JP2009075097A - Capacitive physical quantity detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば加速度センサ装置やヨーレートセンサ装置等の、物理量を静電容量の変化として検出する容量式物理量検出装置に関する。 The present invention relates to a capacitive physical quantity detection device that detects a physical quantity as a change in capacitance, such as an acceleration sensor device or a yaw rate sensor device.
この種の容量式物理量検出装置として、例えば自動車のエアバッグの動作制御用の加速度センサ装置がある(例えば特許文献1参照)。図9に示すように、この加速度センサ装置は、半導体加速度センサチップ1と、そのセンサチップ1からの検出信号を処理する処理回路2とを備えて構成されている。
As this type of capacitive physical quantity detection device, for example, there is an acceleration sensor device for controlling the operation of an automobile airbag (see, for example, Patent Document 1). As shown in FIG. 9, the acceleration sensor device includes a semiconductor
詳しく図示はしないが、前記センサチップ1は、ばね部を介して支持され加速度の作用に応じて変位する可動電極部と、この可動電極部の変位方向両側に隙間をもって配置された一対の固定電極部とを形成して構成され、可動電極部と一方の固定電極部との間、及び、可動電極部と他方の固定電極部との間に、夫々コンデンサC1,C2が形成される。これらコンデンサC1,C2の静電容量は、センサチップ1に対する加速度の作用に伴う可動電極部の変位に応じて差動的に変化し、加速度を容量値の変化として取出すことができる。
Although not shown in detail, the
一方、前記処理回路2は、前記センサチップ1の一対の固定電極部に夫々電圧(振幅)がVp(例えば5V)で互いに逆位相となるパルス状の搬送波FE1、FE2を印加する搬送波出力回路3、演算増幅器4並びにその反転入力端子と出力端子との間に並列に接続された帰還コンデンサ5及びスイッチ6を備えるC−V変換回路7、演算増幅器4の非反転入力端子(ひいては可動電極部)に、通常時に、前記搬送波の中間電圧Vp/2(2.5V)の一定(直流)の電圧を入力させるスイッチ回路8等を備えて構成されている。
On the other hand, the
これにて、各固定電極部に搬送波FE1、FE2が夫々印加されると共に、可動電極部にそれらの中間電圧(2.5V)が印加され、センサチップ1(可動電極部)に作用する加速度をそれら固定電極部と可動電極部との間の静電容量の変化として検出することができるようになっている。 As a result, the carrier waves FE1 and FE2 are applied to the respective fixed electrode portions, and the intermediate voltage (2.5V) is applied to the movable electrode portion, so that the acceleration acting on the sensor chip 1 (movable electrode portion) is increased. It can be detected as a change in capacitance between the fixed electrode portion and the movable electrode portion.
ところが、この特許文献1の技術では、C−V変換回路7(演算増幅器4)がシングルエンドタイプであるため、スイッチ6のスイッチングや配線部の寄生容量によるノイズの影響を受けやすい事情があった。そこで、近年では、この種の容量式物理量検出装置において、低ノイズ化を図るために、例えば特許文献2に示されるように、全差動型のC−V変換回路を採用することも考えられている。このものでは、可動電極部にパルス状の搬送波を入力し、一対の固定電極部の電位を、全差動型のC−V変換回路の2つの入力端子に夫々入力することにより、容量変化をC−V変換回路の2つの出力端子の電位差として出力するようになっている。
ところで、特許文献1に記載された加速度センサ装置においては、自らが正常に動作するかどうか(所定の感度が得られるか或いはセンサチップの隙間部分に異物がないか等)を診断するための自己診断機能を備えている。図10に示すように、この自己診断機能は、センサチップ1の可動電極部と一方の固定電極部との間に静電気力を発生させ、可動電極部を強制的に変位させる静電気力印加状態(a)、容量変化(電圧)を検出する第1の検出状態(b)、それとは固定電極部に印加される搬送波信号が切替っている第2の検出状態(c)の、3つの期間を設けることにより実現される。
By the way, in the acceleration sensor device described in
このとき、静電気力印加状態(a)においては、可動電極部に印加する電圧を、通常時のVp/2(例えば2.5V)からVself(例えば3V)に切替えることによって、静電気力を発生させて可動電極部を強制的に変位させるものである。これにより、コンデンサC1,C2の静電容量が、通常時(加速度(静電気力)が作用していない状態)の静電容量C0 に対して、夫々、C0 +ΔC、C0 −ΔCとなる。そして、第1の検出状態(b)及び第2の検出状態(c)では、可動電極部に印加する電圧をVp/2に戻し、C−V変換回路7によって電圧信号に変換して、その変位をC−V変換回路7によって電圧信号に変換して、変位(静電容量の変化ΔC)に見合った所定電圧Voが得られているかどうかを判断するものである。
At this time, in the electrostatic force application state (a), the electrostatic force is generated by switching the voltage applied to the movable electrode portion from Vp / 2 (for example, 2.5 V) at normal time to Vself (for example, 3 V). Thus, the movable electrode portion is forcibly displaced. As a result, the capacitances of the capacitors C1 and C2 become C0 + ΔC and C0 -ΔC, respectively, with respect to the capacitance C0 in the normal state (a state where acceleration (electrostatic force) is not acting). In the first detection state (b) and the second detection state (c), the voltage applied to the movable electrode portion is returned to Vp / 2, converted into a voltage signal by the
尚、図8(b)には、自己診断時において、各固定電極部及び可動電極部にそれぞれ印加される信号の波形(FE1、FE2、SIN)を示しており、図中、Φ1が静電気力印加状態、Φ2が第1の検出状態、Φ3が第2の検出状態に該当する。Φ2の期間の途中、及びΦ3の期間の途中で、演算増幅器4の出力信号Vout の取込み(サンプリング)が行われる。
FIG. 8B shows the waveforms (FE1, FE2, SIN) of signals applied to the fixed electrode portion and the movable electrode portion during the self-diagnosis. The application state, Φ2 corresponds to the first detection state, and Φ3 corresponds to the second detection state. The output signal Vout of the
この場合、帰還コンデンサ5の静電容量をCfとすると、C−V変換回路7からの出力電圧Voは、静電容量の変化ΔCに対して、次の(1)式の関係を有する。
Vo=2Vp・ΔC/Cf+Vp/2 ‥‥(1)
この際のVoの値とΔCの値との関係を検証することにより、自己診断用の専用の電極を設けずとも、可動電極部が正常に動作するかを自己診断できるのである。
In this case, assuming that the capacitance of the
Vo = 2Vp · ΔC / Cf + Vp / 2 (1)
By verifying the relationship between the value of Vo and the value of ΔC at this time, it is possible to self-diagnose whether the movable electrode portion operates normally without providing a dedicated electrode for self-diagnosis.
しかしながら、上記特許文献2のような、全差動型のC−V変換回路を備えるものでは、特許文献1のようなシングルエンドタイプのC−V変換回路7を有するものとは、搬送波を入力する電極部が相違するため、そのまま特許文献1の自己診断の方式を適用することができない問題点がある。
However, a device having a fully differential CV conversion circuit as in
また、上記した図10に示した自己診断の方法では第1の検出状態(b)及び第2の検出状態(c)では、静電気力が加わらないため、静電気力印加状態(a)において変位した可動電極部が元の位置(中立状態)に戻ろうとする。このため、2つの検出状態(期間Φ2、Φ3)において、静電容量の変化分(ΔC)に変動が生じ、必ずしも正しい検出が行える(上記(1)式が成立する)とは限らず、誤差が生ずる不具合がある。 Further, in the self-diagnosis method shown in FIG. 10 described above, the electrostatic force is not applied in the first detection state (b) and the second detection state (c). The movable electrode portion tries to return to the original position (neutral state). For this reason, in two detection states (periods Φ2, Φ3), a change in the capacitance change (ΔC) occurs, so that correct detection cannot always be performed (the above equation (1) is not satisfied), and an error may occur. There is a problem that causes
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その第1の目的は、物理量を静電容量の変化として検出するものにあって、全差動型のC−V変換回路を用いて低ノイズ化を図りながらも、自己診断機能の実行を可能とした容量式物理量検出装置を提供することにある。また、本発明の第2の目的は、物理量を静電容量の変化として検出するものにあって、シングルエンドタイプのC−V変換回路を用いるものにあっても、自己診断を高精度で行うことができる容量式物理量検出装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a first object of the invention is to detect a physical quantity as a change in capacitance, and to reduce noise using a fully differential CV conversion circuit. It is an object of the present invention to provide a capacity type physical quantity detection device that can execute a self-diagnosis function while achieving the above-mentioned. A second object of the present invention is to detect a physical quantity as a change in capacitance, and to perform self-diagnosis with high accuracy even when using a single-ended CV conversion circuit. It is an object of the present invention to provide a capacity type physical quantity detection device capable of performing the above.
上記第1の目的を達成するために、本発明の容量式物理量検出装置は、全差動型のC−V変換回路を用いて、物理量を固定電極部と可動電極部との間の静電容量の変化として検出するものにあって、前記固定電極部と可動電極部との間に静電気力を発生させて該可動電極部を強制的に変位させ、その際の前記C−V変換回路の出力が前記可動電極部の変位に見合ったものかどうかを判断する自己診断工程を実行する自己診断手段を設け、その自己診断手段を、前記固定電極部と可動電極部との間に静電気力を発生させる第1の期間と、容量変化を検出するための第2の期間とを周期的に有する自己診断用信号を、前記固定電極部と可動電極部との間に印加する信号印加手段と、前記自己診断用信号の第2の期間において前記センサエレメントの各固定電極部と前記C−V変換回路の各入力端子との間を接続し、前記第1の期間においてその接続の切離しを行うスイッチ手段とを設けて構成したところに特徴を有する(請求項1の発明)。 In order to achieve the first object, a capacitive physical quantity detection device of the present invention uses a fully differential CV conversion circuit to convert a physical quantity between a fixed electrode part and a movable electrode part. In the detection of a change in capacitance, an electrostatic force is generated between the fixed electrode portion and the movable electrode portion to forcibly displace the movable electrode portion, and the CV conversion circuit at that time Self-diagnosis means for executing a self-diagnosis process for determining whether the output is commensurate with the displacement of the movable electrode part is provided, and the self-diagnosis means is configured to apply an electrostatic force between the fixed electrode part and the movable electrode part. A signal applying means for applying a self-diagnosis signal periodically having a first period to be generated and a second period for detecting a capacitance change between the fixed electrode part and the movable electrode part; The sensor element in a second period of the self-diagnosis signal It is characterized in that each fixed electrode portion is connected to each input terminal of the CV conversion circuit, and switch means for disconnecting the connection in the first period is provided. 1 invention).
これによれば、信号印加手段により、固定電極部と可動電極部との間に自己診断用信号(第1の期間)が印加されることに伴い、固定電極部と可動電極部との間に静電気力が発生して可動電極部が強制的に変位され、第2の期間において、容量変化を検出することに基づいて、自己診断手段による自己診断が可能となる。このとき、第1の期間においては、スイッチ手段により、センサエレメントの各固定電極部とC−V変換回路の各入力端子との間の接続を一時的に切離すように構成したことによって、全差動型のC−V変換回路を用いて低ノイズ化を図りながらも、自己診断を可能とすることができる。 According to this, the self-diagnosis signal (first period) is applied between the fixed electrode portion and the movable electrode portion by the signal applying means, and accordingly, between the fixed electrode portion and the movable electrode portion. An electrostatic force is generated and the movable electrode portion is forcibly displaced, and self-diagnosis by the self-diagnosis means is enabled based on detecting a change in capacitance in the second period. At this time, in the first period, the switch means is configured to temporarily disconnect the connection between each fixed electrode portion of the sensor element and each input terminal of the CV conversion circuit. Self-diagnosis can be made possible while reducing noise using a differential CV conversion circuit.
より具体的には、上記信号印加手段を、自己診断用信号として、前記第1の期間において、前記固定電極部の一方に所定電圧Vp、他方に0Vの信号を印加し、前記可動電極部にその中間電圧(Vp/2)とは異なる電圧を印加し、前記第2の期間において、前記可動電極部に中間電圧の信号を印加するように構成することができ(請求項2の発明)、自己診断を良好に行うことができる。さらに、本発明においては、前記自己診断用信号を、前記第1の期間が長く、前記第2の期間がそれよりも短い所定のデューティ比を有するものとすれば(請求項3の発明)、可動電極部の強制的な変位を十分に行うことができ、より効果的となる。 More specifically, the signal applying means applies a predetermined voltage Vp to one of the fixed electrode portions and a signal of 0 V to the other in the first period as a self-diagnosis signal, and applies to the movable electrode portion. A voltage different from the intermediate voltage (Vp / 2) may be applied, and an intermediate voltage signal may be applied to the movable electrode portion in the second period (invention of claim 2), Self-diagnosis can be performed well. Furthermore, in the present invention, if the self-diagnosis signal has a predetermined duty ratio in which the first period is long and the second period is shorter (the invention of claim 3), The movable electrode portion can be forcibly displaced sufficiently and becomes more effective.
ところで、上記した容量変化を検出するための第2の期間において、可動電極部が変位している状態で検出(サンプリング)する場合、可動電極部が元の中間位置に戻ろうとしている途中で検出を行ってしまい、検出結果に誤差が生じてしまう不具合がある。本発明者は、第1の期間と第2の期間との間で、各コンデンサ要素に溜まっている電荷量の総和が保存されること(電荷保存則)に着目し、可動電極部が元の中間位置に戻りきった状態で検出(サンプリング)することが可能であることを確認したのである。 By the way, in the second period for detecting the capacitance change described above, when detection (sampling) is performed while the movable electrode portion is displaced, detection is performed while the movable electrode portion is returning to the original intermediate position. There is a problem that an error occurs in the detection result. The inventor pays attention to the fact that the total amount of charge accumulated in each capacitor element is preserved between the first period and the second period (charge conservation law). It has been confirmed that detection (sampling) is possible in a state where it has returned to the intermediate position.
即ち、本願の請求項4に係る発明は、請求項1又は2記載の容量式物理量検出装置において、前記自己診断手段は、前記第2の期間において、静電気力の印加が停止されて前記可動電極部が元の中間位置に戻ったタイミングで、前記C−V変換回路の出力信号を取込み、前記各電極部及び前記C−V変換回路の帰還コンデンサに溜まる電荷量の総和が、前記第1の期間と第2の期間との間で保存されることを利用して、診断を行うように構成されているところに特徴を有する。
That is, the invention according to
これによれば、第1の期間と第2の期間との間で、各コンデンサ要素に溜まっている電荷量の総和が保存されること(電荷保存則)を利用し、可動電極部が元の中間位置に戻りきった状態で、C−V変換回路の出力信号をサンプリングし、その値(2個の出力端子間の電位差)が、第1の期間における固定電極部と可動電極部との間の静電容量の変化に見合ったものかどうかを判断することによって、上記した可動電極部が中間位置に戻る前に検出する場合の誤差を低減し、自己診断をより高精度で行うことができる。 According to this, using the fact that the total amount of charge accumulated in each capacitor element is preserved between the first period and the second period (charge conservation law), the movable electrode portion is restored to its original state. The output signal of the CV conversion circuit is sampled in the state where it has returned to the intermediate position, and the value (potential difference between the two output terminals) is between the fixed electrode portion and the movable electrode portion in the first period. It is possible to reduce the error when detecting the movable electrode part before returning to the intermediate position, and to perform self-diagnosis with higher accuracy by determining whether or not it is commensurate with the change in electrostatic capacity. .
更にこの場合、サンプリングしたC−V変換回路の出力値と、第1の期間における固定電極部と可動電極部との間の静電容量の変化との間の関係は、各コンデンサ要素における電荷量と電圧及び静電容量との関係を示す数式により導くことができるが、数式中に不明な変数(余分な項)が生じていると、自己診断の精度の低下を招くことになる。 Furthermore, in this case, the relationship between the sampled output value of the CV conversion circuit and the change in capacitance between the fixed electrode portion and the movable electrode portion in the first period is the amount of charge in each capacitor element. However, if an unknown variable (extra term) is generated in the mathematical formula, the accuracy of self-diagnosis is reduced.
そこで、前記信号印加手段を、前記第1の期間及び第2の期間を有する第1のバイアス状態と、前記固定電極部及び可動電極部に前記第1の期間とは異なる信号を印加する第3の期間及び容量変化を検出するための前記可動電極部に中間電圧の信号を印加する第4の期間を有する第2のバイアス状態と含む信号を印加するように構成すると共に、前記自己診断手段を、前記第1のバイアス状態において取込んだ前記C−V変換回路の第1の出力信号と、前記第2のバイアス状態における前記第4の期間において前記可動電極部が中間位置に戻ったタイミングで取込んだ前記C−V変換回路の第2の出力信号との双方を用いて診断を行うように構成すれば(請求項5の発明)、演算により不要な変数を除去して必要な部分のみを抽出することができ、高精度な自己診断を行う点でより効果的となる。 Therefore, the signal applying means applies a signal different from the first period to the first bias state having the first period and the second period, and to the fixed electrode part and the movable electrode part. And a signal including a second bias state having a fourth period in which a signal of an intermediate voltage is applied to the movable electrode portion for detecting the period and the capacitance change, and the self-diagnosis means The first output signal of the CV conversion circuit captured in the first bias state and the timing when the movable electrode portion returns to the intermediate position in the fourth period in the second bias state. If the diagnosis is performed using both of the captured second output signals of the CV conversion circuit (the invention of claim 5), unnecessary variables are removed by calculation, and only necessary portions are obtained. Can be extracted Can become more effective in performing highly accurate self-diagnosis.
より具体的には、前記信号印加手段を、前記第2のバイアス状態における第3の期間では、前記固定電極部と可動電極部との間に静電気力を発生させない信号を印加するように構成することができ(請求項6の発明)、不要な変数を除去して必要な部分のみを抽出することができる。 More specifically, the signal applying means is configured to apply a signal that does not generate an electrostatic force between the fixed electrode portion and the movable electrode portion in the third period in the second bias state. (Invention of claim 6), unnecessary variables can be removed and only necessary portions can be extracted.
また、上記第2の目的を達成するために、本発明の第2の容量式物理量検出装置は、
シングルエンドタイプのC−V変換回路を用いて、物理量を固定電極部と可動電極部との間の静電容量の変化として検出するものにあって、前記固定電極部と可動電極部との間に静電気力を発生させて該可動電極部を強制的に変位させ、その際の前記C−V変換回路の出力が前記可動電極部の変位に見合ったものかどうかを判断する自己診断工程を実行する自己診断手段を設け、その自己診断手段を、前記固定電極部と可動電極部との間に静電気力を発生させる第1の期間と、容量変化を検出するための第2の期間とを有する自己診断用信号を、前記固定電極部と可動電極部との間に印加する信号印加手段を備えると共に、前記第2の期間において、静電気力の印加が停止されて前記可動電極部が元の中間位置に戻ったタイミングで、前記C−V変換回路の出力信号を取込み、前記各電極部及び前記C−V変換回路の帰還コンデンサに溜まる電荷量の総和が、前記第1の期間と第2の期間との間で保存されることを利用して、診断を行うように構成されているところに特徴を有する(請求項7の発明)。
In order to achieve the second object, the second capacity type physical quantity detection device of the present invention includes:
A single end type CV conversion circuit is used to detect a physical quantity as a change in capacitance between the fixed electrode portion and the movable electrode portion, and between the fixed electrode portion and the movable electrode portion. A self-diagnosis process is performed to determine whether the output of the CV conversion circuit is commensurate with the displacement of the movable electrode portion by generating an electrostatic force on the movable electrode portion and forcibly displacing the movable electrode portion. A self-diagnosis unit that has a first period for generating an electrostatic force between the fixed electrode part and the movable electrode part, and a second period for detecting a capacitance change. In addition to providing a signal applying means for applying a self-diagnosis signal between the fixed electrode portion and the movable electrode portion, in the second period, the application of electrostatic force is stopped and the movable electrode portion is moved to the original intermediate position. At the timing of returning to the position, the C The output signal of the V conversion circuit is taken in, and the total amount of charges accumulated in the respective electrode units and the feedback capacitor of the CV conversion circuit is stored between the first period and the second period. It is characterized in that it is configured to make a diagnosis by using the invention (invention of claim 7).
これによれば、第1の期間と第2の期間との間で、各コンデンサ要素に溜まっている電荷量の総和が保存されること(電荷保存則)を利用し、可動電極部が元の中間位置に戻りきった状態で、C−V変換回路の出力信号をサンプリングし、その値が、第1の期間における固定電極部と可動電極部との間の静電容量の変化に見合ったものかどうかを判断することによって、可動電極部が中間位置に戻る前に検出する場合の誤差を低減し、自己診断をより高精度で行うことができる。 According to this, using the fact that the total amount of charge accumulated in each capacitor element is preserved between the first period and the second period (charge conservation law), the movable electrode portion is restored to its original state. The output signal of the CV conversion circuit is sampled in the state where it has completely returned to the intermediate position, and the value corresponds to the change in the capacitance between the fixed electrode portion and the movable electrode portion in the first period. By determining whether or not, the error in the case of detecting before the movable electrode portion returns to the intermediate position can be reduced, and the self-diagnosis can be performed with higher accuracy.
以下、本発明を具体化したいくつかの実施例について、図1ないし図8を参照しながら説明する。尚、以下に述べる各実施例は、容量式物理量検出装置として、例えば自動車のエアバッグシステム(衝突検出)用の容量式の半導体加速度センサ装置に本発明を適用したものである。 Several embodiments embodying the present invention will be described below with reference to FIGS. In each of the embodiments described below, the present invention is applied to a capacitive semiconductor acceleration sensor device for a vehicle airbag system (collision detection), for example, as a capacitive physical quantity detection device.
<1>第1の実施例
まず、図1ないし図3を参照しながら、本発明の第1の実施例について述べる。図1は、本実施例に係る容量式物理量検出装置たる半導体加速度センサ装置11の電気的構成を概略的に示す図であり、図2は、そのうちセンサエレメントたるセンサチップ12の構成を概略的に示す図である。ここで、詳しく図示はしないが、この半導体加速度センサ装置11は、センサチップ12を、信号処理回路13(図1参照)を形成した回路チップに実装したスタック構造を備え、それらを例えばセラミック製のパッケージ(図示せず)内に収容して構成される。
<1> First Embodiment First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram schematically showing an electrical configuration of a semiconductor
そのうち、まず、前記センサチップ12の構成の概略について述べる。図2(b)に示すように、このセンサチップ12は、例えば、シリコンからなる支持基板12a上に酸化膜12bを介して単結晶シリコン層12cを形成した矩形状(正方形状)のSOI基板をベースとし、マイクロマシニング技術によって、その表面の単結晶シリコン層12cに溝を形成することにより、中央部の矩形領域に位置して物理量検出部としての加速度検出部14を有している。
First, an outline of the configuration of the
この場合、加速度検出部14は、一方向の検出軸(X軸)を有するものとされ、図2(a)で前後方向(X軸方向)の加速度を検出するものとなっている。この加速度検出部14は、加速度の作用に応じてX軸方向に変位する可動電極部15と、左右一対の固定電極部16,17とを有して構成される。そのうち可動電極部15は、加速度検出部14の中心部を前後方向に延びる錘部15aの前後両端部に左右方向に細長い矩形枠状をなすばね部15bを有すると共に、図で手前側のばね部15bの更に前端側にアンカ部15cを有している。そして、前記錘部15aから左右方向に夫々いわば櫛歯状に延びる多数本の細幅状の可動電極15dを有して構成されている。
In this case, the
図2(b)に示すように、この可動電極部15は、前記アンカ部15cを除いて、下面側の絶縁膜12bが除去されており、アンカ部15cのみが支持基板12aに支持されたいわゆる片持ち状に浮いた状態とされている。また、前記アンカ部15cの上面部には、図1にも示すように、電極パッドからなる入力端子18(FEIN)が設けられている。
As shown in FIG. 2 (b), the
これに対し、左側の固定電極部16は、矩形状の基部16aから右方に櫛歯状に延びる複数本の固定電極16bを有すると共に、基部16aから前方に延びる固定電極配線部16cを有して構成されている。前記各固定電極16bは、前記各可動電極15dのすぐ後側に微小な隙間を介して平行に隣合うように設けられている。前記固定電極配線部16cの前端部の上面に、図1にも示すように、電極パッドからなる第1の出力端子19(SOUT1)が設けられている。
On the other hand, the left fixed
右側の固定電極部17は、矩形状の基部17aから左方に櫛歯状に延びる複数本の固定電極17bを有すると共に、基部17aから前方に延びる固定電極配線部17cを有して構成されている。前記各固定電極17bは、前記各可動電極15dのすぐ前側に微小な隙間を介して平行に隣合うように設けられている。固定電極配線部17cの前端部の上面に、図1にも示すように、電極パッドからなる第2の出力端子20(SOUT2)が設けられている。
The right
これにて、前記可動電極部15(可動電極15d)と固定電極部16(固定電極16b)との間、及び、可動電極部15(可動電極15d)と固定電極部17(固定電極17b)との間に可動電極部15を共通の電極としたコンデンサC1,C2(図1参照)が夫々形成され、これらコンデンサC1,C2の静電容量は、X軸方向の加速度の作用に伴う可動電極部15の変位に応じて差動的に変化することになり、もって、加速度を容量値の変化として取出すことができるようになっている。
Thus, between the movable electrode portion 15 (
尚、図2では図示していないが、このセンサチップ12には、GND端子21(図1参照)となる電極パッドも設けられている。また、図1に示すように、このセンサチップ12の各端子(電極パッド)18、19,20は、夫々、回路チップ(信号処理回路13)に設けられた第1の入力端子22(SIN1 )、第2の入力端子23(SIN2 )、出力端子24(FEOUT )と接続されるようになっている。この電気的接続は、ボンディングワイヤによる接続、或いは、バンプ接続によりなされるようになっている。
Although not shown in FIG. 2, the
次に、前記回路チップは、図1に要部を示すように、前記センサチップ12からの信号を処理するための信号処理回路13を有して構成されている。この信号処理回路13は、前記可動電極部15や固定電極部16,17に印加する信号を発生する制御信号発生回路25、容量変化を電圧変化に変換する全差動型のC−V変換回路26、マイコン等からなり全体を制御する制御回路27、図示しない波形整形回路、出力アンプ回路、異常検出回路、発振回路、EPROM等を備えて構成されている。
Next, the circuit chip includes a
前記制御信号発生回路25は、第1〜第4の4個の信号出力端子から、夫々搬送波P1、自己診断用信号P2、P3、P3Bを夫々出力するようになっている。そのうち第1の信号出力端子は、第3のスイッチ33(SW3)を介して前記出力端子24に接続され、第2の信号出力端子は、第4のスイッチ34(SW4)を介して前記出力端子24に接続されている。第3の信号出力端子は、第5のスイッチ35(SW5)を介して前記第1の入力端子22に接続され、第4の信号出力端子は、第6のスイッチ36(SW6)を介して前記第2の入力端子23に接続されている。
The control
前記第1の信号出力端子から出力される搬送波P1は、図3に示すように、電圧Vp(例えば電源電圧に等しい5V)と0Vとの間で振幅し、周波数が例えば100kHzとされたパルス状(矩形波状)をなしている。これに対し、前記第2の信号出力端子から出力される自己診断用信号P2は、図3に示すように、例えば中間電圧Vp/2とは異なる電圧Vself(例えば3V)と、中間電圧Vp/2(例えば2.5V)との間で所定のデューティ比で振幅し、周波数が所定の自己診断周波数とされたパルス状をなしている。このとき、所定のデューティ比の1周期のうち、電圧Vself側の時間(第1の期間)が長く、中間電圧Vp/2の時間(第2の期間)がそれよりも短いものとされている。 As shown in FIG. 3, the carrier wave P1 output from the first signal output terminal has a pulse shape with an amplitude between a voltage Vp (for example, 5V equal to the power supply voltage) and 0V and a frequency of, for example, 100 kHz. (Rectangular wave shape). On the other hand, the self-diagnosis signal P2 output from the second signal output terminal is, as shown in FIG. 3, for example, a voltage Vself (for example, 3V) different from the intermediate voltage Vp / 2 and an intermediate voltage Vp / 2 (for example, 2.5 V) with a predetermined duty ratio and a pulse shape having a predetermined self-diagnosis frequency. At this time, in one cycle of the predetermined duty ratio, the time on the voltage Vself side (first period) is long, and the time of the intermediate voltage Vp / 2 (second period) is shorter than that. .
前記第3の信号出力端子から出力される自己診断用信号P3は、図3に示すように、電圧Vp(5V)と0Vとの間で所定のデューティ比で振幅し、周波数が所定の自己診断周波数とされたパルス状をなしている。このとき、所定のデューティ比の1周期のうち、電圧Vp側の時間が十分に長く、0V側に切替わる時間がごく短いものとされている。前記第4の信号出力端子から出力される自己診断用信号P3Bは、前記自己診断用信号P3と逆位相となる(位相が180°ずれた)パルス状をなしている。尚、後述するように、前記第3〜第6のスイッチ33〜36は、前記制御回路27によりオン・オフ制御されるようになっている。
As shown in FIG. 3, the self-diagnosis signal P3 output from the third signal output terminal has an amplitude with a predetermined duty ratio between the voltage Vp (5V) and 0V, and the frequency is a predetermined self-diagnosis. It has a pulse shape with frequency. At this time, in one cycle of the predetermined duty ratio, the time on the voltage Vp side is sufficiently long, and the time for switching to the 0V side is extremely short. The self-diagnosis signal P3B output from the fourth signal output terminal has a pulse shape that is in reverse phase with the self-diagnosis signal P3 (the phase is shifted by 180 °). As will be described later, the third to
前記C−V変換回路26は、図1に示すように、2個の入力端子と2個の出力端子とを有する全差動アンプ28と、この全差動アンプ28の非反転入力端子と−側の出力端子との間に並列に接続されたコンデンサ29(帰還容量Cf)及び第7のスイッチ37(SW7)と、全差動アンプ28の反転入力端子と+側の出力端子との間に並列に接続されたコンデンサ30(帰還容量Cf)及び第8のスイッチ38(SW8)とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
そして、全差動アンプ28の非反転入力端子は、第1のスイッチ31(SW1)を介して前記第1の入力端子22に接続され、反転入力端子は、第2のスイッチ32(SW2)を介して前記第2の入力端子23に接続されている。前記第1及び第2のスイッチ31及び32、並びに、第7及び第8のスイッチ37及び38についても、制御回路27によりオン・オフ制御されるようになっている。尚、第7及び第8のスイッチ37及び38は、コンデンサ29及び30のリフレッシュ用であり、適宜の時期にオンされるのであるが、本願発明の要旨とは関連性が薄いので、以下、オフしているものとして説明する。
The non-inverting input terminal of the fully
さて、後の作用説明でも述べるように、前記制御回路27は、そのソフトウエア構成(及びハードウエア構成)により、前記制御信号発生回路25や第1〜第8のスイッチ31〜38等を制御する。このとき、図3に示すように、通常時つまり加速度検出時においては、第1〜第3のスイッチ31〜33が常にオンされ、第4〜第6のスイッチ34〜36は常にオフされる。
As will be described later in the description of the operation, the
そして、制御回路27は、自己診断の実行を指示する信号が入力されると、前記固定電極部16,17と可動電極部15との間に静電気力を発生させて、電位差のバランスを崩させ、該可動電極部15を強制的に変位させ(X軸方向に振動させ)、その際のC−V変換回路26の出力が可動電極部15の変位に見合ったものかどうかを判断する自己診断工程を実行するようになっている。従って、制御回路27等から自己診断手段が構成されるようになっている。
When a signal instructing execution of self-diagnosis is input, the
この自己診断工程においては、第1〜第3のスイッチ31〜33がオフされ且つ第4〜第6のスイッチ34〜36がオンされる期間と、その後、第1〜第3のスイッチ31〜33がオンされ且つ第4〜第6のスイッチ34〜36がオフされる期間とが、図3に示すタイミングで周期的に繰返される。このとき、第1〜第6のスイッチ31〜36のオン・オフの切替周期は、制御信号発生回路25から出力される自己診断用信号P2の周期と同等とされ、また、自己診断用信号P2が第1の期間から第2の期間に切替えられた直後に(僅かに遅れて)、第1〜第6のスイッチ31〜36のオン・オフの切替えが行われるようになっている。
In this self-diagnosis process, a period in which the first to
これにて、固定電極部16,17と可動電極部15との間に静電気力を発生させる第1の期間と、容量変化を検出するための第2の期間とを周期的に有する自己診断用信号P2が、固定電極部16,17と可動電極部15との間に印加される。また、第1,第2のスイッチ31,32の制御によって、前記自己診断用信号P2の第2の期間において各固定電極部16,17とC−V変換回路26(全差動アンプ28)の各入力端子との間が接続され、前記第1の期間においてその接続が切離されるようになっている。従って、第3〜第6のスイッチ33〜36、制御信号発生回路25、制御回路27等から信号印加手段が構成され、第1,第2のスイッチ31,32及び制御回路27からスイッチ手段が構成されるようになっている。
Thus, for the self-diagnosis, which periodically includes a first period for generating an electrostatic force between the fixed
次に、上記構成の作用について、図3も参照して述べる。図3に示すように、通常時つまり加速度検出時においては、第1〜第3のスイッチ31〜33が常にオンされ、第4〜第6のスイッチ34〜36は常にオフされる。これにて、制御信号発生回路25から、電圧Vpが例えば5V(0V−5V間で振幅)で、例えば周波数が100kHzの搬送波P1が第3のスイッチ33(SW3)及び出力端子24(FEOUT )を介して出力され、センサチップ12の入力端子18(FEIN)から可動電極部15に印加されるようになる。センサチップ12に加速度が作用していない状態では、固定電極部16,17の電位が共にVp/2(例えば2.5V)となってつりあった状態となり、コンデンサC1,C2の静電容量が等しくなる。
Next, the operation of the above configuration will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, during normal time, that is, during acceleration detection, the first to
この状態から、センサチップ12に加速度が作用すると、可動電極部15がX軸方向に変位する。すると、コンデンサC1、C2間で、可動電極部15の変位量つまり加速度の大きさに応じた容量変化(+ΔC,−ΔC)があり、それに応じた固定電極部16,17の電位信号が、第1,第2の出力端子19,20(SOUT1,SOUT2)から出力される。それら信号は、C−V変換回路26の全差動アンプ28の各入力端子に入力されて増幅され、出力端子間の電位差信号ΔVoutとして加速度検出信号を取出すことができるのである。このとき、全差動型のC−V変換回路26(全差動アンプ28)が用いられていることにより、低ノイズ化を図ることができる。
When acceleration acts on the
これに対し、制御回路27は、自己診断の実行を指示する信号が入力されると、自己診断工程を実行する。この自己診断工程においては、図3に示すように、第1〜第6のスイッチ31〜36が、一定周期で所定のタイミングでオン・オフ制御される。これにより、可動電極部15には、電圧がVself(例えば3V)と、Vp/2(2.5V)との間で振幅し、周波数が自己診断周波数とされた所定のデューティ比(第1の期間が長く、第2の期間が短い)の自己診断用信号P2が、制御信号発生回路25から、第4のスイッチ34(SW4)及び出力端子24(FEOUT )並びに入力端子18(FEIN)を介して印加されるようになる。
On the other hand, the
これと共に、第1,第2,第5,第6のスイッチ31,32,35,36がオン・オフ制御されることにより、固定電極部16,17には、互いに逆位相の信号P3,P3Bが印加される。これら信号P3,P3Bは、電圧Vp(5V)と0Vとの間での振幅を有する矩形波状の信号であり、1周期のうち、固定電極部16側の5V(固定電極部17側は0V)の期間が前記第1の期間よりもやや長く、固定電極部17側が5V(固定電極部16側は0V)に切替る時間がごく短いデューティ比とされている。
At the same time, the first, second, fifth, and
尚、自己診断工程においては、第1,第2のスイッチ31,32の制御により、固定電極部16に印加される信号P3が5Vの期間については、入力端子22,23とC−V変換回路26(全差動アンプ28)との間が切離され、信号P3が0V(信号P3Bが5V)に切替わる際に、入力端子22,23(センサチップ12)とC−V変換回路26(全差動アンプ28)との間が接続されるようになる。そして、1つの周期から次の周期に切りわるタイミングで可動電極部15の変位検出(サンプリング)が行われるようになっている。
In the self-diagnosis process, the
これにより、可動電極部15に中間電圧Vp/2(2.5V)より高い電圧Vself(3.0V)が印加される第1の期間では、固定電極部16,17との間で静電気力が作用するようになって、可動電極部15が中間位置から一方の固定電極部16に引付けられるように変位する。可動電極部15の電圧が2.5Vに戻された第2の期間では、静電気力がオフされることにより、可動電極部15が中間位置に戻るように変位する。そのような変位のサイクルが、所定周期で繰返されるようになる。
As a result, in the first period in which the voltage Vself (3.0 V) higher than the intermediate voltage Vp / 2 (2.5 V) is applied to the
従って、図3に示すような、所定のタイミングでセンサチップ12とC−V変換回路26とを接続してサンプリング(変位検出)を行い、サンプリング時にC−V変換回路26(全差動アンプ28)から出力された加速度検出信号(電位差ΔVout)が、得られるべき可動電極部15の変位に見合った値となっているか判断することにより、加速度検出部14の感度の良否や、隙間部分に異物が存在して変位を妨げていないかどうか等を自己診断することができるのである。
Therefore, as shown in FIG. 3, the
尚、図示はしないが、制御回路27は、通常の加速度検出時においては、C−V変換回路26からの加速度検出信号(電位差ΔVout)を、波形整形回路や出力アンプ回路などを介して外部に出力するようになっている。また、自己診断時においては、C−V変換回路26からの加速度検出信号(電位差ΔVout)が、異常検出回路にて正常範囲の電圧値と比較され、当該正常範囲から外れたときに、制御回路27は、異常信号を外部に出力するようになっている。
Although not shown, the
このように本実施例の半導体加速度センサ11によれば、物理量この場合加速度を、固定電極部16,17と可動電極部15との間の静電容量の変化として検出するものにあって、全差動型のC−V変換回路26を用いたことにより、従来のシングルエンドタイプでC−V変換回路7を備えるものと異なり、低ノイズ化を実現することができる。
As described above, according to the
そして、自己診断の工程においては、固定電極部16,17と可動電極部15との間に静電気力を発生させる第1の期間と、容量変化を検出するための第2の期間とを周期的に有する自己診断用信号P2、P3,P3Bを、前記固定電極部16,17と可動電極部15との間に印加すると共に、第1,第2のスイッチ31,32により、第2の期間において各固定電極部16,17とC−V変換回路26との間を接続し、第1の期間においてその接続の切離しを行うように構成したので、従来のシングルエンドタイプでC−V変換回路7を備えるものと同様に、自己診断機能の実行が可能となったのである。
In the self-diagnosis process, a first period for generating an electrostatic force between the fixed
尚、上記実施例では説明しなかったが、固定電極部16,17に印加される信号P3、P3B(位相)を逆にする(入れ替える)ようにすれば、可動電極部15の逆方向(X−側)の変位を検出することができる。この場合、可動電極部15を一方向に強制変位させて自己診断を行う工程と、逆方向に変位させて自己診断を行う工程との双方を行うようにすれば、より効果的となる。
Although not described in the above embodiment, if the signals P3 and P3B (phase) applied to the fixed
<2>第2、第3の実施例
次に、図4及び図5を参照して、本発明の第2の実施例について述べる。尚、以下に述べる第2、第3の実施例は、上記第1の実施例の一部を変更したものであり、半導体加速度センサ装置11のセンサチップ12や、全差動アンプ28を備えたC−V変換回路26を含んだ信号処理回路13等のハードウエア的構成については共通している。従って、上記第1の実施例と同一部分には、同一符号を付すと共に、新たな図示や詳しい説明を省略する。また、図面においては、共通部分については同一符号を付していると共に、上記した図1や図3に対し、各スイッチ31〜36や制御信号発生回路25、制御回路27等の図示を省略するといったように、大幅な省略を施している。
<2> Second and Third Embodiments Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the second and third embodiments described below, a part of the first embodiment is changed, and the
この第2の実施例が、上記第1の実施例と異なる点は、制御回路27が自己診断工程を実行させる際において、第2の期間において、静電気力の印加が停止されて可動電極部15が元の中間位置に戻ったタイミングで、C−V変換回路26の出力信号Vop及びVomを取込み、前記各電極部15,16,17及び前記C−V変換回路26の帰還コンデンサ29,30に溜まる電荷量の総和が、第1の期間(図4(a)参照)と第2の期間(図4(b)参照)との間で保存されることを利用して、診断を行うところにある。
The second embodiment is different from the first embodiment in that, when the
即ち、本実施例においては、図5に示すように、自己診断工程において入力端子18に印加される自己診断用信号P2は、やはり、電圧Vself(例えば3V)と、中間電圧Vref (例えば2.5V)との間で所定のデューティ比(図ではほぼ1:1)の周期で振幅し、周波数が所定の自己診断周波数とされたパルス状をなしている。自己診断用信号P3は、自己診断用信号P2と同等の周期で、電圧Vp(例えば5V)とVm(例えば0V)との間で所定のデューティ比で振幅する(自己診断用信号P2の切替え直後に切替えられる)パルス状をなし、自己診断用信号P3Bは、前記自己診断用信号P3と逆位相となる(位相が180°ずれた)パルス状をなしている。
That is, in this embodiment, as shown in FIG. 5, the self-diagnosis signal P2 applied to the
これにて、図4(a)に示すように、第1の期間では、可動電極部15に中間電圧Vref (2.5V)より高い電圧Vself(3.0V)が印加され、固定電極部16,17の電位が夫々Vp(5V)、Vm(0V)であるため、可動電極部15と固定電極部16,17との間で静電気力が作用するようになって、可動電極部15が中間位置から一方の固定電極部16に引付けられるように変位する。尚、この第1の期間では、スイッチの制御によって、入力端子22,23(第1,第2の出力端子19,20)とC−V変換回路26との間が切離されている。
As a result, as shown in FIG. 4A, in the first period, a voltage Vself (3.0 V) higher than the intermediate voltage Vref (2.5 V) is applied to the
このとき、固定電極部16と可動電極部15との間に形成されるコンデンサC1の静電容量が、C0から(C0+ΔC)に変化し、固定電極部17と可動電極部15との間に形成されるコンデンサC2の静電容量が、C0から(C0−ΔC)に変化する。また、コンデンサC1には、Q1の電荷量が溜められ、コンデンサC2には、Q2の電荷量が溜められる。尚、この時点では、帰還コンデンサ29,30(静電容量は共にCf)に夫々溜められる電荷量Q3,Q4は、共に0である。
At this time, the capacitance of the capacitor C1 formed between the fixed
これに対し、図4(b)に示すように、第2の期間では、可動電極部15の電位が、Vref (2.5V)に戻されると共に、入力端子22,23(第1,第2の出力端子19,20)とC−V変換回路26とが接続される。これにて、可動電極部15が中間位置に戻るように変位する。そして、図5に示すように、第2の期間が終了するタイミング、つまり、可動電極部15が中間位置に戻りきったタイミングで、サンプリングが行われ、C−V変換回路26の2個の出力端子からの出力電圧信号Vop及びVomが取込まれるのである。尚、このサンプリングは、第1の期間及び第2の期間を周期的に繰返して複数回行っても良いし、1周期のみの信号により1回のサンプリングを行っても良い。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, in the second period, the potential of the
この第2の期間では、固定電極部16,17と可動電極部15との間に夫々形成されるコンデンサC1,C2の静電容量が、共にC0に戻る。そして、入力端子22,23(第1,第2の出力端子19,20)の電位が、夫々Vinとなる。また、コンデンサC1の電荷量がQ1´になり、コンデンサC2の電荷量がQ2´になり、帰還コンデンサ29,30(静電容量は共にCf)に夫々溜められる電荷量が、Q3´,Q4´となる。
In the second period, the capacitances of the capacitors C1 and C2 formed between the fixed
さて、上記第1の期間と第2の期間との間で、各コンデンサ要素に溜められる電荷量の総和が保存されることから、以下の式を導くことができる。
Q1+Q3=Q1´+Q3´ ‥‥(2)
Q2+Q4=Q2´+Q4´ ‥‥(3)
(2)式から、
(C0+ΔC)(Vself−Vp)=C0(Vref −Vin)+Cf(Vop−Vin)‥(4)
(3)式から、
(C0−ΔC)(Vself−Vm)=C0(Vref −Vin)+Cf(Vom−Vin)‥(5)
(4)式−(5)式により
2ΔCVself−(C0+ΔC)Vp+(C0−ΔC)Vm=Cf(Vop−Vom)
Vop−Vom=ΔC/Cf(2Vself−(Vp−Vm))−C0/Cf(Vp−Vm)‥(6)
Cf、C0、Vp、Vm、Vselfは、既知の値であるから、検出されたVop−Vom(電位差ΔVout )から、ΔCを求めることができ、そのΔCの値が、Vp、Vm、Vself等の値に対して、設計上の静電容量の変化に見合った値となっているかどうかを検証することにより、自己診断を行うことができるのである。
Now, since the total amount of charge accumulated in each capacitor element is preserved between the first period and the second period, the following equation can be derived.
Q1 + Q3 = Q1 '+ Q3' (2)
Q2 + Q4 = Q2 '+ Q4' (3)
From equation (2)
(C0 + ΔC) (Vself−Vp) = C0 (Vref−Vin) + Cf (Vop−Vin) (4)
From equation (3)
(C0−ΔC) (Vself−Vm) = C0 (Vref−Vin) + Cf (Vom−Vin) (5)
(4) According to the equation-(5), 2ΔCVself− (C0 + ΔC) Vp + (C0−ΔC) Vm = Cf (Vop−Vom)
Vop−Vom = ΔC / Cf (2Vself− (Vp−Vm)) − C0 / Cf (Vp−Vm) (6)
Since Cf, C0, Vp, Vm, and Vself are known values, ΔC can be obtained from the detected Vop−Vom (potential difference ΔVout), and the value of ΔC is Vp, Vm, Vself, etc. The self-diagnosis can be performed by verifying whether or not the value is a value commensurate with the design capacitance change.
このような第2の実施例によれば、可動電極部15が元の中間位置に戻りきった状態で、C−V変換回路26の出力信号をサンプリングし、その値(2個の出力端子間の電位差ΔVout)が、第1の期間における固定電極部16,17と可動電極部15との間の静電容量の変化ΔCに見合ったものかどうかを判断することによって、可動電極部15が中間位置に戻る前(途中)でサンプリングを行った場合の誤差を低減し、自己診断をより高精度で行うことができるものである。
According to the second embodiment, the output signal of the
図6は、本発明の第3の実施例を示している。この第3の実施例が、上記第2の実施例と異なるところは、次の点にある。即ち、上記した(6)式においては、ΔC/Cfに比べて、C0/Cfの値が十分に大きくなるため、本来検出したい(6)式の右辺の第1項である、ΔC/Cf(2Vself−(Vp−Vm))の値の検出精度が劣ってしまう不具合がある。そこで、本実施例では、第2のバイアス状態を設けて、演算により余分な項、つまり(6)式の右辺の第2項を消して必要な部分のみを残すようにしているのである。 FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention. The third embodiment differs from the second embodiment in the following points. That is, in the above equation (6), since the value of C0 / Cf is sufficiently larger than ΔC / Cf, ΔC / Cf (1), which is the first term on the right side of the equation (6) to be originally detected. There is a problem that the detection accuracy of the value of 2Vself- (Vp-Vm) is inferior. Therefore, in the present embodiment, a second bias state is provided, and an unnecessary term, that is, the second term on the right side of the equation (6) is eliminated by calculation to leave only a necessary portion.
この第3の実施例では、制御回路27が自己診断工程を実行させるにあたって、上記第2の実施例で説明した第1の期間及び第2の期間からなる第1のバイアス状態(図4参照)に加えて、信号印加手段としての制御信号発生回路25は、前記固定電極部16,17及び可動電極部15に前記第1の期間とは異なる信号を印加する第3の期間(図6(a)参照)及び容量変化を検出するための前記可動電極部17に中間電圧の信号を印加する第4の期間(図6(b)参照)を有する第2のバイアス状態と含む信号を印加するように構成されている。
In the third embodiment, when the
そして、制御回路27は、上記第2の期間において、静電気力の印加が停止されて可動電極部15が元の中間位置に戻ったタイミングで、C−V変換回路26の出力信号Vop及びVom(これらを第1の出力信号という)を取込むことに加えて、上記第4の期間において取込んだ前記C−V変換回路26の第2の出力信号Vop´及びVom´を取込み、それらの双方から、不要な変数を除去する演算を行うことに基づいて診断を行うように構成されている。
Then, the
より具体的には、本実施例では、第2のバイアス状態における第3の期間では、前記固定電極部16、17と可動電極部15との間に静電気力を発生させない信号を印加するようになっている。即ち、図6(a)に示すように、第3の期間では、可動電極部15に中間電圧Vref (2.5V)が印加され、固定電極部16,17には、夫々電圧がVp(5V)、Vm(0V)の信号が印加される。図6(b)に示すように、第4の期間では、可動電極部15の電位は変更されず、入力端子22,23(第1,第2の出力端子19,20)とC−V変換回路26とが接続される。これにて、可動電極部15が中間位置に停止しているタイミングで、サンプリングが行われ、C−V変換回路26の2個の出力端子からの出力電圧信号Vop´及びVom´が取込まれる。
More specifically, in this embodiment, a signal that does not generate an electrostatic force is applied between the fixed
この場合も、図6(a)に示す第3の状態と、図6(b)に示す第4の状態とで、コンデンサC1,C2及び帰還コンデンサ29,30に溜まる電荷量の総和が保存されるので、次のような数式を導き出すことができる。
Also in this case, the total amount of charges accumulated in the capacitors C1 and C2 and the
C0(Vref −Vp)=C0(Vref −Vin)+Cf(Vop´−Vin) ‥(7)
C0(Vref −Vm)=C0(Vref −Vin)+Cf(Vom´−Vin) ‥(8)
(7)式−(8)式により
Vop´−Vom´=−C0/Cf(Vp−Vm) ‥(9)
(6)式−(9)式により
(Vop−Vom)−(Vop´−Vom´)=ΔC/Cf(2Vself−(Vp−Vm)) ‥(10)
この(10)式により、不要な変数を除去して必要な部分のみを抽出することができ、自己診断の精度をより一層高めることができるものである。
C0 (Vref−Vp) = C0 (Vref−Vin) + Cf (Vop′−Vin) (7)
C0 (Vref−Vm) = C0 (Vref−Vin) + Cf (Vom′−Vin) (8)
(7) From equation (8), Vop′−Vom ′ = − C0 / Cf (Vp−Vm) (9)
(6) By formula-(9)
(Vop−Vom) − (Vop′−Vom ′) = ΔC / Cf (2Vself− (Vp−Vm)) (10)
By this equation (10), unnecessary variables can be removed and only necessary portions can be extracted, and the accuracy of self-diagnosis can be further improved.
<3>第4の実施例
次に、図7及び図8を参照して、本発明の第4の実施例について説明する。図7は、本実施例に係る半導体加速度センサ装置41の要部の電気的構成を、概略的に(一部を省略して)示している。この半導体加速度センサ装置41は、センサエレメント(センサチップ)42と、信号処理回路43を備えている。そのうちセンサエレメント42は、上記第1〜第3の実施例と同様に、可動電極部15と、一対の固定電極部16,17とを備えており、それらからコンデンサC1,C2が形成されるようになっている。
<3> Fourth Embodiment Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 schematically shows an electrical configuration of a main part of the semiconductor
また、センサエレメント42には、固定電極部16,17に夫々接続された第1、第2の入力端子44,45と、可動電極部15に接続された出力端子46とが設けられている。入力端子44,45には、図示しない搬送波出力回路が接続され、電位がVp(例えば5V)とVm(例えば0V)との間の振幅を有し、互いに逆位相となるパルス状の搬送波FE1、FE2が印加されるようになっている。出力端子46は、信号処理回路43の入力端子51(SIN)に接続されている。
The
前記信号処理回路43は、演算増幅器47並びにその反転入力端子と出力端子との間に並列に接続された帰還コンデンサ48及びスイッチ49を備えるシングルエンドタイプのC−V変換回路50を備えている。前記入力端子51は、演算増幅器47の反転入力端子に接続されている。演算増幅器47の非反転入力端子(ひいては可動電極部15)には、図示しない制御信号発生回路がスイッチ回路を介して接続され、通常時(加速度検出時)には、前記搬送波の中間電圧Vref ((Vp+Vm)/2、例えば2.5V)の一定(直流)の電圧信号が入力され、自己診断時には、中間電圧Vref とは異なる電圧Vself(例えば3V)の電圧信号が入力されるようになっている。
The
図示しない制御回路は、前記搬送波出力回路、制御信号発生回路、スイッチ回路、スイッチ49等を制御し、通常時においては加速度の検出を実行させる。この加速度検出時においては、前記各固定電極部16,17に搬送波FE1、FE2が夫々印加されると共に、可動電極部17にそれらの中間電圧Vref (2.5V)が印加され、センサチップ1(可動電極部)に作用する加速度をそれら固定電極部16,17と可動電極部15との間の静電容量の変化として検出する、つまりC−V変換回路50から検出電圧値として出力するようになっている。
A control circuit (not shown) controls the carrier wave output circuit, the control signal generation circuit, the switch circuit, the
そして、前記制御回路は、自己診断の実行を指示する信号が入力されることに基づき、前記固定電極部16,17と可動電極部15との間に静電気力を発生させて該可動電極部15を強制的に変位させ、その際の前記C−V変換回路50の出力(Vo)が可動電極部15の変位に見合ったものかどうかを判断する自己診断工程を実行する自己診断手段として機能する。またこのとき、前記搬送波出力回路、制御信号発生回路、スイッチ回路などから信号印加手段が構成される。
The control circuit generates an electrostatic force between the fixed
この自己診断工程では、前記固定電極部16,17と可動電極部15との間に静電気力を発生させる第1の期間Φ1と、容量変化(ΔC)を検出するための第2の期間Φ2とを有する自己診断用信号(図8(a)参照)を、固定電極部16,17と可動電極部15との間に印加するようになっている。そして、前記第2の期間Φ2において、静電気力の印加が停止されて前記可動電極部17が元の中間位置に戻ったタイミングで、前記C−V変換回路50の出力信号(Vo)を取込み、コンデンサC1,C2及び帰還コンデンサ48に溜まる電荷量の総和が、前記第1の期間Φ1と第2の期間Φ2との間で保存されることを利用して、診断を行うようになっている。
In this self-diagnosis step, a first period Φ1 for generating an electrostatic force between the fixed
即ち、本実施例においては、図8(a)に示すように、自己診断工程においては、固定電極部16に入力される搬送波FE1は、電圧Vp(例えば5V)とVm(例えば0V)との間で所定のデューティ比(Vp側が長く、Vm側が短い)で振幅するパルス状をなし、固定電極部17に入力される搬送波FE2は、搬送波FE1と逆位相となる(位相が180°ずれた)パルス状をなしている。そして、入力端子51(ひいては可動電極部17)に印加される信号SINは、電圧Vself(例えば3V)と、中間電圧Vref (例えば2.5V)との間で、搬送波FE1、FE2と同等の周期及びデューティ比で振幅するパルス状をなしている。尚、図8(b)は、従来の自己診断の手法における、信号波形及びサンプリングのタイミングを示している。
That is, in the present embodiment, as shown in FIG. 8A, in the self-diagnosis process, the carrier wave FE1 input to the fixed
これにて、図7(a)に示すように、第1の期間Φ1では、可動電極部15に中間電圧Vref (2.5V)より高い電圧Vself(3.0V)が印加され、固定電極部16,17の電位が夫々Vp(5V)、Vm(0V)であるため、可動電極部15と固定電極部16,17との間で静電気力が作用するようになって、可動電極部15が中間位置から一方の固定電極部16に引付けられるように変位する。
As a result, as shown in FIG. 7A, in the first period Φ1, a voltage Vself (3.0 V) higher than the intermediate voltage Vref (2.5 V) is applied to the
このとき、固定電極部16と可動電極部15との間に形成されるコンデンサC1の静電容量が、C0から(C0+ΔC)に変化し、固定電極部17と可動電極部15との間に形成されるコンデンサC2の静電容量が、C0から(C0−ΔC)に変化する。また、コンデンサC1には、Q1の電荷量が溜められ、コンデンサC2には、Q2の電荷量が溜められる。尚、この時点では、帰還コンデンサ48(静電容量がCf)に夫々溜められる電荷量Q3は、0である。
At this time, the capacitance of the capacitor C1 formed between the fixed
これに対し、図7(b)に示すように、第2の期間Φ2では、可動電極部15の電位が、Vref (2.5V)に戻される。これにて、可動電極部15が中間位置に戻るように変位する。そして第2の期間Φ2が終了するタイミング、つまり、可動電極部15が中間位置に戻りきったタイミングで、サンプリングが行われ、C−V変換回路50の出力端子からの出力電圧信号Voが取込まれるのである。尚、このサンプリングは、第1の期間Φ1及び第2の期間Φ2を周期的に繰返して複数回行っても良いし、1周期のみの信号により1回のサンプリングのみを行っても良い。
On the other hand, as shown in FIG. 7B, the potential of the
この第2の期間Φ2では、固定電極部16,17と可動電極部15との間に夫々形成されるコンデンサC1,C2の静電容量が、共にC0に戻る。そして、コンデンサC1の電荷量がQ1´に変化し、コンデンサC2の電荷量がQ2´になり、帰還コンデンサ48に溜められる電荷量が、Q3´となる。
In the second period Φ2, the capacitances of the capacitors C1 and C2 formed between the fixed
さて、上記第1の期間Φ1と第2の期間Φ2との間で、各コンデンサ要素に溜められる電荷量の総和が保存されることから、以下の式を導くことができる。
Q1+Q2+Q3=Q1´+Q2´+Q3´ ‥‥(11)
(11)式から、
(C0+ΔC)(Vp−Vself)+(C0−ΔC)(Vm−Vself)
=C0(Vp−Vref )+C0(Vm−Vref )+Cf(Vo−Vref )‥(12)
Vo=ΔC/Cf(Vp−Vm)+Vref −2C0/Cf(Vself−Vref ) ‥(13)
Cf、C0、Vp、Vm、Vself、Vref は、既知の値であるから、検出されたVoの値から、ΔCを求めることができ、そのΔCの値が、見合った値となっているかどうかを検証することにより、自己診断を行うことができる。
Now, since the sum of the amount of charge stored in each capacitor element is stored between the first period Φ1 and the second period Φ2, the following equation can be derived.
Q1 + Q2 + Q3 = Q1 ′ + Q2 ′ + Q3 ′ (11)
From equation (11)
(C0 + ΔC) (Vp−Vself) + (C0−ΔC) (Vm−Vself)
= C0 (Vp-Vref) + C0 (Vm-Vref) + Cf (Vo-Vref) (12)
Vo = ΔC / Cf (Vp−Vm) + Vref−2C0 / Cf (Vself−Vref) (13)
Since Cf, C0, Vp, Vm, Vself, and Vref are known values, ΔC can be obtained from the detected value of Vo, and whether or not the value of ΔC is an appropriate value. By performing verification, self-diagnosis can be performed.
このような第4の実施例によれば、シングルエンドタイプのC−V変換回路50を用いるものにあっても、第1の期間Φ1と第2の期間Φ2との間で、各コンデンサ要素に溜まっている電荷量の総和が保存されること(電荷保存則)を利用し、可動電極部15が元の中間位置に戻りきった状態で、C−V変換回路50の出力信号Voをサンプリングし、その値が、第1の期間Φ1における固定電極部16,17と可動電極部15との間の静電容量の変化ΔCに見合ったものかどうかを判断することによって、可動電極部15が中間位置に戻る前に検出する場合の誤差を低減し、自己診断をより高精度で行うことができるという優れた効果を得ることができる。
According to the fourth embodiment, even in the case of using the single-ended type
尚、上記各実施例では、本発明を半導体加速度センサに適用するようにしたが、例えばヨーレートセンサなど、他の容量式の半導体センサ装置(物理量検出装置)にも適用することができ、更には、二方向以上の検出軸を有する物理量センサに適用することもできる。また、上記した各電圧(Vp、Vself等)や周波数などの具体的数値は、あくまでも一例を示したに過ぎず、実使用に応じて適切な値を設定すれば良い等、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。 In each of the above embodiments, the present invention is applied to a semiconductor acceleration sensor. However, the present invention can also be applied to other capacitive semiconductor sensor devices (physical quantity detection devices) such as a yaw rate sensor. The present invention can also be applied to a physical quantity sensor having detection axes in two or more directions. In addition, the specific numerical values such as the above-described voltages (Vp, Vself, etc.) and frequency are merely examples, and the present invention has been described above, such as setting appropriate values according to actual use. The present invention is not limited to each embodiment, and can be implemented with appropriate modifications within a range not departing from the gist.
図面中、11,41は半導体加速度センサ装置(容量式物理量検出装置)、12、42はセンサチップ(センサエレメント)、14は加速度検出部、15は可動電極部、16,17は固定電極部、25は制御信号発生回路(信号印加手段)、26はC−V変換回路、27は制御回路(自己診断手段)、28は全差動アンプ、31〜38はスイッチ(スイッチ手段)、47は演算増幅器、50はC−V変換回路を示す。
In the drawings, 11 and 41 are semiconductor acceleration sensor devices (capacitive physical quantity detection devices), 12 and 42 are sensor chips (sensor elements), 14 is an acceleration detection unit, 15 is a movable electrode unit, 16 and 17 are fixed electrode units, 25 is a control signal generating circuit (signal applying means), 26 is a CV conversion circuit, 27 is a control circuit (self-diagnostic means), 28 is a fully differential amplifier, 31 to 38 are switches (switch means), and 47 is an arithmetic operation. An
Claims (7)
前記可動電極部にパルス状の搬送波を印加した状態で、前記可動電極部の変位に応じた前記各固定電極部と可動電極部との間の静電容量の変化を、前記C−V変換回路の2個の出力端子間の電位差として出力するようにした容量式物理量検出装置であって、
前記固定電極部と可動電極部との間に静電気力を発生させて該可動電極部を強制的に変位させ、その際の前記C−V変換回路の出力が前記可動電極部の変位に見合ったものかどうかを判断する自己診断工程を実行する自己診断手段を備えてなり、
該自己診断手段は、前記固定電極部と可動電極部との間に静電気力を発生させる第1の期間と、容量変化を検出するための第2の期間とを周期的に有する自己診断用信号を、前記固定電極部と可動電極部との間に印加する信号印加手段と、前記自己診断用信号の第2の期間において前記センサエレメントの各固定電極部と前記C−V変換回路の各入力端子との間を接続し、前記第1の期間においてその接続の切離しを行うスイッチ手段とを備えて構成されていることを特徴とする容量式物理量検出装置。 A sensor element having a movable electrode portion supported via a spring portion and displaced in accordance with the action of a physical quantity, and a pair of fixed electrode portions disposed with a gap on both sides in the displacement direction of the movable electrode portion, and A fully differential CV conversion circuit having two input terminals to which each fixed electrode portion is connected and two output terminals;
In a state where a pulsed carrier wave is applied to the movable electrode portion, a change in electrostatic capacitance between the fixed electrode portion and the movable electrode portion according to the displacement of the movable electrode portion is converted into the CV conversion circuit. A capacitance type physical quantity detection device that outputs a potential difference between two output terminals of
An electrostatic force is generated between the fixed electrode portion and the movable electrode portion to forcibly displace the movable electrode portion, and the output of the CV conversion circuit at that time corresponds to the displacement of the movable electrode portion. A self-diagnosis means for executing a self-diagnosis process for judging whether or not
The self-diagnosis means is a self-diagnosis signal periodically having a first period for generating an electrostatic force between the fixed electrode part and the movable electrode part and a second period for detecting a change in capacitance. Is applied between the fixed electrode portion and the movable electrode portion, and each fixed electrode portion of the sensor element and each input of the CV conversion circuit in the second period of the self-diagnosis signal. A capacitive physical quantity detection device comprising: a switching unit that connects to a terminal and disconnects the connection during the first period.
前記固定電極部及び可動電極部に前記第1の期間とは異なる信号を印加する第3の期間及び容量変化を検出するための前記可動電極部に中間電圧の信号を印加する第4の期間を有する第2のバイアス状態と含む信号を印加し、
前記自己診断手段は、前記第1のバイアス状態において取込んだ前記C−V変換回路の第1の出力信号と、前記第2のバイアス状態における前記第4の期間において前記可動電極部が中間位置に戻ったタイミングで取込んだ前記C−V変換回路の第2の出力信号との双方を用いて診断を行うように構成されていることを特徴とする請求項4記載の容量式物理量検出装置。 The signal applying means includes a first bias state having the first period and a second period;
A third period in which a signal different from the first period is applied to the fixed electrode part and the movable electrode part, and a fourth period in which an intermediate voltage signal is applied to the movable electrode part for detecting a change in capacitance. Applying a signal including a second bias state having
The self-diagnosis means is configured such that the movable electrode portion is positioned at an intermediate position in the fourth period in the second bias state and the first output signal of the CV conversion circuit captured in the first bias state. 5. The capacitive physical quantity detection device according to claim 4, wherein diagnosis is performed using both of the second output signal of the CV conversion circuit fetched at the timing of returning to step (5). .
前記可動電極部の変位に応じた前記各固定電極部と可動電極部との間の静電容量の変化に応じた電圧を、前記C−V変換回路から出力するようにした容量式物理量検出装置であって、
前記固定電極部と可動電極部との間に静電気力を発生させて該可動電極部を強制的に変位させ、その際の前記C−V変換回路の出力が前記可動電極部の変位に見合ったものかどうかを判断する自己診断工程を実行する自己診断手段を備えてなり、
該自己診断手段は、前記固定電極部と可動電極部との間に静電気力を発生させる第1の期間と、容量変化を検出するための第2の期間とを有する自己診断用信号を、前記固定電極部と可動電極部との間に印加する信号印加手段を備えると共に、
前記第2の期間において、静電気力の印加が停止されて前記可動電極部が元の中間位置に戻ったタイミングで、前記C−V変換回路の出力信号を取込み、前記各電極部及び前記C−V変換回路の帰還コンデンサに溜まる電荷量の総和が、前記第1の期間と第2の期間との間で保存されることを利用して、診断を行うように構成されていることを特徴とする容量式物理量検出装置。 A sensor element having a movable electrode portion supported via a spring portion and displaced according to the action of a physical quantity, and a pair of fixed electrode portions disposed with gaps on both sides in the displacement direction of the movable electrode portion. Constructed with end-type CV conversion circuit,
Capacitive physical quantity detection device that outputs a voltage corresponding to a change in capacitance between each fixed electrode portion and the movable electrode portion according to displacement of the movable electrode portion from the CV conversion circuit. Because
An electrostatic force is generated between the fixed electrode portion and the movable electrode portion to forcibly displace the movable electrode portion, and the output of the CV conversion circuit at that time corresponds to the displacement of the movable electrode portion. A self-diagnosis means for executing a self-diagnosis process for judging whether or not
The self-diagnosis means outputs a self-diagnosis signal having a first period for generating an electrostatic force between the fixed electrode part and the movable electrode part and a second period for detecting a change in capacitance. With a signal applying means for applying between the fixed electrode portion and the movable electrode portion,
In the second period, at the timing when the application of electrostatic force is stopped and the movable electrode part returns to the original intermediate position, the output signal of the CV conversion circuit is taken in, and each of the electrode parts and the C- The diagnosis is performed by using the fact that the total amount of charge accumulated in the feedback capacitor of the V conversion circuit is stored between the first period and the second period. Capacitive physical quantity detection device.
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