JP3189987B2 - 容量型センサ - Google Patents
容量型センサInfo
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Description
同士を接合して形成した容量型センサに関する。
グ技術によりダイアフラムを形成し、そのダイアフラム
を圧力、加速度等の検出すべき物理量に応じて変位する
構造とし、そのダイアフラムと微小間隙を隔てた他の基
板との間でキャパシタを構成して、そのキャパシタの容
量を測定することで、物理量を測定するようにした容量
型センサが知られている。
C/fコンバータにより容量を周波数に変換し、その発
振出力をカウンタで測定することによって行われる。
容量型センサにおいては、キャパシタを構成するシリコ
ンとガラスの熱膨張率の違いにより接合部で歪みが発生
すること、C/fコンバータを構成するCMOS回路で
温度ドリフトが発生すること等の現象が発生する。この
ため、測定すべき物理量が変化しなくても、発振周波数
が温度に依存して変化し(ゼロ点温度特性)、また、一
定の検出すべき物理量の変化に対しても、発振周波数の
変化量が温度に依存して変化する(感度温度特性)こと
になり、温度変化による測定誤差が発生するという問題
がある。
波数発生回路内の定電流回路のMOSトランジスタの温
度特性により調整する方法が用いられていた。しかし、
これを最適値に合わしても、図11に出力電圧Vの温度
Tに対する変化量(ゼロ点移動度Δf/f)の特性図を
示したように、その特性を直線的にすることができなか
った。
されたものであり、その目的とするところは、容量型セ
ンサにおいて、温度変化に起因する測定誤差を減少させ
ることであり、より詳細には、ゼロ点温度特性か感度温
度特性の少なくとも一方の温度特性を補償することであ
る。
の発明の構成は、検出すべき物理量の変化によって変化
する容量を有する測定キャパシタと、前記測定キャパシ
タに接続され、その測定容量に逆比例した周波数のパル
ス信号を出力する測定周波数発生回路を有する容量型セ
ンサにおいて、前記測定キャパシタと同じ環境雰囲気中
に構成され、検出すべき物理量の変化によって変化しな
い基準容量を有する基準キャパシタと、該基準キャパシ
タに接続され、前記測定周波数発生回路と同様に構成さ
れ、その基準容量に逆比例し、前記測定周波数発生回路
から出力されるパルス信号の少なくとも2倍以上の周波
数のパルス信号を出力する基準周波数発生回路と、該基
準周波数発生回路の出力するパルス信号と前記測定周波
数発生回路の出力するパルス信号とを入力して前記測定
周波数発生回路の出力するパルス信号に基づく所定の周
期で前記基準周波数発生回路の出力するパルス信号幅に
比例した一つのパルス信号を出力する信号出力回路と、
該信号出力回路から出力されるパルス信号のデューティ
比に基づいて前記検出すべき物理量を算出する出力演算
回路とを備えたことを特徴とする。
ャパシタに接続された測定周波数発生回路により、その
物理量に比例した周波数のパルス信号が発生される。一
方、物理量によって容量が変化しない基準キャパシタに
接続された基準周波数発生回路により、基準キャパシタ
の容量に逆比例した周波数のパルス信号が発生される。
ここで、測定周波数発生回路の出力は、最適な入力電圧
により、出力のゼロ点温度特性が最小となるように調整
される。そして、この出力は信号出力回路に入力され
る。上記信号出力回路により測定周波数発生回路の出力
するパルス信号に基づく所定の周期で基準周波数発生回
路の出力するパルス信号幅に比例した一つのパルス信号
が出力される。このとき、測定周波数発生回路及び基準
周波数発生回路で発生される周波数の温度に対する変化
率が同じように変化するとする。すると、上記信号出力
回路から出力されたパルス信号のデューティ比では周波
数の温度に対する変化量がキャンセルされ、ゼロ点温度
特性を有しないことになる。そして、出力演算回路によ
り上記デューティ比に基づいて検出すべき物理量が算出
される。又、測定周波数発生回路にて、測定周波数の感
度温度特性が最小になるように調整し、基準周波数発生
回路にて、基準周波数のゼロ点温度特性が最小になるよ
うに調整すると、パルス信号のデューティ比は感度温度
特性を有しない。即ち、本発明の容量型センサでは信号
出力回路にてゼロ点温度補償、測定周波数発生回路にて
感度温度補償が行われ、その出力信号は少なくともゼロ
点か感度の何れか一方の温度特性が補償されたものとな
る。
明する。本実施例は、検出すべき物理量を圧力とした容
量型圧力センサに関する。図4は本発明に係る容量型圧
力センサ10を示した平面図であり、図5は図4のV−
V線に沿った縦断面図である。11は被測定圧力Pを受
ける感圧ダイアフラム部12を形成した上に電極13を
形成した単結晶シリコンから成る半導体基板であり、そ
の半導体基板11上には電極13の形成と同様に半導体
製造技術を用いて一体的に回路部14が形成されてい
る。電極13は半導体基板11を介して回路部14と接
続されている。
成る上部ガラス基板であり、電極13に対向する電極2
3が形成されている。又、30は穴部25を有する下部
ガラス基板である。図5に示されたように、半導体基板
11と上部ガラス基板21が接合されることにより、容
量型圧力センサ10の基準圧室15が形成されている。
電極13,23の平面方向に、その基準圧室15につな
がって、その電極13,23の周囲に補正室16が形成
されている。
両面において、電極13,23の周囲に補正電極17,
27が形成されている。電極13,23及び補正電極1
7,27は、接合された後においては、接続端子部24
等を介してそれぞれ回路部14と接続されている。
0においては、被測定圧力Pを感圧ダイアフラム部12
に受けるとその感圧ダイアフラム部12が撓むことによ
り、基準圧室15で対向している電極13と電極23と
の間隔が変化し、その測定キャパシタ(以下、測定容量
という)Cs が変化する。
電極17と補正電極27との間隔は、補正室16が剛体
の壁で構成されているので、感圧ダイアフラム部12が
被測定圧力Pを受けても撓むことがなく、その基準キャ
パシタ(以下、基準容量という)Cr は変化しない。こ
のように、測定容量Cs は電極13、電極23、基準圧
室15とで構成され、基準容量Cr は補正電極17,2
7、補正室16とで構成されている。
と補正室16とは同じ環境雰囲気中に存在する。従っ
て、基準容量Cr と測定容量Cs は、同一の温度、同一
の湿度、測定圧力によらない同一外乱、基準容量Cr と
測定容量Cs を満たす媒体の誘電率の同一の変化を、そ
れぞれ受けている。よって、基準容量Cr と測定容量C
s のオフセット値(測定圧が基準圧に等しい時の出力)
は等しくなる。又、そのオフセット値の温度特性も等し
くなる。
路の構成を図1に基づいて説明する。基準容量Cr が接
続された基準周波数発生回路(C/fコンバータ)40
の出力する発振周波数のパルス信号fr と測定容量Cs
が接続された測定周波数発生回路(C/fコンバータ)
50の出力する発振周波数のパルス信号fs とが信号出
力回路60に入力されている。この信号出力回路60の
パルス信号はLPF(ローパスフィルタ)70を介して
出力演算回路である差動増幅器80にて増幅され電圧V
OUT として出力される。
波数発生回路50とは同一構成であるため、測定周波数
発生回路50のみについて説明する。図6は測定周波数
発生回路50を示した回路図である。トランジスタT
r1,Tr4,Tr5はp型MOSトランジスタ、トランジス
タTr2,Tr3,Tr6,Tr7は、n型MOSトランジスタ
である。又、A1 はシュミットトリガ回路、A2,A3 は
インバータ回路であり、測定容量Cs は外部検出圧力の
変化によって静電容量が変化する。
7は、それぞれカレントミラー回路を構成し、入力電圧
Vg によりソース・ドレイン間を流れる電流が調整さ
れ、この入力電圧Vg は可変抵抗R1,R2 によって調整
される。ここで、p型MOSトランジスタとn型MOS
トランジスタのドレイン電流は等しくなるように設計さ
れている。トランジスタTr5とトランジスタTr6で構成
されるC−MOSFETは、測定容量Cs を充電又は放
電するための回路である。
源VDDから、測定容量Cs 、トランジスタTr6、トラン
ジスタTr7という経路で電流が流れて、測定容量Cs が
電源VDDで充電され、測定容量Cs の一端の電位Vs
は、充電電流の大きさと測定容量Cs の容量との比で決
定される傾きで減衰する。
は、測定容量Cs に充電された電荷はトランジスタT
r4、トランジスタTr5を介して放電され、電位Vs は、
放電電流の大きさと測定容量Cs の容量との比で決定さ
れる傾きで増加する。
s,電位Vout1の波形を図7に示す。図7における電位V
s(最大電位VU,最小電位VL)は、測定容量Cs の容量
と充放電電流の大きさとで決定される傾きで増減する。
従って、出力電位Vout1の発振周波数のパルス信号fs
は検出圧力に関しては、充放電電流の大きさが一定であ
るので、測定容量Cs の容量に逆比例することになる。
この測定容量Cs に基づくパルス信号fs が測定周波数
発生回路50から信号出力回路60に入力される。同様
に、基準容量Cr に基づくパルス信号fr が基準周波数
発生回路40から信号出力回路60に入力される。
係数は、図8に示す特性を有しており、ゲート電圧−し
きい値電圧の大きさによって、正負任意に変化させるこ
とができる。このため、入力電圧Vg により、測定容量
Cs の充放電電流の温度係数を適正に設定することで、
測定容量Cs の温度特性(ゼロ点温度特性、感度温度特
性)を補償することができる。このようにして、入力電
圧Vg を調整することにより、測定周波数発生回路50
の温度特性を調整することができる。
生回路50からのパルス信号fr,fs は3つのDフリッ
プフロップ(DFF−1,DFF−2,DFF−3)か
ら成る、図2に示したような、信号出力回路60に入力
されている。図3は図2の信号出力回路60におけるA
〜F点に対応した信号の遷移を示したタイミングチャー
トである。この図3のAの波形は基準周波数発生回路4
0からの出力波形を示しており、Bは測定周波数発生回
路50の出力波形である。又、CはDフリップフロップ
DFF−2の出力端子Qの出力波形、DはDフリップフ
ロップDFF−1の出力端子Qの出力波形、EはDフリ
ップフロップDFF−1の反転出力端子Qバーの出力波
形、FはDフリップフロップDFF−3の反転出力端子
Qバーの出力波形を示している。
路40と測定周波数発生回路50との波形を合成するも
ので、測定周波数発生回路50からの1回の信号出力中
において、基準周波数発生回路40からの信号の立ち上
がりであるタイミングt1 にて立ち上がり、次のタイミ
ングt2 にて立ち下がるようなパルス信号Dを得る。こ
こで、測定周波数発生回路50からの1回の信号出力中
において、基準周波数発生回路40からの信号の立ち上
がり、立ち下がりが発生するような周波数比、つまり測
定周波数発生回路50の周波数に対する基準周波数発生
回路40の周波数が2倍以上になるように設定し、この
設定は測定容量Cs と基準容量Cr の容量比を2対1に
する。又は、分周回路によって基準周波数を分周するこ
とで達成できる。
ューティ比D.R.は次式により表される。 D.R.=Tr(T)/Ts(T) =fs(T)/fr(T) ≒{fs+Δfs(T)}/{fr+Δfr(T)} =[{1+Δfs(T)/fs}/{1+Δfr(T)/fr}]・(fs/fr) ここで、測定容量Cs 及び基準容量Cr による発振周波
数の温度に対する変化量Δfs/fs及びΔfr/frが図
9(a),図9(b) にそれぞれ示したようであるとする。つ
まり、次式のようにゼロ点温度特性が同じであるとす
る。 Δfs(T)/fs=Δfr(T)/fr これは、図3における1/fr 及び1/fs の温度に対
する変化の比率が同じであることを意味している。従っ
て、 D.R.=fs/fr となり、デューティ比D.R.は温度特性を有しないこと
となる。そして、物理量の変化により1/fs が比例し
て変化するため上記デューティ比D.R.は図1に示した
出力電圧VOUT に比例したものとなる。この結果、出力
電圧VOUT の温度T(℃)に対するゼロ点変化量(%F.
S.)は図10に示したような特性図となり、ゼロ点温度
特性が極めてフラットな容量型圧力センサが構成でき
る。
が補償できることを示したが、入力電圧Vg を調整する
ことにより、信号出力回路60のパルス信号Dのデュー
ティ比D.R.の感度温度特性を補償できる。この場合の
調整方法としては、測定周波数発生回路50にて、測定
周波数fsの感度温度特性が最小になるように調整し、
基準周波数発生回路40にて、基準周波数のゼロ点温度
特性が最小になるように調整する。こうして調整された
デューティ比D.R.の出力信号はゼロ点温度特性が補償
されていない。しかしながら、変動圧測定のような交流
特性を求める用途では、ここでのゼロ点温度特性は無視
でき、感度温度特性のみ必要であり、上記調整方法が有
効となる。
を用いずMOS容量を基準容量Crとして基準周波数発
生回路40に入力してもゼロ点温度特性をある程度補償
できる。この場合には、MOS容量の形成が極めて小さ
い面積で済むので補正電極17,27を形成する面積分
が殆ど必要なくなり、より小型で安価な容量型センサが
構成可能となる。更に、本発明の容量型センサの応用例
としては、圧力センサの他に加速度センサなどが考えら
れる。
れ、測定周波数発生回路でゼロ点温度特性が調整され
る。そして、信号出力回路には測定容量と基準容量とに
基づくそれぞれの周波数のパルス信号が入力され測定周
波数発生回路の出力するパルス信号に基づく所定の周期
で基準周波数発生回路の出力するパルス信号幅に比例し
た一つのパルス信号が出力される。このパルス信号のデ
ューティ比に基づいて検出すべき物理量が算出される。
つまり、この信号を増幅した出力電圧は、基準周波数発
生回路を調整してその基準容量に基づく信号のゼロ点温
度特性の非直線性が改善された特性となり、温度変化に
起因する測定誤差が減少される。一方、測定周波数発生
回路にて、測定周波数の感度温度特性が最小になるよう
に調整し、基準周波数発生回路にて、基準周波数のゼロ
点温度特性が最小になるように調整すると、パルス信号
のデューティ比は感度温度特性を有しないこととなる。
これにより、ゼロ点温度特性或いは感度温度特性の何れ
かの特性が補償された容量型センサとなる。従って、直
流特性が要求される用途ではゼロ点温度特性を補償し、
交流特性が要求されるような変動圧測定の用途では感度
温度特性を補償することができる。
ンサの圧力検出回路の構成を示したブロックダイヤグラ
ムである。
路図である。
イミングチャートである。
る。
した回路図である。
めのタイミングチャートである。
依存性を示した特性図である。
図である。
被測定圧力を印加しないときの温度に対する出力電圧の
ゼロ点変化量を示した特性図である。
た特性図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 検出すべき物理量の変化によって変化す
る容量を有する測定キャパシタと、前記測定キャパシタ
に接続され、その測定容量に逆比例した周波数のパルス
信号を出力する測定周波数発生回路を有する容量型セン
サにおいて、 前記測定キャパシタと同じ環境雰囲気中に構成され、検
出すべき物理量の変化によって変化しない基準容量を有
する基準キャパシタと、 前記基準キャパシタに接続され、前記測定周波数発生回
路と同様に構成され、その基準容量に逆比例し、前記測
定周波数発生回路から出力されるパルス信号の少なくと
も2倍以上の周波数のパルス信号を出力する基準周波数
発生回路と、 前記基準周波数発生回路の出力するパルス信号と前記測
定周波数発生回路の出力するパルス信号とを入力して前
記測定周波数発生回路の出力するパルス信号に基づく所
定の周期で前記基準周波数発生回路の出力するパルス信
号幅に比例した一つのパルス信号を出力する信号出力回
路と、 前記信号出力回路から出力されるパルス信号のデューテ
ィ比に基づいて前記検出すべき物理量を算出する出力演
算回路とを備えたことを特徴とする容量型センサ。
Priority Applications (3)
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Cited By (3)
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JP2016526170A (ja) * | 2013-06-04 | 2016-09-01 | 株式会社村田製作所 | 改良された圧力センサー構造 |
US10035359B2 (en) | 2014-04-16 | 2018-07-31 | Mimaki Engineering Co., Ltd. | Inkjet printer and printing method |
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JP2009257916A (ja) * | 2008-04-16 | 2009-11-05 | Oki Semiconductor Co Ltd | 静電容量型圧力センサ及び静電容量の補償信号の提供方法 |
-
1992
- 1992-05-29 JP JP16374492A patent/JP3189987B2/ja not_active Expired - Fee Related
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CN102538949B (zh) * | 2011-12-13 | 2013-08-21 | 江苏大学 | 一种基于石墨烯片层的纳机电谐振式传感器及其制作方法 |
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JP2017122722A (ja) * | 2013-06-04 | 2017-07-13 | 株式会社村田製作所 | 改良された圧力センサー構造 |
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