JP3189987B2 - 容量型センサ - Google Patents
容量型センサInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電極が形成された基板
同士を接合して形成した容量型センサに関する。
同士を接合して形成した容量型センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、シリコン基板にマイクロマシニン
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。
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。
【０００３】この容量型センサにおける容量の測定は、
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。
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
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。
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。
【０００５】上述の課題に対し、ゼロ点温度特性は、周
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。
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。
【０００６】本発明は、上記の課題を解決するために成
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。
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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
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。
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。
【０００８】
【作用】測定する物理量に応じて容量が変化する測定キ
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。
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。
【０００９】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
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。
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。
【００１０】２１は例えば、パイレックスガラス等から
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。
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。
【００１１】その補正室１６の微小ギャップの対向する
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。
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。
【００１２】このように構成された容量型圧力センサ１
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。
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。
【００１３】ところが、補正室１６で対向している補正
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。
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。
【００１４】基準圧室導入口２８を介して基準圧室１５
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。
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。
【００１５】次に、容量型圧力センサ１０の圧力検出回
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。
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。
【００１６】次に、基準周波数発生回路４０及び測定周
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。
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。
【００１７】トランジスタＴr1とＴr4及びＴr3とＴr
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。
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。
【００１８】トランジスタＴr6が導通状態の時には、電
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。
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。
【００１９】一方、トランジスタＴr5が導通状態の時に
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。
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。
【００２０】上記構成の回路において、電位Ｖx,電位Ｖ
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。
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。
【００２１】一方、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流の温度
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。
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。
【００２２】基準周波数発生回路４０及び測定周波数発
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。
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。
【００２３】この信号出力回路６０は基準周波数発生回
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。
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。
【００２４】この信号出力回路６０のパルス信号Ｄのデ
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。
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。
【００２５】上述の実施例においては、ゼロ点温度特性
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。
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。
【００２６】上述の実施例のように補正電極１７，２７
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。
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。
【００２７】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成さ
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。
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。
【図１】本発明の具体的な一実施例に係る容量型圧力セ
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。
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。
【図２】同実施例に係る信号出力回路の構成を示した回
路図である。
路図である。
【図３】図２の信号出力回路の動作を説明するためのタ
イミングチャートである。
イミングチャートである。
【図４】容量型圧力センサの構成を示した平面図であ
る。
る。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。
【図６】同実施例に係る測定周波数発生回路の構成を示
した回路図である。
した回路図である。
【図７】図６の測定周波数発生回路の動作を説明するた
めのタイミングチャートである。
めのタイミングチャートである。
【図８】ＭＯＳＦＥＴのドレイン電流の温度係数の電圧
依存性を示した特性図である。
依存性を示した特性図である。
【図９】発振周波数の温度に対する変化量を示した特性
図である。
図である。
【図１０】本実施例に係る容量型圧力センサにおいて、
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。
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。
【図１１】従来の出力電圧の温度に対する変化量を示し
た特性図である。
た特性図である。
【符号の説明】 １０…容量型圧力センサ １１…半導体基板 １２…感圧ダイアフラム部 １３，２３…電極 １５…基準圧室 １６…補正室 １７，２７…補正電極 ２１…上部ガラス基板 ２５…穴部 ３０…下部ガラス基板 ４０…基準周波数発生回路 ５０…測定周波数発生回路 ６０…信号出力回路 ８０…差動増幅器（出力演算回路） Ｃr…基準容量 Ｃs…測定容量 Ｔr1〜Ｔr7…トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桑原 史郎 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田 工機株式会社内 (72)発明者 田畑 修 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 杉山 進 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 平４−372817（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−12931（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−130014（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 9/12 G01L 19/04 G01D 3/04 G01L 27/26 G01P 15/125
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)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16374492A JP3189987B2 (ja) | 1992-05-29 | 1992-05-29 | 容量型センサ |
| US07/903,096 US5291534A (en) | 1991-06-22 | 1992-06-19 | Capacitive sensing device |
| EP92110474A EP0520352A2 (en) | 1991-06-22 | 1992-06-22 | Capacitive sensing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16374492A JP3189987B2 (ja) | 1992-05-29 | 1992-05-29 | 容量型センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05332867A JPH05332867A (ja) | 1993-12-17 |
| JP3189987B2 true JP3189987B2 (ja) | 2001-07-16 |
Family
ID=15779861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16374492A Expired - Fee Related JP3189987B2 (ja) | 1991-06-22 | 1992-05-29 | 容量型センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3189987B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102538949A (zh) * | 2011-12-13 | 2012-07-04 | 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 |
| 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 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07280683A (ja) * | 1994-04-07 | 1995-10-27 | Nitta Ind Corp | 圧力センサー |
| 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
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102538949A (zh) * | 2011-12-13 | 2012-07-04 | 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 |
| 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 |
| 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 |
| 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 |
| US10035359B2 (en) | 2014-04-16 | 2018-07-31 | Mimaki Engineering Co., Ltd. | Inkjet printer and printing method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05332867A (ja) | 1993-12-17 |
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