物理量传感器的制作方法

专利名称：物理量传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种物理量传感器，尤其涉及物理量传感器的输出电平转换电 路的构成。
背景技术：
现今使用了各个种类的物理量传感器。其中特别是关于振动陀螺仪所代表 的角速度传感器的传感器输出的补正，形成了多个提案。
在专利文献1所示的现有技术中，提出了用于使物理量传感器的检测灵敏 度相对于物理量传感器动作的电源电压的变化而成比例变化的方法。该方法例
如作为比例度量(ratiometric)而被公知。图14、图15是用于说明比例度量 的概略结构的图。在比例度量中，传感器110以及A/D转换器120接受共用 的电源电压Vref的供给。图15(a) ~ (d)与图15(d) ~ (f)表示关于仅 传感器IIO或者A/D转换器120的某一个与电源电压Vref对应的情况。
图15 (a) ~ (c)是仅传感器110与电源电压Vref对应的例子，传感器 110的输出(图15 (a))根据电源电压Vref的变动(这里为降低)而降低。 在将该传感器110的输出利用A/D转换器120进行信号输出时，A/D转换器 120没有对应电源电压Vref的变动，所以在A/D转换后的数字值中就会发生 差异(图15 (b)、 (c))。
另外，图15(d) ~ (f)是仅A/D转换器120与电源电压Vref对应的例 子，传感器110的输出(图15 (d))不依存电源电压Vref的变动。在将该传 感器110的输出利用A/D转换器120进行信号输出时，A/D转换器120对应 于电源电压Vref的变动，所以在A/D转换后的数字值中就会发生差异(图15 (e)、 (f))。
与此相对，图15 (g) ~ (i)是传感器110以及A/D转换器120都对应 于电源电压Vref的例子，传感器110的输出(图15 (d))根据电源电压Vref 的变动(这里为降低)而降低。在将该传感器110的输出利用A/D转换器120
进行信号输出时，A/D转换器120也对应于电源电压Vref的变动，所以在A/D 转换后的数字值中就不会发生差异(图15 (h)、 (i))。
在图16所示的现有物理量传感器中，成为进一步利用放大电路6来对由 检波电路2进行了检波的传感器元件1的输出信号进行放大输出的结构。
作为放大电路6使用了将MOS元件7作为输入电阻、将电阻元件8作为 反馈电阻的运算放大器4的反相放大电路。利用与物理量传感器的电源电压对 应变化的电压来偏置该MOS元件7的4册极电压，因此可调整物理量传感器的 检测灵敏度，尤其是物理量传感器的检测灵敏度相对于电源电压的变化会成比 例地变化。
专利文献l:特开2004-53396号公报(第4~ 6页，图l)

发明内容
可是，已知在MOS元件7的电阻成分中一般来说有非线性，仅在输入电 压极小的情况下作为线性电阻元件进行动作。因此，在向该放大电路6的输入 信号的振幅大的情况下、即在来自传感器元件1的输出信号大的信号范围、和 来自传感器元件1的输出信号小的信号范围内，放大电路6的放大率不同，不 能得到物理量传感器的检测灵敏度的线性(直线性)，所以其结果存在比例度 量特性不佳的问题。
另外，根据传感器元件的特性或对物理量传感器所要求的输出特性，在电
在使用了上述MOS元件7的放大电路中因为放大率依存于MOS元件的特性， 所以不能得到希望的灵敏度特性。
本发明以改善上述的问题点，来取得物理量传感器的检测灵敏度良好的比 例度量特性为目的。
另外，以提供与现有技术相比，具有高线性度，且检测灵敏度为高精度的 物理量传感器为目的。
另外，还以在物理量传感器中取得希望的特性的检测灵敏度为目的。
本发明的物理量传感器，根据电源电压生成脉冲调制信号，利用该脉冲调 制信号使放大电路的放大率可变，通过使用脉冲调制信号能够具有高线性度并 可得到高精度的检测灵敏度。另外，可通过使用脉冲调制信号可得到希望的特
6
性的检测灵敏度。
脉冲调制可以做成对脉冲宽度进行调制的脉冲调制、或者对脉沖周期进行 调制的脉冲周期调制。脉冲宽度调制还可以用输出脉沖的时间宽度和不输出脉 冲的时间宽度的比率的占空比来表示。
决定脉冲调制的调制量的脉冲宽度或者脉冲周期和电源电压的关系可以 任意规定，所以电源电压与利用放大电路取得的输出信号之间的关系，在该脉 冲调制中可根据调制关系，不限于直线性关系而以规定的函数关系进行任意规 定。
另外，放大电路具有可利用开关的开闭控制来改变放大率的结构，通过脉 冲调制信号进行该开关的开闭控制，由此可利用脉冲调制来改变放大率。
因此，电源电压和用放大电路取得的输出信号之间的关系，根据在该脉冲 调制中调制关系可进行任意规定，除了直线性良好地设定电源电压和灵敏度特 性间的关系之外，还可以设定为规定的关系。
本发明的物理量传感器具备传感器电路，其将从外部施加的物理量转换 为电信号，输出检测信号；以及调整电路，其将来自该传感器电路的检测信号 调整为规定的信号。
此外本发明的调整电路具有脉冲生成电路，其根据驱动该调整电路的电 源电压来生成脉沖调制信号；以及放大电路，其利用脉冲调制信号使放大率可 变来放大来自传感器电路的检测信号，并根据电源电压使由放大电路输出的输 出信号的检测灵敏度可变。另夕卜，相对于电源电压的脉冲宽度或脉沖频率可不 限于线性函数而可以规定的函数来决定。在将规定的函数设为线性函数时，脉 冲生成电路生成与电源电压成比例的脉冲宽度或者脉冲频率的脉冲调制信号。
脉冲生成电路，根据基于电源电压的脉冲调制来调制为用规定的函数决定 的脉冲宽度或者脉冲频率，生成脉沖调制信号。因为脉沖调制不依存于要放大 的检测信号的振幅就能够进行，所以除了能够以高线性度来取得高精度的检测 灵敏度之外，还可以取得希望的特性的检测灵敏度。
另夕卜，放大电路的一个结构可以由利用输入电阻电路和反馈电阻电路的电 阻值比来决定放大率的反相放大器构成。在该反相ii大器中，输入电阻电路和 反馈电阻电路的至少一方的电阻电路是通过脉冲调制信号使电阻值可变的可
变电阻电路，放大电路利用脉冲调制信号使可变电阻电路的电阻值可变，由此 使放大率可变。
该可变电阻电路可以由开关电容电路构成。开关电容电路以脉冲调制信号 来进行对电容器的开关切换，由此使等价电阻可变。
另夕卜，可变电阻电路由电阻和开关构成，通过以脉冲调制信号来断续该开 关，使等价电阻可变。
另夕卜，可变电阻电路隔着电容器连接2个开关，利用该2个开关的切换对
电容器进行充放电，根据脉冲调制信号的脉沖宽度或占空比来进行开关的切 换，由此使等价电阻可变。
另夕卜，其它结构的放大电路，可以做成隔着开关连接2个电压-电流转换 电路的增益调整电路。该增益调整电路，利用脉沖调制信号来开闭开关。根据 脉冲调制信号来改变开关的开闭状态，由此使增益调整电路的传递函数变化。 因为增益调整电路的放大率依存于增益调整电路的传递函数，所以通过利用脉 冲调制信号使传递函数可变来使放大率可变。
生成脉冲调制信号的脉沖生成电路，例如可构成为将振幅恒定的三角波与 规定的阈值进行比较并在大于或者小于该阈值的期间内生成脉沖的电路，作为 该阈值可使用电源电压。
另外，本发明的物理量传感器，为了实现上述目的可采用以下这样的构造。
本发明的物理量传感器，具备传感器元件，其将从外部施加的物理量转 换为电信号；检波电路，其对该传感器元件的输出信号进行放大以及检波；以 及调整电路，其通过施加电源将来自检波电路的输出信号调整为规定的信号， 其中，所述调整电路具有放大电路，其具备通过切换电容器的连接状态来进 行电荷移动的开关电容电路；以及产生时钟信号的时钟生成电路。根据电源电 压来控制时钟生成电路，利用在该时钟生成电路中生成的时钟信号，使从放大 器输出的输出信号的检测灵敏度根据电源电压可变。
通过此结构，能够将来自调整电路所具备的放大电路的输出做成线性度特 性高的传感器输出，所以其结果是可实现传感器检测灵敏度为高精度的物理量 传感器。
另外，调整电路具有发生时钟信号的时钟生成电路，开关电容电路通过时 钟信号切换电容器的连接状态。通过该结构，将生成用于进行开关电容电路切 换的时钟信号的时钟生成电路设计为专用，能够高精度地驱动开关电容电路。 这里，时钟信号是具有规定的脉冲宽度及规定的占空比、或者规定的脉冲频率 的周期信号，在本发明的物理量传感器中使该脉冲宽度、占空比或者频率根据 电源电压可变。
另夕卜，根据电源电压控制时钟生成电路。利用在时钟生成电i 各中生成的时 钟信号来控制放大电路，由此使从放大电路输出的输出信号与电源电压成比 例。通过此结构，可实现物理量传感器的检测灵敏度与电源电压成比例的所谓 比例度量特性。
另夕卜，时钟生成电路做成为具有输出振荡信号的振荡电路、以及以规定的 分频比来调整该振荡电路的输出信号并输出的控制电路的结构。通过此结构， 可高精度地调整时钟信号的平均频率，由此可容易地调整由传感器元件的制造 误差所引起的物理量传感器的检测灵敏度误差。
另夕卜，时钟生成电路具有振荡电路。该振荡电路由输出信号的频率根据电 源的电压输入而变化的电压控制振荡电路构成。通过此结构，包含温度特性在 内、可容易且高精度地实现物理量传感器的检测灵敏度与电源电压成比例的所 谓比例度量输出。
另外，时钟生成电路具有具备电容器的振荡电路。该振荡电路的电容器与 设置在放大电路上的电容器结构相同。通过此结构，可使电容比恒定，所以能 够实现放大电路的放大率的高精度化。
另外，时钟生成电路具有具备电阻元件的振荡电路。振荡电路的电阻元件 可以做成与设置在放大电路上的电阻元件相同的结构。通过此结构可使电容比 恒定，所以能够实现放大电路的放大率的高精度化。
本发明的物理量传感器具备传感器元件，其将从外部施加的物理量转换 为电信号；检波电路，其对该传感器元件的输出信号进行放大以及检波；以及 调整电路，其通过施加电源将来自检波电路的输出信号调整为规定的信号。驱 动电路具有恒定电压电路，其输出成为传感器元件的驱动条件的基准的恒定电 压。另外，调整电路具有放大电路，其具备通过切换电容器的连接状态来进 行电荷移动的开关电容电路；以及产生时钟信号的时钟生成电路。根据电源电
压来控制时钟生成电路，利用在时钟生成电路中生成的时钟信号，使从放大电 路输出的输出信号的检测灵敏度根据电源电压可变。
通过此结构，驱动电路可不依存电源电压的变化稳定地驱动传感器元件， 此外，在将来自放大电路的输出作为线性度特性高的传感器输出的同时还可实 现与电源电压成比例的比例度量特性。其结果是可提供传感器检测灵敏度为高 精度的物理量传感器。本发明的物理量传感器是由将从外部施加的物理量转换 为电信号的传感器元件、对该传感器元件的输出信号进行放大以及检波的检波 单元、以及将该检波单元的输出信号调整为规定的信号的调整单元组成的物理
量传感器，特征是所述调整单元具有具备振荡电路的时钟生成单元、以及利 用所述时钟生成单元的时钟信号进行放大动作的放大单元，对所述检波单元的 输出进行电平转换后输出。
根据本发明，可以将来自调整电路所具备的放大电路的输出做成线性度特 性高的传感器输出，所以能够提供传感器检测灵敏度为高精度的物理量传感 器。


图1是表示本发明的物理量传感器的整体结构的框图。
图2是表示脉冲生成电路的脉沖调制信号的一例的图。
图3是用于说明电源的电源电压Vref和放大电路的输出之间的关系的图。
图4是表示本发明的物理量传感器的一实施方式的整体结构的框图。
图5是表示本发明的物理量传感器的其它实施方式的整体结构的框图。
图6是表示本发明的物理量传感器的放大电路的结构的电路图。
图7是表示本发明的物理量传感器的时钟生成电路的结构的电路图。
图8是表示本发明的物理量传感器的放大电路的其它结构的电路图。
图9是表示本发明的物理量传感器的放大电路的其它结构的电路图。
图10是表示2个开关机构的结构例的图。
图ll是表示放大率可变电路的概略结构的图。
图12是说明脉沖调制电路的结构例的结构图。
图13是说明脉冲调制电路的结构例的信号图。
图14是用于说明比例度量的概略结构的图。
图15是用于说明比例度量的概略结构的图。
图16是用于说明现有的物理量传感器的图。 符号说明
IO传感器元件；ll驱动部；12检测部；20检波电路；30脉沖生成电路； 30A时钟生成电路；30a三角波生成器；30b比较器；30c电阻器；40振荡电 路；41、 42、 43反相器；44振荡电容；45恒定电压电路；46偏置电压生成电 路；47基准电阻；48比较器；49电流控制元件；50控制电路；60、 60A、 60B 放大电路；60a放大率可变电路；61开关电容电路；61a开关；61b电容器； 62可变电阻器；62a开关；62b电阻；63传输门；63a开关；63b、 63cTOC; 63d电容器；64、 65、 66开关；67滤波电容器；68反馈电阻；69运算放大器； 70中点电压生成电路；80驱动电路；IOO调整电路；IIO传感器电路；120A/D 转换电路；200电源；Sl传感器元件输出；S2检波输出；S3时钟信号；S4振 荡输出；S5数字输入；S6传感器输出；Vdd电源电压；Vm中点电压；Vr偏 置电压；Vreg恒定电压；Vref电源电压；
具体实施例方式
以下使用图1 ~图3对本发明的物理量传感器及其周边结构进行说明。图 1是表示本发明的物理量传感器的整体结构的框图。
在图1中，物理量传感器1具有输出与物理量相应的信号的传感器电路 110、和对传感器电路110的输出信号进行放大等信号处理的调整电路100。 在该物理量传感器1上连接电源200和A/D转换器120。 A/D转换器120接收 利用调整电路100处理的模拟信号，转换为数字信号。传感器电路110、调整 电路100以及A/D转换器120，从电源200接收电源电压Vref的供给，A/D 转换器120根据电源电压Vref进行A/D转换。
调整电路100具有脉冲生成电路30和放大电路60，并由电源200来进行 驱动。放大电路60具有放大率可变电路60a。脉冲生成电路30根据电源电压 生成对脉冲宽度及脉冲频率进行了调制的脉冲调制信号。此外，脉冲宽度可利 用作为脉冲导通和关断的时间宽度的比率的占空比来决定。放大率可变电路 60a根据在脉冲生成电路30中生成的脉冲调制信号使放大电路60的放大率可
变。此外，在图1所示的实施方式中表示了利用同一电源驱动传感器电路110
和调整电路100的例子，但是本发明不限与此可分别通过各自电源进行驱动。
图2表示脉冲生成电路30产生的脉冲调制信号的一例。图2 (a)是根据 电源电压Vref的电压值来调制脉沖宽度的PWM (pulse width modulation)的 例子，设定与电源电压Vref的电压值对应的占空比(例如，Ton/T)。此外， 假设T = Ton + Toff。
另夕卜，图2(b)是根据电源电压Vref的电压值来调制脉冲频率的PFM( pulse frequency modulation)的例子，例如，根据电源电压Vref的电压值来设定在规 定周期间隔T之间发生的脉冲个数。
根据上述结构，根据电源电压Vref生成对脉沖宽度及脉沖频率进行了调 制的脉冲调制信号，根据已生成的脉沖调制信号使放大率可变，由此能够根据 电源电压Vref对传感器输出进行放大。这样，本发明的调整电路100进行与 电源电压Vref的变动对应的放大率的变更，由此对于传感器电路110的传感 器输出，可具有与电源电压成比例的比例度量特性。
此外，这里在调整电路100中的电源200的电源电压Vref与放大电^各60 的输出之间的关系，除了具有直线性之外还可以假定为任意的特性。该电源电 压Vref和输出之间的关系可以由脉沖生成电路30的脉沖调制特性来决定，可 以在ROM等存储介质中以转换函数或转换表的形态预先存储电源电压Vref 与脉冲宽度或脉冲频率间的相对关系。脉冲生成电路30，除了通过输入输入 到转换函数的电源电压Vref的值来取得之外，还可以使用转换表来取得与电 源电压Vref的值对应的脉冲调制信号。
图3 (a)是在电源的电源电压Vref和放大电路的输出之间具有直线性的 例子，在某输入电压Vin中，相对于电源的电源电压Vref的变动，放大电路 直线性地进行输出。图3(b)、 (c)是在电源的电源电压Vref和放大电路的输 出之间具有规定的函数关系的例子，在某输入电压Vin中，相对于电源的基准 电压Vref的变动，放大电路以规定的函数关系进行输出。
此外，因为该电源的电源电压Vref和放大电路的输出之间的关系还依赖 于放大电路60的特性，所以脉冲生成电路30,考虑到该放大电路60的特性， 设定规定的函数关系，以取得希望的特性。例如，在电源的电源电压Vref和
放大电路的输出之间具有直线性的情况下，在放大电路具有非直线性时，脉冲
生成电路30进行抵消该非直线性的脉冲调制。
接着，使用图4~图6对本发明的物理量传感器的一实施方式进行说明。 图4是表示本发明的物理量传感器的一实施方式的整体结构的框图。 [整体的结构说明图4]
首先，使用图4对本发明的物理量传感器的整体结构进行说明。此外，这 里在所述图1所示的结构图中表示了传感器电路110和调整电路100。
在图4中IO是传感器元件，具有驱动部11和;f企测部12。符号20是对来 自检测部11的传感器元件输出Sl进行放大以及检波的检波电路。另夕卜，驱动 部ll由驱动电路80进行驱动。这里，传感器电路110可以由这些传感器元件 10、检波电路20、驱动电路80构成，但是检波电路20及驱动电路80还可以 作成与传感器电路110不同的结构。例如，检波电路20可以作成组装入调整 电路100内的结构，另外驱动电路80可以与中点电压生成电路70等一起组装 入与电压相关的电^各结构中。
另外，符号100是调整电路，具有放大电路60和时钟生成电路30A。时 钟生成电路30A具有振荡电路40并构成图1所示的脉沖生成电路30。此外， 时钟生成单元60为放大单元，符号IOO为调整单元，符号80为用于驱动传感 器元件10的驱动部11的驱动电路，符号70为用于检波电路20或放大电路 60动作的电压源，例如，输出电源电压的1/2电压值。
此外，在图4中符号Sl为传感器元件的检测部12的输出，符号S2为检 波电路20的检波输出，符号S3为时钟生成电路30A的时钟信号，符号S4为 振荡电路40的振荡输出，符号S6为从物理量传感器输出的传感器输出。该物 理量传感器的电路部分，即检波电路20、调整电路100和驱动电路80利用从 外部施加的电压Vdd (例如5.0V)进行动作。Vdd为物理量传感器的电源电 压。
传感器元件10，例如可以假设为对旋转角速度进行;险测的陀螺仪振动器， 在该陀螺仪振动器的情况下，可以构成在形成为音叉形状的压电材料的表面配 置金属电极的结构。传感器元件10可通过驱动电路80进行振荡驱动，当该传
感器IO在振动中接收旋转角速度时，作为传感器元件输出Sl出现微弱的交流 信号。
在驱动电路80中使用具有固定传感器元件10的驱动条件的功能、例如振
荡控制为由不受电源电压的变动影响的高精度的恒定电流源(未图示)得到的
电流值、和传感器元件10的励f兹电流的实效值相等的功能的结构。或者，可 以构成为在驱动电路80中使用不受电源电压的变动影响而输出恒定电压的恒 定电压电路并以该恒定电压为基准来稳定传感器元件10的励磁电流这样的结 构。
检波电路20为对由传感器元件IO得到的传感器元件输出Sl进行检波以 及放大并输出直流化的信号的电路。从检波电路20输出检波输出S2。传感器 元件10以及一企波电路20的结构一般为/>知的结构，所以说明省略。
调整电路100为信号电平转换电路，其将由检波电路20进行了检波以及 放大后的检波输出S2，调整为规定的电平，即调整物理量传感器的检测灵敏 度，作为物理量传感器输出S6输出到外部。调整电路100由时钟生成电路30A 和放大电路60构成。此外，时钟生成电路30A是与图1中的脉冲生成电路30 对应的电路，其生成并输出与电源电路所施加的电压对应的时钟信号。放大电 路60，是在输入级具有所谓开关电容电路61 (图6)的放大电路，该开关电 容电路通过切换电容器的连接状态来进行电荷的移动。该开关电容电路61是 与图1中的放大率可变电路60a对应的电路，根据与脉沖调制信号相当的时钟 信号使放大率可变。
这里，时钟生成电路30A具有振荡电路40。该振荡电路40可以由输出频 率与施加电压(例如，电源电压Vref)成比例变化的形式的电压控制振荡电路 (VCO)构成。由此，从时钟生成电路30A输出具有与施加电压成比例的频 率的时钟信号S3。
另外，时钟生成电路30A除了振荡电路40之外还具有控制电路50,该时 钟生成电路30A可以对振荡电路40振荡后的振荡输出进行分频，使每单位时 间的输出脉冲数可变。图5表示结构例。图5所示的结构，除了时钟生成电路 30A具有振荡电路40和控制电路50并从外部对该控制电路50输入控制信号 (S5)以外，与图4所示的结构相同，所以关于其它的结构省略说明。
控制电路50是分频振荡电路S4并作为时钟信号S3输出的逻辑电路。控 制电路50的分频比可从预先准备的有理数比中利用数字输出S5来选择设定。 因为控制电路50利用可切换单位时间内的输出脉冲数的比率乘法电路能够容 易地实现，所以省略详细的说明。以下对振荡电路40以及放大电路60的结构 进行叙述。
中点电压生成电路70是输出对物理量传感器施加的电源电压的1/2电压 值的电压源。中点电压生成电路70供给用于检波电路20或放大电路60动作 的中点电压Vm。例如，在电源电压Vdd为5.0V的情况下，中点电压生成电 路70生成2.5V作为中点电压Vm输出。
接着，采用图6对放大电路60的结构例进行说明。图6所示的放大电路 60是作为放大率可变的电路结构具有开关电容电路的例子。放大电路60是具 有运算放大器69的反相放大电路的结构，在运算放大器69的输出端和输入端 (反相输入端子)之间并联连接反馈电阻68和滤波电容67,在运算放大器69 的相同输入端(反相输入端子)作为输入电阻连接开关电容电路61。这里， 开关电容电路61由具有2接点的开关61a和电容61b构成。
开关61 a可由MOS元件的传输门(transmission gate )构成。尤其构成为 开关61a的接点状态根据时钟信号S3进行切换。即，根据时钟信号S3切换电 容器61b的连接状态。此外，电容器61b或反馈电阻68也同样可用半导体工 艺进行制造，并构成在与开关61a相同的半导体芯片上。
电容器61b的一端与中点电压Vm连接，另 一端连接到开关61a的固定接 点。开关61a的一个接点是放大电路60的输入端子，连接检波输出S2。开关 61a的另一个接点与运算放大器69的反相输入端子连接。反馈电阻68以及滤 波电容器67都连接在运算放大器69的反相输入端子和输出端子之间。运算放 大器69的非反相输入端子与中点电压Vm连接。
开关电容电^各61由开关61a以及电容61b构成。在开关61a的接点向招r 波输出S2侧导通的状态下，电容器61b蓄积才全波输出S2的电压。接着，当 开关61a变成向运算放大器69侧导通的状态时，通过运算放大器69向反馈电 阻68以及滤波电容器67释放电容器61b内蓄积的电荷。200680019020.7
说明书第12/20页
这样，根据在时钟生成电路30A中生成的时钟信号S3，通过将开关61a 切换至检波输出S2侧和运算放大器69侧，来切换电容器61b的连接状态。在
生成电路30A设计为专用，由此能够高精度地驱动开关电容电路61。
通过开关61a高速地进行上述切换动作，开关电容电路61进行与电阻值 能以下式的Re、即Re=l/ (f .)表现的电阻元件等价的动作。此外这里，f 为开关61a的平均切换频率，Cs为电容器61b的容量。
因为开关电容电路61与电阻元件等价，所以放大电路60作为应用了反相 放大电路的1阶低通滤波器(不完全积分电路)进行动作。放大电路60的放 大率用反馈电阻和输入电阻的比来决定。因此，在上述结构中以开关电容电路 来构成输入电阻，通过时钟信号S3的频率来改变该开关电容电路的等价电阻， 由此可以使放大电路的放大率可变。因此通过根据电源电压来改变时钟信号的 频率，可以根据电源电压使放大电路的放大率可变。
此外，使用了开关电容电路61的放大电路60，通过在电容器61b中使用 没有电容量的电压依存性的电容器，可以取得高的线性度。为了在半导体芯片 上实现这样的特性的电容器，通过例如一般的2层多晶硅工艺可以构成使电极 多晶硅化的电容器61b。
另外，在上述的例子中表示了利用基于开关电容电路61的等价电路来构 成运算放大器69的输入电阻的例子，但是关于运算放大器69的反馈电阻38 也可以同样地利用基于开关电容电路的等价电路来构成。
放大电路60的放大率，如上所述利用反馈电阻和输入电阻的比来决定， 所以用开关电容电路来构成反馈电阻，并通过时钟信号S3的频率来改变该开 关电容电路的等价电阻，由此能够使放大电路的放大率可变。此外，关于此结 构没有图示。因此，通过根据电源电压来改变时钟信号的频率，就可以根据电 源电压使放大电路的放大率可变。
此外，除了用开关电容电路构成反馈电阻和输入电阻的某一个之外，还可 以利用开关电容电路构成两电阻。
接着，采用图7对作为电压控制振荡电路的例子的振荡电路40的结构进
行简单地说明。振荡电^各40由反相器41~43、振荡电容44、作为恒定电压源 的恒定电压电路45和偏置电压生成电路46构成。偏置电压生成电路46由基 准电阻47 、比较器48和电流控制元件49构成。
恒定电压电路45是通过物理量传感器的电源电压Vdd的施加来输出规定 的恒定电压(例如2.0V)的电压稳压器。反相器41 43是通过作为恒定电压 电路45的输出的恒定电压Vreg来进行动作的逻辑反相电路。做成将反相器 41-43向反相器43串联连接、再使反相器43的输出经由振荡电容44与反相 器41的输入端子连接的环状结构。反相器42将输入输出端子都向反相器41 的输入端子连接。
尤其，反相器42是输出特性可控制的反相器。即，反相器42是向输出端 子进出(吸收、供出)的电流值可控制的结构。通过偏置电压生成电路46输 入偏置电压Vr来进行反相器42的电流控制。反相器43的输出是振荡电路40 的振荡输出S4。详细内容如下所述，通过本结构，振荡输出S4的振荡频率根 据物理量传感器的电源电压Vdd而变化。
偏置电压生成电路46的结构为在物理量传感器的电源电压间(Vdd-接地之间)经由电流控制元件49连接基准电阻47，还连接为使基准电阻47 上的适当分压点的电压与中点电压Vm相等而控制电流控制元件49的比较器 48。比较器48的输出作为偏置电压Vr向反相器42的电流控制信号输入连接， 此外偏置电压Vr还与电流控制元件49的电流控制信号输入连接。
当物理量传感器的电源电压Vdd变化时中点电压也变化，所以电流控制 元件49利用比较器48来进行电流控制，在电流控制元件49中流过与电源电 压Vdd成比例的电流。该控制信息通过偏置电压Vr传递给反相器42,进出反 相器42的输出端子的的电流值Vr也被设定为与物理量传感器的电源电压Vdd 成比例的值。
因为反相器42所设定的电流值相当于振荡电容44的充放电电流，所以振 荡电路40通过振荡电容44的电容值和反相器42所设定的电流值来决定振荡 时间常数、即振荡频率。因此通过此结构，振荡电路40使振荡输出S4的频率 相对于向物理量传感器施加的电源电压值成比例，并作为电压控制振荡电路进 行动作。 用于发生振荡输出S4的时间常数，可以通过振荡电容44的电容值、和决 定振荡电容44的充放电电流值的基准电阻47的电阻值来表示，振动输出S4 的频率fo为
fo^f "1/ (R C)。
此外，R为基准电阻47的电阻值，C为振荡电容44的电容值，记号"表 示左边与右边成比例。
造，构成在同一半导体芯片上，以使电容比成为恒定。同样，关于基准电压 47也釆用与放大电路60的反馈电阻68相同的构造来构成为恒定的电阻比。 详细内容如后所述，由此可实现放大电路60的放大率的高精度化。
接着，对本发明的物理量传感器的动作进行说明。
当对物理量传感器施加电源电压Vdd时，驱动电路80将传感器元件10 的振动部11以规定的电流值开始交流驱动。驱动电路80的驱动电流不受电源 电压变动的影响所以振动部11成为始终稳定的振荡状态。
当在该状态下对物理量传感器施加旋转角速度时，在传感器元件输出Sl 出现具有与旋转角速度对应的振幅的交流信号。检波电路20对该传感器元件 输出Sl进行检波并转换为规定的直流信号。
时钟生成电路30A所具有的振荡电路40,如上所述以规定的频率fo进行 振荡。该振荡频率fo的振荡输出作为时钟信号输出。另外，控制电路50还可 以利用由数字输入S5指定的分频比对振荡输出S4进行分频，并将该分频后 的信号作为时钟信号S3输出。这里，为了简单化假定对振荡输出S4进行2 分频(频率为0.5倍)。
放大电路60根据时钟信号S3作为具有规定放大率的低通滤波器进行动 作，从传感器输出S6输出放大了检波输出S2的角速度信号。因为传感器元 件10的驱动条件始终为恒定，所以检波输出S2的信号不受电源电压Vdd的 影响，相对于某旋转角速度的施加，信号电平成为恒定。可是，如上所述，放 大电路60的放大率根据时钟信号S3的频率而变化。
时钟信号S3原本的信号为振荡电路40的振荡输出S4，振荡电路40如前 所述振荡频率相对于物理量传感器的电源电压成比例变化。因此，控制时钟生 成电路30A使时钟信号S3的频率与电源电压Vdd成比例，由此通过时钟信号 S3可以使从放大电^各60输出的传感器输出S6与电源电压Vdd成比例。
例如，当物理量传感器的电源电压增加时，通过上述结构，物理量传感器 的检测灵敏度与电源电压的变化成比例增加。结果，从放大电路60输出的传 感器输出S6的输出信号就增加。即，物理量传感器进行电平转换动作，以使 检测灵敏度成为比例度量特性。
作为例子，即使是对物理量传感器给予了相同的旋转角速度情况，在使电 源电压Vdd增加了 5%时，传感器输出S6增加5。/。信号电平。另外，在与上 述相反使物理量传感器的电源电压Vdd减少时，传感器输出S6的输出电平与 电源电压Vdd的减少量成比例降低。
此外，在上述的说明中控制电路50的分频比恒定为2分频，但是控制电 路50的分频比可通过数字输入S5进行选择。放大电路60的开关电容电路61 可根据平均的切换频率来改变放大率。
因此，可通过利用数字输入S5对分频比来选择适合的值，可调整由传感 器元件10的制造误差所引起的物理量传感器的检测灵敏度误差。控制电路50 是逻辑电路，分频比可极精密地进行设定，所以不需要用于微调整物理量传感 器中的检测灵敏度的高精度的模拟电路。
但是，在本发明的物理量传感器中，放大电路60的放大率利用振荡输出 S4的频率、电容器61b的电容值和反馈电阻68来决定，不过因为放大电路60 是使用了运算放大器69的反相放大电路，所以其直流放大率K可表示为
K =-反馈电阻值/输入电阻值 =- Rf/Re
^Rf/ ( 1/ (Cs fo))
^ (Rf/R) (Cs/C) 其中，Rf是反馈电阻68的电阻值，Re是开关电容电路61的等价电阻值。 另外，Cs是电容器61b的容量，fo是振荡输出S4的频率，R是基准电阻47 的电阻值，C是振荡电容44的电容值。
可知即放大电路60的放大率，依存于电容器61b的容量Cs和振荡电容 44的容量C的电容比(Cs/C)、以及反馈电阻68的电阻值Rf和基准电阻47 的电阻值R的电阻比(Rf/R)。众所周知，在半导体制造工艺中，即使是批次 间或芯片间有制造误差，但同一芯片内的相对误差也极小(不足1 % )。
在用于本发明的电容器或电阻元件中，使用尺寸不同但构成在同 一芯片上 的相同结构的阻容元件。因此，可以想见电容器61b的容量Cs和振荡电容
的相对误差极小。在上述所示的放大率的公式中，容量Cs和容量C以及电阻 值Rf和电阻值R，分别出现在分子以及分母中，其误差相互抵消，所以在本 发明的放大电路60中假设即使生成电容器或电阻的绝对值误差也可以高精度 地维持放大率的值。
例如，在由于制造误差而较高地形成了电阻元件的薄膜电阻芯片中，基准 电阻47的电阻值变高，因此振荡输出S4的频率变低。其结果是开关电容电路 61的等价电阻值变大，但因为反馈电阻68的电阻值也以与其相同的比例提高， 所以对这些放大电路60的影响会抵消，而放大电路60的放大率成为恒定的值。
显然，即使关于电阻元件的薄膜电阻降低的情况或存在电容器的薄膜电容 的制造误差的情况，放大电路60的放大率也为恒定。此外，其特性即使在产 生了由物理量传感器的周围温度变化而引起的电阻元件或电容器的值变化的 情况下也是相同的。
这样，在本发明中使用在同 一 芯片上构成了设置在振荡电路40上的振荡 电容44和设置在放大电路60上的开关电容电路61的电容器61b的同一构造 的结构、另外还使用在同一芯片上构成了设置在振荡电路40上的基准电阻47 和设置在放大电路60上的反馈电阻68的同一构造的结构，因此即使生成电容 器或电阻元件的绝对值误差，也能够高精度地维持放大率的值。
在现有技术的专利文献1的情况下，作为决定放大电路6的放大率的再一 个电路元件(电阻元件8),考虑使用可在半导体芯片上构成的多晶硅电阻或 外部电阻元件。
可是，产生了这样的问题，即因为这些元件与上述MOS元件7在电特性 上不相关，所以不光放大电路的放大率的绝对值误差大，而且放大电路6的放
大率也会因周围温度的变化而变大，但是如上所述，在本发明中可消除这样的 现有技术的问题。
此外，在上述振荡电路40中使用电压控制振荡电路，但是不限定于此。
在使物理量传感器的输出电平不相对于电源电压Vdd而变化时，可以在振荡 电路40中使用更简单的结构。例如，还可以使用一般的CR振荡电路，该CR 振荡电路可以通过不使用上述实施方式中的振荡电路40的反相器42、而在反 相器41的输入输出端子间连接电阻元件来构成。
在此情况下，振荡电路40的振荡频率不依据电源电压Vdd而为恒定，但 是通过将上述添加的电阻元件作成与基准电阻47相同的结构，可抵消给放大 电路60的放大率造成影响的半导体的制造误差及温度特性，可稳定放大电路 60的放大率。
以下，使用图8、图9对放大电路的其它结构例进行说明。
图8所示的放大电路的结构例是作为使用了上述运算放大器的反相放大
在图8中，作为构成反相放大电路60A的与运算放大器69的反相输入端子连 接的输入电阻，连接可变电阻器62。此外，在运算放大器69的输出端子和反 相输入端子之间，并联连接反馈电阻68和电容器67,从运算放大器69的输 出端子输出传感器输出S6。
可变电阻器62,由电阻62b和开关62a串if关连^妻电^ 各与电阻62c并耳关连 接的构成，并作为输入电阻与运算放大器69的反相输入端子连接。开关62a 由传输门(transmission gate)构成，通过来自脉沖生成电路30的脉冲调制信 号进行开闭控制。开关62a利用脉冲调制信号进行开闭控制，由此形成等价电 阻，该等价电阻值能够以脉沖调制信号的占空比的平均值来决定。
通过使该可变电阻器62的电阻值可变，可以与所述的结构例相同地使放 大电路的放大率可变，根据电源电压的变化来改变脉沖调制信号，由此可以将 传感器检测输出做成比例度量特性，或者得到高的线性度特性。
图9所示的放大电路的结构例是使用了电压-电流转换电路(OTA: operational transconductance amplifier)的附带滤波功能的增益调整电路，其通
过隔着开关连接2个电压-电流转换电路来构成。放大电路60B的增益调整 电路63由隔着开关63a以及电容器63b连接电压-电流转换电路63b和63c 而构成，通过来自脉冲生成电路30的脉冲调制信号对开关63a进行开闭控制。 将开闭控制后的ON/OFF的占空比设为d。电压-电流转换电路63b的正端子 输入检波输出S2，将正端子与负端子的电压差转换为乘以了转换系数gml后 的大小的电流。开关63a将该电流才艮据脉冲调制信号的脉冲频率或者占空比充 入电容器63d。电压-电流转换电路63b将蓄积在该电容器63d中的电压转换 为乘以了转换系数-gm2的大小的电流后输出。
该放大电路60B的传递函数用(gml/gm2 ) . ( 1/ ( 1 + s ( C/gm2 ))) . d来 表示。此外，在此，d通过开关63a导通关断的脉沖占空比来决定，所以根据 电源电压来改变来自脉冲生成电路30的脉沖调制信号，由此可以使放大电路 60B的放大率可变。此外，开关63a可以由传输门(transmission gate)来构成。
在上述的放大电路的各结构例中，由1个开关构成放大率可变电路，利用 来自生成电路30的脉冲调制信号来切换该开关，由此使放大率可变。该开关 结构不限于1个开关还可以由2个开关构成。图10 (a)是图6的61a所示的 1个开关机构的结构例。图10 (a)由2个传输门(transmission gate)构成开 关64。 2个传输门(transmission gate )通过由切换信号SW交互地导通、关断 来进行向电容器61b的充放电，并利用频率调整该信号切换，由此形成等价电 阻。
图10 (b)是1个开关机构的其它结构例。图10 (b)由2个光敏MOS 构成开关65。 2个光敏MOS65通过由切换信号SW交互地对发光二极管进行 发光控制来向电容器61b充放电，并利用频率调整该信号切换，由此形成等价 电阻。
另外，作为开关机构除了上述的传输门(transmission gate)或光敏MOS 之外还可以使用如图10 (c)所示的电磁继电器66。电磁继电器66通过利用 切换信号SW驱动电磁线圈来进行开关的导通关断控制。
图ll表示放大率可变电路不同的例子。图11 (a)表示1个开关机构的结 构，相当于所述图6所示的开关电容电路61的结构、以及图10 (a)、 (b)。
在该结构中利用1个开关机构经由电容器来在输入端子(in)和输出端子(out)
之间进行切换，并利用频率调整该切换，由此形成等价电阻。
与此相对，图11 (b)表示2个开关机构的结构。该结构在输入端子(in) 和输出端子(out)之间设置具有电容器的2个开关机构，并利用频率调整该2 个开关机构的切换，由此形成等价电阻。此外，图11 (b)只要设2个图10 (a)或者图10 (b)所示的开关机构就能够实现。
在脉冲生成电路30中使用图12、图13对使脉冲宽度(占空比)可变的 脉冲调制电路的结构例进行说明。在图12中，脉沖生成电路30具有三角波 生成器30a、比较器30b和电阻器30c。该电阻器30c分压输出电源电压，并 能够任意设定电阻值及其分压比。比较器30b将从三角波生成器30a发生的恒 定振幅值的三角波信号与用电阻器30c设定的电压值进行比较，生成脉冲信 号。因此，比较器30b对不根据电源电压而变化的恒定振幅值的三角波信号、 和根据电源电压变化的阈值电压进行比较。
图13 (a)是作出脉冲信号的一例，表示三角检波信号Va、和用电阻器 30c形成的阈值电压Vb、 Vc、 Vd。比较器30b对三角波信号Va和阈值电压 Vb、 Vc、 Vd进行比较，并根据大小形成脉沖信号。图13 (b)是通过三角波 信号Va与阔值电压Vb的比较而得出的脉冲信号，在阈值电压Vb是三角波信 号Va的振幅的1/2时，取得占空比为0.5的脉冲信号。图13 (c)是通过三角 波信号Va与阈值电压Vc的比较而得出的脉冲信号，在阈值电压Vc是比三角 波信号Va的振幅的1/2大时，得到的脉冲信号的占空比成为比O. 5小的值。 另外，图13 (d)是通过三角波信号Va与阔值电压Vd的比较而得出的脉冲信 号，在阈值电压Vd是比三角波信号Va的振幅的1/2小时，得到的脉冲信号的 占空比成为比0.5大的值。
因此，通过与电源电压联动来规定用电阻器30c形成的阈值电压，就可以 形成与电源电压对应的脉冲调制信号。
以上，对本发明实施方式的物理量传感器进行了说明。根据本发明，可同 时使其具有现有技术难以解决的传感器检测输出高的线性度特性和比例度量 特性。此外，还难以受到制造误差及温度变化的影响，由此可得到能够高精度
地调整检测灵敏度的物理量传感器。 产业上的可利用性
本发明可适用于以振动陀螺仪为代表的角速度传感器或磁传感器、加速度 传感器等宽广的种类的物理量传感器的输出信号电平调整。
权利要求
1.一种物理量传感器，具备传感器电路，其将从外部施加的物理量转换为电信号，输出检测信号；以及调整电路，其将来自所述传感器电路的检测信号调整为规定的信号，其特征在于，所述调整电路，具有脉冲生成电路，其根据驱动该调整电路的电源电压来生成脉冲调制信号；以及放大电路，其利用脉冲调制信号使放大率可变来放大来自传感器电路的检测信号，根据所述电源电压使由所述放大电路输出的输出信号的检测灵敏度可变。
2. 根据权利要求1所述的物理量传感器，其特征在于， 所述脉冲生成电路，根据电源电压来调制用规定函数确定的脉冲宽度或者脉冲频率，生成脉冲调制信号。
3. 才艮据权利要求2所述的物理量传感器，其特征在于， 所述规定函数是线性函数，所述脉沖生成电路生成与电源电压成比例的脉冲宽度或者脉冲频率的脉冲调制信号。
4. 根据权利要求1至3的任意一项所述的物理量传感器，其特征在于， 所述放大电路是由输入电阻电路和反馈电阻电路的电阻值比来决定放大率的反相放大器，所述输入电阻电路和反馈电阻电路的至少 一 方的电阻电路是通过脉沖调 制信号使电阻值可变的可变电阻电路，放大电路，通过利用脉冲调制信号使所述可变电阻电路的电阻值可变而使 放大率可变。
5. 根据权利要求4所述的物理量传感器，其特征在于， 所述可变电阻电路，由开关电容电路构成，通过以脉冲调制信号来进行对电容的开关切换而使等价电阻可变。
6. 根据权利要求4所述的物理量传感器，其特征在于， 所述可变电阻电路，由电阻和开关构成，通过以脉沖调制信号来断续所述 开关而使等价电阻可变。
7. 根据权利要求4所述的物理量传感器，其特征在于，所述可变电阻电路，隔着电容器连接2个开关，通过由该2个开关的切换 引起的电容器的充放电而使等价电阻可变。
8. 根据权利要求4所述的物理量传感器，其特征在于， 所述可变电阻电路，隔着电容器连接2个光敏晶体管，通过由该2个光敏晶体管的切换引起的电容器的充放电而使等价电阻可变。
9. 根据权利要求2或者3所述的物理量传感器，其特征在于， 所述放大电路是隔着开关连接2个电压-电流变换电路的增益调整电路， 所述增益调整电路，通过由脉沖调制信号引起的开关的开闭而使增益调整电路的传递函凄丈可变，并使;故大率可变。
10. 根据权利要求1至9的任意一项所述的物理量传感器，其特征在于， 所述脉冲生成电路是将振幅恒定的三角波与规定的阈值进行比较并在大于或者小于该阈值的期间内生成脉冲的电路，作为该阈值使用电源电压。
11. 一种物理量传感器，具备传感器元件，其将从外部施加的物理量转 换为电信号；检波电路，其对该传感器元件的输出信号进行放大以及检波；以 及调整电路，其通过施加电源将来自所述检波电路的输出信号调整为规定的信 号，其特征在于，所述调整电路具有放大电路，其具备通过切换电容器的连接状态来进行 电荷移动的开关电容电路；以及产生时钟信号的生成电路，根据所述电源电压来控制所述时钟生成电路，利用在所述时钟生成电路中 生成的所述时钟信号，使从所述放大器输出的输出信号的检测灵敏度根据所述 电源电压可变。
12. 根据权利要求11所述的物理量传感器，其特征在于， 所述输出信号的检测灵敏度与所述电源电压成比例。
13. 根据权利要求11所述的物理量传感器，其特征在于， 所述时钟生成电路具有输出振荡信号的振荡电路。
14. 根据权利要求13所述的物理量传感器，其特征在于， 具有控制电路，其以规定的分频比来调整所述振荡电路的输出信号并输出。
15. 根据权利要求12所述的物理量传感器，其特征在于， 所述时钟生成电路具有振荡电路，该振荡电路由输出信号的频率根据所述电源的电压输入而变化的电压控制振荡电路构成。
16. 根据权利要求11所述的物理量传感器，其特征在于， 所述时钟生成电路具有具备电容器的振荡电路，该振荡电路的所述电容器与设置在所述放大电路上的电容器结构相同。
17. 根据权利要求11所述的物理量传感器，其特征在于， 所述时钟生成电路具有具备电阻元件的振荡电路，所述振荡电路的所述电阻元件与设置在所述放大电路上的电阻元件结构相同。
18. —种物理量传感器，具备传感器元件，其将从外部施加的物理量转 换为电信号；检波电路，其对该传感器元件的输出信号进行放大以及检波；以 及调整电路，其通过施加电源将来自所述检波电路的输出信号调整为规定的信 号，其特征在于，所述驱动电路具有恒定电压电路，其输出成为所述传感器元件的驱动条件 的基准的恒定电压，所述调整电路具有放大电路，其具备通过切换电容器的连接状态来进行 电荷移动的开关电容电路；以及时钟生成电路，其产生时钟信号，根据所述电源电压来控制所述时钟生成电路，利用在所述时钟生成电路中 生成的所述时钟信号，使从所述放大电路输出的输出信号的检测灵敏度根据所 述电源电压可变。
全文摘要
本发明涉及一种物理量传感器，具备传感器电路，其将从外部施加的物理量转换为电信号，输出检测信号；调整电路，其将来自该传感器电路的检测信号调整为规定信号；以及输出电路，其由该调整电路的信号形成输出信号，以共用的电源电压来驱动传感器电路和输出电路。调整电路具有脉冲生成电路，其根据电源电压来生成脉冲调制信号；以及放大电路，其利用脉冲调制信号使放大率可变地放大来自传感器电路的检测信号，并根据电源电压使输出信号的检测灵敏度可变。通过此结构，可将来自调整电路所具备的放大电路的输出作成线性度特性高的传感器输出，结果，可实现传感器检测灵敏度为高精度的物理量传感器，并得到物理量传感器的检测灵敏度良好的比例度量特性、高线性度、希望的特性的检测灵敏度。
文档编号G01C19/56GK101184973SQ200680019020
公开日2008年5月21日 申请日期2006年5月31日 优先权日2005年6月1日
发明者永田洋一 申请人:西铁城控股株式会社