場合、発振器５２から出力された周期信号ＣＬＫの例えば立ち上がりエッジが計数されることにより、周期信号ＣＬＫの周期の数が計数され、図８（ｄ）に示すように、カウンタ５３の計数値ＣＴが増大すると共に計数値ＣＴがＤＡ変換器５６へ出力される。そうすると、ＤＡ変換器５６により計数値ＣＴが帰還電圧Ｖｒに変換され、図８（ｅ）に示すように、ＤＡ変換器５６から加算器６へ出力される帰還電圧Ｖｒの電圧値が上昇する。

そして、帰還電圧Ｖｒの電圧値が上昇すると、以降、図５に示すセンサ装置１ｃの場合と同様に、加算器６、参照用キャパシタ２２、検出部３、及び電圧調整回路５ａから構成されるフィードバックループにより、図８（ａ）に示すように参照用キャパシタ２２の静電容量Ｃｒｅｆが徐々に増大し、物理量検出用キャパシタ２１の静電容量Ｃｓとの差が減少するに従って、図８（ｂ）に示すように検出部３から比較回路５１へ出力される出力信号Ｖｄの電圧レベルが徐々に低下する。

そして、図８（ｃ）に示すように出力信号Ｖｄの電圧レベルが略ゼロに達するまでの期間、比較回路５１から制御信号ＣＣがハイレベルでカウンタ５３へ出力され、図８（ｄ）に示すようにカウンタ５３の計数値ＣＴが増大する。

さらに、静電容量Ｃｒｅｆが静電容量Ｃｓと略等しくなると、検出部３から出力される出力信号Ｖｄの電圧レベルが略ゼロとなり、比較回路５１における閾値電圧Ｖｒｅｆ以下となる結果、比較回路５１から制御信号ＣＣがローレベルでカウンタ５３へ出力され、カウンタ５３の計数動作が停止される。

そうすると、加速度により生じた静電容量Ｃｓと静電容量Ｃｒｅｆとの差分が大きいほど、上述のフィードバックループにより静電容量Ｃｒｅｆが静電容量Ｃｓと略等しくなり、出力信号Ｖｄの電圧レベルが略ゼロとなり、制御信号ＣＣがローレベルとなってカウンタ５３の計数動作が停止されるまでの時間が長いので、制御信号ＣＣがローレベルとなった際のカウンタ５３の計数値ＣＴは、加速度により生じた静電容量Ｃｓと静電容量Ｃｒｅｆとの差分、すなわちＭＥＭＳ基板２により検出された加速度を示している。そして、カウンタ５３によって、制御信号ＣＣがローレベルとなった際の計数値ＣＴが、加速度の検出値をデジタル値で表す検出値Ｄｏｕｔとして外部へ出力される。

これにより、加速度の検出値を検出値Ｄｏｕｔとしてデジタル値で示すことができるので、例えばマイクロコンピュータ等のデジタル回路を用いてセンサ装置１ｄにより検出された加速度を、補正する等の処理をすることが容易となる。

なお、カウンタ５３のビット数は、静電容量Ｃｓと静電容量Ｃｒｅｆとの差分、すなわちＭＥＭＳ基板２により検出された加速度の分解能と等価であり、上述の通り１０ビット程度が実用的であるが、センサ装置１ｄに要求される加速度の検出精度に応じて増減してもよい。

本発明の第１の実施形態に係るセンサ装置の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すＭＥＭＳ基板の構造の一例を示す正面図である。図１に示すセンサ装置の変形例を示すブロック図である。図１に示すセンサ装置の変形例を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態に係るセンサ装置の構成の一例を示すブロック図である。図５に示す交流電圧源から出力される交流電圧の波形を示す信号波形図である。本発明の第３の実施形態に係るセンサ装置の構成の一例を示すブロック図である。図７に示すセンサ装置の動作を説明するための信号波形図である。背景技術に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄセンサ装置
２ＭＥＭＳ基板
３，３ａ，３ｂ検出部
４直流電圧源
５，５ａ電圧調整回路
６加算器
２１物理量検出用キャパシタ
２２参照用キャパシタ
３１演算増幅器
３２帰還インピーダンス
３３全差動型オペアンプ
３７，３８演算増幅器
４１減算回路
４２，４３交流電圧源
５１比較回路
５２発振器
５３カウンタ
５６ＤＡ変換器
２０１主基板
ＣＬＫ周期信号
Ｃｒｅｆ，Ｃｓ静電容量
ＣＴ計数値
Ｄｏｕｔ検出値

Claims

半導体微小機械構造を有すると共に外部から付与された物理量に応じて静電容量が変化する物理量検出用キャパシタと、
前記物理量に対する静電容量の変化が前記物理量検出用キャパシタよりも小さい参照用キャパシタと、
前記物理量検出用キャパシタの静電容量と前記参照用キャパシタの静電容量との差に基づいて前記物理量を検出する検出部とを備え、
前記参照用キャパシタは、前記物理量検出用キャパシタと同一の基板上に前記半導体微小機械構造を有して形成されると共に印加された電圧に応じて静電容量が増加するものであり、
前記物理量検出用キャパシタの電極と前記参照用キャパシタの電極とは分離されており、
前記検出部は、
一方の信号入力端子が前記物理量検出用キャパシタに接続され、他方の信号入力端子が前記参照用キャパシタに接続され、差動出力信号を出力する全差動型演算増幅器と、
前記差動出力信号を増幅して出力する差動アンプと、
直流電圧を直流のまま前記物理量検出用キャパシタに印加することにより、前記物理量検出用キャパシタを介して前記全差動型演算増幅器における前記一方の信号入力端子へ電圧を出力する電圧源と、
前記差動アンプの出力信号から帰還電圧を生成し、当該帰還電圧を前記参照用キャパシタを介して前記全差動型演算増幅器における他方の信号入力端子へ帰還する電圧調整回路とを備え、
前記全差動型演算増幅器、前記差動アンプ、前記電圧調整回路、及び前記参照用キャパシタによって、前記物理量検出用キャパシタの静電容量と前記参照用キャパシタの静電容量とが等しくなるまで前記参照用キャパシタの静電容量を増加させるように、前記帰還電圧を上昇させるフィードバックループが構成され、
前記検出部は、前記帰還電圧を、前記物理量を示す検出信号として出力すること、
を特徴とするセンサ装置。
前記帰還電圧を予め設定された閾値と比較する比較部と、
予め設定された周波数の周期信号を生成する周期信号生成部と、
前記比較部による比較結果に応じて前記周期信号生成部により生成された周期信号の周期の数を計数し、当該計数値を前記物理量の検出値として出力する計数部と
を備えることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。