JP2006038645A - 容量型memsセンサ用の信号検出回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】 シリコンウェハに容易に作製できて、また検出感度が高い(S/N比が良い)容量型MEMSセンサ用の信号検出回路を提供する。
【解決手段】 MEMSセンサ10に設けられた検出用のキャパシタ1に、DMOSFETからなる第1トランジスタ3のゲートが接続されている。第1トランジスタ3のソースは接地され、そのゲートには、一端が接地された抵抗4が接続されている。第1トランジスタ3のドレインとDMOSFETからなる第2トランジスタ5のソースと第2トランジスタ5のゲートとが接続され、その結線がバッファアンプ6の入力端子に接続されている。バッファアンプ6の出力端子と第1トランジスタ3のゲートとの間には、帰還キャパシタ8が設けられている。第1,第2トランジスタ3,5は、DMOSFETであるため、ゲート電位が零である場合でも電流が流れる。
【選択図】 図1
【解決手段】 MEMSセンサ10に設けられた検出用のキャパシタ1に、DMOSFETからなる第1トランジスタ3のゲートが接続されている。第1トランジスタ3のソースは接地され、そのゲートには、一端が接地された抵抗4が接続されている。第1トランジスタ3のドレインとDMOSFETからなる第2トランジスタ5のソースと第2トランジスタ5のゲートとが接続され、その結線がバッファアンプ6の入力端子に接続されている。バッファアンプ6の出力端子と第1トランジスタ3のゲートとの間には、帰還キャパシタ8が設けられている。第1,第2トランジスタ3,5は、DMOSFETであるため、ゲート電位が零である場合でも電流が流れる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、シリコンウェハにMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術により形成されたキャパシタの容量変化を利用して所定の物理量を検知する容量型MEMSセンサからの信号を検出する信号検出回路に関し、特に、構成部材の数を低減して同一のシリコンウェハでの作製が容易である容量型MEMSセンサ用の信号検出回路に関するものである。
キャパシタの容量変化を利用して所定の物理量(圧力,角速度,加速度など)を検知する各種のセンサが知られている(例えば、非特許文献1参照)。図5は、このような容量型センサからの出力信号を検出する従来の信号検出回路の構成を示す回路図である。図5において、21は検出対象の物理量に応じて容量が変動するキャパシタである。図5に示す回路は、キャパシタ21の容量変化に基づく電流を電圧に変換して出力する回路である。
容量型センサ内のキャパシタ21の一方の電極には−極側が接地された直流電源22(電圧:E1 )が接続され、キャパシタ21の他方の電極は増幅器23の負入力端子に接続されている。増幅器23の正入力端子に、−極側が接地された直流電源24(電圧:E2 )が接続されている。増幅器23の出力端子と負入力端子との間には、帰還キャパシタ25及び帰還抵抗26の並列回路が設けられている。また、増幅器23には、定圧電源27(VDD)が接続されている。直流電源24は、単一電源で動作させる際に回路の飽和を防ぐためのバイアス電源である。また、増幅器23は、多数のトランジスタにて構成されている。
ラリー ケイ.バクスター著(Larry K. Baxter)「キャパシティブ センサ デザイン アンド アプリケーションズ(Capacitive Sensors Design and Applications)」アイイーイー プレス シリーズ オン エレクトロニクス テクノロジィ(IEEE Press Series on Electronics Technology, Capacitive)
ラリー ケイ.バクスター著(Larry K. Baxter)「キャパシティブ センサ デザイン アンド アプリケーションズ(Capacitive Sensors Design and Applications)」アイイーイー プレス シリーズ オン エレクトロニクス テクノロジィ(IEEE Press Series on Electronics Technology, Capacitive)
ところで、近年、半導体製造プロセス等における技術を応用して種々の機械要素の小型化を実現するために、MEMS技術を用いてシリコンウェハに各種の部材を形成した製品の開発が進められている。そこで、低コスト化及び小型化を図ることを目的として、MEMS技術を用いてシリコンウェハに上述したような容量型センサを作製することが考えられる。しかしながら、容量型MEMSセンサ用の信号検出回路を同一ウェハに作製する際に以下のような問題がある。
図5に示す回路では、多数のトランジスタを用いて増幅器23を構成しなければならない、回路飽和を防止するためのバイアス電源となる直流電源24を設けなければならないなど、回路が複雑となり、シリコンウェハにこの回路を作製することが困難であるという問題がある。また、回路が複雑であるため、入力回路のインピーダンスが低下し、誤差要因となるという問題がある。
以下、この誤差について説明する。図6は、図5の等価回路を示す図である。図6において、Zi は増幅器23の入力インピーダンス、Zf は帰還インピーダンス、Aは増幅器23の増幅率、V0 は増幅器23の出力電圧、V1 は増幅器23の入力電圧、iは直流電源22及びキャパシタ21の容量変動による電流である。A,V0 ,V1 の関係は、下記式(1)で表される。
V0 =−AV1 …(1)
ここで、増幅器23への電流入力による関係から、下記式(2)が成立する。
i+(V0 −V1 )/Zf +V1 /Zi =0 …(2)
式(1)から得られるV1 =−V0 /Aの関係を式(2)に代入することにより、以下のように式(3)で表される電流/電圧の伝達関数(V0 /i)が求められる。
V0 /i=−1/(1/Zf +1/AZf −1/AZi ) …(3)
よって、入力インピーダンスの減少によって発生する電流/電圧の伝達関数の誤差Er は下記式(4)で表される。
Er =1/(1/Zf +1/AZf −1/AZi )
−1/(1/Zf +1/AZf ) …(4)
V0 =−AV1 …(1)
ここで、増幅器23への電流入力による関係から、下記式(2)が成立する。
i+(V0 −V1 )/Zf +V1 /Zi =0 …(2)
式(1)から得られるV1 =−V0 /Aの関係を式(2)に代入することにより、以下のように式(3)で表される電流/電圧の伝達関数(V0 /i)が求められる。
V0 /i=−1/(1/Zf +1/AZf −1/AZi ) …(3)
よって、入力インピーダンスの減少によって発生する電流/電圧の伝達関数の誤差Er は下記式(4)で表される。
Er =1/(1/Zf +1/AZf −1/AZi )
−1/(1/Zf +1/AZf ) …(4)
キャパシタ21の他方の電極の電位E3 は、バイアス電源である直流電源24の電圧E2 と同一になるが、容量型センサの検出信号は(E1 −E3 )に比例するため、E3 の分だけ感度が下がってS/N比が悪くなるという問題がある。また、キャパシタ21の電極に加えられる力が(E1 −E3 )に比例することになり、キャパシタ21の電極に加わる力に誤差が生じて、容量型センサが例えば振動型の角速度センサである場合、共振周波数等の特性のずれが生じるという問題がある。
以上のように、容量型MEMSセンサ用の信号検出回路を作製する場合、回路構成が複雑であることに起因する作製の困難さ及び伝達関数の誤差という課題、並びに、バイアス電源を設けることによる検出感度の低下(S/N比の悪化)及び容量型センサの特性変動という課題が残存しており、これらの課題の解決が望まれている。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、上述した課題を解決することが可能な回路構成とすることにより、シリコンウェハに容易に作製できて、また検出感度が高い容量型MEMSセンサ用の信号検出回路を提供することを目的とする。
本発明の容量型MEMSセンサ用の信号検出回路は、シリコンウェハにMEMS技術により形成されたキャパシタの容量変化を利用して所定の物理量を検知するMEMSセンサからの信号を検出する、前記シリコンウェハに形成された信号検出回路であって、前記キャパシタにそのゲートが接続され、ゲート電位が零であるときにドレイン電流が流れる特性を有する第1トランジスタと、その一端が前記第1トランジスタのゲートに接続され、その他端が接地される抵抗と、前記第1トランジスタのソースに接続され、前記第1トランジスタと同一プロセスで形成された第2トランジスタを用いた定電流源と、出力端子,入力端子間に設けられた帰還キャパシタとを有することを特徴とする。
本発明の容量型MEMSセンサ用の信号検出回路にあっては、2つのトランジスタ(第1,第2トランジスタ)と1つの抵抗と1つのキャパシタ(帰還キャパシタ)とにて主要な回路を構成するため、単純な回路構成であり、シリコンウェハに容易に作製することが可能になるとともに、伝達関数の誤差は生じない。また、第1トランジスタはゲート電位が零であっても動作するため、従来例のようなバイアス電源が不要となり、バイアス電源の設置に起因する検出感度の低下(S/N比の悪化)及び容量型センサの特性変動は生じない。
本発明の容量型MEMSセンサ用の信号検出回路は、上記構成にあって、前記第1トランジスタ及び第2トランジスタが、デプレッションMOSFETであることを特徴とする。
本発明の容量型MEMSセンサ用の信号検出回路にあっては、第1,第2トランジスタとして、デプレッションMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を使用する。デプレッションMOSFETでは、温度が高くなってもリーク電流が流れないため、高温環境での使用が可能である。
本発明では、2つのトランジスタ、1つの抵抗及び1つのキャパシタで主要な回路を構成するようにしたので、単純な回路構成を実現でき、シリコンウェハに容易に作製することができる。また、バイアス電源を設ける必要がない回路構成であるので、従来例で問題となっていたS/N比の悪化の課題を解決することができる。
また、本発明では、温度が高くなってもリーク電流が流れないデプレッションMOSFETを使用するようにしたので、高温になることがある環境においても使用することができる。
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。図1は本発明に係る容量型MEMSセンサ用の信号検出回路の構成を示す回路図である。図1において、1は、MEMSセンサ10に設けられたキャパシタであり、角速度センサとして機能するMEMSセンサ10の検出対象の角速度の変化に対応してキャパシタ1の容量が変動する。図1に示す信号検出回路は、キャパシタ1の容量変化に基づく電流を電圧に変換して出力する回路である。
キャパシタ1の一方の電極には−極側が接地された直流電源2(電圧:E1 )が接続され、キャパシタ1の他方の電極はデプレッションMOSFET(以下、DMOSFETという)からなる第1トランジスタ3のゲートに接続されている。第1トランジスタ3のソースは接地されている。第1トランジスタ3のゲートには、一端が接地されている抵抗4の他端が接続されている。この抵抗4は、第1トランジスタ3のゲートにかかる電位を決めるための抵抗である。
第1トランジスタ3のドレインとDMOSFETからなる第2トランジスタ5のソースと第2トランジスタ5のゲートとが接続され、その結線がバッファアンプ6の入力端子に接続されている。第1トランジスタ3及び第2トランジスタ5は、同じシリコンウェハ上に同一のプロセスで作製されており、特性もほぼ同じである。第2トランジスタ5のドレインには、定電圧源7(電圧:VDD)が接続されている。第1,第2トランジスタ3,5の特性がほぼ同じであるため、第2トランジスタ5のソース電位はVDD/2となる。
バッファアンプ6の出力端子と第1トランジスタ3のゲートとの間には、帰還キャパシタ8が設けられている。この帰還キャパシタ8は、回路のゲインを決定するためのキャパシタである。
図2は、第1,第2トランジスタ3,5の特性(ゲート・ソース間電圧(Vg )とドレイン電流(ID )との関係)を示す図である。これらの第1,第2トランジスタ3,5は、DMOSFETであるため、ゲート・ソース間電圧が零である場合でも電流が流れる、つまり、ゲート電位が零であっても動作する。よって、従来例のようなバイアス電源は不要である。
図3は、バッファアンプ6の構成の一例を示す図である。この例では、DMOSFETからなる2個のトランジスタ6a,6bでバッファアンプ6が構成されている。これらの2個のトランジスタ6a,6bは、第1,第2トランジスタ3,5と同じシリコンウェハ上に同一のプロセスで作製されており、特性もほぼ同じである。バッファアンプ6は、後段の出力側デバイスが十分に駆動できるように増幅作用を有するものであり、その構成は図3に限定されるものでなく、さらに、十分な大きさの信号を後段の出力側デバイスへ送れる場合には、バッファアンプ6を設けなくても良い。
次に、角速度センサとして機能するMEMSセンサ10について説明する。図4は、MEMSセンサ10の構成の一例を示す図である。MEMSセンサ10は、中心部11で支持されて周方向に8等配して延在する8本の梁部(ビーム)12と、これらの8本の梁部12に連結された環状のリング部13とを有する振動子14を備えている。リング部13の外側には、振動子14に1次振動を起こさせるための駆動用電極15と、振動子14に生じた2次振動を検出するための検出用電極16とが設けられている。この検出用電極16と対向するリング部13とにより、図1のキャパシタ1が構成される。振動子14の中心部11には、直流電源2から直流電圧が印加され、駆動用電極15には、交流電源17から交流電圧が印加されるようになっている。
このような構成のMEMSセンサ10(角速度センサ)では、静電引力を利用して振動子14を駆動させ、加えられた角速度に応じた静電容量の変化による電流発生を検知して、角速度を検出する。まず、駆動用電極15に交流電圧を印加して、振動子14に1次振動を起こさせる。そして、角速度が生じた場合、コリオリ力が発生して2次振動が発生する。この2次振動に伴うリング部13,検出用電極16間の距離の変動に基づくキャパシタ1の容量変化を電流として検出し、それを図1に示す信号検出回路にて電圧に変換して出力する。よって、この出力電圧をモニタすることによって、加えられた角速度を検出することができる。
本発明では、2つのトランジスタ(第1トランジスタ3及び第2トランジスタ5)と1つの抵抗4と1つのキャパシタ(帰還キャパシタ8)とにて主要な回路を構成しており、単純な回路構成となり、シリコンウェハに容易に信号検出回路を作製することができる。また、従来例で説明した入力インピーダンスZi の影響はなく、回路の複雑さに伴う入力インピーダンスの低下による電流/電圧の伝達関数の誤差が生じることもない。
また、本発明では、第1トランジスタ3をゲート電位が零であっても動作するDMOSFETにて構成しているので、従来例のようなバイアス電源が不要となり、従来例で説明したようなS/N比の悪化はなく、高い検出感度が得られる。また、角速度センサであるMEMSセンサ10のキャパシタ1の電極に加わる力に従来例のような誤差は生じず、共振周波数等の特性は変動しない。
なお、上述した例では、ゲート電位が零であっても電流が流れる特性を有する第1,第2トランジスタ3,5として、DMOSFETを用いることとしたが、JFET(Junction FET)を使用しても良い。但し、DMOSFETでは、温度が高くなってもリーク電流が流れないので、高温範囲まで適用させるためには、DMOSFETの方が好適である。
また、上述した説明では、角速度センサとして機能するMEMSセンサ10を例としたが、これは一例であり、MEMS技術によりシリコンウェハに形成されたキャパシタの容量変化を利用して所定の物理量を検知する各種のセンサ(圧力センサ,加速度センサなど)に本発明の信号検出回路が適用可能であることは勿論である。
1 キャパシタ
3 第1トランジスタ
4 抵抗
5 第2トランジスタ
6 バッファアンプ
7 定電圧源
8 帰還キャパシタ
10 MEMSセンサ
3 第1トランジスタ
4 抵抗
5 第2トランジスタ
6 バッファアンプ
7 定電圧源
8 帰還キャパシタ
10 MEMSセンサ
Claims (2)
- シリコンウェハにMEMS技術により形成されたキャパシタの容量変化を利用して所定の物理量を検知するMEMSセンサからの信号を検出する、前記シリコンウェハに形成された信号検出回路であって、前記キャパシタにそのゲートが接続され、ゲート電位が零であるときにドレイン電流が流れる特性を有する第1トランジスタと、その一端が前記第1トランジスタのゲートに接続され、その他端が接地される抵抗と、前記第1トランジスタのソースに接続され、前記第1トランジスタと同一プロセスで形成された第2トランジスタを用いた定電流源と、出力端子,入力端子間に設けられた帰還キャパシタとを有することを特徴とする信号検出回路。
- 前記第1トランジスタ及び第2トランジスタは、デプレッションMOSFETであることを特徴とする請求項1記載の信号検出回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004219200A JP2006038645A (ja) | 2004-07-27 | 2004-07-27 | 容量型memsセンサ用の信号検出回路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004219200A JP2006038645A (ja) | 2004-07-27 | 2004-07-27 | 容量型memsセンサ用の信号検出回路 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=35903794
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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JP (1) | JP2006038645A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102129145A (zh) * | 2010-01-12 | 2011-07-20 | 马克西姆综合产品公司 | 一种带有电容测量电路的微机电***设备驱动器 |
JP2011226901A (ja) * | 2010-04-20 | 2011-11-10 | Mitsutoyo Corp | 容量変化型変位計 |
US9966909B2 (en) | 2015-01-29 | 2018-05-08 | Semiconductor Components Industries, Llc | Preamplifier and method |
-
2004
- 2004-07-27 JP JP2004219200A patent/JP2006038645A/ja active Pending
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CN102129145A (zh) * | 2010-01-12 | 2011-07-20 | 马克西姆综合产品公司 | 一种带有电容测量电路的微机电***设备驱动器 |
JP2011226901A (ja) * | 2010-04-20 | 2011-11-10 | Mitsutoyo Corp | 容量変化型変位計 |
US9966909B2 (en) | 2015-01-29 | 2018-05-08 | Semiconductor Components Industries, Llc | Preamplifier and method |
US10291188B2 (en) | 2015-01-29 | 2019-05-14 | Semiconductor Components Industries, Llc | Preamplifier and method |
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