JP2014134533A - 容量性圧力センサーの出力仕様調整装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】容量性圧力センサーの出力仕様調整装置を提供する。
【解決手段】本発明は、容量性圧力センサーの出力仕様調整装置に関するものであって、容量性圧力センサー出荷時にソフトウェア的な方法で非線形性、オフセット、利得を調整することができて、容量性圧力センサー出荷時に顧客が要求する多様な出力仕様を便利に調整可能にしたものである。
【選択図】図3A
【解決手段】本発明は、容量性圧力センサーの出力仕様調整装置に関するものであって、容量性圧力センサー出荷時にソフトウェア的な方法で非線形性、オフセット、利得を調整することができて、容量性圧力センサー出荷時に顧客が要求する多様な出力仕様を便利に調整可能にしたものである。
【選択図】図3A
Description
本発明は、圧力測定技術に係り、特に、容量性圧力センサーの出力仕様調整装置に関する。
圧力センサーは、圧力によって発生する機械的な変位を電気信号に変換して出力し、この出力される電気信号の強度を測定することで圧力が測定される。特許文献1などで提示したような容量性圧力センサーは、機械的な変位を静電容量に変換して出力し、この静電容量の変化を検出することで圧力が測定される。
容量性圧力センサーは、印加される圧力に対して非線形的な特性を有し、温度に敏感なので、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させるためには、出荷時に容量性圧力センサーの出力仕様を顧客の要求に合わせて調整しなければならない。したがって、本発明者は、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させる容量性圧力センサーの出力仕様調整装置についての研究を行った。
本発明は、前記課題を解決するために発明されたものであって、容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの出力を、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させるように調整(calibration)することができる容量性圧力センサーの出力仕様調整装置を提供することをその目的とする。
本発明のさらに他の目的は、容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの出力仕様をソフトウェア的な方法で便利に調整することができる容量性圧力センサーの出力仕様調整装置を提供するところにある。
前記目的を果たすための本発明の一態様によれば、容量性圧力センサーの出力仕様調整装置は、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとの静電容量の変化を出力電圧に変換して出力する出力制御回路と;設定された電気特性値によって出力制御回路の出力仕様を調整する少なくとも1つの出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子と、出力仕様温度補償素子とを含む出力仕様調整素子と;出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子との電気特性値を設定する設定部と;出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子との電気特性値の設定のための外部端末機を接続する外部入力インターフェースと;出力仕様温度補償素子の電気特性値を設定する温度補償回路と;を含んでなることを特徴とする。
本発明は、容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの非線形性、オフセット、利得を調整することができて、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させうる。
また、本発明は、容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの出力仕様をソフトウェア的な方法で便利に調整することができる。
以下、添付された図面を参照して記述される望ましい実施形態を通じて、本発明を当業者が容易に理解し、再現できるように詳しく記述する。
本発明を説明するに当って、関連した公知機能または構成についての具体的な説明が、本発明の実施形態の要旨を不明にする恐れがあると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
本発明の明細書の全般に亘って使われる用語は、本発明の実施形態での機能を考慮して定義された用語であって、顧客または運用者の意図、慣例などによって十分に変形されうる事項であるので、この用語の定義は、本明細書の全般に亘った内容に基づいて下されなければならない。
図1及び図2は、容量性圧力センサーの一例を示す図面であって、機械的な変位を静電容量に変換して出力する容量性圧力センサー100は、誘電体基板110と、電極パターン120と、を含みうる。
誘電体基板110は、圧力によって機械的な変位(deflection)が発生する部分である。誘電体基板110の一側に形成される電極パターン120は、主電極121と、基準電極122とからなり、リード部(図示せず)を通じて出力仕様調整装置に連結される。
主電極121と、基準電極122は、誘電体基板110の他側に形成された導体板と作用して、それぞれ主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrと、を形成する。
誘電体基板110に圧力が加えられて機械的な変位が発生すれば、誘電体基板110に形成された主電極121と基準電極122との間隔が変化され、キャパシタンスCpとキャパシタンスCrとの静電容量が変化する。
出力仕様調整装置は、キャパシタンスCpとキャパシタンスCrとの静電容量の変化を電気信号に変換して出力することによって、圧力を測定させる。図3Aは、本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
図3Aに示したように、出力仕様調整装置は、出力制御回路200と、少なくとも1つの出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320と、出力仕様温度補償素子330と、設定部400と、外部入力インターフェース500及び温度補償回路600と、を含んでなる。
出力制御回路200は、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとの静電容量の変化を出力電圧に変換して出力する。
出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320と、出力仕様温度補償素子330は、設定された電気特性値によって出力制御回路200の出力仕様を調整する。例えば、出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320と、出力仕様温度補償素子330が、それぞれ容量性圧力センサーのオフセット調整(offset calibration)、非線形性調整(non−linearity calibration)、利得調整(gain calibration)及び温度補償(temperatureCompemsation)のための可変抵抗であり得る。
設定部400は、出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320との電気特性値を設定する。例えば、設定部400によって設定される電気特性値が容量性圧力センサーのオフセット(offset)と、非線形性(non−linearity)及び利得(gain)調整のための可変抵抗の抵抗値であり得る。
外部入力インターフェース500は、出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320との電気特性値の設定のための外部端末機(図示せず)を接続する。例えば、外部入力インターフェース500が、PCまたはスマートフォンなどの外部端末機と有線または無線接続される通信インターフェースであり得る。
温度補償回路600は、出力仕様温度補償素子330の電気特性値を設定して、設定部400によって設定される出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320との電気特性値の温度による変化によって変わる出力制御回路200の出力仕様を、温度が変わっても一定の出力仕様を保持するように補償する。
容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの出力を、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させるように調整しなければならない。このために、容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の外部入力インターフェース500に外部端末機を接続し、容量性圧力センサーの出力仕様の調整のためのソフトウェアを実行して、出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320との電気特性値をユーザが入力する。
そうすると、ユーザが入力した出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320との電気特性値によって、設定部400は、出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320との電気特性値を設定する。
例えば、出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320が、可変抵抗であれば、設定部400が設定された抵抗値を保存し、毎度ブーティング時に、保存された抵抗値を読み取って可変抵抗の電気的接点を抵抗値に合わせて選択することによって、出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320との電気特性値を設定することができる。
一方、温度補償回路600を通じては、出力仕様温度補償素子330の電気特性値を設定して、設定部400によって設定される出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320との電気特性値の温度による変化によって変わる出力制御回路200の出力仕様を、温度が変わっても一定の出力仕様を保持するように補償する。
そうすると、出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320及び出力仕様温度補償素子330との電気特性値によって出力制御回路200の出力仕様が調整される。これにより、本発明は、容量性圧力センサー出荷時に温度による容量性圧力センサーの非線形性、オフセット、利得を調整することができて、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させることができる。また、本発明は、容量性圧力センサー出荷時に容量性圧力センサーの出力仕様をソフトウェア的な方法で便利に調整することができる。
図3Bと図3Cは、それぞれ可変抵抗の形態で具現した出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、を示したものであって、出力仕様利得調整素子320及び出力仕様温度補償素子330も、これと同様に具現することができる。
容量性圧力センサーの出力仕様の調整のための具体的な回路構成を説明すれば、出力制御回路200は、スイッチ部210と、積分器220と、電源入力部230と、フィードバック部240と、を含む。
スイッチ部210は、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとの充電及び放電動作を制御する。
スイッチ部210は、6つのスイッチ(位相1の開始と同時にターンオンになり、位相2では、オフ状態である2つのP1スイッチと、位相1と重畳されない位相2の開始と同時にターンオンになり、位相1では、オフ状態である2つのP2スイッチと、位相1で、P1スイッチターンオン後に特定時間遅延されてターンオンになる1つのP1dスイッチと、位相2で、P2スイッチターンオン後に特定時間遅延されてターンオンになる1つのP2dスイッチ)を含み、2つのP1−P2スイッチ連結体の中間でそれぞれ容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとが直列連結接続される。直列連結された主電極によって形成されるキャパシタンスCpと基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとの間から分岐されて共通端子Ccomが形成され、共通端子Ccomの縦断は、P1dスイッチとP2dスイッチとが並列連結される。
基準電極によって形成されるキャパシタンスCrが接続されるP1−P2スイッチ連結体のP1スイッチは、電源入力部230の出力端に連結され、P2スイッチは、グラウンド(ground)に連結される。主電極によって形成されるキャパシタンスCpが接続されるP1−P2スイッチ連結体のP1スイッチは、グラウンドに連結され、P2スイッチは、フィードバック部240の出力端に連結される。共通端子Ccomにそれぞれ並列連結されるP1dスイッチは、積分器220の反転入力端子に連結され、P2dスイッチは、グラウンドと連結される。
積分器220は、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとから放電される電流を入力されて、これを出力電圧Voutに出力する。また、積分器220は、エラーが0に接近するまで制御ループでエラー補正信号を積分する。
積分器220は、演算増幅器と、積分キャパシタCF及び抵抗Rとを含む。演算増幅器の非反転入力端子は、入力バイアス電流の補償のために抵抗Rを通じてグラウンドと連結される。入力バイアス電流による積分結果の誤差は、非反転端子とグラウンドとの間に抵抗Rを連結して、2つの入力端子と接地との間の抵抗を均等にさせることで減少させることができる。
一方、演算増幅器の反転入力端子は、P1dスイッチが連結されて容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとから放電される電流を共通端子Ccomを通じて入力される。
一方、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間には、積分キャパシタCFが連結される。積分器220の積分誤差は、演算増幅器の開放直流利得に反比例する。演算増幅器を使う場合、入力オフセット電圧のみ補償すれば、十分な正確度が保証されうる。
電源入力部230は、キャパシタンスCpと、キャパシタンスCrとに一定の電源を供給する。例えば、バッファは、負荷の変化に関係なく出力電圧を一定に保持する必要がある場合に使われるバッファであり得る。
バッファは、入力端子を通じて入力される電圧をそのまま出力端子を通じて出力して、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとに一定の電源を供給する。
この際、電源入力部230に入力される入力電圧オフセットを調整するために、出力仕様オフセット調整素子300として2つの可変抵抗RLin1、RLin2を使うことができる。2つの可変抵抗RLin1、RLin2は、電源入力V+とグラウンドとの間に直列連結され、直列連結接続点から分岐されて電源入力部230の入力端子に接続される。一方、バッファの非反転入力端子は、フィードバック部240の出力端子と連結される。バッファの反転入力端子は、バッファの出力端子と連結される。
抵抗RLin1、RLin2及びフィードバック部240の出力によってバッファに入力される入力電圧は、VLになり、バッファの出力電圧は、VLに保持されてスイッチ部210のスイッチング動作によって容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとに印加されることによって、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとが充電される。
後述する式7を参照すれば、電源入力部230に入力される電圧VLは、2つの可変抵抗RLin1、RLin2の抵抗値によって変わることが分かる。一方、式1と式4とを参照すれば、積分器220によって出力される出力電圧は、VLと関連があるということが見られる。
したがって、出力仕様オフセット調整素子300である2つの可変抵抗RLin1、RLin2の抵抗値を容量性圧力センサー出荷時に設定部400を通じて設定することによって、入力電圧オフセットを調整し、これにより、容量性圧力センサーの出力電圧も調整することができるので、容量性圧力センサーの出力仕様を調整させうる。
図5Aは、本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置のオフセット調整前後の圧力変化による出力仕様グラフを例示した図面であり、図5Bは、本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置のオフセット調整前後の圧力変化による出力仕様模擬実験の結果を例示した図面である。
図5Bの模擬実験の結果のように最低圧力である時、出力仕様が0.5Vになるように設計した場合、製作された容量性圧力センサーの出力電圧が0.45V(オフセット調整前電圧)で出力仕様に合わない場合、設定部400を通じて出力仕様オフセット調整素子300の抵抗値を設定して、図5Aのように、出力仕様が0.5Vになるように調整する。
フィードバック部240は、積分器220によって出力される出力電圧を増幅器を通じて増幅して、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCr及び電源入力部230とにフィードバックさせる。
積分器220によって出力され、増幅器によって増幅された電圧は、スイッチ部210のスイッチング動作によって容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとに印加される。また、増幅器は、積分器220によって出力されてフィードバックされる出力電圧を電源入力部230の入力端子に印加する。
この際、増幅器の利得を調整するために、出力仕様利得調整素子320に可変抵抗ROFを温度による出力仕様を調整するための出力仕様温度補償素子330として可変抵抗ROIを使うことができる。増幅器の反転入力端子は、可変抵抗ROIを通じて積分器220の出力端子と連結される。電源入力V+とグラウンドとの間に直列連結された抵抗Rof1とRof2の間から分岐されて増幅器の非反転入力端子に連結される。増幅器の反転入力端子と出力端子との間には、可変抵抗ROFが連結される。
利得は、入力電圧に比べて出力電圧がどれほど増幅されたかを表わし、後述する式1を参照すれば、利得(入力電圧Vout対出力電圧Vbdge比)は、可変抵抗ROIの抵抗値対可変抵抗ROFの抵抗値比(ROI/ROF)で表すことができる。
したがって、可変抵抗ROFの抵抗値を容量性圧力センサー出荷時に設定部400を通じて設定することによって、利得を調整し、これにより、容量性圧力センサーの出力電圧も調整することができるので、容量性圧力センサーの出力仕様を調整させうる。
一方、温度補償回路600を通じて出力仕様温度補償素子330である可変抵抗ROIの値をトリミング(trimming)することによって、温度による出力電圧の変化を補償(Compensation)することができる。
一方、非線形性(non−linearity)の調整のために、出力仕様非線形調整素子310が、フィードバック部240の出力端子と電源入力部230の入力端子との間に連結される。例えば、フィードバック部240の出力端子との間で容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと基準電極によって形成されるキャパシタンスCrと連結される可変抵抗RLinFを出力仕様非線形調整素子310として使うことができる。
容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと基準電極によって形成されるキャパシタンスCrが、圧力測定のために出力制御回路200に連結される時、圧力に比べて、Cr/Cp値は非線形である。Cr/Cpによる非線形性は、後述する式8の(1−Cr/Cp)/RLinFに関連する。したがって、可変抵抗RLinFの抵抗値を容量性圧力センサー出荷時に設定部400を通じて設定することによって、容量性圧力センサーの非線形性(non−linearity)を改善することができる。
図4を参照して、図3Aに示した容量性圧力センサーの出力制御回路200の動作を具体的に説明する。図4は、容量性圧力センサーの出力制御回路の制御のためのスイッチングタイミング図である。
図4に示したように、6つのスイッチ(2つのP1スイッチ、2つのP2スイッチ、1つのP1dスイッチ、1つのP2dスイッチ)は、互いに重畳されない位相1と位相2とでターンオン(turn−on)及びターンオフ(turn−off)になる。
2つのP1スイッチは、位相1開始で、同時にターンオンになり、位相2で、同時にオフ状態を保持し、P1dスイッチは、P1スイッチがターンオンになった後、所定の時間遅延後、ターンオンになる。
一方、2つのP2スイッチは、位相2の開始で、同時にターンオンになり、位相1で、同時にオフ状態を保持し、P2dスイッチは、P2スイッチがターンオンになった後、所定の時間遅延後、ターンオンになる。
6つのスイッチ制御のための2つの重畳されない位相制御信号は、発振駆動ゲーティング回路(図示せず)によって出力される。この2つの重畳されない位相制御信号によって、6つのスイッチがオンまたはオフ制御される。
出荷時に設定される設定値によって、フィードバック部240の増幅器は、3つの独立した可変調整機能を提供する。この3つの独立した可変調整機能は、線形性(linearity)、オフセット及び利得である。
積分器220の出力電圧Voutとフィードバック部240の増幅器による増幅電圧Vbdgeは、次の式による。
電源入力がV+である時、抵抗Rof1とRof2との間の電圧は、次の通りである。
位相1で、P1スイッチとP1dスイッチとがターンオンになり、P2スイッチとP2dスイッチとがターンオフになり、位相2では、P2スイッチとP2dスイッチとがターンオンになり、P1スイッチとP1dスイッチとがターンオフになる。
たとえ、P1dスイッチとP2dとが位相1または位相2で、それぞれターンオンになるが、2つのスイッチのオン状態は、P1スイッチまたはP2スイッチのオン時間に対して特定の時間間隙をおいて遅延される。
P2スイッチとP2dスイッチとがオンになる位相2の間に、主電極によって形成されるキャパシタンスCpは、P2スイッチを通じて増幅器240によって増幅されたVbdge電圧に充電され、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrは、さらに他のP2スイッチを通じてグラウンドに放電される。
主電極によって形成されるキャパシタンスCpと基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとの間から分岐される共通端子Ccomは、P2dスイッチを通じてグラウンドに放電される。主電極によって形成されるキャパシタンスCpには、電荷がVbdge×Cpほど充電される。基準電極によって形成されるキャパシタンスCrは、グラウンドポテンシャルで充電されない。その即時、共通端子Ccomに負電荷が−Vbdge×Cpほど蓄積される。
次いで、P2dスイッチオフ後、P2スイッチがオフになる。位相2と位相1との間の期間共通端子Ccomで電荷移動が発生しない。
次いで、位相1の開始時に、主電極によって形成されるキャパシタンスCp(位相2で、Vbdge電圧に充電された)が、P1スイッチを通じてグラウンドに放電され、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrが、さらに他のP1スイッチを通じて電源入力部230のバッファ出力電圧であるVL電圧に充電される。
位相1で、主電極によって形成されるキャパシタンスCpと基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとの間から分岐される共通端子Ccomは、積分器220の反転入力端子とP1dスイッチを通じて連結され、積分器220の非反転入力端子は、抵抗Rを通じてグラウンドに連結される。
位相1の間に、電荷は、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrにVL×Crほど蓄積される。その即時、負電荷が共通端子Ccomに−VL×Crほど蓄積される。−Vbdge×Cp=−VL×Crになれば、共通端子Ccomの負電荷は、2つの位相間に同じになって、積分器220への電荷供給/回収がない。これにより、積分器220の出力電圧Voutは、2つの位相動作の間に一定になる。この条件で、回路が平衡を成すと見なされる。
フィードバック部240の増幅器によって増幅されて出力される電圧Vbdgeは、位相1の間にCpに充電される電荷と、位相2の間にCrに充電される電荷とを数式化することによって求められうる。
これを移項すれば、
になり、VL×Cr/Cpは、容量性圧力センサーに印加される圧力に起因する容量の変化を表わす。
しかし、積分器220の出力端子での意図していないリップル(ripple)、主電極によって形成されるキャパシタンスCpと基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとの対の非線形特性及びシングルエンドパワー(single end power)供給動作で使いにくいなどの短所がある。
制御ループで、積分器220は、単にエラー積分器としてのみ動作せず、出力増幅器としても動作する。これにより、積分器220は、グラウンドポテンシャル(groundpotential)で共通端子Ccomを通じる入力が可能となる。不平衡状態で、Cr×VLは、Cp×Vbdgeと同じではない。エラー電荷は、連続する周期を通じて平衡を成すまで積分器220によって積分される。
容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと基準電極によって形成されるキャパシタンスCrが、圧力測定のために出力制御回路200に連結される時、圧力に比べて、Cr/Cp値は、非線形である。増加する圧力に比べて、減少するCr/Cp比率は、一定ではない。したがって、線形性調整がなければ、圧力に比べて、出力電圧がほとんどの場合、多様な圧力センサーの生産のために許容された公差(tolerance)を満足させることができない。
このような非線形性を改善するために、線形性調整のための出力仕様非線形調整素子310である可変抵抗RLinFが、フィードバック部240の増幅器出力端子と電源入力部230のバッファ入力端子との間に連結される。可変抵抗RLin1、RLin2、RLinF、フィードバック部240の増幅器によって増幅されて出力される電圧Vbdeg及び電源入力V+の項目で電源入力部230のバッファ出力電圧VLの式を導出することができる。
可変抵抗RLin1と可変抵抗RLin2との間の分岐点で電流の保存は、次の関係による。フィードバック部240の増幅器から電源入力部230のバッファまで、そして、電源入力V+から電源入力部230のバッファまで流れる電流量は、可変抵抗RLin1と可変抵抗RLin2との間の分岐点からグラウンドまで流れる電流と同じである。
この式を移項すれば、
になり、この式に、前記で求められた式を代入すれば、
になる。可変抵抗RLinFが連結されることによって、分母で(1−Cr/Cp)/RLinF項目が発生する。この項目が、Cr/Cpによる非線形性を調整する。
次に、リップルの減少動作を説明する。図4に示したように、2つの位相のスイッチ制御波形がある。
P1スイッチとP2スイッチとのスイッチング動作は、重畳されず、P1dスイッチは、P1スイッチオン区間にディレイされてターンオンになり、P2dスイッチは、P2スイッチオン区間にディレイされてターンオンになる。位相2のP2スイッチオン区間の開始で、電流は、フィードバック部240の増幅器から主電極によって形成されるキャパシタンスCpに充電され、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrからグラウンドに放電される。P2dスイッチオン状態は、電流過渡状態(不平衡状態)が安定状態(平衡状態)に到逹するまで遅延される。
P2dスイッチ及びP2スイッチがターンオフされて重畳されていない区間が経過した後、位相1で、P1スイッチがターンオンになる。P1スイッチオン区間の開始で、電流は、バッファ230から基準電極によって形成されるキャパシタンスCrに充電され、主電極によって形成されるキャパシタンスCpからグラウンドに放電される。P1dスイッチオン状態は、電流過渡状態(不平衡状態)が安定状態(平衡状態)に到逹するまで遅延される。
P1dスイッチがターンオンになる時、不平衡(エラー)電荷が積分器220に供給/回収される。このような不平衡条件は、エラーが0に到逹するまで続く。平衡状態に至れば、P2dスイッチまたはP1dスイッチがターンオンになる時、電流が流れない。
P1dスイッチ及びP2dスイッチが、それぞれ安定状態に到逹するまでターンオンが遅延されることによって、積分器220に注入されるエラーまたはリップルが防止または回避される。このようなP1dスイッチ及びP2dスイッチのターンオン遅延がなければ、測定の正確度がないだけではなく、出力電圧Voutとリップルがさらに大きくなる。
積分器220は、容量性圧力センサーで容量変化を検出するために仮想グラウンドを使う長所がある。積分器220から供給/回収される電荷は、仮想グラウンド端子である共通端子Ccomによってのみ供給/回収され、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrまたは主電極によって形成されるキャパシタンスCpの何れか1つに分岐される漂遊キャパシタンス(stray capacitance)は、積分器220の出力に影響を与えない。
積分器220の仮想グラウンド端子である共通端子Ccom動作は、正確にグラウンドポテンシャルでなされる。積分器220の+入力とグラウンドとの間に抵抗Rが連結されて、この抵抗によって2つの入力の間に発生するバイアス電流または漏れ電流を安定化し、また、積分器の+入力が直接グラウンドに連結されることを防止する。
容量性圧力センサーで温度の変化によって、出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320との特性が温度係数(temperature coefficient)によって変わって、出力制御回路200の出力仕様が変わる。これにより、温度による出力仕様オフセット調整素子300と、出力仕様非線形調整素子310と、出力仕様利得調整素子320との特性変化量を補償しければならない。
式9で、VOUT.BGRは、温度補償回路600の出力電圧である。VBEは、図6Aに示した本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の温度補償回路のPNPトランジスタ部610のトランジスタQ3のベース(Base)とエミッター(Emitter)との間の電圧である。VTは、式10で定義された熱電圧(Thermal Voltage)である。nは、図6Aに示した本発明による容量性圧力センサーの出力仕様調整装置の温度補償回路のPNPトランジスタ部610のトランジスタQ1とQ2との面積比である。式10で、kは、ボルツマン定数(Boltzmann Constant)である。Tは、絶対温度である。qは、電荷量である。
式10によって、VTは、温度によって0.085mV/℃ずつ変わるので、温度補償回路600の出力VOUT.BGRは、温度によって0.085×ln(n)mV/℃ずつ変わる。すなわち、温度補償回路600の出力VOUT.BGRは、温度の変化によって一定に変わるために、その変化量を通じて温度状態を感知することができる。
感知された温度によって、温度補償回路600を通じて図3Aに示した可変抵抗の形態で具現された出力仕様温度補償素子330であるROIの抵抗を、温度によってトリミングすることによって、温度の変化によって増減する増幅器の利得の大きさを調節して、出力制御回路200の出力を温度が変わっても、常に一定に保持させることができる。
図6Bは、温度による出力制御回路200の出力電圧補償前後を例示した図面である。図6Cは、温度補償回路600を用いて図3Aに示した可変抵抗の形態で具現された出力仕様温度補償素子330であるROIの抵抗を、温度によってトリミングして、温度による出力電圧の変化を補償して、常に一定の大きさの出力電圧を保持させた模擬実験の結果である。
したがって、このように具現することによって、本発明は、容量性圧力センサーの非線形性、オフセット、利得を調整することができて、容量性圧力センサーの出力を、顧客が要求する多様な出力仕様を満足させるように、ソフトウェア的な方法で簡便に調整することができるので、前記で提示した本発明の目的を果たすことができる。
本発明は、添付された図面によって参照される望ましい実施形態を中心に記述されたが、このような記載から後述する特許請求の範囲によって包括される範囲内で本発明の範疇を外れずに多様な変形が可能であるということは明白である。
本発明は、容量性圧力センサーの出力仕様調整装置関連の技術分野に適用可能である。
100 容量性圧力センサー
110 誘電体基板
120 電極パターン
121 主電極
122 基準電極
200 出力制御回路
210 スイッチ部
220 積分器
230 電源入力部
240 フィードバック部
300 出力仕様オフセット調整素子
310 出力仕様非線形調整素子
320 出力仕様利得調整素子
330 出力仕様温度補償素子
400 設定部
500 外部入力インターフェース
600 温度補償回路
110 誘電体基板
120 電極パターン
121 主電極
122 基準電極
200 出力制御回路
210 スイッチ部
220 積分器
230 電源入力部
240 フィードバック部
300 出力仕様オフセット調整素子
310 出力仕様非線形調整素子
320 出力仕様利得調整素子
330 出力仕様温度補償素子
400 設定部
500 外部入力インターフェース
600 温度補償回路
Claims (10)
- 容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとの静電容量の変化を出力電圧に変換して出力する出力制御回路と、
設定された電気特性値によって出力制御回路の出力仕様を調整する少なくとも1つの出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子と、出力仕様温度補償素子とを含む出力仕様調整素子と、
出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子との電気特性値を設定する設定部と、
出力仕様オフセット調整素子と、出力仕様非線形調整素子と、出力仕様利得調整素子との電気特性値の設定のための外部端末機を接続する外部入力インターフェースと、
出力仕様温度補償素子の電気特性値を設定する温度補償回路と、
を含んでなることを特徴とする容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。 - 出力制御回路は、
容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCrとの充電及び放電動作を制御するスイッチ部と、
キャパシタンスCpと、キャパシタンスCrとから放電される電流を入力されて、これを出力電圧に出力するが、エラーが0に接近するまで制御ループでエラー補正信号を積分する積分器と、
キャパシタンスCpと、キャパシタンスCrとに一定の電源を供給する電源入力部と、
積分器によって出力される出力電圧を増幅して、容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと、基準電極によって形成されるキャパシタンスCr及び電源入力部とにフィードバックさせるフィードバック部と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。 - 出力仕様オフセット調整素子は、
電源入力V+とグラウンドとの間に直列連結され、直列連結接続点から分岐されて電源入力部の入力端子に接続されて入力電圧オフセットを調整する2つの可変抵抗RLin1、RLin2を含むことを特徴とする請求項2に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。 - 設定部は、
2つの可変抵抗RLin1、RLin2の抵抗値を電気特性値として設定することを特徴とする請求項3に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。 - 出力仕様利得調整素子は、
積分器によって出力される出力電圧を増幅する増幅器の反転入力端子と増幅器の出力端子との間にそれぞれ連結されて増幅利得を調整する可変抵抗ROFを含むことを特徴とする請求項2に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。 - 設定部は、
可変抵抗ROFの抵抗値を電気特性値として設定することを特徴とする請求項5に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。 - 出力仕様温度補償素子は、
積分器によって出力される出力電圧を増幅する増幅器の反転入力端子と積分器の出力端子との間に連結されて温度による増幅器の出力電圧の変化を補償する可変抵抗ROIを含むことを特徴とする請求項2に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。 - 温度補償回路は、
可変抵抗ROIの抵抗値を電気特性値として設定することを特徴とする請求項7に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。 - 出力仕様非線形調整素子は、
フィードバック部の出力端子と電源入力部の入力端子との間に連結され、フィードバック部の出力端子との間で容量性圧力センサーの主電極によって形成されるキャパシタンスCpと基準電極によって形成されるキャパシタンスCrと連結されて容量性圧力センサーの非線形性を改善する可変抵抗RLinFを含むことを特徴とする請求項2に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。 - 設定部は、
可変抵抗RLinFの抵抗値を電気特性値として設定することを特徴とする請求項9に記載の容量性圧力センサーの出力仕様調整装置。
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US10263582B1 (en) * | 2017-02-24 | 2019-04-16 | Marvell International Ltd. | Variable gain amplifier with gain-based compensation |
WO2020061798A1 (en) * | 2018-09-26 | 2020-04-02 | Texas Instruments Incorporated | Method and sensor system with integrated calibration mechanism |
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0737198Y2 (ja) * | 1989-10-23 | 1995-08-23 | 横河電機株式会社 | 信号伝送器 |
JP4233142B2 (ja) * | 1997-04-16 | 2009-03-04 | センサータ テクノロジーズ インコーポレーテッド | 容量可変電圧変換器を有する可変コンデンサ・トランスデーサ及びセンサ・トランスデューサ |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4817022A (en) * | 1986-07-30 | 1989-03-28 | Barber-Colman Company | Method and apparatus for automatic offset compensation in parameter-sensing transducer systems |
US5135002A (en) * | 1989-08-29 | 1992-08-04 | Abbott Laboratories | Pressure transducer compensation system |
US5269311A (en) * | 1989-08-29 | 1993-12-14 | Abbott Laboratories | Method for compensating errors in a pressure transducer |
US5050423A (en) * | 1989-12-04 | 1991-09-24 | Motorola, Inc. | Multi-variable sensor calibration |
US5275035A (en) * | 1991-10-08 | 1994-01-04 | Vlsi Technology, Inc. | Autocalibrating trip controller with dual adjustable trip points |
US5241850A (en) * | 1991-11-01 | 1993-09-07 | Texas Instruments Incorporated | Sensor with programmable temperature compensation |
US5479096A (en) * | 1994-08-08 | 1995-12-26 | Lucas Industries, Inc. | Analog sensing system with digital temperature and measurement gain and offset correction |
US5902925A (en) * | 1996-07-01 | 1999-05-11 | Integrated Sensor Solutions | System and method for high accuracy calibration of a sensor for offset and sensitivity variation with temperature |
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JP2000065664A (ja) * | 1998-08-26 | 2000-03-03 | Hitachi Ltd | 静電容量式力学量センサ |
KR100453971B1 (ko) * | 2002-03-25 | 2004-10-20 | 전자부품연구원 | 적분형 용량-전압 변환장치 |
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0737198Y2 (ja) * | 1989-10-23 | 1995-08-23 | 横河電機株式会社 | 信号伝送器 |
JP4233142B2 (ja) * | 1997-04-16 | 2009-03-04 | センサータ テクノロジーズ インコーポレーテッド | 容量可変電圧変換器を有する可変コンデンサ・トランスデーサ及びセンサ・トランスデューサ |
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