JP5724899B2 - Capacitive physical quantity detector - Google Patents
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Description
本発明は、可動電極および固定電極を備え、可動電極と固定電極との間の容量を全差動型のC−V変換回路にて電圧変換する容量式物理量検出装置に関するものである。 The present invention relates to a capacitive physical quantity detection device that includes a movable electrode and a fixed electrode, and that converts a capacitance between the movable electrode and the fixed electrode by a fully differential CV conversion circuit.
従来より、例えば、特許文献1には、支持基板、埋込絶縁膜、半導体層が順に積層されたSOI(Silicon on Insulator)基板を用いてなる容量式物理量検出装置として加速度センサが提案されている。具体的には、この加速度センサでは、半導体層に、互いに離間していると共にそれぞれ固定電極を有する一対の固定部と、一対の固定部の間に配置され、各固定電極と対向し、かつ加速度に応じて所定方向に変位可能とされた可動電極を有する可動部とが形成されている。そして、可動電極と固定電極との間の容量を全差動型のC−V変換回路により電圧変換して出力するようになっている。
Conventionally, for example,
このような容量式物理量検出装置では、可動部(可動電極)に加速度が印加されると、可動電極と固定電極との間の容量が変化する。このとき、可動部(可動電極)にパルス状の搬送波が入力されていると、搬送波の切り替え前後でC−V変換出力に容量変化に応じた電圧差が生成される。 In such a capacitive physical quantity detection device, when acceleration is applied to the movable portion (movable electrode), the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode changes. At this time, if a pulsed carrier wave is input to the movable part (movable electrode), a voltage difference corresponding to a change in capacitance is generated in the CV conversion output before and after the carrier wave switching.
しかしながら、上記容量式物理量検出装置では、SOI基板の半導体層に可動部(可動電極)を形成しており、可動部と支持基板との間にカップリング容量が発生する。このため、可動部(可動電極)にパルス状の搬送波を入力すると支持基板の電位が変化し、これによってノイズが生成されてしまうという問題がある。したがって、C−V変換回路からノイズを含んだ信号が出力されることになり、検出精度が低下する。 However, in the capacitive physical quantity detection device, a movable part (movable electrode) is formed in the semiconductor layer of the SOI substrate, and a coupling capacitance is generated between the movable part and the support substrate. For this reason, when a pulsed carrier wave is input to the movable part (movable electrode), there is a problem that the potential of the support substrate changes, thereby generating noise. Therefore, a signal including noise is output from the CV conversion circuit, and the detection accuracy is lowered.
本発明は上記点に鑑みて、SOI基板に可動電極を有する可動部および固定電極を有する固定部が形成され、可動電極と固定電極との間の容量を全差動型のC−V変換回路で電圧変換する容量式物理量検出装置において、SOI基板における支持基板の電位が変化することを抑制することができる容量式物理量検出装置を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention has a movable part having a movable electrode and a fixed part having a fixed electrode formed on an SOI substrate, and the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode is changed to a fully differential CV conversion circuit. An object of the present invention is to provide a capacitive physical quantity detection device capable of suppressing a change in potential of a support substrate in an SOI substrate.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、支持基板(1)と、支持基板上に配置される埋込絶縁膜(2)と、埋込絶縁膜を挟んで支持基板と反対側に配置される半導体層(3)とを有する半導体基板(4)と、半導体層に形成され、互いに離間していると共にそれぞれ第1固定電極(21a、21b)を有する一対の第1固定部(20a、20b)と、一対の第1固定部の間に配置され、第1固定部に備えられたそれぞれの第1固定電極と対向し、かつ物理量に応じて所定方向に変位可能とされた第1可動電極(14)を有する第1可動部(10)と、を備える第1エレメント部(110)と、半導体層のうち第1エレメント部と異なる領域に形成された第2エレメント部(120)と、第1可動部にパルス状の第1搬送波(P1)を入力すると共に、第1搬送波と周波数が同じであって位相が180°異なるパルス状の第2搬送波(P2)を第2エレメント部へ入力する基準信号生成回路(230)と、第1可動電極と第1固定電極との間の容量を電圧変換する全差動型の第1C−V変換回路(210)と、を備え、第2エレメント部は、互いに離間していると共にそれぞれ第2固定電極(41a、41b)を有する一対の第2固定部(40a、40b)と、一対の第2固定部の間に配置され、第2固定部に備えられたそれぞれの第2固定電極と対向し、かつ物理量に応じて所定方向に変位可能とされた第2可動電極(34)を有する第2可動部(30)と、を備えており、基準信号生成回路は、第1可動部に第1搬送波を入力する際、第2可動部に第2搬送波を入力し、第1C−V変換回路は、第1、第2切換スイッチ(271、272)を介して第1固定電極に接続されていると共に、第3、第4切換スイッチ(273、274)を介して第2固定電極に接続されており、第1、第2切換スイッチがオンされていると共に第3、第4スイッチがオフされているときに第1可動電極と第1固定電極との間の容量を電圧変換し、第1、第2切換スイッチがオフされていると共に第3、第4切換スイッチがオンされているときに第2可動電極と第2固定電極との間の容量を電圧変換することを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the supporting substrate (1), the buried insulating film (2) disposed on the supporting substrate, and the opposite of the supporting substrate with the buried insulating film interposed therebetween. A semiconductor substrate (4) having a semiconductor layer (3) disposed on the side, and a pair of first fixed portions formed on the semiconductor layer and spaced apart from each other and having first fixed electrodes (21a, 21b), respectively (20a, 20b) and a pair of first fixing portions, which are opposed to the respective first fixing electrodes provided in the first fixing portion, and can be displaced in a predetermined direction according to a physical quantity. A first element part (110) including a first movable part (10) having a first movable electrode (14); and a second element part (120) formed in a region different from the first element part in the semiconductor layer. ) And a first carrier pulse (P ) And a reference signal generation circuit (230) for inputting a pulsed second carrier wave (P2) having the same frequency as the first carrier wave and having a phase difference of 180 ° to the second element section, and a first movable A fully-differential first CV conversion circuit (210) for converting the voltage between the electrode and the first fixed electrode, and the second element portions are spaced apart from each other and second fixed respectively. A pair of second fixed parts (40a, 40b) having electrodes (41a, 41b) and a pair of second fixed parts are arranged and face each second fixed electrode provided in the second fixed part. And a second movable part (30) having a second movable electrode (34) that is displaceable in a predetermined direction in accordance with a physical quantity, and the reference signal generating circuit is connected to the first movable part. When the carrier wave is input, the second carrier wave is input to the second movable part. The first CV conversion circuit is connected to the first fixed electrode via the first and second changeover switches (271 and 272) and via the third and fourth changeover switches (273 and 274). Connected to the second fixed electrode, and when the first and second changeover switches are turned on and the third and fourth switches are turned off, the gap between the first movable electrode and the first fixed electrode is Capacitance is converted into voltage, and the capacitance between the second movable electrode and the second fixed electrode is converted into voltage when the first and second changeover switches are turned off and the third and fourth changeover switches are turned on. It is characterized in that.
これによれば、第1搬送波が第1可動部に入力されると、第1可動部と支持基板との間のカップリング容量と第1搬送波によって支持基板に電荷が生成される。また、第2搬送波が第2エレメント部に入力されると、第2エレメント部のうち第2搬送波が入力される部分と支持基板との間のカップリング容量と第2搬送波によって支持基板に電荷が生成される。このとき、第1、第2搬送波は、周波数が同じであって位相が180°異なるため、支持基板の電位が変化することを抑制することができる。 According to this, when the first carrier wave is input to the first movable part, electric charges are generated on the support substrate by the coupling capacitance between the first movable part and the support substrate and the first carrier wave. In addition, when the second carrier wave is input to the second element portion, the coupling substrate between the portion of the second element portion to which the second carrier wave is input and the support substrate and the second carrier wave cause charges on the support substrate. Generated. At this time, since the first and second carrier waves have the same frequency and have a phase difference of 180 °, the potential of the support substrate can be prevented from changing.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。本実施形態は、容量式物理量検出装置として、加速度センサに本発明を適用したものであり、例えば、エアバッグ、ABS、VSC等の作動制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサ等に適用されると好適である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the present invention is applied to an acceleration sensor as a capacitive physical quantity detection device. For example, the present invention is applied to an automobile acceleration sensor, a gyro sensor, or the like for controlling the operation of an airbag, ABS, VSC, or the like. Is preferred.
加速度センサは、図1に示されるように、センサチップ100が回路チップ200上にシリコーン系接着材等の接着剤300を介して搭載されて構成されている。まず、センサチップ100の構成について説明する。
As shown in FIG. 1, the acceleration sensor includes a
センサチップ100は、図1および図2に示されるように、支持基板1と、支持基板1上に形成された埋込絶縁膜2と、埋込絶縁膜2を挟んで支持基板1と反対側に配置された半導体層3とを有するSOI基板4を用いて構成されている。そして、SOI基板4に周知のマイクロマシン加工が施されることによって第1、第2エレメント部110、120が形成されている。本実施形態では、第1、第2エレメント部110、120は、共に加速度を検出する検出部として機能する部位であり、基本的な構成は同じであるため、以下ではまとめて説明する。なお、図1中のセンサチップ100は、図2中の(i)-(i)断面に相当している。また、本実施形態では、SOI基板4が本発明の半導体基板に相当している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
半導体層3には、図2に示されるように、溝部5を形成することにより構成された第1可動部10および第1固定部20a、20bよりなる櫛歯形状の梁構造体と、溝部6を形成することにより構成された第2可動部30および第2固定部40a、40bよりなる櫛歯形状の梁構造体とが形成されている。また、埋込絶縁膜2のうち梁構造体10〜40の形成領域に対応した部位は、犠牲層エッチング等により矩形状に除去された開口部7、8が形成されている。
As shown in FIG. 2, the
第1、第2可動部10、30は、それぞれ開口部7、8上を横断するように配置されており、矩形状の錘部11、31の両端が梁部12、32を介してアンカー部13a、33aおよびアンカー部13b、33bに一体に連結した構成とされている。アンカー部13a、33aおよびアンカー部13b、33bは、埋込絶縁膜2における開口部7、8の開口縁部に固定されて支持基板1に支持されている。これによって、錘部11、31および梁部12、32は、それぞれ開口部7、8に臨んだ状態となっている。
The first and second
梁部12、32は、平行な2本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなしており、2本の梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有する。具体的には、梁部12は、図2中のx方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部11をx方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。また、梁部32は、図2中のy方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部31をy方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。したがって、このような梁部12、32を介して支持基板1に連結された錘部11、31は、加速度の印加に応じて、開口部7、8上にて梁部12、32の変位方向(x方向またはy方向)へ変位可能となっている。
The
ここで、図2中のx軸、y軸、z軸の各方向について説明する。上記のように、x軸方向は梁部12の変位方向であると共に錘部11の変位方向である。また、y軸方向は、梁部32の変位方向であると共に錘部31の変位方向であり、SOI基板4の面内においてx軸と直交する方向である。また、z軸方向は、SOI基板4の面方向と直交する方向である。
Here, each direction of the x axis, the y axis, and the z axis in FIG. 2 will be described. As described above, the x-axis direction is the displacement direction of the
第1、第2可動部10、30は、それぞれ梁部12、32の変位方向(x方向またはy方向)と直交した方向にて、錘部11、31の両側面から互いに反対方向へ一体的に突出形成された複数個の第1、第2可動電極14、34を備えている。図2では、第1可動電極14は、錘部11の左側および右側に各々4個ずつ突出して形成されており、断面矩形が梁状とされていると共に開口部7に臨んだ状態となっている。また、第2可動電極34は、錘部31の下側および上側に各々4個ずつ突出して形成されており、断面矩形が梁状とされていると共に開口部8に臨んだ状態となっている。このように、第1、第2可動電極14、34は、梁部12、32および錘部11、31と一体的に形成され、梁部12、32および錘部11、31と共に梁部12、32の変位方向へ変位可能となっている。
The first and second
また、第1、第2可動部10、30は、互いに支持基板1と対向する面積が等しくされている。すなわち、第1可動部10と支持基板1との間のカップリング容量と、第2可動部30と支持基板1との間のカップリング容量とが等しくなるようにされている。なお、本実施形態における第1可動部10は、錘部11、梁部12、第1可動電極14によって構成され、第2可動部30は、錘部31、梁部32、第2可動電極34によって構成されている。
The first and second
第1、第2固定部20a、20b、40a、40bは、それぞれ埋込絶縁膜2における開口部7、8の開口縁部における対向辺部のうち、アンカー部13a、33aおよびアンカー部13b、33bが支持されていないもう1組の対向辺部に支持されている。言い換えると、一対の第1固定部20a、20bの間に第1可動部10が配置されており、一対の第2固定部40a、40bの間に第2可動部30が配置されている。
The first and
具体的には、第1固定部20a、20bは、錘部11を挟んで2個設けられている。そして、図2中において、第1固定部20aは錘部11の左側に位置しており、第1固定部20bは錘部11の右側に位置している。また、第2固定部40a、40bは、錘部31を挟んで2個設けられている。そして、図2中において、第2固定部40aは錘部31の下側に位置しており、第2固定部40bは錘部31の上側に位置している。
Specifically, two
第1、第2固定部20a、20b、40a、40bは、第1、第2可動電極14、34の側面と所定の検出間隔を有するように平行した状態で対向配置された複数個(図示例では4個ずつ)の第1、第2固定電極21a、21b、41a、41bと、埋込絶縁膜2における開口部7、8の開口縁部に固定されて支持基板1に支持された配線部22a、22b、42a、42bとを有した構成となっている。
A plurality of first and second
具体的には、第1固定電極21a、21bは、第1可動電極14における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されており、第2固定電極41a、41bは、第2可動電極34における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されている。また、第1、第2固定電極21a、21b、41a、41bは断面矩形が梁状とされ、各配線部22a、22b、42a、42bに片持ち状に支持された状態となっており、開口部7、8に臨んだ状態となっている。
Specifically, a plurality of first
また、半導体層3のうち第1、第2可動部10、30、第1、第2固定部20a、20b、40a、40bを区画する溝部5、6を介した外周部は、周辺固定部50として構成されている。この周辺固定部50は、埋込絶縁膜2を介して支持基板1に固定されて支持されている。
In addition, the outer peripheral portion of the
第1、第2固定部20a、20b、40a、40bの各配線部22a、22b、42a、42b上の所定位置には、それぞれワイヤボンディング用の第1、第2固定電極パッド23a、23b、43a、43bが形成されている。また、一方のアンカー部13b、33bと一体に連結された状態で、可動電極用配線部15、35が形成されており、この可動電極用配線部15、35上の所定位置には、ワイヤボンディング用の第1、第2可動電極パッド16、36が形成されている。さらに、周辺固定部50の所定位置には、周辺固定部パッド51が形成されている。
First and second
上記各電極パッド16、23a、23b、36、43a、43b、51は、例えば、アルミニウムをスパッタや蒸着すること等により形成されている。そして、上記各電極パッド16、23a、23b、36、43a、43b、51は、金またはアルミニウムのワイヤボンディング等により形成されたワイヤW1〜W7により、回路チップ200と電気的に接続されている。
Each of the
このような構成においては、図2中にコンデンサ記号で示す様に、第1可動電極14と第1固定電極21aとによって容量CS1が構成され、第1可動電極14と第1固定電極21bとによって容量CS2が構成される。また、第2可動電極34と第2固定電極41aとによって容量CS3が構成され、第2可動電極34と第2固定電極41bとによって容量CS4が構成される。そして、加速度が印加されると容量CS1〜CS4が変化するため、この容量変化から加速度が検出される。
In such a configuration, as indicated by a capacitor symbol in FIG. 2, the first
以上が本実施形態におけるセンサチップ100の構成である。つまり、本実施形態のセンサチップ100では2方向の加速度の検出を行うことができるようになっている。
The above is the configuration of the
次に、回路チップ200の構成について説明する。回路チップ200には、図3に示されるように、第1可動電極14と第1固定電極21a、21bとの間の容量CS1、CS2を電圧に変換する全差動型の第1C−V変換回路210、第2可動電極34と第2固定電極41a、41bとの間の容量CS3、CS4を電圧に変換する全差動型の第2C−V変換回路220が備えられている。
Next, the configuration of the
具体的には、第1C−V変換回路210は、演算増幅器211、第1、第2コンデンサ212a、212b、および第1、第2スイッチ213a、213bによって構成されている。そして、非反転入力端子と−側の出力端子との間に第1コンデンサ212aおよび第1スイッチ213aが並列に接続されており、反転入力端子と+側の出力端子との間に第2コンデンサ212bおよび第2スイッチ213bが並列に接続されている。
Specifically, the first
また、演算増幅器211の非反転入力端子は、第1固定電極パッド23aを介して第1固定電極21aに接続され、反転入力端子は第1固定電極パッド23bを介して第1固定電極21bに接続されている。
The non-inverting input terminal of the
同様に、第2C−V変換回路220は、演算増幅器221、第3、第4コンデンサ222a、222b、および第3、第4スイッチ223a、223bによって構成されている。そして、非反転入力端子と−側の出力端子との間に第3コンデンサ222aおよび第3スイッチ223aが並列に接続されており、反転入力端子と+側の出力端子との間に第4コンデンサ222bおよび第4スイッチ223bが並列に接続されている。
Similarly, the second
また、演算増幅器221の非反転入力端子は、第2固定電極パッド43aを介して第2固定電極41aに接続され、反転入力端子は第2固定電極パッド43bを介して第2固定電極41bに接続されている。
The non-inverting input terminal of the
なお、第1〜第4スイッチ213a、213b、223a、223bは、例えば、トランジスタ等で構成される。
Note that the first to
また、回路チップ200には、第1、第2可動電極14、34に入力する第1、第2搬送波P1、P2を生成する基準信号生成回路230と、第1〜第4スイッチ213a、213b、223a、223bのオン、オフを制御する制御信号SW1を生成する制御信号生成回路240が備えられている。
The
基準信号生成回路230は、第1搬送波P1として、例えば、電圧Vdd(例えば、5V)と電圧0Vとの間で振幅し、周波数が100kHzとされたパルス状の信号を生成する。また、第2搬送波P2として、第1搬送波P1と振幅および周波数が同じであり、位相が180°異なるパルス状の信号を生成する。そして、第1搬送波P1を第1可動電極パッド16を介して第1可動部10(第1可動電極14)に入力すると共に、第2搬送波P2を第2可動電極パッド36を介して第2可動部30(第2可動電極34)に入力する。
The reference
制御信号生成回路240は、上記第1〜第4スイッチ213a、213b、223a、223bのオン、オフを制御する制御信号SW1を生成し、第1〜第4スイッチ213a、213b、223a、223bのオン、オフを所定のタイミングで制御する。
The control
また、回路チップ200には、第1、第2サンプルホールド回路(以下、S/H回路という)250、260が備えられている。これら第1、第2S/H回路250、260は、第1、第2C−V変換回路210、220の各出力端子と接続されている。そして、制御信号生成回路240からの制御信号(図示せず)に基づいて駆動され、第1、第2C−V変換回路210、220の出力をサンプリングして一定期間保持する。
The
さらに、回路チップ200には、特に図示しないが、制御信号生成回路240からの制御信号に基づいて駆動され、第1、第2S/H回路250、260のそれぞれの出力電圧から差電圧(サンプリング2−サンプリング1)を取り出し、さらにその差電圧から所定の周波数成分のみを取り出して加速度信号として出力するローパスフィルタ回路(以下、LPF回路という)が備えられている。
Further, although not particularly shown, the
以上が本実施形態における加速度センサの基本的な構成である。次に、上記加速度センサの作動について図3および図4を参照しつつ説明する。 The above is the basic configuration of the acceleration sensor in the present embodiment. Next, the operation of the acceleration sensor will be described with reference to FIGS.
上記加速度センサは、基準信号生成回路230から、第1、第2搬送波P1、P2が第1、第2可動部(第1、第2可動電極14、34)に入力された状態で加速度の検出が行われる。具体的には、電圧Vdd(例えば5V)と0Vとの間で振幅し、周波数が100kHzのパルス状の第1搬送波P1が第1可動電極パッド16を介して第1可動部10(第1可動電極14)に入力される。また、基準信号生成回路230から、第1搬送波P1と振幅および周波数が同じであり、位相が180°異なる第2搬送波P2が第2可動電極パッド36を介して第2可動電極34に入力される。
The acceleration sensor detects acceleration in a state where the first and second carrier waves P1 and P2 are input to the first and second movable parts (first and second
なお、本実施形態では、第2可動部30が本発明の第2エレメント部120のうち第2搬送波P2が入力される領域に相当する。
In the present embodiment, the second
この場合、第1可動電極14と支持基板1との間のカップリング容量と、第1搬送波P1とによって支持基板1に電荷が生成される。また、第2可動電極34と支持基板1との間のカップリング容量と、第2搬送波P2とによって支持基板1に電荷が生成される。このとき、第1、第2搬送波P1、P2は、電圧Vddと0Vとの間を振幅すると共に周波数が同じであり、かつ位相が180°異なる信号であるため、支持基板1の電位は中点の1/2Vddに維持される。このため、搬送波によって支持基板1の電位が変化することを抑制することができる。
In this case, electric charges are generated on the
そして、この状態で、図2中のx方向およびy方向に加速度が印加されると、第1可動電極14がx方向に変位すると共に第2可動電極34がy方向に変位する。このとき、容量CS1〜CS4では、加速度の大きさに応じた容量変化(+ΔC、−ΔC)が発生する。そして、この容量に応じた第1、第2固定電極21a、21b、41a、41bの信号が第1、第2固定電極パッド23a、23b、43a、43bを介して第1、第2C−V変換回路210、220に入力され、第1、第2C−V変換回路210、220から加速度に応じた電位差信号(VOP1−VOM1、VOP2−VOM2)としてΔV1、ΔV2が出力される。
In this state, when acceleration is applied in the x and y directions in FIG. 2, the first
なお、第1〜第4スイッチ213a、213b、223a、223bがオン(閉)されているとき(期間φ2)に第1〜第4コンデンサ212a、212b、222a、222bがリセットされ、第1〜第4スイッチ213a、213b、223a、223bがオフ(開)されているときに加速度の検出が行われる。つまり、期間φ1のうち期間φ2以外の期間が加速度を検出する期間である。したがって、リセットされた後であって第1、第2搬送波P1、P2の電位が変化した後(例えば、第1搬送波P1では電位がローレベルからハイレベルに変化した後)、第1、第2C−V変換回路210、220から電圧ΔV1、ΔV2がそれぞれ出力される。
When the first to
また、第1、第2C−V変換回路210、220から出力された信号は、制御信号生成回路240からの信号に基づいて駆動される第1、第2S/H回路250、260によって所定期間毎にサンプリングされて一定期間保持される。そして、LPF回路によって第1、第2S/H回路250、260の出力電圧からそれぞれ差電圧(サンプリング2−サンプリング1)を取り出し、さらにその差電圧から所定の周波数成分のみが取り出され、加速度信号として出力される。
The signals output from the first and second
以上説明したように、第1可動部10と支持基板1との間のカップリング容量と、第1搬送波P1とによって支持基板1に電荷が生成される。また、第2可動部30と支持基板1との間のカップリング容量と、第2搬送波P2によって支持基板1に電荷が生成される。このとき、第1、第2搬送波P1、P2は、電圧Vddと0Vとの間を振幅すると共に周波数が同じであり、かつ位相が180°異なる信号であるため、支持基板1の電位は中点の1/2Vddに維持される。このため、搬送波によって支持基板1の電位が変化することを抑制することができる。
As described above, electric charges are generated on the
また、第2エレメント部120にy軸方向の加速度を検出する検出部を形成することにより、2方向の加速度を検出することができる。
Further, by forming a detection unit that detects acceleration in the y-axis direction in the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、回路チップ200に第1C−V変換回路210のみを備えたものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is different from the first embodiment in that the
図5に示されるように、本実施形態では、第1C−V変換回路210のみが備えられている。そして、演算増幅器211は、第1〜第4切換スイッチ271〜274を介して第1、第2固定電極21a、21b、41a、41bに接続されている。
As shown in FIG. 5, in this embodiment, only the first
具体的には、演算増幅器211の非反転入力端子は、第1切換スイッチ271および第1固定電極パッド23aを介して第1固定電極21aに接続されていると共に、第4切換スイッチ274および第2固定電極パッド43bを介して第2固定電極41bに接続されている。また、反転入力端子は、第2切換スイッチ272および第1固定電極パッド23bを介して第1固定電極21bに接続されていると共に、第3切換スイッチ273および第2固定電極パッド43aを介して第2固定電極41aに接続されている。つまり、本実施形態では、容量CS1〜CS4が共通の第1C−V変換回路210によって電圧変換されるようになっている。
Specifically, the non-inverting input terminal of the
また、制御信号生成回路240は、第1、第2スイッチ213a、213bのオン、オフを制御する制御信号SW1を出力すると共に第1〜第4切換スイッチ271〜274のオン、オフを制御する制御信号SW2を出力する。
The control
次に、上記加速度センサの作動について図6を参照しつつ説明する。 Next, the operation of the acceleration sensor will be described with reference to FIG.
図6に示されるように、期間φ3では、第1、第2切換スイッチ271、272がオンされ、第3、第4切換スイッチ273、274がオフされている。このため、第1C−V変換回路210には、第1固定電極21a、21bの信号が第1固定電極パッド23a、23bを介して入力され、加速度に応じた電位差信号(VOP−VOM)としてΔV1が出力される。
As shown in FIG. 6, in the period φ3, the first and second changeover switches 271 and 272 are turned on, and the third and fourth changeover switches 273 and 274 are turned off. For this reason, the signals of the first
同様に、期間φ4では、第1、第2切換スイッチ271、272がオフされ、第3、第4切換スイッチ273、274がオンされている。このため、第1C−V変換回路210には、第2固定電極41a、41bの信号が第2固定電極パッド43a、43bを介して入力され、加速度に応じた電位差信号(VOP1−VOM1)としてΔV2が出力される。
Similarly, in the period φ4, the first and second changeover switches 271 and 272 are turned off, and the third and fourth changeover switches 273 and 274 are turned on. For this reason, the signals of the second
また、第3、第4切換スイッチ273、274がオフされている期間φ3では、第2エレメント部120にて加速度の検出を行うことができないが、第2可動部30(第2可動電極34)に第2搬送波P2が入力されている。同様に、第1、第2切換スイッチ271、272がオフされている期間φ4では、第1エレメント部110にて加速度の検出を行うことがないが、第1可動部10(第1可動電極14)に第1搬送波P1が入力されている。上記のように、第1、第2可動部10、30(第1、第2可動電極14、34)に第1、第2搬送波P1、P2を入力することにより、支持基板1の電位が変化することを抑制することができるためである。
In addition, in the period φ3 in which the third and fourth changeover switches 273 and 274 are off, the
なお、第1、第2スイッチ213a、213bがオン(閉)されているとき(期間φ2)に第1、第2コンデンサ212a、212bがリセットされ、第1、第2スイッチ213a、213bがオフ(開)されているときに加速度の検出が行われる。つまり、期間φ3のうち期間φ2以外の期間が加速度を検出する期間となり、期間φ4のうち期間φ2以外の期間が加速度を検出する期間となる。
When the first and
以上説明したように、回路チップ200に第1C−V変換回路210のみを備え、容量CS1、CS2と、容量CS3、CS4とを順に電圧変換するようにしても、第1、第2可動部10、30(第1、第2可動電極14、34)に第1、第2搬送波P1、P2を入力することにより、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
As described above, even if the
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、第2エレメント部120の構成を変更したものであり、その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the
図7に示されるように、第2エレメント部120は、溝部6によって周辺固定部50と区画された領域とされており、可動部や固定部が形成されていない。そして、第2エレメント部120の半導体層3には、特に図示しないが、第2搬送波P2が入力されるパッドが形成されている。
As shown in FIG. 7, the
また、第2エレメント部120は、半導体層3、埋込絶縁膜2、支持基板1によって構成されるカップリング容量が第1可動部10と支持基板1との間のカップリング容量と等しくなるように溝部6によって区画されている。
In the
このような加速度センサは、上記第1実施形態と同様に、第1可動部10に第1搬送波P1が入力され、第2エレメント部120に第2搬送波P2が入力された状態で加速度の検出が行われる。すなわち、本実施形態の第2エレメント部120は、加速度を検出する検出部としての機能を発揮する領域ではなく、支持基板1の電位の変化を抑制するためのみに第2搬送波P2が入力されるダミー領域である。
In such an acceleration sensor, as in the first embodiment, acceleration can be detected in a state where the first carrier wave P1 is input to the first
このように、第2エレメント部120に検出部を構成しなくても、第1、第2可動部10、30(第1、第2可動電極14、34)に第1、第2搬送波P1、P2を入力することにより、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
As described above, the first and second
なお、本実施形態では、溝部6によって区画された半導体層3が本発明の第2搬送波P2が入力される領域に相当する。
In the present embodiment, the
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して、第2エレメント部120の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the
図8に示されるように、第1エレメント部110には、上記第1可動部10および第1固定部20a、20bを有するx軸方向検出部が形成されている。第2エレメント部120には、上記第2可動部30および第2固定部40a、40bを有するy軸方向検出部120aと、互いに離間していると共にそれぞれ第3固定電極を有する一対の第3固定部と、第3固定部の間に配置される共に各第3固定電極と対向し、かつ第1、第2可動部10、30の変位方向とそれぞれ垂直方向(z軸方向)に変位する第3可動電極を備える第3可動部とを有するz軸方向検出部110bとが形成されている。
As shown in FIG. 8, the
すなわち、本実施形態の第2エレメント部120は、分離されたy軸方向検出部120aとz軸方向検出部120bとによって構成されている。そして、第1可動部10と支持基板1との間のカップリング容量は、第2可動部30と支持基板1との間のカップリング容量および第3可動部と支持基板1との間のカップリング容量の和と等しくなるようにされている。
That is, the
このような加速度センサは、上記第1実施形態と同様に、第1可動部10に第1搬送波P1が入力され、第2可動部30および第3可動部に第2搬送波P2が入力された状態で加速度の検出が行われる。
In such an acceleration sensor, as in the first embodiment, the first carrier wave P1 is input to the first
このように、第2エレメント部120は、複数の領域から構成されていても、第1可動部10と支持基板1との間のカップリング容量と、第2エレメント部120のうち第2搬送波P2が入力される領域と支持基板1との間のカップリング容量とが等しくされていれば、第1、第2搬送波P1、P2が入力されることにより、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
As described above, even if the
(他の実施形態)
上記各実施形態では、第1エレメント部110は加速度を検出するものとして説明したが、第1エレメント部110は角速度を検出するものであってもよい。すなわち、上記第1、第2、第4実施形態では、センサチップ100は、加速度および角速度の両方を検出できるものとしてもよい。また、上記第3実施形態において、センサチップ100は、角速度のみを検出することができるようになっていてもよい。
(Other embodiments)
In the above embodiments, the
そして、上記第1、第2実施形態では、第1可動電極14と、第2可動電極34との変位方向が互いに直交するものを説明したが、第1可動電極14の変位方向と第2可動電極34の変位方向とが同じ方向とされていてもよい。この場合は、第1エレメント部110と第2エレメント部120とで容量が大きく異なるような場合はいずれか一方が故障していると判定することができる。同様に、上記第4実施形態においても、第2エレメント部120の2つの検出部は、同じ方向の加速度を検出するものであってもよいし、第1エレメント部110と第2エレメント部120の一方の検出部とが同じ方向の加速度を検出するものであってもよい。さらに、第1、第2エレメント部110、120に全て同じ方向の加速度を検出する検出部が形成されていてもよい。
In the first and second embodiments, the displacement directions of the first
また、上記第1、第2実施形態において、第1可動部10と支持基板1との間のカップリング容量と第2可動部30と支持基板1との間のカップリング容量とが異なるように第1、第2エレメント部110、120を形成してもよい。
In the first and second embodiments, the coupling capacity between the first
ここで、支持基板1に生成される電荷は、Q=CVより、カップリング容量と可動部に入力される電位によって決定される。このため、基準信号生成回路230で生成される第1、第2搬送波P1、P2の振幅が異なるものとし、第1可動部10と支持基板1との間のカップリング容量と第1搬送波P1によって生成される電荷と、第2可動部30と支持基板1との間のカップリング容量と第2搬送波P2によって生成される電荷において、搬送波がローレベルであるときの大きさおよび搬送波がハイレベルであるときの大きさが等しくなるようにしてもよい。このようにしても、第1、第2搬送波P1、P2によって生成される電荷により、支持基板1の電位が中点の電位に維持される。このため、上記各実施形態と同様に支持基板1の電位が変化することを抑制することができる。
Here, the charge generated in the
同様に、上記第3、第4実施形態においても、第1、第2エレメント部110、120における第1、第2搬送波P1、P2が入力される部分と支持基板1との間のカップリング容量が異なっていてもよく、第1、第2搬送波P1、P2によって生成される電荷を消滅させることができるように振幅を変更してもよい。
Similarly, also in the third and fourth embodiments, the coupling capacitance between the
1 支持基板
2 埋込絶縁膜
3 半導体層
4 SOI基板(半導体基板)
10 第1可動部
14 第1可動電極
20a、20b 第1固定部
21a、21b 第1固定電極
110 第1エレメント部
120 第2エレメント部
210 第1C−V変換回路
220 第2C−V変換回路
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記半導体層に形成され、互いに離間していると共にそれぞれ第1固定電極(21a、21b)を有する一対の第1固定部(20a、20b)と、前記一対の第1固定部の間に配置され、前記第1固定部に備えられたそれぞれの前記第1固定電極と対向し、かつ物理量に応じて所定方向に変位可能とされた第1可動電極(14)を有する第1可動部(10)と、を備える第1エレメント部(110)と、
前記半導体層のうち前記第1エレメント部と異なる領域に形成された第2エレメント部(120)と、
前記第1可動部にパルス状の第1搬送波(P1)を入力すると共に、前記第1搬送波と周波数が同じであって位相が180°異なるパルス状の第2搬送波(P2)を前記第2エレメント部へ入力する基準信号生成回路(230)と、
前記第1可動電極と前記第1固定電極との間の容量を電圧変換する全差動型の第1C−V変換回路(210)と、を備え、
前記第2エレメント部は、互いに離間していると共にそれぞれ第2固定電極(41a、41b)を有する一対の第2固定部(40a、40b)と、前記一対の第2固定部の間に配置され、前記第2固定部に備えられたそれぞれの前記第2固定電極と対向し、かつ物理量に応じて所定方向に変位可能とされた第2可動電極(34)を有する第2可動部(30)と、を備えており、
前記基準信号生成回路は、前記第1可動部に前記第1搬送波を入力する際、前記第2可動部に前記第2搬送波を入力し、
前記第1C−V変換回路は、第1、第2切換スイッチ(271、272)を介して前記第1固定電極に接続されていると共に、第3、第4切換スイッチ(273、274)を介して前記第2固定電極に接続されており、前記第1、第2切換スイッチがオンされていると共に前記第3、第4スイッチがオフされているときに前記第1可動電極と前記第1固定電極との間の容量を電圧変換し、前記第1、第2切換スイッチがオフされていると共に前記第3、第4切換スイッチがオンされているときに前記第2可動電極と前記第2固定電極との間の容量を電圧変換することを特徴とする容量式物理量検出装置。 A support substrate (1); a buried insulating film (2) disposed on the support substrate; and a semiconductor layer (3) disposed on the opposite side of the support substrate with the buried insulating film interposed therebetween. A semiconductor substrate (4);
A pair of first fixing portions (20a, 20b) formed on the semiconductor layer and spaced apart from each other and having first fixing electrodes (21a, 21b), respectively, and the pair of first fixing portions. A first movable part (10) having a first movable electrode (14) opposed to each of the first fixed electrodes provided in the first fixed part and capable of being displaced in a predetermined direction according to a physical quantity. A first element part (110) comprising:
A second element part (120) formed in a region different from the first element part in the semiconductor layer;
The pulsed first carrier wave (P1) is inputted to the first movable part, and the pulsed second carrier wave (P2) having the same frequency as that of the first carrier wave and having a phase different by 180 ° is used as the second element. A reference signal generation circuit (230) to be input to the unit,
A fully-differential first CV conversion circuit (210) that converts a capacitance between the first movable electrode and the first fixed electrode.
The second element portion is disposed between a pair of second fixing portions (40a, 40b) that are spaced apart from each other and have second fixing electrodes (41a, 41b), respectively, and the pair of second fixing portions. A second movable part (30) having a second movable electrode (34) opposed to each of the second fixed electrodes provided in the second fixed part and capable of being displaced in a predetermined direction according to a physical quantity. And ,
The reference signal generation circuit inputs the second carrier wave to the second movable part when inputting the first carrier wave to the first movable part,
The first CV conversion circuit is connected to the first fixed electrode via first and second changeover switches (271, 272) and via third and fourth changeover switches (273, 274). Connected to the second fixed electrode, and when the first and second changeover switches are turned on and the third and fourth switches are turned off, the first movable electrode and the first fixed electrode Capacitance conversion between the second movable electrode and the second fixed electrode is performed when the first and second changeover switches are turned off and the third and fourth changeover switches are turned on. A capacitance type physical quantity detection device characterized in that voltage conversion is performed on capacitance between electrodes .
前記基準信号生成回路は、前記第1搬送波と振幅が等しい前記第2搬送波を入力することを特徴とする請求項2に記載の容量式物理量検出装置。 In the second element portion, a coupling capacitance between the portion to which the second carrier wave is input and the support substrate is equal to a coupling capacitance between the first movable portion and the support substrate,
3. The capacitive physical quantity detection device according to claim 2, wherein the reference signal generation circuit inputs the second carrier wave having the same amplitude as the first carrier wave.
前記基準信号生成回路は、前記第2可動部および前記第3可動部に前記第2搬送波を入力することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の容量式物理量検出装置。 The second element portion includes the second movable portion and the second fixed portion, a pair of third fixed portions spaced apart from each other and having a third fixed electrode, and the pair of third fixed portions. A third movable part having a third movable electrode disposed between the first movable electrode and the third fixed electrode provided in the third fixed part and facing each third fixed electrode and displaceable in a predetermined direction according to a physical quantity; , And
It said reference signal generating circuit, capacitive physical quantity detecting apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterized in that inputting the second carrier to the second movable section and the third movable portion.
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