JP7234843B2 - DETECTION DEVICE AND CHARGE-VOLTAGE CONVERSION CIRCUIT - Google Patents
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Description
本発明は、温度検出装置等の検出装置及び電荷電圧変換回路に関する。
The present invention relates to a detection device such as a temperature detection device and a charge-voltage conversion circuit.
検出装置として、例えば湿度検出装置には、吸収した水分量に応じて誘電率が変化する高分子材料で形成された感湿膜を誘電体として用いた静電容量式のものがある。この静電容量式の湿度検出装置では、感湿膜が電極間に配置され、この電極間の静電容量を測定することにより湿度(相対湿度)が求められる(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art As a detection device, for example, a humidity detection device is of a capacitance type that uses, as a dielectric, a moisture-sensitive film formed of a polymer material whose dielectric constant changes according to the amount of absorbed moisture. In this capacitance-type humidity detector, a humidity-sensitive film is arranged between electrodes, and humidity (relative humidity) is obtained by measuring the capacitance between the electrodes (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載の湿度検出装置では、湿度により静電容量が変化するセンサ部と、湿度によらず一定の静電容量を保持する基準部(参照部)とを設け、両者の容量差を電圧に変換することにより湿度を計測している。センサ部と基準部とは基板上に並設されている。
In the humidity detection device described in
このような静電容量式の湿度検出装置に用いられる回路部として、センサ部から出力される電荷をチャージアンプにより電圧に変換する構成が知られている(例えば、特許文献2参照)。この回路部には、チャージアンプの他に、センサ部を矩形波の交流駆動信号で駆動する駆動回路等が設けられる。 As a circuit unit used in such a capacitance-type humidity detection device, a configuration is known in which a charge output from a sensor unit is converted into a voltage by a charge amplifier (see, for example, Patent Document 2). In addition to the charge amplifier, this circuit section is provided with a drive circuit and the like for driving the sensor section with a square-wave AC drive signal.
上記検出装置には、端子に静電気放電保護回路等が設けられることにより、リーク電流が発生することが考えられる。容量検出端子にリーク電流が発生するとチャージアンプからの出力電圧を変動させ、測定値に誤差が生じてしまう。 It is conceivable that leakage current may occur due to the provision of an electrostatic discharge protection circuit or the like to the terminal of the detection device. If a leak current occurs at the capacitance detection terminal, the output voltage from the charge amplifier fluctuates, resulting in an error in the measured value.
本発明は、リーク電流による測定値の誤差を抑制することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to suppress errors in measured values due to leakage current.
開示の技術は、第1駆動端子に接続された第1電極と、信号端子に接続された第2電極とを有し、物理量に応じて静電容量が変化する検出用キャパシタが前記第1電極と前記第2電極とで構成された検出部と、前記第1駆動端子に交流の第1駆動信号を印加する駆動部であって、第1期間と第2期間とで前記第1駆動信号の電圧を反転させる駆動部と、前記信号端子に生じる電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部であって、前記第1期間に第1出力電圧を生成し、前記第2期間に前記第1期間とは電圧が反転した第2出力電圧を生成する電荷電圧変換部と、前記第1出力電圧と前記第2出力電圧との差分値を生成する、差動入力方式のADコンバータである差分処理部と、前記ADコンバータの一方の入力端子に接続された第1サンプルホールド回路と、前記ADコンバータのもう一方の入力端子に接続された第2サンプルホールド回路と、を有し、前記第1サンプルホールド回路及び前記第2サンプルホールド回路は、前記第1出力電圧及び前記第2出力電圧を選択的にサンプリングして保持し、前記ADコンバータは、前記第1サンプルホールド回路の出力電圧と前記第2サンプルホールド回路の出力電圧の差分をデジタル信号に変換して出力する、検出装置である。 The disclosed technique has a first electrode connected to a first drive terminal and a second electrode connected to a signal terminal, and a detection capacitor whose capacitance changes according to a physical quantity is connected to the first electrode. and the second electrode, and a drive unit for applying a first AC drive signal to the first drive terminal, wherein the first drive signal is detected during a first period and a second period. A drive unit for inverting a voltage, and a charge-voltage conversion unit for converting a charge generated at the signal terminal into a voltage, wherein the first output voltage is generated during the first period, and the first output voltage is generated during the second period. is a charge-voltage conversion unit that generates a second output voltage whose voltage is inverted; and a difference processing unit that is a differential input AD converter that generates a difference value between the first output voltage and the second output voltage. , a first sample and hold circuit connected to one input terminal of the AD converter, and a second sample and hold circuit connected to the other input terminal of the AD converter, wherein the first sample and hold circuit and the second sample-and-hold circuit selectively samples and holds the first output voltage and the second output voltage, and the AD converter samples the output voltage of the first sample-and-hold circuit and the second sample-and-hold circuit. It is a detection device that converts the difference in output voltage of a circuit into a digital signal and outputs it.
本発明によれば、リーク電流による測定値の誤差を抑制することができる。 According to the present invention, errors in measured values due to leak current can be suppressed.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。なお、本開示において、単に湿度と記載されている場合における湿度は、相対湿度を意味する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. In addition, in the present disclosure, humidity when simply described as humidity means relative humidity.
[概略構成]
本発明の一実施形態に係る湿度検出装置10の構成について説明する。
[Outline configuration]
A configuration of the
図1は、本発明の一実施形態に係る湿度検出装置10の概略構成を例示する図である。図1(A)は、湿度検出装置10を上方から見た平面図である。図1(B)は、湿度検出装置10を下方から見た下面図である。図1(C)は、湿度検出装置10を横方向から見た側面図である。また、図2は、図1(A)中のA-A線沿う断面を概略的に示す断面図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a
湿度検出装置10は、平面形状がほぼ矩形状であって、対向する2組の二辺の一方がX方向に平行であって、他方がY方向に平行である。X方向とY方向とは互いに直交する。また、湿度検出装置10は、X方向及びY方向に直交するZ方向に厚みを有する。なお、湿度検出装置10の平面形状は、矩形状に限られず、円形、楕円、多角形等であってもよい。
The
湿度検出装置10は、第1半導体チップとしてのセンサチップ20と、第2半導体チップとしてのASIC(Application Specific Integrated Circuit)チップ30と、封止部材としてのモールド樹脂40と、複数のリード端子41とを有する。
The
センサチップ20は、ASICチップ30上に第1DAF(Die Attach Film)42を介して積層されている。すなわち、センサチップ20とASICチップ30とは、スタック構造となっている。
The
センサチップ20とASICチップ30とは、複数の第1ボンディングワイヤ43により電気的に接続されている。ASICチップ30と複数のリード端子41とは、複数の第2ボンディングワイヤ44により電気的に接続されている。
The
このように積層化されたセンサチップ20及びASICチップ30、複数の第1ボンディングワイヤ43、複数の第2ボンディングワイヤ44、及び複数のリード端子41は、モールド樹脂40により封止されてパッケージ化されている。このパッケージ方式は、PLP(Plating Lead Package)方式と呼ばれるものである。
The
このPLP方式では、センサチップ20の厚みT1とASICチップ30の厚みT2とは、それぞれ200μm以上であることが好ましい。
In this PLP method, it is preferable that the thickness T1 of the
ASICチップ30の下面には、詳しくは後述するが、PLP方式によりパッケージ化する際に使用された第2DAF45が残存している。第2DAF45は、ASICチップ30の下面を絶縁する役割を有する。湿度検出装置10の下面には、第2DAF45と、複数のリード端子41とが露出している。
On the bottom surface of the
各リード端子41は、ニッケルや銅により形成されている。第1DAF42及び第2DAF45は、それぞれエポキシ、シリコン、及びシリカなどの混合物からなる絶縁材料で形成されている。モールド樹脂40は、エポキシ樹脂等の遮光性を有する黒色系の樹脂である。
Each
湿度検出装置10の上面側には、センサチップ20の一部をモールド樹脂40から露出させる開口部50が形成されている。この開口部50は、例えば、壁部がテーパ状であって、開口面積が下方に向かうにつれて小さくなる。この開口部50のうち、実際にセンサチップ20を露出させる最下端の部分を有効開口部51という。
An
図3は、モールド樹脂40を除去した状態における湿度検出装置10の平面図である。図3に示すように、センサチップ20とASICチップ30とは、それぞれ平面形状がほぼ矩形状であって、X方向に平行な二辺と、Y方向に平行な二辺とを有する。センサチップ20は、ASICチップ30より小さく、ASICチップ30の表面上に第1DAF42を介して積層されている。
FIG. 3 is a plan view of the
センサチップ20には、有効開口部51により露出される領域に、湿度検出部21と、温度検出部22と、加熱部23とが設けられている。加熱部23は、湿度検出部21の下面側に、湿度検出部21の形成領域を覆うように形成されている。
The
また、センサチップ20の端部には、複数のボンディングパッド(以下、単にパッドという。)24が形成されている。本実施形態では、6個のパッド24が形成されている。パッド24は、例えばアルミニウムやアルミシリコン合金(AlSi)により形成されている。
A plurality of bonding pads (hereinafter simply referred to as pads) 24 are formed at the end of the
ASICチップ30は、信号処理及び制御用の半導体チップであって、後述する湿度計測処理部31、温度計測処理部32、加熱制御部33、及び故障判定部34(いずれも図14参照)が形成されている。
The
また、ASICチップ30の表面においてセンサチップ20で覆われていない領域には、複数の第1パッド35と、複数の第2パッド36とが設けられている。第1パッド35及び第2パッド36は、例えばアルミニウムやアルミシリコン合金(AlSi)により形成されている。
A plurality of
第1パッド35は、第1ボンディングワイヤ43を介して、センサチップ20の対応するパッド24に接続されている。第2パッド36は、第2ボンディングワイヤ44を介して、対応するリード端子41に接続されている。リード端子41は、ASICチップ30の周囲に配置されている。
The
[センサチップの構成]
次に、センサチップ20の構成について説明する。
[Configuration of sensor chip]
Next, the configuration of the
図4は、センサチップ20の構成を示す概略平面図である。前述のパッド24は、外部からの電圧印加や、電位検出に使用される端子である。図4では、図3に示した複数のパッド24を、パッド24a~24fと区別して示している。なお、パッド24a~24fを区別する必要がない場合は、単にパッド24という。
FIG. 4 is a schematic plan view showing the configuration of the
パッド24aは、グランド電位に接地されるグランド電極端子(GND)として機能する。このパッド24aは、配線や基板を介して、温度検出部22や加熱部23等の各部に電気的に接続される。また、パッド24aは、センサチップ20を構成するp型半導体基板70(図9参照)に電気的に接続される。
The
パッド24bは、湿度検出部21の下部電極83に電気的に接続された信号端子(TS)である。パッド24cは、湿度検出部21の上部電極84に電気的に接続された第1駆動端子(T1)である。パッド24dは、湿度検出部21の参照電極82(図9参照)に電気的に接続された第2駆動端子(T2)である。下部電極83は、後述するチャージアンプ301(図15参照)が静電容量を検出するための容量検出電極として機能する。
パッド24eは、温度検出部22に電気的に接続された温度検出用端子(TMP)である。パッド24eは、温度の検出信号を取得するために用いられる。パッド24fは、加熱部23に電気的に接続された加熱用端子(HT)である。パッド24fは、加熱部23を駆動するための駆動電圧を供給するために用いられる。
The
また、パッド24a以外のパッド24b~24fには、それぞれ静電気放電(ESD:Electro-Static Discharge)保護回路60が接続されている。各ESD保護回路60は、入力端子又は出力端子としてのパッド24b~24fのそれぞれと、グランド電極端子としてのパッド24aとの間に接続されている。本実施形態では、ESD保護回路60は、1つのダイオード61により構成されている。ダイオード61は、アノード側がパッド24aに接続され、カソード側がパッド24b~24fのうちのいずれかに接続されている。
An electrostatic discharge (ESD)
ESD保護回路60は、有効開口部51から可能な限り離すように、パッド24b~24fの近傍に配置することが好ましい。ESD保護回路60は、モールド樹脂40により覆われているので、光電効果による不要な電流が流れることはない。
The
[ESD保護回路の構成]
次に、ESD保護回路60の構成について説明する。
[Configuration of ESD protection circuit]
Next, the configuration of the
図5は、ESD保護回路60の構成を例示する回路図である。図5に示すように、ESD保護回路60を構成するダイオード61は、例えば、NチャネルMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)トランジスタ(以下、NMOSトランジスタという。)により形成されている。具体的には、ダイオード61は、NMOSトランジスタのソースとゲートとバックゲートを短絡したものである。この短絡部は、アノードとして機能する。このNMOSトランジスタのドレインは、カソードとして機能する。
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating the configuration of the
図6は、ESD保護回路60を構成するNMOSトランジスタの層構造を例示する図である。このNMOSトランジスタは、センサチップ20を構成するためのp型半導体基板70の表層に形成された2つのn型拡散層71,72と、コンタクト層73と、ゲート電極74とを有する。ゲート電極74は、p型半導体基板70の表面上にゲート絶縁膜75を介して形成されている。ゲート電極74は、2つのn型拡散層71,72の間に配置されている。
FIG. 6 is a diagram illustrating the layer structure of the NMOS transistor that constitutes the
例えば、n型拡散層71がソースとして機能し、n型拡散層72がドレインとして機能する。コンタクト層73は、バックゲートとしてのp型半導体基板70との電気的接続のための低抵抗層(p型拡散層)である。n型拡散層71とゲート電極74とコンタクト層73とは、共通に接続されて短絡される。この短絡部がアノードとして機能し、n型拡散層72がカソードとして機能する。
For example, the n-
p型半導体基板70は、例えばp型シリコン基板である。ゲート電極74は、例えば、多結晶シリコン(ポリシリコン)により形成されている。ゲート絶縁膜75は、例えば、二酸化シリコン等の酸化膜により形成されている。
The p-
[湿度検出部の構成]
次に、湿度検出部21の構成について説明する。
[Configuration of Humidity Detector]
Next, the configuration of the
図7は、湿度検出部21の構成を例示する回路図である。図7に示すように、湿度検出部21は、平行平板型の湿度検出用キャパシタ80と、平行平板型の参照用キャパシタ81とを有する。
FIG. 7 is a circuit diagram illustrating the configuration of the
湿度検出部21の一方の電極(下部電極83)は、信号端子TSとしてのパッド24bに接続されている。湿度検出部21の他方の電極(上部電極84)は、第1駆動端子T1としてのパッド24cに接続されている。参照用キャパシタ81の一方の電極は、湿度検出部21の一方の電極(下部電極83)と共通である。参照用キャパシタ81の他方の電極(参照電極82)は、第2駆動端子T2としてのパッド24dに接続されている。
One electrode (lower electrode 83) of the
湿度検出用キャパシタ80は、電極間に後述する感湿膜86が設けられている。感湿膜86は、空気中の水分を吸収し、吸収した水分量に応じて誘電率が変化するポリイミド等の高分子材料で形成されている。したがって、湿度検出用キャパシタ80は、感湿膜86が吸収する水分量に応じて静電容量が変化する。
The
参照用キャパシタ81は、電極間に後述する第2絶縁膜111(図9参照)が設けられている。第2絶縁膜111は、水分を吸収しない二酸化シリコン(SiO2)等の絶縁材料で形成されている。したがって、参照用キャパシタ81は、湿度に応じて静電容量は変化しない。なお、静電容量が変化しないとは、極僅かに変化することも含む。
The
感湿膜86に含まれる水分量は、湿度検出装置10の周囲の湿度に対応するので、湿度検出用キャパシタ80の静電容量と参照用キャパシタ81の静電容量との差を検出することにより、相対湿度を測定することができる。この相対湿度の測定は、ASICチップ30内の湿度計測処理部31(図14参照)によって行われる。
Since the amount of moisture contained in the humidity
[温度検出部の構成]
次に、温度検出部22の構成について説明する。
[Configuration of Temperature Detector]
Next, the configuration of the
図8は、温度検出部22の構成を例示する回路図である。温度検出部22は、半導体のバンドギャップで温度変化により電気特性が比例的に変化する特性を利用して温度を検出するバンドギャップ型の温度センサである。例えば、温度検出部22は、ベース、エミッタ、コレクタのいずれか2つを接続して2端子とされた1又は複数のバイポーラトランジスタを含む。この2端子間の電圧値を検出することにより、温度を測定することができる。
FIG. 8 is a circuit diagram illustrating the configuration of the
図8に示すように、本実施形態では、温度検出部22は、ベースとコレクタを接続したnpn型のバイポーラトランジスタ90を、複数個(例えば8個)並列に接続することにより構成されている。このように、複数個のバイポーラトランジスタ90を並列接続することにより、pn接合の接合面積が増大し、ESD耐性が向上する。
As shown in FIG. 8, in this embodiment, the
バイポーラトランジスタ90のエミッタは、グランド電極端子としてのパッド24aに接続されている。バイポーラトランジスタ90のベース及びコレクタは、温度検出用端子としてのパッド24eに接続されている。
The emitter of
温度の測定は、パッド24eの電位に基づき、ASICチップ30内の温度計測処理部32(図14参照)によって行われる。
The temperature is measured by the temperature measurement processor 32 (see FIG. 14) in the
[センサチップの素子構造]
次に、センサチップ20の素子構造について説明する。
[Sensor chip element structure]
Next, the element structure of the
図9は、センサチップ20の素子構造を説明するための概略断面図である。なお、図9では、パッド24a,24b,24c,24eを、湿度検出部21、温度検出部22、及び加熱部23と同一の断面内に示しているが、これは構造の理解を容易にするために示したものであり、実際に同一断面内に存在することを意味するものではない。湿度検出部21、温度検出部22、及び加熱部23の断面についても、構造の理解を容易にするために簡略化しており、各部の位置関係等は実際とは異なる。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining the element structure of the
図9に示すように、センサチップ20は、前述のp型半導体基板70を用いて形成されている。このp型半導体基板70には、第1ディープnウェル100aと、第2ディープnウェル100bとが形成されている。第1ディープnウェル100aには、温度検出部22が形成されている。第2ディープnウェル100bには、加熱部23が形成されている。
As shown in FIG. 9, the
第1ディープnウェル100aと第2ディープnウェル100bとのいずれも形成されていないp型半導体基板70の表層には、pウェル103a,103bが形成されている。pウェル103a,103bの表層には、それぞれp型拡散領域からなるコンタクト層104a,104bが形成されている。コンタクト層104a,104bは、p型半導体基板70上に形成される所定の配線層とp型半導体基板70との電気的接続のための低抵抗層(p型拡散層)である。
P-
第1ディープnウェル100aの表層には、pウェル101とnウェル102とが形成されている。pウェル101の表層には、n型拡散層91及びp型拡散層92が形成されている。nウェル102の表層には、n型拡散層93が形成されている。n型拡散層91、p型拡散層92、及びn型拡散層93は、前述のnpn型のバイポーラトランジスタ90を構成し、それぞれエミッタ、ベース、及びコレクタとして機能する。
A p-well 101 and an n-well 102 are formed on the surface of the first deep n-
第2ディープnウェル100bの表層には、pウェル105が形成されている。pウェル105の表層には、1又は2以上のn型拡散層106が形成されている。本実施形態では、複数のn型拡散層106が形成されている。例えば、各n型拡散層106は、紙面に直交する方向に延伸しており、全体として1次元格子状となっている(図11参照)。n型拡散層106は、所定の抵抗値(例えば、約3.3Ωのシート抵抗値)を有し、電流が流れることにより発熱する抵抗体として機能する。すなわち、n型拡散層106は、前述の加熱部23を構成する。
A p-
p型半導体基板70内の各層は、通常の半導体製造工程(CMOSプロセス)を用いて形成される。したがって、抵抗体としてのn型拡散層106は、温度検出部22の一部に含まれるn型拡散層91,93と同一の製造工程で形成される。n型拡散層106,91,93は、n型不純物(例えばリン)をイオン注入することにより基板中への不純物添加を行うイオン注入工程により同時に形成される。すなわち、抵抗体としてのn型拡散層106は、温度検出部22の一部に含まれるn型拡散層91,93と、p型半導体基板70の表面からの深さが同一である。また、n型拡散層106は、温度検出部22の一部に含まれるp型拡散層92と、p型半導体基板70の表面からの深さが同一であってもよい。
Each layer in the p-
なお、n型拡散層106,91,93は、イオン注入工程に代えて、熱処理によって不純物添加を行う熱拡散工程で形成することも可能である。 The n-type diffusion layers 106, 91 and 93 can be formed by a thermal diffusion process in which impurities are added by heat treatment instead of the ion implantation process.
また、前述のESD保護回路60のn型拡散層71,72についてもn型拡散層106,91,93と同一の製造工程(イオン注入工程又は熱拡散工程)で作成される。コンタクト層73は、p型拡散層92、コンタクト層104a,104b等と同一の製造工程(イオン注入工程又は熱拡散工程)で作成される。
Also, the n-type diffusion layers 71 and 72 of the
p型半導体基板70中のその他の層は、主にコンタクト層として機能するものであるので、説明は省略する。
Other layers in the p-
p型半導体基板70の表面上には、第1絶縁膜110、第2絶縁膜111、及び第3絶縁膜112が順に積層されている。これらは、二酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(SiN)等の絶縁材料で形成されている。
A first insulating
第1絶縁膜110上には、第1配線層120が形成されている。第2絶縁膜111上には、第2配線層121が形成されている。第2絶縁膜111は、第1配線層120上を覆っている。第3絶縁膜112は、第2配線層121上を覆っている。第1配線層120及び第2配線層121は、アルミニウム等の導電性材料により形成されている。
A
第1絶縁膜110中には、第1配線層120をp型半導体基板70に接続するための複数の第1プラグを有する第1プラグ層122が形成されている。第2絶縁膜111中には、第1配線層120と第2配線層121とを接続するための複数の第2プラグを有する第2プラグ層123が形成されている。第1プラグ層122及び第2プラグ層123は、タングステン等の導電性材料により形成されている。
A
例えば、前述のバイポーラトランジスタ90のベースとコレクタとを接続するための配線94は、第1配線層120により形成され、第1プラグ層122を介してp型拡散層92及びn型拡散層93に接続される。また、配線94は、第2プラグ層123及び第2配線層121を介して、温度検出用端子としてのパッド24eに接続される。また、バイポーラトランジスタ90のエミッタとしてのn型拡散層91は、第1プラグ層122、第1配線層120、及び第2配線層121を介して、グランド電極端子としてのパッド24aに接続される。
For example, the
加熱部23の一端をグランド電位に接地するための配線107は、第1配線層120により形成され、第1プラグ層122を介してn型拡散層106及びコンタクト層104bに接続される。以下、配線107をグランド配線107という。
A
また、加熱部23の他端を加熱用端子としてのパッド24fに接続するための配線108は、第1プラグ層122を介してn型拡散層106に接続され、かつ、第2プラグ層123及び第2配線層121を介してパッド24fに接続される。なお、配線108は、加熱部23に大きな電流を流すことによるエレクトロマイグレーションを防止するために、他の信号配線より幅を太くすることが好ましい。以下、配線108を電源配線108という。
A
参照用キャパシタ81の参照電極82は、第1配線層120により形成され、第2プラグ層123及び第2配線層121を介して、第2駆動端子T2としてのパッド24d(図9では図示せず)に接続される。
The
また、湿度検出用キャパシタ80の下部電極83は、第2配線層121により形成され、信号端子TSとしてのパッド24bに接続されている。さらに、湿度検出用キャパシタ80の上部電極84を第1駆動端子T1としてのパッド24cに接続するための配線85は、第2配線層121により形成されている。なお、下部電極83は、第2絶縁膜111を介して参照電極82に対向する位置に配置されている。
The
パッド24a~24fは、アルミニウム等の導電性材料によって、第3絶縁膜112上に形成され、第3絶縁膜112を貫通して第2配線層121に接続されている。
The
第3絶縁膜112上には、感湿膜86が形成されている。感湿膜86は、厚みが0.5μm~1.5μmの水分子を吸着しやすい高分子材料で形成されている。感湿膜86は、例えば、厚みが1μmのポリイミド膜である。なお、感湿膜86を形成する高分子材料は、ポリイミドに限られず、セルロース、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリビニルアルコール(PVA)などであってもよい。
A humidity
感湿膜86の上面は平坦であり、この上面に、平板状の上部電極84が形成されている。上部電極84は、感湿膜86を介して下部電極83に対向する位置に形成されている。上部電極84の一部は、配線85に接続されている。上部電極84は、例えば、厚みが200nmのアルミニウム等で形成された導電膜である。また、上部電極84には、空気中の水分子を感湿膜86に効率的に取り込むために、複数の開口84aが形成されている。
The upper surface of the humidity
感湿膜86上には、上部電極84を覆うようにオーバーコート膜87が設けられている。オーバーコート膜87は、高分子材料、例えば、感湿膜86と同一の材料で形成されている。オーバーコート膜87の厚みは、例えば0.5μm~10μmである。
An
感湿膜86及びオーバーコート膜87には、パッド24a~24fを露出させる開口が形成されている。
The humidity
このように、下部電極83と上部電極84とによって平行平板の湿度検出用キャパシタ80が構成されている。また、下部電極83と参照電極82とによって、平行平板の参照用キャパシタ81が構成されている。また、湿度検出用キャパシタ80と参照用キャパシタ81とは、加熱部23の上方に配置されている。
Thus, the
したがって、加熱部23が発熱することにより、下部電極83と上部電極84との間の感湿膜86が加熱されて水分が蒸発し、感湿膜86中の水分量が変化する。これにより、感湿膜86の誘電率が変化し、湿度検出用キャパシタ80の静電容量が変化する。また、温度検出部22は、加熱部23により生じる温度変化を検出する。
Therefore, when the
[加熱部の平面形状]
図10は、加熱部23の平面形状を例示する概略平面図である。図10では、配線形状等を概略的に示しており、実際のレイアウトパターンとは異なる。
[Planar shape of heating part]
FIG. 10 is a schematic plan view illustrating the planar shape of the
図10に示すように、加熱部23を構成するn型拡散層106は、細長い短冊状の領域が複数平行に並べられた一次元格子状に形成されている。この一次元格子状のn型拡散層106の一端は、前述のグランド配線107に接続され、他端は、前述の電源配線108に接続されている。加熱部23は、温度検出部22の全体を覆うように、温度検出部22の下方に位置している。
As shown in FIG. 10, the n-
なお、詳しくは後述するが、グランド配線107は、実際には線状ではなく、XY面内に広がった形状を有しており、信号線等をシールドするシールド層として機能している。
Although details will be described later, the
[電極の平面形状]
図11は、湿度検出部21の各電極の平面形状を例示する概略平面図である。
[Planar shape of electrode]
FIG. 11 is a schematic plan view illustrating the planar shape of each electrode of the
図11に示すように、参照電極82、上部電極84、及び下部電極83は、ともにほぼ同一の形状であって、矩形状である。上部電極84は、下部電極83及び参照電極82を覆うように形成されている。参照電極82、下部電極83、及び上部電極84は、p型半導体基板70側からこの順に積層されている。
As shown in FIG. 11, the
参照電極82と上部電極84とは、ほぼ同じ大きさであることが好ましい。下部電極83は、参照電極82及び上部電極84よりも小さいことが好ましい。
The
開口84aは、可能な限り小さいほうが好ましく、小さいほど空気中への電界の漏れが減少し、異物付着時の下部電極83と上部電極84との間の静電容量変化が抑制される(図13参照)。実際は、微小かつ多数の開口84aが形成されている。なお、開口84aは、正方形には限られず、細長い短冊状や、円形であってもよい。
It is preferable that the
信号線201~203は、第1配線層120及び第2配線層121により形成された配線である。信号線201は、湿度検出部21の下部電極83とパッド24bとの間に接続された配線である。信号線202は、湿度検出部21の上部電極84とパッド24cとの間に接続された配線である。
The signal lines 201 to 203 are wirings formed by the
なお、前述の配線85は、信号線202の一部である。
Note that the
[電極の平面形状]
図12は、第2配線層121のレイアウトパターンを例示する平面図である。図12に示すように、下部電極83、グランド配線107、配線85等は、第2配線層121により形成されている。
[Planar shape of electrode]
FIG. 12 is a plan view illustrating a layout pattern of the
グランド配線107は、グランド配線107、配線85等の配線と、微小なスリットを介して隣接している。グランド配線107は、ほぼ全面に設けられている。したがって、グランド配線107は、上述の信号線201~203、及び温度検出部22に接続される信号線204等を覆い、シールド層として機能している。
The
[電極の積層構造]
図13は、図12のA-A線に沿った断面構造を示す概略断面図である。図13に示すように、容量検出電極としての下部電極83は、参照電極82の上方に配置されており、p型半導体基板70には近接していないので、p型半導体基板70との間で生じる寄生容量が抑制される。
[Laminated structure of electrode]
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along line AA of FIG. As shown in FIG. 13 , the
また、下部電極83の上方には上部電極84が配置されており、下部電極83の周囲には、グランド配線107が近接して設けられているので、これらのシールド効果により電界が閉じ込められる。したがって、図13に示すように、例えば、開口部50に水滴等の比誘電率が大きく、静電容量を変化させる異物が付着したような場合であっても、グランド配線107によって電界が遮蔽されることにより下部電極83への影響は抑制される。
In addition, since the
なお、下部電極83の面積を、参照電極82及び上部電極84の各面積よりも小さくすることにより、下部電極83に対する電界の閉じ込め効果が向上する。
By making the area of the
また、湿度検出用キャパシタ80と参照用キャパシタ81とで下部電極83を共有し、参照電極82、上部電極84、及び下部電極83を積層構造とすることにより、チップ面積が小さくなり、湿度検出装置10の小型化を図ることができる。
In addition, the
また、図13において、参照電極82に隣接して配置された配線は、第1配線層120により形成されており、グランド電位とされている。
Further, in FIG. 13, the wiring arranged adjacent to the
[ASICチップの構成]
次に、ASICチップ30の構成について説明する。
[Configuration of ASIC chip]
Next, the configuration of the
図14は、ASICチップ30の構成を例示するブロック図である。図14に示すように、ASICチップ30には、湿度計測処理部31、温度計測処理部32、加熱制御部33、及び故障判定部34が構成されている。
FIG. 14 is a block diagram illustrating the configuration of the
詳しくは後述するが、湿度計測処理部31は、逆位相の第1駆動信号及び第2駆動信号をそれぞれ第1駆動端子T1及び第2駆動端子T2に印加して、信号端子TSとしてのパッド24bから出力される電荷を電圧に変換することにより相対湿度を計測する。
Although details will be described later, the humidity
温度計測処理部32は、温度検出用端子HTとしてのパッド24eの電位を検出し、検出電位に対応する温度を算出する。
The temperature
加熱制御部33は、加熱用端子HTとしてのパッド24fに所定の駆動電圧(例えば、上述の電源電圧VDD)を印加することにより、加熱部23に電流(例えば10mA程度)を流して発熱させる。加熱制御部33は、パッド24fへの印加電圧を制御することにより、発熱量の制御を行う。
The
故障判定部34は、湿度計測処理部31により計測された相対湿度と、温度計測処理部32により計測された温度とに基づいて故障判定を行う。故障判定部34は、故障判定時に、加熱部23の加熱開始及び終了に関する指示を、加熱制御部33に与える。
The
例えば、故障判定部34は、加熱部23が発熱していない初期状態において、湿度計測処理部31から湿度H1を取得し、温度計測処理部32から温度T1を取得する。そして、故障判定部34は、加熱部23による加熱を開始させ、一定時間の経過後に、再度、湿度計測処理部31から湿度H2を取得し、温度計測処理部32から温度T2を取得する。
For example, the
故障判定部34は、加熱により温度が上昇し(T2>T1)、かつ、加熱により湿度が低下した(H2<H1)場合には、湿度検出装置10が正常であると判定し、その他の場合には、湿度検出装置10が故障した状態にあると判定する。
When the temperature rises due to heating (T2>T1) and the humidity decreases due to heating (H2<H1), the
[湿度計測処理部の構成]
次に、湿度計測処理部31の構成について説明する。
[Configuration of Humidity Measurement Processing Unit]
Next, the configuration of the humidity
図15は、湿度計測処理部31の構成を例示する図である。図15に示すように、湿度計測処理部31は、駆動部300と、チャージアンプ301と、サンプルホールド回路302と、ADコンバータ(ADC)303と、制御部304とを有する。なお、図15には、センサチップ20の信号端子TSとしてのパッド24bに接続されたESD保護回路60を示している。
FIG. 15 is a diagram illustrating the configuration of the humidity
駆動部300は、第1駆動回路DRV1と、第2駆動回路DRV2とを含む。チャージアンプ301は、キャパシタC1と、オペアンプOP1と、スイッチ回路SW1とを含んで構成されたスイッチトキャパシタ方式の電荷電圧変換(CV変換)回路である。
The
第1駆動回路DRV1は、制御部304からの制御に基づいて、センサチップ20の第1駆動端子T1に、矩形波の交流駆動信号である第1駆動信号を印加する。第2駆動回路DRV2は、制御部304からの制御に基づいて、センサチップ20の第2駆動端子T2に、矩形波の交流駆動信号であって、第1駆動信号とは逆位相の第2駆動信号を印加する。第1駆動信号がハイレベルの場合には第2駆動信号はローレベルであり、第1駆動信号がローレベルの場合には第2駆動信号はハイレベルである。
The first drive circuit DRV<b>1 applies a first drive signal, which is a square-wave AC drive signal, to the first drive terminal T<b>1 of the
第1駆動信号及び第2駆動信号のハイレベルは、例えば電源電圧VDDと等しく、ローレベルは、例えばグランド電位GNDと等しい。 The high level of the first drive signal and the second drive signal is equal to, for example, power supply voltage VDD, and the low level thereof is equal to, for example, ground potential GND.
キャパシタC1は、一端がセンサチップ20の信号端子TSに接続され、他端がオペアンプOP1の出力に接続されている。
The capacitor C1 has one end connected to the signal terminal TS of the
オペアンプOP1は、反転入力端子が信号端子TSに接続され、非反転入力端子には基準電圧Vrefが入力される。基準電圧Vrefは、例えば、第1駆動信号及び第2駆動信号におけるハイレベルとローレベルとの中間の値である。 The operational amplifier OP1 has an inverting input terminal connected to the signal terminal TS, and a non-inverting input terminal to which the reference voltage Vref is input. The reference voltage Vref is, for example, an intermediate value between the high level and the low level of the first drive signal and the second drive signal.
オペアンプOP1は電圧ゲインが非常に大きいので、信号端子TSの電圧はほぼ基準電圧Vrefと等しくなる。また、オペアンプOP1は反転入力端子の入力インピーダンスは非常に高いので、反転入力端子にはほとんど電流が流れ込まない。オペアンプOP1は、信号端子TSの電圧と基準電圧Vrefとの差を増幅した電圧Voを出力する。 Since the operational amplifier OP1 has a very large voltage gain, the voltage at the signal terminal TS is substantially equal to the reference voltage Vref. Further, since the input impedance of the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 is very high, almost no current flows into the inverting input terminal. The operational amplifier OP1 outputs a voltage Vo obtained by amplifying the difference between the voltage of the signal terminal TS and the reference voltage Vref.
スイッチ回路SW1は、キャパシタC1に蓄積される電荷を放電するための回路であり、キャパシタC1と並列に接続される。スイッチ回路SW1は、制御部304からの制御に基づいて、オン又はオフする。
The switch circuit SW1 is a circuit for discharging charges accumulated in the capacitor C1, and is connected in parallel with the capacitor C1. The switch circuit SW1 is turned on or off under the control of the
サンプルホールド回路302は、第1サンプルホールド回路(第1S/H)302aと、第2サンプルホールド回路(第2S/H)302bとを含む。第1S/H302aと第2S/H302bとは、駆動部300とADC303との間に並列に接続されている。第1S/H302a及び第2S/H302bは、制御部304からの制御に基づいて、チャージアンプ301からの出力電圧Voを、選択的にサンプリングして保持し、保持した電圧を出力する。
The sample and hold
ADC303は、差動入力方式のADコンバータであって、2つの入力端子のうち一方は第1S/H302aの出力端子に接続され、他方は第2S/H302bの出力端子に接続されている。ADC303は、第1S/H302aの出力電圧Vsh1と第2S/H302bの出力電圧Vsh2との差分値ΔVをデジタル信号Dsに変換して出力する。すなわち、ADC303は、差分処理部として機能する。
The
制御部304は、ASICチップ30内の各部を制御する。制御部304は、駆動部300による駆動信号の発生、スイッチ回路SW1によるキャパシタC1の放電、サンプルホールド回路302によるサンプルホールド、ADC303によるAD変換動作を所定の測定シーケンスに基づいて実行する。
A
[測定シーケンス]
次に、測定シーケンスについて説明する。
[Measurement sequence]
Next, the measurement sequence will be explained.
図16は、測定シーケンスを説明するタイミングチャートである。測定シーケンスにおいて、制御部304は、第1期間T1と第2期間T2とを繰り返すように各部を制御する。第1期間T1は、第1リセット期間Tr1と第1電荷転送期間Tc1とからなる。第2期間T2は、第2リセット期間Tr2と第2電荷転送期間Tc2とからなる。
FIG. 16 is a timing chart explaining the measurement sequence. In the measurement sequence, the
第1リセット期間Tr1及び第2リセット期間Tr2は、スイッチ回路SW1をオンとしてキャパシタC1の電荷を放電する期間である。第1電荷転送期間Tc1及び第2電荷転送期間Tc2は、スイッチ回路SW1をオフとしてキャパシタC1を充電可能な状態として、センサチップ20の信号端子TSから出力される電荷をキャパシタC1に転送する期間である。
The first reset period Tr1 and the second reset period Tr2 are periods during which the switch circuit SW1 is turned on and the capacitor C1 is discharged. The first charge transfer period Tc1 and the second charge transfer period Tc2 are periods in which the switch circuit SW1 is turned off to set the capacitor C1 in a chargeable state, and the charge output from the signal terminal TS of the
第1リセット期間Tr1では、第1駆動信号がハイレベルとされ、第2駆動信号がローレベルとされる。第1電荷転送期間Tc1では、第1駆動信号がローレベルとされ、第2駆動信号がハイレベルとされる。第2リセット期間Tr2では、第1駆動信号がローレベルとされ、第2駆動信号がハイレベルとされる。第2電荷転送期間Tc2では、第1駆動信号がハイレベルとされ、第2駆動信号がローレベルとされる。このように、第1駆動信号と第2駆動信号とは、第1期間T1と第2期間T2とで電圧が反転、すなわち逆位相となっている。なお、電圧が反転とは、基準電圧Vrefに対して反転することをいう。 In the first reset period Tr1, the first drive signal is set to high level and the second drive signal is set to low level. In the first charge transfer period Tc1, the first drive signal is at low level and the second drive signal is at high level. In the second reset period Tr2, the first drive signal is set to low level and the second drive signal is set to high level. In the second charge transfer period Tc2, the first drive signal is set to high level and the second drive signal is set to low level. In this manner, the voltages of the first drive signal and the second drive signal are inverted between the first period T1 and the second period T2, that is, they are in opposite phases. Inverting the voltage means that the voltage is inverted with respect to the reference voltage Vref.
これにより、オペアンプOP1からの出力電圧Voは、第1電荷転送期間Tc1と第2電荷転送期間Tc2とで電圧が反転する。第1電荷転送期間Tc1における出力電圧Vo(第1出力電圧)は、第1S/H302aによりサンプルホールドされる。第2電荷転送期間Tc2における出力電圧Vo(第2出力電圧)は、第2S/H302bによりサンプルホールドされる。
As a result, the output voltage Vo from the operational amplifier OP1 is inverted between the first charge transfer period Tc1 and the second charge transfer period Tc2. The output voltage Vo (first output voltage) in the first charge transfer period Tc1 is sample-held by the first S/
以下、各期間について詳細に説明する。まず、第1リセット期間Tr1では、スイッチ回路SW1がオンとされることにより、キャパシタC1が放電するとともに、オペアンプOP1がバーチャルショートされる。このとき、第1駆動端子T1には、第1駆動信号のハイレベル(VDD)が印加され、第2駆動端子T1には、第2駆動信号のローレベル(GND)が印加される。これにより、センサチップ20の湿度検出用キャパシタ80と参照用キャパシタ81とには、基準電圧Vrefを基準として電荷が蓄積される。これらの合計の電荷Q1は、下式(1)で表される。
Each period will be described in detail below. First, in the first reset period Tr1, the switch circuit SW1 is turned on, thereby discharging the capacitor C1 and virtual shorting the operational amplifier OP1. At this time, the high level (VDD) of the first drive signal is applied to the first drive terminal T1, and the low level (GND) of the second drive signal is applied to the second drive terminal T1. As a result, electric charges are accumulated in the
Q1=-Cs×(VDD-Vref)+Cr×Vref ・・・(1)
ここで、Csは、湿度検出用キャパシタ80の静電容量であり、Crは、参照用キャパシタ81の静電容量である。
Q1=-Cs*(VDD-Vref)+Cr*Vref (1)
Here, Cs is the capacitance of the
また、第1リセット期間Tr1では、スイッチ回路SW1がオンとされているので、キャパシタC1の蓄積電荷Q2は0である。 Also, since the switch circuit SW1 is turned on during the first reset period Tr1, the accumulated charge Q2 of the capacitor C1 is zero.
次に、第1電荷転送期間Tc1では、スイッチ回路SW1がオフとされるとともに、第1駆動信号がローレベル(GND)、第2駆動信号がハイレベル(VDD)に変更される。スイッチ回路SW1がオフとされて、オペアンプOP1の反転入力端子がハイインピーダンス(HiZ)状態となることにより、電荷保存則に基づき、湿度検出用キャパシタ80、参照用キャパシタ81、及びキャパシタC1の総電荷量が一定に維持される。
Next, in the first charge transfer period Tc1, the switch circuit SW1 is turned off, the first drive signal is changed to low level (GND), and the second drive signal is changed to high level (VDD). When the switch circuit SW1 is turned off and the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 becomes a high impedance (HiZ) state, the total charge of the
第1駆動信号及び第2駆動信号の電圧の変化に伴い、オペアンプOP1の反転入力端子の電圧Viが変化する。この後、オペアンプOP1のフィードバックによって差動入力電圧が釣り合うまで出力電圧Voが上昇する。 As the voltages of the first drive signal and the second drive signal change, the voltage Vi of the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 changes. After that, the feedback of the operational amplifier OP1 increases the output voltage Vo until the differential input voltages are balanced.
このとき、湿度検出用キャパシタ80と参照用キャパシタ81との合計の電荷Q3は、下式(2)で表される。
At this time, the total electric charge Q3 of the
Q3=-Cr×(VDD-Vref)+Cs×Vref ・・・(2)
また、第1電荷転送期間Tc1では、キャパシタC1の蓄積電荷Q4は下式(3)で表される。
Q3=-Cr×(VDD-Vref)+Cs×Vref (2)
Also, in the first charge transfer period Tc1, the accumulated charge Q4 of the capacitor C1 is represented by the following equation (3).
Q4=C1×(Vref-Vo) ・・・(3)
そして、電荷保存則により「Q1+Q2=Q3+Q4」の関係が成立することから、第1電荷転送期間Tc1における出力電圧Voは、下式(4)で表される。
Q4=C1×(Vref−Vo) (3)
Since the relationship "Q1+Q2=Q3+Q4" holds according to the law of conservation of charge, the output voltage Vo in the first charge transfer period Tc1 is expressed by the following equation (4).
Vo=VDD×(Cs-Cr)/C1+Vref ・・・(4)
第1S/H302aによるサンプルホールドは、出力電圧Voが十分に上昇した第1電荷転送期間Tc1の終了時点の信号を取り込み、第1S/H302aには、式(4)で表される出力電圧Voが保持される。
Vo=VDD×(Cs−Cr)/C1+Vref (4)
The sample hold by the first S/
次に、第2リセット期間Tr2は、第1リセット期間Tr1と同様であるが、第1駆動信号及び第2駆動信号の電圧が第1リセット期間Tr1とは反転されるので、第2リセット期間Tr2における湿度検出用キャパシタ80と参照用キャパシタ81との合計の電荷Q1'は、下式(5)で表される。
Next, the second reset period Tr2 is the same as the first reset period Tr1, but since the voltages of the first drive signal and the second drive signal are inverted from those of the first reset period Tr1, the second reset period Tr2 The total electric charge Q1' of the
Q1'=-Cr×(VDD-Vref)+Cs×Vref ・・・(5)
キャパシタC1の蓄積電荷Q2'は0である。
Q1′=−Cr×(VDD−Vref)+Cs×Vref (5)
The stored charge Q2' of capacitor C1 is zero.
同様に、第2電荷転送期間Tc2では、第1駆動信号及び第2駆動信号の電圧が第1電荷転送期間Tc1とは反転されるので、第2電荷転送期間Tc2における湿度検出用キャパシタ80と参照用キャパシタ81との合計の電荷Q3'は、下式(6)で表される。
Similarly, in the second charge transfer period Tc2, the voltages of the first drive signal and the second drive signal are inverted from those in the first charge transfer period Tc1. The total electric charge Q3' with the
Q3'=-Cs×(VDD-Vref)+Cr×Vref ・・・(6)
第2電荷転送期間Tc2におけるキャパシタC1の蓄積電荷Q4'は、上式(3)と同様である。
Q3′=−Cs×(VDD−Vref)+Cr×Vref (6)
The accumulated charge Q4' of the capacitor C1 in the second charge transfer period Tc2 is the same as the above equation (3).
電荷保存則により「Q1'+Q2'=Q3'+Q4'」の関係が成立することから、第2電荷転送期間Tc2における出力電圧Voは、下式(7)で表される。 Since the relationship of "Q1'+Q2'=Q3'+Q4'" is established by the law of conservation of charge, the output voltage Vo in the second charge transfer period Tc2 is expressed by the following equation (7).
Vo=-VDD×(Cs-Cr)/C1+Vref ・・・(7)
第2S/H302bによるサンプルホールドは、出力電圧Voが十分に上昇した第2電荷転送期間Tc2の終了時点の信号を取り込み、第2S/H302bには、式(7)で表される出力電圧Voが保持される。
Vo=−VDD×(Cs−Cr)/C1+Vref (7)
The second S/
第1S/H302a及び第2S/H302bは、次回のサンプルホールド時まで現在の保持電圧を維持するので、ADC303には、上式(4)の出力電圧Voに一致した出力電圧Vsh1と、上式(7)の出力電圧Voに一致した出力電圧Vsh2とが入力される。
Since the first S/
したがって、差分処理部としてのADC303により生成される差分値ΔVは、下式(8)で表される。
Therefore, the difference value ΔV generated by the
ΔV=2×VDD×(Cs-Cr)/C1 ・・・(8)
このように、第1期間T1と第2期間T2とで第1駆動信号と第2駆動信号との電圧を反転させることにより、測定信号の振幅を2倍に拡大することができる。
ΔV=2×VDD×(Cs−Cr)/C1 (8)
In this way, by inverting the voltages of the first drive signal and the second drive signal between the first period T1 and the second period T2, the amplitude of the measurement signal can be doubled.
[リーク電流の相殺効果]
図17は、リーク電流の相殺効果について説明する図である。本実施形態では、センサチップ20の信号端子TSにESD保護回路60が接続されていることから、ESD保護回路60のPN接合に逆方向電圧が印加され、逆方向電流(リーク電流)が発生する可能性がある。また、オペアンプOP1に含まれるスイッチ回路SW1や、信号端子TSに接続されるスイッチ回路(図示せず)についても、PN接合に逆方向電圧が印可され、逆方向電流(リーク電流)が発生する可能性がある。
[Cancellation effect of leakage current]
FIG. 17 is a diagram for explaining the canceling effect of leak currents. In this embodiment, since the
このようなリーク電流は、スイッチ回路SW1がオフ状態である第1電荷転送期間Tc1及び第2電荷転送期間Tc2において、例えば、チャージアンプ301の出力端子、キャパシタC1、チャージアンプ301の入力端子、ESD保護回路60、グランドの経路で流れる。スイッチ回路SW1にリーク電流が流れることにより、出力電圧Voを変動させる。この出力電圧Voの変動量δは、下式(9)で表される。
Such a leakage current is, for example, the output terminal of the
δ=I×t/C1 ・・・(9)
ここで、Iは、リーク電流の大きさ、tは、第1電荷転送期間Tc1及び第2電荷転送期間Tc2のそれぞれの長さを表している。
δ=I×t/C1 (9)
Here, I represents the magnitude of the leakage current, and t represents the length of each of the first charge transfer period Tc1 and the second charge transfer period Tc2.
なお、リーク電流が上記経路のように、チャージアンプ301の入力端子からグランドへ流れる場合には、変動量δは正となり、出力電圧Voを上昇させる。逆に、リーク電流がVDDなどの高電圧からチャージアンプ301の入力端子へ流れる場合には、変動量δは負となり、出力電圧Voを低下させる。
When the leakage current flows from the input terminal of the
第1電荷転送期間Tc1であるか第2電荷転送期間Tc2であるかにかかわらずリーク電流の経路は同一であるので、変動量δの正負は、第1電荷転送期間Tc1であるか第2電荷転送期間Tc2であるかによらず同じである。 The leakage current path is the same regardless of whether it is the first charge transfer period Tc1 or the second charge transfer period Tc2. This is the same regardless of whether it is the transfer period Tc2.
したがって、図17に示すように、リーク電流が生じた場合には、第1電荷転送期間Tc1における出力電圧Voと第2電荷転送期間Tc2における出力電圧Voとの変動量δの極性は同一であり、ADC303による差分処理により相殺され、リーク電流によるチャージアンプ301の出力電圧誤差が抑制される。
Therefore, as shown in FIG. 17, when a leak current occurs, the polarity of the variation δ between the output voltage Vo in the first charge transfer period Tc1 and the output voltage Vo in the second charge transfer period Tc2 is the same. , are offset by differential processing by the
なお、図16及び図17に示す測定シーケンスにおいて、第1駆動信号と第2駆動信号との電圧のハイレベルをローレベルとし、ローレベルをハイレベルとすることも可能である。 In the measurement sequences shown in FIGS. 16 and 17, it is also possible to set the high level of the voltages of the first drive signal and the second drive signal to the low level and the low level to the high level.
[消費電力の抑制効果]
次に、図9及び図13に示す電極の積層構造による消費電力の低減効果について説明する。
[Effect of reducing power consumption]
Next, the effect of reducing power consumption by the laminated structure of the electrodes shown in FIGS. 9 and 13 will be described.
図18は、寄生容量を含めた電極構造の等価回路を示す図である。図9及び図13に示すように、本実施形態では、参照電極82がp型半導体基板70に近接するので、参照電極82とp型半導体基板70の間で寄生容量Cpが生じる。この寄生容量Cpは、図18に示すように、参照用キャパシタ81と第2駆動端子T2との間に付加される。
FIG. 18 is a diagram showing an equivalent circuit of an electrode structure including parasitic capacitance. As shown in FIGS. 9 and 13, in this embodiment, the
図19は、本実施形態に対する比較例として、従来の電極構造の等価回路を示す図である。例えば、特許文献1の図4に示されるように、容量検出電極としての下部電極が基板上に近接して設けられることから、下部電極と基板との間で寄生容量Cpが生じる。この寄生容量Cpは、図19に示すように、信号端子TSに付加されることになる。
FIG. 19 is a diagram showing an equivalent circuit of a conventional electrode structure as a comparative example for this embodiment. For example, as shown in FIG. 4 of
したがって、本実施形態では、基板との間で生じる寄生容量Cpは、信号端子TSに付加されることなく、参照用キャパシタ81に対して付加されるため、信号端子TSに接続されるチャージアンプの入力端子に接続される駆動負荷が低減し、消費電力が低減する。
Therefore, in this embodiment, the parasitic capacitance Cp generated between the substrate and the substrate is added to the
[パッド配置による効果]
次に、本実施形態のパッド配置による効果について説明する。
[Effect of Pad Arrangement]
Next, the effects of the pad arrangement of this embodiment will be described.
図20は、本実施形態のパッド配置による効果を説明する図である。図20に示すように、本実施形態では、センサチップ20のパッド24を、信号端子TSを中心として、第1駆動端子T1と第2駆動端子T2とが対称となるように配置している。同様に、ASICチップ30の第1パッド35を、チャージアンプ301の入力端子を中心として、第1駆動信号の出力端子と第2駆動信号の出力端子とが対称となるように配置している。
FIG. 20 is a diagram for explaining the effects of the pad arrangement of this embodiment. As shown in FIG. 20, in this embodiment, the
これにより、信号端子TS、第1駆動端子T1、第2駆動端子T2にそれぞれ接続される第1ボンディングワイヤ43はほぼ対称となる。2つの第1ボンディングワイヤ43間には寄生容量Cpが生じ、この寄生容量Cpは、モールド樹脂40の吸湿の影響により変化する可能性がある。
As a result, the
仮に、この寄生容量Cpを介して流れる電流が、チャージアンプ301の入力端子へ流れると、信号の時定数の劣化等を招くことになる。しかし、本実施形態では、パッド配置を対称とすることにより、各寄生容量Cpの大きさをほぼ等しくし、かつ、第1駆動信号と第2駆動信号との電圧を反転させていることから、チャージアンプ301の入力端子に流れ込む第1電流成分と流れ出る第2電流成分とが同時に生じる。第1電流成分と第2電流成分とは大きさがほぼ等しいことから互いに相殺される。この結果、電流の流れは、図20中のIpのみとなり、チャージアンプ301の入力端子への電流の流れが抑制され、時定数の劣化等が抑制される。
If the current flowing through the parasitic capacitance Cp were to flow to the input terminal of the
また、前述の式(8)で表されるように、湿度計測処理部31では、湿度検出用キャパシタ80の静電容量Csと参照用キャパシタ81の静電容量Crとの差分値に比例する値として湿度が計測される。このため、図20に示すように寄生容量Cpが生じた場合には、「Cs+Cp」と「Cr+Cp」との差分値として湿度が計測されることにより、寄生容量Cpは打ち消される。したがって、図20に示すパッド配置により、寄生容量Cpによる計測精度の劣化が防止される。
Further, as expressed by the above-described formula (8), the humidity
なお、信号端子TSと第1駆動端子T1、信号端子TSと第2駆動端子T2は、隣接していなくてもよく、図4に示す例のように、それぞれの間に他の端子(パッド24)が配置されていてもよい。図4では、信号端子TSと第1駆動端子T1との間に温度検出用端子TMPが配置されており、信号端子TSと第2駆動端子T2との間にグランド電極端子GNDが配置されているが、これらはほぼ固定電位であるので、各寄生容量Cpの大きさほぼ等しい大きさに維持される。 Note that the signal terminal TS and the first drive terminal T1, and the signal terminal TS and the second drive terminal T2 may not be adjacent to each other. ) may be placed. In FIG. 4, the temperature detection terminal TMP is arranged between the signal terminal TS and the first drive terminal T1, and the ground electrode terminal GND is arranged between the signal terminal TS and the second drive terminal T2. However, since these are substantially fixed potentials, the magnitudes of the respective parasitic capacitances Cp are maintained substantially equal.
[シールド層の変形例]
次に、シールド層の変形例について説明する。
[Modified example of shield layer]
Next, modified examples of the shield layer will be described.
図12では、下部電極83の周囲にグランド配線107を近接させることにより、グランド配線107をシールド層として機能させているが、以下の変形例では、下部電極83の周囲に個別にシールド層を設ける。
In FIG. 12, the
図21は、シールド層の第1変形例を示す平面図である。図21に示すように、第1変形例では、下部電極83の周囲を取り囲むようにシールド層400を形成している。このシールド層400は、固定電位(例えば、電源電圧VDD、グランド電位GND)とすることが好ましい。また、シールド層400を、第1駆動信号又は第2駆動信号で電位固定するように構成してもよい。
FIG. 21 is a plan view showing a first modification of the shield layer. As shown in FIG. 21, in the first modification, a
図22は、シールド層の第2変形例を示す平面図である。図22に示すように、第2変形例では、下部電極83の周囲を取り囲むように、第1シールド層401及び第2シールド層402を形成している。
FIG. 22 is a plan view showing a second modification of the shield layer. As shown in FIG. 22, in the second modification, a
第1シールド層401は、下部電極83の周囲の一部(ほぼ半分)を取り囲んでおり、第2シールド層402は、他の部分(ほぼ半分)を取り囲んでいる。第1シールド層401と第2シールド層402とは、長さ、幅、厚み、下部電極83からの距離がほぼ等しい。このため、第1シールド層401と下部電極83との間で生じる寄生容量と、第2シールド層402と下部電極83との間で生じる寄生容量とはほぼ等しい。
The
第1シールド層401は、信号線202に接続されており、第1駆動信号が印加される。第2シールド層402は、信号線203に接続されており、第2駆動信号が印加される。
The
第1シールド層401及び第2シールド層402に第1駆動信号及び第2駆動信号をそれぞれ印加した場合には、湿度検出用キャパシタ80及び参照用キャパシタ81の静電容量の絶対値にずれが生じる可能性があるが、このずれは推定可能な値であるので、出力電圧Vo等の補正により打ち消すことが可能である。
When the first drive signal and the second drive signal are applied to the
なお、下部電極83の周囲を取り囲むシールド層を、さらに3以上に分割してもよい。
The shield layer surrounding the
[湿度計測処理部の変形例]
次に、湿度計測処理部の変形例について説明する。
[Modification of Humidity Measurement Processing Unit]
Next, a modified example of the humidity measurement processing section will be described.
図23は、変形例に係る湿度計測処理部31aの構成を示す図である。図23に示すように、第1チャージアンプ301a、第2チャージアンプ301b、デマルチプレクサ(DEMUX)305を有する点が上記実施形態の湿度計測処理部31と異なる。
FIG. 23 is a diagram showing the configuration of the humidity
第1チャージアンプ301aと第2チャージアンプ301bとは、上記実施形態のチャージアンプ301と同様の構成である。
The
第1チャージアンプ301aの出力端子には第1S/H302aが接続され、第2チャージアンプ301bの出力端子には第2S/H302bが接続されている。第1チャージアンプ301a及び第2チャージアンプ301bの各入力端子にはDEMUX305が接続されている。DEMUX305は、センサチップ20の信号端子TSに接続されている。DEMUX305は、スイッチ回路SW3とスイッチ回路SW4とを含む。信号端子TSは、スイッチ回路SW3を介して第1チャージアンプ301aに接続される。信号端子TSは、スイッチ回路SW4を介して第2チャージアンプ301bに接続される。
A first S/
DEMUX305は、制御部304からの制御に基づいて、第1チャージアンプ301aと第2チャージアンプ301bとを選択的に信号端子TSに接続する。具体的には、DEMUX305は、前述の第1期間T1には、スイッチ回路SW3をオンとして、第1チャージアンプ301aを信号端子TSに接続し、前述の第2期間T2には、スイッチ回路SW4をオンとして、第2チャージアンプ301bを信号端子TSに接続する。
The
したがって、本変形例に係る湿度計測処理部31aでは、第1期間T1では第1チャージアンプ301aによりCV変換を行って第1S/H302aによりサンプルホールドし、第2期間T2では第2チャージアンプ301bによりCV変換を行って第2S/H302bによりサンプルホールドを行う。
Therefore, in the humidity
湿度計測処理部31aのその他の構成及び動作は、上記実施形態の湿度計測処理部31と同様である。
Other configurations and operations of the humidity
図24は、変形例に係る湿度計測処理部31aの測定シーケンスを説明するタイミングチャートである。図24において、Vo1は、第1チャージアンプ301aから出力される出力電圧(以下、第1出力電圧という)を示している。Vo2は、第2チャージアンプ301bから出力される出力電圧(以下、第2出力電圧という)を示している。
FIG. 24 is a timing chart for explaining the measurement sequence of the humidity
本変形例では、第1チャージアンプ301aは第1期間T1に駆動され、第2チャージアンプ301bは第2期間T2に駆動される。すなわち、第1チャージアンプ301aと第2チャージアンプ301bとは、異なるタイミングで駆動される。本変形例では、第1期間T1の第1電荷転送期間Tc1(Phase2)において第1出力電圧Vo1が基準電圧Vrefから上昇し、第2期間T2の第2電荷転送期間Tc2(Phase4)において第2出力電圧Vo2が基準電圧Vrefから低下する。
In this modification, the
理想的には、第1リセット期間Tr1(Phase1)において第2出力電圧Vo2は出力電圧Vsh2に維持され、第2リセット期間Tr2(Phase3)において第1出力電圧Vo1は出力電圧Vsh1に維持されるべきである。 Ideally, the second output voltage Vo2 should be maintained at the output voltage Vsh2 during the first reset period Tr1 (Phase1), and the first output voltage Vo1 should be maintained at the output voltage Vsh1 during the second reset period Tr2 (Phase3). is.
湿度の計測精度を高めるためには、第1チャージアンプ301aに含まれる第1キャパシタC1と、第2チャージアンプ301bに含まれる第2キャパシタC2とは容量値が等しいことが望ましい。第1キャパシタC1と第2キャパシタC2との容量値を等しくするためには、湿度計測処理部31aが形成されるASICチップ30のレイアウト(回路配置)において、両者を近接させて配置することが好ましい。第1キャパシタC1と第2キャパシタC2とを近接させて配置することにより、製造時に生じる面内ばらつきの影響が低減され、容量値の差異が低減される。
In order to improve the humidity measurement accuracy, it is desirable that the first capacitor C1 included in the
しかしながら、第1キャパシタC1と第2キャパシタC2とを近接させて配置すると、両者の間でカップリングが生じ、相互に出力変動を生じさせてしまう。具体的には、第1リセット期間Tr1において第2出力電圧Vo2が出力電圧Vsh2から変動する。また、第2リセット期間Tr2において第1出力電圧Vo1が出力電圧Vsh1から変動する。このような出力変動が生じると、湿度の計測精度が低下する。 However, when the first capacitor C1 and the second capacitor C2 are placed close to each other, coupling occurs between them, causing output fluctuations between them. Specifically, the second output voltage Vo2 fluctuates from the output voltage Vsh2 in the first reset period Tr1. Also, the first output voltage Vo1 fluctuates from the output voltage Vsh1 in the second reset period Tr2. When such an output fluctuation occurs, the humidity measurement accuracy is lowered.
このように、第1キャパシタC1と第2キャパシタC2とを近接させて配置することは、容量値を等しくする点では効果的であるが、カップリングによる出力電圧の変動という弊害を生じさせる。以下に、カップリングによる出力電圧の変動を抑制する構成について説明する。 Arranging the first capacitor C1 and the second capacitor C2 close to each other in this manner is effective in terms of equalizing the capacitance values, but causes a detrimental effect of fluctuation in the output voltage due to coupling. A configuration for suppressing variations in output voltage due to coupling will be described below.
図25は、ASICチップ30における湿度計測処理部31aのレイアウトを概略的に示す図である。図25において、パッド35aは、センサチップ20のグランド電極端子(GND)としてのパッド24aに接続されている。パッド35bは、センサチップ20の信号端子(TS)としてのパッド24bに接続されている。パッド35bは、配線を介してDEMUX305に接続されている。
FIG. 25 is a diagram schematically showing the layout of the humidity
符号IN1は、第1チャージアンプ301aに含まれるオペアンプOP1の反転入力端子を示している。符号IN2は、第2チャージアンプ301bに含まれるオペアンプOP2の反転入力端子を示している。
Symbol IN1 indicates the inverting input terminal of the operational amplifier OP1 included in the
第1キャパシタC1と第2キャパシタC2とは、それぞれ矩形状で、かつ同一の大きさであり、X方向に隣接して配置されている。第1キャパシタC1と第2キャパシタC2との間には、シールド配線SLが配設されている。このシールド配線SLは、Y方向に延在している。シールド配線SLは、パッド35aに接続されたグランド配線504aに接続されている。
The first capacitor C1 and the second capacitor C2 each have a rectangular shape and the same size, and are arranged adjacent to each other in the X direction. A shield wiring SL is arranged between the first capacitor C1 and the second capacitor C2. This shield wiring SL extends in the Y direction. The shield wiring SL is connected to the
また、第1キャパシタC1及び第2キャパシタC2は、反転入力端子IN1,IN2よりもパッド35b側に配置されている。
Also, the first capacitor C1 and the second capacitor C2 are arranged closer to the
図26は、図25中のA-A線に沿った断面図である。図26に示すように、ASICチップ30は、p型半導体基板500をベースとして形成されている。p型半導体基板500上には、第1~第6配線層501~506が形成されている。また、p型半導体基板500上には、p型半導体基板500と配線層、及び配線層間を接続するための第1~第6プラグ層511~516が形成されている。
26 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 25. FIG. As shown in FIG. 26, the
オペアンプOP1,OP2は、p型半導体基板500内に形成されたソース・ドレイン領域、及びゲート電極により形成されたCMOSトランジスタと、第1~第4配線層501~504と、第1~第4プラグ層511~514とにより構成されている。また、オペアンプOP1,OP2の最上層には、第4配線層504により形成されたグランド配線504aが配設されている。
The operational amplifiers OP1 and OP2 are composed of CMOS transistors formed of source/drain regions and gate electrodes formed in the p-
第1キャパシタC1、第2キャパシタC2、及びシールド配線SLは、オペアンプOP1,OP2の上方に位置している。第1キャパシタC1、第2キャパシタC2、及びシールド配線SLは、第5及び第6配線層505,506と、第6プラグ層516とにより構成されている。
The first capacitor C1, the second capacitor C2, and the shield line SL are located above the operational amplifiers OP1 and OP2. The first capacitor C<b>1 , the second capacitor C<b>2 and the shield line SL are composed of the fifth and sixth wiring layers 505 and 506 and the
第1キャパシタC1は、第5配線層505により形成された下部電極505aと、第6配線層506により形成された上部電極506aとにより構成された平行平板型のキャパシタである。同様に、第2キャパシタC2は、第5配線層505により形成された下部電極505bと、第6配線層506により形成された上部電極506bとにより構成された平行平板型のキャパシタである。
The first capacitor C<b>1 is a parallel plate type capacitor composed of a
シールド配線SLは、第5配線層505により形成された下部配線505cと、第6配線層506により形成された上部配線506cとにより構成されている。下部配線505cと上部配線506cとは、第6プラグ層516を介して接続されている。また、下部配線505cは、第5プラグ層515を介してグランド配線504aに接続されている。
The shield wiring SL is composed of a
このように、シールド配線SLは、下部配線505cと上部配線506cとが第6プラグ層516を介して積層されてなり、第1キャパシタC1と第2キャパシタC2との間に配置されている。また、シールド配線SLは、固定電位(グランド電位)とされている。シールド配線SLは、第1キャパシタC1と第2キャパシタC2との間の電気的な相互作用を遮蔽してカップリングを抑制する作用を奏する。
Thus, the shield wiring SL is formed by stacking the
したがって、本変形例によれば、第1キャパシタC1と第2キャパシタC2とが近接して配置されていることにより、製造時に生じる面内ばらつきの影響が低減され、容量値の差異が低減されるとともに、第1キャパシタC1と第2キャパシタC2との間に固定電位のシールド配線SLが配置されているので、両者のカップリングによる出力電圧の変動を抑制することができる。 Therefore, according to this modified example, since the first capacitor C1 and the second capacitor C2 are arranged close to each other, the influence of in-plane variations occurring during manufacturing is reduced, and the difference in capacitance value is reduced. In addition, since the fixed-potential shield line SL is arranged between the first capacitor C1 and the second capacitor C2, fluctuations in the output voltage due to coupling between the two can be suppressed.
なお、シールド配線SLの電位は、グランド電位に限られず、その他の固定電位であってもよい。 Note that the potential of the shield line SL is not limited to the ground potential, and may be another fixed potential.
[その他の変形例]
以下、その他の種々の変形例について説明する。
[Other Modifications]
Other various modifications will be described below.
上記実施形態では、ESD保護回路をNMOSトランジスタにより構成しているが、PチャネルMOSトランジスタ(PMOSトランジスタ)により構成してもよい。 In the above embodiments, the ESD protection circuit is composed of NMOS transistors, but may be composed of P-channel MOS transistors (PMOS transistors).
また、上記実施形態では、センサチップ20の基板をp型半導体基板70としているが、n型半導体基板を用いることも可能である。
Further, in the above embodiment, the substrate of the
また、上記実施形態では、湿度検出装置10を、センサチップ20とASICチップ30とを積層したスタック構造としているが、本発明は、スタック構造以外の湿度検出装置にも適用可能である。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、湿度検出用キャパシタ80と参照用キャパシタ81とを設けているが、参照用キャパシタ81は必須ではなく設けなくてもよい。この場合、第2駆動信号を出力する第2駆動回路DRV2は不要である。この場合においても図17に示す測定シーケンスにより、リーク電流によるチャージアンプ301の出力電圧誤差が抑制される。
Further, although the
また、上記実施形態では、湿度検出部21を、静電容量変化型の湿度センサとしているが、吸脱湿による感湿膜の抵抗の変化を検出するピエゾ抵抗式等の抵抗変化型湿度センサとしてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上記実施形態では、検出装置として、湿度を検出する湿度検出装置10を例示しているが、本発明は、湿度以外の物理量を検出する検出装置にも適用可能である。すなわち、湿度検出部21に代えて、湿度以外の物理量に応じた信号を出力する検出部を設けることが可能である。すなわち、感湿膜86に代えて、湿度以外の物理量に応じて誘電率が変化する物理量検出膜を用いることが可能である。
Further, in the above embodiment, the
また、本開示において、「覆う」や「上」という文言により表される2つの要素の位置関係は、第1の要素を第2の要素の表面に、他の要素を介して間接的に設けられる場合、及び直接的に設けられる場合の両方を含む。 In addition, in the present disclosure, the positional relationship between two elements represented by the words “cover” and “on” means that the first element is indirectly provided on the surface of the second element via another element. It includes both cases where it is provided and cases where it is provided directly.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. and substitutions can be added.
10 湿度検出装置、20 センサチップ(第1半導体チップ)、21 湿度検出部、22 温度検出部、23 加熱部、24 ボンディングパッド、30 ASICチップ(第2半導体チップ)、40 モールド樹脂、50 開口部、60 静電気放電保護回路、70 p型半導体基板、80 湿度検出用キャパシタ(検出用キャパシタ)、81 参照用キャパシタ、82 参照電極(第3電極)、83 下部電極(第2電極)、84 上部電極(第1電極)、84a 開口、86 感湿膜、107 グランド配線、300 駆動部、301 チャージアンプ(電荷電圧変換部)、301a 第1チャージアンプ(第1電荷電圧変換部)、301b 第2チャージアンプ(第2電荷電圧変換部)、303 ADコンバータ(差分処理部)、504a グランド配線 10 humidity detector, 20 sensor chip (first semiconductor chip), 21 humidity detector, 22 temperature detector, 23 heating unit, 24 bonding pad, 30 ASIC chip (second semiconductor chip), 40 mold resin, 50 opening , 60 electrostatic discharge protection circuit, 70 p-type semiconductor substrate, 80 humidity detection capacitor (detection capacitor), 81 reference capacitor, 82 reference electrode (third electrode), 83 lower electrode (second electrode), 84 upper electrode (first electrode), 84a opening, 86 moisture-sensitive film, 107 ground wiring, 300 driving unit, 301 charge amplifier (charge-voltage conversion unit), 301a first charge amplifier (first charge-voltage conversion unit), 301b second charge Amplifier (second charge-voltage conversion unit), 303 AD converter (difference processing unit), 504a ground wiring
Claims (14)
前記第1駆動端子に交流の第1駆動信号を印加する駆動部であって、第1期間と第2期間とで前記第1駆動信号の電圧を反転させる駆動部と、
前記信号端子に生じる電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部であって、前記第1期間に第1出力電圧を生成し、前記第2期間に前記第1期間とは電圧が反転した第2出力電圧を生成する電荷電圧変換部と、
前記第1出力電圧と前記第2出力電圧との差分値を生成する、差動入力方式のADコンバータである差分処理部と、
前記ADコンバータの一方の入力端子に接続された第1サンプルホールド回路と、
前記ADコンバータのもう一方の入力端子に接続された第2サンプルホールド回路と、
を有し、
前記第1サンプルホールド回路及び前記第2サンプルホールド回路は、前記第1出力電圧及び前記第2出力電圧を選択的にサンプリングして保持し、
前記ADコンバータは、前記第1サンプルホールド回路の出力電圧と前記第2サンプルホールド回路の出力電圧の差分をデジタル信号に変換して出力する、検出装置。 a detection capacitor having a first electrode connected to a first drive terminal and a second electrode connected to a signal terminal, the first electrode and the second electrode having a capacitance that varies according to a physical quantity; and a detection unit composed of
a driving unit for applying a first AC drive signal to the first drive terminal, the driving unit for inverting the voltage of the first drive signal between a first period and a second period;
A charge-voltage converter that converts the charge generated at the signal terminal into a voltage, wherein a first output voltage is generated during the first period, and a second output voltage is inverted during the second period from that of the first period. a charge-voltage converter that generates a voltage;
a difference processing unit that is a differential input AD converter that generates a difference value between the first output voltage and the second output voltage;
a first sample and hold circuit connected to one input terminal of the AD converter;
a second sample and hold circuit connected to the other input terminal of the AD converter;
has
the first sample-and-hold circuit and the second sample-and-hold circuit selectively sample and hold the first output voltage and the second output voltage;
The detection device, wherein the AD converter converts the difference between the output voltage of the first sample-and-hold circuit and the output voltage of the second sample-and-hold circuit into a digital signal and outputs the digital signal.
前記第1駆動端子に交流の第1駆動信号を印加する駆動部であって、第1期間と第2期間とで前記第1駆動信号の電圧を反転させる駆動部と、
前記信号端子に生じる電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部であって、前記第1期間に第1出力電圧を生成し、前記第2期間に前記第1期間とは電圧が反転した第2出力電圧を生成する電荷電圧変換部と、
前記第1出力電圧と前記第2出力電圧との差分値を生成する差分処理部と、
を有し、
前記電荷電圧変換部は、
前記電荷電圧変換部の入力端子と出力端子間に接続されたキャパシタと、
前記キャパシタと並列に接続されたスイッチとを備え、
前記第1期間は、第1リセット期間と第1電荷転送期間を含み、
前記第2期間は、第2リセット期間と第2電荷転送期間を含み、
前記第1リセット期間及び前記第2リセット期間では、前記スイッチをオンして前記キャパシタの電荷を放電し、前記第1電荷転送期間及び前記第2電荷転送期間では、前記スイッチをオフとして前記キャパシタを充電可能とし、前記信号端子から出力される電荷を前記キャパシタに転送する、検出装置。 a detection capacitor having a first electrode connected to a first drive terminal and a second electrode connected to a signal terminal, the first electrode and the second electrode having a capacitance that varies according to a physical quantity; and a detection unit composed of
a driving unit for applying a first AC drive signal to the first drive terminal, the driving unit for inverting the voltage of the first drive signal between a first period and a second period;
A charge-voltage converter that converts the charge generated at the signal terminal into a voltage, wherein a first output voltage is generated during the first period, and a second output voltage is inverted during the second period from that of the first period. a charge-voltage converter that generates a voltage;
a difference processing unit that generates a difference value between the first output voltage and the second output voltage;
has
The charge-voltage converter is
a capacitor connected between an input terminal and an output terminal of the charge-voltage converter;
a switch connected in parallel with the capacitor,
the first period includes a first reset period and a first charge transfer period;
the second period includes a second reset period and a second charge transfer period;
During the first reset period and the second reset period, the switch is turned on to discharge the capacitor, and during the first charge transfer period and the second charge transfer period, the switch is turned off to discharge the capacitor. A detection device that is chargeable and transfers charge output from the signal terminal to the capacitor .
前記第1駆動端子に交流の第1駆動信号を印加する駆動部であって、第1期間と第2期間とで前記第1駆動信号の電圧を反転させる駆動部と、
前記信号端子に生じる電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部であって、前記第1期間に第1出力電圧を生成し、前記第2期間に前記第1期間とは電圧が反転した第2出力電圧を生成する電荷電圧変換部と、
前記第1出力電圧と前記第2出力電圧との差分値を生成する差分処理部と、
を有し、
前記電荷電圧変換部は、前記第1出力電圧または前記第2出力電圧を生成するための、前記信号端子に生じる電荷を蓄積する容量素子を備え、
前記第1期間は、前記信号端子に生じる電荷を前記容量素子に転送するための第1電荷転送期間を含み、
前記第2期間は、前記信号端子に生じる電荷を前記容量素子に転送するための第2電荷転送期間を含み、
前記第1電荷転送期間および前記第2電荷転送期間は、同じ長さに設定される、検出装置。 a detection capacitor having a first electrode connected to a first drive terminal and a second electrode connected to a signal terminal, the first electrode and the second electrode having a capacitance that varies according to a physical quantity; and a detection unit composed of
a driving unit for applying a first AC drive signal to the first drive terminal, the driving unit for inverting the voltage of the first drive signal between a first period and a second period;
A charge-voltage converter that converts the charge generated at the signal terminal into a voltage, wherein a first output voltage is generated during the first period, and a second output voltage is inverted during the second period from that of the first period. a charge-voltage converter that generates a voltage;
a difference processing unit that generates a difference value between the first output voltage and the second output voltage;
has
The charge-voltage converter includes a capacitive element that accumulates charges generated at the signal terminal for generating the first output voltage or the second output voltage,
the first period includes a first charge transfer period for transferring charges generated at the signal terminal to the capacitive element;
the second period includes a second charge transfer period for transferring the charge generated at the signal terminal to the capacitive element;
The detection device , wherein the first charge transfer period and the second charge transfer period are set to the same length .
前記第1電荷電圧変換部に含まれる第1キャパシタと、前記第2電荷電圧変換部に含まれる第2キャパシタとは隣接して配置され、前記第1キャパシタと前記第2キャパシタとの間に固定電位のシールド配線が配置されている、請求項1から4のいずれか一項に記載の検出装置。 The charge-voltage converter has a first charge-voltage converter driven during the first period and a second charge-voltage converter driven during the second period,
A first capacitor included in the first charge-voltage converter and a second capacitor included in the second charge-voltage converter are arranged adjacent to each other and fixed between the first capacitor and the second capacitor. 5. A detection device according to any one of claims 1 to 4, wherein a potential shield wiring is arranged .
前記第1駆動端子に交流の第1駆動信号を印加する駆動部であって、第1期間と第2期間とで前記第1駆動信号の電圧を反転させる駆動部と、
前記信号端子に生じる電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部であって、前記第1期間に第1出力電圧を生成し、前記第2期間に前記第1期間とは電圧が反転した第2出力電圧を生成する電荷電圧変換部と、
前記第1出力電圧と前記第2出力電圧との差分値を生成する差分処理部と、
を有し、
前記電荷電圧変換部は、前記第1期間に駆動される第1電荷電圧変換部と、前記第2期間に駆動される第2電荷電圧変換部と、を有し、
前記第1電荷電圧変換部に含まれる第1キャパシタと、前記第2電荷電圧変換部に含まれる第2キャパシタとは隣接して配置され、前記第1キャパシタと前記第2キャパシタとの間に固定電位のシールド配線が配置されている、検出装置。 a detection capacitor having a first electrode connected to a first drive terminal and a second electrode connected to a signal terminal, the first electrode and the second electrode having a capacitance that varies according to a physical quantity; and a detection unit composed of
a driving unit for applying a first AC drive signal to the first drive terminal, the driving unit for inverting the voltage of the first drive signal between a first period and a second period;
A charge-voltage converter that converts the charge generated at the signal terminal into a voltage, wherein a first output voltage is generated during the first period, and a second output voltage is inverted during the second period from that of the first period. a charge-voltage converter that generates a voltage;
a difference processing unit that generates a difference value between the first output voltage and the second output voltage;
has
The charge-voltage converter has a first charge-voltage converter driven during the first period and a second charge-voltage converter driven during the second period,
A first capacitor included in the first charge-voltage converter and a second capacitor included in the second charge-voltage converter are arranged adjacent to each other and fixed between the first capacitor and the second capacitor. A detection device in which a potential shield wiring is arranged .
前記駆動部は、前記第2駆動端子に前記第1駆動信号とは逆位相である交流の第2駆動信号を印加する請求項1から8のいずれか一項に記載の検出装置。 The detection unit further includes a third electrode connected to a second drive terminal, and a reference capacitor whose capacitance does not change according to the physical quantity is composed of the second electrode and the third electrode,
The detecting device according to any one of claims 1 to 8, wherein the driving section applies to the second driving terminal a second AC driving signal having a phase opposite to that of the first driving signal.
前記第2電極は前記第3電極の上方に絶縁膜を介して設けられ、
前記第1電極は前記第2電極の上方に感湿膜を介して設けられている請求項9に記載の検出装置。 The third electrode is provided above the substrate,
The second electrode is provided above the third electrode via an insulating film,
10. The detection device according to claim 9 , wherein the first electrode is provided above the second electrode via a humidity sensitive film.
前記駆動部と前記電荷電圧変換部とを含む第2半導体チップと、
を有する請求項11に記載の検出装置。 a first semiconductor chip including the detection capacitor and the reference capacitor;
a second semiconductor chip including the driver and the charge-voltage converter;
12. The detection device of claim 11 , comprising:
前記信号端子は、第1期間と第2期間とで電圧が反転する交流の駆動信号が印加される駆動端子に接続された第1電極との間に検出用キャパシタを構成する第2電極に接続された端子であり、
第1キャパシタを含み、前記第1期間に駆動される第1電荷電圧変換部と、
前記第1キャパシタに隣接して配置された第2キャパシタを含み、前記第2期間に駆動される第2電荷電圧変換部と、を有し、
前記第1電荷電圧変換部は、前記第1期間に第1出力電圧を生成し、
前記第2電荷電圧変換部は、前記第2期間に前記第1期間とは電圧が反転した第2出力電圧を生成し、
前記第1キャパシタと前記第2キャパシタとの間に固定電位のシールド配線が配置されている、電荷電圧変換回路。 A switched-capacitor charge-voltage conversion circuit that converts a charge generated at a signal terminal into a voltage ,
The signal terminal is connected to a second electrode forming a detection capacitor between the first electrode and the first electrode connected to a drive terminal to which an AC drive signal whose voltage is inverted between the first period and the second period is applied. is a terminal with
a first charge-voltage conversion unit including a first capacitor and driven during the first period;
a second charge-voltage converter including a second capacitor arranged adjacent to the first capacitor and driven during the second period;
The first charge-voltage converter generates a first output voltage during the first period,
The second charge-voltage converter generates a second output voltage in the second period, the voltage of which is inverted from that in the first period, and
A charge-voltage conversion circuit , wherein a fixed-potential shield wiring is arranged between the first capacitor and the second capacitor.
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