JP2003177142A - 寄生容量およびスプリアス変位の補償を伴うマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサを使用して変位を検出する方法および回路 - Google Patents
寄生容量およびスプリアス変位の補償を伴うマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサを使用して変位を検出する方法および回路Info
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- G01P2015/0808—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 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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/0811—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 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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0814—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 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 in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】寄生容量およびスプリアス変位の補償を伴うマ
イクロ・エレクトロ・メカニカル・センサを提供する。 【解決手段】固定本体3および可動マス4は、検出回路
の第1の入力端子102に接続されており、第1の出力端
子104および第2の出力端子105にそれぞれに接続されて
いる少なくとも1つの第1の検出コンデンサ107および
第2の検出コンデンサ108を形成し、休止共通検出容量
Csを有する。第1の検出コンデンサ107と第2の検出
コンデンサ108および微分増幅器124を備える第1のネガ
ティブ・フィードバック・ループ136を閉じる段階と、
共通の検出容量Csに反比例している電気駆動量Vcの
変動ΔVcを生じさせるために、駆動コンデンサ12
1,122を介して前記微分増幅器124の少なくとも1
つの入力124bに階段検出電圧Vsを供給する段階
と、前記電気駆動量Vcによって前記センサ101を駆動
する段階とを備える。
イクロ・エレクトロ・メカニカル・センサを提供する。 【解決手段】固定本体3および可動マス4は、検出回路
の第1の入力端子102に接続されており、第1の出力端
子104および第2の出力端子105にそれぞれに接続されて
いる少なくとも1つの第1の検出コンデンサ107および
第2の検出コンデンサ108を形成し、休止共通検出容量
Csを有する。第1の検出コンデンサ107と第2の検出
コンデンサ108および微分増幅器124を備える第1のネガ
ティブ・フィードバック・ループ136を閉じる段階と、
共通の検出容量Csに反比例している電気駆動量Vcの
変動ΔVcを生じさせるために、駆動コンデンサ12
1,122を介して前記微分増幅器124の少なくとも1
つの入力124bに階段検出電圧Vsを供給する段階
と、前記電気駆動量Vcによって前記センサ101を駆動
する段階とを備える。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、寄生容量およびス
プリアス変位の補償を伴うマイクロ・エレクトロ・メカ
ニカル・センサを使用して変位を検出する方法および回
路に関する。
プリアス変位の補償を伴うマイクロ・エレクトロ・メカ
ニカル・センサを使用して変位を検出する方法および回
路に関する。
【0002】
【従来の技術】知られているように、微分容量不平衡を
用いるマイクロ・エレクトロ・メカニカル(Micro-Elec
troMechanical Sensor)センサすなわちMEMSセンサ
が、例えば、直線加速度計または回転加速度計および圧
力センサを形成するために提案されている。
用いるマイクロ・エレクトロ・メカニカル(Micro-Elec
troMechanical Sensor)センサすなわちMEMSセンサ
が、例えば、直線加速度計または回転加速度計および圧
力センサを形成するために提案されている。
【0003】特に、本明細書に示されている形式のME
MSセンサは、固定本体(fixed body:固定子(stato
r))および可動マス(moving mass)を備え、固定子お
よび可動マスは、一般的に、適切にドープされた半導体
材料で作られており、弾性要素(ばね)を介して互いに
連結され、そして、可動マスが予め定められた度合いの
並進自由度および回転自由度を固定子に対して有するよ
うに拘束されている。さらに、固定子は複数のアームを
有し、また、可動マスは固定アームと交互配置されてい
る複数の可動アームを有する。実際には、各固定アーム
が、共通の端子を有し、且つ、固定子に対する可動マス
の相対的位置に基づいたアームの相対的位置の関数であ
る容量を有する一対のコンデンサを形成するように、一
対の可動アームの間に配置される。センサに応力が加え
られると、可動マスが動き、コンデンサの容量の平衡が
崩される。
MSセンサは、固定本体(fixed body:固定子(stato
r))および可動マス(moving mass)を備え、固定子お
よび可動マスは、一般的に、適切にドープされた半導体
材料で作られており、弾性要素(ばね)を介して互いに
連結され、そして、可動マスが予め定められた度合いの
並進自由度および回転自由度を固定子に対して有するよ
うに拘束されている。さらに、固定子は複数のアームを
有し、また、可動マスは固定アームと交互配置されてい
る複数の可動アームを有する。実際には、各固定アーム
が、共通の端子を有し、且つ、固定子に対する可動マス
の相対的位置に基づいたアームの相対的位置の関数であ
る容量を有する一対のコンデンサを形成するように、一
対の可動アームの間に配置される。センサに応力が加え
られると、可動マスが動き、コンデンサの容量の平衡が
崩される。
【0004】構造の形式と、可動マスおよび固定子の間
での可能な相対的移動とに応じて、可変間隙(各可動ア
ームとそれぞれの固定アームとの間の距離)、および/
または、可変対向面積(可動アームとそれぞれの固定ア
ームとの間の相互対向面積の変動)を有する直線形式ま
たは回転形式のMEMSセンサを製造することが可能で
ある。
での可能な相対的移動とに応じて、可変間隙(各可動ア
ームとそれぞれの固定アームとの間の距離)、および/
または、可変対向面積(可動アームとそれぞれの固定ア
ームとの間の相互対向面積の変動)を有する直線形式ま
たは回転形式のMEMSセンサを製造することが可能で
ある。
【0005】言及されている全ての事例において、セン
サによる測定値(すなわち、コンデンサの容量の変化を
表す電気量の検出)が、寄生容量(パッドおよび基板の
容量)の存在に起因して問題を生じさせる。
サによる測定値(すなわち、コンデンサの容量の変化を
表す電気量の検出)が、寄生容量(パッドおよび基板の
容量)の存在に起因して問題を生じさせる。
【0006】さらに、測定値の精度は、スプリアス変位
すなわち設計された自由度に従っていない変位によっ
て、且つ、理想的ではない機械的制約条件に起因して生
じる他の欠点によって制限される。
すなわち設計された自由度に従っていない変位によっ
て、且つ、理想的ではない機械的制約条件に起因して生
じる他の欠点によって制限される。
【0007】説明を分かり易くするために、直線MEM
Sセンサ1を示してある図1および図2を参照する。し
かしながら、以下で説明する内容は、あらゆる形式のM
EMSセンサに当てはまる。
Sセンサ1を示してある図1および図2を参照する。し
かしながら、以下で説明する内容は、あらゆる形式のM
EMSセンサに当てはまる。
【0008】詳述すると、センサ1は、可動マス3が第
1の基準軸線Xに対して平行に並進することが可能であ
り且つ第2の基準軸線Yおよび第3の基準軸線Zに対し
てほぼ固定されるように、ばね4によって互いに連結さ
れている固定子2および可動マス3を備える。センサ1
は、さらに、第1の基準軸線Xに平行な縦軸線に関して
対称である。
1の基準軸線Xに対して平行に並進することが可能であ
り且つ第2の基準軸線Yおよび第3の基準軸線Zに対し
てほぼ固定されるように、ばね4によって互いに連結さ
れている固定子2および可動マス3を備える。センサ1
は、さらに、第1の基準軸線Xに平行な縦軸線に関して
対称である。
【0009】固定子2は、平面Y−Zに対してほぼ平行
に延びる複数の第1および第2の固定アーム5′,5″
を備え、可動マス3は、平面Y−Zに対してほぼ平行に
延びる複数の可動アーム6を備える。
に延びる複数の第1および第2の固定アーム5′,5″
を備え、可動マス3は、平面Y−Zに対してほぼ平行に
延びる複数の可動アーム6を備える。
【0010】図2に詳細に示すように、各可動アーム6
は、2つのそれぞれの固定アーム5′,5″との間に、
部分的にそれらに対向する形で配置されている。従っ
て、可動アーム6は、その2つの固定アーム5′,5″
と共に、互いに平行な平面を有する第1および第2の検
出コンデンサ8,9をそれぞれ形成する。特に、検出コ
ンデンサ8,9のプレートの面積が、可動アーム6およ
び固定アーム5′,5″の対向面積Aに等しい。特に、
対向面積Aは、実質的に、辺Ly,Lzを有する長方形
である。
は、2つのそれぞれの固定アーム5′,5″との間に、
部分的にそれらに対向する形で配置されている。従っ
て、可動アーム6は、その2つの固定アーム5′,5″
と共に、互いに平行な平面を有する第1および第2の検
出コンデンサ8,9をそれぞれ形成する。特に、検出コ
ンデンサ8,9のプレートの面積が、可動アーム6およ
び固定アーム5′,5″の対向面積Aに等しい。特に、
対向面積Aは、実質的に、辺Ly,Lzを有する長方形
である。
【0011】第1および第2の検出コンデンサ8,9
は、次式によって与えられる第1の容量Caと第2の容
量Cbをそれぞれに有する。
は、次式によって与えられる第1の容量Caと第2の容
量Cbをそれぞれに有する。
【0012】
【数1】
【0013】ここで、X1およびX2は、それぞれ図2
の可動アーム6と第1および第2の固定アーム5′,
5″との間の距離であり、また、εは空気の誘電率であ
る。
の可動アーム6と第1および第2の固定アーム5′,
5″との間の距離であり、また、εは空気の誘電率であ
る。
【0014】センサ1において、可動アーム6と第1の
固定アーム5′との間に形成される検出容量Caの全て
は、並列に接続されている。同様に、可動アーム6と第
2の固定アーム5″との間に形成される検出容量Cbの
全ては、並列に接続されている。従って、それぞれ、C
1=N*CaとC2=N*Cbとに等しい全体で2つの
容量が固定子3と可動マス4との間に存在する。ここ
で、Nはセンサ1の可動アーム6の数である。休止状態
における容量C1,C2の値をセンサ1の共通検出容量
Csとして定義すると、 Cs=C1=C2 (3) が得られる。
固定アーム5′との間に形成される検出容量Caの全て
は、並列に接続されている。同様に、可動アーム6と第
2の固定アーム5″との間に形成される検出容量Cbの
全ては、並列に接続されている。従って、それぞれ、C
1=N*CaとC2=N*Cbとに等しい全体で2つの
容量が固定子3と可動マス4との間に存在する。ここ
で、Nはセンサ1の可動アーム6の数である。休止状態
における容量C1,C2の値をセンサ1の共通検出容量
Csとして定義すると、 Cs=C1=C2 (3) が得られる。
【0015】純粋に軸線Xに沿った可動アーム4の移動
の後では、検出容量C1,C2は、互いに逆の符号を有
し、同一の絶対値を有し、且つ、容量不平衡ΔCsに等
しい変動を示す。
の後では、検出容量C1,C2は、互いに逆の符号を有
し、同一の絶対値を有し、且つ、容量不平衡ΔCsに等
しい変動を示す。
【0016】さらに詳述すると、理解を容易にするため
に、距離X1,X2が最初は同一であり且つ休止距離X
0に等しいと仮定した場合、式(1)−(3)から、第
1の基準軸線Xに従った容量不平衡ΔCsの成分ΔCs
xが次式によって与えられる。
に、距離X1,X2が最初は同一であり且つ休止距離X
0に等しいと仮定した場合、式(1)−(3)から、第
1の基準軸線Xに従った容量不平衡ΔCsの成分ΔCs
xが次式によって与えられる。
【0017】
【数2】
【0018】ここで、ΔXは第1の基準軸線Xに沿った
可動マス4の移動である。
可動マス4の移動である。
【0019】第2の基準軸線Yに対して、平行なスプリ
アス移動ΔYの存在下で、容量不平衡ΔCsは、次式に
よって与えられる成分ΔCsyを有する。
アス移動ΔYの存在下で、容量不平衡ΔCsは、次式に
よって与えられる成分ΔCsyを有する。
【0020】
【数3】
【0021】代わりに、第3の基準軸線Zに沿ったあら
ゆるスプリアス移動Δzが、MEMSセンサ1の軸対称
によって補償される。
ゆるスプリアス移動Δzが、MEMSセンサ1の軸対称
によって補償される。
【0022】移動ΔXによってもたらされる不平衡は微
分形式であり、且つ、それ自体としては完全微分演算増
幅器によって検出されるのに適している(例えば、M. L
emkin, B. Boser, "A Three-Axis Micromachined Accel
erometer with a CMOS Position-Sense Interface and
Digital Offset-Trim Electronics", IEEE Journal of
Solid-State Circuits, Vol. 34, No. 4, pp. 456-468
を参照されたい)が、移動ΔYは、対向面積Aの変動を
引き起こす(図2)ので、共通検出容量Csの顕著なコ
モンモード変動をもたらす。
分形式であり、且つ、それ自体としては完全微分演算増
幅器によって検出されるのに適している(例えば、M. L
emkin, B. Boser, "A Three-Axis Micromachined Accel
erometer with a CMOS Position-Sense Interface and
Digital Offset-Trim Electronics", IEEE Journal of
Solid-State Circuits, Vol. 34, No. 4, pp. 456-468
を参照されたい)が、移動ΔYは、対向面積Aの変動を
引き起こす(図2)ので、共通検出容量Csの顕著なコ
モンモード変動をもたらす。
【0023】出力電圧Voは、共通検出容量Csに正比
例している容量不平衡ΔCsに正比例しているので、移
動ΔYを原因とするコモンモード変動が大きな検出誤り
を生じさせる。
例している容量不平衡ΔCsに正比例しているので、移
動ΔYを原因とするコモンモード変動が大きな検出誤り
を生じさせる。
【0024】この欠点を克服するために、MEMSセン
サを読み取る方法および回路が、本発明の出願人と同一
の出願人により2001年2月21日付けで出願された
イタリア国特許出願番号TO2001A000157に
おいてすでに提案されている。
サを読み取る方法および回路が、本発明の出願人と同一
の出願人により2001年2月21日付けで出願された
イタリア国特許出願番号TO2001A000157に
おいてすでに提案されている。
【0025】この特許出願を、図3を参照して簡単に説
明するが、図3において、MEMSセンサ1は、第1お
よび第2の等価の検出コンデンサ11,12によって図
式的に示されており、第1および第2の検出コンデンサ
11,12は、それぞれ第1および第2の検出容量C
1,C2に等しい容量を有し、さらに、第1および第2
の検出ノード13,14にそれぞれ接続された第1の端
子および共通ノード15に接続されている第2の端子を
有する。図3では、MEMSセンサ1の寄生容量は、検
出ノード13,14および可動マスの間に接続された寄
生コンデンサ17,18によって図式的に示されてい
る。
明するが、図3において、MEMSセンサ1は、第1お
よび第2の等価の検出コンデンサ11,12によって図
式的に示されており、第1および第2の検出コンデンサ
11,12は、それぞれ第1および第2の検出容量C
1,C2に等しい容量を有し、さらに、第1および第2
の検出ノード13,14にそれぞれ接続された第1の端
子および共通ノード15に接続されている第2の端子を
有する。図3では、MEMSセンサ1の寄生容量は、検
出ノード13,14および可動マスの間に接続された寄
生コンデンサ17,18によって図式的に示されてい
る。
【0026】検出回路30が、検出演算増幅器20と、
フィードバック段21と、補償段31と、信号発生器6
0とを備え、この信号発生器60は、セレクタ61の第
1の入力を介して共通ノード15に接続可能であり、そ
して、検出電圧Vsを供給する。
フィードバック段21と、補償段31と、信号発生器6
0とを備え、この信号発生器60は、セレクタ61の第
1の入力を介して共通ノード15に接続可能であり、そ
して、検出電圧Vsを供給する。
【0027】簡略的に述べると、完全微分トポロジ(fu
lly differential topology)を有する検出演算増幅器
20は、第1および第2の検出ノード13,14に接続
された入力を有し、電荷積分器構成の形に接続されてお
り、そして、出力電圧Voを供給する。
lly differential topology)を有する検出演算増幅器
20は、第1および第2の検出ノード13,14に接続
された入力を有し、電荷積分器構成の形に接続されてお
り、そして、出力電圧Voを供給する。
【0028】フィードバック段21は、増幅回路25
と、第1および第2のフィードバックコンデンサ26,
27とを備え、第1および第2のフィードバックコンデ
ンサ26,27は、増幅回路25の出力25aに接続さ
れている第1の端子と、第1および第2の検出ノード1
3,14にそれぞれ接続されている第2の端子とを有す
る。増幅回路25は、第1および第2の検出ノード1
3,14にそれぞれ接続された微分入力を有し、基準入
力25bにおける基準電圧VREFを受け取り、そして、
その出力25aによりフィードバック電圧VFBを供給す
る。
と、第1および第2のフィードバックコンデンサ26,
27とを備え、第1および第2のフィードバックコンデ
ンサ26,27は、増幅回路25の出力25aに接続さ
れている第1の端子と、第1および第2の検出ノード1
3,14にそれぞれ接続されている第2の端子とを有す
る。増幅回路25は、第1および第2の検出ノード1
3,14にそれぞれ接続された微分入力を有し、基準入
力25bにおける基準電圧VREFを受け取り、そして、
その出力25aによりフィードバック電圧VFBを供給す
る。
【0029】補償段31は、増幅回路25の出力25a
に接続されている入力と、セレクタ61の第2の入力を
介して共通ノード15に接続可能な出力31aとを有す
る。さらに、補償段31は、後に詳細するように、近似
的に反比例関数によってMEMSセンサ1の共通検出容
量Csに関係付けられた補償電圧Vcを供給する。
に接続されている入力と、セレクタ61の第2の入力を
介して共通ノード15に接続可能な出力31aとを有す
る。さらに、補償段31は、後に詳細するように、近似
的に反比例関数によってMEMSセンサ1の共通検出容
量Csに関係付けられた補償電圧Vcを供給する。
【0030】補償段31は、記憶コンデンサ32と、後
述の構成では演算増幅器であることが好ましい減結合段
34と、反転増幅器35とを備える。
述の構成では演算増幅器であることが好ましい減結合段
34と、反転増幅器35とを備える。
【0031】記憶コンデンサ32は、接地に接続されて
いる第1の端子と、逆位相で制御される第1および第2
のスイッチ36,37のそれぞれによって増幅回路25
の出力25aおよび減結合段33に選択的に接続可能な
第2の端子とを有する。
いる第1の端子と、逆位相で制御される第1および第2
のスイッチ36,37のそれぞれによって増幅回路25
の出力25aおよび減結合段33に選択的に接続可能な
第2の端子とを有する。
【0032】反転増幅器35は、減結合段33の出力に
接続されている入力端子35aと、補償段31の出力3
1aを形成し且つ補償電圧Vcを供給する出力端子とを
有する。
接続されている入力端子35aと、補償段31の出力3
1aを形成し且つ補償電圧Vcを供給する出力端子とを
有する。
【0033】検出回路30は、共通検出容量Csが、第
1の近似において、反比例関係によって補償電圧Vcに
関係付けられているという事実を利用する。
1の近似において、反比例関係によって補償電圧Vcに
関係付けられているという事実を利用する。
【0034】実際には、検出電圧Vs(一定不変の値を
有する)が可動マス4に供給されるとき、増幅器回路2
5によって供給されるフィードバック電圧VFBは、全検
出容量Csに対して正比例している値をとり、また、出
力電圧Voも同様である。2つの連続したステップにお
いて、フィードバック電圧VFBが記憶され、次に、補償
演算増幅器35に転送される。反転増幅器35の利得G
が負であり、且つ、スプリアス変位ΔYを原因とする共
通検出容量Csの変動がフェムトファラッドのオーダー
であるとき、共通検出容量Csの変動に対する補償電圧
Vcのパターンが反比例関係の1次近似である(図4を
参照されたい。この図は、共通検出容量Csに対して反
比例している曲線Vcも示す)。換言すると、共通検出
容量Csの休止値(resting value)Cs0の事前設定
された近傍Iでは、 Vc=K/Cs (6) であると想定することが適正である。ここで、Kは比例
関係の定数である。
有する)が可動マス4に供給されるとき、増幅器回路2
5によって供給されるフィードバック電圧VFBは、全検
出容量Csに対して正比例している値をとり、また、出
力電圧Voも同様である。2つの連続したステップにお
いて、フィードバック電圧VFBが記憶され、次に、補償
演算増幅器35に転送される。反転増幅器35の利得G
が負であり、且つ、スプリアス変位ΔYを原因とする共
通検出容量Csの変動がフェムトファラッドのオーダー
であるとき、共通検出容量Csの変動に対する補償電圧
Vcのパターンが反比例関係の1次近似である(図4を
参照されたい。この図は、共通検出容量Csに対して反
比例している曲線Vcも示す)。換言すると、共通検出
容量Csの休止値(resting value)Cs0の事前設定
された近傍Iでは、 Vc=K/Cs (6) であると想定することが適正である。ここで、Kは比例
関係の定数である。
【0035】こうして得られた補償電圧が共通ノード1
5に供給される。このステップでは、出力電圧Voは次
に関係によって与えられる。
5に供給される。このステップでは、出力電圧Voは次
に関係によって与えられる。
【0036】
【数4】
【0037】式(4)および式(5)に従って、容量不
平衡ΔCsが次式によって与えられるので、
平衡ΔCsが次式によって与えられるので、
【0038】
【数5】
【0039】出力電圧Voは、共通検出容量Csとは実
質的に無関係であることが見出される。実際には、式
(7)および式(8)を組み合わせることによって、得
られる。
質的に無関係であることが見出される。実際には、式
(7)および式(8)を組み合わせることによって、得
られる。
【0040】
【数6】
【0041】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、検出回
路30は幾つかの制限を有し、こうした制限は、1次近
似が行われることを主な原因とする。この近似の結果と
して、実際には、特に可動マス4のスプリアス変位が多
量である場合に線形性誤りが生じることがある。このと
き、スプリアス変位の補償が不正確であることがあり、
さらには、検出回路の性能を低下させる歪みが生じさせ
られる。
路30は幾つかの制限を有し、こうした制限は、1次近
似が行われることを主な原因とする。この近似の結果と
して、実際には、特に可動マス4のスプリアス変位が多
量である場合に線形性誤りが生じることがある。このと
き、スプリアス変位の補償が不正確であることがあり、
さらには、検出回路の性能を低下させる歪みが生じさせ
られる。
【0042】第2に、特別な補償段を導入することが必
要であり、このことは検出回路の全体的寸法の著しい増
大を意味する。
要であり、このことは検出回路の全体的寸法の著しい増
大を意味する。
【0043】本発明の目的は、上述の欠点を克服するこ
とである。
とである。
【0044】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、マイク
ロ・エレクトロ・メカニカル・センサによる変位の検出
のための方法および回路が提供される。
ロ・エレクトロ・メカニカル・センサによる変位の検出
のための方法および回路が提供される。
【0045】すなわち、本発明によれば、固定本体およ
び可動マスを備えるマイクロ・エレクトロ・メカニカル
・センサを使用して変位を検出する方法であって、前記
固定本体および前記可動マスは、少なくとも1つの第1
の検出コンデンサと、少なくとも1つの第2の検出コン
デンサとを形成し、且つ、休止状態において共通の検出
容量を有する方法において、前記第1および第2の検出
コンデンサおよび増幅器手段を備える第1のネガティブ
・フィードバック・ループを閉じる段階と、前記共通の
検出容量に反比例している電気駆動量の変動を生じさせ
るために、容量性駆動手段を介して前記増幅器手段に階
段検出電圧を供給する段階と、前記電気駆動量によって
前記センサを駆動する段階と、を備える方法が提供され
る。
び可動マスを備えるマイクロ・エレクトロ・メカニカル
・センサを使用して変位を検出する方法であって、前記
固定本体および前記可動マスは、少なくとも1つの第1
の検出コンデンサと、少なくとも1つの第2の検出コン
デンサとを形成し、且つ、休止状態において共通の検出
容量を有する方法において、前記第1および第2の検出
コンデンサおよび増幅器手段を備える第1のネガティブ
・フィードバック・ループを閉じる段階と、前記共通の
検出容量に反比例している電気駆動量の変動を生じさせ
るために、容量性駆動手段を介して前記増幅器手段に階
段検出電圧を供給する段階と、前記電気駆動量によって
前記センサを駆動する段階と、を備える方法が提供され
る。
【0046】さらに、本発明によれば、固定本体および
可動マスを備えるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・
センサを使用して変位を検出する回路であって、前記固
定本体および前記可動マスは、少なくとも1つの第1の
検出コンデンサと、少なくとも1つの第2の検出コンデ
ンサとを形成し、前記少なくとも1つの第1の検出コン
デンサおよび前記少なくとも1つの第2の検出コンデン
サは、第1の入力端子に接続され、且つ、第1の出力端
子および第2の出力端子にそれぞれ接続され、そして、
休止共通検出容量および容量不平衡を有する回路であっ
て、選択的に閉じられることが可能であり、且つ、前記
第1および第2の検出コンデンサと第1の増幅器手段と
を備える第1のネガティブ・フィードバック・ループ
と、容量性駆動手段を介して前記第1の増幅器手段に接
続され、且つ、前記共通検出容量に反比例している前記
センサの電気駆動量の変動を生じさせるために前記第1
のネガティブ・フィードバック・ループが閉じられる時
に階段検出電圧を供給する電圧発生器手段と、を備える
回路が提供される。
可動マスを備えるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・
センサを使用して変位を検出する回路であって、前記固
定本体および前記可動マスは、少なくとも1つの第1の
検出コンデンサと、少なくとも1つの第2の検出コンデ
ンサとを形成し、前記少なくとも1つの第1の検出コン
デンサおよび前記少なくとも1つの第2の検出コンデン
サは、第1の入力端子に接続され、且つ、第1の出力端
子および第2の出力端子にそれぞれ接続され、そして、
休止共通検出容量および容量不平衡を有する回路であっ
て、選択的に閉じられることが可能であり、且つ、前記
第1および第2の検出コンデンサと第1の増幅器手段と
を備える第1のネガティブ・フィードバック・ループ
と、容量性駆動手段を介して前記第1の増幅器手段に接
続され、且つ、前記共通検出容量に反比例している前記
センサの電気駆動量の変動を生じさせるために前記第1
のネガティブ・フィードバック・ループが閉じられる時
に階段検出電圧を供給する電圧発生器手段と、を備える
回路が提供される。
【0047】
【発明の実施の形態】以下に、本発明のより適切な理解
のために、本発明の単なる非限定的な具体例としての本
発明の2つの実施例を、添付図面を参照して説明する。
のために、本発明の単なる非限定的な具体例としての本
発明の2つの実施例を、添付図面を参照して説明する。
【0048】図5〜図7を参照すると、参照番号100
は、本明細書では微分入力形式であるMEMSセンサ1
01のための検出回路を示す。MEMSセンサ101そ
のものは公知であり、且つ、図1および図2に示される
ように、固定子2および可動マス3を有するMEMSセ
ンサ101は、可動マス3に接続されている第1の端子
102および第2の端子103と、固定子2に接続され
ている第1の出力端子104および第2の出力端子10
5とを有し、そして、4つの等価の検出コンデンサ10
7〜110によって図式的に表されることが可能であ
る。詳述すると、容量C11を有する第1の等価の検出
コンデンサ107は、第1の入力端子102および第1
の出力端子104の間に接続されている。容量C12を
有する第2の等価の検出コンデンサ108は、第1の入
力端子102および第2の出力端子105の間に接続さ
れている。容量C21を有する第3の等価の検出コンデ
ンサ109は、第2の入力端子103および第1の出力
端子104の間に接続されている。さらに、容量C22
を有する第4の等価の検出コンデンサ110は、第2の
入力端子103および第2の出力端子105の間に接続
されている。
は、本明細書では微分入力形式であるMEMSセンサ1
01のための検出回路を示す。MEMSセンサ101そ
のものは公知であり、且つ、図1および図2に示される
ように、固定子2および可動マス3を有するMEMSセ
ンサ101は、可動マス3に接続されている第1の端子
102および第2の端子103と、固定子2に接続され
ている第1の出力端子104および第2の出力端子10
5とを有し、そして、4つの等価の検出コンデンサ10
7〜110によって図式的に表されることが可能であ
る。詳述すると、容量C11を有する第1の等価の検出
コンデンサ107は、第1の入力端子102および第1
の出力端子104の間に接続されている。容量C12を
有する第2の等価の検出コンデンサ108は、第1の入
力端子102および第2の出力端子105の間に接続さ
れている。容量C21を有する第3の等価の検出コンデ
ンサ109は、第2の入力端子103および第1の出力
端子104の間に接続されている。さらに、容量C22
を有する第4の等価の検出コンデンサ110は、第2の
入力端子103および第2の出力端子105の間に接続
されている。
【0049】さらに、休止状態では、これらのセンサの
容量は、全て共通検出容量Csに等しい。しかしなが
ら、MEMSセンサ101が励起される場合には、式
(4)および式(5)によって定義される容量不平衡Δ
Csが発生させられ、等価の検出コンデンサ107−1
10の容量が次の式で与えられる。
容量は、全て共通検出容量Csに等しい。しかしなが
ら、MEMSセンサ101が励起される場合には、式
(4)および式(5)によって定義される容量不平衡Δ
Csが発生させられ、等価の検出コンデンサ107−1
10の容量が次の式で与えられる。
【0050】
C11=C12=Cs+ΔCs (10)
C12=C21=Cs−ΔCs (11)
検出回路100は、完全微分トポロジを有する検出演算
増幅器111と、駆動段112と、フィードバック段1
14と、基準電圧Vrefを供給する少なくとも1つの
基準線115とを備える。
増幅器111と、駆動段112と、フィードバック段1
14と、基準電圧Vrefを供給する少なくとも1つの
基準線115とを備える。
【0051】検出演算増幅器111は、MEMSセンサ
101の第1の出力端子104および第2の出力端子1
05にそれぞれに接続される非反転入力および反転入力
と、出力電圧Voが間に供給される反転出力111aお
よび非反転出力111bとを有する。さらに、第1のフ
ィードバックスイッチ116は、演算増幅器111の入
力の間に接続されている。第1の積分コンデンサ117
は非反転入力および反転出力111aの間に接続され、
また、第2の積分コンデンサ118は、反転入力および
検出演算増幅器111の反転出力111bの間に接続さ
れ、従って、検出演算増幅器111は電荷積分器構成と
されている。積分コンデンサ117,118の両方は、
積分容量Ciを有する。
101の第1の出力端子104および第2の出力端子1
05にそれぞれに接続される非反転入力および反転入力
と、出力電圧Voが間に供給される反転出力111aお
よび非反転出力111bとを有する。さらに、第1のフ
ィードバックスイッチ116は、演算増幅器111の入
力の間に接続されている。第1の積分コンデンサ117
は非反転入力および反転出力111aの間に接続され、
また、第2の積分コンデンサ118は、反転入力および
検出演算増幅器111の反転出力111bの間に接続さ
れ、従って、検出演算増幅器111は電荷積分器構成と
されている。積分コンデンサ117,118の両方は、
積分容量Ciを有する。
【0052】駆動段112は、予め定められた振幅およ
びデュレーションのステップを有する階段検出電圧Vs
を供給する出力120aを有する信号発生器回路120
と、一対の駆動コンデンサ121,122とを備え、こ
の一対の駆動コンデンサ121,122は、駆動容量C
dを有し、そして、信号発生器回路120の出力120
aに共通して接続されている第1の端子と、検出演算増
幅器111の非反転入力および反転入力にそれぞれ接続
されている第2の端子とを与える。
びデュレーションのステップを有する階段検出電圧Vs
を供給する出力120aを有する信号発生器回路120
と、一対の駆動コンデンサ121,122とを備え、こ
の一対の駆動コンデンサ121,122は、駆動容量C
dを有し、そして、信号発生器回路120の出力120
aに共通して接続されている第1の端子と、検出演算増
幅器111の非反転入力および反転入力にそれぞれ接続
されている第2の端子とを与える。
【0053】フィードバック段114は、フィードバッ
ク演算増幅器124および保持容量Chを有する保持コ
ンデンサ125を備える。
ク演算増幅器124および保持容量Chを有する保持コ
ンデンサ125を備える。
【0054】フィードバック演算増幅器124は、基準
線115に接続されている非反転入力124aと、第2
のフィードバックスイッチ128を介してMEMSセン
サ101の第2の出力端子105に接続され且つ第1の
供給スイッチ126を介して基準線115に接続されて
いる反転入力124bと、補償電圧Vcを供給する出力
124cとを有する。第2の初期化スイッチ127は、
基準線115およびMEMSセンサ101の第2の出力
端子105の間に接続されている。さらに、フィードバ
ック演算増幅器124の出力124cは第3の初期化ス
イッチ140を介して基準線115に接続され、また、
第1の駆動スイッチ129および第2の駆動スイッチ1
30をそれぞれに介してMEMSセンサ101の第1の
入力端子102および第2の入力端子103にも接続さ
れている。一方、MEMSセンサ101の第1の入力端
子102および第2の入力端子103は、第3の駆動ス
イッチ131および第4の駆動スイッチ132を介して
基準線115に接続されている。保持コンデンサ125
は、フィードバック演算増幅器124の出力124cに
接続されている第1の端子と、第1の保持スイッチ13
4を介して基準線115に対してまたは第2の保持スイ
ッチ135を介してフィードバック演算増幅器124の
反転入力124bに対して選択的に接続されることが可
能な第2の端子とを有する。
線115に接続されている非反転入力124aと、第2
のフィードバックスイッチ128を介してMEMSセン
サ101の第2の出力端子105に接続され且つ第1の
供給スイッチ126を介して基準線115に接続されて
いる反転入力124bと、補償電圧Vcを供給する出力
124cとを有する。第2の初期化スイッチ127は、
基準線115およびMEMSセンサ101の第2の出力
端子105の間に接続されている。さらに、フィードバ
ック演算増幅器124の出力124cは第3の初期化ス
イッチ140を介して基準線115に接続され、また、
第1の駆動スイッチ129および第2の駆動スイッチ1
30をそれぞれに介してMEMSセンサ101の第1の
入力端子102および第2の入力端子103にも接続さ
れている。一方、MEMSセンサ101の第1の入力端
子102および第2の入力端子103は、第3の駆動ス
イッチ131および第4の駆動スイッチ132を介して
基準線115に接続されている。保持コンデンサ125
は、フィードバック演算増幅器124の出力124cに
接続されている第1の端子と、第1の保持スイッチ13
4を介して基準線115に対してまたは第2の保持スイ
ッチ135を介してフィードバック演算増幅器124の
反転入力124bに対して選択的に接続されることが可
能な第2の端子とを有する。
【0055】次に、検出回路100の動作を説明する。
最初に、初期化ステップが行われ、このステップ中は、
初期化スイッチ126,127,140と、フィードバ
ックスイッチ116,118と、第3および第4の駆動
スイッチ131,132と、第1の保持スイッチ134
とが閉じられると同時に、一方、第1および第2の駆動
スイッチ129,130と、第2の保持スイッチ135
とが開かれる(図5)。従って、MEMSセンサ101
の入力端子102,103および出力端子104,10
5と、フィードバック演算増幅器124の入力124
a,124bは、基準電圧Vrefに設定される。さら
に、フィードバック演算増幅器124の出力124cに
おける補償電圧Vcは、初期には基準電圧Vrefに等
しい。
最初に、初期化ステップが行われ、このステップ中は、
初期化スイッチ126,127,140と、フィードバ
ックスイッチ116,118と、第3および第4の駆動
スイッチ131,132と、第1の保持スイッチ134
とが閉じられると同時に、一方、第1および第2の駆動
スイッチ129,130と、第2の保持スイッチ135
とが開かれる(図5)。従って、MEMSセンサ101
の入力端子102,103および出力端子104,10
5と、フィードバック演算増幅器124の入力124
a,124bは、基準電圧Vrefに設定される。さら
に、フィードバック演算増幅器124の出力124cに
おける補償電圧Vcは、初期には基準電圧Vrefに等
しい。
【0056】次に、共通検出容量Csが検出されて記憶
される。詳述すると(図6)、初期化スイッチ126,
127,140と、第3の駆動スイッチ131とが開か
れ、一方、第1の駆動スイッチ129が閉じられる。こ
うして、フィードバック演算増幅器124と第1および
第2の等価の検出コンデンサ107,108とによって
形成されているネガティブ・フィードバック・ループ1
36が閉じられる。ここで、フィードバック演算増幅器
124は、反転増幅器構成の形である。特に、駆動コン
デンサ121,122と検出コンデンサ107,108
は、それぞれに反転増幅器の入力要素およびフィードバ
ック要素を形成する。
される。詳述すると(図6)、初期化スイッチ126,
127,140と、第3の駆動スイッチ131とが開か
れ、一方、第1の駆動スイッチ129が閉じられる。こ
うして、フィードバック演算増幅器124と第1および
第2の等価の検出コンデンサ107,108とによって
形成されているネガティブ・フィードバック・ループ1
36が閉じられる。ここで、フィードバック演算増幅器
124は、反転増幅器構成の形である。特に、駆動コン
デンサ121,122と検出コンデンサ107,108
は、それぞれに反転増幅器の入力要素およびフィードバ
ック要素を形成する。
【0057】スイッチ126,127,140,12
9,131の切り換えの直後に、信号発生器回路120
は、振幅Vsを有する電圧ステップを発生し、このステ
ップは、駆動コンデンサ121,122を介してフィー
ドバック演算増幅器124の入力124bに供給され、
そして、ネガティブ・フィードバック・ループ136の
存在のために、次式によって与えられる補償電圧ΔVc
の変動を決定する。
9,131の切り換えの直後に、信号発生器回路120
は、振幅Vsを有する電圧ステップを発生し、このステ
ップは、駆動コンデンサ121,122を介してフィー
ドバック演算増幅器124の入力124bに供給され、
そして、ネガティブ・フィードバック・ループ136の
存在のために、次式によって与えられる補償電圧ΔVc
の変動を決定する。
【0058】
【数7】
【0059】このステップにおいて、実際は、第1の等
価の検出コンデンサ107および第2の等価の検出コン
デンサ108が並列に接続され、同様に、第1の駆動コ
ンデンサ121および第2の駆動コンデンサ122が並
列に接続される(第1のフィードバックスイッチ116
は閉じたままである)。従って、信号発生器回路120
の出力120aとフィードバック演算増幅器124の反
転入力124bとの間に存在する容量は、全体として2
Cdに等しく、また、フィードバック演算増幅器124
の反転入力124bと出力124cとの間の容量は、式
(10)および式(11)に従って、次式によって与え
られる。
価の検出コンデンサ107および第2の等価の検出コン
デンサ108が並列に接続され、同様に、第1の駆動コ
ンデンサ121および第2の駆動コンデンサ122が並
列に接続される(第1のフィードバックスイッチ116
は閉じたままである)。従って、信号発生器回路120
の出力120aとフィードバック演算増幅器124の反
転入力124bとの間に存在する容量は、全体として2
Cdに等しく、また、フィードバック演算増幅器124
の反転入力124bと出力124cとの間の容量は、式
(10)および式(11)に従って、次式によって与え
られる。
【0060】
C11+C12=Cs+ΔCs+Cs−ΔCs=2Cs (13)
補償電圧Vc(初期にはVrefに等しい)は、次式に
よって与えられる駆動電圧Vcdに達し、この電圧Vc
dに保持される。
よって与えられる駆動電圧Vcdに達し、この電圧Vc
dに保持される。
【0061】
Vcd=Vref+ΔVc (14)
実際には、式(12)で示されるように、共通検出容量
Csに反比例する補償電圧ΔVcにおける変動は、保持
コンデンサ125によって記憶される。さらに、駆動電
圧Vcdの値は、フィードバック演算増幅器124の出
力124cに直接接続されているMEMSセンサ101
の第1の入力端子102に供給される。
Csに反比例する補償電圧ΔVcにおける変動は、保持
コンデンサ125によって記憶される。さらに、駆動電
圧Vcdの値は、フィードバック演算増幅器124の出
力124cに直接接続されているMEMSセンサ101
の第1の入力端子102に供給される。
【0062】次に、容量不平衡ΔCsが検出される。特
に、検出電圧Vsのステップが終了し、フィードバック
スイッチ116,128と、第1の保持スイッチ129
と、第1および第4の駆動スイッチ129,132とが
開かれ、また、第2の保持スイッチ135と、第2の駆
動スイッチ130と、第4の駆動スイッチ131とが閉
じられる(図7)。第2のフィードバックスイッチ12
8が開かれていると仮定すると、ネガティブ・フィード
バック・ループ136が開かれている。さらに、保持ス
イッチ134,135の切り換えが、フィードバック演
算増幅器124の反転入力124bおよび出力124c
の間での保持コンデンサ125のフィードバック接続を
可能にする。このようにして、保持コンデンサ125の
電荷が保存され、従って、フィードバック演算増幅器1
24の出力124cの補償電圧Vcが駆動電圧Vcdに
保たれる。
に、検出電圧Vsのステップが終了し、フィードバック
スイッチ116,128と、第1の保持スイッチ129
と、第1および第4の駆動スイッチ129,132とが
開かれ、また、第2の保持スイッチ135と、第2の駆
動スイッチ130と、第4の駆動スイッチ131とが閉
じられる(図7)。第2のフィードバックスイッチ12
8が開かれていると仮定すると、ネガティブ・フィード
バック・ループ136が開かれている。さらに、保持ス
イッチ134,135の切り換えが、フィードバック演
算増幅器124の反転入力124bおよび出力124c
の間での保持コンデンサ125のフィードバック接続を
可能にする。このようにして、保持コンデンサ125の
電荷が保存され、従って、フィードバック演算増幅器1
24の出力124cの補償電圧Vcが駆動電圧Vcdに
保たれる。
【0063】さらに、補償電圧Vcは、MEMSセンサ
101を駆動するために使用される。詳述すると、フィ
ードバック演算増幅器124の出力124cは、第1の
入力端子102から切断され、MEMSセンサ101の
第2の入力端子103に接続される。従って、MEMS
センサ101の第1の入力端子102の電圧は、駆動値
Vcdから基準電圧Vrefの値に切り換わる。その代
わりに、第2の入力端子103の電圧は、基準電圧Vr
efの値から駆動値Vcdに切り換わる。換言すると、
反対の符号で補償電圧ΔVcの変動に等しい振幅であ
り、従って、共通検出容量Csに反比例している電圧ス
テップは、MEMSセンサ101の入力端子102,1
03に対して同時に印加される。
101を駆動するために使用される。詳述すると、フィ
ードバック演算増幅器124の出力124cは、第1の
入力端子102から切断され、MEMSセンサ101の
第2の入力端子103に接続される。従って、MEMS
センサ101の第1の入力端子102の電圧は、駆動値
Vcdから基準電圧Vrefの値に切り換わる。その代
わりに、第2の入力端子103の電圧は、基準電圧Vr
efの値から駆動値Vcdに切り換わる。換言すると、
反対の符号で補償電圧ΔVcの変動に等しい振幅であ
り、従って、共通検出容量Csに反比例している電圧ス
テップは、MEMSセンサ101の入力端子102,1
03に対して同時に印加される。
【0064】上述の反比例関係によって、このステップ
における出力電圧Voは、式(7)に類似している次の
関係によって与えられる。
における出力電圧Voは、式(7)に類似している次の
関係によって与えられる。
【0065】
【数8】
【0066】ここで、Aは定数である。
【0067】上述したように、特に、式(8)および式
(9)を参照し、容量不平衡ΔCsが共通検出容量に正
比例していると想定すると、出力電圧Voは、共通検出
容量Csとは無関係であり、従って、MEMSセンサ1
01の可動マスのスプリアス変位を原因とする誤りが実
質的に排除される。
(9)を参照し、容量不平衡ΔCsが共通検出容量に正
比例していると想定すると、出力電圧Voは、共通検出
容量Csとは無関係であり、従って、MEMSセンサ1
01の可動マスのスプリアス変位を原因とする誤りが実
質的に排除される。
【0068】さらに、振幅が等しく且つ符号が反対であ
るステップを有する階段電圧を、MEMSセンサ101
を駆動するために使用することが、MEMSセンサ10
1の出力端子104,105におけるコモンモード電圧
を一定不変に維持することを可能にし、従って、これら
の出力端子に関連した寄生容量(図示していない)は全
く影響を与えない。
るステップを有する階段電圧を、MEMSセンサ101
を駆動するために使用することが、MEMSセンサ10
1の出力端子104,105におけるコモンモード電圧
を一定不変に維持することを可能にし、従って、これら
の出力端子に関連した寄生容量(図示していない)は全
く影響を与えない。
【0069】上述の部品と共通している部品が同一の参
照番号で示されている図8および図9は、本発明の他の
実施例を示し、この実施形態では、MEMSセンサ15
1のための検出回路150は、電荷積分器構成の形の検
出演算増幅器111と、基準線115と、信号発生器回
路120と、バイアス電圧Vbを供給するバイアス線1
65と、フィードバック段152とを備える。
照番号で示されている図8および図9は、本発明の他の
実施例を示し、この実施形態では、MEMSセンサ15
1のための検出回路150は、電荷積分器構成の形の検
出演算増幅器111と、基準線115と、信号発生器回
路120と、バイアス電圧Vbを供給するバイアス線1
65と、フィードバック段152とを備える。
【0070】MEMSセンサ151は、図1および図2
に示す単一入力形式の例では、入力端子153と、第1
の出力端子154と、第2の出力端子155とを有し、
そして、第1の等価の検出コンデンサ156および第2
の等価の検出コンデンサ157によって図式的に表され
ることが可能である。特に、第1の等価の検出コンデン
サ156は、入力端子153および第1の出力端子15
4の間に接続されており、また、MEMSセンサ151
が休止状態にある場合に共通検出容量Csに等しい容量
を有し、MEMSセンサ151が励起されている場合に
Cs+ΔCsに等しい容量を有し、容量不平衡ΔCsが
生じる。第2の等価の検出コンデンサ157は、入力端
子153および第2の出力端子155の間に接続されて
おり、MEMSセンサ151が休止状態にある場合に共
通検出容量Csに等しい容量を有し、MEMSセンサ1
51が励起されている場合にCs−ΔCsに等しい容量
を有する。
に示す単一入力形式の例では、入力端子153と、第1
の出力端子154と、第2の出力端子155とを有し、
そして、第1の等価の検出コンデンサ156および第2
の等価の検出コンデンサ157によって図式的に表され
ることが可能である。特に、第1の等価の検出コンデン
サ156は、入力端子153および第1の出力端子15
4の間に接続されており、また、MEMSセンサ151
が休止状態にある場合に共通検出容量Csに等しい容量
を有し、MEMSセンサ151が励起されている場合に
Cs+ΔCsに等しい容量を有し、容量不平衡ΔCsが
生じる。第2の等価の検出コンデンサ157は、入力端
子153および第2の出力端子155の間に接続されて
おり、MEMSセンサ151が休止状態にある場合に共
通検出容量Csに等しい容量を有し、MEMSセンサ1
51が励起されている場合にCs−ΔCsに等しい容量
を有する。
【0071】フィードバック段152は、増幅器回路
と、第1のフィードバックコンデンサ159と、第2の
フィードバックコンデンサ160とを備える。
と、第1のフィードバックコンデンサ159と、第2の
フィードバックコンデンサ160とを備える。
【0072】それ自体としては公知であり且つ上述の論
文で詳細に言及されている増幅器回路158は、MEM
Sセンサ151の第1の出力端子154および第2の出
力端子155にそれぞれに接続されている一対の微分入
力158a,158bと、基準線115に接続されてい
る基準入力と、出力158cとを有し、出力158c
は、フィードバック電圧Vfbを供給し、そして、フィ
ードバックスイッチ162を介してフィードバックノー
ド161に接続され、且つ、駆動スイッチ164を介し
てMEMSセンサ151の入力端子153に接続されて
いる。さらに、MEMSセンサ151の入力端子153
は、バイアススイッチ166を介して駆動線165に接
続されている。
文で詳細に言及されている増幅器回路158は、MEM
Sセンサ151の第1の出力端子154および第2の出
力端子155にそれぞれに接続されている一対の微分入
力158a,158bと、基準線115に接続されてい
る基準入力と、出力158cとを有し、出力158c
は、フィードバック電圧Vfbを供給し、そして、フィ
ードバックスイッチ162を介してフィードバックノー
ド161に接続され、且つ、駆動スイッチ164を介し
てMEMSセンサ151の入力端子153に接続されて
いる。さらに、MEMSセンサ151の入力端子153
は、バイアススイッチ166を介して駆動線165に接
続されている。
【0073】両方ともフィードバック容量Cfbを有す
る第1のフィードバックコンデンサ159および第2の
フィードバックコンデンサ160は、フィードバックノ
ード161に接続されている第1の端子と、MEMSセ
ンサ151の第1の出力端子154と第2の出力端子1
55とにそれぞれ接続されている第2の端子とを有す
る。
る第1のフィードバックコンデンサ159および第2の
フィードバックコンデンサ160は、フィードバックノ
ード161に接続されている第1の端子と、MEMSセ
ンサ151の第1の出力端子154と第2の出力端子1
55とにそれぞれ接続されている第2の端子とを有す
る。
【0074】振幅Vsを有する電圧ステップを供給する
信号発生器回路120は、フィードバックノード161
に接続されている出力120aを有する。
信号発生器回路120は、フィードバックノード161
に接続されている出力120aを有する。
【0075】初期動作ステップでは、検出回路150
は、バイアススイッチ166および駆動スイッチ164
を閉じること、並びに、フィードバックスイッチ162
を開くことによって初期化される。このようにして、M
EMSセンサ151の入力端子153および増幅器回路
158の出力158cがバイアス電圧Vbになる(すな
わち、Vfb=Vb)。
は、バイアススイッチ166および駆動スイッチ164
を閉じること、並びに、フィードバックスイッチ162
を開くことによって初期化される。このようにして、M
EMSセンサ151の入力端子153および増幅器回路
158の出力158cがバイアス電圧Vbになる(すな
わち、Vfb=Vb)。
【0076】次に(図8)、バイアススイッチ166が
開かれ、信号発生器回路120は、増幅Vsを有する電
圧ステップを供給する。この段階において、駆動スイッ
チ164は、増幅器回路158およびMEMSセンサ1
51の等価の検出コンデンサ156,157によって形
成されている第1のネガティブ・フィードバック・ルー
プ168を閉じる。従って、振幅Vsの電圧ステップ
は、上述の論文で動作が詳細に言及されている増幅器回
路158により発生されるフィードバック電圧Vfbに
おける変動ΔVfbを生じさせる。実際には、フィード
バック電圧Vfbの変動ΔVfbの振幅は、次式によっ
て与えられる。
開かれ、信号発生器回路120は、増幅Vsを有する電
圧ステップを供給する。この段階において、駆動スイッ
チ164は、増幅器回路158およびMEMSセンサ1
51の等価の検出コンデンサ156,157によって形
成されている第1のネガティブ・フィードバック・ルー
プ168を閉じる。従って、振幅Vsの電圧ステップ
は、上述の論文で動作が詳細に言及されている増幅器回
路158により発生されるフィードバック電圧Vfbに
おける変動ΔVfbを生じさせる。実際には、フィード
バック電圧Vfbの変動ΔVfbの振幅は、次式によっ
て与えられる。
【0077】
ΔVfb=Vs(Cfb/Cs) (16)
従って、フィードバック電圧Vfbの変動ΔVfbの振
幅は、共通検出容量Csに反比例している。
幅は、共通検出容量Csに反比例している。
【0078】増幅器回路158の出力158cおよびM
EMSセンサ151の入力端子153のフィードバック
電圧Vfbの値は、次の通りである。
EMSセンサ151の入力端子153のフィードバック
電圧Vfbの値は、次の通りである。
【0079】
Vfb=Vb+ΔVfb (17)
次に、スイッチ162,164,166の全て(図9)
が切り換わる。このようにして、第1のネガティブ・フ
ィードバック・ループ168が開かれ、そして、増幅器
回路158とフィードバックコンデンサ159,160
とによって形成される第2のネガティブ・フィードバッ
ク・ループ170が閉じられる。第2のネガティブ・フ
ィードバック・ループ170によって、増幅器回路15
8は、それ自体は公知の仕方で、MEMSセンサ151
の第1の出力端子および第2の出力端子の間、すなわ
ち、検出動作増幅器111の入力の間のコモンモード電
圧を一定不変の値に維持し、それにより、検出動作増幅
器111は適正に動作する。
が切り換わる。このようにして、第1のネガティブ・フ
ィードバック・ループ168が開かれ、そして、増幅器
回路158とフィードバックコンデンサ159,160
とによって形成される第2のネガティブ・フィードバッ
ク・ループ170が閉じられる。第2のネガティブ・フ
ィードバック・ループ170によって、増幅器回路15
8は、それ自体は公知の仕方で、MEMSセンサ151
の第1の出力端子および第2の出力端子の間、すなわ
ち、検出動作増幅器111の入力の間のコモンモード電
圧を一定不変の値に維持し、それにより、検出動作増幅
器111は適正に動作する。
【0080】さらに、このステップでは、同様にバイア
ス線165に接続されているMEMSセンサ151の入
力端子153は、バイアス電圧Vbになる。このとき、
実際には、入力端子153における電圧は、フィードバ
ック電圧Vfbの変動ΔVfbに等しい電圧変動を受
け、従って、共通検出容量Csに反比例する変動を受け
る。
ス線165に接続されているMEMSセンサ151の入
力端子153は、バイアス電圧Vbになる。このとき、
実際には、入力端子153における電圧は、フィードバ
ック電圧Vfbの変動ΔVfbに等しい電圧変動を受
け、従って、共通検出容量Csに反比例する変動を受け
る。
【0081】そのため、出力電圧Voは次式によって与
えられる。
えられる。
【0082】
【数9】
【0083】ここで、Bは定数である。
【0084】さらに、このとき、共通検出容量Csに反
比例している電圧をMEMSセンサ151の入力端子に
印加することによって、スプリアス変位による影響が消
去される。
比例している電圧をMEMSセンサ151の入力端子に
印加することによって、スプリアス変位による影響が消
去される。
【0085】本発明の利点が上述の説明から明らかであ
る。
る。
【0086】第1に、本明細書で説明している検出回路
は、近似を全く行わないので、線形性の問題を全く示さ
ず、むしろ、フィードバック増幅器の特性が、共通検出
容量Csに反比例している電圧を発生させるために利用
される。従って、本発明において、MEMSセンサの可
動マスのスプリアス変位は、歪みを全くもたらさずに効
果的に排除され、そして、検出回路の精度が著しく改善
される。
は、近似を全く行わないので、線形性の問題を全く示さ
ず、むしろ、フィードバック増幅器の特性が、共通検出
容量Csに反比例している電圧を発生させるために利用
される。従って、本発明において、MEMSセンサの可
動マスのスプリアス変位は、歪みを全くもたらさずに効
果的に排除され、そして、検出回路の精度が著しく改善
される。
【0087】第2に、本発明において、追加の補償段を
設ける必要がなく、従って、検出回路の構成がより容易
となり、その全体寸法も小さい。
設ける必要がなく、従って、検出回路の構成がより容易
となり、その全体寸法も小さい。
【0088】最後に、本発明の範囲から逸脱することな
く、本明細書で説明している回路および方法に対して変
更や変型が加えられてもよいのは明らかである。
く、本明細書で説明している回路および方法に対して変
更や変型が加えられてもよいのは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】マイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサの
斜視図である。
斜視図である。
【図2】図1のセンサの拡大詳細部分の斜視図である。
【図3】以前の特許出願のマイクロ・エレクトロ・メカ
ニカル・センサための検出回路の単純化した回路図であ
る。
ニカル・センサための検出回路の単純化した回路図であ
る。
【図4】図3の回路内に存在する量のグラフを示す図で
ある。
ある。
【図5】異なる動作構成における本発明の第1実施例に
よるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのため
の検出回路を示す回路図である。
よるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのため
の検出回路を示す回路図である。
【図6】異なる動作構成における本発明の第1実施例に
よるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのため
の検出回路を示す回路図である。
よるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのため
の検出回路を示す回路図である。
【図7】異なる動作構成における本発明の第1実施例に
よるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのため
の検出回路を示す回路図である。
よるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのため
の検出回路を示す回路図である。
【図8】異なる動作構成における本発明の第2実施例に
よるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのため
の検出回路を示す回路図である。
よるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのため
の検出回路を示す回路図である。
【図9】異なる動作構成における本発明の第2実施例に
よるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのため
の検出回路を示す回路図である。
よるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサのため
の検出回路を示す回路図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 エルネスト ラザランドラ
イタリア国,27040 モントゥ ベッカリ
ア,フラツィオーネ マルカデロ,16
(72)発明者 トマソ ウンガレッティ
イタリア国,27100 パビア,ビア ビバ
イ,15
(72)発明者 アンドレア バスチロット
イタリア国,15057 トルトナ,コルソ
アレッサンドリア,166
Claims (18)
- 【請求項1】 固定本体(3)および可動マス(4)を
備えるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサ(1
01;151)を使用して変位を検出する方法であっ
て、前記固定本体(3)および前記可動マス(4)は、
少なくとも1つの第1の検出コンデンサ(107;15
6)と、少なくとも1つの第2の検出コンデンサ(10
8;157)とを形成し、且つ、休止状態において共通
の検出容量(Cs)を有する方法において、 前記第1および第2の検出コンデンサ(107,10
8;156,157)および増幅器手段(124;15
8)を備える第1のネガティブ・フィードバック・ルー
プ(136;138)を閉じる段階と、 前記共通の検出容量(Cs)に反比例している電気駆動
量(Vc;Vfb)の変動(ΔVc;ΔVfb)を生じ
させるために、容量性駆動手段(121,122;15
9,160)を介して前記増幅器手段(124;15
8)に階段検出電圧(Vs)を供給する段階と、 前記電気駆動量(Vc;Vfb)によって前記センサ
(101;151)を駆動する段階と、を備える方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の方法において、前記閉
じる段階は、前記第1および第2の検出コンデンサ(1
07,108;156,157)を介して前記増幅器手
段(124;158)の出力(124c;158c)と
少なくとも1つの入力(124a;158b,158
c)とを互いに接続することを備える方法。 - 【請求項3】 請求項2に記載の方法において、前記セ
ンサ(101;151)を駆動する前記段階は、前記第
1のネガティブ・フィードバック・ループ(136;1
68)を開くことを備える方法。 - 【請求項4】 請求項3に記載の方法において、前記検
出コンデンサ(107)を第1の入力端子(102)と
第1の出力端子(104)との間に接続し、前記第2の
検出コンデンサ(108)を前記第1の入力端子(10
2)と第2の出力端子(105)との間に接続し、第3
の検出コンデンサ(109)を第2の入力端子(10
3)と前記第1の出力端子(104)との間に接続し、
第4の検出コンデンサ(110)を前記第2の入力端子
(103)と前記第2の出力端子(105)との間に接
続し、そして、前記センサ(101)を駆動する前記段
階は、前記電気駆動量(Vc)の前記変動(ΔVc)に
相関し且つ反対の符号である等振幅のステップを有する
それぞれの階段電圧を、前記センサ(101)の前記第
1の入力端子(102)および前記第2の入力端子(1
03)に供給することを備える方法。 - 【請求項5】 請求項4に記載の方法において、前記第
1のフィードバック・ループ(136)を閉じる前記段
階中に、前記第1の入力端子(102)を前記増幅器手
段(124)の前記出力(124c)に接続し、且つ、
前記第2の入力端子(103)を、基準電圧(Vre
f)を供給する基準線(115)に接続すること、およ
び、前記センサ(101)を駆動する前記段階中に、前
記第1の入力端子(102)を前記基準線(115)に
接続し、前記第2の入力端子(103)を前記増幅器手
段(124)の前記出力(124c)に接続することを
備える方法。 - 【請求項6】 請求項4または5に記載の方法におい
て、さらに、前記電気駆動量(Vc)を記憶する段階を
備える方法。 - 【請求項7】 請求項6に記載の方法において、前記記
憶段階は、前記階段検出電圧(Vs)を供給する前記段
階中に前記出力(124c)と前記基準線(115)と
の間に保持コンデンサ(125)を接続こと、および、
前記センサ(101)の前記第1の入力端子(102)
と前記第2の入力端子(103)とにそれぞれの階段電
圧を供給する前記段階中に前記増幅器手段(124)の
前記出力(124c)と前記入力(124a)との間に
前記保持コンデンサ(125)を接続することを備える
方法。 - 【請求項8】 請求項3に記載の方法において、前記セ
ンサ(151)を駆動する前記段階は、前記電気駆動量
(Vfb)の前記変動(ΔVfb)に相関した振幅を有
するステップを有する階段電圧を前記センサ(151)
に供給することを備える方法。 - 【請求項9】 請求項8に記載の方法において、前記増
幅器手段(158)および前記容量性駆動手段(15
9,160)を備える第2のネガティブ・フィードバッ
ク・ループ(170)を閉じる段階を備える方法。 - 【請求項10】 請求項8または9に記載の方法におい
て、前記第1の検出コンデンサ(156)および前記第
2の検出コンデンサ(157)を入力端子(153)に
共に接続し、前記入力端子(153)を、前記第1のネ
ガティブ・フィードバック・ループ(168)を閉じる
前記段階の前に、バイアス電圧(Vb)を供給するバイ
アス線(165)に接続し、且つ、前記入力端子(15
3)を、前記第1のネガティブ・フィードバック・ルー
プ(168)を閉じる前記段階中に前記増幅器手段(1
58)の前記出力(158c)に接続し、前記センサ
(151)を駆動する前記段階中に前記バイアス線(1
65)に再び接続する方法。 - 【請求項11】 請求項1〜10のいずれか1項に記載
の方法において、前記階段検出電圧(Vs)は、事前設
定された振幅およびデュレーションのステップを有する
ことを特徴とする方法。 - 【請求項12】 請求項11に記載の方法において、前
記センサ(101;151)を駆動する前記段階を行う
前に、前記階段検出電圧(Vs)を除去する段階を実行
することを特徴とする方法。 - 【請求項13】 固定本体(3)および可動マス(4)
を備えるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・センサ
(101;151)を使用して変位を検出する回路であ
って、前記固定本体(3)および前記可動マス(4)
は、少なくとも1つの第1の検出コンデンサ(107;
156)と、少なくとも1つの第2の検出コンデンサ
(108;157)とを形成し、前記少なくとも1つの
第1の検出コンデンサ(107;156)および前記少
なくとも1つの第2の検出コンデンサ(108;15
7)は、第1の入力端子(102;153)に接続さ
れ、且つ、第1の出力端子(104;154)および第
2の出力端子(105;155)にそれぞれ接続され、
そして、休止共通検出容量(Cs)および容量不平衡
(ΔCs)を有する回路であって、 選択的に閉じられることが可能であり、且つ、前記第1
および第2の検出コンデンサ(107,108;15
6,157)と第1の増幅器手段(124;158)と
を備える第1のネガティブ・フィードバック・ループ
(136;168)と、 容量性駆動手段(121,122;159,160)を
介して前記第1の増幅器手段(124;158)に接続
され、且つ、前記共通検出容量(Cs)に反比例してい
る前記センサの電気駆動量(Vc;Vfb)の変動(Δ
Vc;ΔVfb)を生じさせるために前記第1のネガテ
ィブ・フィードバック・ループ(136;168)が閉
じられる時に階段検出電圧(Vs)を供給する電圧発生
器手段(120)と、を備える回路。 - 【請求項14】 請求項13に記載の回路において、前
記第1のネガティブ・フィードバック・ループ(13
6;138)を選択的に開閉するための起動手段(11
6,128;131,164)を備える回路。 - 【請求項15】 請求項13または14に記載の回路に
おいて、前記第1のネガティブ・フィードバック・ルー
プ(136;138)が閉じられる時に、前記第1の入
力端子(102;153)は前記増幅器手段(124;
158)の出力に接続され、前記第1および第2の出力
端子(104,105;154,155)は前記第1の
増幅器手段(124;158)の少なくとも1つの入力
(124a;158a,158b)に接続される回路。 - 【請求項16】 請求項13〜15のいずれか1項に記
載の回路において、前記第1の出力端子(104;15
4)および前記第2の出力端子(105;155)にそ
れぞれに接続されている入力と、前記容量不平衡(ΔC
s)に相関した出力電圧(Vo)を供給する出力(11
1a,111b)とを有する第2の増幅器手段(11
1)を備える回路。 - 【請求項17】 請求項13〜16のいずれか1項に記
載の回路において、前記電気駆動量(Vc;Vfb)を
記憶する記憶手段(125)を備える回路。 - 【請求項18】 請求項13〜16のいずれか1項に記
載の回路において、選択的に閉じられることが可能であ
り、且つ、前記第1の増幅器手段(158)と前記容量
性駆動手段(159,160)とを備える第2のネガテ
ィブ・フィードバック・ループ(170)を備える回
路。
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