静电电容检测电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种抑制噪声的静电电容检测电路。本发明的静电电容检测电路（30）检测物理量传感器的一对电极部间的静电电容变化，该物理量传感器具备根据物理量变化而产生静电电容变化的所述一对电极部，该静电电容检测电路（30）包括：载波信号生成电路（21），该载波信号生成电路（21）向所述一对电极部的一端提供载波信号；运算放大器（Q31），该运算放大器（Q31）的反相输入端子输入所述一对电极部的另一端；虚设电容（Cd），该虚设电容（Cd）与所述一对电极部并联连接；以及载波信号调整电路（31），该载波信号调整电路（31）使相对于所述虚设电容的来自载波信号生成电路的载波信号的相位反转，同时调整增益来抑制虚设电容。
【专利说明】静电电容检测电路
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及检测物理量传感器一对电极部间的静电电容变化的静电电容检测电路，其中，该物理量传感器具备根据物理量的变化而产生静电电容变化的所述一对电极部。
【背景技术】
[0002]在加速度传感器、陀螺仪、位移传感器、压力传感器等检测物理变化来作为静电电容变化的物理传感器中，在需要静电电容检测电路具有高分辨率的情况下、或在追求低成本、小型化而将MEMS (Micro Electro Mechanical System:微电子机械系统)传感器与静电电容检测电路进行组合的情况下，要求降低电路噪声。
[0003]作为这种静电电容检测电路，例如已知有以下静电电容检测电路，即:通过传感器驱动电路对静电电容型传感器元件施加驱动电压，利用连续时间型C-V转换电路将传感器元件的静电电容的变化转换为电压信号，通过同步检波电路从该转换得到的电压信号中检测出信号分量，并利用滤波电路对同步检波电路的输出信号进行滤波(例如，参照专利文献I)。
现有技术文献 专利文献
[0004]专利文献1:日本专利特开2011 - 107086号公报
【发明内容】
发明所要解决的技术问题
[0005]这里，在上述专利文献I所记载的现有例中，即使对于因物理量变化而产生的连续且微小的电容变化，也能以较高的精度得到作为模拟信号的检测输出。此时，从传感器驱动电路向检测用电容器(电容Cs)与参照用电容器(电容Cr)提供传感器驱动信号，但将传感器驱动信号反相后再提供给参照用电容器(电容Cr)。接着，将通过检测用电容器(电容Cs)的传感器驱动信号与通过参照用电容器(电容Cr)的传感器驱动信号相加，并将两者的差分提供给电荷放大器。
[0006]由此，就需要使参照用电容器的电容Cr与检测用电容器的电容Cs相匹配，从而存在以下问题，即无法减小参照用电容器的电容Cr来减少噪声增益。
于是，本发明是着眼于上述现有例的未解决的问题而完成的，其目的在于提供一种静电电容检测电路，该静电电容检测电路能减少噪声，从而能准确地检测出微小的静电电容。解决技术问题所采用的技术方案
[0007]为达到上述目的，本发明所涉及的静电电容检测电路的第一方式是检测出物理量传感器一对电极部间的静电电容变化的静电电容检测电路，该物理量传感器具备根据物理量变化而产生静电电容变化的所述一对电极部。该静电电容检测电路包括:载波信号生成电路，该载波信号生成电路向所述一对电极部的一端提供载波信号；以及运算放大器，该运算放大器的反相输入端子输入所述一对电极部的另一端。此外，静电电容检测电路具备虚设电容，该虚设电容与所述一对电极部并联连接；以及载波信号调整电路，该载波信号调整电路使相对于所述虚设电容的来自载波信号生成电路的载波信号的相位反转，同时调整增益来抑制虚设电容。
[0008]此外，本发明所涉及的静电检测电路包括解调电路，该解调电路连接至所述运算放大器的输出侧，并输入所述载波信号生成电路的载波信号；低通滤波器，该低通滤波器对该解调电路的解调输出进行滤波；以及A/D转换电路，该A/D转换电路将该低通滤波器的滤波输出转换为数字信号。接着，所述载波信号调整电路具有调整所述A/D转换电路的零点漂移的漂移调整部。
[0009]此外，在本发明所涉及的静电电容检测电路中，所述虚设电容形成在安装所述运算放大器的印刷布线基板上。
此外，在本发明所涉及的静电电容检测电路中，所述运算放大器的反相输入端子与所述一对电极部的一个端子、所述虚设电容器及载波信号调整电路的串联电路并联连接，非反相输入侧接地，从而形成虚短路。
发明效果
[0010]根据本发明，由于具备载波信号调整电路，该载波信号调整电路使相对于虚设电容的来自载波信号生成电路的载波信号的相位反转，同时调整增益来抑制虚设电容，因此可通过增大载波信号的放大率来减小虚设电容的电容，从而能够减小噪声增益、抑制噪声。
并且，在利用解调电路对运算放大器的输出进行解调，并通过低频滤波器对解调输出滤除噪声，而后进行A/D转换的情况下，所述载波信号调整电路能够对A/D转换电路的零点漂移进行调整，从而能提高A/D转换电路的信噪比。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是表示应用本发明而得到的加速度传感器的示意图，(a)为俯视图，(b)为(a)的A-A线上的剖视图。
图2是表示XY方向的静电电容检测电路的电路图。
图3是表示Z方向的静电电容检测电路的电路图。
图4是表示Z方向的静电电容检测电路的比较例的电路图。
图5是表示图3中的反相放大电路的变形例的电路图。
图6是表示虚设电容的调整电路的电路图。
【具体实施方式】
[0012]下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示应用本发明所涉及的静电电容检测电路而得到的加速度传感器的一个示例的示意图，图1 (a)是拆卸掉上部基板的状态的俯视图，图1 (b)是图1 (a)的A-A线上的剖视图。
图中，I为加速度传感器，该加速度传感器I形成在SOI (Silicon On Insulator:绝缘硅)基板2上。该SOI基板2由下层的硅支承层2a、形成在该硅支承层2a上的氧化硅层2b、以及形成在该氧化硅层2b上的活性硅层2c构成。
[0013]这里，在硅支承层2a及氧化硅层2b形成有后文中将要阐述的重锤7，该重锤7的外周部形成为方形框状，其中央部被干蚀刻成方形沟状。
在活性硅层2c上形成有:可动电极4，该可动电极4呈方形，形成在活性硅层2c的中央部，并利用弹簧材料3将其四个角支承在氧化硅层2b上；固定电极5Xa、5Xb，该固定电极5Xa、5Xb是一对X轴用固定电极，并被固定在氧化娃层2b上,与可动电极4的X方向的两条边相对；以及固定电极6Ya、6Yb,该固定电极6Ya、6Yb是一对Y轴用固定电极，并被固定在氧化硅层2b上，与可动电极4的Y方向的两条边相对。在可动电极4的下表面上形成有重锤7。
[0014]此外，SOI基板2的上下方向被玻璃基板8a及8b覆盖。在玻璃基板8a的相对于可动电极4的位置上形成有Z轴用固定电极9。在这些玻璃基板8a及8b上形成有通孔10，利用通孔10将X轴用固定电极5Xa、5Xb，Y轴用固定电极6Ya、6Yb、可动电极4及Z轴用固定电极9的信号取出至外部。
[0015]因此，在加速度传感器I的X方向，可动电极4与左右一对固定电极5Xa、5Xb之间的静电电容Cxa及Cxb具有以下关系:若其中一个增加，则另一个减少，从而构成左右对称的差动结构。同样地，在Y方向，可动电极4与前后一对固定电极6Ya、6Yb之间的静电电容Cya及Cyb具有以下关系:若其中一个增加，则另一个减少，从而构成前后对称的差动结构。
[0016]然而，在加速度传感器I的Z方向，由于可动电极4的下表面形成有重锤7的关系，因此，可动电极4仅与从上方与其相对的Z轴用固定电极9之间产生静电电容Cz，从而构成非对称的结构。
于是，若对加速度传感器I施加加速度，则根据其加速度的方向，支承重锤7的可动电极4向XYZ方向移动，与此相对应地，X方向的静电电容Cxa及Cxb，Y轴方向的静电电容Cya、Cyb，Z轴方向的静电电容Cz发生变化，可利用这些静电电容的变化来测定加速度。
[0017]然后，在具有X轴方向及Y轴方向那样的对称型差分结构的情况下，可利用图2所示的静电电容检测电路20来检测出静电电容。
即，将静电电容Cxa或Cya表示为静电可变电容Cs I，静电电容Cxb或Cyb表示为静电可变电容Cs2。
这些静电可变电容Csl及Cs2的一个电极与载波信号生成电路21相连接，并提供载波信号。这里所说的载波信号是指正弦波或矩形波这样的交流波形，其频率要高于所测定的加速度。为了从OHz或OHz附近这种较低的频率中检测出静电电容，就需要上述载波信号。
[0018]此外，在各静电可变电容Csl及Cs2的另一个电极与接地之间连接有彼此具有相等电容的电容器C2及C3，电容器C2与电阻R2并联连接。这里，设置电容器C2是用于对静电可变电容Cs I进行快速充电，连接电容器C3是用于保持电路的对称。通常，将电容器C2的电容与电容器C3的电容设定为相等的电容。
[0019]接着，静电可变电容Csl与电容器C2的连接点连接至差动放大器Q21的非反相输入端子，静电可变电容Cs2与电容器C3的连接点连接至差动放大器Q21的反相输入端子。此外，差动放大器Q21的输出端子经由电阻Rl和电容器C4的并联电路连接至非反相输入端子进行反馈。这里，电容器C4决定差动放大器Q21的增益Al，该增益Al可由:
Al=(Csl-Cs2)/C4......(I)
来表示。使用电阻Rl及R2是用于使差动放大器Q21的直流电位稳定。
[0020]该差动放大器Q21输出静电可变电容Csl及Cs2的差分。由此，当被施加到加速度传感器I上的加速度为“O”时，由于重锤_7的位移为O，因此Csl = Cs2，差动放大器Q21的输出为零。
当加速度不为“O”时，由于重锤J发生位移，因此静电可变电容Csl Φ Cs2，其差分从差动放大器Q21中输出。被施加到加速度传感器I上的加速度越大，静电可变电容的差就越大，差动放大器Q21的输出也就越大。
[0021]然后，差动放大器Q21的输出被提供给输入载波信号生成电路21的载波信号的解调电路22，使用该解调电路22对从差动放大器Q21得到的利用载波信号进行振幅调制后的输出信号进行解调。
从该解调电路22输出的解调信号经过低通滤波器23滤除噪声，而后由A/D转换电路24将其转换成数字信号，并作为加速度信号输出。
[0022]该图2的静电电容检测电路20可适用于具有X、Y轴方向那样的差动结构，从而得到静电可变电容Csl及Cs2的情况，但在Z轴方向的加速度的情况下，由于是非对称结构，因此应用图3所示的静电电容检测电路30来替代上述图2的静电电容检测电路20。
[0023]在该图3的静电电容检测电路30中，对应于图2的差动放大器Q21的运算放大器Q31的非反相输入端子接地，反相输入端子与加速度传感器I的可动电极4及Z轴用固定电极9间的静电可变电容Cs相连接。此外，并联于该静电可变电容Cs的载波信号调整电路31与虚设电容Cd的串联电路将虚设电容Cd作为运算放大器Q31的反相输入端子侧来进行连接。这里，虚设电容Cd不需要形成在加速度传感器I内，可配置在安装静电电容检测电路30的印刷布线基板上。
[0024]并且，将加速度 传感器I的可动电极4及Z轴用固定电极9间的静电可变电容Cs的另一端及载波信号调整电路31的输入侧连接至与图2的静电电容检测电路20相同的载波信号生成电路21。
这里，载波信号调整电路31具有运算放大器Q32，该运算放大器Q32的反相输入端子经由电阻R4连接至载波信号生成电路21，非反相输入端子接地，并且其输出侧经由电阻R3连接至反相输入端子，从而形成负反馈电路。
[0025]在该载波信号调整电路31中，在运算放大器Q32的非反相输入端子接地的同时，还进行负反馈，因此，运算放大器Q32的反相输入端子及非反相输入端子间的差动输入电压Vs变为Vs~0，从而产生虚短路。
即，若将施加在电阻R3上的电压设为Vin，运算放大器Q32的输出电压设为Vout，通过电路R4输入的输入电流设为Ir I，则该输入电流Irl为:
Irl ^ Vin/R4......(2)
[0026]由于电流不流入运算放大器Q32的输入端子，因此流过反馈电阻R3的电流Ir2为:
Ir2 = Irl ^ Vin/R4......(3)
由此，反馈电阻R3的端子间的电压Vr3为:
Vr3 = Ir2.R3 ^ (Vin/R4)R3......(4)
[0027]由此，运算放大器Q32的输出电压Vout为:
Vout ^ -Vr3 ^ -(R3/R4)Vin......(5)
因此，运算放大器Q32的增益A2为: A2=Vout/Vin=-R3/R4......(6)
运算放大器Q32即成为增益为A2的反相放大器。
[0028]其结果是，利用载波信号调整电路31对载波信号进行相位反转并放大，将该载波信号经过反相放大后的输出提供给虚设电容Cd。
由此，通过将从虚设电容Cd输出的载波信号与从静电可变电容Cs输出的载波信号相力口，得到差分电容(=Cs-Cd),该差分电容被输入到运算放大器Q31的反相输入端子。
[0029]此时，在向加速度传感器I的重锤7施加的Z方向的加速度为零时，对载波信号调整电路31的运算放大器Q32的增益A2进行调整，以使得从静电可变电容Cs输出的载波信号与从虚设电容Cd输出的载波信号彼此抵消而变为零。
因此，当施加在加速度传感器I的重锤7上的Z方向的加速度为零时，输入到运算放大器Q31的反相输入侧的输入信号电平为零，从A/D转换电路34输出的加速度信号也为零。
[0030]接着，若向加速度传感器I的重锤7施加向上的加速度，则静电可变电容Cs从Z方向加速度为零的状态开始增加。由此，输入运算放大器Q31的反相输入端子的输入信号电平向正方向增加，该运算放大器Q31的输出也就向负方向减少。该运算放大器Q31的输出通过解调电路32进行解调，并通过低通滤波器33滤除噪声，而后由A/D转换电路34转换为数字值，并作为Z方向加速度信号输出。
[0031 ] 相反地，若向加速度传感器I的重锤7施加向下的加速度，则静电可变电容Cs从Z方向加速度为零的状态开始减少。由此，输入运算放大器Q31的反相输入端子的输入信号电平向负方向减少，该运算放大器Q31的输出向正方向增加。该运算放大器Q31的输出通过解调电路32进行解调，并通过低通滤波器33滤除噪声，而后由A/D转换电路34转换为数字值，并作为Z方向加速度信号输出。
[0032]为了说明图3的本实施方式的特性，考虑采用图4所示的静电电容检测电路40来作为比较例，在该静电电容检测电路40中，将上述图2的静电电容检测电路20中的静电可变电容Cs2置换为具有相同电容的虚设电容C41。
在这种情况下，由于加速度传感器I的传感器梁的结构设计较为困难，因此通常梁的Z方向的弹簧常数与X、Y方向相比较大。这是由于对于从梁的上方观察到的宽度，可使其变窄，但对于从剖面观察到的厚度，为了确保重锤整体的强度，无法使其像所述宽度那样变薄。通常，与振动方向垂直的方向的梁的宽度与弹簧常数的一次方相关联，但与振动方向相同的方向的梁的厚度与弹簧常数的三次方相关联。因此，对于从剖面观察到的厚度方向的振动(即Z轴)，其弹簧常数与X、Y轴相比较大。
[0033]由此，Z轴的静电电容变化的比例与X、Y轴相比较小。此处，若将Z轴的加速度所产生的静电电容变化设为Δ Cs, X、Y轴的静电电容变化设为Δ Csl,则相对于同一个加速度，
ACs/Cs < ACsl/Csl............(7)
成立。
[0034]接着,考虑差动放大器Q21的运算放大电路的噪声增益。通常,若对差动放大器Q21的等效输入噪声估算噪声增益，则在图2的电路中，Gn2= (Csl+C2) /C4，在图4的电路中，Gn3=(Cs+C2)/C4。这里，在通常情况下，电容器C2的电容分别与Cs、Csl大致成正比，电容器C4的电容分别与ACs、ACsl成正比，因此: (Csl+C2) /C4 Csl/ACsl......(8)
(Cs+C2) /C4 Cs/Λ Cs......(9)
成立。因此，由式(7)可知(8) <(9)，从而与X、Y轴相比，Z轴的噪声增益较大，进而存在加速度的Z轴输出噪声较大的问题。
[0035]然而，在图3所示的本实施方式中，若将运算放大器Q32的增益Α2的绝对值设为大于图4的Cs/C2，在能够使虚设电容Cd小于图4的电容C2。
即，虚设电容Cd可设定为:
Cd=Cs/A2......(10)
若设计为A2 < Cs/C2，则
Cd=Cs/A2 < Cs/(Cs/C2)=C2......(11)
成立。由此，本实施方式的Z轴噪声增益Gnl为:
Gnl=(Cs+Cd)/C4......(12)
其结果是，本实施方式中Z轴噪声增益Gnl要小于图4中所描述的用式(9)表示的噪声增益Gn3。此外，如果进一步增大运算放大器Q32的增益A2，也能将本实施方式中由上述式(12)表示的Z轴噪声增益设定为与上述式(8)所表示的X、Y轴噪声增益Gn2相等。
[0036]此外，根据本实施方式，也可适用于运算放大器Q31的线性输入范围较窄的情况。在采用上述图4的静电电容检测电路40的情况下，若将差动放大器Q21的线性输入范围设为Vi，载波信号生成电路21的输出振幅设为Vo，则需要满足:
VoXCs/(Cs+C2) < V1......(13)
由此，就需要增大电容C2。
[0037]差动放大器Q21的线性输入范围Vi越小，就需要进一步增大电容C2。于是，上述式(9)所表示的噪声增益Gn3变大，进而存在加速度的Z轴输出噪声变大的问题。
然而，若根据本实施方式，则由于运算放大器Q31的非反相输入端子接地，因此反相输入端子被虚短路，从而也接地。由此，可将运算放大器Q31的输入信号电平保持在线性动作范围Vi内。即使运算放大器Q31的线性动作范围较小，也能可靠地将上述输入信号电平保持在范围内。由此，无需增大如上述式(13)那样限制的虚设电容Cd (图4的C2相当于图3的虚设电容Cd)，噪声增益也不会变大。
[0038]因此，在本实施方式中，能够将虚设电容Cd搭载于安装有静电电容检测电路30的印刷布线基板，而不需要将其形成在加速度传感器I内，从而能够使加速度传感器I的结构小型化。
此外，在载波信号调整电路31中，通过将非反相输入端子接地，并且形成负反馈电路，使得运算放大器Q32具有虚短路结构，因此运算放大器Q32可作为增益为A2=R3/R4的反相放大器，通过调整该增益A2，能够将虚设电容Cd设定为较小的值。由此，能够减小Z轴方向的噪声增益Gnl，从而进行高精度的静电电容检测。
[0039]并且，通过将非反相输入端子接地，并形成负反馈电路，使得运算放大器Q31也具有虚短路结构，通过使该运算放大器Q31的反相输入端子接地，即使在线性输入范围Vi较窄的情况下，也能将运算放大器Ql的输入信号电平保持在线性动作范围内。由此，就无需为了将输入信号电平保持在线性输入范围Vi而增大虚设电容Cd，并能可靠地抑制因噪声增益变大而引起的加速度的Z输出噪声变大。[0040]另外，在上述实施方式中，对载波信号调整电路31中运算放大器Q32的增益A2取决于电阻R3及R4的情况进行了说明，但并不限于此。即，如图5所示，在运算放大器Q32的输出侧与接地之间插入可变电阻VR，该可变电阻VR的滑动端子与电阻R3相连接。由此，若将可变电阻VR的电阻值设为R5，则运算放大器Q32的增益A2为:A2= (R3+R5)/R4。由此，通过调整可变电阻VR的电阻值R5，可对增益A2进行任意的调整。因此，根据上述式(10)的关系可对虚设电容Cd与静电电容Cs之间的电容差进行微调。
[0041]并且，能够容易地将加速度为“O”时的运算放大器Q31的输出调整为零。由此，能够有效地利用连接至低通滤波器23的输出侧的A/D转换电路34的输入范围，从而能够改善A/D转换电路34的信噪比。
SP，若将A/D转换电路34的输入电压范围设为Vrange，A/D转换电路34的噪声设为Nadc，A/D转换电路34的零点漂移设为Zof，则A/D转换电路34的信噪比可表示为(Vrange-Zof ) /Nadc0
[0042]由此，通过调整载波信号调整电路31的增益来调整运算放大器Q31的输出，使得A/D转换电路34的零点漂移Zof较小，从而能够增大A/D转换电路34的信噪比。
此外，在图5中，对调整载波信号调整电路31的增益A2来微调虚设电容Cd与静电电容Cs之间的电容差的情况进行了说明，但并不限于此，如图6所示，通过与虚设电容Cd并联连接可变电容Cvr来调整虚设电容Cd与可变电容Cvr的组合电容，也可得到与上述图5相同的作用效果。
工业上的实用性
[0043]根据本发明， 能够提供一种静电电容检测电路，该静电电容检测电路能降低噪声，从而能准确地检测出微小的静电电容。
标号说明
[0044]I…加速度传感器、3…板弹簧材料、4…可动电极、5xa, 5xb*“X方向固定电极、6ya,6yb…Y方向固定电极、7…重锤、9…Z方向固定电极、20...静电电容检测电路、21...载波信号生成电路、Cs I, Cs2...静电可变电容、C2~C4…电容器、Rl, 1^..电阻、Q21…差动放大器、22...解调电路、23...低通滤波器、24...A/D转换电路、30...静电电容检测电路、31...载波信号调整电路、32...解调电路、33...低通滤波器、34...ΑΛ)转换电路、Q31、Q32…运算放大器、Cs...静电可变电容、CM…虚设电容、R3, R4…电阻、VR…可变电阻、Cvr…可变电容
【权利要求】
1.一种静电电容检测电路，该静电电容检测电路检测物理量传感器的一对电极部间的静电电容变化，所述物理量传感器具备静电电容根据物理量变化而产生变化的所述一对电极部，其特征在于，包括: 载波信号生成电路，该载波信号生成电路向所述一对电极部的一端提供载波信号； 运算放大器，该运算放大器的反相输入端子输入所述一对电极部的另一端； 虚设电容，该虚设电容与所述一对电极部并联连接；以及 载波信号调整电路，该载波信号调整电路使相对于所述虚设电容的来自载波信号生成电路的载波信号的相位反转，同时调整增益来抑制虚设电容。
2.如权利要求1所述的静电电容检测电路，其特征在于， 所述载波信号调整电路由反相放大器构成，该反相放大器的反相输入端子经由第一电阻连接至所述载波信号生成电路，非反相输入端子接地，输出侧经由第二电阻反馈至所述反相输入端子。
3.如权利要求1所述的静电电容检测电路，其特征在于， 包括:解调电路，该解调电路连接至所述运算放大器的输出侧，并输入所述载波信号生成电路的载波信号；低通滤波器，该低通滤波器对该解调电路的解调输出进行滤波；以及A/D转换电路，该A/D转换电路将该低通滤波器的滤波输出转换为数字信号。 所述载波信号调整电路具有调整所述A/D转换电路的零点漂移的漂移调整部。
4.如权利要求1至3的任一项所述的静电电容检测电路，其特征在于， 所述虚设电容形成在安装有所述运算放大器的印刷布线基板上。
5.如权利要求1至4的任一项所述的静电电容检测电路，其特征在于， 所述运算放大器的反相输入端子与所述一对电极部的一个端子、所述虚设电容及载波信号调整电路的串联电路并联连接，非反相输入侧接地，从而形成虚短路。
【文档编号】G01B7/00GK103842831SQ201280049176
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月12日 优先权日:2011年11月15日
【发明者】木代雅巳 申请人:富士电机株式会社