KR101108091B1 - 정전용량 검출 장치 - Google Patents

정전용량 검출 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101108091B1
KR101108091B1 KR1020087019029A KR20087019029A KR101108091B1 KR 101108091 B1 KR101108091 B1 KR 101108091B1 KR 1020087019029 A KR1020087019029 A KR 1020087019029A KR 20087019029 A KR20087019029 A KR 20087019029A KR 101108091 B1 KR101108091 B1 KR 101108091B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
signal
capacitance
measurement target
search
circuit
Prior art date
Application number
KR1020087019029A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20080089625A (ko
Inventor
키요시 타테이시
타카노리 마에다
Original Assignee
파이오니아 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 파이오니아 가부시키가이샤 filed Critical 파이오니아 가부시키가이샤
Publication of KR20080089625A publication Critical patent/KR20080089625A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101108091B1 publication Critical patent/KR101108091B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring 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
    • G01P15/125—Measuring 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 by capacitive pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

피측정 대상의 미소한 정전용량의 변화를 고감도로 검출할 수 있는 정정용량 검출장치가 개시된다. 정정용량 검출장치는, 신호발생기, 차동증폭 회로 및 검출부를 구비한다. 신호발생기는, 피측정 대상의 일단에 인가될 탐색신호 w(t)를 생성한다. 차동증폭 회로는, 탐색신호 w(t)의 인가에 따라 피측정 단자의 타단에서 발생한 응답신호 v1(t)와 탐색신호 w(t)를 차동증폭한다. 검출부는, 차동증폭 회로로부터의 증폭신호 v(t)에 기초하여 피측정 대상의 정전용량의 변화를 검출한다.
Figure R1020087019029
정정용량 검출장치, 신호발생기, 차동증폭 회로, 검출부

Description

정전용량 검출 장치{ELECTROSTATIC CAPACITY DETECTION DEVICE}
본 발명은, 피측정 대상의 정전용량의 변화를 검출하는 기술에 관한 것으로, 특히, 피측정 대상의 정전용량의 변화를 검출하고, 검출된 정전용량의 변화에 기초하여 피측정 대상에 인가된 압력, 혹은 피측정 대상의 각속도, 가속도 또는 변위 등의 물리량을 측정하는 기술에 관한 것이다.
피측정 대상인 검출 소자의 정전용량 또는 그 정전용량의 변화를 검출하여 당해 정전용량 또는 그 정전용량의 변화에 따른 물리량을 측정하는 센서가 알려져 있다. 이 종류의 센서에 관한 종래 기술은, 예를 들면, 특허 문헌1(일본국 특개평11-14482호 공보 또는 특허 제3386336호 공보)에 개시되어 있다.
특허 문헌1에 개시되는 센서에서는, 피측정 대상의 정전용량의 변화를 검출하기 위해 연산증폭기(Operational Amplifier)가 사용된다. 이 연산증폭기에서는,비반전 입력단자는 접지되고, 반전 입력단자는 스위치를 통해 검출용 소자에 접속되고, 또한, 연산증폭기의 출력 단자와 반전 입력단자 사이에는 피드백 커패시터가 접속되어 있다. 그 피드백 커패시터의 정전용량이 작을수록, 연산증폭기의 출력 진폭은 증대하고 검출감도는 향상하지만, 피드백 커패시터의 정전용량이 지나치게 작으면, 연산증폭기의 출력이 당해 연산증폭기의 출력 다이나믹 레인지를 초과할 수 없고 포화하게 된다. 따라서, 검출 감도의 향상에는 한계가 있다. 특히, 미소한 정전용량의 변화 검출을 위해 작은 정전용량의 피드백 커패시터를 사용한 경우, 연산증폭기의 출력은 포화하기 쉽다는 문제가 있다.
다른 한편, 고밀도 기록을 가능하게 하는 강유전체 메모리가 차세대의 대용량 스토리지 메디아의 하나로서 연구되고 있다. LiTaO3 등의 강유전체 재료는 미소영역마다 자발 분극을 가질 수 있고, 이 자발 분극의 방향을 외부 전계의 인가에 의해 바꿀 수 있다. 이 때문에, 자발 분극의 방향에 대응한 비트 정보를 강유전체 메모리에 기록하는 것이 가능하다. 또한, 강유전체 재료의 정전용량 변화를 검출함으로써 자발 분극의 방향을 검출할 수 있다.
예를 들면, 특허 문헌2(일본국 특개2004-127489호 공보) 및 특허 문헌3(유럽 특허출원 공개 제1398779호 공보)에는, 강유전체 메모리에 기록된 비트 정보를 재생할 수 있는 재생 장치가 개시되어 있다. 이 재생 장치는, 강유전체 메모리 중 미소한 정전용량(C)을 갖는 분극 부위와 인덕턴스(L)을 갖는 인덕터로 구성되는 LC공진 회로를 사용하는 것이다. 재생 장치는, 강유전체 메모리에 교번 전계를 인가하기 위해 사용되는 프로브(탐침)와, 분극 부위의 정전용량(C) 및 인덕터(L)로 결정되는 주파수에서 발진하는 발진기와, 발진기의 출력을 복조하는 FM복조기를 갖고 있다. LC공진 회로의 공진 주파수는 1GHz 정도이다.
특허 문헌2에 개시되는 재생 장치는, 고분해능의 실현을 위해 발진기나 FM복조기를 필요로 하지만, 이들 발진기나 FM복조기는 집적회로화에 적합한 구성은 아 니다. 또한, 발진기나 FM복조기는 GHz의 고주파수 대역에서 동작할 필요가 있기 때문에, 외부로부터의 노이즈나 정전기의 영향을 받기 쉽다고 하는 문제가 있다.
또한, 특허 문헌2에 개시된 바와 같은 강유전체 메모리에 기록된 분극 상태를 검출하려면, 강유전체 재료의 미소한 정전용량의 변화를 검출할 필요가 있다. 그러나, 특허 문헌1에 기재된 센서는, 그와 같은 미소한 정전용량의 변화를 검출할 수 있는 능력을 갖지 않는다.
특허 문헌1: 일본국 특개평11-14482호 공보(특허 제3386336호 공보)
특허 문헌2: 일본국 특개2004-127489호 공보
특허 문헌3: 유럽 특허출원 공개 제1398779호 공보(특허 문헌2에 관한 일본국 특허출원의 대응 유럽 특허 출원에 관한 공개 공보)
상기를 감안하여 본 발명의 목적의 하나는, 피측정 대상의 미소한 정전용량의 변화를 고감도로 검출할 수 있는 정전용량 검출 장치를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 비교적 저주파로 동작해도 강유전체 재료의 분극 상태를 고분해능으로 검출할 수 있는 정전용량 검출 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 집적회로화에 적합한 정전용량 검출장치의 제공이다.
본 발명의 1 양태에 의한 정전용량 검출 장치는, 피측정 대상의 정전용량의 변화를 나타내는 검출 신호를 제공하는 정전용량 검출 장치에 있어서, 소정의 주파수를 갖는 탐색 신호를 생성하여 이를 상기 피측정 대상의 일단에 공급하는 신호 발생기와, 상기 피측정 대상의 타단으로부터 얻어지는 응답 신호와 상기 탐색 신호를 차동증폭하는 차동증폭 회로와, 상기 차동증폭 회로에서의 증폭 신호에 기초하여 상기 검출 신호를 얻는 검출부를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 다른 양태에 의한 정전용량 검출 장치는, 피측정 대상의 정전용량의 변화를 나타내는 검출 신호를 제공하는 정전용량 검출 장치에 있어서, 소정의 주파수를 갖는 탐색 신호를 생성하여 이를 상기 피측정 대상의 일단에 공급하는 제1 신호 발생기와, 상기 피측정 대상의 타단으로부터 얻어지는 응답 신호와 기준 신호를 차동증폭하는 차동증폭 회로와, 상기 탐색 신호와는 반대의 위상 특성을 갖는 반전 신호를 생성하는 제2 신호 발생기와, 상기 피측정 대상의 타단과 상기 제2 신호?발생기 사이에 접속되고 또한 상기 반전 신호의 전하를 축적하는 조정커패시터와, 상기 차동증폭 회로로부터의 증폭 신호에 기초하여 상기 검출 신호를 얻는 검출부를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
도1은, 본 발명에 관한 실시예의 정전용량 검출 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도2는, 신호 발생기의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도3은, 게인/옵셋 조정기 및 차동증폭 회로의 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도4는, 집적회로화에 적합한 구성의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도5는, 집적회로화에 적합한 구성의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
도6은, 제1 실시예의 정전용량 검출장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍챠트 이다.
도7은, 제1 실시예의 정전용량 검출 장치의 구성의 일부를 개략적으로 나타내는 블록선도이다.
도8은, 본 발명에 관한 제2 실시예의 차동증폭 회로의 구성의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도9는, 조정 커패시터인 조정 커패시터의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도10은, 제2 실시예의 전압조정회로 및 옵셋 조정 회로의 구체적인 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도11은, 제2 실시예의 차동증폭 회로의 변형례를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도12는, 제2 실시예의 정전용량 검출 장치의 구성의 일부를 개략적으로 나타내는 블록선도이다.
도13은, 본 발명에 관한 제3 실시예의 정전용량 검출 장치의 개략 구성을 나타내는 블록도이다.
도14는, 강유전체 매체의 단면도를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도15는, 제3 실시예의 정전용량 검출 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍챠트이다.
본 출원은, 일본국 특허 출원 제2006-029917호를 우선권 주장의 기초로 하는 것으로, 당해 기초 출원 내용은 본원에 원용되는 것으로 한다.
이하, 본 발명에 관한 각종 실시예에 대해 설명한다.
도1은, 본 발명에 관한 실시예의 정전용량 검출 장치(1)의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 이 정전용량 검출 장치(1)는, 신호 발생기(10), 센서부(12), 차동증폭형 적분회로(13), 콘트롤러(14), 동기 검출부(22) 및 연산부(23)를 갖는다. 동기 검출부(22)는, 제1 샘플-홀드 회로(S/H)(20A), 제2 샘플-홀드 회로(S/H)(20B) 및 신호 산출부(21)로 구성되어 있다. 이 정전용량 검출 장치(1)는, 센서부(12)에 배치된 피측정 대상(2)의 정전용량의 변화를 검출하는 것이다. 피측정 대상(2)은, 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 외부로부터의 공기압 또는 접촉압에 따라 변위하고 이 변위에 따라 정전용량이 변화하는 소자라도 좋고, 가속도 또는 각속도에 따라 정전용량이 변화하는 소자라도 좋다.
신호 발생기(10)는, 콘트롤러(14)에 의해 제어되고, 피측정 대상(2)의 일단에 인가될 탐색 신호 w(t)를 생성한다. 후술하는 바와 같이, 탐색 신호 w(t)는, 소정의 주파수와 소정의 전압 진폭을 갖는 펄스 신호이다. 또, 신호 발생기(10)는, 동기 검출부(22)의 샘플-홀드 회로(20A,20B)에 각각 공급될 샘플링 펄스 SP1, SP2와, 차동증폭형 적분 회로(13)에 공급될 리셋 펄스 RP를 생성한다.
도2에 이 신호 발생기(10)의 구성의 일례를 개략적으로 나타낸다. 도2를 참조하면, 신호발생기(10)는, 발진기(30), n비트 카운터(31)(n은 2 이상의 정수), 아날로그 스위치(32) 및 디코더(33)를 갖고 있다. 발진기(30)는, 예를 들면 수정 발진기 등의 발진소자를 사용하여 고정밀도의 기준클록 CLK를 생성하고, 이 기준클록 CLK를 카운터(31)에 공급한다. 카운터(31)는, 기준클록 CLK의 펄스를 계수하여 그 계수치를 나타내는 n비트의 2진 부호로 이루어지는 출력 CS를 제공한다. 디코더(33)는, 카운터(31)의 출력 CS에 기초하여 샘플링 펄스 SP1, SP2와 리셋 펄스 RP를 생성한다.
아날로그 스위치(32)는, 기준 전위 Vref에 대해 정(positive)의 전압 극성을 갖는 전원 전압 +Vd와, 기준 전위 Vref에 대해 부(negative)의 전압 극성을 갖는 전원 전위 -Vd의 공급을 받고 있다. 또한, 아날로그 스위치(32)는, 카운터(31)의 출력 CS에 기초하여, 이들 +Vd, -Vd의 전원 전압을 사용하여 +Vd의 전압을 갖는 펄스와 -Vd의 전압을 갖는 펄스의 조합으로 이루어지는 펄스 신호를 탐색 신호 w(t)로서 생성할 수 있다. 아날로그 스위치(32)는, 콘트롤러(14)로부터의 제어 신호에 따라, 펄스 신호의 진폭, 전압 극성, 펄스폭 및 주파수의 조합을 가변적으로 설정하는 것이 가능하다. 또한, 아날로그 스위치(32)는, 펄스 신호에 포함될 수 있는 노이즈 성분을 제거하는 로우패스 필터를 가져도 좋다.
본 실시예에서는, 기준 전위 Vref는 GND 레벨(접지 전위)이고, 아날로그 스위치(32)는, 탐색 신호 w(t)를 생성하기 위해 기준 전위 Vref에 대해 정극성의 전압 +Vd와 부극성의 전압 -Vd를 사용하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 아날로그 스위치(32)는, GND레벨보다 큰 기준 전위 Vref에 대해 정의 전압 극성을 갖는 전원 전압 Vp(=2×Vref)와, 기준 전위 Vref에 대해 부의 전압 극성을 갖는 전원 전압 Vn(=GND 레벨)을 사용하여 탐색 신호 w(t)를 생성해도 좋다.
도1을 참조하면, 센서부(12)는, 신호 발생기(10)로부터의 탐색 신호 w(t)를 피측정 대상(2)의 일단에 인가하는 한편, 이 탐색 신호 w(t)의 인가에 따라 피측정 대상(2)의 타단에 발생한 응답 신호 v1(t)를 차동증폭형 적분 회로(13)에 공급하는 것이다.
차동증폭형 적분 회로(13)(이하, 간단히「차동증폭 회로(13)」라 한다.)는,신호 발생기(10)부터의 탐색 신호 w(t)와, 센서부(12)로부터의 응답 신호 v1(t)를 차동증폭하고, 그 증폭 신호 v(t)를 샘플-홀드 회로(20A,20B)의 각각에 제공한다.
제1 샘플-홀드 회로(20A)는, 샘플링 펄스 SP1에 따라, 차동증폭 회로(13)로부터의 증폭 신호 v(t)의 정의 피크 레벨(전압 레벨의 극대치)를 샘플링하여 이를 유지하고, 당해 샘플링된 정의 피크 레벨을 갖는 피크 신호 ps(t)를 신호 산출부(21)에 제공한다. 한편, 제2 샘플-홀드 회로(20B)는, 샘플링 펄스 SP2에 따라, 차동증폭 회로(13)로부터의 증폭 신호 v(t)의 부의 피크 레벨(전압 레벨의 극소치)를 샘플링하여 이를 유지하고, 당해 샘플링된 부의 피크 레벨을 갖는 보텀(bottom) 신호 bs(t)를 신호산출부(21)에 제공한다. 신호산출부(21)는, 피크 신호 ps(t)의 정 피크 레벨과 보텀 신호 bs(t)의 부 피크 레벨을 가산하거나, 또는 정 피크 레벨과 부 피크 레벨 중의 일방으로부터 타방을 감산하는 가감산기이다. 신호산출부(21)는, 콘트롤러(14)의 제어에 의해 가산 또는 감산의 어느 한쪽을 선택적으로 실행하여 검출 신호 ds(t)를 생성할 수 있다. 연산부(23)는, 검출 신호 ds(t)에 기초하여, 피측정 대상(2)에 인가된 압력 또는 피측정 대상(2)의 각속도, 가속도 또는 변위와 같은 물리량을 산출할 수 있다.
제1 실시예
이하, 본 발명의 제1 실시예에 대해 설명한다. 도3은, 제1 실시예에 관한 차동증폭 회로(13)의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 차동증폭 회로(13)는, 피드백 커패시터(61) 및 리셋 스위치(62)를 구비한 연산증폭기(60)와 게인/옵셋 조정기(11)를 갖는다. 게인/옵셋 조정기(11)는, 탐색 신호 w(t)의 전압 진폭을 조정함과 동시에 탐색 신호 w(t)의 중심 전압을 시프트시키는 옵셋 조정을 실행한다. 게인/옵셋 조정기(11)에서 조정된 신호 v2(t)는, 연산증폭기(60)의 비반전 입력단자(+)에 입력되고, 센서부(12)로부터의 응답 신호 v1(t)는, 연산증폭기(60)의 반전 입력단자(-)에 입력된다. 연산증폭기(60)의 반전 입력단자(-)와 출력 단자 사이에는 소정의 정전 용량 CF를 갖는 피드백 커패시터(61)가 접속되고, 이 피드백 커패시터(61)와 병렬로 리셋 스위치(62)가 접속되어 있다. 리셋 펄스 RP에 따라 리셋 스위치(62)가 ON으로 되고 도통 상태로 되면, 피드백 커패시터(61)의 양단은 단락하고, 피드백 커패시터(61)에 축적된 전하는 방전된다.
센서부(12)에 있어서, 접속 단자(51A,51B)는, 피측정 대상(2)과 직접 접속되거나, 또는 피측정 대상(2)과 소정 간격을 두고 근접하여 배치된다. 피측정 대상(2)은, 이들 접속 단자(51A,51B) 사이에 정전용량 CP를 갖고 있다. 이 피측정 대상(2)의 일단에 접속 단자(51A)를 통해 탐색 신호 w(t)가 인가되면, 이 인가에 따라 접속 단자(51B)에 응답 신호 v1(t)가 발생하고, 이 응답 신호 v1(t)가 연산증폭기(60)의 반전 입력단자(-)에 공급된다.
도3에 나타낸 게인/옵셋 조정기(11)는, 저항 R1을 갖는 제1 저항소자(40)와, 저항 R2를 갖는 제2 저항소자(41)로 이루어지는 진폭 조정 회로를 갖고, 또한, 탐색 신호 w(t)의 DC성분을 제거하기 위해 사용되는 제1 커패시터(42)와, 탐색 신호 w(t)의 고역 성분에 존재하는 노이즈를 제거하기 위해 사용되는 제2 커패시터(43)를 갖는다. 저항 R1, R2의 값을 적절히 선택함으로써, 탐색 신호 w(t)의 전압을 최적 레벨로 조정할 수 있다. 또한, 제1저항소자(40)의 일단은 신호 발생기(10)에 접속되고, 당해 제1저항소자(40)의 타단은 제2저항소자(41)의 일단과 접속되고, 당해 제2저항소자(41)의 타단은 접지되어 있다. 또, 제1 커패시터(42) 및 제2 커패시터(43)는 직렬접속되어 있고, 제2 커패시터(43)의 일단은 접지되어 있다. 이들 제1 커패시터(42)와 제2 커패시터(43) 간의 접속점 N1으로부터 조정 신호 v2(t)가 차동증폭 회로(13)에 공급된다.
또한, 게인/옵셋 조정기(11)는, 직렬접속된 저항소자(44)와 가변 저항소자(45)로 이루어지는 옵셋 조정 회로를 갖는다. 저항소자(44)의 일단에는 정극성의 전원 전압 +Vd가 공급되고, 가변 저항소자(45)의 일단에는 부극성의 전원 전압-Vd가 공급되어 있다. 접속점 N1은, 가변 저항소자(45)에 접속되어 있다. 이 가변 저항소자(45)의 저항치를 조정함으로써, 탐색 신호 w(t)의 중심 전압을 소망 레벨로 조정할 수 있다.
이와 같이 게인/옵셋 조정기(11)는 탐색 신호 w(t)의 전압 진폭과 옵셋(중심 전압과 소망 레벨 간의 차)를 조정하고, 그 조정 신호 v2(t)를 연산증폭기(60)에 공급하고 있고, 연산증폭기(60)는, 그 조정 신호 v2(t)의 전압을 기준 전압으로서 사용하면서, 반전 입력단자(-)와 비반전 입력단자(+) 간의 전압 차를 증폭(차동증 폭)하는 것이다. 그러므로, 검출 감도 향상을 위해 피드백 커패시터(61)의 정전용량CF를 작게 하여도 연산증폭기(60)의 출력 포화를 방지하는 것이 가능하고, SN비(signal-to-noise ratio)의 향상도 가능하다.
종래 기술에서는, 연산증폭기(60)의 비반전 입력단자(+)에 일정 기준 전압(예컨대, 접지 전압)이 인가되어 있었으나, 이것에서는, 검출 감도를 향상시키기 위해 피드백 커패시터(61)의 정전용량 CF를 지나치게 작게 하면, 연산증폭기(60)의 출력인 증폭 신호 v(t)는, 연산증폭기(60)의 출력 다이나믹 레인지를 초과할 수 없고 포화하게 된다. 한편, 본 실시예는, 응답 신호 v1(t)와 거의 같은 위상 특성을 갖는 조정 신호 v2(t)를 기준신호로서 사용하고 이 조정 신호 v2(t)를 비반전 입력단자(+)에 입력하는 구성을 채용한다. 또, 증폭 신호 v(t)가 연산증폭기(60)의 출력 다이나믹 레인지에 수렴하도록, 게인/옵셋 조정기(11)에서 조정 신호 v2(t)의 전압 진폭과 중심 전압을 조정할 수 있다. 따라서, 예컨대 정전용량 CF를 작게 하여도 증폭 신호 v(t)의 전압레벨은 포화레벨에 달하지 않고 적절한 범위로 제한될 수 있다. 따라서, 피측정 대상(2)의 정전용량 C의 변화를 고감도로 검출하는 것이 가능하게 된다.
또한, 도3의 예에서는, 피드백 커패시터(61)와 리셋 스위치(62)의 조합의 수는 1조 만이지만, 이에 한하지 않고, 복수 조의 피드백 커패시터와 리셋 스위치의 조합을, 반전 입력단자(-)와 출력 단자 사이에 접속해도 된다. 이에 의해 피측정 대상(2)에 따라 최적의 정전용량을 갖는 피드백 커패시터를 선택하여 검출 감도를 조정하는 것이 가능하게 된다.
또한, 도3에 나타낸 구성은 집적회로화에 적합한 구성이다. 즉, 신호 발생기(10), 게인/옵셋 조정기(11) 및 차동증폭 회로(13)를 집적회로에 조입하도록 용이하게 설계할 수 있다. 또한, 집적회로화에 적합한 구성을 도4에 나타낸다. 도4에 나타낸 구성은, 게인/옵셋 조정기(11A)를 제외하고 도3에 나타낸 구성과 같다.
도4를 참조하면, 게인/옵셋 조정기(11A)는, 게인 레지스터(46A), 옵셋 레지스터(46B), D/A변환기(DAC)(47A,47B), 아날로그 가산기(48) 및 가변이득 증폭기 (VGA; Variable Gain Amplifier)(49)를 포함한다. 게인 레지스터(46A)와 옵셋 레지스터(46B)는, 각각, 콘트롤러(14)(도1)로부터 제공된 제어 신호 RD1, RD2의 값을 유지한다. D/A변환기(47A)는, 게인 레지스터(46A)의 출력을 D/A변환하고, 그 변환 신호를 가변 이득 증폭기(49)에 공급한다. 가변 이득 증폭기(49)는, D/A변환기 (47A)로부터의 변환 신호의 전압에 따른 이득으로 탐색 신호 w(t)의 전압 진폭을 증폭할 수 있다. 한편, D/A변환기(47B)는, 옵셋 레지스터(46B)의 출력을 D/A변환하고, 그 변환 신호를 아날로그 가산기(48)에 공급한다. 아날로그 가산기(48)는, 가변 이득 증폭기(49)로부터의 증폭 신호에 D/A변환기(47)로부터의 변환 신호를 가산함으로써 탐색 신호 w(t)의 중심 전압을 시프트시킨다.
이와 같이 콘트롤러(14)로부터의 제어 신호 RD1에 따라 가변 이득 증폭기(49)의 이득을 가변적으로 설정할 수 있고, 콘트롤러(14)로부터의 제어 신호 RD2에 따라 탐색 신호 w(t)의 옵셋 조정량을 가변적으로 설정할 수 있다. 따라서, 증폭 신호 v(t)의 전압 레벨이 포화 레벨에 달하지 않고 연산증폭기(60)의 출력 다이 나믹 레인지에 수렴하도록, 적절한 옵셋 조정량 및 적절한 이득을 설정하는 것이 가능하다.
집적회로화에 적합한 차동증폭 회로(13)의 또 다른 예를 도5에 나타낸다. 도5에 나타낸 구성은, 게인/옵셋 조정기(11B)와 신호 발생기(10B)를 제외하고 도3에 나타낸 구성과 같다. 도5의 게인/옵셋 조정기(11B)는, 게인 레지스터(46A), 옵셋 레지스터(46B), 디지털 승산기(49D), 디지털 가산기(48D) 및 D/A변환기(DAC) (47C,47D)를 포함한다. 신호 발생기(10B)는, 디지털 탐색 신호 wd(t)를 출력하고, D/A변환기(47D)는, 디지털 탐색 신호 wd(t)를 D/A변환하여 그 변환 신호를 탐색 신호 w(t)로서 제공한다. 게인 레지스터(46A)와 디지털 승산기(49D)와 D/A변환기(47C)로 디지털 증폭 회로(진폭 조정 회로)가 구성되고, 옵셋 레지스터(46B)와 디지털 가산기(48D)와 D/A변환기(47C)로 옵셋 조정 회로가 구성된다. 또한, DSP (Digital Signal Processor)의 디지털 신호 처리용 프로세서에 의해, 레지스터 (46A,46B), 디지털 승산기(49D) 및 디지털 가산기(48D)가 구성되어도 좋다.
도5에 나타낸 게인 레지스터(46A)와 옵셋 레지스터(46B)는, 각각, 콘트롤러(14)(도1)로부터의 제어 신호 RD1,RD2의 값을 유지한다. 디지털 승산기(49D)는, 게인 레지스터(46A)의 출력을 신호 발생기(10B)의 디지털 출력 wd(t)에 승산하고, 디지털 가산기(48D)는, 디지털 승산기(49D)의 출력에 옵셋 레지스터(46B)의 출력을 가산한다. D/A변환기(47C)는, 디지털 가산기(48D)로부터의 디지털 신호를 D/A변환함으로써 조정 신호 v2(t)를 생성하게 된다.
게인 레지스터(46A)에 유지되는 값을 조정함으로써 디지털 증폭 회로의 이득 을 가변적으로 설정할 수 있고, 옵셋 레지스터(46B)에 유지되는 값을 조정함으로써 조정 신호 v2(t)의 옵셋 조정량을 가변적으로 설정할 수 있다. 이 때문에, 탐색 신호 w(t)에 대해 소망 이득으로 증폭되고 또한 옵셋 조정을 실시한 조정 신호 v2(t)를 얻을 수 있다. 따라서, 증폭 신호 v(t)의 전압레벨이 포화 레벨에 달하지 않고 연산증폭기(60)의 출력 다이나믹 레인지에 수렴되도록, 적절한 옵셋 조정량 및 적절한 이득을 설정하는 것이 가능하다.
다음에, 도6(A)～(L)의 타이밍챠트를 참조하면서, 상기 정전용량 검출장치 (1)의 동작의 일례를 이하에 상세히 설명한다. 이 예에서, 도2의 발진기(30)는 도6(A)에 나타내는 기준클록 CLK를 생성하고, 도2의 카운터(31)는, 기준클록 CLK의 펄스를 계수하여 3비트의 2진 부호 Q0, Q1, Q2를 생성하는 것으로 한다. 카운터(31)는, 기준클록 CLK를 2분주하여 도6(B)에 나타낸 바와 같은 최하위 비트(LSB) Q0를 생성하고, 동시에, 기준클록 CLK를 8분주하여 도6(C)에 나타낸 바와 같은 최상위 비트(MSB) Q2를 생성한다. 도6(D)에 카운터(31)에 유지되는 카운트치를 나타낸다.
도2의 아날로그 스위치(32)는, 도6(E)에 나타낸 바와 같이, 최상위 비트 Q2에 동기하여, 정극성의 전압 +Vd를 갖는 정극성 펄스와 부극성의 전압 -Vd를 갖는 부극성 펄스를 번갈아 탐색 신호 w(t)로서 발생한다. 즉, 최상위 비트 Q2의 신호 레벨이 저레벨이면 정극성 펄스가 생성되고, 최상위 비트 Q2의 신호 레벨이 고레벨이면 부극성 펄스가 생성된다. 이들 정극성 펄스 및 부극성 펄스는, 탐색 신호 w(t)로서 게인/옵셋 조정기(11)에 공급된다.
아날로그 스위치(32)가 정극성 펄스의 탐색 신호 w(t)를 피측정 대상(2)의 일단에 인가하는 기간에는, 도6(G)에 나타낸 바와 같이, 연산증폭기(60)의 출력 v(t)의 전압 레벨은 하강한 후에 부피크 레벨에 달한다. 한편, 부극성 펄스의 탐색 신호 w(t)가 측정 대상(2)의 일단에 인가되는 기간에는, 도6(G)에 나타낸 바와 같이, 연산증폭기(60)의 출력 v(t)의 전압 레벨은 상승한 후에 정피크 레벨에 달한다.
한편, 도2의 디코더(33)는, 도6(F)에 나타낸 바와 같이, 탐색 신호 w(t)의 정극성 펄스와 부극성 펄스의 각각이 생성되기 직전에, 고레벨의 리셋 펄스 RP를 생성한다. 이 리셋 펄스 RP는, 도3의 차동증폭 회로(13)의 리셋 스위치(62)를 ON으로 하여 피드백 커패시터(61)에 축적된 전하를 방전시킨다. 이에 의해 연산증폭기(60)의 출력 v(t)의 전압 레벨은, 도6(G)에 나타낸 바와 같이, 상승 또는 하강하기 전에 기준전위 Vref에 고정되게 된다.
도1의 제1 샘플-홀드 회로(20A)는, 도6(H)에 나타낸 샘플링 펄스 SP1의 하강 에지에서 증폭 신호 v(t)의 정피크 레벨을 샘플링하여 이를 유지한다. 이 결과, 피크 신호 ps(t)는, 도6(I)에 나타낸 바와 같은 정피크 레벨을 갖는 파형을 형성한다. 또, 도1의 제2 샘플-홀드 회로(20B)는, 도6(I)에 나타낸 샘플링 펄스 SP2의 하강 에지에서 증폭 신호 v(t)의 부피크 레벨을 샘플링하여 이를 유지한다. 이 결과,보텀 신호 bs(t)는, 도6(K)에 나타낸 바와 같은 부피크 레벨을 갖는 파형을 형성한다.
도1의 신호 산출부(21)는, 기준 전위 Vref로부터 보아 정의 전압 극성을 갖는 정피크 레벨로부터, 부의 전압 극성을 갖는 부피크 레벨을 감산함으로써 도6(L)로 나타낸 바와 같은 피크 투 피크 전압을 나타내는 검출 신호 ds(t)를 생성할 수 있다. 이하에 설명하는 바와 같이, 검출 신호 ds(t)의 전압 변화량은 피측정 대상(2)의 정전용량 CP의 변화량 △CP에 대략 비례하기 때문에, 검출 신호 ds(t)의 전압을 감시함으로써 피측정 대상(2)의 정전용량 변화를 검출하는 것이 가능하게 된다.
이하, 이론적인 배경을 설명한다. 도7은, 게인/옵셋 조정기(11), 피측정 대상(2), 연산증폭기(60) 및 피드백 커패시터(61)로 이루어지는 시스템을 나타내는 블록선도이다.
도7에서는, 도3에 나타낸 시간 t에 관한 함수 w(t), v1(t), v2(t), v(t)의 라플라스 변환을, 각각, W(s), V1(s), V2(s), V(s)로 표시하는 것으로 한다. 여기에서, s는 라플라스 변환의 변수(라플라스 연산자)이다. 또, 피측정 대상(2)의 전달 특성(임피던스)를 Z1(s), 연산증폭기(60)의 오픈 루프 게인을 μ, 피드백 커패시터(61)의 전달 특성(임피던스)을 Z2(s)로 각각 나타내는 것으로 한다. 또한, 설명의 편의를 위해, 게인/옵셋 조정기(11)의 전달 특성 G는 이득(게인)만을 나타내는 것으로 한다
연산증폭기(60)의 입력 임피던스가 거의 무한대일 때, 다음 식(1) 및 (2)가 주어진다.
Figure 112008055647391-pct00001
Figure 112008055647391-pct00002
상기 식(2)의 V1(s), V2(s)를 상기 식(1)에 대입하고, 식(1)을 정리하면, 다음 식(3)이 주어진다.
Figure 112008055647391-pct00003
피측정 대상(2)의 정전용량은 CP이기 때문에, 피측정 대상(2)의 전달 특성은, Z1(s) = 1/(CP×s)로 된다. 또한, 피드백 커패시터(61)의 정전용량은 CF이기 때문에, 피드백 커패시터(61)의 전달 특성은, Z2(s)=1/(CF×s),이다. 따라서, 상기 식(3)은 다음 식(4)로 변형된다.
Figure 112008055647391-pct00004
오픈 루프 게인 μ가 거의 무한대라고 하면, 상기 식(4)의 전달 함수 V(s)/W(s)는 다음 식(4a)와 같이 된다.
Figure 112008055647391-pct00005
또한, 상기 식(4a)에 있어서, 라플라스 연산자 s를 jω(j는 허수 단위, ω는 각주파수)로 치환하면, 주파수 전달 함수 V(jω)/W(jω)가 구해진다.
게인/옵셋 조정기(11)의 이득 G는 일정하고, 피드백 커패시터(61)의 정전용량 C도 일정하기 때문에, 상기 식(4a)에 나타낸 전달 함수 V(s)/W(s)의 변화량은, 다음 식 (4b)로 주어진다.
Figure 112008055647391-pct00006
상기 식(4b)로부터 명백한 바와 같이, 전달 함수 V(s)/W(s)의 변화량은 피측정 대상(2)의 정전용량 CP의 변화량 △CP에 비례한다. 또한, 탐색 신호 w(t)의 인가진폭치 +Vd, -Vd는 각각 일정하기 때문에, 증폭 신호 v(t)의 피크 투 피크 전압을 나타내는 검출신호 ds(t)의 변화를 검출함으로써 피측정 대상(2)의 정전용량 변화를 검출하는 것이 가능하다.
또한, 게인/옵셋 조정기(11)의 이득 G는, 정전용량 변화 검출 전의 초기상태에 있어서 증폭 신호 v(t)의 진폭이 대략 제로로 되도록 조정되는 것이 바람직하다. 이는, 피측정 대상(2)의 정전용량 CP가 초기 상태의 정전용량 CP(0)으로부터 변화했을 때, 증폭 신호 v(t)의 전압 레벨이 포화 레벨에 달하는 것을 최대한 피하기 위해서이다.
증폭 신호 v(t)의 진폭이 항상 제로이면, 상기 식(4a)의 좌변은 제로로 된다. 이때, 상기 식(4a)는 다음 식(5)로 변형된다.
Figure 112008055647391-pct00007
따라서, 초기 상태에서의 정전용량 CP(0)을 알고 있으면, 상기 식(5)를 사용하여 적합한 이득 G를 결정할 수 있다.
또는, 도4에 나타낸 게인/옵셋 조정기(11)를 사용하여, 증폭 신호 v(t)의 진폭이 대략 제로로 되도록 가변 이득 증폭기(49)의 이득 G를 조정하는 것이 가능하다.
즉, 도1의 콘트롤러(14)는, 도4의 게인 레지스터(46A)에 제공하는 제어 신호RD1의 값을 단계적으로 바꾸는 것에 의해 예를 들면 0.5dB 단위로 가변 이득 증폭기(49)의 이득 G를 단계적으로 변화시킬 수 있다. 콘트롤러(14)는, 각 단계에 있어서, 도1의 연산부(23)에서 측정되는 증폭 신호 v(t)의 진폭이 대략 제로인지 아닌지를 판정한다. 또는, 콘트롤러(14)는, 증폭 신호 v(t)의 진폭이 가장 제로에 가까워지는 단계를 탐색해도 좋다. 그리고, 콘트롤러(14)는, 증폭 신호 v(t)의 진폭이 대략 제로로 된 단계에서의 이득 G, 혹은, 증폭 신호 v(t)의 진폭이 가장 제로에 가까운 단계에서의 이득 G를 결정할 수 있다.
또한, 상기 식(5)를 변형하면, 초기 상태에서의 정전용량 CP(0)는, 이하의 식(6)으로 주어진다.
Figure 112008055647391-pct00008
상기 방법에 의해 이득 G가 결정되면, 식(6)을 사용하여 정전용량 CP(0)을 산출하는 것이 가능하다.
또한, 상기 식(5)의 이득 G를 상기 식(4a)에 대입하여 식(4a)를 정리하면, 전달 함수 V(s)/W(s)는 다음 식(7)로 주어진다.
Figure 112008055647391-pct00009
피측정 대상(2)의 정전용량의 변화량 △CP를, △CP = CP-CP(0)로 나타낼 때, 상기 식(7)은 다음 식(8)로 변형될 수 있다.
Figure 112008055647391-pct00010
피드백 커패시터(61)의 정전용량 CF가 피측정 대상(2)의 정전 용량 CP(0)의 k배(k는 실수)로 되도록 선택된 경우(즉, CF=k×CP(0)의 등식이 성립하는 경우), 상기 식(8)은, 다음 식(9)로 변형될 수 있다.
Figure 112008055647391-pct00011
따라서, 예를 들면, 계수 k가「1.0」,「0.1」의 값일 때의 전달 함수V(s)/W(s)는, 각각, 다음 식(9a),(9b)로 주어진다.
Figure 112008055647391-pct00012
상기 식(9a),(9b)에 예시되는 바와 같이 피드백 커패시터(61)의 정전 용량 CF가 작을수록), 피측정 대상(2)의 정전용량 변화 검출 감도가 향상하는 것을 알 수 있다.
제2 실시예
다음에, 본 발명의 제2 실시예에 대해 설명한다. 도8은, 제2 실시예에 관한 차동증폭 회로(13)의 구성의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다. 이 차동증폭 회로(13)는, 상기 제1 실시예와 같이, 피드백 커패시터(61) 및 리셋 스위치(62)를 구비한 연산증폭기(60)를 갖는다. 또, 차동증폭 회로(13)는, 제어 레지스터(52), D/A변환기(DAC)(53), 전압조정회로(15A), 옵셋 조정 회로(15B) 및 조정 커패시터(16)을 갖고 있다. 도8에서는, 신호 발생기(10)가 본 발명의「탐색 신호를 생성하는 제1 신호 발생기」에 상당하고, 전압조정회로(15A)가 본 발명의「반전 신호를 생성하는 제2 신호 발생기」에 상당한다.
전압조정회로(15A)는, 신호 발생기(10)와 접속되고, 조정 커패시터(16)를 통해 연산증폭기(60)의 반전 입력단자(-)와 접속되고, 조정 커패시터(16)를 통해 센서부(12)의 피측정 대상(2)과 병렬로 접속되어 있다. 전압조정회로(15A)는, 신호 발생기(10)로부터의 탐색 신호 w(t)의 위상 특성을 반전시켜 반전 신호 w2(t)를 생성하고, 동시에, 콘트롤러(14)(도1)로부터의 제어 신호 RD1에 따라 탐색 신호 w(t) 의 전압 진폭을 조정하는 기능을 갖는다.
조정 커패시터(16)는, 신호 발생기(10)와 연산증폭기(60)의 반전 입력단자(-) 사이에 개재하고 또한 전압조정회로(15A)와 직렬로 접속되어 있다. 전압조정회로(15A)의 출력인 반전 신호 w2(t)의 전하(電荷)는 이 조정 커패시터(16)에 축적된다. 제어 레지스터(52)는, 콘트롤러(14)(도1)로부터의 제어 신호 RD3의 값을 유지한다. D/A변환기(53)는, 이 제어 레지스터(52)의 출력을 D/A변환하고, 그 변환 신호를 조정 커패시터(16)에 제공한다. 조정 커패시터(16)는, D/A변환기(53)로부터의 변환 신호의 전압 Vsc에 따라 변화할 수 있는 정전용량을 갖는 가변 커패시터이다.
조정 커패시터(16)의 구성의 일례를 도9에 개략적으로 나타낸다. 도9의 조정 커패시터(16)는, 직렬 접속된 한쌍의 가변 용량 다이오드(56A,56B)와, 2개의 커패시터(57A,57B)와, 3개의 저항소자(58A,58B,58C)로 이루어진다. 가변 용량 다이오드(56A,56B)로서는, 예를 들면, 바랙터?다이오드가 사용되면 좋다. 일방의 가변 용량 다이오드(56A)의 캐소드는 타방의 가변 용량 다이오드(56B)의 캐소드에 접속되고, 이들 한쌍의 가변 용량 다이오드(56A,56B) 간의 접속 중점 N2가, 저항소자(58C)를 통해 D/A변환기(53)의 출력단과 접속되어 있다. 일방의 가변 용량 다이오드(56A)의 애노드는, 정전용량 CB를 갖는 커패시터(57A)를 통해 전압조정회로(15A)와 접속되어 있고, 타방의 가변 용량 다이오드(56B)의 애노드는, 정전용량 CB를 갖는 커패시터(57B)를 통해 연산증폭기(60)의 반전 입력단자(1)에 접속되어 있다. 커패시터(57A,57B)는, DC성분을 차단하기 위한 결합용 커패시터이다. 이들 결 합용 커패시터(57A?57B)의 정전용량 CB가, 가변 용량 다이오드(56A?56B)의 직렬 용량 CDV보다도 매우 커지도록 용량 CB, CDV를 설정한 경우(즉, CB>>CDV의 경우), 조정 커패시터(16)의 정전용량 CV는 직렬 용량 CDV와 거의 동등한 것으로 볼 수 있다.
D/A변환기(53)로부터의 제어 전압 Vsc가 역바이어스 전압으로서 가변 용량 다이오드(56A,56B)의 캐소드에 인가되면, 가변 용량 다이오드(56A,56B)의 정전용량은 그 제어 전압에 따라 변화할 수 있다. 그러므로, 제어 레지스터(52)에 유지되는 값을 조정함으로써 조정 커패시터(16)의 정전용량 CV를 소망 값으로 설정하는 것이 가능하다.
또한, 도8의 조정 커패시터(16) 대신, 병렬로 접속되고 서로 다른 고정 정전용량을 갖는 복수의 커패시터와 스위칭 소자(도시하지 않음)를 사용해도 된다.이러한 경우, 스위칭 소자는, 콘트롤러(14)(도1)로부터의 제어 신호 RD3에 따라 이들 복수의 커패시터 중 어느 것을 선택하고, 선택된 커패시터를 센서부(12)의 피측정 대상(2)과 병렬로 접속하는 것으로 된다.
도8을 참조하면, 옵셋 조정 회로(15B)는, 콘트롤러(14)(도1)로부터의 제어신호 RD2에 따라, 거의 일정한 기준 전압 Vref1을 갖는 기준 신호의 중심 전압을 소망 레벨로 시프트시켜 기준 신호의 옵셋(중심 전압과 소망 레벨간의 차)를 조정하는 기능을 갖고 있다. 이에 의해 옵셋 조정 회로(15B)는, 거의 일정한 전압 Vos를 갖는 조정 신호 v2(t)를 연산증폭기(60)의 비반전 입력단자(+)에 공급한다. 기준 전압 Vref1은, 예를 들면 GND레벨로 설정하면 좋지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
전압조정회로(15A) 및 옵셋 조정 회로(15B)의 구체적인 구성의 일례를 도10에 나타낸다. 도10에 나타낸 바와 같이, 전압조정회로(진폭 조정 회로)(15A)는, 게인 레지스터(52A), D/A변환기(DAC)(53A) 및 가변 이득 증폭기(VGA)(55)를 포함한다. 게인 레지스터(52A)는, 콘트롤러(14)(도1)로부터 받은 제어 신호 RD1의 값을 유지한다. D/A변환기(53A)는, 게인 레지스터(52A)의 출력을 D/A변환하고, 그 변환 신호를 가변 이득 증폭기(55)에 공급한다. 가변 이득 증폭기(55)는, D/A변환기(53A)로부터의 변환 신호의 전압에 따른 이득으로, 탐색 신호 w(t)의 위상 특성을 반전하고 또한 그 전압 진폭을 증폭할 수 있다. 가변 이득 증폭기(55)의 이득이 예를 들면 「-1」로 설정되면, 전압조정회로(15A)는, 탐색 신호 w(t)를 반전 신호 -w(t)(=w2(t))로 변환하게 된다.
다른 한편, 도10에 나타낸 바와 같이, 옵셋 조정 회로(15B)는, 옵셋 레지스터(52B), D/A변환기(DAC)(53B) 및 아날로그 가산기(54)를 포함한다. 옵셋 레지스터(52B)는, 콘트롤러(14)(도1)로부터 제공된 제어 신호 RD2의 값을 유지한다. D/A변환기(53B)는, 옵셋 레지스터(52B)의 출력을 D/A변환하고, 그 변환 신호를 아날로그 가산기(54)에 공급한다. 아날로그 가산기(54)는, 기준 전압 Vref1에 당해 변환 신호의 전압을 가산함으로써 옵셋 조정을 할 수 있다.
상기와 같이, 제2 실시예의 차동증폭 회로(13)에서는, 전압조정회로(15A)는, 탐색 신호 w(t)와는 반대의 위상 특성을 갖는 반전 신호 w2(t)를 생성하고, 조정 커패시터(16)는, 상기 피측정 대상(2)의 타단에 결합하는 단자(51B)와 전압조정회로(15A) 사이에 접속되어 있고, 반전 신호 w2(t)의 전하를 축적한다. 이 때문에, 조정 커패시터(16)의 정전용량 C를 조정함으로써, 피드백 커패시터(61)에 유입하는 전류량을 제어할 수 있다. 이에 따라, 조정 커패시터(16)의 정전용량 CV를 조정하면, 검출 감도 향상을 위해 피드백 커패시터(61)의 정전용량 CF를 작게 하여도 연산증폭기(60)의 출력 포화를 방지하는 것이 가능하고, SN비의 향상도 가능하게 된다. 따라서, 피측정 대상(2)의 정전용량 C의 변화를 고감도로 검출하는 것이 가능하다.
또한, 전압조정회로(15A)에서 탐색 신호 w(t)의 전압 진폭을 조정하고, 옵셋 조정회로(15B)에서 연산증폭기(60)의 비반전 입력단자(+)에 인가할 전압 Vos를 소망 레벨로 조정할 수 있다. 이 때문에, 증폭 신호 v(t)의 전압레벨이 연산증폭기(60)의 출력 다이나믹 레인지에 수렴되도록, 탐색 신호 w(t)의 전압 진폭 및 전압 Vos를 개별로 조정하는 것이 가능하다.
도11은, 상기 제2 실시예의 차동증폭 회로(13)의 변형례를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도11에 나타낸 바와 같이, 본 변형례의 차동증폭 회로(13)는, 도10에 나타낸 차동증폭 회로(13)와 같이, 제어 레지스터(52), D/A변환기(DAC)(53), 옵셋 조정 회로(15B), 조정 커패시터(16) 및 연산증폭기(60)를 갖는다. 본 변형 예의 차동증폭 회로(13)는, D/A변환기(DAC)(53C)와 전압조정회로(15Ad)를 갖는 점에서, 도10에 나타낸 차동증폭 회로(13)와는 다른 구성을 갖고 있다. 또한, 도11에 나타낸 신호 발생기(10B)는, 디지털 탐색 신호 wd(t)와, 당해 디지털 탐색 신호 wd(t)와는 반대의 위상 특성을 갖는 반전 신호 -wd(t)를 차동증폭 회로(13)에 공급하는 것이다. 이 변형 예에서는, 신호 발생기(10B)가, 본 발명의「탐색 신호를 생성하는 제1 신호 발생기」와「반전 신호를 생성하는 제2 신호 발생기」에 상당한다.
본 변형례의 차동증폭 회로(13)에 있어서, D/A변환기(53C)는, 신호 발생기(10B)로부터의 디지털 탐색 신호 wd(t)를 D/A변환하여 그 변환 신호를 탐색 신호 w(t)로서 센서부(12)에 공급한다.
전압조정회로(15Ad)는, 게인 레지스터(52A), 디지털 승산기(55D) 및 D/A변환기(53A)를 포함한다. 게인 레지스터(52A)는, 콘트롤러(14)(도1)로부터의 제어 신호 RD1의 값을 유지한다. 디지털 승산기(55D)는, 신호 발생기(10B)로부터의 반전 신호 -Wd(t)에 게인 레지스터(52A)의 출력을 승산한다. D/A변환기(53A)는, 디지털 승산기(55D)의 출력을 D/A변환하고 그 변환 신호를 조정 신호 w2(t)로서 조정 커패시터(16)에 제공한다. 따라서, 게인 레지스터(52A)와 디지털 승산기(55D)와 D/A변환기(53A)로 디지털 증폭 회로(진폭 조정 회로)가 구성된다. 전압조정회로(15Ad)의 게인 레지스터(52A)가 유지하는 값을 조정함으로써 당해 디지털 증폭 회로의 이득을 가변적으로 설정하는 것이 가능하다.
이하, 이론적인 배경을 설명한다. 도12는, 상기 전압조정회로(15A), 조정 커패시터(16), 피측정 대상(2), 연산증폭기(60) 및 피드백 커패시터(61)로 이루어지는 시스템을 나타내는 블록선도이다. 도12에서는, 도8에 나타낸 시간 t에 관한 함수 w(t), v1(t), v2(t), v(t)의 라플라스 변환을, 각각, W(s), V1(s), V2(s), V(s)로 나타낸 것으로 한다. 여기에서, s는 라플라스 변환 변수(라플라스 연산자)이다. 또, 피측정 대상(2)의 전달 특성(임피던스)을 Z1(s), 연산증폭기(60)의 오픈 루프 게인을 μ, 피드백 커패시터(61)의 전달 특성(임피던스)을 Z2(s), 조정 커패시터(16)의 전달 특성(임피던스)을 Z3(s)로 각각 표시하는 것으로 한다. 또, 설명의 편의 상, 전압조정회로(15A)의 전달 특성 -G는 반전 이득만을 나타내고, 또한 비반전 입력단자(+)에 입력되는 조정 신호 v2(t)의 전압은 제로(즉, V2(s)=0)인 것으로 한다.
연산증폭기(60)의 입력 임피던스가 거의 무한대이고, 연산증폭기(60)의 오픈 루프 게인 μ도 거의 무한대일 때, 전달 함수 V(s)/W(s)는, 다음 식(10)으로 주어진다.
Figure 112008055647391-pct00013
피측정 대상(2)의 정전용량은 C이기 때문에, 피측정 대상(2)의 전달 특성은, Z1(s)=1/(CP×s), 또한 피드백 커패시터(61)의 정전용량은 CF이기 때문에, 피드백 커패시터(61)의 전달 특성은, Z2(s)=1/(CF×s), 조정 커패시터(16)의 정전용량은 CV이기 때문에, 조정 커패시터(16)의 전달 특성은, Z3(s)=1/(CV×s)이다. 따라서, 상기 식(10)은 다음 식(10a)로 변형된다.
Figure 112008055647391-pct00014
전압조정회로(15A)의 반전 이득 -G는, 정전용량 변화 검출 전의 초기 상태에 있어서 증폭 신호 v(t)의 진폭이 대략 제로로 되도록 조정되는 것이 바람직하다. 이는, 피측정 대상(2)의 정전용량 CP가 초기 상태의 정전용량 CP(0)로부터 변화했을 때, 증폭신호 v(t)의 전압 레벨이 포화 레벨에 달하는 것을 최대한 피하기 위해서이다.
증폭 신호 v(t)의 진폭이 항상 제로이면, 상기 식(10)의 좌변은 제로로 된다. 이때, 상기 식(10a)는 다음 식(11)로 변형된다.
Figure 112008055647391-pct00015
따라서, 초기 상태에서의 정전용량 CP(0)를 알고 있으면, 증폭 신호 v(t)의 진폭이 대략 제로로 되도록 전압조정회로(15A)의 이득을 조정하는 것이 가능하다. 즉, 도1의 콘트롤러(14)는, 예를 들면, 도10의 게인 레지스터(52A)에 제공하는 제어 신호 RD1의 값을 단계적으로 변경시킴으로써 전압조정회로(디지털 증폭 회로)(15A)의 이득을 단계적으로 변화시킬 수 있다. 콘트롤러(14)는, 각 단계에 있어서, 도1의 연산부(23)에서 측정되는 증폭 신호 v(t)의 진폭이 대략 제로인지 아닌지를 판정한다. 또는, 콘트롤러(14)는, 증폭 신호 v(t)의 진폭이 가장 제로에 가까워지는 단계를 탐색해도 좋다. 그리고, 콘트롤러(14)는, 증폭 신호 v(t)의 진폭이 대략 제로로 된 단계에서의 반전이득 -G, 혹은, 증폭 신호 v(t)의 진폭이 가장 제로에 가까운 단계에서의 반전 이득 -G를 결정할 수 있다.
또한, 상기 식(11)의 이득 G를 상기 식(10a)에 대입하여 식(10a)를 정리하면, 전달함수 V(s)/W(s)는 다음 식(12)로 주어진다.
Figure 112008055647391-pct00016
여기에서, △CP = CP-CP(0)이고 △CP는, 피측정 대상(2)의 정전용량의 변화량을 나타내고 있다.
피드백 커패시터(61)의 정전용량 CF가 피측정 대상(2)의 정전용량 CP(0)의 k배(k는 실수)로 되도록 선택된 경우(즉, CF = k×CP(0)의 등식이 성립하는 경우),
상기 식(12)는, 다음 식(13)으로 변형될 수 있다.
Figure 112008055647391-pct00017
따라서, 예를 들면, 계수 k가「1.0」,「0.1」의 값일 때의 전달 함수V(s)/W(s)는, 각각, 다음 식(13a),(13b)로 주어진다.
Figure 112008055647391-pct00018
상기 식(13a),(13b)에 예시되는 바와 같이 피드백 커패시터(61)의 정전용량 CF가 작을수록, 피측정 대상(2)의 정전용량 변화 검출 감도가 향상하는 것을 알 수 있다. 또, 계수 k가「0.1」의 값을 가질 때, 상기 제1 실시예는, 상기 식(9b)에 나타낸 바와 같이 0.9배의 감도로 피측정 대상(2)의 정전용량 변화를 검출할 수 있는 것에 대해, 제2 실시예는, 상기 식(13b)에 나타낸 바와 같이 10배의 감도로 피측정 대상(2)의 정전용량 변화를 검출할 수 있다.
따라서, 제2 실시예의 차동증폭 회로(13)는, 제1 실시예와 비교하면 보다 고감도로 정전용량 변화를 검출하는 것이 가능하다. 단, 제1 실시예의 차동증폭 회로(13)는, 제2 실시예의 조정 커패시터(16)을 필요로 하지 않아, 반전 신호 w2(t)를 생성하기 위한 구성을 필요로 하지 않기 때문에, 제2 실시예와 비교하면 간이 구성을 실현할 수 있다고 하는 이점이 있다.
제3 실시예
다음에, 본 발명의 제3 실시예에 대해 설명한다. 도13은, 제3 실시예에 관한 정전용량검출장치(1A)의 개략 구성을 나타내는 블록도이다. 이 정전용량 검출 장치(1A)는, 신호 발생기(10), 차동증폭 회로(13) 및 콘트롤러(14)를 갖고 있고, 이들 구성 요소(10,13,14)는, 각각, 상기 실시예의 정전용량 검출 장치(1)의 구성 요소(10,13,14)와 거의 같은 기능을 가진다. 정전용량 검출 장치(1A)는, 또한, 센서부(12A), 동기검출부(24) 및 연산부(25)를 갖고 있다. 이 정전용량 검출 장치(1A)는, 센서부(12A)에 배치된 피측정 대상인 강유전체 매체(2)의 정전용량의 변화를 검출하고, 그 검출 결과에 기초하여 강유전체 매체(2)에 기록된 비트 정보를 재생하는 것이다.
이 정전용량 검출 장치(1A)의 신호 발생기(10)는 도2에 나타낸 구성을 가지면 좋고, 차동증폭 회로(13)는, 도3, 도4, 도8 또는 도10에 나타낸 구성을 가지면 좋다. 또는, 정전용량 측정 장치(1A)는, 도5 또는 도11에 나타낸 신호 발생기(10B) 및 차동증폭 회로(13)로 구성되어도 좋다.
도13에 나타낸 바와 같이, 센서부(12A)는, 원반 모양의 강유전체 매체(2)가 위치되는 이동 스테이지(72)를 가진다. 이 이동 스테이지(72)는, 액튜에이터(도시하지 않음)를 사용하여 2축 방향 또는 3축 방향으로 강유전체 매체(2)를 구동할 수 있다. 또, 센서부(12A)는, 선단이 강유전체 매체(2)의 표면에 대향하도록 배치된 침모양의 프로브(탐침)(71)와, 이 프로브(71)의 주위에 배치된 원환상의 프로브(70)를 갖는다.
환상 프로브(70)는, 강유전체 매체(2)의 표면과 이간하고, 또한 그 중심축이 프로브(71)의 축과 거의 일치하도록 배치된다. 프로브(71)의 선단은, 수nm～수십nm의 반경을 갖고, 강유전체 매체(2)의 표면과 접촉하거나, 혹은 강유전체 매체(2)의 표면에 근접 배치된다. 프로브(71)는, 예를 들면, 실리콘 등의 반도체 재료를 백금 인듐 등의 보호막으로 피복함으로써 제작할 수 있다.
도14(A)의 단면도에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 강유전체 매체(2)는, 배면 기판(2A)과, 이 배면 기판(2A) 상에 형성된 전극층(2B)과, 이 전극층(2B) 상에 형성된 기록층(2C)을 갖는다. 전극층(2B)은, 크롬 등의 도전성 재료로 이루어진다. 또한, 기록층(2C)은, 수십nm～수백nm의 두께를 갖고, 페로브스카이트형 결정 구조를 갖고 자발 분극을 일으키는 히스테리시스 특성을 갖는 강유전체층, 예를 들면 LiTaO3 등의 단결정층을 포함하는 것이다. 도14(B)에 나타낸 바와 같이, 기록층(2C)의 각 미소 영역에는, 수직 방향에 대해 플러스 방향의 분극 벡터 P와, 마이너스 방향(반전 방향)의 분극 벡터 P의 어느 한 벡터의 자발 분극을 비트 정보로서 기록할 수 있다.
도13에 나타낸 바와 같이, 신호 발생기(10)로부터의 탐색 신호 w(t)는, 접속 단자(51A)를 통해 강유전체 매체(2)의 전극층(2B)에 제공된다. 이 탐색 신호 w(t)에 따라 프로브(71)에서 응답 신호 v1(t)가 발생하고, 이 응답 신호 v1(t)가 출력 단자(51B)를 통해 차동증폭 회로(13)에 제공된다. 또, 환상 프로브(70)에는, 접속 단자(51C)를 통해 일정한 기준 전위 Vc가 인가된다. 기준 전위 Vc는, 예를 들면 접지 전위로 하면 좋다.
상기 정전용량 검출 장치(1A)의 동작 예를, 도15(A)～(J)의 타이밍챠트를 참조하면서 이하에 설명한다. 이 예에서는, 도2의 발진기(30)는 도15(A)에 나타낸 기준 클록 CLK를 생성하고, 도2의 카운터(31)는 기준클록 CLK의 펄스를 계수하여 4비
도의 2진 부호를 생성하는 것으로 한다. 도15(B)에 카운터(31)가 유지하는 카운트치를 나타낸다.
또한, 도2의 아날로그 스위치(32)는, 도15(C)에 나타낸 바와 같이, 정극성의 전압 +Vd를 갖는 정극성 펄스와 부극성의 전압 -Vd를 갖는 부극성 펄스와의 조합을 탐색 신호 w(t)로서 발생한다. 이들 정극성 펄스와 부극성 펄스의 조합은 적어도 1회 발생하면 좋다. 도15(C)에서는, 카운트치가「5」와「6」의 값을 취하는 기간에 정극성 펄스가 생성되고, 카운트치가「D」와「E」의 값을 취하는 기간에 부극성 펄스가 생성된다. 이와 같은 탐색 신호 w(t)가 차동증폭 회로(13)와 센서부(12A)에 공급된다.
도2의 디코더(33)는, 도15(D)에 나타낸 바와 같이, 탐색 신호 w(t)의 정극성 펄스와 부극성 펄스의 각각이 생성되기 직전에, 고레벨의 리셋 펄스 RP를 생성한 다. 이 리셋 펄스 RP는, 도3, 도4 또는 도5에 나타낸 제1 실시예의 차동증폭 회로(13)(혹은, 도8, 도10 또는 도11에 나타낸 제2 실시예의 차동증폭 회로(13))의 리셋 스위치(62)를 ON으로 하여 피드백 커패시터(61)에 축적된 전하를 방전시킨다. 이에 의해 연산증폭기(60)의 출력 v(t)의 전압레벨은, 도15(E)에 나타낸 바와 같이, 기준 전위 Vref에 고정되게 된다.
리셋 펄스 RP의 생성 후, 정극성 펄스의 탐색 신호 w(t)가 강유전체 매체(2)의 전극층(2B)에 인가되는 기간은, 도15(E)에 나타낸 바와 같이, 연산증폭기(60)의 출력 v(t)의 전압레벨은 기준 전위 Vref로부터 하강한 후에 부피크 레벨에 달한다. 한편, 부극성 펄스의 탐색 신호 w(t)가 강유전체 매체(2)의 전극층(2B)에 인가 되는 기간은, 도15(E)에 나타낸 바와 같이, 출력 v(t)의 전압 레벨은 기준 전위Vref로부터 상승한 후에 정피크 레벨에 달한다.
다른 한편, 도13의 동기 검출부(24)는, 도15(G)에 나타낸 샘플링 펄스 SP2의 하강 에지에서 증폭 신호 v(t)의 부피크 레벨을 샘플링하여 이를 유지한다. 이 결과, 도15(I)에 나타낸 바와 같이 증폭 신호 v(t)의 부피크 레벨을 갖는 보텀 신호bs(t)가 생성된다. 또, 동기 검출부(24)는, 도15(F)에 나타낸 샘플링 펄스 SP1의 G하강 에지에서 증폭 신호 v(t)의 정피크 레벨을 샘플링하고 이를 유지한다. 이 결과, 도15(H)에 나타낸 바와 같이 증폭신호 v(t)의 정피크 레벨을 갖는 피크 신호ps(t)가 생성된다. 그리고, 동기 검출부(24)는, 이들 보텀신호 bs(t)와 피크 신호ps(t)를 가산하여, 도15(J)에 나타낸 파형을 갖는 검출신호 ds(t)를 생성한다.
도13의 연산부(25)는, 검출 신호 ds(t)의 전압레벨을 소정의 역치 레벨과 비 교하고 당해 전압 레벨이 역치 레벨을 초과하면, 분극 벡터 P+에 대응한 논리치「1」의 고레벨 신호를 재생하고, 당해 전압레벨이 역치 레벨 이하이면, 분극 벡터 P-에 대응한 논리치「0」의 저레벨 신호를 재생할 수 있다.
강유전체 매체(2)는, 프로브(71)와 전극층(2B) 간에 인가되는 전계의 극성에 따라 상이한 정전용량치를 가진다. 도15(c)에 나타낸 바와 같이 탐색 신호 w(t)가 +Vd의 진폭치를 갖는 구간 Tp(카운트치가「5」와「6」의 구간)에서의 강유전체 매체(2)의 정전용량을 Cpp로 하고, 탐색 신호 w(t)가 -Vd의 진폭치를 가진 구간 Tn(카운트치가「D」와「E」의 구간)에서의 강유전체 매체(2)의 정전용량을 Cpn으로 한다. 이때, 구간 Tp에서의 강유전체 매체(2)의 정전용량 Cpp에 대응하는 증폭 신호 v(t)의 진폭치는 보텀 신호 bs(t)로 표시되고, 구간 Tn에서의 강유전체 매체(2)의 정전용량 Cpn에 대응하는 증폭 신호 v(t)의 진폭치는 피크 신호 ps(t)로 표시된다. 이들 신호 ps(t), bs(t)의 절대값의 차분을 나타내는 검출 신호 ds(t)는, 정전용량 Cpn, Cpp 간의 차분에 대응한 신호이다. 따라서, 검출 신호 ds(t)의 전압 극성을 판정하는 것에 의해 정전용량 Cpn, Cpp 간의 대소관계를 결정할 수 있고, 이 대소 관계에 따라 자발 분극의 방향을 판별하는 것이 가능하다.
상기와 같이, 제3 실시예에 관한 정전용량 검출 장치(1A)는, 강유전체 매체(2)의 미소한 정전용량 CP의 변화를 검출하기 위해, 피드백 커패시터(61)의 정전용량 CF를 작게하여도, 증폭 신호 v(t)의 전압레벨을 포화시키지 않고 적절한 범위로 제한할 수 있다. 따라서, 강유전체 매체(2)의 분극 상태를 고감도로 검출하는 것이 가능하다.
또한, 정전용량 검출 장치(1A)는, GHz의 고주파수 대역보다도 낮은 대역에서 동작할 수 있으므로, 외부로부터의 노이즈나 정전기의 영향을 받기 어렵다고 하는 이점을 갖는다. 특히, 서로 근접하여 배치된 복수개의 정전용량 검출 장치(1A)가 동시 병행으로 동작하는 경우에도, 이들 정전용량 검출 장치(1A) 간에서의 혼선 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 특허 문헌2(일본국 특개2004-127489호 공보)나 특허 문헌3(유럽 특허출원 공개 제1398779호 공보)에 개시되는 재생 장치는, 발진기나 FM복조기를 필요로 하지만, 제3 실시예의 정전용량 검출장치(1A)는, 이들 발진기나 FM복조기를 필요로 하지 않고 강유전체 매체(２)의 분극 상태를 검출할 수 있기 때문에, 집적회로화에 적합하다.

Claims (31)

  1. 피측정 대상의 정전용량의 변화를 나타내는 검출 신호를 제공하는 정전용량 검출 장치에 있어서,
    소정의 주파수를 갖는 탐색 신호를 생성하여 상기 탐색 신호를 상기 피측정 대상의 일단에 공급하는 신호 발생기와,
    상기 피측정 대상의 타단으로부터 얻어지는 응답 신호와 상기 탐색 신호를 차동증폭하는 차동증폭 회로와,
    상기 차동증폭 회로로부터의 증폭 신호에 기초하여 상기 검출 신호를 얻는 검출부를 구비하고,
    상기 검출부는, 상기 증폭 신호의 정의 피크 레벨을 샘플링하여 유지하는 제1 샘플-홀드 회로와, 상기 증폭 신호의 부의 피크 레벨을 샘플링하여 유지하는 제2 샘플-홀드 회로와, 당해 샘플링된 정의 피크 레벨과 당해 샘플링된 부의 피크 레벨에 기초하여 상기 정전용량의 변화를 산출하는 신호 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 차동증폭 회로는, 상기 응답신호가 입력되는 반전 입력단자와, 상기 탐색 신호가 입력되는 비반전 입력단자와, 상기 증폭 신호를 출력하는 출력 단자와, 상기 출력 단자와 상기 반전 입력단자 사이에 접속된 피드백 커패시터를 갖는 연산증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 차동증폭 회로는, 상기 신호발생기와 상기 연산증폭기의 비반전 입력단자 사이에 개재되어 상기 탐색 신호의 전압 진폭을 조정하는 진폭 조정 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 진폭 조정 회로는, 상기 전압 진폭을 증폭하는 가변 이득 증폭기를 포함하고, 상기 가변 이득 증폭기의 이득은, 외부로부터의 제어 신호에 따라 가변적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 신호발생기와 상기 연산증폭기의 비반전 입력단자 사이에 개재되어 상기 탐색 신호의 옵셋을 조정하는 옵셋 조정 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 탐색 신호의 옵셋 조정량은, 외부로부터의 제어 신호에 따라 가변적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출장치.
  7. 피측정 대상의 정전용량의 변화를 나타내는 검출 신호를 제공하는 정전용량 검출 장치에 있어서,
    소정의 주파수를 갖는 탐색 신호를 생성하여 상기 탐색 신호를 상기 피측정 대상의 일단에 공급하는 제1 신호 발생기와,
    상기 피측정 대상의 타단으로부터 얻어지는 응답 신호와 기준 신호를 차동증폭하는 차동증폭 회로와,
    상기 탐색 신호와는 반대의 위상 특성을 갖는 반전 신호를 생성하는 제2 신호 발생기와,
    상기 반전신호의 전압 진폭을 조정하는 진폭조정회로와,
    상기 피측정 대상의 타단과 상기 제2 신호 발생기 사이에 접속되고 또한 상기 반전신호의 전하를 축적하는 조정 커패시터와,
    상기 차동증폭 회로로부터의 증폭 신호에 기초하여 상기 검출 신호를 얻는 검출부를 구비하고,
    상기 제1 신호 발생기는, 정 또는 부의 어느 한쪽의 전압 극성을 갖는 제1 펄스와, 상기 제1 펄스와는 반대의 전압 극성을 갖는 제2 펄스의 조합으로 이루어지는 신호를 상기 탐색 신호로서 1회 이상 생성하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 차동증폭 회로는, 상기 응답신호가 입력되는 반전 입력단자와, 상기 기준 신호가 입력되는 비반전 입력단자와, 상기 증폭신호를 출력하는 출력 단자와, 상기 출력 단자와 상기 반전 입력단자 사이에 접속된 피드백 커패시터를 갖는 연산증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출장치.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서, 상기 진폭 조정 회로는, 상기 전압 진폭을 증폭하는 가변 이득 증폭기를 포함하고, 상기 가변 이득 증폭기의 이득은, 외부로부터의 신호에 따라 가변적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 기준 신호의 옵셋을 조정하는 옵셋 조정 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 기준 신호의 옵셋 조정량은, 외부로부터의 제어 신호 에 따라 가변적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 조정 커패시터는, 외부로부터의 제어 신호에 따라 변화하는 정전용량을 갖는 가변 커패시터인 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 가변 커패시터는, 직렬 접속된 제1 및 제2 가변 용량 다이오드를 포함하고, 상기 제1 가변 용량 다이오드의 캐소드와 상기 제2 가변 용량 다이오드의 캐소드가 서로 접속되어 있고, 상기 가변 커패시터의 정전용량은, 상기 캐소드에 인가된 상기 제어 신호의 전압에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  15. 삭제
  16. 제8항에 있어서, 상기 연산증폭기는, 상기 피드백 커패시터에 병렬로 접속된 리셋 스위치를 갖고, 상기 제1 신호 발생기는, 상기 제1및 제2 펄스의 각각을 생성하기 직전에, 상기 리셋 스위치를 ON으로 하여 도통 상태로 하는 리셋 펄스를 상기 리셋 스위치에 제공하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출장치.
  17. 삭제
  18. 제1항에 있어서, 상기 신호 산출부는, 샘플링된 정의 피크 레벨과 샘플링된 부의 피크 레벨을 가산하거나 또는 샘플링된 정의 피크 레벨과 샘플링된 부의 피크 레벨 중의 일방으로부터 타방을 감산하는 것을 특징으로 하는 정전용량검출장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 검출부에서 검출된 정전용량의 변화에 기초하여, 상기 피측정 대상에 인가된 압력을 측정하는 연산부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 검출부에서 검출된 정전용량의 변화에 기초하여, 상기 피측정 대상의 가속도를 측정하는 연산부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 검출부에서 검출된 정전용량의 변화에 기초하여 상기 피측정 대상의 변위를 측정하는 연산부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 검출부에서 검출된 정전용량의 변화에 기초하여, 상기 피측정 대상인 강유전체 매체에 기록된 정보를 재생하는 부분을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 강유전체 매체로부터 상기 응답신호를 취출하는 센서부를 더 구비하고,
    상기 강유전체 매체는,
    도전성 재료로 이루어지는 전극층과,
    상기 전극층상에 배치된 강유전체로 이루어지는 기록층을 포함하고,
    상기 센서부는,
    선단이 상기 기록층의 표면에 대향하도록 배치된 프로브와,
    상기 기록층의 표면과 이간하도록 상기 프로브의 주위에 배치된 환상 프로브와,
    상기 전극층에 상기 탐색 신호를 제공하는 접속 단자와,
    상기 탐색 신호에 따라 상기 프로브에서 발생한 신호를 상기 응답 신호로서 출력하는 출력단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 센서부는, 상기 환상 프로부에 일정한 기준 전위를 인가하는 접속 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 신호발생기, 상기 차동증폭 회로 및 상기 검출부는, 집적회로에 조입되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  26. 피측정 대상의 정전용량의 변화를 나타내는 검출 신호를 제공하는 정전용량 검출 장치에 있어서,
    소정의 주파수를 갖는 탐색 신호를 생성하여 상기 탐색 신호를 상기 피측정 대상의 일단에 공급하는 신호 발생기와,
    상기 피측정 대상의 타단으로부터 얻어지는 응답 신호와 상기 탐색 신호를 차동증폭하는 차동증폭 회로와,
    상기 차동증폭 회로로부터의 증폭 신호에 기초하여 상기 검출 신호를 얻는 검출부를 구비하고,
    상기 검출부에서 검출된 정전용량의 변화에 기초하여, 상기 피측정 대상에 인가된 압력을 측정하는 연산부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  27. 피측정 대상의 정전용량의 변화를 나타내는 검출 신호를 제공하는 정전용량 검출 장치에 있어서,
    소정의 주파수를 갖는 탐색 신호를 생성하여 상기 탐색 신호를 상기 피측정 대상의 일단에 공급하는 신호 발생기와,
    상기 피측정 대상의 타단으로부터 얻어지는 응답 신호와 상기 탐색 신호를 차동증폭하는 차동증폭 회로와,
    상기 차동증폭 회로로부터의 증폭 신호에 기초하여 상기 검출 신호를 얻는 검출부를 구비하고,
    상기 검출부에서 검출된 정전용량의 변화에 기초하여, 상기 피측정 대상의 가속도를 측정하는 연산부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  28. 피측정 대상의 정전용량의 변화를 나타내는 검출 신호를 제공하는 정전용량 검출 장치에 있어서,
    소정의 주파수를 갖는 탐색 신호를 생성하여 상기 탐색 신호를 상기 피측정 대상의 일단에 공급하는 제1 신호 발생기와,
    상기 피측정 대상의 타단으로부터 얻어지는 응답 신호와 기준 신호를 차동증폭하는 차동증폭 회로와,
    상기 탐색 신호와는 반대의 위상 특성을 갖는 반전 신호를 생성하는 제2 신호 발생기와,
    상기 반전신호의 전압 진폭을 조정하는 진폭조정회로와,
    상기 피측정 대상의 타단과 상기 제2 신호 발생기 사이에 접속되고 또한 상기 반전신호의 전하를 축적하는 조정 커패시터와,
    상기 차동증폭 회로로부터의 증폭 신호에 기초하여 상기 검출 신호를 얻는 검출부를 구비하고,
    상기 차동증폭 회로는, 상기 응답신호가 입력되는 반전 입력단자와, 상기 기준 신호가 입력되는 비반전 입력단자와, 상기 증폭신호를 출력하는 출력 단자와, 상기 출력 단자와 상기 반전 입력단자 사이에 접속된 피드백 커패시터를 갖는 연산증폭기를 포함하고,
    상기 연산증폭기는, 상기 피드백 커패시터에 병렬로 접속된 리셋 스위치를 갖고, 상기 제1 신호 발생기는, 상기 제1 및 제2 펄스의 각각을 생성하기 직전에, 상기 리셋 스위치를 ON으로 하여 도통 상태로 하는 리셋 펄스를 상기 리셋 스위치에 제공하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출장치.
  29. 피측정 대상의 정전용량의 변화를 나타내는 검출 신호를 제공하는 정전용량 검출 장치에 있어서,
    소정의 주파수를 갖는 탐색 신호를 생성하여 상기 탐색 신호를 상기 피측정 대상의 일단에 공급하는 제1 신호 발생기와,
    상기 피측정 대상의 타단으로부터 얻어지는 응답 신호와 기준 신호를 차동증폭하는 차동증폭 회로와,
    상기 탐색 신호와는 반대의 위상 특성을 갖는 반전 신호를 생성하는 제2 신호 발생기와,
    상기 반전신호의 전압 진폭을 조정하는 진폭조정회로와,
    상기 피측정 대상의 타단과 상기 제2 신호 발생기 사이에 접속되고 또한 상기 반전신호의 전하를 축적하는 조정 커패시터와,
    상기 차동증폭 회로로부터의 증폭 신호에 기초하여 상기 검출 신호를 얻는 검출부를 구비하고,
    상기 조정 커패시터는, 외부로부터의 제어 신호에 따라 변화하는 정전용량을 갖는 가변 커패시터이고, 상기 가변 커패시터는, 직렬 접속된 제1 및 제2 가변 용량 다이오드를 포함하고, 상기 제1 가변 용량 다이오드의 캐소드와 상기 제2 가변 용량 다이오드의 캐소드가 서로 접속되어 있고, 상기 가변 커패시터의 정전용량은, 상기 캐소드에 인가된 상기 제어 신호의 전압에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  30. 피측정 대상의 정전용량의 변화를 나타내는 검출 신호를 제공하는 정전용량 검출 장치에 있어서,
    소정의 주파수를 갖는 탐색 신호를 생성하여 상기 탐색 신호를 상기 피측정 대상의 일단에 공급하는 신호 발생기와,
    상기 피측정 대상의 타단으로부터 얻어지는 응답 신호와 상기 탐색 신호를 차동증폭하는 차동증폭 회로와,
    상기 차동증폭 회로로부터의 증폭 신호에 기초하여 상기 검출 신호를 얻는 검출부를 구비하고,
    상기 검출부에서 검출된 정전용량의 변화에 기초하여, 상기 피측정 대상인 강유전체 매체에 기록된 정보를 재생하는 연산부와, 상기 강유전체 매체로부터 상기 응답신호를 취출하는 센서부를 더 구비하고,
    상기 강유전체 매체는,
    도전성 재료로 이루어지는 전극층과,
    상기 전극층상에 배치된 강유전체로 이루어지는 기록층을 포함하고,
    상기 센서부는,
    선단이 상기 기록층의 표면에 대향하도록 배치된 프로브와,
    상기 기록층의 표면과 이간하도록 상기 프로브의 주위에 배치된 환상 프로브와,
    상기 전극층에 상기 탐색 신호를 제공하는 접속 단자와,
    상기 탐색 신호에 따라 상기 프로브에서 발생한 신호를 상기 응답 신호로서 출력하는 출력단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 센서부는, 상기 환상 프로부에 일정한 기준 전위를 인가하는 접속 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 장치.
KR1020087019029A 2006-02-07 2007-01-23 정전용량 검출 장치 KR101108091B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006029917 2006-02-07
JPJP-P-2006-00029917 2006-02-07
PCT/JP2007/050972 WO2007091419A1 (ja) 2006-02-07 2007-01-23 静電容量検出装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20080089625A KR20080089625A (ko) 2008-10-07
KR101108091B1 true KR101108091B1 (ko) 2012-02-06

Family

ID=38345025

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020087019029A KR101108091B1 (ko) 2006-02-07 2007-01-23 정전용량 검출 장치

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8164352B2 (ko)
EP (1) EP1983320A4 (ko)
JP (1) JP4902552B2 (ko)
KR (1) KR101108091B1 (ko)
WO (1) WO2007091419A1 (ko)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8004958B2 (en) * 2006-04-18 2011-08-23 Pioneer Corporation Information recording/reproducing apparatus
US7880481B2 (en) * 2007-12-19 2011-02-01 Infineon Technologies Ag Capacitive sensor and measurement system
KR100949565B1 (ko) 2008-04-02 2010-03-25 (주)엠아이디티 정전용량식 입력센서의 정전용량 추출회로
KR100982955B1 (ko) 2008-04-22 2010-09-17 주식회사 에이디텍 정전용량 센서를 이용한 감지회로
JP5324297B2 (ja) * 2009-04-15 2013-10-23 株式会社ジャパンディスプレイ 座標入力装置、およびそれを備える表示装置
US8316717B2 (en) * 2010-06-29 2012-11-27 Rogue Valley Microdevices, Inc. Wireless self-powered monolithic integrated capacitive sensor and method of manufacture
WO2014074290A1 (en) * 2012-11-06 2014-05-15 Newport Corporation Capacitive loads presence and type detecting system
TWI492133B (zh) * 2012-11-26 2015-07-11 電容感測電路
US9383384B2 (en) 2013-05-31 2016-07-05 Honeywell International Inc. Extended-range closed-loop accelerometer
WO2020014977A1 (zh) * 2018-07-20 2020-01-23 深圳市汇顶科技股份有限公司 电容检测电路、触摸检测装置和终端设备
CN110474612A (zh) * 2019-05-31 2019-11-19 华润半导体（深圳）有限公司 一种可变增益放大器、使用方法和生物信号处理芯片
CN112562777B (zh) * 2020-12-03 2024-01-26 无锡舜铭存储科技有限公司 一种电容测量电路及其方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08122180A (ja) * 1994-10-20 1996-05-17 Tokin Corp 静電容量型圧力センサ
JP2004127489A (ja) * 2002-09-11 2004-04-22 Yasuo Cho 誘電体再生装置、誘電体記録装置及び誘電体記録再生装置

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3546595A (en) * 1967-07-10 1970-12-08 Litton Systems Inc Noise rejection circuit
US4636714A (en) * 1984-01-18 1987-01-13 Wystron, Inc. Capacitive transducer and method
JPH0320736A (ja) 1989-06-16 1991-01-29 Matsushita Electron Corp フォトマスク
JP2859910B2 (ja) 1990-01-24 1999-02-24 理学電機株式会社 Ｘ線装置のための湿度制御装置
JP3020736B2 (ja) 1992-06-16 2000-03-15 和廣 岡田 静電容量の変化を利用したセンサ用の信号処理回路
KR0175839B1 (ko) 1992-08-04 1999-05-15 윤종용 전류벡터에 의한 수동소자값의 연산장치
JPH06180336A (ja) * 1992-12-14 1994-06-28 Nippondenso Co Ltd 静電容量式物理量検出装置
US5602486A (en) * 1994-03-14 1997-02-11 Sandia Corporation Impedance sensing of flaws in non-homogenous materials
US6476620B2 (en) * 1996-09-06 2002-11-05 Ks Techno Co., Ltd. Electrostatic capacity sensor
JP3386336B2 (ja) 1997-06-24 2003-03-17 株式会社日立製作所 静電容量式圧力センサ及びその製造方法
US6545613B1 (en) * 1998-11-25 2003-04-08 Kelsey-Hayes Company Circuit for compensation of a transducer output signal
JP2002040047A (ja) * 2000-07-25 2002-02-06 Denso Corp 容量型物理量検出センサ
US6469524B1 (en) * 2000-08-25 2002-10-22 Delphi Technologies, Inc. System and method for interrogating a capacitive sensor
KR100738692B1 (ko) * 2001-09-06 2007-07-12 동경 엘렉트론 주식회사 전위 고정 장치, 용량 측정 장치 및 전위 고정 방법
JP4141745B2 (ja) * 2002-06-06 2008-08-27 康雄 長 誘電体記録再生ヘッド、誘電体記録媒体ユニット及び誘電体記録再生装置
JP4303545B2 (ja) 2003-09-09 2009-07-29 富士通株式会社 可動エレメント装置
TWI272539B (en) * 2004-06-03 2007-02-01 Atlab Inc Electrical touch sensor and human interface device using the same
WO2006002311A2 (en) * 2004-06-23 2006-01-05 Fe Technical Services, Inc. Capacitive sensing techniques
US7728687B2 (en) * 2005-09-29 2010-06-01 International Business Machines Corporation Negative resistance oscillator with additional bias current injection
US7324029B2 (en) * 2006-01-26 2008-01-29 Emerson Process Management Capacitance-to-digital interface circuit for differential pressure sensor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08122180A (ja) * 1994-10-20 1996-05-17 Tokin Corp 静電容量型圧力センサ
JP2004127489A (ja) * 2002-09-11 2004-04-22 Yasuo Cho 誘電体再生装置、誘電体記録装置及び誘電体記録再生装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP1983320A1 (en) 2008-10-22
JP4902552B2 (ja) 2012-03-21
KR20080089625A (ko) 2008-10-07
JPWO2007091419A1 (ja) 2009-07-02
US8164352B2 (en) 2012-04-24
US20090001998A1 (en) 2009-01-01
EP1983320A4 (en) 2013-11-27
WO2007091419A1 (ja) 2007-08-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101108091B1 (ko) 정전용량 검출 장치
KR100341964B1 (ko) 물리 변수 검출장치 및 방법
JP4906006B2 (ja) 静電容量検出回路
He et al. A CMOS Readout Circuit for SOI Resonant Accelerometer With 4-$\mu\rm g $ Bias Stability and 20-$\mu\rm g/\sqrt {{\hbox {Hz}}} $ Resolution
Mochizuki et al. A high-resolution, linear resistance-to-frequency converter
EP0647840B1 (en) Method and apparatus for feedbackcontrol of an asymmetric differential pressure transducer
US20070075881A1 (en) High Resolution and Wide Dynamic Range Integrator
JPH06265417A (ja) 力測定装置
US20040196617A1 (en) Capacitance-sensing vibratory gyro and method for detecting change in capacitance
RU2001124834A (ru) Усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и температурной компенсацией, предназначенный для использованния в дисководе
Areekath et al. An auto-balancing capacitance-to-pulse-width converter for capacitive sensors
JP2011107086A (ja) 静電容量検出回路、圧力検出装置、加速度検出装置、および、マイクロフォン用トランスデューサ
KR101220936B1 (ko) 기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서의 정전용량 측정회로
JP2972552B2 (ja) 容量型センサ用検出回路および検出方法
US4459856A (en) CMOS Bridge for capacitive pressure transducers
JP3161716B2 (ja) 容量検出回路
WO1995004256A1 (en) Capacitive displacement sensor
RU2809588C1 (ru) Устройство для измерения ускорений
van der Goes et al. A simple and accurate dynamic voltage divider for resistive bridge transducers
CN112187271B (zh) 一种mems传感器系统及其使用方法
CN116972839B (zh) 嵌入频率脉冲转换电路的挠性加表数字伺服电路及方法
RU2785946C1 (ru) Устройство для измерения ускорений
RU2360258C1 (ru) Компенсационный акселерометр
JP6871836B2 (ja) 容量検出装置、抵抗検出装置
RU2054633C1 (ru) Емкостный уровнемер

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
J201 Request for trial against refusal decision
E902 Notification of reason for refusal
B701 Decision to grant
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee