JPH11148946A - Integration acceleration sensor - Google Patents

Integration acceleration sensor

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Publication number
JPH11148946A
JPH11148946A JP9315566A JP31556697A JPH11148946A JP H11148946 A JPH11148946 A JP H11148946A JP 9315566 A JP9315566 A JP 9315566A JP 31556697 A JP31556697 A JP 31556697A JP H11148946 A JPH11148946 A JP H11148946A
Authority
JP
Japan
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circuit
stress
voltage
amplifier
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP9315566A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Makoto Ishida
誠 石田
Hidekuni Takao
英邦 高尾
Yoshinobu Matsumoto
佳宣 松本
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Asahi Chemical Industry Co Ltd
Original Assignee
Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Chemical Industry Co Ltd filed Critical Asahi Chemical Industry Co Ltd
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Publication of JPH11148946A publication Critical patent/JPH11148946A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0822Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/084Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass

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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To compensate offset drift to contrive the stability of sensitivity and contrive low noise and high resolution. SOLUTION: A differential amplification circuit 510, which outputs as a differential mode for acceleration component in the director of the detector axis to which stress is applied, and outputs as the same phase mode for the acceleration component in the direction the other axis, is used and the gain of the differential amplification circuit 510 is determined by negative feedback processing to reduce irregularity of sensitivity. In addition, offset voltage offset voltage drift and temperature are compensated by inputting the compensation voltage of a compensation circuit to an input terminal and a current control terminal of the differential amplification circuit 510.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、梁のたわみを利用
して加速度を検出する集積化加速度センサに係り、特
に、マイクロマシンで構成された構造体に信号処理回路
を混載し、多軸方向の加速度成分を検出することが可能
な集積化加速度センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an integrated acceleration sensor for detecting acceleration by using deflection of a beam, and more particularly, to a signal processing circuit mixedly mounted on a structure constituted by a micro-machine and a multi-axial direction. The present invention relates to an integrated acceleration sensor capable of detecting an acceleration component.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年では、1軸方向の加速度しか検出で
きなかった集積化加速度センサに代わり、2軸、あるい
は、3軸方向の加速度を検出できるセンサが発表されて
いる(特開平9−113534号公報等参照)。
2. Description of the Related Art In recent years, instead of an integrated acceleration sensor capable of detecting acceleration in only one axis, a sensor capable of detecting acceleration in two or three axes has been announced (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 9-113534). Reference).

【0003】まず、第1の従来例として、3軸方向の加
速度成分を検出する集積化加速度センサの構造を、図1
〜図3に基づいて説明する。
First, as a first conventional example, the structure of an integrated acceleration sensor for detecting acceleration components in three axial directions is shown in FIG.
This will be described with reference to FIG.

【0004】図1において、102は、3軸方向の加速
度成分を検出する加速度センサ102の断面図である。
この加速度センサ102は、円筒形状の台座104と、
この台座104上に接着された円形のシリコン基板10
5とを備えている。シリコン基板105の中央底面に
は、パイレックスガラスからなる円柱状の重り部107
が接着されている。
In FIG. 1, reference numeral 102 is a sectional view of an acceleration sensor 102 for detecting acceleration components in three axial directions.
The acceleration sensor 102 includes a cylindrical base 104,
The circular silicon substrate 10 adhered on the pedestal 104
5 is provided. A cylindrical weight portion 107 made of Pyrex glass is provided on the central bottom surface of the silicon substrate 105.
Is glued.

【0005】シリコン基板105のうち、台座104に
接着された周辺部105aと重り部107に接着された
中心部105bとの間の領域は、肉厚が薄く形成された
可撓部108で構成されている。
[0005] In the silicon substrate 105, a region between a peripheral portion 105a bonded to the pedestal 104 and a central portion 105b bonded to the weight portion 107 is constituted by a flexible portion 108 having a small thickness. ing.

【0006】図2は、加速度センサ102の平面図であ
る。可撓部108の表面には、シリコン基板102の中
心を原点として、X軸上の正および負の部分にピエゾ抵
抗素子Rx1,Rx2,Rx3,Rx4が2個ずつ設けられ、Y
軸上の正および負の部分にピエゾ抵抗素子Ry1,Ry2,
Ry3,Ry4が2個ずつ設けられ、さらに、X軸上の各ピ
エゾ抵抗素子Rx1〜Rx4に近接した位置にはピエゾ抵抗
素子Rz1,Rz2,Rz3,Rz4が平行に配置されている。
FIG. 2 is a plan view of the acceleration sensor 102. On the surface of the flexible portion 108, two piezoresistive elements Rx1, Rx2, Rx3, and Rx4 are provided at positive and negative portions on the X axis with the center of the silicon substrate 102 as the origin.
Piezoresistive elements Ry1, Ry2,
Two Ry3 and Ry4 are provided, and piezoresistive elements Rz1, Rz2, Rz3, and Rz4 are arranged in parallel at positions close to the piezoresistive elements Rx1 to Rx4 on the X axis.

【0007】ピエゾ抵抗素子Rx1〜Rx4と、ピエゾ抵抗
素子Ry1〜Ry4と、ピエゾ抵抗素子Rz1〜Rz4とは、そ
れぞれブリッジ回路を構成している。これら3つのブリ
ッジ回路は、加速度測定前のときは、ブリッジバランス
がとれ、出力ゼロの状態にある。
The piezoresistive elements Rx1 to Rx4, the piezoresistive elements Ry1 to Ry4, and the piezoresistive elements Rz1 to Rz4 each constitute a bridge circuit. Before the acceleration measurement, these three bridge circuits are in a balanced state and have zero output.

【0008】そして、このような構造とされた加速度セ
ンサ102において、加速度が加えられると、中央の重
り部107の重量によって可撓部108に応力が加わ
り、その可撓部108が機械的に変形する。
In the acceleration sensor 102 having such a structure, when an acceleration is applied, a stress is applied to the flexible portion 108 by the weight of the central weight portion 107, and the flexible portion 108 is mechanically deformed. I do.

【0009】この機械的な変形により、応力が加わった
方向の可撓部108上に配置されたピエゾ抵抗素子の抵
抗値が変化し、そのブリッジ回路のブリッジバランスが
崩れて出力が現れる。そのブリッジ回路を構成するピエ
ゾ抵抗素子の抵抗値の変化は、加速度の大きさと向きと
によって相違するため、各ブリッジ回路の抵抗変化を測
定することにより、X,Y,Z軸の3軸方向の加速度成
分を測定することが可能となる。
[0009] Due to this mechanical deformation, the resistance of the piezoresistive element arranged on the flexible portion 108 in the direction in which the stress is applied changes, and the bridge balance of the bridge circuit is broken and an output appears. Since the change in the resistance value of the piezoresistive element constituting the bridge circuit differs depending on the magnitude and direction of the acceleration, the change in the resistance of each bridge circuit is measured, so that the change in the X, Y, and Z axes can be obtained. The acceleration component can be measured.

【0010】図3は、Z軸方向の加速度成分を検出する
ピエゾ抵抗素子Rz1〜Rz4により構成されたブリッジ回
路の例を示す。図1において、加速度が下から上の方向
へ加わると、Rz1,Rz4には−(マイナス)、Rz2,R
z3には+(プラス)の応力が加わることになり、これに
より、ブリッジバランスが崩れ、端子Vab間に電位差が
生じてZ軸方向の加速度成分を検出することができる。
FIG. 3 shows an example of a bridge circuit composed of piezoresistive elements Rz1 to Rz4 for detecting an acceleration component in the Z-axis direction. In FIG. 1, when an acceleration is applied from the bottom to the top, Rz1 and Rz4 have minus (minus), Rz2 and Rz2.
A positive (+) stress is applied to z3, whereby the bridge balance is broken, a potential difference is generated between the terminals Vab, and an acceleration component in the Z-axis direction can be detected.

【0011】また、第2の従来例として、差動増幅回路
を有する電流検出型の加速度センサを、図4(a)
(b)に基づいて説明する(特開平6−207948号
公報参照)。
As a second conventional example, a current detection type acceleration sensor having a differential amplifier circuit is shown in FIG.
A description will be given based on (b) (see JP-A-6-207948).

【0012】図4(a)において、半導体基板150の
表面には、この基板と反対の導電性を有する拡散層15
1,152が形成されている。また、拡散層151と拡
散層152との間における半導体基板150の上方には
所定の間隔を隔てて電極153が配置されている。この
電極153は梁構造の可動電極となっている。このよう
に空気を絶縁膜としたMIS(Metal Insulator Sem
iconductor) 型トランジスタを構成している。
In FIG. 4A, a diffusion layer 15 having conductivity opposite to that of the semiconductor substrate 150 is provided on the surface of the semiconductor substrate 150.
1, 152 are formed. An electrode 153 is arranged above the semiconductor substrate 150 between the diffusion layer 151 and the diffusion layer 152 at a predetermined interval. This electrode 153 is a movable electrode having a beam structure. As described above, MIS (Metal Insulator Sem) using air as an insulating film.
(iconductor) type transistor.

【0013】そして、電極153に適当な電圧を加える
ことにより、電極153の直下に反転層154が形成さ
れ、拡散層151と拡散層152とは導通し、電極15
3と半導体基板150との間の静電容量に比例した電流
が流れる。
When an appropriate voltage is applied to the electrode 153, an inversion layer 154 is formed immediately below the electrode 153, and the diffusion layer 151 and the diffusion layer 152 conduct.
An electric current proportional to the capacitance between the semiconductor substrate 3 and the semiconductor substrate 150 flows.

【0014】今、半導体基板150と垂直なX軸方向に
加速度が加わると、電極153は基板面に対して垂直方
向に変位し、電極153と基板面との距離が変化する。
これにより、静電容量が変化して反転層154に流れる
電流量が変化するため、この電流量の変化に比例した加
速度を測定できる。
Now, when acceleration is applied in the X-axis direction perpendicular to the semiconductor substrate 150, the electrode 153 is displaced in the direction perpendicular to the substrate surface, and the distance between the electrode 153 and the substrate surface changes.
As a result, the capacitance changes and the amount of current flowing through the inversion layer 154 changes, so that an acceleration proportional to the change in the amount of current can be measured.

【0015】また、図4(b)において、MOSトラン
ジスタを2個用いて1組の差動増幅回路を構成した場
合、X軸方向の加速度は、2個のMOSトランジスタ1
60,161の両方に対して同じように作用するため、
MOSトランジスタ160,161を流れる電流に差は
生じない。しかし、Z軸方向の変位に対して、MOSト
ランジスタ160の重なり幅WaとMOSトランジスタ
161の重なり幅Wbとは、一方が増加すれば他方は減
少するという関係にある。これにより、2個のMOSト
ランジスタ160,161を流れる電流も、重なり幅W
a,Wbに対応して変化するため、Z軸方向の加速度の
みを検出することができる。
In FIG. 4B, when a set of differential amplifier circuits is formed by using two MOS transistors, the acceleration in the X-axis direction becomes two MOS transistors 1
To work the same for both 60 and 161
No difference occurs between the currents flowing through MOS transistors 160 and 161. However, with respect to the displacement in the Z-axis direction, the overlap width Wa of the MOS transistor 160 and the overlap width Wb of the MOS transistor 161 have a relationship that if one increases, the other decreases. Accordingly, the current flowing through the two MOS transistors 160 and 161 also has the overlap width W.
Since it changes according to a and Wb, only the acceleration in the Z-axis direction can be detected.

【0016】一方、圧力センサや加速度センサを用いる
各種システムでは、センサの小型化、低消費電力化がす
すみ、最近では、センサ本体にとどまらず、周辺回路ま
でセンサ基板に搭載したモジュールが出現している。さ
らに、この種のモジュールのコンピュータ等への接続を
考慮して、直接デジタル出力が得られるA/D変換機能
付きのセンサも開発されている。この種のセンサを搭載
するA/D変換回路として、論理しきい値の異なる複数
のCMOSインバータを並列接続した簡易型A/D変換
回路も提案されている。
On the other hand, in various systems using a pressure sensor or an acceleration sensor, the size and power consumption of the sensor have been reduced, and recently, not only a sensor main body but also a module mounted on a sensor substrate to a peripheral circuit has emerged. I have. Further, in consideration of connection of such a module to a computer or the like, a sensor having an A / D conversion function capable of directly obtaining a digital output has been developed. As an A / D conversion circuit equipped with such a sensor, a simplified A / D conversion circuit in which a plurality of CMOS inverters having different logic thresholds are connected in parallel has been proposed.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】上記図1の第1の従来
例では、可撓部108上にピエゾ抵抗素子として半導体
拡散抵抗層を形成し、4個のピエゾ抵抗素子を1組とし
てブリッジ回路を構成し、ピエゾ抵抗効果を利用して加
速度を測定している。
In the first conventional example shown in FIG. 1, a semiconductor diffusion resistance layer is formed as a piezoresistive element on a flexible portion 108, and a bridge circuit is formed by forming a set of four piezoresistive elements. And the acceleration is measured using the piezoresistance effect.

【0018】しかし、半導体拡散抵抗層を用いた構造の
場合、ブリッジ回路の動作点電圧の製造上のばらつきを
調整する機能はなく、オフセット電圧を十分に小さくす
ることができない。従って、製造上のばらつきによるオ
フセット電圧を補償するための補償回路が必要となり、
製造コストが増大する。
However, in the case of the structure using the semiconductor diffusion resistance layer, there is no function of adjusting the manufacturing variation of the operating point voltage of the bridge circuit, and the offset voltage cannot be sufficiently reduced. Therefore, a compensation circuit for compensating the offset voltage due to manufacturing variations is required,
Manufacturing costs increase.

【0019】また、そのようなブリッジ回路を用いた構
成では、検出した信号を増幅する増幅機能がないため、
出力信号レベルが小さい。特に、加速度センサでは、出
力信号レベルが小さく検出感度が悪いため、その小さな
出力信号を増幅する増幅回路の負担が大きくなり、消費
電力も大きくなる。
In the configuration using such a bridge circuit, there is no amplification function for amplifying the detected signal.
Output signal level is low. Particularly, in the acceleration sensor, since the output signal level is small and the detection sensitivity is low, the load on the amplifier circuit for amplifying the small output signal increases, and the power consumption also increases.

【0020】しかも、そのようなブリッジ回路を用いて
加速度を測定する場合、応力が加わる自軸方向以外の他
軸方向の検出成分に対して、他軸方向の検出感度を調整
する機能はなく、測定精度の点で問題がある。
In addition, when acceleration is measured using such a bridge circuit, there is no function of adjusting the detection sensitivity in the other axis direction with respect to the detection component in the other axis direction other than the own axis direction to which the stress is applied. There is a problem in measurement accuracy.

【0021】また、図4に示す第2の従来例の場合、電
極153の直下は空気を絶縁膜とした静電容量型の構造
とされ、静電容量変化に比例した電流検出を行うことに
よって、加速度を測定している。
Further, in the case of the second conventional example shown in FIG. 4, a structure immediately below the electrode 153 is of a capacitance type using air as an insulating film, and a current is detected in proportion to a change in capacitance. , Measuring acceleration.

【0022】しかし、そのような静電容量型の加速度セ
ンサは、ピエゾ抵抗素子を用いて構成されておらず、ま
た、周知のCMOSのLSI製造技術をそのまま利用し
て製造することができない。その結果、製造工程が複雑
化し、製造コストを抑えて安価なセンサを作製すること
ができないという問題がある。
However, such a capacitance type acceleration sensor is not configured using a piezoresistive element, and cannot be manufactured by using a well-known CMOS LSI manufacturing technology as it is. As a result, the manufacturing process becomes complicated, and there is a problem that an inexpensive sensor cannot be manufactured while suppressing the manufacturing cost.

【0023】また、2つの入力トランジスタのゲート電
極が共通であるため、差動回路のオフセット電圧を回路
上補償することが不可能である。
Further, since the gate electrodes of the two input transistors are common, it is impossible to compensate the offset voltage of the differential circuit on the circuit.

【0024】さらに、3軸方向の加速度成分を検出する
加速度センサにおいては、オフセット電圧の補償と、3
軸方向全てのSN比の向上とを同時に行うことができな
いという問題がある。
Further, in an acceleration sensor for detecting acceleration components in three axial directions, compensation of offset voltage,
There is a problem that it is not possible to simultaneously improve the SN ratio in all axial directions.

【0025】そこで、本発明の第1の目的は、製造条件
のばらつきに関係なく、オフセットおよびオフセットド
リフトの影響をなくし、回路構成が簡単で、安価な集積
化加速度センサを提供することにある。
Therefore, a first object of the present invention is to provide an inexpensive integrated acceleration sensor having a simple circuit configuration, eliminating the effects of offset and offset drift, regardless of the variation in manufacturing conditions.

【0026】また、本発明の第2の目的は、センサ感度
の温度補償を行うことが可能な集積化加速度センサを提
供することにある。
A second object of the present invention is to provide an integrated acceleration sensor capable of performing temperature compensation of sensor sensitivity.

【0027】また、本発明の第3の目的は、低周波ノイ
ズの影響をなくし、センサ感度に優れた集積化加速度セ
ンサを提供することにある。
It is a third object of the present invention to provide an integrated acceleration sensor which eliminates the influence of low frequency noise and has excellent sensor sensitivity.

【0028】また、本発明の第4の目的は、検出感度を
高めると共に、他軸感度を抑制することにより、測定精
度を向上させることが可能な集積化加速度センサを提供
することにある。
A fourth object of the present invention is to provide an integrated acceleration sensor capable of improving the detection accuracy and suppressing the sensitivity to other axes, thereby improving the measurement accuracy.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】本発明は、固定された支
持体と、可動自在とされた重り部と、前記支持体と前記
重り部とを接続した肉厚の薄い梁とを有し、応力による
前記梁のたわみを利用して加速度を測定する集積化加速
度センサであって、前記梁の応力集中部に配設され、該
梁に加わる応力を検出する複数個のひずみ検出素子と、
前記支持体に配設された第1および第2の増幅回路を有
し、前記複数個のひずみ検出素子により出力された出力
値に対して、応力が加わる自軸方向成分に対しては差動
モードとして検出し、かつ、他軸方向成分に対しては同
相モードとして検出する差動増幅回路と、前記第1およ
び第2の増幅回路の各出力信号に応答して当該第1およ
び第2の増幅回路の各々におけるオフセットの補償を行
うためのオフセット補償信号を作成し、当該オフセット
補償信号を当該第1および第2の増幅回路の各対応する
入力側に帰還するオフセット補償手段とを具えることに
よって、集積化加速度センサを構成する。
The present invention comprises a fixed support, a movable weight portion, and a thin beam connecting the support and the weight portion, An integrated acceleration sensor that measures acceleration by using deflection of the beam due to stress, and is disposed at a stress concentration portion of the beam, and includes a plurality of strain detection elements that detect a stress applied to the beam,
A first amplifier circuit provided on the support, and a differential amplifier for output components output from the plurality of strain detecting elements with respect to an axial component to which stress is applied; A differential amplifier circuit that detects the signal as a mode and detects the other axis direction component as an in-phase mode, and the first and second amplifiers in response to respective output signals of the first and second amplifier circuits. Offset compensating means for generating an offset compensation signal for compensating for an offset in each of the amplifier circuits, and feeding the offset compensation signal back to the corresponding input sides of the first and second amplifier circuits. Thus, an integrated acceleration sensor is configured.

【0030】ここで、前記オフセット補償手段により作
成した前記オフセット補償信号を、前記第1および第2
の増幅回路の各々の入力端子に入力することができる。
Here, the offset compensation signal generated by the offset compensating means is transmitted to the first and second offset compensation signals.
Can be input to each input terminal of the amplifier circuit.

【0031】前記帰還処理の施された前記第1および第
2の増幅回路の各出力信号に対して、温度の補償を行う
ための温度補償信号を作成する温度補償手段をさらに具
えることができる。
A temperature compensating means for generating a temperature compensating signal for compensating for the temperature of each output signal of the first and second amplifying circuits subjected to the feedback processing can be further provided. .

【0032】前記温度補償手段により作成した前記温度
補償信号を、前記第1および第2の増幅回路の各電流源
の制御端子に入力することができる。
The temperature compensation signal generated by the temperature compensation means can be input to control terminals of respective current sources of the first and second amplifier circuits.

【0033】前記第1および第2の増幅回路は、クロッ
クに同期して動作状態が切り替えられるスイッチ素子を
さらに具えることができる。
The first and second amplifier circuits may further include a switch element whose operation state is switched in synchronization with a clock.

【0034】前記ひずみ検出素子は、MOS型トランジ
スタにより構成することができる。
The strain detecting element can be constituted by a MOS transistor.

【0035】[0035]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0036】本発明の第1の実施の形態を、図5〜図1
4に基づいて説明する。
FIGS. 5 to 1 show the first embodiment of the present invention.
4 will be described.

【0037】まず、加速度センサの構造を、図5〜図9
に基づいて説明する。
First, the structure of the acceleration sensor is shown in FIGS.
It will be described based on.

【0038】図5において、中央部には支持体1が設け
られ、この支持体1の周辺部には重り部2が設けられて
いる。支持体1と重り部2とは、肉厚の薄い厚さ10μ
m程度の梁3により接続されている。梁3は、X軸およ
びY軸の方向に沿って形成されている。支持体1の下部
にはガラス(SiO2 を主成分とする)からなる台座5
が接合されている。
In FIG. 5, a support 1 is provided at the center, and a weight 2 is provided at the periphery of the support 1. The support 1 and the weight 2 have a small thickness of 10 μm.
They are connected by beams 3 of about m. The beam 3 is formed along the directions of the X axis and the Y axis. A pedestal 5 made of glass (mainly composed of SiO 2 ) is provided under the support 1.
Are joined.

【0039】梁3の応力集中部には、ひずみ検出素子4
11〜414,421〜424,431〜434が合計
12個設けられている。これらひずみ検出素子411〜
434は、各々pチャンネル型MOSFET(以下、p
MOSトランジスタという)によって構成されている。
この場合、pMOSトランジスタ411〜434を、p
型反転層として形成することによってひずみ検出を行
う。
At the stress concentration portion of the beam 3, a strain detecting element 4
11 to 414, 421 to 424, 431 to 434 are provided in total. These strain detecting elements 411-
Reference numerals 434 denote p-channel MOSFETs (hereinafter, p-channel MOSFETs).
MOS transistors).
In this case, the pMOS transistors 411 to 434 are
Strain detection is performed by forming it as a mold inversion layer.

【0040】支持体1内には、信号処理部500が設け
られている。この信号処理部500は、pMOSトラン
ジスタ411〜434に電気接続された差動増幅回路5
10や、制御部600を備えている。この差動増幅回路
510は、図7の増幅部520が2個1組を1軸方向成
分として構成される。なお、この信号処理部500は、
信号処理用のCMOS集積回路として構成されている。
A signal processing section 500 is provided in the support 1. The signal processing unit 500 includes a differential amplifier circuit 5 electrically connected to the pMOS transistors 411 to 434.
10 and a control unit 600. This differential amplifier circuit 510 is configured such that a set of two amplifying units 520 in FIG. Note that this signal processing unit 500
It is configured as a CMOS integrated circuit for signal processing.

【0041】支持体1と、重り部2と、梁3とは、結晶
面(100)のシリコン単結晶基板を用いて構成されて
いる。梁3は、支持体1と重り部2との間で、結晶軸<
011>に平行な方向に接続されている。
The support 1, the weight 2, and the beam 3 are formed using a silicon single crystal substrate having a crystal plane (100). Beam 3 has a crystal axis <between support 1 and weight 2.
011>.

【0042】図6において、X軸方向の梁3の応力集中
部となる端部には、X軸方向の応力を検出するためのp
MOSトランジスタ411〜414が設けられている。
この場合、pMOSトランジスタ411,412は重り
部2との境界付近の端部に配置され、pMOSトランジ
スタ413,414は支持体2との境界付近の端部に配
置されている。
In FIG. 6, the end of the beam 3 in the X-axis direction which is the stress concentration portion has a p for detecting the stress in the X-axis direction.
MOS transistors 411 to 414 are provided.
In this case, the pMOS transistors 411 and 412 are arranged at the ends near the boundary with the weight 2, and the pMOS transistors 413 and 414 are arranged at the ends near the boundary with the support 2.

【0043】Y軸方向の梁3の応力集中部となる端部に
は、Y軸方向の応力を検出するためのpMOSトランジ
スタ421〜424が設けられている。この場合、pM
OSトランジスタ421,422は重り部2との境界付
近の端部に配置され、pMOSトランジスタ423,4
24は支持体2との境界付近の端部に配置されている。
PMOS transistors 421 to 424 for detecting stress in the Y-axis direction are provided at the ends of the beam 3 in the Y-axis direction which are the stress concentration portions. In this case, pM
The OS transistors 421 and 422 are arranged at the ends near the boundary with the weight 2 and the pMOS transistors 423 and 4
Reference numeral 24 is disposed at an end near the boundary with the support 2.

【0044】X軸、Y軸方向の梁3の応力集中部となる
端部には、Z軸方向の応力を検出するためのpMOSト
ランジスタ431〜434が設けられている。この場
合、pMOSトランジスタ431はX軸方向に配置され
たpMOSトランジスタ414と同じ位置に配置され、
pMOSトランジスタ432はX軸方向に配置されたp
MOSトランジスタ411と同じ位置に配置されてい
る。pMOSトランジスタ433はY軸方向に配置され
たpMOSトランジスタ422と同じ位置に配置され、
pMOSトランジスタ434はY軸方向に配置されたp
MOSトランジスタ423と同じ位置に配置されてい
る。
PMOS transistors 431 to 434 for detecting stress in the Z-axis direction are provided at the ends of the beam 3 in the X-axis and Y-axis directions which are the stress concentration portions. In this case, the pMOS transistor 431 is arranged at the same position as the pMOS transistor 414 arranged in the X-axis direction,
The pMOS transistor 432 is a pMOS transistor 432 arranged in the X-axis direction.
It is arranged at the same position as the MOS transistor 411. The pMOS transistor 433 is arranged at the same position as the pMOS transistor 422 arranged in the Y-axis direction.
The pMOS transistor 434 is a pMOS transistor 434 arranged in the Y-axis direction.
It is arranged at the same position as the MOS transistor 423.

【0045】次に、p型反転層のピエゾ抵抗効果、およ
び、シリコン単結晶基板の結晶面(100)、結晶軸<
011>の効果について説明する。
Next, the piezoresistance effect of the p-type inversion layer, the crystal plane (100) of the silicon single crystal substrate, and the crystal axis <
011> will be described.

【0046】シリコン表面の垂直電界により発生する反
転層中においても、バルクシリコンと同様に、ピエゾ抵
抗効果が発生することが知られている。p型反転層にお
けるピエゾ抵抗係数(π11,π12)は、バルクp型シリ
コンのピエゾ抵抗係数と大きく異なるが、支配的となる
ピエゾ抵抗係数(π44)はバルクp型シリコンとほぼ同
等の値をもつ。従って、反転層を梁上の応力集中部に形
成し、従来の拡散抵抗によるピエゾ抵抗と置き換えるこ
とは十分可能であり、特に、CMOSのLSI製造技術
を用いて周辺回路を同時に集積するような場合には、従
来の製造プロセスを全く変更せずに検出素子を形成する
ことができるため、極めて有効な手法である。また、反
転層のピエゾ抵抗係数は垂直電界依存性をもつことも知
られており、ゲート電圧でピエゾ抵抗効果を制御できる
利点がある。
It is known that a piezoresistive effect also occurs in an inversion layer generated by a vertical electric field on the silicon surface, similarly to bulk silicon. The piezoresistance coefficients (π11, π12) in the p-type inversion layer are significantly different from the piezoresistance coefficients of bulk p-type silicon, but the dominant piezoresistance coefficient (π44) has almost the same value as bulk p-type silicon. . Accordingly, it is sufficiently possible to form the inversion layer at the stress concentration portion on the beam and replace it with the conventional piezoresistor by the diffusion resistance. In particular, when the peripheral circuits are simultaneously integrated by using the CMOS LSI manufacturing technology. Is a very effective method because the detection element can be formed without changing the conventional manufacturing process at all. It is also known that the piezoresistance coefficient of the inversion layer has a vertical electric field dependency, and there is an advantage that the piezoresistance effect can be controlled by the gate voltage.

【0047】一般的に、機械的な応力を半導体素子に加
えることによって、キャリアの移動度が変化する。MO
SFETの場合、そのキャリアの移動度はドレイン電流
と比例関係にあることから、機械的な応力により半導体
素子に生じるひずみと、ドレイン電流との関係を、ピエ
ゾ抵抗係数として定義することができる。
Generally, the mobility of carriers changes by applying a mechanical stress to a semiconductor element. MO
In the case of the SFET, since the mobility of the carrier is proportional to the drain current, the relationship between the strain generated in the semiconductor element due to mechanical stress and the drain current can be defined as a piezoresistance coefficient.

【0048】ここで、pMOSトランジスタのひずみε
とドレイン電流Id との関係について説明する。なお、
πl は、電流の流れる方向と平行な方向に応力を加えた
ときのピエゾ抵抗係数とする。πt は、電流の流れる方
向に直交する方向に応力を加えたときのピエゾ抵抗係数
とする。
Here, the strain ε of the pMOS transistor
And the relationship between the drain current Id will be described. In addition,
πl is the piezoresistance coefficient when stress is applied in a direction parallel to the direction in which the current flows. πt is a piezoresistance coefficient when stress is applied in a direction perpendicular to the direction in which current flows.

【0049】結晶面(100)、結晶軸<011>のと
きのピエゾ抵抗係数πl ,πt 、および、結晶面(10
0)、結晶軸<0- 11>のときのピエゾ抵抗係数πl
,πt が、ひずみεに対するドレイン電流Id の変化
特性が良い。従って、本例では、図6に示すように、結
晶面(100)の基板を用いて、pMOSトランジスタ
411〜434が形成された梁3を、結晶軸<011>
又は結晶軸<0- 11>に平行な方向に形成する。これ
により、各軸方向の加速度に対して、ドレイン電流Id
の変化すなわち差動増幅器510の出力電圧の検出精度
を良好なものとすることができる。
The crystal plane (100), the piezoresistance coefficients πl and πt at the crystal axis <011>, and the crystal plane (10
0) crystal axis <0 - 11> piezoresistance coefficient πl when the
, Πt have good change characteristics of the drain current Id with respect to the strain ε. Therefore, in this example, as shown in FIG. 6, the beam 3 on which the pMOS transistors 411 to 434 are formed is formed by using the substrate having the crystal plane (100) and the crystal axis <011>.
Or crystal axis <0 - 11> formed in a direction parallel to. As a result, the drain current Id
, That is, the detection accuracy of the output voltage of the differential amplifier 510 can be improved.

【0050】次に、加速度センサの差動増幅回路510
を構成する増幅部(以下、アンプという)520の回路
構成を、図7に基づいて説明する。
Next, the differential amplifier circuit 510 of the acceleration sensor
Will be described with reference to FIG. 7.

【0051】アンプ520内において、411,412
は、前記図6のX軸上の梁3の応力集中部に設けられた
p型反転層を形成するpMOSトランジスタ(ひずみ検
出素子)である。
In the amplifier 520, 411, 412
Is a pMOS transistor (strain detecting element) that forms a p-type inversion layer provided at the stress concentration portion of the beam 3 on the X axis in FIG.

【0052】pMOSトランジスタ411のゲートには
スイッチ350が接続され、そのソース,ドレインには
スイッチ352,354が接続されている。同様に、p
MOSトランジスタ412のゲートにはスイッチ351
が接続され、そのソース,ドレインにはスイッチ35
3,355が接続されている。また、これらスイッチ3
50〜355に代わって、スイッチ360〜365が接
続されるようなスイッチ切り替え構造となっている。そ
して、これらスイッチ350〜355、又は、スイッチ
360〜365を介して、pMOSトランジスタ41
1,412にバイアス電流Ioが供給される。371,
372は、ダミースイッチである。
A switch 350 is connected to the gate of the pMOS transistor 411, and switches 352 and 354 are connected to its source and drain. Similarly, p
The switch 351 is connected to the gate of the MOS transistor 412.
Is connected, and a switch 35 is connected to its source and drain.
3,355 are connected. In addition, these switches 3
A switch switching structure in which switches 360 to 365 are connected instead of 50 to 355 is provided. Then, the pMOS transistor 41 is connected via the switches 350 to 355 or the switches 360 to 365.
1, 412 is supplied with a bias current Io. 371
372 is a dummy switch.

【0053】301〜308はpMOSトランジスタで
あり、310〜315はnMOSトランジスタである。
316はpMOSトランジスタであり、317はnMO
Sトランジスタである。また、320はnMOSトラン
ジスタである。なお、pMOSトランジスタ411,4
12以外の全ての回路素子は、支持体1内に形成されて
いる。VGSCCは、nMOSトランジスタ320のゲート
に印加される電流制御用のゲート電圧である。
Reference numerals 301 to 308 denote pMOS transistors, and reference numerals 310 to 315 denote nMOS transistors.
316 is a pMOS transistor, and 317 is an nMO
It is an S transistor. Reference numeral 320 denotes an nMOS transistor. The pMOS transistors 411, 4
All circuit elements other than 12 are formed in the support 1. V GSCC is a gate voltage for current control applied to the gate of the nMOS transistor 320.

【0054】301,307,320の各MOSトラン
ジスタにより、バイアス発生回路を構成する。301は
バイアス発生用トランジスタ、307はレベルシフタト
ランジスタ、320は電流制御用トランジスタである。
A bias generating circuit is constituted by the MOS transistors 301, 307 and 320. Reference numeral 301 denotes a bias generation transistor; 307, a level shifter transistor; and 320, a current control transistor.

【0055】302,308,310,311は、カス
ケードトランジスタ用のバイアス発生回路である。31
0のゲート電圧が、カスケードトランジスタ312,3
14のゲートをバイアスする。302は303と同一電
流をバイアス段へ供給するトランジスタ、308はひず
み検出素子411,412のダミートランジスタであ
る。310,311は、312と314,313と31
5のダミートランジスタである。
Reference numerals 302, 308, 310, and 311 denote bias generation circuits for cascade transistors. 31
0 is applied to the cascade transistors 312 and 3
14 gates are biased. 302 is a transistor for supplying the same current as 303 to the bias stage, and 308 is a dummy transistor of the strain detecting elements 411 and 412. 310, 311 are 312 and 314, 313 and 31
5 dummy transistors.

【0056】303,411,412,312,31
4,313,315は、差動アンプの入力段である。3
03は電流源である。312,314はカスケードゲー
ト接地アンプ素子である。313,315は負荷カレン
トミラー回路である。
303, 411, 412, 312, 31
4,313,315 are input stages of the differential amplifier. 3
03 is a current source. 312 and 314 are cascade gate grounded amplifier elements. 313 and 315 are load current mirror circuits.

【0057】304,316は、レベルシフタ(pMO
Sソースフォロワ)を構成し、後段のB級アンプをAB
級としてバイアスする。また、305,317は、出力
段のAB級アンプである。
304 and 316 are level shifters (pMO
S source follower) and the subsequent class B amplifier is AB
Bias as class. Reference numerals 305 and 317 denote class AB amplifiers at the output stage.

【0058】このような図7に示すアンプ520は、X
軸の2個のpMOSトランジスタ411,412によっ
て構成されているものであり、X軸の他の2個のpMO
Sトランジスタ413,414についても同様な回路構
成とすることにより、2個のアンプ520を1組とした
X軸成分検出用の差動増幅回路510が構成される。同
様にして、Y軸,Z軸についても、それぞれ2個のアン
プ520を1組として構成することにより、Y軸,Z軸
成分検出用の各差動増幅回路510を構成することがで
きる。
The amplifier 520 shown in FIG.
It is composed of two pMOS transistors 411 and 412 on the axis, and the other two pMO transistors on the X axis.
The S-transistors 413 and 414 have the same circuit configuration, so that the differential amplifier circuit 510 for detecting the X-axis component is configured by using two amplifiers 520 as one set. Similarly, the differential amplifier circuits 510 for detecting the Y-axis and Z-axis components can be configured by configuring the two amplifiers 520 as one set for each of the Y-axis and the Z-axis.

【0059】そして、3軸成分検出用の差動増幅回路を
構成する場合には、図7に示すアンプ520を2個1組
として、図6に示すセンサチップの支持体1内に3組形
成することによって構成することができる。この場合、
梁3上にpMOSトランジスタ411〜434を配置す
ることによって、X,Y,Z軸の各方向に加速度が加わ
った場合、1組(1軸方向成分)の出力電圧Voは、自
軸方向の加速度成分に対しては差動モードの信号として
出力され、他軸方向の加速度成分に対しては同相モード
の信号として出力される。従って、加速度を、自軸成分
に対しては高い検出感度で検出し、他軸成分に対しては
低い検出感度で検出することができる。
When a differential amplifier circuit for detecting three-axis components is formed, three sets of amplifiers 520 shown in FIG. 7 are formed in the support 1 of the sensor chip shown in FIG. Can be configured. in this case,
When acceleration is applied in each of the X, Y, and Z axes by arranging the pMOS transistors 411 to 434 on the beam 3, one set (one-axis component) of the output voltage Vo becomes the acceleration in the own axis direction. The component is output as a differential mode signal, and the acceleration component in the other axis direction is output as a common mode signal. Therefore, the acceleration can be detected with a high detection sensitivity for the own axis component and a low detection sensitivity for the other axis components.

【0060】また、図7において、アンプ520の−入
力端子n1には電圧Vin(後述するオフセット電圧に相
当する)が入力され、+入力端子n2はアース接続され
ている。また、出力端子n3にはアンプ520の出力電
圧Voが現れる。このアンプ520の入出力間に抵抗r
1,r2を接続することにより、反転増幅器530を構
成することができる。この反転増幅器530は、2個を
1組として構成することによって、X軸,Y軸,Z軸の
各1軸成分検出用として用いることができる。
In FIG. 7, a voltage Vin (corresponding to an offset voltage described later) is input to a negative input terminal n1 of the amplifier 520, and a positive input terminal n2 is grounded. The output voltage Vo of the amplifier 520 appears at the output terminal n3. The resistance r between the input and output of the amplifier 520
By connecting 1 and r2, an inverting amplifier 530 can be configured. The inverting amplifier 530 can be used for detecting one axis component of each of the X axis, the Y axis, and the Z axis by configuring two as one set.

【0061】次に、前記図7のアンプ520(2個1組
が1軸方向成分に相当する)を用いて構成される差動増
幅回路510の動作原理を、図8に基づいて説明する。
Next, the operation principle of the differential amplifier circuit 510 constituted by using the amplifier 520 of FIG. 7 (a set of two amplifiers corresponds to one axial component) will be described with reference to FIG.

【0062】図8は、本センサで用いる応力−電気信号
変換回路の基本構成を示す。図7のアンプ520は閉ル
ープ増幅器として構成したのに対して、図8では開ルー
プ増幅器として構成した場合の例である。この図8の回
路が2個1組として構成されることにより、1軸方向成
分の差動増幅回路510が構成される。
FIG. 8 shows a basic configuration of a stress-electric signal conversion circuit used in the present sensor. FIG. 8 shows an example in which the amplifier 520 in FIG. 7 is configured as a closed loop amplifier, whereas the amplifier 520 is configured as an open loop amplifier. When the circuit of FIG. 8 is configured as a set of two, a differential amplifier circuit 510 of a one-axis direction component is configured.

【0063】411,412は、図7のアンプ520の
pMOSトランジスタに対応する。従って、1軸方向成
分として構成する場合は、さらに、pMOSトランジス
タ413,414を用いた同様な回路を付加する。
Reference numerals 411 and 412 correspond to the pMOS transistors of the amplifier 520 shown in FIG. Therefore, when the components are configured as uniaxial components, similar circuits using the pMOS transistors 413 and 414 are further added.

【0064】Vd は、pMOSトランジスタ411,4
12により生じる出力オフセットをなくすために印加さ
れる補正電圧の働きをするゲート差動電圧である。Vcm
b は、pMOSトランジスタ411,412に、p型反
転層を形成するための同相ゲートバイアス電圧を設定す
る電源である。この場合、同相ゲートバイアス電圧Vcm
b は、p型反転層への垂直電界を変化させ、同時に、増
幅器の動作点も変化させるので、ピエゾ抵抗係数πや回
路パラメータ等が変わり、全体としてセンサ感度を変化
させる。
Vd is the pMOS transistors 411, 4
12 is a gate differential voltage that acts as a correction voltage applied to eliminate the output offset caused by T.12. Vcm
b is a power supply for setting a common-mode gate bias voltage for forming p-type inversion layers in the pMOS transistors 411 and 412. In this case, the common mode gate bias voltage Vcm
Since b changes the vertical electric field to the p-type inversion layer and at the same time changes the operating point of the amplifier, the piezoresistance coefficient π, circuit parameters, and the like change, thereby changing the sensor sensitivity as a whole.

【0065】以下、図8に示す回路の動作原理について
説明する。
The principle of operation of the circuit shown in FIG. 8 will be described below.

【0066】本等価回路では、応力σin1 による伝導度
の変調を考慮して、電流源gmmσin1 を新たに設け
る。この場合、電流源gmmσin1 が応力によって制御
されていることから、pMOSトランジスタ411の応
力に対する機械的トランスコンダクタンスgmmを比例
定数としている。
In the present equivalent circuit, a current source gmmσin1 is newly provided in consideration of the modulation of conductivity due to the stress σin1. In this case, since the current source gmmσin1 is controlled by the stress, the mechanical transconductance gmm with respect to the stress of the pMOS transistor 411 is set as a proportional constant.

【0067】一方、通常のMOSFETの小信号等価回
路では、電流源はgmと入力電圧との積で表わされる。
本回路では、応力σin1 の入力によりpMOSトランジ
スタ411のソース電位vが変化し、ゲートソース間電
圧Vgsを変化させるので、電流源をgmvとして表わ
す。
On the other hand, in a small signal equivalent circuit of a normal MOSFET, a current source is represented by a product of gm and an input voltage.
In this circuit, the input of the stress σin1 changes the source potential v of the pMOS transistor 411 and changes the gate-source voltage Vgs, so the current source is expressed as gmv.

【0068】従って、ドレイン電流id1としては、通常
の電流源gmvと、応力による電流源gmmσin1 との
和として表わすことができる。
Therefore, the drain current id1 can be expressed as the sum of the normal current source gmv and the current source gmmσin1 due to stress.

【0069】同様に、pMOSトランジスタ412の場
合には、ドレイン電流id2として、電流源gmvと、電
流源gmmσin2 との和として表わすことができる。
Similarly, in the case of the pMOS transistor 412, the drain current id2 can be expressed as the sum of the current source gmv and the current source gmmσin2.

【0070】また、nMOSトランジスタ313を流れ
るドレイン電流をid3とし、nMOSトランジスタ31
5を流れるドレイン電流をid4とする。これらnMOS
トランジスタ313,315の電流源をgmlv2とし
て表わす。なお、pMOSトランジスタ411,412
の基板効果は無視するものとする。
The drain current flowing through the nMOS transistor 313 is represented by id3, and the nMOS transistor 31
The drain current flowing through 5 is id4. These nMOS
The current sources of transistors 313 and 315 are represented as gmlv2. The pMOS transistors 411 and 412
Substrate effect is ignored.

【0071】そして、pMOSトランジスタ411,4
12と、nMOSトランジスタ313,315との全て
が飽和領域であるとすると、pMOSトランジスタ41
1,412のドレイン電流id1,id2の変化は、応力σ
in1 ,σin2 による変化分と、ソース電圧vによる変化
分との和となり、下記の式(1)(2)で表わされる。
Then, the pMOS transistors 411, 4
12 and the nMOS transistors 313 and 315 are all in the saturation region, the pMOS transistor 41
The change of the drain currents id1 and id2 at 1,412 corresponds to the stress σ
It is the sum of the change due to in1 and σin2 and the change due to the source voltage v, and is expressed by the following equations (1) and (2).

【0072】[0072]

【数1】 (Equation 1)

【0073】[0073]

【数2】 (Equation 2)

【0074】また、電流源が理想的であるとすると、式
(3)が成り立つ。
If the current source is ideal, equation (3) holds.

【0075】[0075]

【数3】 (Equation 3)

【0076】式(1)〜(3)を、ドレイン電流id1,
id2について解くと、式(4)で表わされる。
Equations (1) to (3) are converted to the drain current id1,
Solving for id2 is represented by equation (4).

【0077】[0077]

【数4】 (Equation 4)

【0078】pMOSトランジスタ411の電流変化
は、低インピーダンスのnMOSトランジスタ313の
ドレイン電流の変化と等しく、カレントミラーを構成し
ているnMOSトランジスタ315にも電流変化を与え
る。各電流の関係は、式(5)となる。
The change in the current of the pMOS transistor 411 is equal to the change in the drain current of the low-impedance nMOS transistor 313, and also gives the current change to the nMOS transistor 315 forming the current mirror. The relationship between the currents is given by equation (5).

【0079】[0079]

【数5】 (Equation 5)

【0080】そして、出力端子350に流れ込む電流
は、式(6)で表わされる。
The current flowing into the output terminal 350 is represented by the following equation (6).

【0081】[0081]

【数6】 (Equation 6)

【0082】出力端子350には、pMOSトランジス
タ412と、nMOSトランジスタ315とのドレイン
コンダクタンスが負荷になっているので、差動増幅器の
出力電圧は、
Since the output terminal 350 is loaded with the drain conductance of the pMOS transistor 412 and the nMOS transistor 315, the output voltage of the differential amplifier is

【0083】[0083]

【数7】 (Equation 7)

【0084】となる。これにより、pMOSトランジス
タ305、nMOSトランジスタ317より形成したソ
ースフォロワにこの電圧を入力すれば、電圧利得1倍で
あるので、低出力インピーダンスの出力端子に同じ電圧
を得られる。応力σin1 ,σin2 の差動信号(=σin1
−σin2 )に比例した出力電圧Vout を得られる。
Is obtained. Accordingly, if this voltage is input to the source follower formed by the pMOS transistor 305 and the nMOS transistor 317, the same voltage can be obtained at the output terminal with low output impedance because the voltage gain is one time. Differential signal of stress σin1 and σin2 (= σin1
−σin2), and an output voltage Vout proportional to (−in2) can be obtained.

【0085】ここで、応力σに対する機械的トランスコ
ンダクタンスgmmについて考える。
Here, the mechanical transconductance gmm with respect to the stress σ will be considered.

【0086】πとσとを各々電流の方向を考慮した場合
の反転層のピエゾ抵抗係数、反転層に加わる応力である
とし、移動度以外の応力による変化を無視できるとする
と、飽和領域で動作しているpMOSトランジスタ41
1,412のドレイン電流ID (=id1,id2)は、式
(8)のように表わされる。IDoは、応力入力がゼロの
場合のドレイン電流である。
It is assumed that π and σ are the piezoresistance coefficient of the inversion layer and the stress applied to the inversion layer when the direction of the current is taken into consideration, and that the change due to stress other than the mobility can be ignored. PMOS transistor 41
The drain currents ID (= id1, id2) of 1,412 are expressed as in equation (8). IDo is the drain current when the stress input is zero.

【0087】[0087]

【数8】 (Equation 8)

【0088】ただし、μnは応力がない状態でのMOS
FETのキャリア移動度、CoxはMOSFETのゲート
容量、Wはゲート幅、Lはゲート長、VT は閾値電圧で
ある。
Here, μn denotes the MOS without stress.
The carrier mobility of the FET, Cox is the gate capacitance of the MOSFET, W is the gate width, L is the gate length, and VT is the threshold voltage.

【0089】従って、pMOSトランジスタ411,4
12のgmmは、
Therefore, the pMOS transistors 411, 4
The gmm of 12 is

【0090】[0090]

【数9】 (Equation 9)

【0091】となる。これにより、gmmは、ドレイン
電流と、ピエゾ抵抗係数とに比例する。そして、式7か
ら、差動信号の出力電圧Vout への変換係数Tdm(回
路の差動応力感度)は、
Is obtained. Thus, gmm is proportional to the drain current and the piezoresistance coefficient. From Equation 7, the conversion coefficient Tdm (differential stress sensitivity of the circuit) for converting the differential signal to the output voltage Vout is:

【0092】[0092]

【数10】 (Equation 10)

【0093】となる。Is obtained.

【0094】以上説明したように、図8に示す回路は、
電圧増幅器である差動増幅回路と構成が等しく、同相の
応力入力に対しては高い同相応力信号除去比をもつ(原
理的には、同相入力の場合、式7は零となり、同相応力
感度は零となる)。
As described above, the circuit shown in FIG.
The configuration is the same as that of the differential amplifier circuit, which is a voltage amplifier, and has a high common-mode stress signal rejection ratio for common-mode stress input. (In principle, for a common-mode input, Equation 7 becomes zero and The sensitivity is zero).

【0095】従って、加速度を検出している自軸以外の
他軸の加速度成分によって回路に入力される応力が同相
モードとなり、自軸の加速度成分によって回路に入力さ
れる応力が差動モードとなるようにpMOSトランジス
タ411〜434を、梁3上に配置することによって、
他軸と自軸の感度比(他軸感度)は検出回路の同相応力
信号除去比の逆数となる。
Therefore, the stress input to the circuit by the acceleration component of the axis other than the own axis whose acceleration is being detected is in the in-phase mode, and the stress input to the circuit by the acceleration component of the own axis is in the differential mode. By arranging the pMOS transistors 411 to 434 on the beam 3 as described above,
The sensitivity ratio between the other axis and the own axis (other axis sensitivity) is the reciprocal of the in-phase stress signal rejection ratio of the detection circuit.

【0096】なお、差動増幅回路における入力トランジ
スタ(ひずみ検出素子)としては、pチャンネルMOS
FETに限るものではなく、バイポーラトランジスタ等
を用いてもよい。
The input transistor (distortion detecting element) in the differential amplifier circuit is a p-channel MOS.
The invention is not limited to the FET, and a bipolar transistor or the like may be used.

【0097】次に、他軸の加速度成分を除去して、加速
度が加わっている自軸方向の加速度成分のみを検出する
原理について説明する。pMOSトランジスタ411〜
414の配設位置は、図6の梁3上の位置に対応する。
Next, the principle of removing the acceleration component of the other axis and detecting only the acceleration component in the own axis direction to which the acceleration is applied will be described. pMOS transistors 411-
The arrangement position of 414 corresponds to the position on the beam 3 in FIG.

【0098】(X,Y軸方向の検出原理)X軸方向の検
出原理について説明する。ここでは、pMOSトランジ
スタ411とpMOSトランジスタ412とにより構成
される回路を例にとる。
(Principle of Detection in X, Y Axis Direction) The principle of detection in the X axis direction will be described. Here, a circuit constituted by the pMOS transistor 411 and the pMOS transistor 412 is taken as an example.

【0099】X軸方向(図中左方向)に加速度が加わっ
たとき、pMOSトランジスタ411には−(マイナ
ス)の応力σin1 が加わり、pMOSトランジスタ41
2には+(プラス)の応力σin2 が加わるため、式7の
(σin1 −σin2 )は足し合わされる。この(σin1 −
σin2 )に式10の変換係数Tdmを掛けた値が出力電圧
として出力される。
When an acceleration is applied in the X-axis direction (left direction in the figure), a negative (-) stress σin1 is applied to the pMOS transistor 411, and the pMOS transistor 41
Since (+) stress σin2 of +2 is applied to 2, (σin1-σin2) in Expression 7 is added. This (σin1 −
.sigma.in2) multiplied by the conversion coefficient Tdm of Equation 10 is output as the output voltage.

【0100】Z軸方向(図中上方向)に加速度が加わっ
たとき、pMOSトランジスタ411とpMOSトラン
ジスタ412とには、同一符号(−)で大きさの等しい
応力σin1 ,応力σin2 が加わるため、式7の(σin1
−σin2 )は零となり、これにより出力電圧は零とな
る。同様な原理により、Y軸方向も検出することができ
る。
When acceleration is applied in the Z-axis direction (upward in the figure), the stresses σin1 and σin2 having the same sign (−) and the same magnitude are applied to the pMOS transistor 411 and the pMOS transistor 412. 7 (σin1
−σin2) becomes zero, and the output voltage becomes zero. According to the same principle, the Y-axis direction can be detected.

【0101】(Z軸方向の検出原理)Z軸方向の検出原
理について説明する。ここでは、pMOSトランジスタ
431とpMOSトランジスタ432とにより構成され
る回路を例にとる。
(Principle of Detection in Z-Axis Direction) The principle of detection in the Z-axis direction will be described. Here, a circuit constituted by the pMOS transistor 431 and the pMOS transistor 432 is taken as an example.

【0102】X軸方向(図中左方向)に加速度が加わっ
たとき、pMOSトランジスタ431とpMOSトラン
ジスタ432とには、同一符号(−)で大きさの等しい
応力σin1 ,応力σin2 が加わるため、式7の(σin1
−σin2 )は零となり、これにより出力電圧は零とな
る。また、Y軸方向でも同様に、同一符号(+)で等し
い応力が加わるため零となり、出力も零となる。
When the acceleration is applied in the X-axis direction (left direction in the figure), the stresses σin1 and σin2 having the same sign (−) and the same magnitude are applied to the pMOS transistor 431 and the pMOS transistor 432. 7 (σin1
−σin2) becomes zero, and the output voltage becomes zero. Similarly, in the Y-axis direction, the same sign (+) applies the same stress, so that the output becomes zero and the output becomes zero.

【0103】Z軸方向(図中上方向)に加速度が加わっ
たとき、pMOSトランジスタ431には+(プラス)
の応力σin1 が加わり、pMOSトランジスタ432に
は−(マイナス)の応力σin2 が加わるため、式7の
(σin1 −σin2 )は足し合わされ、出力電圧が得られ
る。
When acceleration is applied in the Z-axis direction (upward in the figure), + (plus) is applied to the pMOS transistor 431.
Is applied to the pMOS transistor 432, and (-in minus) stress .sigma.in2 is applied to the pMOS transistor 432, so that (.sigma.in1 -.sigma.in2) in the equation 7 is added to obtain the output voltage.

【0104】従って、加速度が加わっている自軸方向の
加速度成分のみを差動モードとして検出し、他軸の加速
度成分を同相モードとして検出することにより、他軸成
分を除去することができる。
Therefore, only the acceleration component in the direction of the own axis to which the acceleration is applied is detected as the differential mode, and the acceleration component of the other axis is detected as the in-phase mode, whereby the other axis component can be removed.

【0105】次に、本加速度センサを試作して測定した
各種特性を、図9に基づいて説明する。ここでは、入力
周波数を50Hz〜5kHzの間で変化させる加振機を
用いて測定した結果について述べる。
Next, various characteristics measured by trial production of the present acceleration sensor will be described with reference to FIG. Here, the result of measurement using a vibrator that changes the input frequency between 50 Hz and 5 kHz will be described.

【0106】(加速度検出特性と他軸感度との関係)図
9は、Z軸方向へ加速度が加わった場合における各軸の
加速度成分の出力特性を示す。これにより、他軸となる
X,Y軸の出力電圧を低く抑え、自軸となるZ軸の出力
電圧を加速度に比例した値とすることができる。
(Relationship Between Acceleration Detection Characteristics and Sensitivity of Other Axis) FIG. 9 shows output characteristics of acceleration components of each axis when acceleration is applied in the Z-axis direction. Thus, the output voltages of the X and Y axes serving as the other axes can be suppressed low, and the output voltage of the Z axis serving as the own axis can be set to a value proportional to the acceleration.

【0107】本センサの検出回路を電圧入力の差動増幅
器と考えた場合、同相電圧信号除去比の測定結果の逆数
は、0.002(0.2%)となる。これにより、入力
が応力の場合にも、同相応力信号に対する感度は、差動
信号に対して0.002倍程度になると予想される。し
かし、試作したセンサ素子において、Z軸方向に加速度
を入力した場合の同相応力感度(X、Y軸成分出力)と
差動応力感度(Z軸成分検出出力)との比は、0.02
8(2.8%)となる。この値は上記0.2%と比べて
一桁程度大きい。このことは、センサ製作時に発生する
構造の非対称誤差によって生じる応力のアンバランスが
約2.8%あったことを示している。製作誤差の大きさ
は通常数%あると考えられ、同相応力信号に対して感度
の大きさはほとんど製作誤差の大きさで決定されている
と考えられる。全ての軸方向に対してセンサ感度が同じ
であれば、2.8%がそのまま他軸感度になるが、本セ
ンサの場合、X,Y軸感度とZ軸感度とが異なるので、
他軸感度の関係はやや複雑になる。
When the detection circuit of this sensor is considered as a voltage input differential amplifier, the reciprocal of the measurement result of the common mode voltage signal rejection ratio is 0.002 (0.2%). Thus, even when the input is stress, the sensitivity to the in-phase stress signal is expected to be about 0.002 times that of the differential signal. However, in the prototype sensor element, the ratio between the in-phase stress sensitivity (X, Y-axis component output) and the differential stress sensitivity (Z-axis component detection output) when acceleration is input in the Z-axis direction is 0.02.
8 (2.8%). This value is about one digit larger than 0.2%. This indicates that there was about 2.8% of the stress imbalance caused by the asymmetry error of the structure that occurred during the fabrication of the sensor. It is considered that the magnitude of the manufacturing error is usually several percent, and the magnitude of the sensitivity to the in-phase stress signal is almost determined by the magnitude of the manufacturing error. If the sensor sensitivity is the same in all axial directions, 2.8% will be the other axis sensitivity as it is, but in the case of this sensor, since the X, Y axis sensitivity and the Z axis sensitivity are different,
The relationship between the other axis sensitivities becomes slightly complicated.

【0108】試作したセンサ素子の各軸検出回路の検出
感度、他軸感度を表1に示す。
Table 1 shows the detection sensitivities and other-axis sensitivities of the axis detection circuits of the sensor element manufactured as a trial.

【0109】[0109]

【表1】 [Table 1]

【0110】Z軸の加速度成分に対して梁部に発生する
応力は、X,Y軸成分の場合の10倍程度であるので、
X,Y軸感度はZ軸感度の10%程度になっている。こ
のため、X,Y軸検出回路には、Z軸の加速度成分によ
って10倍近く大きい同相応力が入力され、他軸感度が
10倍程度大きくなってしまう(約25%)。
Since the stress generated in the beam portion with respect to the Z-axis acceleration component is about ten times that in the case of the X and Y-axis components,
The X and Y axis sensitivities are about 10% of the Z axis sensitivities. For this reason, an in-phase stress that is nearly 10 times larger is input to the X- and Y-axis detection circuits due to the acceleration component of the Z-axis, and the sensitivity of the other axis is increased about 10 times (about 25%).

【0111】この感度差の違いは、X,Y軸加速度成分
によって発生する応力をZ軸加速度成分の場合と同等に
なるまで高めれば解決するが、重り部2の下部にガラス
を接合する等の作業が必要となる。また、その他の解決
手法としては、本センサからの出力信号をマイクロプロ
セッサによって演算処理したり、アナログ回路による補
正信号処理等を行うことによって、他軸感度による誤差
出力を打ち消すことが可能である。
This difference in sensitivity can be solved by increasing the stress generated by the X- and Y-axis acceleration components until the stress becomes equal to that in the case of the Z-axis acceleration component. Work is required. As another solution, it is possible to cancel an error output due to sensitivity to other axes by performing an arithmetic processing on an output signal from the present sensor by a microprocessor or performing a correction signal processing by an analog circuit.

【0112】(システム構成)次に、加速度センサに補
償回路を付加したシステム構成例を、図10〜図13に
基づいて説明する。
(System Configuration) Next, an example of a system configuration in which a compensation circuit is added to the acceleration sensor will be described with reference to FIGS.

【0113】図10は、図7に示したアンプ520を有
する反転増幅器530を2個(1軸方向成分検出用)用
いて構成した場合のシステム構成例である。反転増幅器
530の出力電圧Vo1,Vo2は、クロス結合スイッ
チ回路550、ローパスフィルタ回路560を介して、
制御部600に入力される。
FIG. 10 shows an example of a system configuration in which two inverting amplifiers 530 having the amplifier 520 shown in FIG. 7 are used (for detecting a component in one axial direction). Output voltages Vo1 and Vo2 of the inverting amplifier 530 are passed through a cross-coupling switch circuit 550 and a low-pass filter circuit 560, respectively.
It is input to the control unit 600.

【0114】クロス結合スイッチ回路550は、両方の
アンプ520からの出力電圧Vo1,Vo2を同期検波
して変調されていた信号を復調し、低周波ノイズを高周
波に変調する。ローパスフィルタ回路560は、アンプ
520や信号線で発生した高周波に変調されたノイズを
除去する。
The cross-coupling switch circuit 550 synchronously detects the output voltages Vo1 and Vo2 from both amplifiers 520, demodulates the modulated signal, and modulates low-frequency noise to high-frequency. The low-pass filter circuit 560 removes high-frequency modulated noise generated in the amplifier 520 and the signal line.

【0115】制御部600は、出力電圧Vo1,Vo2
に基づいて、オフセット補償用のオフセット電圧Vi
1,Vi2や、温度補償用の電圧VGSCCを作成し、これ
ら補償用の信号Vi1,Vi2,VGSCCは、反転増幅器
530にフィードバックされることにより、負帰還の制
御が行われる。なお、Vkcは、クロス結合スイッチ回路
550で信号を復調する場合に同期検波を行うためのク
ロック信号である。
The control section 600 outputs the output voltages Vo1, Vo2
, The offset voltage Vi for offset compensation
1, Vi2, and a voltage V GSCC for temperature compensation are created, and the compensation signals Vi1, Vi2, and V GSCC are fed back to the inverting amplifier 530, whereby negative feedback control is performed. Vkc is a clock signal for performing synchronous detection when the signal is demodulated by the cross-coupling switch circuit 550.

【0116】図11は、制御部600内部の構成を示
す。601は、システム全体の制御を司るCPUであ
る。602は、本発明に係るオフセット補償制御プログ
ラム602aを記憶したROMである。なお、オフセッ
ト補償制御プログラム602aは、別体として、フロッ
ピーディスク等に記憶させてもよい。603は、演算処
理を実行するための領域として用いられるRAMであ
る。604は、書き替え可能なEPROMである。この
EPROM604には、オフセット補償データ604a
が記憶されている。605はA/D変換器であり、60
6はD/A変換器である。また、この制御部600は、
温度補償を行うために温度センサ570の出力信号Tが
入力される。この温度センサ570は、前記図6の支持
体1内に設置されている。
FIG. 11 shows the internal structure of the control unit 600. A CPU 601 controls the entire system. A ROM 602 stores an offset compensation control program 602a according to the present invention. The offset compensation control program 602a may be stored separately on a floppy disk or the like. Reference numeral 603 denotes a RAM used as an area for executing arithmetic processing. Reference numeral 604 denotes a rewritable EPROM. This EPROM 604 contains offset compensation data 604a.
Is stored. 605, an A / D converter;
Reference numeral 6 denotes a D / A converter. Also, this control unit 600
An output signal T of the temperature sensor 570 is input to perform temperature compensation. This temperature sensor 570 is installed in the support 1 of FIG.

【0117】図12および図13は、反転増幅器530
を用いた負帰還の原理を示す。
FIGS. 12 and 13 show an inverting amplifier 530.
The principle of negative feedback using is shown.

【0118】図12は、図7の反転増幅器530を用い
た負帰還回路の原理を示す。n1,n2は入力端子、n
3は出力端子である。今、加速度センサに作用する応力
によって、アンプ520の入力端子n1とn2との間に
オフセット電圧Vstr が発生するものとする。これによ
り、入力電圧Viは、
FIG. 12 shows the principle of a negative feedback circuit using the inverting amplifier 530 of FIG. n1 and n2 are input terminals, n
3 is an output terminal. Now, it is assumed that the offset voltage Vstr is generated between the input terminals n1 and n2 of the amplifier 520 due to the stress acting on the acceleration sensor. Thus, the input voltage Vi becomes

【0119】[0119]

【数11】 [Equation 11]

【0120】となる。また、反転増幅器530の帰還利
得をANFB とし、アンプ520の開ループ利得をAoと
すると、帰還利得ANFB は、
Is obtained. Also, assuming that the feedback gain of the inverting amplifier 530 is ANFB and the open loop gain of the amplifier 520 is Ao, the feedback gain ANFB is

【0121】[0121]

【数12】 (Equation 12)

【0122】[0122]

【数13】 (Equation 13)

【0123】[0123]

【数14】 [Equation 14]

【0124】となる。この反転増幅器530の出力電圧
Voは、帰還利得ANFB と、差動の応力入力によって発
生するオフセット電圧Vstr との積となり、
Is obtained. The output voltage Vo of the inverting amplifier 530 is the product of the feedback gain ANFB and the offset voltage Vstr generated by the differential stress input,

【0125】[0125]

【数15】 (Equation 15)

【0126】として表わすことができる。This can be expressed as

【0127】また、出力電圧Voはオフセット電圧Vst
r が応力に関係することから、
The output voltage Vo is equal to the offset voltage Vst
Since r is related to stress,

【0128】[0128]

【数16】 (Equation 16)

【0129】となる。ここで、Ioは、前記図7で示し
た差動段のバイアス電流である。この場合、増幅率は外
部帰還回路で決定されているので、オフセット電圧Vst
r と応力との間の比例定数が感度を決定する。歪み検出
素子が強反転状態にある場合、Vstr すなわち感度は、
バイアス電流Ioの平方根に比例して増加する。バイア
ス電流Ioは、閾値以上の領域で電流制御用のnMOS
トランジスタ320のゲート電圧VGSCCの2乗に比例す
るので、この応力によるオフセット電圧Vstr すなわち
感度は、
Is as follows. Here, Io is the bias current of the differential stage shown in FIG. In this case, since the amplification factor is determined by the external feedback circuit, the offset voltage Vst
The proportionality constant between r and the stress determines the sensitivity. When the strain detecting element is in the strong inversion state, Vstr, that is, the sensitivity is
It increases in proportion to the square root of the bias current Io. The bias current Io is a current control nMOS
Since it is proportional to the square of the gate voltage V GSCC of the transistor 320, the offset voltage Vstr due to this stress, that is, the sensitivity is

【0130】[0130]

【数17】 [Equation 17]

【0131】に示すように、ゲート電圧VGSCCに比例し
て変化する。βs、βccは、それぞれ検出用、電流制
御用トランジスタのドレイン電流係数である。Vtは、
nMOSトランジスタ320の閾値電圧である。πは、
pMOSトランジスタの反転層のピエゾ抵抗係数であ
る。この式17により、帰還型の増幅器は電圧によって
その感度を線形に制御することが可能である。
As shown in the graph , the voltage changes in proportion to the gate voltage V GSCC . βs and βcc are drain current coefficients of the detection and current control transistors, respectively. Vt is
This is the threshold voltage of the nMOS transistor 320. π is
This is the piezoresistance coefficient of the inversion layer of the pMOS transistor. According to Equation 17, the sensitivity of the feedback amplifier can be linearly controlled by the voltage.

【0132】図13は、図12の反転増幅器530と、
図11の制御部600との間での信号をやりとりを示
す。この図13において、加速度によって加速度センサ
のひずみ検出素子に応力が加わると、Aoのアンプ52
0に入力換算されたオフセット電圧Vstr が発生し、こ
のオフセット電圧Vstr が帰還利得ANFB 倍され、出力
電圧Vo=Vstr ・ANFB として出力される。この出力
電圧Voの値は、加速度に比例して変化する。
FIG. 13 shows the inverting amplifier 530 of FIG.
FIG. 12 illustrates the exchange of signals with the control unit 600 in FIG. 11. In FIG. 13, when stress is applied to the strain detecting element of the acceleration sensor by acceleration, the amplifier 52 of Ao
An offset voltage Vstr converted to 0 is generated, and the offset voltage Vstr is multiplied by the feedback gain ANFB, and is output as an output voltage Vo = Vstr · ANFB. The value of the output voltage Vo changes in proportion to the acceleration.

【0133】そして、回路全体のオフセット電圧を、例
えば負帰還構成とした反転増幅器530の入力端子n
1,n2から入力することによって、オフセットを打ち
消すことができる。この場合、オフセット電圧に対する
アンプ出力の増幅率は帰還利得ANFB でほぼ一定となっ
ており、感度補正による増幅器自体の利得変動は無視す
ることができる。従って、帰還型の反転増幅器530か
らなる検出回路においては、その検出感度やオフセット
電圧が、製造工程に依存せず、常に電圧と線形関係で制
御を行うことが可能となる。
Then, the offset voltage of the entire circuit is set to, for example, the input terminal n of the inverting amplifier 530 having a negative feedback configuration.
By inputting from 1, n2, the offset can be canceled. In this case, the amplification factor of the amplifier output with respect to the offset voltage is substantially constant by the feedback gain ANFB, and the gain variation of the amplifier itself due to sensitivity correction can be ignored. Therefore, in the detection circuit including the feedback inverting amplifier 530, the detection sensitivity and the offset voltage can always be controlled in a linear relationship with the voltage without depending on the manufacturing process.

【0134】ここでいう回路全体のオフセット電圧と
は、負帰還増幅回路がもつオフセット電圧という意味で
あり、入力がない場合には、例えば電源が±2.5Vの
とき、出力電圧が0Vからどれだけずれているかという
意味である。本例では、制御部600の演算によって出
力された値(Vi1)が、オフセット電圧補正用に用い
られる。また、感度ドリフトがある場合にはVGSCCを用
いて補正する。
Here, the offset voltage of the whole circuit means the offset voltage of the negative feedback amplifier circuit. When there is no input, for example, when the power supply is ± 2.5 V, the output voltage is any voltage from 0 V. It means that it is shifted only. In this example, the value (Vi1) output by the calculation of the control unit 600 is used for offset voltage correction. If there is a sensitivity drift, it is corrected using V GSCC .

【0135】(センサ感度およびオフセット電圧の温度
依存性)次に、本発明の第2の実施の形態を、図14〜
図16に基づいて説明する。なお、第1の実施の形態と
同一部分についての説明は省略し、同一符号を付す。
(Temperature Dependence of Sensor Sensitivity and Offset Voltage) Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
This will be described with reference to FIG. The description of the same parts as in the first embodiment is omitted, and the same reference numerals are given.

【0136】本例は、反転増幅器530の温度補償につ
いての例である。反転増幅器530の温度補償を行う場
合は、温度情報を得るために、図11に示すように、制
御部600に温度センサ570からの温度信号Tを入力
する。温度センサ570としては、例えばポリシリコン
抵抗体を用いる。
This example is an example of the temperature compensation of the inverting amplifier 530. When temperature compensation of the inverting amplifier 530 is performed, a temperature signal T from the temperature sensor 570 is input to the control unit 600 as shown in FIG. As the temperature sensor 570, for example, a polysilicon resistor is used.

【0137】図11に示す制御部600において温度補
償を行うときは、予め、加速度センサのオフセット、感
度の温度特性を打ち消すような補償電圧を測定してお
き、その補償電圧をEPROM604内の補償データ6
04aとして記憶しておく。そして、その記憶された補
償データを実際に温度センサ570で測定した出力電圧
Tに対応させ、記憶された補償データに対応した値を出
力するようにCPU601はD/Aコンバータ606に
命令を出して補償電圧を発生させる。このようにして発
生させた補償電圧を、オフセット電圧(Vi1、Vi
2)ならびに感度補正電圧(VGSCC)として用い、反転
増幅器530の各入力端子に入力することによって、オ
フセットおよび感度のドリフトが打ち消され、温度補償
を行うことができる。なお、オフセット電圧のドリフト
とは、室温におけるオフセット電圧を基準点とし、温度
変化と共にどれだけオフセット電圧が変化したかを表わ
すものであり、温度T1からT2へ変化した場合のオフ
セット電圧の変化分△Voff は、
When temperature compensation is performed in the control section 600 shown in FIG. 11, a compensation voltage for canceling the temperature characteristics of offset and sensitivity of the acceleration sensor is measured in advance, and the compensation voltage is stored in the compensation data in the EPROM 604. 6
04a. Then, the CPU 601 issues a command to the D / A converter 606 to make the stored compensation data correspond to the output voltage T actually measured by the temperature sensor 570 and output a value corresponding to the stored compensation data. Generate a compensation voltage. The compensation voltage generated in this manner is converted to an offset voltage (Vi1, Vi1).
2) and as a sensitivity correction voltage (V GSCC ), by inputting to each input terminal of the inverting amplifier 530, offset and sensitivity drift can be canceled out, and temperature compensation can be performed. The drift of the offset voltage indicates how much the offset voltage has changed with the temperature change with the offset voltage at room temperature as a reference point, and the offset voltage change when the temperature changes from T1 to T2. Voff is

【0138】[0138]

【数18】 (Equation 18)

【0139】として表わすことができる。This can be expressed as

【0140】ここで、温度補償制御の具体例について説
明する。
Here, a specific example of the temperature compensation control will be described.

【0141】反転増幅器510の検出感度Vs、オフセ
ットVoff は、補償電圧(Vin=Vi1,Vi2、V
GSCC)によって、
The detection sensitivity Vs and offset Voff of the inverting amplifier 510 are determined by compensation voltages (Vin = Vi1, Vi2, V
GSCC )

【0142】[0142]

【数19】 [Equation 19]

【0143】[0143]

【数20】 (Equation 20)

【0144】のように制御される。図14(a)(b)
は、そのセンサ特性の1例を示す。
The control is performed as follows. FIGS. 14A and 14B
Shows an example of the sensor characteristics.

【0145】これにより、補正信号であるオフセット電
圧(Vin=Vi1,Vi2、VGSCC)は、
Thus, the offset voltage (Vin = Vi1, Vi2, V GSCC ) as the correction signal is

【0146】[0146]

【数21】 (Equation 21)

【0147】[0147]

【数22】 (Equation 22)

【0148】ただし、ks ,ko は傾きの係数となる。Here, ks and ko are slope coefficients.

【0149】式21、式22の関係から、温度によって
検出感度Vs、オフセットVoff が変動しても、その変
動に合わせてオフセット電圧(Vin=Vi1,Vi2、
GSCC)を変化させれば、それらの値を一定に保つこと
ができる。
From the relations of Expressions 21 and 22, even if the detection sensitivity Vs and the offset Voff vary depending on the temperature, the offset voltages (Vin = Vi1, Vi2,
V GSCC ) can be kept constant.

【0150】また、式21において、検出感度Vsは温
度Tに対してほぼ線形的に変化し、係数ks も温度Tに
対して線形的に減少する。従って、検出感度Vsを温度
に対して一定に保つためには、Tの2乗に比例したオフ
セット電圧VGSCCを反転増幅器530のnMOSトラン
ジスタ320のゲートに加えればよい。
In equation 21, the detection sensitivity Vs changes almost linearly with temperature T, and the coefficient ks also decreases linearly with temperature T. Therefore, in order to keep the detection sensitivity Vs constant with respect to the temperature, an offset voltage V GSCC proportional to the square of T may be applied to the gate of the nMOS transistor 320 of the inverting amplifier 530.

【0151】式22において、オフセットVoff は温度
Tに比例して変化するが、係数koは帰還利得ANFB の
ためほぼ一定と考えられる。従って、オフセットVoff
を温度に対して一定に保つためには、Tに比例したオフ
セット電圧Vinを反転増幅器530の入力端子に加えれ
ばよい。
In Equation 22, the offset Voff changes in proportion to the temperature T, but the coefficient ko is considered to be almost constant due to the feedback gain ANFB. Therefore, the offset Voff
Can be kept constant with respect to temperature by applying an offset voltage Vin proportional to T to the input terminal of the inverting amplifier 530.

【0152】図11に示すEPROM604には、式2
1〜式22に示す関係の値がオフセット補償データ60
4aとして格納される。すなわち、このオフセット補償
データ604aには、式21、式22に示す温度Tと補
償電圧(Vin=Vi1,Vi2、VGSCC)との関係をセ
ンサ毎に調べたデータが記憶される。
The EPROM 604 shown in FIG.
1 to 22 are offset compensation data 60
4a. That is, the offset compensation data 604a stores data obtained by examining the relationship between the temperature T and the compensation voltage (Vin = Vi1, Vi2, V GSCC ) shown in Expressions 21 and 22 for each sensor.

【0153】また、ROM602aには、式21〜式2
2に示す式を演算処理するための補償制御プログラム6
02aが記録されている。
The ROM 602a has the following formulas (21) and (2).
Compensation control program 6 for calculating the equation shown in FIG.
02a is recorded.

【0154】そして、実際の温度制御を行う場合は、C
PU601は、ある周期で温度センサ570の出力値を
A/Dコンバータ605を介して検出し、その検出した
温度Tに対応したパラメータks ,ko ,Vs ,Voff
をEPROM604の補償データ604aから読み出
す。そして、その読み出した値と温度Tとを用いて、式
21〜式22に従った演算処理を行うことにより、オフ
セット電圧(Vin=Vi1,Vi2、VGSCC)を算出す
る。このようにして算出した値は、D/Aコンバータ6
05を介して制御部600から出力され、反転増幅器5
30の各入力端子に印加される。このようにしてオフセ
ットならびに感度の温度補償を行うことができる。
When actual temperature control is performed, C
The PU 601 detects the output value of the temperature sensor 570 at a certain cycle via the A / D converter 605, and the parameters ks, ko, Vs, Voff corresponding to the detected temperature T.
From the compensation data 604a of the EPROM 604. Then, the offset voltage (Vin = Vi1, Vi2, V GSCC ) is calculated by performing an arithmetic process according to Expressions 21 to 22 using the read value and the temperature T. The value calculated in this way is the D / A converter 6
05 output from the control unit 600 via the inverting amplifier 5
30 is applied to each input terminal. In this way, temperature compensation for offset and sensitivity can be performed.

【0155】図15は、室温(30℃)からの各温度に
対する、感度、および、図7のアンプ520の電圧利得
の温度係数TCS(Temperature Coefficient of S
ensitivity)、TCG(Temperature Coefficient o
f Gain )を示す。この場合、温度係数TCSは、
FIG. 15 shows the sensitivity and the temperature coefficient TCS (Temperature Coefficient of SCS) for each temperature from room temperature (30 ° C.) and the voltage gain of the amplifier 520 shown in FIG.
ensitivity), TCG (Temperature Coefficient o)
f Gain). In this case, the temperature coefficient TCS is

【0156】[0156]

【数23】 (Equation 23)

【0157】T:測定温度 S30:30℃における感度 として求めることができる。この図15から、温度上昇
による感度の低下が線形(温度係数が一定)であること
がわかる。
T: measurement temperature S30: can be obtained as sensitivity at 30 ° C. From FIG. 15, it can be seen that the decrease in sensitivity due to the temperature rise is linear (the temperature coefficient is constant).

【0158】図16は、補償回路700をアナログ回路
により最も単純に構成したハード的な補償回路の1例で
ある。この補償回路700は、温度センサ570からの
温度情報を増幅して出力電圧Vtを出力するアンプ71
0と、増幅度Xのアンプ(二乗器)720と、増幅度A
のアンプ730とを備えている。この補償回路700に
おいて制御部600によるデジタル方式の制御を用いな
くてもある程度正確な1次近似の温度ドリフト補正が可
能となる。
FIG. 16 shows an example of a hardware-like compensating circuit in which the compensating circuit 700 is most simply constituted by an analog circuit. The compensation circuit 700 amplifies the temperature information from the temperature sensor 570 and outputs an output voltage Vt.
0, an amplifier (squaring device) 720 with an amplification factor X, and an amplification factor A
Amplifier 730. In this compensation circuit 700, the temperature drift correction of the first-order approximation to some extent can be performed without using the digital control by the control unit 600.

【0159】そして、補償出力値であるオフセット電圧
(Vin=Vi1,Vi2、VGSCC)は、
The offset voltage (Vin = Vi1, Vi2, V GSCC ) which is the compensation output value is

【0160】[0160]

【数24】 (Equation 24)

【0161】[0161]

【数25】 (Equation 25)

【0162】ただし、Xo、Aoはセンサを動作させる
ためのバイアス電圧 X,Aは比例定数(回路の利得) となる。
However, Xo and Ao are bias voltages for operating the sensor, and X and A are proportional constants (gain of the circuit).

【0163】そこで、加速度センサの感度が一定となる
ように、VGSCCを補償回路700において発生させるこ
とによって、感度の温度による変化を補償することがで
きる。
Therefore, by generating V GSCC in the compensation circuit 700 so that the sensitivity of the acceleration sensor becomes constant, it is possible to compensate for the change in sensitivity due to temperature.

【0164】また、温度上昇によるオフセット電圧ドリ
フトも線形であり、この電圧ドリフトに相当する電圧
(Vi1、Vi2)を補償回路700によって発生させ
ることによって、オフセット電圧の温度ドリフトを補償
することができる。
The offset voltage drift due to the temperature rise is also linear, and the voltage drift (Vi1, Vi2) corresponding to the voltage drift is generated by the compensation circuit 700, so that the temperature drift of the offset voltage can be compensated.

【0165】(スイッチ切り替え機構)次に、本発明の
第3の実施の形態を、図7および図17に基づいて説明
する。なお、前述した第1,2の実施の形態と同一部分
についての説明は省略し、同一符号を付す。
(Switch Switching Mechanism) Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The description of the same parts as those in the first and second embodiments is omitted, and the same reference numerals are given.

【0166】本例は、図7の反転増幅器530における
スイッチ切り替え機構についての例である。
This example is an example of the switch switching mechanism in the inverting amplifier 530 in FIG.

【0167】図7において、アナログスイッチであるス
イッチ350,351,352,353,354,35
5と、スイッチ360,361,362,363,36
4,365とは、図4および図11に示す制御部600
からのクロック信号Vkcの入力に基づいて、交互に切り
替えることができる。このような切り替えによって、ひ
ずみ検出素子であるpMOSトランジスタ411,41
2のスイッチ接続状態を切り替えることができる。
In FIG. 7, switches 350, 351, 352, 353, 354, 35 which are analog switches
5 and switches 360, 361, 362, 363, 36
4,365 is the control unit 600 shown in FIGS.
Can be alternately switched on the basis of the input of the clock signal Vkc. By such switching, the pMOS transistors 411 and 41 serving as strain detecting elements are provided.
2 can be switched.

【0168】図17は、スイッチ350〜355、スイ
ッチ360〜365の構成例を示す。これらスイッチ
は、一般的なCMOSトランスミッションゲートの構成
からなっている。今、nMOSトランジスタに、クロッ
ク“ハイレベル”が加えられるとスイッチはオンとな
り、また、クロック“ローレベル”が加えられると、ス
イッチはオフとなる。
FIG. 17 shows a configuration example of the switches 350 to 355 and the switches 360 to 365. These switches have a general CMOS transmission gate configuration. Now, when a clock "high level" is applied to the nMOS transistor, the switch is turned on, and when a clock "low level" is applied, the switch is turned off.

【0169】また、ダミースイッチ371,372は、
常にオンされた同一形状のスイッチであり、カスケード
トランジスタのゲートを適切な電圧でバイアスするため
のバイアス回路に含まれる。
The dummy switches 371 and 372 are
Switches of the same shape, which are always turned on, are included in a bias circuit for biasing the gate of the cascade transistor with an appropriate voltage.

【0170】そして、例えば、クロック信号Vkcがハイ
レベルのときは、スイッチ352,353,354,3
55が導通し、クロック信号Vkcがローレベルのとき
は、スイッチ362,363,364,365が導通す
る。また、安定した負帰還をかけるために、pMOSト
ランジスタ411,412のゲート端子もクロック信号
Vkcにより切り替え、ハイレベルのときはスイッチ35
0,351が導通し、ローレベルのときはスイッチ36
0,361が導通する。
For example, when the clock signal Vkc is at the high level, the switches 352, 353, 354, 3
When the clock signal 55 is conductive and the clock signal Vkc is at a low level, the switches 362, 363, 364, 365 are conductive. In order to apply a stable negative feedback, the gate terminals of the pMOS transistors 411 and 412 are also switched by the clock signal Vkc.
When 0 and 351 are conducting and low, the switch 36
0,361 conducts.

【0171】このようなスイッチの切り替えにより、図
10に示す出力電圧Vo1,Vo2はクロック周波数の
奇数次高調波に変調され、式16に従った振幅で出力さ
れる。図10において、出力電圧Vo1,Vo2は、ク
ロス結合スイッチ回路550に同期検波されて復調され
る。この復調操作により変調されていた信号はベースバ
ンドに戻る一方で、ひずみ検出素子以外の増幅回路や帰
還抵抗を含む反転増幅器530、信号線内で発生する低
周波ノイズが高周波に変調され、その変調されたノイズ
は後段のローパスフィルタ回路560において除去され
る。
By such switching of the switches, the output voltages Vo1 and Vo2 shown in FIG. 10 are modulated to odd harmonics of the clock frequency, and output with an amplitude according to the equation (16). In FIG. 10, the output voltages Vo1 and Vo2 are synchronously detected by the cross-coupling switch circuit 550 and demodulated. While the signal modulated by this demodulation operation returns to the baseband, the inverting amplifier 530 including an amplifying circuit other than the distortion detection element and the feedback resistor, and the low frequency noise generated in the signal line are modulated to the high frequency, and the modulation The noise thus removed is removed in the low-pass filter circuit 560 at the subsequent stage.

【0172】このようなスイッチ機構を実現することに
より、通常の演算増幅器と全く同様に安定して負帰還を
かけることができる。また、応力が加えられるMOSト
ランジスタを入力としたカスコード型で、AB級出力段
を接続することにより、利得を一段と向上させることが
でき、負帰還回路の精度を向上させることができる。
By realizing such a switch mechanism, negative feedback can be applied stably just like a normal operational amplifier. Further, by connecting a class AB output stage of a cascode type using a MOS transistor to which stress is applied as an input, the gain can be further improved, and the accuracy of the negative feedback circuit can be improved.

【0173】以下、具体例を、図18〜図22に基づい
て説明する。
A specific example will be described below with reference to FIGS.

【0174】(具体例1)図18は、図10および図1
1のシステム構成において、帰還抵抗比を変えて利得を
変化させた場合の反転増幅器510の感度特性を示す。
2本のグラフともに、閉ループ回路の負帰還量(バイア
ス電流制御用のゲート電圧VGSCC=1,2V)のみを変
えて測定した。これにより、式16に従って大きなV
GSCCでは、より大きな感度を得ることができる。
(Specific Example 1) FIGS. 18A and 18B are similar to FIGS.
7 shows the sensitivity characteristics of the inverting amplifier 510 when the gain is changed by changing the feedback resistance ratio in the system configuration of FIG.
Both graphs were measured by changing only the amount of negative feedback of the closed loop circuit (gate voltage V GSCC for bias current control = 1, 2 V). This gives a large V according to equation 16.
With GSCC , greater sensitivity can be obtained.

【0175】(具体例2)図19は、図7に示すバイア
ス電流Ioの制御用のゲート電圧VGSCCと、加速度セン
サの検出感度との関係を示す。電流制御用のnMOSト
ランジスタ320の閾値電圧は0.8Vとする。この場
合、0.8V〜2.4Vの範囲では、検出感度がVGSCC
に比例した関係にある。これにより、検出感度は、V
GSCCによって線形的に制御することが可能となる。
(Specific Example 2) FIG. 19 shows the relationship between the gate voltage V GSCC for controlling the bias current Io shown in FIG. 7 and the detection sensitivity of the acceleration sensor. The threshold voltage of the current control nMOS transistor 320 is set to 0.8V. In this case, the detection sensitivity is V GSCC in the range of 0.8 V to 2.4 V.
There is a relationship proportional to. Thereby, the detection sensitivity is V
GSCC allows for linear control.

【0176】(具体例3)図20は、感度およびオフセ
ット電圧の温度に対するドリフトを示す。感度ドリフト
は、反転増幅器530の入力端子に補償電圧をかけない
場合は、波形Aに示すように、温度の上昇と共に感度が
変動する。これに対して、適切な補償電圧をVGSCCとし
て加えた場合は、波形Cに示すように感度ドリフトを抑
制することができる。波形Bは、出力端子のオフセット
ドリフトを打ち消すために、反転増幅器530の入力端
子に加えた電圧値である。
(Specific Example 3) FIG. 20 shows drift of sensitivity and offset voltage with respect to temperature. When a compensation voltage is not applied to the input terminal of the inverting amplifier 530, the sensitivity drifts as the temperature rises as shown in a waveform A. On the other hand, when an appropriate compensation voltage is applied as V GSCC , sensitivity drift can be suppressed as shown in waveform C. The waveform B is a voltage value applied to the input terminal of the inverting amplifier 530 in order to cancel the offset drift of the output terminal.

【0177】(具体例4)図21、図22は、図10の
システムにおけるチョッパ技術を用いたノイズ低減効果
の例を示す。測定方法は、クロス結合スイッチ回路55
0の切り替えを、反転増幅器530のトランジスタ切り
替え用のクロックと同期して行うことにより、出力信号
を検波した。
(Example 4) FIGS. 21 and 22 show examples of the noise reduction effect using the chopper technique in the system of FIG. The measuring method is the cross coupling switch circuit 55
The output signal was detected by performing the switching of 0 in synchronization with the clock for switching the transistor of the inverting amplifier 530.

【0178】図21は、クロック入力をオフ、すなわち
チョッパ効果がない場合におけるシステムの出力信号の
ノイズスペクトルである。一方、図22は、クロック周
波数10KHzでシステムをチョッパ動作させた場合に
おけるシステムの出力信号のノイズスペクトルである。
チョッパ効果により、図21に比べて、1/fノイズが
およそ半分以下に低減されている。また、信号線に混入
していたハム(60Hz)ノイズが変調され、信号帯域
から完全に除去されている。従って、本システムを採用
することにより、ノイズ低減によるセンサの分解能向上
を図ることができる。
FIG. 21 shows the noise spectrum of the output signal of the system when the clock input is off, that is, when there is no chopper effect. On the other hand, FIG. 22 shows a noise spectrum of an output signal of the system when the system is operated in a chopper at a clock frequency of 10 KHz.
Due to the chopper effect, 1 / f noise is reduced to about half or less as compared with FIG. Also, hum (60 Hz) noise mixed into the signal line is modulated and completely removed from the signal band. Therefore, by adopting this system, the resolution of the sensor can be improved by noise reduction.

【0179】次に、加速度センサの変形例を、図23に
基づいて説明する。
Next, a modification of the acceleration sensor will be described with reference to FIG.

【0180】図23は、内側を重り部2とし、外側を支
持体1とした構造例である。各軸方向の梁3には、pM
OSトランジスタ411〜434が配置されている。本
例においても、図7と同様な差動増幅回路を構成するこ
とにより、各軸方向の加速度成分を検出することができ
る。
FIG. 23 shows an example of a structure in which the weight 2 is on the inside and the support 1 is on the outside. For each axial beam 3, pM
OS transistors 411 to 434 are arranged. Also in this example, by configuring a differential amplifier circuit similar to that of FIG. 7, it is possible to detect acceleration components in each axial direction.

【0181】[0181]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
差動増幅回路の利得を負帰還処理により決定したので、
製造誤差による感度のばらつきを低減して安定化を図る
ことができ、また、温度による利得変化を低減して温度
特性の向上を図ることができる。
As described above, according to the present invention,
Since the gain of the differential amplifier circuit was determined by negative feedback processing,
Variations in sensitivity due to manufacturing errors can be reduced for stabilization, and gain changes due to temperature can be reduced to improve temperature characteristics.

【0182】また、本発明によれば、補償回路からの補
償電圧を差動増幅回路の入力端子に入力するので、オフ
セット電圧、オフセット電圧ドリフトを補償することが
できる。
Further, according to the present invention, since the compensation voltage from the compensation circuit is input to the input terminal of the differential amplifier circuit, the offset voltage and the offset voltage drift can be compensated.

【0183】また、本発明によれば、補償回路からの補
償電圧を差動増幅回路の電流源の制御端子に入力するの
で、感度の温度による変化を制御して安定化を図ること
ができる。
Further, according to the present invention, since the compensation voltage from the compensation circuit is input to the control terminal of the current source of the differential amplifier circuit, it is possible to stabilize the sensitivity by controlling the change with temperature.

【0184】また、本発明によれば、差動増幅回路のス
イッチ素子をクロックに同期して入れ替え、出力信号を
クロックに同期して対称に反転させて検波するようにし
たので、出力信号とノイズ成分とを分離することがで
き、低ノイズ化を図ることができる。
Further, according to the present invention, the switching elements of the differential amplifier circuit are replaced in synchronization with the clock, and the output signal is symmetrically inverted in synchronization with the clock to detect the output signal. The components can be separated, and noise can be reduced.

【0185】また、本発明によれば、梁上に配置された
複数個のひずみ検出素子を用いて、応力を電気的に増幅
して検出するので、従来の拡散抵抗を用いたブリッジ回
路に比べて出力信号レベルを大きくして、検出感度を大
きくとることができ、また、これによりブリッジ回路を
省略でき、増幅回路の負担を小さくできるため、消費電
力を抑えることが可能となる。
Further, according to the present invention, the stress is electrically amplified and detected by using a plurality of strain detecting elements arranged on the beam, so that the stress is compared with a conventional bridge circuit using a diffusion resistor. As a result, the detection sensitivity can be increased by increasing the output signal level, the bridge circuit can be omitted, and the load on the amplifier circuit can be reduced, so that the power consumption can be suppressed.

【0186】また、本発明によれば、差動増幅回路を用
いて、応力が加わる検出軸方向の加速度成分に対しては
差動モードとして出力し、他軸方向の加速度成分に対し
ては同相モードとして出力するようにしたので、検出軸
と他軸との感度比を大きくとることができる。
According to the present invention, the differential amplifier circuit is used to output the acceleration component in the detection axis direction to which the stress is applied in the differential mode, and to output the in-phase acceleration component in the other axis direction. Since the mode is output, the sensitivity ratio between the detection axis and the other axis can be increased.

【0187】さらに、本発明によれば、差動増幅された
出力信号を用いているので、製造条件のばらつきによら
ず、オフセット出力、および、他軸感度を小さく抑える
ことができる。
Further, according to the present invention, since the differentially amplified output signal is used, the offset output and the sensitivity of the other axis can be suppressed irrespective of the variation in the manufacturing conditions.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の従来例である加速度センサの構造を示す
断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of an acceleration sensor as a first conventional example.

【図2】図1の加速度センサの平面図である。FIG. 2 is a plan view of the acceleration sensor of FIG.

【図3】Z軸のブリッジ回路を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a Z-axis bridge circuit.

【図4】(a)は第2の従来例を示す断面図、(b)は
その平面図である。
FIG. 4A is a cross-sectional view showing a second conventional example, and FIG. 4B is a plan view thereof.

【図5】本発明の第1の実施の形態である加速度センサ
の構造を示す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing a structure of the acceleration sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図6】センサ部を構造を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing the structure of a sensor unit.

【図7】反転増幅器の電気的な配線を拡大して示す回路
図である。
FIG. 7 is an enlarged circuit diagram showing electrical wiring of the inverting amplifier.

【図8】基本回路の構成を示す回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a basic circuit.

【図9】加速度と出力電圧との関係を示す特性図であ
る。
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a relationship between acceleration and output voltage.

【図10】本発明のシステム構成を示すブロック図であ
る。
FIG. 10 is a block diagram showing a system configuration of the present invention.

【図11】制御部の内部構成を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram illustrating an internal configuration of a control unit.

【図12】反転増幅器を示す回路図である。FIG. 12 is a circuit diagram showing an inverting amplifier.

【図13】反転増幅器と制御部との信号のやりとりを示
すブロック図である。
FIG. 13 is a block diagram showing exchange of signals between an inverting amplifier and a control unit.

【図14】本発明の第2の実施の形態であるセンサの出
力特性を示す特性図である。
FIG. 14 is a characteristic diagram showing output characteristics of the sensor according to the second embodiment of the present invention.

【図15】温度上昇に対する感度の変化を示す特性図で
ある。
FIG. 15 is a characteristic diagram showing a change in sensitivity to a temperature rise.

【図16】アナログ回路による補償回路の1例を示す回
路図である。
FIG. 16 is a circuit diagram showing an example of a compensation circuit using an analog circuit.

【図17】本発明の第3の実施の形態であるスイッチ素
子の基本構成を示す特性図である。
FIG. 17 is a characteristic diagram illustrating a basic configuration of a switch element according to a third embodiment of the present invention.

【図18】増幅器利得と応力感度との関係を示す特性図
である。
FIG. 18 is a characteristic diagram showing a relationship between amplifier gain and stress sensitivity.

【図19】電流制御トランジスタのバイアスと加速度感
度との関係を示す特性図である。
FIG. 19 is a characteristic diagram showing a relationship between a bias of a current control transistor and acceleration sensitivity.

【図20】温度に対する感度およびオフセットのドリフ
トを示す特性図である。
FIG. 20 is a characteristic diagram showing drift of sensitivity and offset with respect to temperature.

【図21】クロックがオフ時における差動増幅回路の出
力ノイズレベルを示す特性図である。
FIG. 21 is a characteristic diagram illustrating an output noise level of a differential amplifier circuit when a clock is off.

【図22】クロックが10KHz時における差動増幅回
路の出力ノイズレベルを示す特性図である。
FIG. 22 is a characteristic diagram illustrating an output noise level of the differential amplifier circuit when the clock is 10 KHz.

【図23】加速度センサの変形例を示す平面図である。FIG. 23 is a plan view showing a modification of the acceleration sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

510 差動増幅回路 520 アンプ 530 反転増幅回路 600 制御部 700 補償回路 510 Differential amplifier circuit 520 Amplifier 530 Inverting amplifier circuit 600 Control unit 700 Compensation circuit

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固定された支持体と、可動自在とされた
重り部と、前記支持体と前記重り部とを接続した肉厚の
薄い梁とを有し、 応力による前記梁のたわみを利用して加速度を測定する
集積化加速度センサであって、 前記梁の応力集中部に配設され、該梁に加わる応力を検
出する複数個のひずみ検出素子と、 前記支持体に配設された第1および第2の増幅回路を有
し、前記複数個のひずみ検出素子により出力された出力
値に対して、応力が加わる自軸方向成分に対しては差動
モードとして検出し、かつ、他軸方向成分に対しては同
相モードとして検出する差動増幅回路と、 前記第1および第2の増幅回路の各出力信号に応答して
当該第1および第2の増幅回路の各々におけるオフセッ
トの補償を行うためのオフセット補償信号を作成し、当
該オフセット補償信号を当該第1および第2の増幅回路
の各対応する入力側に帰還するオフセット補償手段とを
具えたことを特徴とする集積化加速度センサ。
1. A fixed support, a movable weight portion, a thin beam connecting the support and the weight portion, and utilizing the deflection of the beam due to stress. An integrated acceleration sensor for measuring acceleration by disposing a plurality of strain detecting elements disposed on a stress concentration portion of the beam, detecting a stress applied to the beam, and a strain detecting element disposed on the support. A first amplifier circuit and a second amplifier circuit, for detecting output components output from the plurality of strain detection elements with respect to a component in a self-axis direction to which stress is applied, as a differential mode; A differential amplifier circuit for detecting a directional component as a common mode; and compensating for an offset in each of the first and second amplifier circuits in response to each output signal of the first and second amplifier circuits. Create an offset compensation signal to perform Integrated accelerometer, characterized in that the offset compensation signal comprises an offset compensation means for feeding back to the input side of each corresponding said first and second amplifier circuits.
【請求項2】 前記オフセット補償手段により作成した
前記オフセット補償信号を、前記第1および第2の増幅
回路の各々の入力端子に入力することを特徴とする請求
項1記載の集積化加速度センサ。
2. The integrated acceleration sensor according to claim 1, wherein said offset compensation signal generated by said offset compensation means is input to each input terminal of said first and second amplifier circuits.
【請求項3】 前記帰還処理の施された前記第1および
第2の増幅回路の各出力信号に対して、温度の補償を行
うための温度補償信号を作成する温度補償手段をさらに
具えたことを特徴とする請求項1又は2記載の集積化加
速度センサ。
3. A temperature compensating means for generating a temperature compensating signal for compensating a temperature for each output signal of the first and second amplifier circuits subjected to the feedback processing. 3. The integrated acceleration sensor according to claim 1, wherein:
【請求項4】 前記温度補償手段により作成した前記温
度補償信号を、前記第1および第2の増幅回路の各電流
源の制御端子に入力することを特徴とする請求項3記載
の集積化加速度センサ。
4. The integrated acceleration according to claim 3, wherein said temperature compensation signal generated by said temperature compensation means is input to control terminals of respective current sources of said first and second amplifier circuits. Sensor.
【請求項5】 前記第1および第2の増幅回路は、クロ
ックに同期して動作状態が切り替えられるスイッチ素子
をさらに具えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれ
かに記載の集積化加速度センサ。
5. The integrated circuit according to claim 1, wherein the first and second amplifier circuits further include a switch element whose operation state is switched in synchronization with a clock. Acceleration sensor.
【請求項6】 前記ひずみ検出素子は、MOS型トラン
ジスタであることを特徴とする請求項1ないし5のいず
れかに記載の集積化加速度センサ。
6. The integrated acceleration sensor according to claim 1, wherein said strain detecting element is a MOS transistor.
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