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：
本发明涉及物理量传感器，特别涉及物理量传感器的输出电平变换电路 的结构。
背景技术：
现在，利用各种各样种类的物理量传感器。其中，特别关于由振动陀螺 代表的角速度传感器的传感器输出的修正提出了多种方案。
在专利文献1中表示的现有技术中，提出了用于使物理量传感器的检测 灵敏度(标度因子)对于物理量传感器的动作的电源电压的变化成比例变化的
方法。在该现有的物理量传感器中，如图IO所示，构成为把通过检波电路2 检波过的传感器元件1的输出信号，进而通过放大电路6放大输出。
作为放大电路6，使用反相放大电路，该反相放大电路是由把MOS元件 7作为输入电阻、把电阻元件8作为反馈电,且的运算放大器构成的。通过用根 据物理量传感器的电源电压而变化的电压对该MOS元件7的栅;〖及电压进行偏 置，能够调整物理量传感器的检测灵敏度，特别对于电源电压的变化，物理量 传感器的检测灵敏度成比例变化。
该特性称为比例度量，是在传感器外部数字处理物理量传感器的输出信 号的场合等中有用的特性。亦即，在具有这样的输出特性的物理量传感器中， 通过组合与传感器的电源电压成比例变换分解度变化的比例度量对应的A/D 变换电路，可以做成在给传感器施加了某物理量的场合的A/D变换后的输出 lt据，不受电源电压变动的影响的结构。
专利文献l:特开2004—53396号公报(第4 6页，第一图)
在现有技术的专利文献1的场合，放大电路6的放大率由MOS元件7和 电阻元件8的电阻比决定。作为电阻元件8，可以考虑使用可在半导体芯片上 构成的聚硅电阻或者外附的电阻元件。但是，因为这些元件和上述的MOS元 件7在电气特性上没有相关性，所以不仅放大电路的放大率的绝对值误差增
大，而且有由于周围温度的变化放大电路6的放大率变化大的问题。而且因为 MOS元件7的电阻成分的特性是非线性的，所以存在根据给放大电路6的输 入信号的大小放大率变化、物理量传感器的检测灵敏度的直线性变差这样的问 题。

发明内容
本发明的目的是改善上述问题，提供一种与现有技术相比检测灵敏度高 的物理量传感器。
为实现上述目的，本发明采用在调整传感器元件的输出信号的信号电平 的调整电路中放大率不依赖电路元件特性和周围温度的特性的结构。
在上述现有的放大电路中，在放大传感器元件的输出信号时，在对于电 源电压的变化使物理量传感器的检测灵敏度成比例变化的结构中，有时由于电 源电压的变化以外的因素放大率变化，这成为物理量传感器的检测灵敏度的精 度恶化的重要原因。
本发明的物理量传感器，在传感器元件的输出信号的放大中，因为对于 电源电压的变化使物理量传感器的检测灵敏度成比例变化，所以代替现有的根 据电源电压变化MOS元件的栅极电压的u置电压的结构，使用调整传感器元 件的输出信号的信号电平的调整电路。在该调整电路中，和放大输出信号的信 号电平的放大电路分开，另外准备用于设定放大电路的放大率的参照放大电 路，通过该参照放大电路设定参照放大电路自身的放大率，同时使该放大率与 放大电路联动。通过与参照;故大电路的放大率联动地设定放大电路的放大率， 能够抑制由电路元件特性S1起的放大率的变动。
另外，在使用参照放大电路的放大率的设定中，通过除去电源电压的变 化以外的温度变化等的变动因素，可仅通过电源电压的变化求得放大率。由此， 能够抑制电源电压的变化以外引起的放大率的变动。
由此，本发明的物理量传感器，能够抑制电路元件特性引起的放大率的 变动、以及电源电压的变化以外引起的放大率的变动，不受电路元件特性和周 围温度等的特性的影响，而使物理量传感器的检测灵敏度与电源电压的变化成 比例变4匕。
本发明的物理量传感器的调整电路，除放大传感器元件的输出信号的放
大电路之外，还准备有放大率根据电源电压变化的参照放大电路，使放大电路 的放大率与该参照放大电路的放大率联动。通过使该放大率联动，把用参照放 大电路决定的放大率设定为放大电路的放大率。
本发明的参照放大电路，因为除去通过周围温度等变动的电压变动等、 电源电压的变化以外的变动，仅通过电源电压的变化设定放大率，所以用参照 放大电路设定的放大率仅通过电源电压的变化决定，能够抑制其他变动的影 响。
于是，放大电路的放大率，与参照放大电路联动地设定成放大率的比成 为恒定。由此，关于放大电路的放大率，放大率也仅通过电源电压的变化决定， 能够抑制其他变动的影响。
另外，根据该结构，因为通过调整参照放大电路的放大率，能够自动地 调整放大电路的放大率，所以能够实现可把传感器检测灵敏度动态向希望的值 调整的物理量传感器。
另外，因为放大电路和参照放大电路对于周围温度的变化具有同样的温 度特性，所以通过使放大电路的放大率和参照放大电路的放大率联动，能够不 受周围温度的影响，而对于电源电压的变化成比例变化物理量传感器的检测灵
另外，本发明的调整电路的更详细的结构，在上述的参照放大电路外， 还具有输出两种参照信号的参照信号生成电路和控制参照放大电路的放大率 的控制电路。
参照信号生成电路输出不依赖电源电压的恒定的第 一参照信号、和根据 电源电压而变化的第二参照信号。
这里，参照放大电路放大输入的第一参照信号后输出。控制电路控制参 照放大电路的放大率使参照放大电路的输出和第二参照信号相等。作为控制电 路进行的动作，例如，进行反馈控制，使在参照放大电路的输出比第二参照信 号高的场合降低参照放大电路的放大率，另一方面，在参照放大电路的输出比 第二参照信号低的场合升高参照放大电路的放大率。由此，能够取得与电源电 压的电压变化对应的放大率。
另外，放大电路的放大率，因为与参照放大电路的放大率联动地设定成
放大率的比成为恒定，所以通过根据电源电压控制该参照放大电路的放大率， 同样能够根据电源电压控制放大电路的放大率。
根据该结构，能够高精度实现物理量传感器的检测灵敏度与电源的电压 成比例这样的比例度量特性。
进而，也可以把放大电路和参照放大电路做成相同的结构。根据该结构， 能够实现把调整电路的制造误差抑制到最小限度的高精度的物理量传感器。
本发明，具有驱动传感器元件的驱动电路，通过在和在参照信号生成电 路中产生的电压变动相同的方向上控制该驱动电路驱动传感器元件的驱动电 平，能够抵消在参照信号生成电路中产生的电压变动的影响，提高输出信号的 精度。因为在和在参照信号生成电路中产生的电压变动相同的方向上控制传感 器元件的驱动电平，所以根据参照信号生成电路输出的第 一参照信号决定传感 器元件的驱动电平。参照信号生成电路输出的第一参照信号与电源电压无关而 是恒定的，而实际上通过电源电压的变动或周围温度的变化电压稍微变动。这 里，通过形成互相在反方向上增减传感器元件的输出信号和放大电路的放大率 的关系，抵消电压变动的影响，使物理量传感器的检测电平恒定。
在传感器元件的输出信号和放大电路的放大率之间在互逆方向上的增减 关系，可以通过上述控制本发明的控制电路的放大率的控制得到，例如，在由 于电压变动而增加了驱动电平的场合，通过该驱动电平的增加来增加检测信 号。另一方面，该第一参照信号的变动的增加，因为使放大电路以及参照放大 电路的放大率减少，所以增加的检测信号的放大率变小，从调整电路得到的物 理量传感器的检测灵敏度成为恒定。
放大电路以及参照放大电路，任何一方或者两方可以使用多个形态实现。
放大电路或者参照放大电路的第一形态，通过运算放大器构成反相放大器或者3一反4目力文大器，通过"f吏用OTA (operational transconductance amplifier (运算跨导放大器)电压电流变换电路)做成电阻值可变的等价电阻来构成 在该运算放大器上连接的电阻元件。用包含互导可变的跨导放大器的等价电阻 构成在该运算放大器上连接的电阻元件，通过用控制电路的输出信号控制该跨 导放大器的互导使电阻可变，通过使该电阻可变控制放大率。此外，反相放大 器或者非反相放大器，通过对于运算放大器适当连接输入电阻或者反馈电阻来
形成。
使用该OTA的第一形态，因为能够使跨导放大器线性良好地动作，所以 能够以高的线性输出物理量传感器的检测灵敏度。另外，适合从检波前的传感 器元件输出的交流信号的处理。
放大电路或者参照放大电路的第二形态，通过运算放大器构成反相放大 器或者非反相放大器，通过使用开关电容器电路使电阻值可变的等价电阻构成 在该运算放大器上连接的输入电阻或者反馈电阻等的电阻元件。
输入电阻和反馈电阻两者，通过用所述控制电路的输出信号控制该开关电容器 电路的开关的开闭的切换频率使电阻可变，通过使该电阻可变控制放大率。
在该形态中，从控制电路向线性VCO输入反馈信号，通过线性VCO输 出与反馈信号的电压对应的频率f的时钟信号。开关电容器电路，通过根据该 频率f的时钟信号开闭开关来使电阻可变。
另外，通过和反々贵电阻并联配置电容器，能够附加低通滤波器的功能。
根据使用该开关电容器电路的第二形态，能够构成不仅线性良好而且输 出偏移小的放大电路。另外，适合检波、滤波后的直流信号的处理。
放大电路或者参照放大电路的第三形态，是使用OTA的形态，在电压电 流变换电路上串联电流电压变换电路而构成，通过互导可变的跨导放大器构成 该电压电流变换电路，通过用所述控制信号的输出信号控制该跨导放大器的互 导使从电压向电流的变换率可变，通过电流电压变换电路把用该电压电流变换 电路变换过的电流变换为电压来控制放大率。
另外，本发明的调整电路和检波电路间的连接顺序，可以作成为把调整 电路配置在检波电路的上游侧或者下游侧的任何位置的结构。
第一配置形态，是在传感器元件和调整电路之间连接检波电路的形态， 调整电路用检波电路使传感器元件的检测信号变成直流，调整该直流输出的信 号电平。
另外，第二配置形态，是在调整电路的下游侧连接检波电路的形态，调 整电路调整传感器元件的交流输出的信号电平。检波电路使通过调整电路进行 了电平调整的输出信号变成直流后输出。
根据本发明，能够提供一种物理量传感器，其能够根据电源电压变化调 整电路具有的放大电路的放大率，具有传感器检测灵敏度稳定而且高精度的比 例度量特性。


图l是表示本发明的物理量传感器的全体结构的框图。
图2是用于说明本发明的物理量传感器的结构形态的框图。
图3是用于说明本发明的物理量传感器的结构形态的框图。
图4是用于说明本发明的调整电路的概略结构的框图。 图5是用于说明本发明的放大电路或者参照放大电路的概略结构的框图。 图6是用于说明本发明的放大电路或者参照放大电路的概略结构的框图。 图7是用于说明本发明的放大电路或者参照放大电路的概略结构的框图。
图9是用于说明本发明的传感器元件的驱动形态的框图。 图IO是表示现有技术的物理量传感器的电路图。 符号说明
10传感器元件 11驱动部 12 4全测部
20A、 20B检波电路 20a I—V变换部 20b检波部 20c LPF部
30参照信号生成电路
31基准电压源
32基准电阻
40 I—V变换部
45 LPF部
50控制电^各
60、 60A-60D放大电路
61运算放大器 62反馈电阻 63电流一电压变换电路 64电压一电流变换电^各 65线性VCO 66开关电容器电路 66c电容器 67电容器 68输入电阻 69跨导放大器 70参照放大电路 80驱动电路 90中点电压生成电3各 100调整电路 Sl传感器元件输出 S2A、 S2B检波输出 S31第一参照信号 S32第二参照信号 S5控制信号 S6传感器输出 Vdd电源电压 Vm中点电压
具体实施例方式
以下使用图1-3说明本发明的概略结构，使用图4说明本发明的调整电 路的概略结构，使用图5~8说明本发明的放大电路或者参照放大电路的概略 结构，使用图9说明本发明的传感器元件的驱动形态。
首先，使用图1 ~图3说明本发明的物理量传感器的全体结构。图1是表 示本发明的物理量传感器的全体结构的框图，图2、图3是用于说明物理量传 感器的结构形态的框图。
本发明的物理量传感器具有传感器元件10;调整传感器元件10的4企测 信号的输出电平、使物理量传感器的检测灵敏度对于物理量传感器的动作的电 源电压的变化成比例变化的调整电路100;和对交流信号进行检波后输出直流 信号的检波电路20。在该结构中，根据调整电路100和检波电路20的连接顺 序，可以形成按照传感器元件10、检波电路20A、调整电路100的顺序连接 的第一连接形态，和按照传感器元件10、调整电路100、检波电路20B的顺 序连接的第二连接形态。
图la是用于说明第一连接形态的图，图lb是用于说明第二连接形态的图。
在图la中，物理量传感器按照传感器元件10、检波电路20A、调整电路 IOO的顺序连接。此外，在这里，假定检波电路20A包含把传感器元件10的 才全测信号的电流变换为电压的I一V变换部20a、对用I—V变换部20a变换的 电压信号进行检波的检波部20b、和把通过检波部20b检波必要的信号成分而 得到的检测信号变成直流的LPF (低通滤波器)20c。该检波电路20A输出把 传感器元件10的检测信号变成直流后的输出信号。
根据图l(a)的结构，因为从检波电路20A输出直流信号，所以调整电 路100可以用对直流信号进行信号处理的模拟电路构成。
另一方面，在图1 (b)中，物理量传感器按照传感器元件10、调整电路 100、检波电路20B的顺序连接。此外，在这里，在传感器元件10和调整电 路100之间连接I一V变换部40,在调整电路100的下游侧连接检波电路20B 和LPF电路45。 I一V变换部40把传感器元件10的4全测信号的电流变换为电 压，检波电路20B从调整电路100的输出检波必要的信号成分，LPF(低通滤 波器)电路45把检波电路20B的检波信号变成直流。
此外，调整电路100,釆用和图1 (a)同样的结构，使放大电路60和参 照放大电路70的放大率联动设定。在该放大率的i殳定中，通过与电源电压成 比例地设定该放大率，具有使物理量传感器的检测灵敏度(输出电平)与电源 电压成比例增力口、使电源电压的变化和物理量传感器的检测灵敏度成比例的比例度量特性。
根据图1 (b)的结构，因为从I一V变换部40输出交流信号S4，所以调
整电路100可以用对交流信号进行信号处理的模拟电路构成。
下面使用图2更详细地说明图1 (a)表示的结构例。在图2中，10是传 感器元件，具有驱动部11和纟全测部12。 20A是》文大并4全波作为4全测部12的 输出的传感器元件输出Sl的检波电路。100是调整电路，90是中点电压生成 电路。
进而，S2A是检波电路20A的检波输出，S6是用调整电路100对从检波 电路20A输出的检波输出S2A进行电平变换后的物理量传感器的输出。在该 结构中，物理量传感器具有的电路部分、亦即检波电路20A和调整电路100 和驱动电路80,用从外部施加的电压Vdd (例如5.0V)动作。Vdd是物理量 传感器的电源电压。
传感器元件10，例如是在形成了音叉形状的压电材料的表面上配置金属 电极构成的、检测旋转角速度的陀螺振子。传感器元件10通过驱动电路80 振荡驱动，当该传感器元件IO在振动中接受旋转角速度时，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，使用具有使传感器元件10的驱动条件恒定的功能的 电路，例如使用具有为使从不受电源电压的变动的影响的高精度的定电流源 (未图示)得到的电流值和传感器元件10的起振电流的有效值相等而进行振 荡控制的功能的电路。或者，在驱动电路80中，也可以是使用不受电源电压 的变动的影响输出恒定电压的定电压电路、把该恒定电压作为基准稳定传感器 元件10的起振电流那样的结构。
检波电路20A是检波并放大从传感器元件IO得到的传感器元件输出Sl、 输出变成直流的信号的电路。从检波电路20A输出检波输出S2A。传感器元 件10以及^r波电路20A的结构，因为是公知的电路，所以省略说明。
调整电路100是信号电平变换电路，用于把通过检波电路20A检波并放 大的检波输出S2A调整为规定的电平、即调整物理量传感器的检测灵敏度后 作为物理量传感器输出S6向外部输出。
中点电压生成电路90是输出在物理量传感器上施加的电源电压的1/2的 电压值的电压源。中点电压生成电路90供给与4企波电路20A或放大电路60 动作时的零点电平相当的中点电压Vm (例如在电源电压Vdd是0.5V的场合
是2.5V)。
使用图3更加详细说明图1 (b)表示的结构例。在图3中，IO是传感器 元件，和图2同样，具有驱动部11和4企测部12。 40是把传感器元件10的输 出Sl的电流变换为电压的I一V变换电路，100是^4居电源电压对通过I一V 变换电路40进行了电压变换的输出S4的输出电平进行电平调整的调整电路， 20B是检波调整电路100的输出S10的检波电路，45是把检波电路20B的输 出变成直流的LPF电3各。另外，90是中点电压生成电路。
进而，S2B是4t波电路20B的检波输出，S6是用LPF电路45把检波电 路20B的输出S2B变成直流的传感器输出，即用调整电路IOO进行电平变换、 用检波电路20B检波、用LPF电路45变成直流后的物理量传感器输出。在该 结构中，物理量传感器具有的电路部分、亦即枱r波电^各20B和调整电路100 和驱动电路80，用从外部施加的电压Vdd (例如5.0V)动作。Vdd是物理量 传感器的电源电压。
此外，传感器元件10、驱动电路80、调整电路100、才企波电路20B、以 及中点电压生成电if各90,因为和图2中的说明相同，所以省略这里的说明。
在图2、图3表示的本发明的物理量传感器的结构中，调整电路100具有 放大该输出信号的放大电路60、和用于设定放大电路60的放大率的参照放大 电路70以及控制电路50。控制电路50,从参照放大电路70输入反馈信号， 设定放大率。在该放大率的设定中，使放大率与电源电压成比例设定。由此， 能够具有与电源电压成比例增加物理量传感器的检测灵敏度(输出电平)、使 电源电压的变化和物理量传感器的检测灵敏度成比例的比例度量特性。
本发明的调整电路100,准备调整输出信号的信号电平的放大电路60、 用于设定放大率的参照放大电路70,通过该参照放大电路70设定放大率，同 时通过与放大电路60联动设定该放大率，来抑制由于电路元件特性引起的放 大率的变动。
在使用参照放大电路70的放大率的设定中，电源电压的变化以外的温度 变化等的变动要素，通过控制电路50去除，仅根据电源电压的变化设定放大 率。由此能够抑制由于在电源电压中包含的变动所引起的放大率的变动。
由此，本发明的物理量传感器能够抑制由电路元件特性引起的放大率的
变动以及由电源电压以外的变动引起的放大率的变动，不受电路元件特性和周 围温度等的特性的影响，使物理量传感器的检测灵敏度与电源电压的变化成比 例变化。
下面使用图4说明调整电路100的结构。图中，30是参照信号生成电路， 60是放大电路，70是参照放大电路，50是控制电路。调整电路100在和上述 检波电路20A、 20B同一的半导体芯片上构成。
参照信号生成电路30具有生成第一参照信号S31的基准电压源31和生 成第二参照信号S32的基准电阻32。基准电压源31,输出恒定电压，追加到 中点电压Vm上，生成比中点电压Vm高的第一参照信号S31。另一方面，基 准电阻32在电源电压Vdd和中点电压Vm之间连接，分压电源电压Vdd和中 点电压Vm，生成参照信号S32。
这里，第一参照信号S31不依赖电源电压是恒定的。另一方面，第二参 照信号S 3 2 ，因为分压电源电压Vdd和中点电压Vm生成，所以依赖电源电压。
这里，例如4巴基准电阻32的电阻值的1/2的点的电压作为第二参照信号 S32。另一方面，假定基准电压源31的第一参照信号S31的输出电压值为 1.25V,不依赖电源电压Vdd和周围温度变化为恒定。
放大电路60,是通过向控制信号端子C的输入信号可控制放大率的放大 电路。关于该放大电路60的构成例后述。放大电路60是》文大从传感器元件 IO得到的信号的电路，设输入信号为Sin,作为输出信号输出Sout。另外，参 照放大电路70是用于设定物理量传感器的放大率的电路，使用和放大电路60 相同结构的电路。采用在参照放大电路70和放大电路60的控制信号端子C 上施加相同的信号、两i文大电路的放大率联动、放大率的比成为恒定的结构。 此外，参照放大电路70把第一参照信号S31作为输入信号，输出信号向控制 电路50的一方的输入端子(负输入端)输出。
进而，使用作为放大电路的控制电路50,构成根据参照放大电路70的输 出设定参照放大电路的放大率的反馈系统。在该反馈系统中，构成为如果参 照放大电路70的输出S7比第二参照信号S32高则降低参照放大电路70的放 大率，反之如果参照放大电路70的输出S7比第二参照信号S32低则升高参 照放大电路70的放大率。作为控制电路50输出的反馈信号的控制信号S5，
向放大电路60以及参照放大电路70的控制信号端子C输入。通过该结构， 能够使参照放大电路70的输出和第二参照信号S32总相等。这里，控制电路 50可以用差动放大器构成。
在图4的结构中，第二参照信号S32是进一步1/2分压作为电源电压Vdd 的1/2的中点电压Vm的电压，与电源电压Vdd成比例变化。而第一参照信号 S31是不依赖电源电压Vdd的恒定电压。
控制电路50，因为是使用参照放大电路70放大了该第一参照信号S31 的信号和第二参照信号相等那样动作，所以参照放大电路70的放大率与电源 电压Vdd成比例变化。另外，因为在放大电路60和参照放大电路70的控制 信号端子C上输入相同的控制信号S5，所以放大电路60的放大率和参照放大 电路70的放大率可联动地进行设定，放大电路60的放大率也与电源电压Vdd 成比例那样动作。
在本例中因为特别把基准电压源31的输出电压取为1.25V、选择第二参 照信号S32为电源电压Vdd的1/4，所以在电源电压Vdd为5.0V时第二参照 信号S32成为1.25V,与把中点电压Vm作为基准电压的场合的第一参照信号 S31相等，通过控制电路50进行使参照放大电路70的放大率成为1.0那样的 控制。因此，放大电路60的放大率也成为1.0。
下面说明本发明的物理量传感器的动作。这里以图2为例说明。
当在物理量传感器上施加电源电压Vdd时，驱动电路80开始用规定的电 流值交流驱动传感器元件10的驱动部11。因为如上述驱动电路80的驱动电 流不受电源电压变动的影响，所以驱动部11总成为稳定的振荡状态。
当在该状态下给物理量传感器施加旋转角速度时，在传感器元件输出Sl 上出现具有与旋转角速度对应的振幅的交流信号。检波电路20A检波该传感 器元件输出Sl,变换为规定的直流信号。
放大电路60作为具有规定的放大率的放大电路动作，作为传感器输出S6 输出放大了检波输出S2A的角速度信号。因为传感器元件IO的驱动条件总是 恒定，所以检波输出S2A的信号不受电源电压Vdd的影响，对于某旋转角速 度的施加信号的电平成为恒定。
但是，如上述，放大电路60和参照放大电路70的放大率联动变化。两
放大电路的放大率与电源电压Vdd成比例变化。因此当物理量传感器的电源
电压Vdd增加时，与该变化成比例物理量传感器的检测灵敏度增加。其结果， 从放大电路60输出的传感器输出S6的输出信号电平增加。亦即物理量传感器 能够进行电平变换动作以使;险测灵敏度成为比例度量特性。
作为例子，即使在给物理量传感器相同的旋转角速度的场合，在使电源 电压Vdd增加5。/。的场合，传感器输出S6也增加5%信号电平。另外，与上述 相反，在使电源电压Vdd减小的场合，传感器输出S6的信号电平与电源电压 Vdd的减小成比例降低。
在本例中，放大率的精度通过基准电压源31的绝对电压值以及温度特性 决定，但是因为这点通过熟知的定电压电路技术可高精度地进行微调，所以参 照放大电路70的放大率，包含温度特性在内能够非常高精度化。进而因为通 过在同一半导体芯片上用同一结构形成放大电路60以及参照放大电路70，能 够使从半导体制造误差产生的放大率的相对误差极小，所以能够正确地向放大 电路60反映参照放大电路70的放大率。能够从这些实现物理量传感器的检测 灵敏度的高精度化。
此外，根据用途，和专利文献l同样，能够把把MOS元件作为输入电
照放大电路70使用。该场合，与后述使用OTA的场合相比线性差，但是具有 能够用少的电路元件缩小半导体芯片的规模的效果。当然，因为通过控制电路 50消除了 MOS元件和电阻元件的电气特性的不同、或者制造误差，所以保持 能够解决现有技术的问题这样的效果。
此外，作为上述实施形态中的放大电路60以及参照放大电路70,使用能 够连续地变化放大率的电路，但是也可以使用数字式可变化放大率的电路。在 那种场合，通过用具有和上述同样功能的逻辑电路置换控制电路50,能够得 到同等的效果。
的结构例60A 60D。此外，因为参照放大电路70的结构能够做成和放大电 路60的结构同样，所以以下说明放大电路60，省略参照放大电路70的说明。 这里，图5表示的放大器的结构例60A是使用OTA的结构例，在电压电
流变换电路上串联电流电压变换电路构成，用互导可变的跨导放大器构成该电 压电流变换电路，通过用所述控制电路的输出信号控制该跨导放大器的互导使 从电压到电流的变换率可变，通过用电流电压变换电路把用该电压电流变换电 路变换后的电流变换为电压，来控制放大率。
图6表示的放大器的结构例60B，通过运算放大器构成反相放大器或者 非反相放大器，通过构成使用开关电容器电路的等价电阻的可变电阻构成在该 运算放大器上连接的输入电阻或者反馈电阻等电阻元件。
使用开关电容器电路构成该运算放大器的输入电阻或者反馈电阻，或者 输入电阻和反馈电阻两者，通过使用所述控制电路的输出信号控制该开关电容 器电路的开关的开闭的切换使输入电阻可变，通过使该电阻可变控制放大率。 此外，在非反相放大器的场合不使用输入电阻。
图7、图8表示的放大器的结构例60C、 60D,通过运算放大器构成反相 放大器或者非反相放大器，通过构成使用OTA的等价电阻的可变电阻构成在 该运算放大器上连接的输入电阻或者反馈电阻等电阻元件。用互导可变的跨导 放大器构成该运算放大器的输入电阻或者反馈电阻，或者输入电阻和反馈电阻 两者，通过用控制电路的输出信号控制该跨导放大器的互导使电阻可变，通过 使该电阻可变控制放大率。此外，在非反相放大器的场合，不使用输入电阻。
首先，说明放大器的结构例60A。
放大电路60A，如图5所示，可以用电压一电流变换电路64和电流一电 压变换电路63构成。在电压一 电流变换电路64中使用能够高精度地得到与输 入端子间的电位差成比例的电流的OTA (运算和跨导放大器)69。在OTA中， 可以用下式表示输入端子间电压Vin和从输出端子得到的电流lout的关系
lout = gm Vin
gm是称为互导的比例系数。特别在本例中的电压一电流变换电路64中，使用 根据施加在控制信号端子C上的电压值互导gm变化的OTA。
进而，通过把用电压一电流变换电路64得到的电流输出使用由运算放大 器61和反馈电阻62构成的电流一电压变换电路63重新变换为电压信号，能 够构成放大率可控而且线性特性高的放大电路。
接着说明放大器的结构例60B。图6是使用运算放大器的反相放大电路
的例子，是通过^f吏输入电阻的电阻值可变来变化放大率的结构例。此外，反相 放大电路以及非反相放大电路符号相反，但是因为放大率的大小是由在运算放 大器上连接的输入电阻和反馈电阻决定，所以对于非反相放大电路也可以同样 构成 另外在这里表示出通过变化输入电阻的电阻值变化放大率的结构，但是
在图6中，放大电路60B通过运算放大器61和输入电阻以及反馈电阻构 成。输入电阻，是由通过把控制信号S5的电压变换为频率的频率变换器电路 (线性VCO) 65、和通过用该频率变换器电路(线性VCO) 65变换后的频率 f的信号进行ON/OFF的切换控制的开关电容器电路66构成，另一方面，反 馈电阻是由电阻62和电容器67并联构成。这里，电容器67构成低通滤波器。
这里，因为》文大电路60B的放大率由(反馈电阻值Rf/输入电阻值Rs) 决定，所以用由开关电容器电路66组成的可变电阻电路形成输入电阻，通过 用通过开关电容器电路66把控制信号S5的电压信号变换为频率信号的信号变 化该可变电阻电i 各的电阻值，能够在相同的方向上调整放大率的增减的方向和 控制信号S5的变动的方向。
例如，在控制信号S5增加的场合，通过减小可变电阻(开关电容器电路 66)的电阻值，提高放大电路60B的放大率，反之，在控制信号S5减小的场 合，通过增加可变电阻(开关电容器电路66)的电阻值，降低放大电路60B 的放大率。
该参照信号和频率信号和可变电阻的电阻值和放大率的关系，控制信号 和频率信号有正的增加特性的关系，频率信号和电阻值有相反的增加特性的关 系，电阻值和放大率有相反的增加特性的关系。因此，控制信号和放大率成为 正的增加特性的关系，在控制信号增加的场合放大率增加，在控制信号减小的 场合放大率减小。因此，能够使放大电路的放大率形成和控制信号相同的特性。
放大电路60B,通过开关电容器电路构成可变电阻电路。开关电容器电 路，通过切换电容器的连接状态进行电荷的移动，根据脉冲调制信号使放大率 可变。这里，开关电容器电路66是由具有两接点的开关和电容器构成。
开关电容器电路用开关和电容器66c构成，在开关的接点在检波电路侧 连接的状态下，电容器66c积蓄检波输出的输入信号Sin的电压，接着，当开
关成为连接在运算放大器61上的状态时，在电容器66c上积蓄的电荷向运算 放大器61的反相输入端子放电。
开关可以用使用MOS元件的传输门构成，开关的接点状态可以构成为与 频率变换电路65的频率信号对应进行切换，与频率信号对应进行电容器的连 接状态的切换。此外，开关和反馈电阻62、构成开关电容器电路66的电容器 66c或者和反馈电阻62并联的电容器67同样可以用半导体工艺制造，可以在 同一半导体芯片上构成。由此，能够使各元件的温度特性一致。运算放大器V1的反相输入端子上连接开关电容器电路66，运算放大器61的非反相输入端 子上连接中点电压Vm。
这样，根据频率变换电路65的频率信号，在反相输入端侧和检波电路侧 切换开关，这样来切换电容器66c的连接状态。
通过开关高速进行上述的切换动作，开关电容器电路66进行与以可以用 Re-l/(f.Cs)表现电阻值的电阻元件的等价的动作。此外，这里f是开关的平均 切换频率，Cs是电容器66c的电容量。
因为开关电容器电路和电阻元件等价且形成可变电阻电路，所以放大电 路60B的放大率由反馈电阻和输入电阻的比决定。因此，在上述的结构中， 通过用开关电容器电路66构成输入电阻，用控制信号S5的频率变化该开关电 容器电路66的等价电阻，就能够使放大电路60B的放大率在和控制信号S5 的变动特性相同的方向上可变。
此外，使用开关电容器电路的放大电路60B,通过在电容器中应用没有 电容量的电压依赖性的电容器，能够得到高的线性性。为在半导体芯片上实现 这样特性的电容器，例如通过一般的两层聚硅工艺，构成把电极聚硅化了的电 容器即可。
图6表示的放大电路是使用运算放大器的结构，但是构成放大电路的有 源电路不限于运算放大器，也可以使用双极晶体管或者FET等其他元件。
这里表示出把运算放大器的输入电阻作为可变电阻的例子，但是也可以 采用把反馈电阻作为可变电阻的结构、或者把输入电阻以及反馈电阻两者都作 为可变电阻的结构。
下面使用图7、图8说明放大器的结构例60C、 60D。结构例60C、 60D,
和图6所示结构例60B同样是使用运算放大器的反相放大电路的例子，是通 过使输入电阻的电阻值可变来改变放大率的结构例。在结构例60C、 60D中， 使用OTA构成可变电阻。
可变电阻，可以应用到输入电阻或者反馈电阻中。图7所示的结构例表 示用可变电阻构成输入电阻的例子，图8所示的结构例表示用可变电阻构成反 馈电阻的例子。可变电阻，用互导可变的跨导放大器构成，通过用控制电路的 控制信号控制该跨导放大器的互导使电阻可变，通过使该电阻可变控制放大 率。
在图7所示结构例60C的输入电阻中，把跨导放大器69的输出端连接到 电阻68的输入端子侧，将跨导放大器69的一方的输入端(图7中+端子)连 接到电阻68的输出端侧。跨导放大器69的互导gm通过控制信号S5控制。
放大器60C的放大率，由用电阻68和跨导放大器69决定的输入电阻值 和运算放大器61的反^t责电阻62的电阻值的比决定，通过使输入电阻可变，使 放大率可变。
另一方面，在图8所示结构例60D的反馈电阻中，^&5夸导放大器69的输 出端连接到反馈电阻62的输出端侧，跨导放大器69的一方的输入端(图8 中+端子)并联连接到反馈电阻62的输入端侧。跨导放大器69的互导gm通 过控制信号S5控制。
放大器60D的放大率，由用电阻68决定的输入电阻值和由运算放大器 61的反馈电阻62和跨导放大器69决定的反馈电阻值的比决定，通过使反馈 电阻可变，使放大率可变。
但是，该场合的跨导放大器69和图7的场合特性不同。图7的跨导放大 器69，是使用在控制信号S5的电压值高的场合使输入电阻降低作用的特性的 放大器，而图8是使用在控制信号S5的电压值高的场合使反馈电阻升高作用 的特性的例子。
在该结构例中，因为能够使跨导放大器的线性良好地动作，所以能够以 高的线性性输出物理量传感器的检测灵敏度。另外，适合于从;险波前的传感器 元件输出的交流信号的处理。
本发明的物理量传感器，通过控制驱动传感器元件的驱动电路的驱动电
平抑制由于电源电压的变动引起的输出的变动，能够得到高精度的输出。
该驱动电路的驱动电平控制，通过在和参照信号生成电路中产生的电压 变动相同的方向上进行控制来抵消由于在参照信号生成电路中产生的电压变 动的影响，为在和参照信号生成电路中产生的电压变动相同的方向上控制传感 器元件的驱动电平，要根据参照信号生成电路输出的第一参照信号决定传感器 元件的驱动电平。
图9是用于说明该驱动电平控制的一个结构例的图。图9表示的结构，
在上述图2中表示的电路结构中，把从参照信号生成电路30具有的基准电压 源31输出的第一参照信号S31作为控制信号输入驱动电路80。驱动电路80 根据参照信号S31决定驱动电平。
第一参照信号S31与电源电压无关是恒定的，但是实际上由于电源电压 的变动或者周围温度的变化会产生微小的电压变动。因此，当根据第一参照信 号S31决定驱动电路80的驱动电平时，该驱动电平根据电源电压的变动或者 周围温度的变化发生电压变动。于是，驱动电平的电压变动，在检测信号Sl 的电平中也作为变动表现。
另一方面，如上述，通过本发明的控制电路50的放大率控制，在传感器 元件10的检测信号和放大电路60的放大率之间能够得到在互逆方向上增减的 关系。当用放大电路60信号放大传感器元件10的检测信号时，因为驱动电平 的电压变动和放大特性为反方向，所以传感器元件的输出信号和放大电路的放 大率成为在互逆方向上增减的关系，抵消电压变动的影响，物理量传感器的检 测电平成为恒定。
例如，在通过电压变动驱动电平增加的场合，通过该驱动电平的增加传 感器元件10的检测信号增加。另一方面，该电压变动的增加，因为使放大电 路60以及参照放大电路70的放大率减小，所以增加的检测信号的放大率减小， 所以从调整电路IOO得到的物理量传感器的检测灵敏度变得恒定，可抑制由于 在参照信号生成电路中产生的电压变动引起的输出变动。
以上说明了根据本发明的实施形态的物理量传感器。根据本发明，能够 实现具有不容易受制造误差或者温度变化的影响的、稳定的检测灵敏度的物理 量传感器。在该基础上进而也能够实现传感器检测输出具有高线性的物理量传
感器。
本发明可应用于以振动陀螺为代表的角速度传感器或者磁传感器、加速 度传感器等种类广泛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，具有:传感器元件，其用于把从外部施加的物理量变换成电信号；和调整电路，其用于调整该传感器元件的输出信号的信号电平，其特征在于，所述调整电路具有，放大所述输出信号的放大电路、和设定与电源电压对应的放大率的参照放大电路，使所述放大电路的放大率和所述参照放大电路的放大率联动，来使所述放大电路和所述参照放大电路的放大率的比为恒定，由此调整所述传感器元件的输出信号的信号电平。
2. 根据权利要求1所述的物理量传感器，其特征在于， 所述调整电路具有参照信号生成电路，其用于输出随电源电压变化的第二参照信号、和不 随电源电压变化的恒定的第一参照信号；和控制电路，其用于控制所述参照放大S路的放大率， 所述参照放大电路放大所述第 一参照信号，所述控制电路控制参照放大电路的放大率，以使第二参照信号和所述参 照放大电路的输出相等，通过控制该参照放大电路的放大率按照电源电压控制 所述放大电路的放大率。
3. 根据权利要求2所述的物理量传感器，其特征在于， 所述控制电路进行这样的反馈控制，亦即，在参照放大电路的输出比所迷第二参照信号高时，降低参照放大电路的放大率，在参照放大电路的输出比 所述第二参照信号低时，提高参照放大电路的放大率。
4. 根据权利要求2或者3中任何一项所述的物理量传感器，其特征在于， 具有驱动所述传感器元件的驱动电路，根据所述参照信号生成电路输出的所述第一参照信号，来决定该驱动电 路驱动所述传感器元件的驱动电平，由此，使该传感器元件的输出信号和所述放大电路的放大率间的关系成 为在互逆方向上的增减关系，使物理量传感器的检测电平为恒定。
5. 根据权利要求1到4中任何一项所述的物理量传感器，其特征在于， 所述放大电路和所述参照放大电路中至少一方的电路在运算放大器上连才妄电阻元件而构成，用包含互导可变的跨导放大器的等价电阻构成所述电阻元件，通过用所 述控制电路的输出信号控制该跨导放大器的互导使电阻可变，通过使该电阻可 变来控制放大率。
6. 根据权利要求1到4中任何一项所述的物理量传感器，其特征在于， 所述放大电路和所述参照放大电路中至少一方的电路在运算放大器上连接电阻元件而构成，用包含开关电容器电路的等价电阻构成所述电阻元件，通过用所述控制 电路的输出信号控制该开关电容器电路的开关的开闭的切换使电阻可变来控 制放大率。
7. 根据权利要求1到4中任何一项所述的物理量传感器，其特征在于， 所述放大电路和所述参照放大电路中至少一方的电路按顺序串联电压电流变换电路和电流电压变换电路而构成，所述电压电流变换电路通过互导可变的跨导放大器构成，通过用所述控 制电路的输出信号控制该跨导放大器的互导使从电压向电流的变换率可变，通过用所述电流电压变换电路把用该电压电流变换电路变换而得到的电 流变换为电压来控制ii大率。
8. 根据权利要求1到7中任何一项所述的物理量传感器，其特征在于， 在所述传感器元件和所述调整电路之间具有^^波电5^, 所述调整电路调整用所述检波电路变成直流的、传感器元件的直流输出的信号电平。
9. 根据权利要求1到7中任何一项所述的物理量传感器，其特征在于， 在所述调整电路之后具有检波电路，所述调整电路调整传感器元件的交流输出的信号电平，所述检波电路把 电平调整后的输出信号变成直流后输出。
全文摘要
一种物理量传感器，具有把从外部施加的物理量变换成电信号的传感器元件、放大并检波该传感器元件的输出信号的检波电路、和通过施加电源把来自所述检波电路的输出信号调整为规定的信号的调整电路，其中，在所述调整电路内设置放大来自所述检波电路的输出信号的放大电路、和放大率与所述放大电路联动的参照放大电路。通过该结构，因为能够按照电源电压来变化调整电路内具有的放大电路的放大率，所以其结果能够实现具有传感器检测灵敏度稳定而且高精度的比例度量特性的物理量传感器。
文档编号G01P9/04GK101384882SQ200780005920
公开日2009年3月11日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月17日
发明者永田洋一 申请人:西铁城控股株式会社