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JP5974851B2 - Sensor device - Google Patents

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JP5974851B2 JP2012254831A JP2012254831A JP5974851B2 JP 5974851 B2 JP5974851 B2 JP 5974851B2 JP 2012254831 A JP2012254831 A JP 2012254831A JP 2012254831 A JP2012254831 A JP 2012254831A JP 5974851 B2 JP5974851 B2 JP 5974851B2
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Description

本発明は、例えばMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)などによって構成され、加速度などを検知するセンサーデバイスに関する。   The present invention relates to a sensor device configured by, for example, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) or the like and detecting acceleration or the like.

従来、加速度などを検知するセンサーデバイスとして、所定方向に移動可能な可動電極を挟んで一対の固定電極が設けられ、各固定電極と可動電極との間に2つの可変容量コンデンサを構成した静電容量センサーが知られている(例えば特許文献1)。この種の静電容量センサーは、可動電極が移動可能な方向に外力(加速度)が作用すると、それに伴って可動電極が2つの固定電極の間で変位し、2つの可変容量コンデンサの静電容量をそれぞれ変化させる。これら2つの可変容量コンデンサの静電容量変化を検知するため、例えば特許文献1では、一対の固定電極に対して一定周期で極性が反転する外部電圧を印加し、可動電極に対する電荷の移動量をCV変換回路で検知して出力するように構成される。   Conventionally, as a sensor device for detecting acceleration or the like, a pair of fixed electrodes are provided with movable electrodes movable in a predetermined direction, and two variable capacitors are formed between the fixed electrodes and the movable electrodes. A capacitance sensor is known (for example, Patent Document 1). In this type of capacitance sensor, when an external force (acceleration) acts in a direction in which the movable electrode can move, the movable electrode is displaced between the two fixed electrodes accordingly, and the capacitance of the two variable capacitance capacitors. Change each. In order to detect changes in the capacitances of these two variable capacitors, for example, in Patent Document 1, an external voltage whose polarity is inverted at a constant cycle is applied to a pair of fixed electrodes, and the amount of charge movement with respect to the movable electrode is determined. The CV conversion circuit is configured to detect and output.

特開2004−294077号公報JP 2004-294077 A

ところが、特許文献1のような回路構成では、静電容量センサーに各種ノイズが作用すると、そのノイズによる影響がCV変換回路の出力に現れるため、そのようなノイズによる影響を低減することが求められる。   However, in the circuit configuration as disclosed in Patent Document 1, when various noises act on the capacitance sensor, the influence of the noise appears in the output of the CV conversion circuit. Therefore, it is required to reduce the influence of such noise. .

そこで例えば外乱ノイズの影響を低減するセンサーデバイスの回路例として、図8に示すような回路構成を採用することが考えられる。図8の回路構成では、センサー部101は、一対の固定電極104,105の間にバネによって支持された可動電極106が設けられており、これら一対の固定電極104,105と可動電極106とによって2つの可変容量コンデンサ110,111が構成された静電容量センサー103を備えている。一方、センサー部101から出力される信号を処理する信号処理回路102は、CV変換回路120と、サンプリング回路130と、ダミー素子140と、入力コモンモードフィードバック(ICMFB)回路150とを備えている。CV変換回路120は、全差動オペアンプ121と、一対のフィードバックコンデンサCf1,Cf2と、フィードバックコンデンサCf1,Cf2を放電させるための一対のスイッチSf1,Sf2とを備えている。全差動オペアンプ121の反転入力端子はラインL1を介して静電容量センサー103の可動電極106に接続される。また全差動オペアンプ121の非反転入力端子はダミー素子140に接続される。ダミー素子140は、信号処理回路102からセンサー部101を見たときの静電容量と略同じ容量のコンデンサ141で構成され、一端が全差動オペアンプ121の非反転入力端子に接続されると共に、他端が基準電圧Vrefに保持される。そして全差動オペアンプ121の非反転入力端子とダミー素子140とを繋ぐラインL2は、センサー部101へとラインL1と並走するように延長させて配線されている。さらにサンプリング回路130は、全差動オペアンプ121の差動出力(Vop,Von)を所定のタイミングでサンプリングして出力する回路である。   Therefore, for example, as a circuit example of a sensor device that reduces the influence of disturbance noise, it is conceivable to employ a circuit configuration as shown in FIG. In the circuit configuration of FIG. 8, the sensor unit 101 is provided with a movable electrode 106 supported by a spring between a pair of fixed electrodes 104 and 105, and the pair of fixed electrodes 104 and 105 and the movable electrode 106 An electrostatic capacitance sensor 103 having two variable capacitors 110 and 111 is provided. On the other hand, the signal processing circuit 102 that processes a signal output from the sensor unit 101 includes a CV conversion circuit 120, a sampling circuit 130, a dummy element 140, and an input common mode feedback (ICMFB) circuit 150. The CV conversion circuit 120 includes a fully differential operational amplifier 121, a pair of feedback capacitors Cf1 and Cf2, and a pair of switches Sf1 and Sf2 for discharging the feedback capacitors Cf1 and Cf2. The inverting input terminal of the fully differential operational amplifier 121 is connected to the movable electrode 106 of the capacitance sensor 103 via a line L1. The non-inverting input terminal of the fully differential operational amplifier 121 is connected to the dummy element 140. The dummy element 140 is composed of a capacitor 141 having substantially the same capacitance as the capacitance when the sensor unit 101 is viewed from the signal processing circuit 102, and one end is connected to the non-inverting input terminal of the fully differential operational amplifier 121. The other end is held at the reference voltage Vref. A line L2 that connects the non-inverting input terminal of the fully differential operational amplifier 121 and the dummy element 140 is extended to the sensor unit 101 so as to run in parallel with the line L1. Further, the sampling circuit 130 is a circuit that samples and outputs the differential output (Vop, Von) of the fully differential operational amplifier 121 at a predetermined timing.

上記のような回路構成では、CV変換回路120の全差動オペアンプ121が反転入力端子の電位Vinと非反転入力端子の電位Vipとを同電位にするように作用する。また図示を省略する出力コモンモードフィードバック回路によって非反転出力端子の出力信号Vopと反転出力端子の出力信号Vonとの平均値が基準電圧Vrefとなるように作用する。また入力コモンモードフィードバック回路150は、ラインL1とラインL2との電位の平均値が基準電圧Vrefとなるように動作する。そして静電容量センサー103の2つの端子X1,X2に極性の異なる電圧(例えばVH,VL、ただしVH>Vref,VL<Vref)を印加すると、2つの可変容量コンデンサ110,111のそれぞれに電荷が蓄積される。そのとき、可動電極106に外力(加速度)が作用して2つの固定電極104,105の中間位置から変位していると、2つの可変容量コンデンサ110,111の静電容量の変化分ΔCに相当する電荷がフィードバックコンデンサCf1,Cf2に蓄積される。その結果、全差動オペアンプ121の反転出力端子及び非反転出力端子のそれぞれから各フィードバックコンデンサCf1,Cf2の電荷蓄積量に応じた出力信号Vop,Vonが出力され、サンプリング回路7がその出力信号Vop,Vonをサンプリングして出力することにより、加速度に応じた静電容量変化分ΔCを検知することができるようになる。   In the circuit configuration as described above, the fully differential operational amplifier 121 of the CV conversion circuit 120 acts so that the potential Vin of the inverting input terminal and the potential Vip of the non-inverting input terminal are the same potential. Further, an output common mode feedback circuit (not shown) acts so that the average value of the output signal Vop at the non-inverting output terminal and the output signal Von at the inverting output terminal becomes the reference voltage Vref. The input common mode feedback circuit 150 operates so that the average value of the potentials of the line L1 and the line L2 becomes the reference voltage Vref. When voltages having different polarities (for example, VH, VL, where VH> Vref, VL <Vref) are applied to the two terminals X1 and X2 of the capacitance sensor 103, electric charges are respectively applied to the two variable capacitors 110 and 111. Accumulated. At this time, if an external force (acceleration) is applied to the movable electrode 106 and is displaced from an intermediate position between the two fixed electrodes 104 and 105, it corresponds to a change ΔC in the capacitance of the two variable capacitors 110 and 111. To be accumulated in the feedback capacitors Cf1 and Cf2. As a result, output signals Vop and Von corresponding to the charge accumulation amounts of the feedback capacitors Cf1 and Cf2 are output from the inverting output terminal and the non-inverting output terminal of the fully differential operational amplifier 121, respectively, and the sampling circuit 7 outputs the output signal Vop. , Von are sampled and output, so that the change in capacitance ΔC according to the acceleration can be detected.

このような回路構成の場合、ラインL1とL2とが並走してセンサー部101まで配線されているため、ラインL1に外乱ノイズが作用すると、ラインL2にも同様に外乱ノイスが作用する。したがって、そのような外乱ノイズは全差動オペアンプ121に対してコモンモードノイズとして入力するため、全差動オペアンプ121の差動出力(Vop,Von)によってその外乱ノイズをキャンセルすることができる。   In the case of such a circuit configuration, the lines L1 and L2 run side by side and are wired to the sensor unit 101. Therefore, when disturbance noise acts on the line L1, disturbance noise also acts on the line L2. Accordingly, since such disturbance noise is input as common mode noise to the fully differential operational amplifier 121, the disturbance noise can be canceled by the differential output (Vop, Von) of the fully differential operational amplifier 121.

しかしその反面、図8に示すような回路構成であっても、静電容量センサー103の2つの端子X1,X2に印加する電圧が一定値に安定せず、CV変換回路120の動作と同期しないノイズ成分によって変動している場合には、全差動オペアンプ121の差動出力(Vop,Von)にその印加電圧の変動分(ノイズ成分)がそのまま現れてしまい、測定誤差の要因になるという問題がある。特に、このようなセンサーデバイスにおいて静電容量センサー103に印加する電圧は、そのセンサーデバイスが実装される機器の外部電源から供給されるものであるため、その外部電源に一般的なDC/DCコンバータなどが用いられていれば、比較的大きなリプルがノイズ成分となり、外力(加速度)が作用したときの静電容量変化を正確に検知することができなくなる。   However, on the other hand, even with the circuit configuration as shown in FIG. 8, the voltage applied to the two terminals X1 and X2 of the capacitance sensor 103 is not stabilized at a constant value and does not synchronize with the operation of the CV conversion circuit 120. When it fluctuates due to a noise component, a variation (noise component) of the applied voltage appears as it is in the differential output (Vop, Von) of the fully differential operational amplifier 121, which causes a measurement error. There is. In particular, since the voltage applied to the capacitance sensor 103 in such a sensor device is supplied from an external power source of a device in which the sensor device is mounted, a general DC / DC converter is used for the external power source. Etc. is used, a relatively large ripple becomes a noise component, and it becomes impossible to accurately detect a change in capacitance when an external force (acceleration) is applied.

図9は、図8の回路において端子X1に印加する電圧VHにノイズ成分Vzが含まれる場合の回路動作を説明する図である。図9では、端子X1に印加される電圧VHがVref+Vcであり、この電圧VHにノイズ成分Vzが重畳されている場合を例示している。また端子X2に印加される電圧VLは、Vref−Vcである。このとき、可変容量コンデンサ110の静電容量CがC+ΔCに変化しており、可変容量コンデンサ111の静電容量CがC−ΔCに変化しているとすると、可変容量コンデンサ110には電荷Q=(C+ΔC)(Vc+Vz)が蓄積され、可変容量コンデンサ111には電荷Q=−(C−ΔC)Vcが蓄積される。したがって、センサー部101から信号処理回路102に対する電荷移動量Q1は、Q1=−(2ΔCVc+ΔCVz+CVz)となる。一方、ダミー素子140のコンデンサ141には、電荷蓄積は生じないため、Q=0である。したがって、ダミー素子140のコンデンサ141からの電荷移動量Q2は、Q2=0である。   FIG. 9 is a diagram for explaining the circuit operation when the noise component Vz is included in the voltage VH applied to the terminal X1 in the circuit of FIG. FIG. 9 illustrates a case where the voltage VH applied to the terminal X1 is Vref + Vc, and the noise component Vz is superimposed on the voltage VH. The voltage VL applied to the terminal X2 is Vref−Vc. At this time, if the capacitance C of the variable capacitor 110 is changed to C + ΔC and the capacitance C of the variable capacitor 111 is changed to C−ΔC, the charge Q = (C + ΔC) (Vc + Vz) is accumulated, and charge Q = − (C−ΔC) Vc is accumulated in the variable capacitor 111. Therefore, the charge transfer amount Q1 from the sensor unit 101 to the signal processing circuit 102 is Q1 = − (2ΔCVc + ΔCVz + CVz). On the other hand, since no charge accumulation occurs in the capacitor 141 of the dummy element 140, Q = 0. Therefore, the charge transfer amount Q2 from the capacitor 141 of the dummy element 140 is Q2 = 0.

このとき、全差動オペアンプ121のフィードバックコンデンサCf1には電荷Q=−(2ΔCVc+ΔCVz+CVz)/2が蓄積され、フィードバックコンデンサCf2には電荷Q=(2ΔCVc+ΔCVz+CVz)/2が蓄積される。そして全差動オペアンプ121の非反転出力端子からの出力信号Vopは、Vop=−(2ΔCVc+ΔCVz+CVz)/2Cf+Vrefとなり、反転出力端子からの出力信号Vonは、Von=(2ΔCVc+ΔCVz+CVz)/2Cf+Vrefとなる。尚、Cfは、フィードバックコンデンサCf1,Cf2の静電容量である。したがって、端子X1に印加される電圧VHにノイズ成分Vzが含まれていると、出力信号Vopにはノイズ成分−(ΔCVz+CVz)/2Cfが含まれることになり、また出力信号Vonにはノイズ成分(ΔCVz+CVz)/2Cfが含まれることになる。   At this time, the charge Q = − (2ΔCVc + ΔCVz + CVz) / 2 is accumulated in the feedback capacitor Cf1 of the fully differential operational amplifier 121, and the charge Q = (2ΔCVc + ΔCVz + CVz) / 2 is accumulated in the feedback capacitor Cf2. The output signal Vop from the non-inverting output terminal of the fully differential operational amplifier 121 is Vop = − (2ΔCVc + ΔCVz + CVz) / 2Cf + Vref, and the output signal Von from the inverting output terminal is Von = (2ΔCVc + ΔCVz + CVz) / 2Cf + Vref. Cf is the capacitance of the feedback capacitors Cf1 and Cf2. Therefore, if the voltage VH applied to the terminal X1 includes the noise component Vz, the output signal Vop includes the noise component − (ΔCVz + CVz) / 2Cf, and the output signal Von includes the noise component ( ΔCVz + CVz) / 2Cf is included.

ここで、出力信号Vop,Vonに含まれるノイズ成分に着目すると、静電容量Cの変化分ΔCは、フィードバックコンデンサCf1,Cf2の静電容量Cfと比較すると極めて小さい値である。つまり、ΔC/Cf<<1となるため、ΔCVz/2Cfのノイズ項は、極めて小さい値となり、無視できる。これに対し、残ったCVz/2Cfのノイズ項は、比較的大きな値となるため無視できない。よって、端子X1に印加された電圧VHに含まれるノイズ成分Vzの影響を低減するためには、CVz/2Cfのノイズ項をキャンセルして出力することが望まれる。   Here, paying attention to the noise components included in the output signals Vop and Von, the change amount ΔC of the capacitance C is extremely small compared to the capacitances Cf of the feedback capacitors Cf1 and Cf2. That is, since ΔC / Cf << 1, the noise term of ΔCVz / 2Cf is an extremely small value and can be ignored. On the other hand, the remaining CVz / 2Cf noise term is a relatively large value and cannot be ignored. Therefore, in order to reduce the influence of the noise component Vz included in the voltage VH applied to the terminal X1, it is desirable to cancel and output the CVz / 2Cf noise term.

そこで本発明は、上記課題を解決するため、外部電源から供給される外部電圧にノイズ成分が含まれる場合であっても、そのノイズ成分を低減して出力できるセンサーデバイスを提供することを目的とする。   Therefore, in order to solve the above problems, the present invention has an object to provide a sensor device capable of reducing and outputting a noise component even when the external voltage supplied from an external power source includes the noise component. To do.

上記目的を達成するため、本発明が解決手段として採用したところは、所定方向に移動可能な可動電極を挟んで一対の固定電極が設けられ、各固定電極と可動電極との間に形成される第1及び第2の可変容量コンデンサによって静電容量センサーが構成され、一対の固定電極に対して外部電源から供給される極性の異なる外部電圧が印加されることにより、第1及び第2の可変容量コンデンサのそれぞれに蓄積される電荷量に応じた信号を可動電極から出力するセンサー部と、センサー部からの信号を処理する信号処理回路と、を有するセンサーデバイスであって、信号処理回路は、第1の可変容量コンデンサと静電容量が略同一である第1の固定容量コンデンサと、第2の可変容量コンデンサと静電容量が略同一である第2の固定容量コンデンサと、一方の入力端子にセンサー部から出力される出力信号を入力し、他方の入力端子に第1及び第2の固定容量コンデンサが互いに接続された共通端子が接続される全差動オペアンプを有し、センサー部から出力される出力信号をCV変換するCV変換回路と、を備え、第1の固定容量コンデンサにおける共通端子とは異なる他方の端子を、第1の可変容量コンデンサに印加される外部電圧の接続端子に接続し、第2の固定容量コンデンサにおける共通端子とは異なる他方の端子を、第2の可変容量コンデンサに印加される外部電圧の接続端子に接続したことを特徴とする構成にある。   In order to achieve the above object, the present invention adopts as a solution means that a pair of fixed electrodes are provided across a movable electrode movable in a predetermined direction, and formed between each fixed electrode and the movable electrode. A capacitance sensor is formed by the first and second variable capacitors, and external voltages having different polarities supplied from an external power source are applied to the pair of fixed electrodes, whereby the first and second variable capacitors are applied. A sensor device having a sensor unit that outputs a signal corresponding to the amount of charge accumulated in each of the capacitance capacitors from the movable electrode, and a signal processing circuit that processes the signal from the sensor unit, the signal processing circuit, A first fixed capacitor having substantially the same capacitance as the first variable capacitor, and a second fixed capacitor having substantially the same capacitance as the second variable capacitor. A fully differential operational amplifier in which an output signal output from the sensor unit is input to one of the input terminals and a common terminal in which the first and second fixed capacitors are connected to each other is connected to the other input terminal. And a CV conversion circuit that CV-converts an output signal output from the sensor unit, and the other terminal different from the common terminal of the first fixed capacitor is applied to the first variable capacitor. A configuration in which the other terminal different from the common terminal in the second fixed capacitor is connected to the connection terminal for the external voltage applied to the second variable capacitor, connected to the external voltage connection terminal. It is in.

また上記構成においては、さらに、信号処理回路が、第1の可変容量コンデンサに印加する外部電圧を、基準電圧を中心して所定周期で極性を反転させる第1のスイッチ群と、第2の可変容量コンデンサに印加する外部電圧を、第1の可変容量コンデンサに印加する外部電圧との関係で逆極性となるように基準電圧を中心して所定周期で極性を反転させる第2のスイッチ群と、を備えるものとし、第1の固定容量コンデンサにおける共通端子とは異なる他方の端子を、第1の可変容量コンデンサと第1のスイッチ群との間に接続し、第2の固定容量コンデンサにおける共通端子とは異なる他方の端子を、第2の可変容量コンデンサと第2のスイッチ群との間に接続したことを特徴とする構成を採用しても良い。   In the above configuration, the signal processing circuit further includes a first switch group for inverting the polarity of the external voltage applied to the first variable capacitor at a predetermined cycle centered on the reference voltage, and the second variable capacitor. A second switch group that reverses the polarity at a predetermined period around the reference voltage so that the external voltage applied to the capacitor has a reverse polarity in relation to the external voltage applied to the first variable capacitor. The other terminal different from the common terminal in the first fixed capacitor is connected between the first variable capacitor and the first switch group, and the common terminal in the second fixed capacitor is You may employ | adopt the structure characterized by connecting the other different terminal between the 2nd variable capacitor and the 2nd switch group.

さらに上記構成においては、第1及び第2の固定容量コンデンサが、センサー部とは異なる半導体チップ上に形成されることを特徴とする構成を採用することがより好ましい。   Further, in the above configuration, it is more preferable to employ a configuration in which the first and second fixed capacitors are formed on a semiconductor chip different from the sensor unit.

本発明によれば、静電容量センサーに印加される外部電圧にノイズ成分が含まれる場合であっても、それと同じ外部電圧が第1の固定容量コンデンサ又は第2の固定容量コンデンサにも印加されるようになるため、そのようなノイズ成分を低減して出力することができるようになる。   According to the present invention, even when the external voltage applied to the capacitance sensor includes a noise component, the same external voltage is also applied to the first fixed capacitor or the second fixed capacitor. As a result, such noise components can be reduced and output.

センサーデバイスの一構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows one structural example of a sensor device. 静電容量センサーの両端の端子に印加される電圧波形を示す図である。It is a figure which shows the voltage waveform applied to the terminal of the both ends of an electrostatic capacitance sensor. 印加電圧が第1区間から第2区間へ遷移したときの電荷移動を示す図である。It is a figure which shows an electric charge movement when an applied voltage changes from a 1st area to a 2nd area. 印加電圧が第2区間から第3区間へ遷移したときの電荷移動を示す図である。It is a figure which shows an electric charge movement when an applied voltage changes from a 2nd area to a 3rd area. 印加電圧が第3区間から第4区間へ遷移したときの電荷移動を示す図である。It is a figure which shows an electric charge movement when an applied voltage changes from a 3rd area to a 4th area. 外部電源から供給される電圧にノイズ成分が含まれている状態での電荷移動を示す図である。It is a figure which shows electric charge movement in the state in which the noise component is contained in the voltage supplied from an external power supply. センサーデバイスの他の回路構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the other circuit structure of a sensor device. 外乱ノイズの影響を低減するセンサーデバイスの回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the sensor device which reduces the influence of disturbance noise. 図8の回路において印加電圧にノイズが含まれる場合の動作を説明する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an operation when noise is included in an applied voltage in the circuit of FIG. 8.

以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the embodiments described below, members that are common to each other are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted.

図1は、本発明の一実施形態におけるセンサーデバイス1の構成を示す回路図である。このセンサーデバイス1は、主に、MEMSプロセスによってMEMSチップ上に形成されるセンサー部2と、CMOSプロセスによって半導体チップ上に形成される信号処理回路4とを備え、これらが1つにパッケージングされて例えばスマートフォンやタブレット端末などの外部機器に実装可能なデバイスとして構成される。   FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a sensor device 1 according to an embodiment of the present invention. This sensor device 1 mainly includes a sensor unit 2 formed on a MEMS chip by a MEMS process and a signal processing circuit 4 formed on a semiconductor chip by a CMOS process, and these are packaged into one. For example, it is configured as a device that can be mounted on an external device such as a smartphone or a tablet terminal.

センサー部2は、加速度を検知するセンサーとして構成される。このセンサー部2は、所定方向の加速度が作用した場合にその加速度によって静電容量を変化させる静電容量センサー3を備えている。静電容量センサー3は、2つの固定電極11,12の間に可動電極13が配置されており、固定電極11と可動電極13とから成る第1の可変容量コンデンサ31と、固定電極12と可動電極13とから成る第2の可変容量コンデンサ32とを有する。センサー部2に対して加速度が作用していないとき、静電容量センサー3の可動電極13は、図示を省略するバネによって2つの固定電極11,12の間の中間位置に保持される。したがって、2つの可変容量コンデンサ31,32の静電容量は互いに等しい値Cとなる。これに対し、センサー部2に所定方向の加速度が作用すると、静電容量センサー3の可動電極13が2つの固定電極11,12の間の中間位置から変位し、2つの可変容量コンデンサ31,32の静電容量Cが相対的に変化する。一方の静電容量CがΔCだけ増加すると、他方の静電容量CがΔCだけ減少する。このとき、一対の固定電極11,12に対して外部電源から供給される極性の異なる外部電圧が印加されていると、静電容量センサー3は、2つの可変容量コンデンサ31,32のそれぞれの静電容量(C+ΔC),(C−ΔC)に応じた電荷を蓄積し、その電荷量に応じた信号を出力する。尚、センサー部2の出力端子は、可動電極13に接続されている。   The sensor unit 2 is configured as a sensor that detects acceleration. The sensor unit 2 includes a capacitance sensor 3 that changes capacitance according to the acceleration when acceleration in a predetermined direction is applied. In the electrostatic capacitance sensor 3, the movable electrode 13 is disposed between the two fixed electrodes 11, 12, the first variable capacitor 31 including the fixed electrode 11 and the movable electrode 13, the fixed electrode 12 and the movable electrode 13 are movable. And a second variable capacitor 32 composed of the electrode 13. When acceleration is not acting on the sensor unit 2, the movable electrode 13 of the capacitance sensor 3 is held at an intermediate position between the two fixed electrodes 11 and 12 by a spring (not shown). Accordingly, the capacitances of the two variable capacitors 31 and 32 are equal to each other. On the other hand, when acceleration in a predetermined direction acts on the sensor unit 2, the movable electrode 13 of the capacitance sensor 3 is displaced from an intermediate position between the two fixed electrodes 11, 12, and the two variable capacitors 31, 32. The electrostatic capacitance C of the relative changes. When one capacitance C increases by ΔC, the other capacitance C decreases by ΔC. At this time, when external voltages having different polarities supplied from an external power source are applied to the pair of fixed electrodes 11 and 12, the electrostatic capacitance sensor 3 causes the static capacitance of the two variable capacitors 31 and 32. Charges corresponding to the electric capacities (C + ΔC) and (C−ΔC) are accumulated, and a signal corresponding to the charge amount is output. Note that the output terminal of the sensor unit 2 is connected to the movable electrode 13.

信号処理回路4は、センサー部2から出力される信号を処理する回路であり、CV変換回路5と、ダミー素子6と、サンプリング回路7と、入力コモンモードフィードバック回路9とを備えて構成される。また信号処理回路4には、後述する各種スイッチを開閉する制御回路が別途設けられるが、これについては図示を省略している。   The signal processing circuit 4 is a circuit that processes a signal output from the sensor unit 2, and includes a CV conversion circuit 5, a dummy element 6, a sampling circuit 7, and an input common mode feedback circuit 9. . The signal processing circuit 4 is separately provided with a control circuit for opening and closing various switches, which will be described later, but this is not shown.

ダミー素子6は、センサー部2に加速度が作用していない状態の静電容量センサー3を模した動作を行うための素子であり、半導体チップ上に形成された静電容量固定の2つの固定容量コンデンサ61,62を備えて構成される。これら2つのコンデンサ61,62のうち、第1のコンデンサ61は、静電容量センサー3において可動電極13が2つの固定電極11,12の間の中間位置にある状態の第1の可変容量コンデンサ31の静電容量Cと略同一の静電容量Cを有する。また第2のコンデンサ62は、静電容量センサー3において可動電極13が2つの固定電極11,12の間の中間位置にある状態の第2の可変容量コンデンサ32の静電容量Cと略同一の静電容量Cを有する。本実施形態では、これら2つのコンデンサ61,62の静電容量Cは、互いに等しい値となっている。   The dummy element 6 is an element for performing an operation simulating the capacitance sensor 3 in a state where no acceleration is applied to the sensor unit 2, and has two fixed capacitances that are fixed on the capacitance formed on the semiconductor chip. Capacitors 61 and 62 are provided. Of these two capacitors 61, 62, the first capacitor 61 is the first variable capacitor 31 in the state where the movable electrode 13 is in an intermediate position between the two fixed electrodes 11, 12 in the capacitance sensor 3. The electrostatic capacitance C is substantially the same as the electrostatic capacitance C. The second capacitor 62 is substantially the same as the capacitance C of the second variable capacitor 32 in the state where the movable electrode 13 is in the middle position between the two fixed electrodes 11 and 12 in the capacitance sensor 3. It has a capacitance C. In the present embodiment, the capacitances C of these two capacitors 61 and 62 are equal to each other.

ここで、本実施形態では、ダミー素子6を信号処理回路4に設けているが、信号処理回路4へ設ける代わりに、例えばMEMS構造で構成されるセンサー部2に対して静電容量センサー3とほぼ同様の構造でダミー素子6を形成しても良い。ただし、その場合は、MEMSプロセスによって静電容量センサー3とダミー素子6との双方をセンサー部2に形成する必要があり、センサー部2の大型化を避けられない。それ故、センサーデバイス1のサイズ自体も大型化してしまい、スマートフォンなどの小型の外部機器への実装には適さないサイズになってしまうという問題が生じる。そこで本実施形態では、そのような問題の発生を避けるべく、上述したダミー素子6を信号処理回路4に設け、2つのコンデンサ61,62を、CMOSプロセスで半導体チップ上に形成することにより、ダミー素子6を縮小形成してセンサーデバイス1の小型化を実現しているのである。   Here, in the present embodiment, the dummy element 6 is provided in the signal processing circuit 4, but instead of being provided in the signal processing circuit 4, for example, the capacitance sensor 3 and the sensor unit 2 configured by a MEMS structure are provided. The dummy element 6 may be formed with a substantially similar structure. However, in that case, it is necessary to form both the capacitance sensor 3 and the dummy element 6 in the sensor unit 2 by the MEMS process, and the size of the sensor unit 2 cannot be avoided. Therefore, the size of the sensor device 1 itself is increased, and there is a problem that the size becomes unsuitable for mounting on a small external device such as a smartphone. Therefore, in this embodiment, in order to avoid the occurrence of such a problem, the dummy element 6 described above is provided in the signal processing circuit 4, and the two capacitors 61 and 62 are formed on the semiconductor chip by the CMOS process. The element 6 is reduced in size, and the sensor device 1 is reduced in size.

CV変換回路5は、全差動オペアンプ20を備えており、センサー部2から出力される出力信号をCV変換する回路である。全差動オペアンプ20の一方の入力端子である反転入力端子は、センサー部2に設けられた可動電極13に繋がるラインL1を介して静電容量センサー3に接続されており、センサー部2からの出力信号を入力する。また他方の入力端子である非反転入力端子は、ダミー素子6の2つのコンデンサ61,62が互いに接続された共通端子63に繋がるラインL2を介してそれら2つのコンデンサ61,62の共通端子63に接続されている。またラインL2は、ダミー素子6から更にラインL1と並走するように延設され、その端部がMEMSチップ上に形成されたセンサー部2に位置するように配線されている。   The CV conversion circuit 5 includes a fully differential operational amplifier 20 and is a circuit that performs CV conversion on an output signal output from the sensor unit 2. An inverting input terminal, which is one input terminal of the fully differential operational amplifier 20, is connected to the capacitance sensor 3 via a line L 1 connected to the movable electrode 13 provided in the sensor unit 2. Input the output signal. The other input terminal, the non-inverting input terminal, is connected to the common terminal 63 of the two capacitors 61 and 62 via the line L2 connected to the common terminal 63 to which the two capacitors 61 and 62 of the dummy element 6 are connected to each other. It is connected. The line L2 is further extended from the dummy element 6 so as to run in parallel with the line L1, and is wired so that the end thereof is positioned in the sensor unit 2 formed on the MEMS chip.

全差動オペアンプ20の反転入力端子と非反転出力端子との間には、フィードバックコンデンサCf1とスイッチSf1とが並列接続されている。コンデンサCf1は、静電容量Cfである。スイッチSf1はコンデンサCf1に蓄積された電荷を放電させるためのものであり、図示しない制御回路によってオンオフ制御される。また全差動オペアンプ20の非反転入力端子と反転出力端子との間にも、フィードバックコンデンサCf2とスイッチSf2とが並列接続されている。コンデンサCf2は、コンデンサCf1と同容量Cfである。スイッチSf2はコンデンサCf2に蓄積された電荷を放電させるためのものであり、図示しない制御回路によってスイッチSf1と同じタイミングでオンオフ制御される。このような全差動オペアンプ20は、反転入力端子の電位Vinと非反転入力端子の電位Vipとが等しくなるように動作すると共に、図示を省略する出力コモンモードフィードバック回路によって非反転出力端子の出力信号Vopと反転出力端子の出力信号Vonとの平均値が基準電圧Vrefとなるように動作する。   A feedback capacitor Cf1 and a switch Sf1 are connected in parallel between the inverting input terminal and the non-inverting output terminal of the fully differential operational amplifier 20. The capacitor Cf1 is a capacitance Cf. The switch Sf1 is for discharging the electric charge accumulated in the capacitor Cf1, and is on / off controlled by a control circuit (not shown). A feedback capacitor Cf2 and a switch Sf2 are also connected in parallel between the non-inverting input terminal and the inverting output terminal of the fully differential operational amplifier 20. The capacitor Cf2 has the same capacitance Cf as the capacitor Cf1. The switch Sf2 is for discharging the electric charge accumulated in the capacitor Cf2, and is on / off controlled at the same timing as the switch Sf1 by a control circuit (not shown). The fully differential operational amplifier 20 operates so that the potential Vin of the inverting input terminal is equal to the potential Vip of the non-inverting input terminal, and the output of the non-inverting output terminal is output by an output common mode feedback circuit (not shown). It operates so that the average value of the signal Vop and the output signal Von of the inverting output terminal becomes the reference voltage Vref.

また全差動オペアンプ20の反転入力端子及び非反転入力端子のそれぞれに入力するラインL1,L2には、入力コモンモードフィードバック回路9が接続されている。この入力コモンモードフィードバック回路9は、反転入力端子の電位Vinと非反転入力端子の電位Vipの平均値が基準電圧Vrefとなるように制御する回路である。したがって、この入力コモンモードフィードバック回路9の作用により、全差動オペアンプ20の反転入力端子の電位Vinと非反転入力端子の電位Vipが基準電圧Vrefに保持される。   An input common mode feedback circuit 9 is connected to the lines L1 and L2 that are input to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the fully differential operational amplifier 20, respectively. The input common mode feedback circuit 9 is a circuit that controls the average value of the potential Vin of the inverting input terminal and the potential Vip of the non-inverting input terminal to be the reference voltage Vref. Therefore, by the action of the input common mode feedback circuit 9, the potential Vin of the inverting input terminal and the potential Vip of the non-inverting input terminal of the fully differential operational amplifier 20 are held at the reference voltage Vref.

このようなCV変換回路5は、各ラインL1,L2の電荷移動量に応じた電荷をフィードバックコンデンサCf1,Cf2に蓄積し、それらフィードバックコンデンサCf1,Cf2に蓄積された電荷量に応じた出力信号Vop,Vonを出力する。   Such a CV conversion circuit 5 accumulates charges corresponding to the charge transfer amounts of the lines L1 and L2 in the feedback capacitors Cf1 and Cf2, and outputs an output signal Vop corresponding to the charge amounts accumulated in the feedback capacitors Cf1 and Cf2. , Von.

サンプリング回路7は、CV変換回路5から出力される出力信号Vop,Vonを所定のタイミングでサンプリングして出力する回路である。本実施形態では、サンプリング回路7として、出力相関二重サンプリング回路を採用している。このサンプリング回路7は、CV変換回路5の出力信号Vopをサンプリングして出力するために、コンデンサCp1,Cp2とスイッチSp1,Sp2とを備えている。コンデンサCp1の一端は、全差動オペアンプ20の非反転出力端子に接続され、他端はスイッチSp2の一端に接続される。またコンデンサCp1とスイッチSp2との間には、スイッチSp1の一端が接続されており、そのスイッチSp1の他端は基準電圧Vrefに保持されている。スイッチSp2の他端はサンプリング回路7の出力端子Voutpとなっており、その出力端子VoutpはコンデンサCp2を介して基準電圧Vrefに接続されている。またCV変換回路5の出力信号Vonをサンプリングして出力するために、サンプリング回路7は、コンデンサCn1,Cn2とスイッチSn1,Sn2とを備えている。これらコンデンサCn1,Cn2とスイッチSn1,Sn2との接続状態は、上述したコンデンサCp1,Cp2とスイッチSp1,Sp2との接続状態と同様である。   The sampling circuit 7 is a circuit that samples and outputs the output signals Vop and Von output from the CV conversion circuit 5 at a predetermined timing. In this embodiment, an output correlated double sampling circuit is employed as the sampling circuit 7. The sampling circuit 7 includes capacitors Cp1 and Cp2 and switches Sp1 and Sp2 in order to sample and output the output signal Vop of the CV conversion circuit 5. One end of the capacitor Cp1 is connected to the non-inverting output terminal of the fully differential operational amplifier 20, and the other end is connected to one end of the switch Sp2. One end of the switch Sp1 is connected between the capacitor Cp1 and the switch Sp2, and the other end of the switch Sp1 is held at the reference voltage Vref. The other end of the switch Sp2 is an output terminal Voutp of the sampling circuit 7, and the output terminal Voutp is connected to the reference voltage Vref via the capacitor Cp2. In order to sample and output the output signal Von of the CV conversion circuit 5, the sampling circuit 7 includes capacitors Cn1 and Cn2 and switches Sn1 and Sn2. The connection state between the capacitors Cn1, Cn2 and the switches Sn1, Sn2 is the same as the connection state between the capacitors Cp1, Cp2 and the switches Sp1, Sp2.

このようなサンプリング回路7は、はじめにスイッチSp2,Sn2を開放した状態でスイッチSp1,Sn1を閉じることにより、コンデンサCp1,Cn1においてCV変換回路5からの出力信号Vop,Vonの1回目のサンプリングを行うことにより、出力信号Vop,Vonと基準電圧Vrefとの電位差に基づく電荷をコンデンサCp1,Cn1のそれぞれに蓄積する。そしてスイッチSp2,Sn2を開放した状態のまま、次にスイッチSp1,Sn1を開放し、CV変換回路5からの出力信号Vop,Vonの2回目のサンプリングを行い、その状態でスイッチSp2,Sn2を閉じることにより、出力信号Voutp,Voutnを出力する。つまり、サンプリング回路7は、1回目のサンプリング時にコンデンサCp1,Cn1に蓄積された電荷を保持したまま2回目のサンプリングを行うことにより、2回目のサンプリング時の出力信号Vop,Vonに対して、コンデンサCp1,Cn1に蓄積されている電荷相当分の電位差を反映させた出力信号Voutp,Voutnを出力する。このようなサンプリングを行うことにより、CV変換回路5における全差動オペアンプ20のオフセット電圧やkT/Cノイズなどをキャンセルした出力信号Voutp,Voutnを出力することができる。尚、サンプリング回路7における各スイッチSp1,Sp2,Sn1,Sn2は、図示しない制御回路によってオンオフ制御される。   Such a sampling circuit 7 first samples the output signals Vop and Von from the CV conversion circuit 5 in the capacitors Cp1 and Cn1 by closing the switches Sp1 and Sn1 with the switches Sp2 and Sn2 open. As a result, charges based on the potential difference between the output signals Vop and Von and the reference voltage Vref are accumulated in the capacitors Cp1 and Cn1, respectively. Then, with the switches Sp2 and Sn2 open, the switches Sp1 and Sn1 are opened, the output signals Vop and Von from the CV conversion circuit 5 are sampled for the second time, and the switches Sp2 and Sn2 are closed in that state. As a result, output signals Voutp and Voutn are output. That is, the sampling circuit 7 performs the second sampling while holding the electric charges accumulated in the capacitors Cp1 and Cn1 at the first sampling, so that the output circuit Vop and Von at the second sampling can be compared with the capacitors. Output signals Voutp and Voutn reflecting the potential difference corresponding to the charges accumulated in Cp1 and Cn1 are output. By performing such sampling, it is possible to output the output signals Voutp and Voutn in which the offset voltage of the fully differential operational amplifier 20 in the CV conversion circuit 5 and kT / C noise are canceled. The switches Sp1, Sp2, Sn1, Sn2 in the sampling circuit 7 are on / off controlled by a control circuit (not shown).

また信号処理回路4には、センサー部2の静電容量センサー3に、外部電圧Vref,VH,VLを印加するための接続端子X1,X2が設けられている。接続端子X1には、静電容量センサー3の一方の固定電極11が接続されると共に、外部電源から供給される3種類の外部電圧Vref,VH,VLのうちから一方の固定電極11に印加する電圧を切り替えるための3つのスイッチS11,S12,S13から成る第1のスイッチ群S10が接続されている。また接続端子X2には、静電容量センサー3の他方の固定電極12が接続されると共に、外部電源から供給される3種類の外部電圧Vref,VH,VLのうちから他方の固定電極12に印加する電圧を切り替えるための3つのスイッチS21,S22,S23から成る第2のスイッチ群S20が接続されている。ここで、Vrefは基準電圧であり、VHは基準電圧Vrefよりも所定電圧Vcだけ高い電圧(Vref+Vc)であり、VLは基準電圧Vrefよりも所定電圧Vcだけ低い電圧(Vref−Vc)である。これら3種類の電圧は、センサーデバイス1が実装される機器に設けられた外部電源で生成され、信号処理回路4に供給される。尚、Vc=Vrefの場合、VH=2Vrefとなり、VL=0となる。   The signal processing circuit 4 is provided with connection terminals X1 and X2 for applying external voltages Vref, VH, and VL to the capacitance sensor 3 of the sensor unit 2. One fixed electrode 11 of the capacitance sensor 3 is connected to the connection terminal X1, and is applied to one fixed electrode 11 from three types of external voltages Vref, VH, and VL supplied from an external power source. A first switch group S10 including three switches S11, S12, and S13 for switching voltages is connected. The other fixed electrode 12 of the capacitance sensor 3 is connected to the connection terminal X2, and applied to the other fixed electrode 12 from three types of external voltages Vref, VH, and VL supplied from an external power source. A second switch group S20 including three switches S21, S22, and S23 for switching the voltage to be connected is connected. Here, Vref is a reference voltage, VH is a voltage (Vref + Vc) higher than the reference voltage Vref by a predetermined voltage Vc, and VL is a voltage (Vref−Vc) lower than the reference voltage Vref by a predetermined voltage Vc. These three types of voltages are generated by an external power source provided in a device on which the sensor device 1 is mounted and supplied to the signal processing circuit 4. When Vc = Vref, VH = 2Vref and VL = 0.

第1のスイッチ群S10に含まれる各スイッチS11,S12,S13は、図示しない制御回路の制御によって択一的にオン状態(閉状態)に切り替わる。同様に、第2のスイッチ群S20に含まれる各スイッチS21,S22,S23は、第1のスイッチ群S10と同期して択一的にオン状態(閉状態)に切り替わる。本実施形態では、このような切り替え制御により、静電容量センサー3の両端に対し、基準電圧Vrefを中心して一定周期で極性が切り替わる電圧を印加する。   Each switch S11, S12, S13 included in the first switch group S10 is alternatively switched to an on state (closed state) under the control of a control circuit (not shown). Similarly, each switch S21, S22, S23 included in the second switch group S20 is alternatively switched to an on state (closed state) in synchronization with the first switch group S10. In the present embodiment, by such switching control, a voltage whose polarity is switched at a constant cycle around the reference voltage Vref is applied to both ends of the capacitance sensor 3.

そしてダミー素子6に設けられた2つのコンデンサ61,62は、共通端子63とは異なる他方の端子64,65が静電容量センサー3に印加される外部電圧Vref,VH,VLの接続端子X1,X2に接続される。すなわち、コンデンサ61の他方の端子64が接続端子X1に接続され、コンデンサ62の他方の端子65が接続端子X2に接続される。したがって、コンデンサ61には可変容量コンデンサ31と同じ外部電圧が印加され、コンデンサ62には可変容量コンデンサ32と同じ外部電圧が印加されるようになる。   The two capacitors 61 and 62 provided in the dummy element 6 have the other terminals 64 and 65 different from the common terminal 63 connected to the external voltage Vref, VH, and VL applied to the electrostatic capacitance sensor 3. Connected to X2. That is, the other terminal 64 of the capacitor 61 is connected to the connection terminal X1, and the other terminal 65 of the capacitor 62 is connected to the connection terminal X2. Therefore, the same external voltage as that of the variable capacitor 31 is applied to the capacitor 61, and the same external voltage as that of the variable capacitor 32 is applied to the capacitor 62.

次に上記構成のセンサーデバイス1において静電容量センサー3に作用する加速度に応じた静電容量変化を検知するための基本的な回路動作について説明する。図2は、静電容量センサー3の両端(接続端子X1,X2)に対する印加電圧を示す図であり、(a)が端子X1に印加される電圧を、(b)が端子X2に印加される電圧を示している。本実施形態では、上述した第1のスイッチ群S10及び第2のスイッチ群S20を互いに同期させてオンオフの切り替え制御を行うことにより、図2に示すように、静電容量センサー3の両端X1,X2に対し、1周期Tsが第1区間Taと第2区間Tbと第3区間Tcと第4区間Tdとの4つの区間から成り、第2区間Tbと第4区間Tdとで互いに極性が反転する電圧を印加する。   Next, a basic circuit operation for detecting a change in capacitance according to the acceleration acting on the capacitance sensor 3 in the sensor device 1 having the above configuration will be described. FIG. 2 is a diagram showing applied voltages to both ends (connection terminals X1, X2) of the capacitance sensor 3, where (a) shows the voltage applied to the terminal X1, and (b) shows the voltage applied to the terminal X2. The voltage is shown. In the present embodiment, the above-described first switch group S10 and second switch group S20 are synchronized with each other to perform on / off switching control, so that as shown in FIG. For X2, one cycle Ts consists of four sections, a first section Ta, a second section Tb, a third section Tc, and a fourth section Td, and the polarities of the second section Tb and the fourth section Td are reversed. Apply the voltage.

第1区間Taにおいて、センサーデバイス1は、静電容量センサー3の2つの端子X1,X2の印加電圧を基準電圧Vrefにする。このとき、静電容量センサー3の2つの可変容量コンデンサ31,32には電荷蓄積が生じない。またダミー素子6のコンデンサ61,62にも電荷蓄積が生じない。この第1区間TaではCV変換回路5のスイッチSf1,Sf2を閉じることによってフィードバックコンデンサCf1,Cf2の電荷を放電させる。さらにサンプリング回路7のスイッチSp1,Sn1をオン(閉状態)とし、スイッチSp2,Sn2をオフ(開状態)とする。これにより、全差動オペアンプ20にオフセット電圧があれば、そのオフセット電圧に応じた電荷をコンデンサCp1,Cn1に蓄積しておくことができる。   In the first section Ta, the sensor device 1 sets the applied voltage of the two terminals X1 and X2 of the capacitance sensor 3 to the reference voltage Vref. At this time, no charge accumulation occurs in the two variable capacitors 31 and 32 of the capacitance sensor 3. Further, no charge accumulation occurs in the capacitors 61 and 62 of the dummy element 6. In the first section Ta, the switches Sf1 and Sf2 of the CV conversion circuit 5 are closed to discharge the feedback capacitors Cf1 and Cf2. Further, the switches Sp1 and Sn1 of the sampling circuit 7 are turned on (closed state), and the switches Sp2 and Sn2 are turned off (open state). Thus, if the fully differential operational amplifier 20 has an offset voltage, charges corresponding to the offset voltage can be stored in the capacitors Cp1 and Cn1.

そしてセンサーデバイス1は、第1区間Taから第2区間Tbへと遷移させるとき、CV変換回路5のスイッチSf1,Sf2を開放すると共に、静電容量センサー3の一方の端子X1に印加する電圧を基準電圧Vrefから電圧VHに切り替え、他方の端子X2に印加する電圧を基準電圧Vrefから電圧VLに切り替える。図3は、第1区間Taから第2区間Tbへ遷移したときの電荷移動を示す図である。図3に示すように第1区間Taから第2区間Tbへ遷移すると、可変容量コンデンサ31,32のそれぞれに電荷が蓄積される。このとき、静電容量センサー3に加速度が作用しており、可変容量コンデンサ31の静電容量CがC+ΔCに変化し、可変容量コンデンサ32の静電容量CがC−ΔCに変化していると仮定する。この場合、可変容量コンデンサ31には電荷Q=(C+ΔC)Vcの電荷が蓄積され、可変容量コンデンサ32には電荷Q=−(C−ΔC)Vcが蓄積される。一方、ダミー素子6にも静電容量センサー3と同じ電圧が印加されるため、コンデンサ61には電荷Q=CVcが蓄積され、コンデンサ62には電荷Q=−CVcが蓄積される。その結果、CV変換回路5のフィードバックコンデンサCf1には電荷Q=−ΔCVcが蓄積されると共に、フィードバックコンデンサCf2には電荷Q=ΔCVcが蓄積されるようになる。ただし、このとき入力コモンモードフィードバック回路9による電荷の吸収又は供給が行われる。そして全差動オペアンプ20の非反転出力端子から出力信号Vop=−ΔCVc/Cf+Vrefが出力され、反転出力端子から出力信号Von=ΔCVc/Cf+Vrefが出力されるようになる。これにより、サンプリング回路7のコンデンサCp1には、出力信号Vopと、出力側のノードNaの電位Va=Vrefとの電位差−ΔCVc/Cfに応じた電荷Qpが蓄積される。またコンデンサCn1には、出力信号Vonと、出力側のノードNbの電位Vb=Vrefとの電位差ΔCVc/Cfに応じた電荷Qnが蓄積される。   When the sensor device 1 makes a transition from the first section Ta to the second section Tb, the sensor device 1 opens the switches Sf1 and Sf2 of the CV conversion circuit 5 and applies a voltage to be applied to one terminal X1 of the capacitance sensor 3. The reference voltage Vref is switched to the voltage VH, and the voltage applied to the other terminal X2 is switched from the reference voltage Vref to the voltage VL. FIG. 3 is a diagram illustrating charge transfer when transitioning from the first section Ta to the second section Tb. As shown in FIG. 3, when the transition is made from the first section Ta to the second section Tb, charges are accumulated in the variable capacitors 31 and 32, respectively. At this time, acceleration acts on the capacitance sensor 3, and the capacitance C of the variable capacitor 31 changes to C + ΔC, and the capacitance C of the variable capacitor 32 changes to C−ΔC. Assume. In this case, the charge Q = (C + ΔC) Vc is accumulated in the variable capacitor 31, and the charge Q = − (C−ΔC) Vc is accumulated in the variable capacitor 32. On the other hand, since the same voltage as that of the capacitance sensor 3 is applied to the dummy element 6, the charge Q = CVc is accumulated in the capacitor 61 and the charge Q = −CVc is accumulated in the capacitor 62. As a result, the charge Q = −ΔCVc is accumulated in the feedback capacitor Cf1 of the CV conversion circuit 5, and the charge Q = ΔCVc is accumulated in the feedback capacitor Cf2. At this time, however, the charge is absorbed or supplied by the input common mode feedback circuit 9. Then, the output signal Vop = −ΔCVc / Cf + Vref is output from the non-inverting output terminal of the fully differential operational amplifier 20, and the output signal Von = ΔCVc / Cf + Vref is output from the inverting output terminal. As a result, the charge Qp corresponding to the potential difference −ΔCVc / Cf between the output signal Vop and the potential Va = Vref of the output-side node Na is accumulated in the capacitor Cp1 of the sampling circuit 7. The capacitor Cn1 stores a charge Qn corresponding to the potential difference ΔCVc / Cf between the output signal Von and the potential Vb = Vref of the output-side node Nb.

次に第2区間Tbから第3区間Tcへと遷移させるとき、センサーデバイス1は、まずサンプリング回路7のスイッチSp1,Sn1を開放し、コンデンサCp1,Cn1に蓄積した電荷を保存する。その後、静電容量センサー3の両端X1,X2に印加する電圧を再び基準電圧Vrefに切り替える。図4は、第2区間Tbから第3区間Tcへ遷移したときの電荷移動を示す図である。第3区間Tcにおいて静電容量センサー3の両端X1,X2が再び基準電圧Vrefに戻ると、第2区間Tbで2つの可変容量コンデンサ31,32に蓄積された電荷を0にするための電荷移動が起こる。同様に、ダミー素子6においても各コンデンサ61,62に蓄積されている電荷を0にするための電荷移動が起こる。その結果、図4に示すように、フィードバックコンデンサCf1,Cf2はそれぞれ電荷Q=0となり、全差動オペアンプ20の出力信号Vop,Vonが共に基準電圧Vrefとなる。このとき、サンプリング回路7のコンデンサCp1,Cn1は電荷Qp,Qnを蓄積した状態のままであるため、コンデンサCp1,Cn1の出力側のノードNa,Nbの電位Va,Vbは、それぞれVa=ΔCVc/Cf+Vref、Vb=−ΔCVc/Cf+Vrefとなる。   Next, when transitioning from the second section Tb to the third section Tc, the sensor device 1 first opens the switches Sp1 and Sn1 of the sampling circuit 7, and stores the charges accumulated in the capacitors Cp1 and Cn1. Thereafter, the voltage applied to both ends X1 and X2 of the capacitance sensor 3 is switched to the reference voltage Vref again. FIG. 4 is a diagram illustrating charge transfer when transitioning from the second section Tb to the third section Tc. When both ends X1 and X2 of the capacitance sensor 3 return to the reference voltage Vref again in the third section Tc, the charge movement for setting the charges accumulated in the two variable capacitors 31 and 32 in the second section Tb to zero. Happens. Similarly, in the dummy element 6, charge transfer for reducing the charge accumulated in the capacitors 61 and 62 to 0 occurs. As a result, as shown in FIG. 4, the feedback capacitors Cf1 and Cf2 each have a charge Q = 0, and the output signals Vop and Von of the fully differential operational amplifier 20 both become the reference voltage Vref. At this time, since the capacitors Cp1 and Cn1 of the sampling circuit 7 remain in the state where charges Qp and Qn are accumulated, the potentials Va and Vb of the nodes Na and Nb on the output side of the capacitors Cp1 and Cn1 are Va = ΔCVc / Cf + Vref, Vb = −ΔCVc / Cf + Vref.

次に第3区間Tcから第4区間Tdへと遷移させるとき、センサーデバイス1は、静電容量センサー3の一方の端子X1に印加する電圧を基準電圧Vrefから電圧VLに切り替え、他方の端子X2に印加する電圧を基準電圧Vrefから電圧VHに切り替える。図5は、第3区間Tcから第4区間Tdへ遷移したときの電荷移動を示す図である。図5に示すように第3区間Tcから第4区間Tdへ遷移すると、可変容量コンデンサ31,32のそれぞれに再び電荷が蓄積される。すなわち、可変容量コンデンサ31には電荷Q=−(C+ΔC)Vcが蓄積され、可変容量コンデンサ32には電荷Q=(C−ΔC)Vcが蓄積される。一方、ダミー素子6にも静電容量センサー3と同じ電圧が印加されるため、コンデンサ61には電荷Q=−CVcが蓄積され、コンデンサ62には電荷Q=CVcが蓄積される。その結果、CV変換回路5のフィードバックコンデンサCf1には電荷Q=ΔCVcが蓄積されると共に、フィードバックコンデンサCf2には電荷Q=−ΔCVcが蓄積されるようになり、全差動オペアンプ20の非反転出力端子から出力信号Vop=ΔCVc/Cf+Vrefが出力され、反転出力端子から出力信号Von=−ΔCVc/Cf+Vrefが出力される。このとき、サンプリング回路7のコンデンサCp1,Cn1は電荷Qp,Qnを蓄積した状態のままである。そのため、コンデンサCp1の出力側のノードNaの電位Vaは、Va=2ΔCVc/Cf+Vrefとなり、コンデンサCn1の出力側のノードNbの電位Vbは、Vb=−2ΔCVc/Cf+Vrefとなる。したがって、この第4区間TdにおけるコンデンサCp1,Cn1の出力側の電位Va,Vbは、第3区間Tcにおける電位Va,Vbと比較すると、静電容量センサー3の静電容量変位分ΔCに相当する成分が2倍に増幅された電位となる。   Next, when transitioning from the third section Tc to the fourth section Td, the sensor device 1 switches the voltage applied to one terminal X1 of the capacitance sensor 3 from the reference voltage Vref to the voltage VL, and the other terminal X2 Is switched from the reference voltage Vref to the voltage VH. FIG. 5 is a diagram showing the charge transfer when the transition is from the third section Tc to the fourth section Td. As shown in FIG. 5, when the transition is made from the third section Tc to the fourth section Td, charges are accumulated again in the variable capacitors 31 and 32, respectively. That is, the charge Q = − (C + ΔC) Vc is accumulated in the variable capacitor 31, and the charge Q = (C−ΔC) Vc is accumulated in the variable capacitor 32. On the other hand, since the same voltage as that of the capacitance sensor 3 is applied to the dummy element 6, the charge Q = −CVc is accumulated in the capacitor 61 and the charge Q = CVc is accumulated in the capacitor 62. As a result, the charge Q = ΔCVc is accumulated in the feedback capacitor Cf1 of the CV conversion circuit 5, and the charge Q = −ΔCVc is accumulated in the feedback capacitor Cf2, so that the non-inverted output of the fully differential operational amplifier 20 is obtained. An output signal Vop = ΔCVc / Cf + Vref is output from the terminal, and an output signal Von = −ΔCVc / Cf + Vref is output from the inverted output terminal. At this time, the capacitors Cp1 and Cn1 of the sampling circuit 7 remain in a state where charges Qp and Qn are accumulated. Therefore, the potential Va of the node Na on the output side of the capacitor Cp1 is Va = 2ΔCVc / Cf + Vref, and the potential Vb of the node Nb on the output side of the capacitor Cn1 is Vb = −2ΔCVc / Cf + Vref. Therefore, the potentials Va and Vb on the output side of the capacitors Cp1 and Cn1 in the fourth section Td correspond to the capacitance displacement ΔC of the capacitance sensor 3 as compared with the potentials Va and Vb in the third section Tc. The potential becomes a component amplified twice.

センサーデバイス1は、上記第4区間TdにおいてCV変換回路5から出力される出力信号Vop,Vonをサンプリング回路7のコンデンサCp1,Cn1でサンプリングした後、スイッチSp2,Sn2を閉じることにより、サンプリング回路7から出力信号Voutp,Voutnを出力する。このとき、スイッチSp2,Sn2を閉じることによってコンデンサCp2,Cn2への電荷蓄積が行われるため、出力信号Voutp,Voutnは、コンデンサCp2,Cn2の電荷蓄積量に応じた電位となる。そのため、コンデンサCp2,Cn2に電荷を蓄積した状態のまま、上述した第1区間Ta〜第4区間Tdの動作を複数回繰り返すことにより、出力信号Voutp,Voutnは、次第に上述した第4区間Tdにおける出力側ノードNa,Nbの電位Va,Vbの値に近づいていく。そして第1区間Ta〜第4区間Tdの動作を複数回繰り返した後にサンプリング回路7から出力される差動出力(Voutp−Voutn)は、4ΔCVc/Cfとなるため、静電容量センサー3に作用している加速度に応じた静電容量変化を検知することができるようになる。尚、このような差動出力(Voutp−Voutn)は、全差動オペアンプ20のオフセット電圧などがキャンセルされた信号となる。   The sensor device 1 samples the output signals Vop and Von output from the CV conversion circuit 5 in the fourth section Td with the capacitors Cp1 and Cn1 of the sampling circuit 7, and then closes the switches Sp2 and Sn2 to thereby sample the sampling circuit 7 Output signals Voutp and Voutn. At this time, charges are accumulated in the capacitors Cp2 and Cn2 by closing the switches Sp2 and Sn2, so that the output signals Voutp and Voutn have potentials corresponding to the charge accumulation amounts of the capacitors Cp2 and Cn2. Therefore, by repeating the operation from the first section Ta to the fourth section Td a plurality of times while the electric charges are accumulated in the capacitors Cp2 and Cn2, the output signals Voutp and Voutn are gradually changed in the fourth section Td described above. It approaches the values of the potentials Va and Vb of the output side nodes Na and Nb. The differential output (Voutp−Voutn) output from the sampling circuit 7 after repeating the operations of the first section Ta to the fourth section Td a plurality of times is 4ΔCVc / Cf, and thus acts on the capacitance sensor 3. Capacitance change according to the acceleration being detected can be detected. Such a differential output (Voutp−Voutn) is a signal in which the offset voltage of the fully differential operational amplifier 20 is canceled.

次に、上記のようなセンサーデバイス1において、静電容量センサー3に印加される外部電圧が一定値に安定しておらず、リプルなどのノイズ成分が含まれる場合の動作について説明する。図6は、外部電源から供給される電圧VHにノイズ成分Vzが含まれている状態で第1区間Taから第2区間Tbへ遷移したときの電荷移動を示す図である。この場合、VH=Vref+Vc+Vzとなり、第1区間Taから第2区間Tbへ遷移すると、可変容量コンデンサ31にはノイズ成分Vzが作用するので電荷Q=(C+ΔC)(Vc+Vz)が蓄積され、可変容量コンデンサ32にはノイズ成分Vzが作用しないので電荷Q=−(C−ΔC)Vcが蓄積される。その結果、センサー部2から電荷量Q1の電荷移動が発生する。ここでセンサー部2から移動する電荷量Q1は、Q1=(2ΔCVc+CVz+ΔCVz)である。   Next, in the sensor device 1 as described above, an operation when the external voltage applied to the capacitance sensor 3 is not stable at a constant value and noise components such as ripples are included will be described. FIG. 6 is a diagram illustrating charge transfer when the voltage VH supplied from the external power source includes the noise component Vz and transitions from the first section Ta to the second section Tb. In this case, VH = Vref + Vc + Vz, and when the transition is made from the first section Ta to the second section Tb, the noise component Vz acts on the variable capacitor 31, so that the charge Q = (C + ΔC) (Vc + Vz) is accumulated. Since no noise component Vz acts on 32, charge Q = − (C−ΔC) Vc is accumulated. As a result, charge transfer of the charge amount Q1 occurs from the sensor unit 2. Here, the amount of charge Q1 moving from the sensor unit 2 is Q1 = (2ΔCVc + CVz + ΔCVz).

一方、ダミー素子6にも静電容量センサー3と同じ電圧が印加されるため、コンデンサ61にはノイズ成分Vzが作用して電荷Q=C(Vc+Vz)が蓄積され、コンデンサ62にはノイズ成分Vzが作用せずに電荷Q=−CVcが蓄積される。その結果、ダミー素子6から電荷量Q2の電荷移動が発生する。ここでダミー素子6から移動する電荷量Q2は、Q2=CVzである。この電荷量Q2は、センサー部2から移動する電荷量Q1に含まれるCVzの電荷量成分を打ち消す。全差動オペアンプ20が入力の差分を増幅するように動作するからである。そのため、CV変換回路5のフィードバックコンデンサCf1には電荷Q=−ΔC(2Vc+Vz)/2が蓄積されると共に、フィードバックコンデンサCf2には電荷Q=ΔC(2Vc+Vz)/2が蓄積されるようになり、全差動オペアンプ20の非反転出力端子から出力信号Vop=−ΔC(2Vc+Vz)/2Cf+Vrefが出力され、反転出力端子から出力信号Von=ΔC(2Vc+Vz)/2Cf+Vrefが出力されるようになる。   On the other hand, since the same voltage as that of the capacitance sensor 3 is applied to the dummy element 6, the noise component Vz acts on the capacitor 61 and the charge Q = C (Vc + Vz) is accumulated, and the noise component Vz is accumulated on the capacitor 62. The charge Q = −CVc is accumulated without acting. As a result, charge transfer of the charge amount Q2 occurs from the dummy element 6. Here, the amount of charge Q2 moving from the dummy element 6 is Q2 = CVz. The charge amount Q2 cancels the charge amount component of CVz contained in the charge amount Q1 moving from the sensor unit 2. This is because the fully differential operational amplifier 20 operates to amplify the input difference. Therefore, the charge Q = −ΔC (2Vc + Vz) / 2 is accumulated in the feedback capacitor Cf1 of the CV conversion circuit 5, and the charge Q = ΔC (2Vc + Vz) / 2 is accumulated in the feedback capacitor Cf2. The output signal Vop = −ΔC (2Vc + Vz) / 2Cf + Vref is output from the non-inverting output terminal of the fully differential operational amplifier 20, and the output signal Von = ΔC (2Vc + Vz) / 2Cf + Vref is output from the inverting output terminal.

ここで、出力信号Vop,Vonに含まれるノイズ成分に着目すると、静電容量Cの変化分ΔCとノイズ成分Vzとの積の項(ΔCVz)は含まれているものの、可動電極13が移動していない状態の初期の静電容量Cとノイズ成分Vzとの積の項(CVz)は含まれていない。つまり、本実施形態では、測定値にあまり影響を与えない小さな値のノイズ成分(ΔCVz)は出力信号Vop,Vonに含まれたまま出力されることになるが、測定値に大きな影響を与えて誤差の要因となる大きな値のノイズ成分(CVz)は出力信号Vop,Vonからキャンセルして出力することができるようになっている。そのため、外部電源から供給される外部電圧VHにノイズ成分Vzが含まれる場合であっても、そのノイズ成分Vzを低減して出力することが可能である。   Here, paying attention to the noise component included in the output signals Vop and Von, although the term (ΔCVz) of the product of the change amount ΔC of the capacitance C and the noise component Vz is included, the movable electrode 13 moves. The product term (CVz) of the initial electrostatic capacitance C and the noise component Vz in a state of not being included is not included. That is, in this embodiment, a small noise component (ΔCVz) that does not significantly affect the measurement value is output while being included in the output signals Vop and Von, but has a large influence on the measurement value. A large value noise component (CVz) that causes an error can be canceled and output from the output signals Vop and Von. Therefore, even when the external voltage VH supplied from the external power source includes the noise component Vz, the noise component Vz can be reduced and output.

尚、上記においては、電圧VHにノイズ成分Vzが含まれる場合を例示したが、電圧VLにノイズ成分Vzが含まれる場合もこれと同様である。また基準電圧Vrefにノイズ成分Vzが含まれる場合には、そのノイズ成分Vzを完全にキャンセルした出力信号Vop,Vonを出力することが可能である。   In the above, the case where the noise component Vz is included in the voltage VH is illustrated, but the same applies to the case where the noise component Vz is included in the voltage VL. When the noise component Vz is included in the reference voltage Vref, it is possible to output the output signals Vop and Von in which the noise component Vz is completely canceled.

また本実施形態では、上述したようにラインL2は、ダミー素子6からラインL1と並走してセンサー部2まで達するように配線されているため、ラインL1に外乱ノイズが作用すると、ラインL2にも同様に外乱ノイスが作用する。したがって、そのような外乱ノイズは全差動オペアンプ20に対してコモンモードノイズとして入力するので、全差動オペアンプ20の差動出力(Vop,Von)によってその外乱ノイズをキャンセルすることができる。したがって、このセンサーデバイス1は、外部電圧に含まれるノイズだけでなく、ラインL1,L2に作用する外乱ノイズをも除去できるデバイスとなっている。   In the present embodiment, as described above, the line L2 is wired so as to reach the sensor unit 2 in parallel with the line L1 from the dummy element 6, so that when disturbance noise acts on the line L1, the line L2 In the same way, disturbance noise is applied. Accordingly, since such disturbance noise is input as common mode noise to the fully differential operational amplifier 20, the disturbance noise can be canceled by the differential output (Vop, Von) of the fully differential operational amplifier 20. Therefore, the sensor device 1 is a device that can remove not only noise included in the external voltage but also disturbance noise acting on the lines L1 and L2.

以上のように本実施形態のセンサーデバイス1は、静電容量センサー3の可変容量コンデンサ31,32と静電容量が略同一の固定容量コンデンサ61,62を備えており、第1の固定容量コンデンサ61の他方の端子64を、第1の可変容量コンデンサ31に印加される外部電圧VH,Vref,VLの接続端子X1に接続し、第2の固定容量コンデンサ62の他方の端子65を、第2の可変容量コンデンサ32に印加される外部電圧VH,Vref,VLの接続端子X2に接続した構成である。そのため、静電容量センサー3に印加される外部電圧VH,VLにノイズ成分Vzが含まれている場合であっても、それが固定容量コンデンサ61,62にも印加されるため、可変容量コンデンサ31,32の静電容量Cとノイズ成分Vzとの積から成るノイズ項(CVz)をキャンセルすることが可能であり、ノイズ成分を低減した出力を行うことができる。また外部電圧Vrefにノイズ成分Vzが含まれる場合には、そのノイズ成分を完全に除去した出力を行うことができる。   As described above, the sensor device 1 of the present embodiment includes the fixed capacitors 61 and 62 having substantially the same capacitance as the variable capacitors 31 and 32 of the capacitance sensor 3, and the first fixed capacitor. The other terminal 64 of 61 is connected to the connection terminal X1 of the external voltages VH, Vref, and VL applied to the first variable capacitor 31, and the other terminal 65 of the second fixed capacitor 62 is connected to the second The external voltage VH, Vref, VL applied to the variable capacitor 32 is connected to the connection terminal X2. Therefore, even if the external voltage VH, VL applied to the capacitance sensor 3 includes the noise component Vz, it is also applied to the fixed capacitors 61, 62, so the variable capacitor 31 , 32 can cancel the noise term (CVz) formed by the product of the capacitance C and the noise component Vz, and output with reduced noise components can be performed. When the external voltage Vref includes a noise component Vz, the output can be performed with the noise component completely removed.

またセンサーデバイス1の信号処理回路4は、可変容量コンデンサ31に印加する外部電圧を、基準電圧Vrefを中心して所定周期で極性を反転させた電圧VH,VLに切り替えるための第1のスイッチ群S10と、可変容量コンデンサ32に印加する外部電圧を、可変容量コンデンサ31に印加する外部電圧との関係で逆極性となるように基準電圧Vrefを中心して所定周期で極性を反転させた電圧VL,VHに切り替えるための第2のスイッチ群S20とを備えており、固定容量コンデンサ61の他方の端子64を、可変容量コンデンサ31と第1のスイッチ群S10との間に接続し、固定容量コンデンサ62の他方の端子65を、可変容量コンデンサ32と第2のスイッチ群S20との間に接続した構成である。そのため、静電容量センサー3に印加される外部電圧VH,VLのいずれにノイズ成分Vzが含まれている場合であっても、そのノイズ成分を低減した出力を行うことが可能である。   In addition, the signal processing circuit 4 of the sensor device 1 switches the external voltage applied to the variable capacitor 31 to the first switch group S10 for switching the voltages VH and VL whose polarities are inverted at a predetermined cycle around the reference voltage Vref. And the voltages VL, VH whose polarities are inverted at a predetermined cycle centered on the reference voltage Vref so that the external voltage applied to the variable capacitor 32 has a reverse polarity in relation to the external voltage applied to the variable capacitor 31. And the other terminal 64 of the fixed capacitor 61 is connected between the variable capacitor 31 and the first switch group S10, and the fixed capacitor 62 has a second switch group S20. The other terminal 65 is connected between the variable capacitor 32 and the second switch group S20. Therefore, even if any of the external voltages VH and VL applied to the capacitance sensor 3 includes the noise component Vz, it is possible to perform output with the noise component reduced.

さらに本実施形態のセンサーデバイス1は、ダミー素子6に含まれる固定容量コンデンサ61,62を、センサー部2とは異なる半導体チップ上に形成した構成である。そのため、MEMS構造のセンサー部2を大型化することなく、比較的小さなサイズでノイズ成分を低減するダミー素子6を形成することが可能であり、センサーデバイス1を小型化できるという利点がある。   Furthermore, the sensor device 1 of the present embodiment has a configuration in which the fixed capacitors 61 and 62 included in the dummy element 6 are formed on a semiconductor chip different from the sensor unit 2. Therefore, it is possible to form the dummy element 6 that reduces the noise component with a relatively small size without increasing the size of the sensor unit 2 having the MEMS structure, and there is an advantage that the sensor device 1 can be reduced in size.

(変形例)
以上、本発明に関する幾つかの実施形態について説明したが、本発明は上述した内容のものに限定されるものではなく、種々の変形例が適用可能である。以下、いくつかの変形例について説明する。
(Modification)
As mentioned above, although several embodiment regarding this invention was described, this invention is not limited to the thing of the content mentioned above, A various modification is applicable. Hereinafter, some modified examples will be described.

第1に、他の回路構成について説明する。図7は、センサーデバイス1の他の回路構成の一例を示す図である。この回路構成におけるセンサー部2は、3つの静電容量センサー3a,3b,3cを備えており、これら3つの静電容量センサー3a,3b,3cが互いに直交する3軸方向X,Y,Zの加速度を検知する構成である。図示しない制御回路は、これら3つの静電容量センサー3a,3b,3cの両端に設けられたスイッチ群S10〜S60をオンオフ制御することにより、3つの静電容量センサー3a,3b,3cのうちの1つを時分割で測定モードへ移行させ、外部電源から供給される外部電圧VH,Vref,VLを印加する。尚、測定モードにない静電容量センサーの両端には、基準電圧Vrefを印加する。そのため、このセンサーデバイス1では、互いに直交する3軸方向X,Y,Zの加速度を時分割で測定することができる。そしてダミー素子6には、6つのコンデンサ61,62,71,72,81,82が設けられる。コンデンサ61,62はX軸の可変容量コンデンサCX1,CX2のそれぞれと略同一の静電容量であり、これらコンデンサ61,62の一端が静電容量センサー3aに外部電圧VH,Vref,VLを印加するための接続端子X1,X2に接続される。またコンデンサ71,72はY軸の可変容量コンデンサCY1,CY2のそれぞれと略同一の静電容量であり、これらコンデンサ71,72の一端が静電容量センサー3bに外部電圧VH,Vref,VLを印加するための接続端子Y1,Y2に接続される。さらにコンデンサ81,82はZ軸の可変容量コンデンサCZ1及び固定容量コンデンサCZ2のそれぞれと略同一の静電容量であり、これらコンデンサ81,82の一端が静電容量センサー3cに外部電圧VH,Vref,VLを印加するための接続端子Z1,Z2に接続される。このような回路構成では、3つの静電容量センサー3a,3b,3cのうちのいずれが測定モードにあるときでも、外部電圧VH,Vref,VLにノイズ成分Vzが含まれていれば、そのノイズ成分を低減した出力を行うことができるようになるという利点がある。   First, another circuit configuration will be described. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of another circuit configuration of the sensor device 1. The sensor unit 2 in this circuit configuration includes three capacitance sensors 3a, 3b, and 3c, and these three capacitance sensors 3a, 3b, and 3c are in three axial directions X, Y, and Z that are orthogonal to each other. It is the structure which detects an acceleration. A control circuit (not shown) controls on / off of the switch groups S10 to S60 provided at both ends of the three capacitance sensors 3a, 3b, and 3c, so that one of the three capacitance sensors 3a, 3b, and 3c is controlled. One is shifted to the measurement mode in a time division manner, and external voltages VH, Vref, and VL supplied from an external power source are applied. A reference voltage Vref is applied to both ends of the capacitance sensor that is not in the measurement mode. Therefore, in this sensor device 1, the accelerations in the three axial directions X, Y, and Z orthogonal to each other can be measured in a time division manner. The dummy element 6 is provided with six capacitors 61, 62, 71, 72, 81, 82. The capacitors 61 and 62 have substantially the same capacitance as that of the X-axis variable capacitors CX1 and CX2, respectively, and one end of these capacitors 61 and 62 applies external voltages VH, Vref, and VL to the capacitance sensor 3a. Are connected to connection terminals X1 and X2. Capacitors 71 and 72 have substantially the same capacitance as the Y-axis variable capacitors CY1 and CY2, respectively, and one end of these capacitors 71 and 72 applies external voltages VH, Vref, and VL to the capacitance sensor 3b. Connected to the connection terminals Y1, Y2. Further, the capacitors 81 and 82 have substantially the same capacitance as each of the Z-axis variable capacitor CZ1 and the fixed capacitor CZ2, and one end of each of these capacitors 81 and 82 is connected to the external voltage VH, Vref, Connected to connection terminals Z1 and Z2 for applying VL. In such a circuit configuration, even if any of the three capacitance sensors 3a, 3b, 3c is in the measurement mode, if the external voltage VH, Vref, VL includes the noise component Vz, the noise There is an advantage that an output with reduced components can be performed.

第2に、上記実施形態では、主として、外部電源から外部電圧VH,Vref,VLが供給され、それをセンサーデバイス1においてそのまま静電容量センサーに印加する場合を例示した。しかし、これに限られるものではなく、センサーデバイス1にレギュレータやバッファアンプなどの電圧制御回路を別途設け、外部電源から供給される電圧をその電圧制御回路に入力して静電容量センサーに印加する電圧を生成するものであっても構わない。すなわち、外部電源がDC/DCコンバータなどを用いてセンサーデバイス1に供給する電圧を生成している場合には、その供給電圧に高周波数のノイズ成分が含まれており、そのノイズ成分を、センサーデバイス1に設けたレギュレータやバッファアンプなどの電圧制御回路で除去するのは難しい。それ故、電圧制御回路で生成される電圧を静電容量センサーに印加する構成であっても、上記実施形態の回路構成を採用することにより、外部電圧に含まれるノイズ成分を低減することが可能である。   Secondly, in the above embodiment, the case where the external voltages VH, Vref, and VL are mainly supplied from the external power source and applied to the capacitance sensor as it is in the sensor device 1 is exemplified. However, the present invention is not limited to this, and a voltage control circuit such as a regulator or a buffer amplifier is separately provided in the sensor device 1, and a voltage supplied from an external power supply is input to the voltage control circuit and applied to the capacitance sensor. You may generate | occur | produce a voltage. That is, when the external power supply generates a voltage to be supplied to the sensor device 1 using a DC / DC converter or the like, the supply voltage includes a high-frequency noise component, and the noise component is It is difficult to remove with a voltage control circuit such as a regulator or buffer amplifier provided in the device 1. Therefore, even when the voltage generated by the voltage control circuit is applied to the capacitance sensor, the noise component included in the external voltage can be reduced by adopting the circuit configuration of the above embodiment. It is.

第3に、上記実施形態では、センサーデバイス1が加速度を測定するものである場合を例示したが、センサーデバイス1の測定対象は必ずしも加速度に限られるものではなく、例えば角速度を測定するものであっても良いし、また圧力を測定するものであっても良い。   Thirdly, in the above-described embodiment, the case where the sensor device 1 measures acceleration is illustrated, but the measurement target of the sensor device 1 is not necessarily limited to acceleration, for example, it measures angular velocity. It is also possible to measure pressure.

第4に、上記実施形態では、サンプリング回路7に出力相関二重サンプリング回路を採用した場合を例示したが、それ以外の構成のサンプリング回路を採用しても良い。   Fourthly, in the above-described embodiment, the case where the output correlated double sampling circuit is adopted as the sampling circuit 7 is illustrated, but a sampling circuit having other configurations may be adopted.

1:センサーデバイス、2:センサー部、3:静電容量センサー、4:信号処理回路、5:CV変換回路、11,12:固定電極、13:可動電極、31,32:可変容量コンデンサ、61,62:固定容量コンデンサ。   1: sensor device, 2: sensor unit, 3: capacitive sensor, 4: signal processing circuit, 5: CV conversion circuit, 11, 12: fixed electrode, 13: movable electrode, 31, 32: variable capacitor, 61 62: Fixed capacitor.

Claims (3)

所定方向に移動可能な可動電極を挟んで一対の固定電極が設けられ、各固定電極と可動電極との間に形成される第1及び第2の可変容量コンデンサによって静電容量センサーが構成され、前記一対の固定電極に対して外部電源から供給される極性の異なる外部電圧が印加されることにより、前記第1及び第2の可変容量コンデンサのそれぞれに蓄積される電荷量に応じた信号を前記可動電極から出力するセンサー部と、
前記センサー部からの信号を処理する信号処理回路と、
を有するセンサーデバイスであって、
前記信号処理回路は、
前記第1の可変容量コンデンサと静電容量が略同一である第1の固定容量コンデンサと、
前記第2の可変容量コンデンサと静電容量が略同一である第2の固定容量コンデンサと、
一方の入力端子に前記センサー部から出力される出力信号を入力し、他方の入力端子に前記第1及び第2の固定容量コンデンサが互いに接続された共通端子が接続される全差動オペアンプを有し、前記センサー部から出力される出力信号をCV変換するCV変換回路と、
を備え、
前記第1の固定容量コンデンサにおける前記共通端子とは異なる他方の端子を、前記第1の可変容量コンデンサに印加される外部電圧の接続端子に接続し、前記第2の固定容量コンデンサにおける前記共通端子とは異なる他方の端子を、前記第2の可変容量コンデンサに印加される外部電圧の接続端子に接続したことを特徴とするセンサーデバイス。
A pair of fixed electrodes is provided across a movable electrode movable in a predetermined direction, and a capacitance sensor is configured by first and second variable capacitors formed between each fixed electrode and the movable electrode, By applying an external voltage having a different polarity supplied from an external power source to the pair of fixed electrodes, a signal corresponding to the amount of charge accumulated in each of the first and second variable capacitance capacitors is transmitted. A sensor unit that outputs from a movable electrode;
A signal processing circuit for processing a signal from the sensor unit;
A sensor device comprising:
The signal processing circuit includes:
A first fixed capacitor having substantially the same capacitance as the first variable capacitor;
A second fixed capacitor having substantially the same capacitance as the second variable capacitor;
An output signal output from the sensor unit is input to one input terminal, and a fully-differential operational amplifier is connected to the other input terminal and a common terminal to which the first and second fixed capacitors are connected to each other. A CV conversion circuit for CV converting the output signal output from the sensor unit;
With
The other terminal different from the common terminal in the first fixed capacitor is connected to a connection terminal of an external voltage applied to the first variable capacitor, and the common terminal in the second fixed capacitor A sensor device, wherein the other terminal different from the above is connected to a connection terminal of an external voltage applied to the second variable capacitor.
前記信号処理回路は、
前記第1の可変容量コンデンサに印加する外部電圧を、基準電圧を中心して所定周期で極性を反転させる第1のスイッチ群と、
前記第2の可変容量コンデンサに印加する外部電圧を、前記第1の可変容量コンデンサに印加する外部電圧との関係で逆極性となるように基準電圧を中心して所定周期で極性を反転させる第2のスイッチ群と、
をさらに備え、
前記第1の固定容量コンデンサにおける前記共通端子とは異なる他方の端子を、前記第1の可変容量コンデンサと前記第1のスイッチ群との間に接続し、前記第2の固定容量コンデンサにおける前記共通端子とは異なる他方の端子を、前記第2の可変容量コンデンサと前記第2のスイッチ群との間に接続したことを特徴とする請求項1に記載のセンサーデバイス。
The signal processing circuit includes:
A first switch group for reversing the polarity of an external voltage applied to the first variable capacitor at a predetermined cycle centered on a reference voltage;
A second inversion of polarity at a predetermined cycle centered on a reference voltage so that the external voltage applied to the second variable capacitor has a reverse polarity in relation to the external voltage applied to the first variable capacitor. A group of switches,
Further comprising
The other terminal different from the common terminal in the first fixed capacitor is connected between the first variable capacitor and the first switch group, and the common in the second fixed capacitor. 2. The sensor device according to claim 1, wherein the other terminal different from the terminal is connected between the second variable capacitor and the second switch group.
前記第1及び第2の固定容量コンデンサは、前記センサー部とは異なる半導体チップ上に形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のセンサーデバイス。   The sensor device according to claim 1, wherein the first and second fixed capacitors are formed on a semiconductor chip different from the sensor unit.
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