JPH04372817A - デジタル出力を有する容量形センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はデジタル出力を有する容
量形センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコン基板にマイクロマシニン
グ技術によりダイアフラムを形成し、そのダイアフラム
を圧力、加速度等の検出すべき物理量に応じて変位する
構造とし、そのダイアフラムと微小間隙を隔てた他の基
板との間でキャパシタを構成して、そのキャパシタの容
量を測定することで、物理量を測定するようにした容量
形センサが知られている。

【０００３】この容量形センサにおける容量の測定は、
ｃ−ｆコンバータにより容量を周波数に変換し、その発
振出力をカウンタで測定することによって行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
容量形センサにおいては、キャパシタを構成するシリコ
ンとガラスの熱膨張率の違いにより接合部で歪みが発生
すること、ｃ−ｆコンバータを構成するＣＭＯＳ回路で
温度ドリフトが発生すること等の現象が発生する。この
ため、測定すべき物理量が変化しなくても、発振周波数
が温度に依存して変化し（ゼロ点温度特性）、また、一
定の検出すべき物理量の変化に対しても、発振周波数の
変化量が温度に依存して変化する（感度温度特性）こと
になり、温度変化による測定誤差が発生するという問題
がある。

【０００５】従来、係る課題に対し、最適な駆動電圧に
より、出力の温度特性が最小となる特性を有する発振回
路を用いて温度補償する方法が用いられていた（特開平
２−１３００１４号公報）　。図５にシュミットトリガ
を用いた温度補償可能な容量検出回路を示す。係る容量
検出回路においては、駆動電圧ＶＤＤにより、発振周波
数の温度特性を最小に出来る。図６に温度をパラメータ
とした時の駆動電圧に対する発振周波数の特性を示す。

【０００６】しかしながら、上記構成のセンサではゼロ
点の温度補償は出来るが、感度の温度補償はできないと
いった欠点があった。また、補償されたゼロ点温度特性
（測定圧が印加されない場合の出力周波数と温度との関
係）が広い温度範囲でフラットではないため、補償でき
る温度範囲が狭いという欠点があった。

【０００７】本発明は、上記の課題を解決するために成
されたものであり、その目的とするところは、デジタル
出力を有する容量形センサにおいて、温度変化に起因す
る測定誤差を減少させることであり、より詳細には、感
度温度特性とゼロ点温度特性とを同時に補償し、且つ、
ゼロ点温度特性の温度に対する非直線性を改善すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の発明の構成は、検出すべき物理量の変化によって変化
する容量を有する測定キャパシタと、測定キャパシタに
接続され、その測定容量に逆比例した周波数のパルス信
号を出力する測定周波数発生回路を有する容量形センサ
において、測定キャパシタと同様に構成され、検出すべ
き物理量によって変化しない基準容量を有する基準キャ
パシタと、基準キャパシタに接続され、測定周波数発生
回路と同様に構成され、その基準容量に逆比例した周波
数のパルス信号を出力する基準周波数発生回路と、基準
周波数発生回路の出力するパルス信号と、測定周波数発
生回路の出力するパルス信号とを所定時間加減算して、
その差を演算して検出すべき物理量に比例したデジタル
信号を出力する差演算回路とを設けたことである。又、
他の発明の構成は、上記構成の発明において、測定周波
数発生回路及び基準周波数発生回路は、最適な入力電圧
により、出力（周波数）の温度特性が最小になる特性を
有する発振回路を有し、測定周波数発生回路の出力は、
その出力（周波数）の感度温度特性が最小になるように
調整され、基準周波数発生回路の出力は、その出力（周
波数）と測定周波数発生回路の出力の差のゼロ点温度特
性が最小となるように調整されることで、デジタル出力
を測定すべき物理量に対し、独立に感度とオフセットの
調整を可能としたことである。又、他の発明の構成は、
上記構成の発明において、測定周波数発生回路及び基準
周波数発生回路は、それぞれ、測定キャパシタ及び基準
キャパシタを所定の２つの電圧レベル間で充放電させる
電界効果型トランジスタを有する定電流源回路と、その
充放電電流の温度特性を前記入力電圧に応じて変化させ
る電界効果型トランジスタを有する回路とから成ること
を特徴とする。

【０００９】

【作用】測定する物理量に応じて容量が変化する測定キ
ャパシタに接続された測定周波数発生回路により、その
物理量に比例した周波数のパルス信号が発生される。一
方、物理量によって容量が変化しない基準キャパシタに
接続された基準周波数発生回路により、基準キャパシタ
の容量に逆比例した周波数のパルス信号が発生される。

【００１０】ここで、測定周波数発生回路の出力は、最
適な入力電圧により、その出力の感度温度特性が最小と
なるように調整され、また、基準周波数発生回路の出力
は、最適な入力電圧により、その出力と測定周波数発生
回路の出力の差のゼロ点温度特性が最小となるように調
整される。この結果、基準周波数発生回路の出力周波数
と、測定周波数発生回路の出力周波数の差は、感度温度
特性及びゼロ点温度特性が最小となるように調整された
ものとなる。即ち、測定周波数発生回路で感度温度補償
を行ない、基準周波数発生回路でゼロ点温度補償を行う
ことで、独立に出力の感度及びゼロ点の温度補償が行え
る。

【００１１】差演算回路は予め温度特性を補償されてい
るため、その出力は検出すべき物理量に比例した、温度
特性の良好なデジタル信号となる。又、測定キャパシタ
と基準キャパシタ及び測定周波数発生回路と基準周波数
発生回路は同様に構成されるため、基準周波数と測定周
波数の差のゼロ点温度特性は、従来方法による測定周波
数単体でのゼロ点温度特性に対し、補償できる温度範囲
が広くなる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。本実施例は圧力を検出する圧力センサに関する
。 （１）圧力センサ 図３は本発明に係る容量形圧力センサを示した平面図で
あり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った縦断面図で
ある。１１は被測定圧力Ｐを受ける感圧ダイアフラム部
１２を形成した上に電極１３を形成した単結晶シリコン
から成る半導体基板であり、その半導体基板１１上には
電極１３の形成と同様に半導体製造技術を用いて一体的
に回路部１４が形成されている。電極１３は接続端子部
２４を介して回路部１４と接続されている。

【００１３】２１は例えばパイレックスガラス等から成
る上部ガラス基板であり、電極１３に対向する電極２３
が形成されている。又、３０は穴部２５を有する下部ガ
ラス基板である。図４に示されたように、半導体基板１
１と上部ガラス基板２１が接合されることにより、容量
型圧力センサ１０の基準圧室１５が形成されている。電
極１３，２３の平面方向に、その基準圧室１５につなが
って、その電極１３，２３の周囲に補正室１６が形成さ
れている。

【００１４】その補正室１６の微小ギャップの対向する
両面において、電極１３，２３の周囲に補正電極１７，
２７が形成されている。電極１３，２３及び補正電極１
７，２７は、接合された後においては、接続端子部２４
等を介してそれぞれ回路部１４と接続されている。

【００１５】このように構成された容量型圧力センサ１
０においては、被測定圧力Ｐを感圧ダイアフラム部１２
に受けるとその感圧ダイアフラム部１２がたわむことに
より、基準圧室１５で対向している電極１３と電極２３
との間隔が変化し、その容量が変化する。

【００１６】ところが、補正室１６で対向している補正
電極１７と補正電極２７との間隔は、補正室１６が剛体
の壁で構成されているので、感圧ダイアフラム部１２が
被測定圧力Ｐを受けてもたわむことがなく変化しない。 このように、測定キャパシタＣｘ　は電極１３、電極２
３、基準圧室１５とで構成され、基準キャパシタＣｒ　
は補正電極１７，２７、補正室１６とで構成されている
。

【００１７】基準圧室導入口２８を介して基準圧室１５
と補正室１６とは同じ環境雰囲気中に存在する。従って
、基準キャパシタＣｒ　と測定キャパシタＣｘ　は、同
一の温度、同一の湿度、測定圧力によらない同一外乱、
基準キャパシタＣｒ　と測定キャパシタＣｘ　を満たす
媒体の誘電率の同一の変化を、それぞれ、受けている。 よって、基準キャパシタＣｒ　と測定キャパシタＣｘ　
のオフセット値（　測定圧が基準圧に等しい時の出力）
　は等しくなる。又、そのオフセット値の温度特性も等
しくなる。

【００１８】（２）容量検出回路 次に容量検出回路の構成を図１に基づいて説明する。カ
ウンタ３２には基準クロック発振回路３１の出力する所
定周波数のパルス信号が入力されている。又、カウンタ
３２にはスパン設定回路３４が接続されている。スパン
設定回路３４は図１に示すように基準周波数発生回路５
０と測定周波数発生回路６０の出力するパルス信号の数
を計測するための計測周期Ｔ（Ｔａ＝Ｔｂ）を決定する
回路である。カウンタ３２はスパン設定回路３４に設定
された値Ｔがロードされると共に、その後、そのロード
された値Ｔは基準クロック発振回路３１の出力するパル
ス信号に同期して１づつ減算される。そして、カウンタ
回路３２が零を越えた時に、信号Ｔ１は図２に示すよう
に立ち上がる。この基準クロック発振回路３１は、キャ
パシタを基準となるものを使用する他、後述する基準周
波数発生回路５０と同様に構成されており、同様に発振
周波数の温度依存性が少なくなるように電圧で補償され
ている。尚、温度依存性を少なくするためには、この回
路に水晶発振器を用いることもできる。

【００１９】ワンショットマルチバイブレータ（以下、
単に「ワンショット回路」という）３３は、信号Ｔ１の
立ち上がりに同期した幅の狭いパルス信号Ｔ２を生成し
、その信号Ｔ２をタイミング回路３５に出力する。タイ
ミング回路３５は信号Ｔ２を入力して、図２に示すタイ
ミングで信号Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５を発生する。信号Ｔ３は
、信号Ｔ２の立ち上がりに同期して立ち下がり、ローア
クティブのプリセット信号をカウンタ３２及びカウンタ
３６に出力して、両カウンタ３２、３６をプリセットす
る。又、信号Ｔ３はプリセット信号としての所定期間の
低レベルを継続した後、立ち上がる信号である。この信
号Ｔ３が高レベルとなる期間が上述した計測周期Ｔを決
定する。

【００２０】信号Ｔ５は、信号Ｔ３の立ち下がりに同期
して、信号Ｔ３の２倍の周期でレベルを反転する信号で
ある。この信号Ｔ５の１周期が、１回の圧力測定の１周
期を決定する。又、信号Ｔ５はアナログスイッチ４１に
入力し、アナログスイッチ４１は信号Ｔ５が高レベルの
期間、基準周波数発生回路５０の出力をカウンタ３６の
ＵＰ端子（加算端子）に通過させ、信号Ｔ５が低レベル
の期間、測定周波数発生回路６０の出力をカウンタ３６
のＤＯＷＮ端子（減算端子）に通過させる。

【００２１】カウンタ３６は、基準周波数発生回路５０
の出力するパルス信号に同期して値を１づつ加算し、測
定周波数発生回路６０の出力するパルス信号に同期して
値を１つづ減算する回路である。即ち、オフセット設定
回路３９に設定された値Ｎ０　を初期値として、計測周
期Ｔａの期間、基準周波数発生回路５０の出力するパル
ス信号に同期して加算カウンタする。又、次の計測周期
Ｔｂの期間は、測定周波数発生回路６０の出力するパル
ス信号に同期して減算カウンタする。

【００２２】ラッチ回路３７は信号Ｔ４の立ち上がり、
即ち、計測周期Ｔｂの終わり（圧力測定の１周期の終わ
り）に同期して、カウンタ３６の現在値をラッチし、バ
ッファ回路４０に出力する回路である。このバッファ回
路４０の出力値が測定された圧力を表している。

【００２３】次に、本装置の作動を説明する。オフセッ
ト設定回路３９には値Ｎ０　が設定されており、信号Ｔ
３の立ち下がり時刻ｔ１に同期して、値Ｎ０　がカウン
タ３６に設定される。次に、時刻ｔ２からカウンタ３６
は基準周波数発生回路５０の出力するパルス信号に同期
して値を１づつ加算する。今、測定周期Ｔａの期間に基
準周波数発生回路５０から発生されたパルス信号の数を
Ｎａとすると、時刻ｔ３におけるカウンタ３６の現在値
は（Ｎ０　＋Ｎａ）となる。

【００２４】又、時刻ｔ３において、アナログスイッチ
４１は状態を変化させ、測定周波数発生回路６０の出力
がカウンタ３６のＤＯＷＮ端子に入力される。そして、
カウンタ３６は時刻ｔ４から、測定周波数発生回路６０
の出力するパルス信号によってその値の減算カウントを
開始する。そして、計測周期Ｔｂの終了する時刻ｔ５に
おいて、カンウタ３６の現在値はラッチ回路３７にラッ
チされる。この計測周期Ｔｂにおいて、測定周波数発生
回路６０の出力するパルス信号の数をＮｂとすると、時
刻ｔ５において、ラッチ回路３７にラッチされた値は（
Ｎ０　＋Ｎａ−Ｎｂ）となる。

【００２５】この値（Ｎ０　＋Ｎａ−Ｎｂ）が基準圧に
対する測定圧力となる。上記においてオフセット設定回
路３９に設定される値Ｎ０　を変更することで、オフセ
ット値を自由に変更することが可能となる。

【００２６】温度変動等の外部環境によってパルス数Ｎ
ａ、Ｎｂは変化する。その変化量をΔａ、Δｂとし、外
部環境によっては変化しない成分をＮａ０，Ｎｂ０　と
する。即ち、 Ｎａ＝Ｎａ０　＋Δａ Ｎｂ＝Ｎｂ０　＋Δｂ である。すると、測定値は次のようになる。 　　　　（Ｎ０　＋Ｎａ−Ｎｂ）＝（Ｎａ０　−Ｎｂ０
　）＋（Δａ−Δｂ）＋Ｎ０　温度変動等の外部環境に
より基準キャパシタＣｒと測定キャパシタＣｘの容量は
同じように変化する場合には、Δａ＝Δｂである。従っ
て、 （Ｎ０　＋Ｎａ−Ｎｂ）＝（Ｎａ０　−Ｎｂ０　）＋Ｎ
０　このようにして、測定値は、温度等の外部環境によ
って同じように変化する成分を除去することが可能であ
る。

【００２６】 （３）基準周波数発生回路及び測定周波数発生回路基準
周波数発生回路５０と測定周波数発生回路６０とは同一
構成であるため、測定周波数発生回路６０について説明
する。図７は測定周波数発生回路６０を示した回路図で
ある。トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４，Ｔｒ５　はｐ型Ｍ
ＯＳトランジスタ、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ
６，Ｔｒ７　は、ｎ型ＭＯＳトランジスタである。又、
Ａ１はシュミットトリガ回路、Ａ２、Ａ３はインバータ
回路、Ｃｘは外部検出圧力に応じて静電容量の変化する
測定キャパシタである。

【００２７】トランジスタＴｒ１　とＴｒ４　及びＴｒ
３　とＴｒ７　は、それぞれ、カレントミラー回路を構
成し、入力電圧Ｖｇによりソース・ドレイン間を流れる
電流が調整される。ここで、ｐ型ＭＯＳトランジスタと
ｎ型ＭＯＳトランジスタのドレイン電流は等しくなるよ
うに設計されている。トランジスタＴｒ５　とトランジ
スタＴｒ６　で構成されるＣ−ＭＯＳＦＥＴは、測定キ
ャパシタＣｘを充電又は放電するための回路である。

【００２８】トランジスタＴｒ６　が導通状態の時には
、電源ＶＤＤから、測定キャパシタＣｘ、トランジスタ
Ｔｒ６　、トランジスタＴｒ７　と電流が流れて、測定
キャパシタＣｘの電源ＶＤＤ　から充電され、測定キャ
パシタＣｘの一端の電位ＶＸは、充電電流の大きさと測
定キャパシタＣｘの容量との比で決定される傾きで減衰
する。

【００２９】一方、トランジスタＴｒ５　が導通状態の
時には、測定キャパシタＣｘに充電された電荷はトラン
ジスタＴｒ４　、トランジスタＴｒ５を介して放電され
、電位ＶＸは、放電電流の大きさと測定キャパシタＣｘ
の容量との比で決定される傾きで増加する。

【００３０】上記構成の回路において、電位ＶＳ，　電
位ＶＸ，電位Ｖｏｕｔの波形を図８に示す。図８におけ
る電位ＶＸは、測定キャパシタＣｘの容量と充放電電流
の大きさとで決定される傾きで増減する。従って、出力
電位Ｖｏｕｔの発振周波数は検出圧力に関しては、充放
電電流の大きさが一定であるので、測定キャパシタＣｘ
の容量に逆比例することになり、この周波数の大きさか
ら容量の大きさ、即ち、圧力を検出することができる。

【００３１】一方、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流の温度
係数は、図９に示す特性を有しており、ゲート電圧−し
きい値電圧の大きさによって、正負任意に変化させるこ
とができる。このため、入力電圧Ｖｇにより、測定キャ
パシタＣｘの充放電電流の温度係数を適正に設定するこ
とで、測定キャパシタＣｘの温度特性（ゼロ点温度特性
又は感度温度特性）を補償することができる。

【００３２】このようにして、入力電圧Ｖｇを調整する
ことにより、測定周波数発生回路６０の温度特性を調整
することができる。又、同様に、入力電圧Ｖｇを調整す
ることにより、基準周波数発生回路５０の温度特性を調
整することができる。

【００３３】このため、測定周波数発生回路６０では、
入力電圧Ｖｇを調整し、圧力に対する感度温度特性を補
償し、基準周波数発生回路５０では入力電圧Ｖｇを調整
し、基準周波数と測定周波数の差のゼロ点温度特性を独
立して補償することができる。

【００３４】図１０は、本発明による感度温度特性と従
来方式による無補償での感度温度特性を比較したもので
ある。本発明による感度温度特性は従来方式に対し、−
２５℃から７５℃の範囲で０．２３％／℃から０．０２
６％／℃に改善された。２５℃から７５℃の範囲では、
０．２３％／℃から０．０２１％／℃に改善された。図
１１は、本発明によるゼロ点温度特性と従来方式による
ゼロ点温度特性を比較したものである。本発明によるゼ
ロ点温度特性は従来方式に対し、−２５℃から７５℃の
範囲で０．０８％／℃から０．０２６％／℃に改善され
た。２５℃から７５℃の範囲では、０．１０％／℃から
０．０１３％／℃に改善された。

【００３５】

【発明の効果】本第１の発明は、検出すべき物理量の変
化によって変化する容量を有する測定キャパシタと、測
定キャパシタに接続され、その測定容量に逆比例した周
波数のパルス信号を出力する測定周波数発生回路を有す
る容量形センサにおいて、測定キャパシタと同様に構成
され、検出すべき物理量によって変化しない基準容量を
有する基準キャパシタと、基準キャパシタに接続され、
測定周波数発生回路と同様に構成され、その基準容量に
逆比例した周波数のパルス信号を出力する基準周波数発
生回路と、基準周波数発生回路の出力するパルス信号と
、測定周波数発生回路の出力するパルス信号とを所定時
間加減算して、その差を演算して検出すべき物理量に比
例したデジタル信号を出力する差演算回路とを設けたこ
とである。従って、出力周波数の温度、その他の要因を
含むゼロ点補償を行うことができると共にその出力をデ
ジタル量として出力することができる。又、差演算回路
の初期値を変化させることでオフセット値を容易に変更
することができる。又、第２の発明は、測定周波数発生
回路及び基準周波数発生回路は、最適な入力電圧により
、出力の温度特性が最小になる特性を有する発振回路を
有し、測定周波数発生回路の出力は、その出力の感度温
度特性が最小になるように調整され、基準周波数発生回
路の出力は、その出力と測定周波数発生回路の出力の差
のゼロ点温度特性が最小となるように調整され、デジタ
ル出力は測定すべき物理量に対し、独立に感度とオフセ
ットが調整される。従って、基準周波数発生回路の発振
周波数と、測定周波数発生回路の周波数の差は、感度温
度特性及びゼロ点温度特性が最小となるように調整され
たものとなり、差演算回路のデジタル出力は、検出すべ
き物理量に比例した温度特性の良好な信号となる。また
、測定キャパシタと基準キャパシタ及び測定周波数発生
回路と基準周波数発生回路は同様に構成されるため、基
準周波数と測定周波数の差のゼロ点温度特性が改善され
る。又、第３の発明は、測定周波数発生回路及び基準周
波数発生回路は、それぞれ、測定キャパシタ及び基準キ
ャパシタを所定の２つの電圧レベル間で充放電させる電
界効果型トランジスタを有する定電流源回路と、その充
放電電流の温度特性を入力電圧に応じて変化させる電界
効果型トランジスタを有する回路とから成る。従って、
入力電圧を適正に設定することで、電界効果型トランジ
スタの電流の温度係数を適正に設定することができる。 この結果、測定キャパシタ及び基準キャパシタの充放電
電流の温度特性を、充放電電流の温度特性で補償するこ
とができる。従って、温度に対する測定誤差の少ない容
量形センサとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧力検出回路の具体的な構成を示した回路図。

【図２】圧力検出回路の動作を説明するためのタイミン
グチャート。

【図３】容量型圧力センサの構成を示した平面図。

【図４】容量型圧力センサの構成を示した断面図。

【図５】従来の容量形センサの回路図。

【図６】その回路の発振周波数と駆動電圧との関係を温
度をパラメータとして示した測定図。

【図７】測定周波数発生回路の構成を示した回路図。

【図８】その測定周波数発生回路の動作を説明するため
のタイミングチャート。

【図９】ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流の温度係数の電圧
依存性を示す特性図。

【図１０】容量形センサの出力の感度と温度との関係を
測定した測定図。

【図１１】容量形センサの出力のゼロ点と温度との関係
を測定した測定図。

【符号の説明】

Ｔｒ１　〜Ｔｒ１２…トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）１
０…容量型圧力センサ　　１１…半導体基板１２…感圧
ダイアフラム部　　１３，２３…電極１５…基準圧室　
　１６…補正室

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　検出すべき物理量の変化によって変化
   する容量を有する測定キャパシタと、前記測定キャパシ
   タに接続され、その測定容量に逆比例した周波数のパル
   ス信号を出力する測定周波数発生回路を有する容量形セ
   ンサにおいて、前記測定キャパシタと同様に構成され、
   検出すべき物理量によって変化しない基準容量を有する
   基準キャパシタと、前記基準キャパシタに接続され、前
   記測定周波数発生回路と同様に構成され、その基準容量
   に逆比例した周波数のパルス信号を出力する基準周波数
   発生回路と、　　前記基準周波数発生回路の出力するパ
   ルス信号と、前記測定周波数発生回路の出力するパルス
   信号とを所定時間加減算して、その差を演算して検出す
   べき物理量に比例したデジタル信号を出力する差演算回
   路とを有するデジタル出力を有する容量形センサ。
2. 【請求項２】　　前記測定周波数発生回路及び前記基準
   周波数発生回路は、最適な入力電圧により出力の温度特
   性が最小になる特性を有する発振回路を有し前記測定周
   波数発生回路の出力はその出力の感度温度特性が最小に
   なるように調整され、前記基準周波数発生回路の出力は
   その出力と前記測定周波数発生回路の出力の差のゼロ点
   温度特性が最小となるように調整され、前記デジタル出
   力は測定すべき物理量に対し独立に感度とオフセットが
   調整されることを特徴とする請求項１に記載のデジタル
   出力を有する容量形センサ。
3. 【請求項３】　　前記測定周波数発生回路及び前記基準
   周波数発生回路は、それぞれ、前記測定キャパシタ及び
   前記基準キャパシタを所定の２つの電圧レベル間で充放
   電させる電界効果型トランジスタを有する定電流源回路
   と、その充放電電流の温度特性を前記入力電圧に応じて
   変化させる電界効果型トランジスタを有する回路とから
   成ることを特徴とする請求項２に記載のデジタル出力を
   有する容量形センサ。