KR100453971B1 - Integral capacity-voltage converter - Google Patents
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Abstract
용량형 압력센서의 비선형성을 해결하는 적분형 용량-전압 변환장치를 제공한다.Provided is an integrated capacitance-to-voltage converter that solves the nonlinearity of capacitive pressure sensors.
적분형 용량-전압 변환장치는, 스위치 커패시터 적분기와 차동증폭기로 구성되고, 인가된 압력에 반비례하는 압력센서의 용량을 선형적으로 가변되는 전압으로 변환하여 출력하는 것으로서 초기 전극간격의 90%에 해당하는 변위에 대해서 0.01%/FS 이하의 매우 낮은 비선형성을 갖고, 오프셋 용량과 기생용량에 대하여 둔감한 특성을 보였으며, 또한 신호처리의 필수 기능인 오프셋 보정과 이득조정 기능을 갖는다.An integrated capacitance-to-voltage converter is composed of a switch capacitor integrator and a differential amplifier, and converts the capacity of a pressure sensor inversely proportional to the applied pressure into a voltage that varies linearly, corresponding to 90% of the initial electrode spacing. It has very low nonlinearity of less than 0.01% / FS for the displacement, and is insensitive to offset and parasitic capacitance, and has offset correction and gain adjustment functions, which are essential functions of signal processing.
Description
본 발명은 압력센서의 커패시터의 용량(capacity)을 전압으로 변환하는 적분형 용량-전압 변환장치에 관한 것으로 특히 완전 차동용량형 압력센서에서 인가되는 압력에 따라 비선형적으로 변화되는 용량을 선형적인 전압으로 변환하는 적분형 용량-전압 변환장치에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated capacitance-to-voltage converter for converting the capacitance of a capacitor of a pressure sensor into a voltage. Particularly, a linear voltage is obtained in which the capacitance varies nonlinearly according to the pressure applied from a fully differential capacitive pressure sensor. The present invention relates to an integrated capacitance-to-voltage converter for converting a circuit into a circuit.
압력센서는 자동차를 비롯하여 의료, 산업계측, 환경, 우주항공 그리고 군수 등을 비롯한 산업전반에 걸쳐 다양하게 적용되고 있다. 이러한 응용분야에서는 정밀도가 높고, 대량생산이 가능하며, 가격이 낮은 압력센서를 요구하고 있다.Pressure sensors are used in a wide variety of industries, including automotive, medical, industrial, environmental, aerospace and military. These applications demand pressure sensors with high precision, mass production, and low cost.
최근에 급속한 발전을 하고 있는 마이크로 머시닝 기술과 반도체 집적기술은 상기한 요구들에 적합한 반도체식 압력센서의 개발이 가능하게 되었다.The rapid development of micromachining technology and semiconductor integration technology has made it possible to develop a semiconductor pressure sensor suitable for the above requirements.
상기 반도체식 압력센서는 매우 미약한 신호를 출력하므로 고성능 저잡음 회로를 필요로 한다. 그리고 압력센서의 최종 압력 검출신호를 출력하는 신호 처리회로는 오프셋 보상, 이득 조정, 온도보상 및 비선형 보정 등의 기능을 수행하는 것으로서 신호 처리회로가 압력센서의 성능을 크게 좌우하게 된다.Since the semiconductor pressure sensor outputs a very weak signal, it requires a high performance low noise circuit. The signal processing circuit outputting the final pressure detection signal of the pressure sensor performs functions such as offset compensation, gain adjustment, temperature compensation, and nonlinear correction, and the signal processing circuit greatly influences the performance of the pressure sensor.
그러므로 반도체식 압력센서의 개발과 더불어 집적화된 신호 처리회로의 성능개선에 많은 연구가 집중되고 있다.Therefore, much research has been focused on the performance improvement of integrated signal processing circuits with the development of semiconductor pressure sensors.
반도체식 압력센서로서는 압저항형 압력센서와 정전용량형 압력센서가 있다.Semiconductor pressure sensors include piezoresistive pressure sensors and capacitive pressure sensors.
상기 압저항형 압력센서는 선형성이 뛰어나지만, 낮은 감도와 2000ppm/℃ 이상의 높은 압저항 계수의 TCR(Temperature Coefficient of Resistance) 특성으로 인하여 정밀한 온도 보상회로와 과도한 보정 공정이 요구된다.The piezoresistive pressure sensor has excellent linearity, but requires a precise temperature compensation circuit and an excessive correction process due to the low sensitivity and the TCR (Temperature Coefficient of Resistance) characteristic of the high piezoresistive coefficient of 2000 ppm / ° C or higher.
그리고 상기 정전용량형 압력센서는 100ppm/℃ 이하의 낮은 온도계수를 갖고, 상기 압저항형 압력센서에 비해 10∼20배 정도의 고감도특성과 소비전력이 낮은 장점을 가지고 있는 것으로서 최근에 개발되고 있는 대부분의 압력센서들은 정전용량형을 채택하고 있다.In addition, the capacitive pressure sensor has a low temperature coefficient of 100 ppm / ° C. or less, and has a high sensitivity characteristic and low power consumption of about 10 to 20 times compared to the piezoresistive pressure sensor. Most pressure sensors have a capacitive type.
그러나 상기 정전용량형 압력센서는 패키징 및 배선 등에 의한 오프셋과 기생용량이 상대적으로 크고, 압력에 용량변화가 반비례하는 비선형 특성을 가지고 있다.However, the capacitive pressure sensor has a relatively large offset and parasitic capacitance due to packaging and wiring, and has a nonlinear characteristic in which capacity change is inversely proportional to pressure.
이러한 정전용량형 압력센서의 오프셋과 기생용량의 영향을 줄이기 위하여 차동모드의 구조를 가지는 압력센서와 신호 처리회로가 제안된 바 있다. 상기 차동모드의 구조를 가지는 압력센서는 기생용량의 영향을 상쇄시키고, 선형성을 증가시켰다. 그러나 여전히 압력에 따른 용량변화의 선형적 범위가 제한적이기 때문에 압력에 따른 변위가 클 경우에는 비선형 보정이 필요한 실정이다.In order to reduce the influence of the offset and parasitic capacitance of the capacitive pressure sensor, a pressure sensor and a signal processing circuit having a differential mode structure have been proposed. The pressure sensor having the structure of the differential mode canceled the influence of parasitic capacitance and increased linearity. However, since the linear range of capacity change due to pressure is still limited, nonlinear correction is necessary when the displacement due to pressure is large.
최근에 압력센서의 신호처리에 혼합 CMOS 회로를 적용하는 것이 용이하게 됨에 따라 디지털회로와 메모리를 사용하는 비선형 보정방식인 룩업 테이블(Look-up table) 방식, 비선형 인코딩 방식 및 구간별 비선형 근사(Piecewise nonlinear fitting) 방식 등이 제안되고 있다.Recently, it is easy to apply a mixed CMOS circuit to the signal processing of the pressure sensor, so the look-up table method, the nonlinear encoding method, and the nonlinear approximation of each section, which are nonlinear correction methods using digital circuits and memories, are used. A nonlinear fitting method has been proposed.
상기한 방식들은 주위온도, 압력센서의 기계적 특성 및 증폭기의 특성 등을 비롯한 여러 가지의 원인에 의해 발생하는 모든 비선형성에 대응할 수 있으나 압력검출의 해상도를 높이기 위해서는 많은 용량의 메모리와 복잡한 신호 처리회로를 필요로 하는 문제점을 갖고 있다.The above methods can cope with all nonlinearities caused by various causes including ambient temperature, mechanical properties of pressure sensor and amplifier, etc. However, in order to increase the resolution of pressure detection, a large amount of memory and a complex signal processing circuit are required. I have a problem that I need.
따라서 본 발명의 목적은 별도의 메모리 등을 사용하지 않고, 압력센서의 비선형적인 용량변화를 선형적인 검출전압으로 변환하는 적분형 용량-전압 변환장치를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an integrated capacitance-to-voltage converter that converts a nonlinear capacitance change of a pressure sensor into a linear detection voltage without using a separate memory.
본 발명의 다른 목적은 오프셋 및 이득 조절이 용이하고, 오프셋에 의한 선형성의 훼손을 최소로 할 수 있는 적분형 용량-전압 변환장치를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide an integrated capacitance-to-voltage converter that can easily adjust offset and gain, and can minimize the loss of linearity due to the offset.
본 발명의 또 다른 목적은 압력을 검출할 수 있는 다이내믹 범위를 넓히고, 감도를 향상시킬 수 있는 적분형 용량-전압 변환장치를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide an integrated capacitance-to-voltage converter capable of widening a dynamic range capable of detecting pressure and improving sensitivity.
일반적으로 정전용량형 압력센서가 가지고 있는 비선형성의 주요 요인은, 정전용량형 압력센서의 용량이 압력에 반비례하고, 압력센서의 신호 처리회로의 출력은 용량의 변화에 비례하기 때문으로서 압력센서의 신호를 처리하는 신호 처리회로의 출력전압이 압력센서의 압력에 따른 변위에 비례하도록 하는 것이 바람직하다.In general, the main factor of the nonlinearity of the capacitive pressure sensor is that the capacitance of the capacitive pressure sensor is inversely proportional to the pressure, and the output of the pressure sensor signal processing circuit is proportional to the change in capacity. It is preferable that the output voltage of the signal processing circuit for processing is proportional to the displacement according to the pressure of the pressure sensor.
그러므로 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치는, 압력센서의 커패시터를 적분기의 피드백용 커패시터로 사용하여 압력센서의 압력 변화에 출력전압이 선형적으로 비례하도록 하는 것으로서 인가되는 압력에 따라 가변되는 완전 차동용량형 압력센서의 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터를 각기 통해 출력신호를 피드백시키면서 입력전압을 적분하는 적분기와, 상기 적분기가 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터를 통해 피드백시키면서 입력전압을 적분한 두 적분전압을 차동 증폭하는 차동 증폭기로 구성됨을 특징으로 한다.Therefore, the integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention uses the capacitor of the pressure sensor as the feedback capacitor of the integrator so that the output voltage is linearly proportional to the pressure change of the pressure sensor. An integrator that integrates an input voltage while feeding back an output signal through a first capacitor and a second capacitor of a differential capacitance type pressure sensor, and two integrals that integrate the input voltage while the integrator feeds back through a first capacitor and a second capacitor. And a differential amplifier for differentially amplifying the voltage.
상기 적분기는, 입력전압과 피드백 전압을 비교증폭하는 연산증폭기와, 인가되는 압력에 따라 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터의 용량이 가변되는 완전 차동용량형 압력센서와, 상호간에 교대로 동작하면서 상기 연산증폭기의 출력전압이 각기 제 1 커패시터와 제 2 커패시터를 통해 피드백되게 하는 제 1 피드백 스위칭부 및제 2 피드백 스위칭부와, 상기 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터를 통해 피드백되는 전압을 충전하면서 상기 연산증폭기에 피드백 전압으로 공급하는 충전부로 구성됨을 특징으로 한다.The integrator includes an operational amplifier for comparatively amplifying an input voltage and a feedback voltage, a fully differential capacitive pressure sensor whose capacitances of the first capacitor and the second capacitor vary according to the applied pressure, and are operated alternately with each other. A first feedback switching unit and a second feedback switching unit for causing an output voltage of the amplifier to be fed back through the first capacitor and the second capacitor, and a voltage fed back through the first capacitor and the second capacitor to the operational amplifier. Characterized in that the charging unit for supplying a feedback voltage.
상기 제 1 피드백 스위칭부는, 제 1 클럭신호에 따라 도통상태로 되면서 상기 연산증폭기의 출력신호가 상기 제 1 커패시터를 통해 피드백되게 하는 제 1 스위칭 소자와, 제 2 클럭신호에 따라 도통상태로 되면서 상기 제 1 커패시터에 충전되어 있는 전원을 방전시키는 제 2 스위칭 소자로 구성되고, 상기 제 2 피드백 스위칭부는, 반전 제 1 클럭신호에 따라 도통상태로 되면서 상기 연산증폭기의 출력신호가 상기 제 2 커패시터를 통해 피드백되게 하는 제 3 스위칭 소자와, 제 2 클럭신호에 따라 도통상태로 되면서 상기 제 2 커패시터에 충전되어 있는 전원을 방전시키는 제 4 스위칭 소자로 구성되며, 상기 충전부는, 상기 제 1 피드백 스위칭부 및 제 2 피드백 스위칭부를 통해 피드백되는 전원을 충전하여 상기 연산증폭기에 피드백 전원으로 공급하는 제 3 커패시터와, 제 3 클럭신호에 따라 도통상태로 되면서 상기 제 1 피드백 스위칭부 및 제 2 피드백 스위칭부를 통해 피드백되는 전원을 제 3 커패시터에 충전시키고 그 충전시킨 전원이 상기 제 3 커패시터에 피드백 전원으로 공급되게 하는 제 5 스위칭 소자와, 제 2 클럭신호에 따라 도통상태로 되면서 상기 제 3 커패시터에 충전되어 있는 전원을 방전시키는 제 6 스위칭 소자로 구성됨을 특징으로 한다.The first feedback switching unit may be in a conductive state according to a first clock signal, and may be in a conductive state according to a second clock signal and a first switching element which causes the output signal of the operational amplifier to be fed back through the first capacitor. And a second switching element for discharging the power charged in the first capacitor, wherein the second feedback switching unit is brought into a conductive state according to the inverted first clock signal, and the output signal of the operational amplifier passes through the second capacitor. And a third switching element for feeding back and a fourth switching element for discharging the power charged in the second capacitor while being in a conductive state according to the second clock signal. The charging unit includes: the first feedback switching unit; A third charging the power fed back through the second feedback switching unit to supply the feedback power to the operational amplifier; The capacitor and the power supplied to the third capacitor while being in a conductive state according to the third clock signal are charged to the third capacitor, and the charged power is supplied to the third capacitor as feedback power. And a sixth switching element for discharging the power charged in the third capacitor while being in a conductive state according to the second clock signal.
상기 차동증폭기는, 제 4 스위칭 신호에 따라 도통상태로 되면서, 상기 적분기가 상기 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터를 각기 피드백용 커패시터로 사용하면서 적분한 출력신호를 샘플링하는 제 7 스위칭 소자와, 상기 제 7 스위칭 소자가 샘플링한 신호를 충전하여 그 차 값을 검출하는 제 4 커패시터와, 상기 제 4 커패시터의 충전전압과 미리 설정된 기준전압을 비교 증폭하는 연산 증폭기와, 상기 연산증폭기의 출력신호를 피드백시키는 제 5 커패시터로 구성되고, 또한 차동모드의 오프셋을 보정하기 위한 보정전압을 상기 연산증폭기에 입력시키는 보정전압 입력부를 더 포함하는 것으로서 상기 보정전압 입력부는, 반전 제 1 클럭신호에 의해 도통상태로 되면서 보정전압을 공급하는 제 9 스위칭 소자와, 상기 제 1 클럭신호에 따라 도통상태로 되면서, 상기 제 4 커패시터의 충전전압과 상기 제 9 스위칭 소자를 통과한 보정전압을 상기 연산증폭기에 공급하는 제 10 스위칭 소자로 구성됨을 특징으로 한다.The seventh switching element being in a conductive state according to a fourth switching signal, the integrator using a first capacitor and a second capacitor as feedback capacitors, respectively, and a seventh switching element for sampling an integrated output signal; A fourth capacitor which charges the signal sampled by the switching element and detects the difference value, an operational amplifier which compares and amplifies the charging voltage of the fourth capacitor and a preset reference voltage, and feeds back the output signal of the operational amplifier. And a correction voltage input unit configured to input a correction voltage for correcting the offset in the differential mode to the operational amplifier, wherein the correction voltage input unit is brought into a conductive state by the inverted first clock signal. In a conductive state according to the ninth switching element for supplying a correction voltage and the first clock signal, And a tenth switching element for supplying the charging voltage of the fourth capacitor and the correction voltage passing through the ninth switching element to the operational amplifier.
도 1a 및 도 1b는 완전 차동 용량형 압력센서의 구성을 보인 개략도이고,1A and 1B are schematic diagrams showing the configuration of a fully differential capacitive pressure sensor;
도 2는 완전 차동 용량형 압력센서의 등가회로도이며,2 is an equivalent circuit diagram of a fully differential capacitive pressure sensor;
도 3은 압력센서의 다이어프램의 변위에 대한 용량 변화를 보인 그래프이며,Figure 3 is a graph showing the capacity change with respect to the displacement of the diaphragm of the pressure sensor,
도 4는 본 발명의 적분기형 용량-전압 변환장치의 동작원리를 설명하기 위한 도면이며,4 is a view for explaining the operation principle of the integrator capacitive-voltage converter of the present invention,
도 5는 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치의 구성을 보인 도면이며,5 is a view showing the configuration of an integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention,
도 6은 도 5의 클럭신호들의 파형도이며,6 is a waveform diagram of clock signals of FIG. 5;
도 7은 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치에서 오프셋 보상 및 이득 조절기능이 추가된 차동증폭기의 다른 실시 예의 구성을 보인 도면이며,7 is a view showing the configuration of another embodiment of the differential amplifier with the offset compensation and gain control function in the integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention,
도 8은 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치의 피스파이스 시뮬레이션 결과를 보인 그래프이며,FIG. 8 is a graph showing a result of a piecespice simulation of an integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention.
도 9는 압력센서의 변위량에 따른 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치와 용량비례형 용량-전압 변환장치의 출력특성을 보인 그래프이며,9 is a graph showing the output characteristics of the integrated capacitance-to-voltage converter and the proportional capacitance-to-voltage converter of the present invention according to the displacement of the pressure sensor;
도 10은 동상모드 기생 용량에 의한 에러를 보인 그래프이며,10 is a graph showing an error due to in-phase parasitic capacitance,
도 11은 차동모드 기생 용량에 의한 에러를 보인 그래프이며,11 is a graph showing an error due to differential mode parasitic capacitance,
도 12는 동상모드 오프셋 용량의 영향에 의한 최대 출력전압과 비선형성 특성 변화를 보인 그래프이며,12 is a graph showing the change of the maximum output voltage and nonlinearity characteristics by the influence of the common-mode offset capacitance,
도 13은 차동모드 오프셋 용량의 영향에 의한 오프셋 전압과 비선형성 특성 변화를 보인 그래프이며,FIG. 13 is a graph illustrating changes in offset voltage and nonlinearity characteristics due to the differential mode offset capacitance;
도 14는 제 1 커패시터에 발생한 병렬 오프셋 용량에 의한 영향과 이에 대한 오프셋 전압보상과 이득조정을 보인 그래프이며,14 is a graph showing the influence of the parallel offset capacitance generated in the first capacitor, the offset voltage compensation and the gain adjustment thereto.
도 15는 제 2 커패시터에 발생한 병렬 오프셋 용량에 의한 영향과 이에 대한 오프셋 전압보상과 이득조정을 보인 그래프이다.FIG. 15 is a graph illustrating the effects of parallel offset capacitance generated on the second capacitor, offset voltage compensation, and gain adjustment thereto.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
300 : 적분기 310, 410 : 연산증폭기300: integrator 310, 410: operational amplifier
320 : 제 1 피드백 스위칭부 330 : 제 2 피드백 스위칭부320: first feedback switching unit 330: second feedback switching unit
340 : 충전부 400 : 차동증폭기340: charging unit 400: differential amplifier
C1∼C5: 제 1 내지 제 5 커패시터 CK1∼CK4, /CK1: 클럭신호C 1 to C 5 : First to fifth capacitors CK 1 to CK 4 , / CK 1 : Clock signal
M1∼M10: 제 1 내지 제 10 스위칭 소자 VG: 입력전압M 1 to M 10 : first to tenth switching elements V G : input voltage
VOR: 기준전압 VOC: 보정전압V OR : reference voltage V OC : correction voltage
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치를 상세히 설명한다.Hereinafter, an integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a는 완전 차동용량형 압력센서를 개략적으로 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이 완전 차동용량형 압력센서(150)는 실리콘 기판(100)의 중간부에 다이어프램(110)이 구비되고, 그 다이어프램(110)의 저면에 중앙보스(center-boss)(111)가 구비된다. 그리고 실리콘 기판(100)과 다이어프램(110)의 상면에는 전극(120, 130)(140)이 구비되어 다이어프램(110)의 상부에 전극(120, 140)이 상호간에 마주 바라보는 제 1 커패시터(C1)가 형성되고, 실리콘 기판(100) 상에전극(130, 140)이 상호간에 마주 바라보는 제 2 커패시터(C2)가 형성된다.Figure 1a is a schematic view showing a fully differential capacitive pressure sensor. As shown therein, the fully differential capacitive pressure sensor 150 is provided with a diaphragm 110 in the middle of the silicon substrate 100, and a center-boss 111 at the bottom of the diaphragm 110. Is provided. In addition, electrodes 120 and 130 and 140 are provided on the upper surface of the silicon substrate 100 and the diaphragm 110 so that the electrodes 120 and 140 face each other on the upper portion of the diaphragm 110. 1 ) is formed, and a second capacitor C 2 on which the electrodes 130 and 140 face each other is formed on the silicon substrate 100.
도 2는 상기 완전 차동용량형 압력센서의 등가회로도이다. 이에 도시된 바와 같이 전극(120, 140)(140, 130)의 사이에 제 1 캐패시터(C1) 및 제 2 캐패시터(C2)가 직렬로 구비되고, 그 전극(120, 130, 140)과 접지의 사이에, 완전 차동용량형 압력센서(150)의 기생성분인 기생 커패시터(Cp1, Cp2, Cp3)가 발생하게 된다.2 is an equivalent circuit diagram of the fully differential capacitive pressure sensor. As shown therein, the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 are provided in series between the electrodes 120, 140, 140, 130, and the electrodes 120, 140, 140 and the electrodes 120, 130, 140. Between the grounds, parasitic capacitors Cp 1 , Cp 2 and Cp 3 , which are parasitic components of the fully differential capacitive pressure sensor 150, are generated.
이러한 구조를 가지는 완전 차동용량형 압력센서(150)에 도 1b에 도시된 바와 같이 소정의 압력 P가 화살표 방향으로 인가되면, 그 압력 P에 따라 다이어프램(110)에 변위가 발생하여 상향 이동하게 된다. 이 때, 다이어프램(110)의 저면에 중앙보스(111)가 구비되어 두껍게 보강되어 있으므로 다이어프램(110)의 중간부에는 변위가 발생하지 않고, 두께가 얇은 다이어프램(110)의 좌우 양측(113, 115)은 상기 인가된 압력 P에 따라 변위가 발생하게 된다. 그러므로 다이어프램(110)은 계속 수평상태를 유지하면서 상향 이동하게 되고, 이로 인하여 제 1 커패시터(C1)의 전극(120, 140)은 계속 수평을 유지하고, 또한 제 2 커패시터(C2)의 전극(140, 130)도 계속 수평을 유지하게 된다.When a predetermined pressure P is applied to the fully differential capacitive pressure sensor 150 having such a structure as shown in FIG. 1B, the diaphragm 110 is displaced and moves upward according to the pressure P. . At this time, since the central boss 111 is provided on the bottom of the diaphragm 110 and is reinforced, the left and right sides 113 and 115 of the thin diaphragm 110 do not have a displacement in the middle portion of the diaphragm 110. ) Causes displacement according to the applied pressure P. Therefore, the diaphragm 110 continues to move upward while keeping the horizontal state, whereby the electrodes 120 and 140 of the first capacitor C 1 continue to be horizontal, and also the electrode of the second capacitor C 2 . 140 and 130 also remain horizontal.
상기 다이어프램(110)이 상향 이동하게 되면, 전극(120, 140) 간의 간격()은만큼 감소()하여 제 1 커패시터(C1)의 용량이 증가하고, 이와 동시에 전극(140, 130) 간의 간격()은, 상기 제 1 커패시터(C1)와 같은 거리인만큼 증가()하여 제 2 커패시터(C2)의 용량이 감소하게 된다.When the diaphragm 110 moves upward, the gap between the electrodes 120 and 140 ( )silver Decrease by The capacitance of the first capacitor C 1 increases, and at the same time, the gap between the electrodes 140 and 130 ) Is the same distance as the first capacitor (C 1 ) Increase by ), The capacity of the second capacitor C 2 is reduced.
상기한 다이어프램(110)의 변위량은 인가된 압력 P에 비례하므로 압력센서(150)의 신호 처리회로의 출력이 다이어프램(110)의 변위량에 비례하도록 하는 것이 필요하다.Since the displacement amount of the diaphragm 110 is proportional to the applied pressure P, the output of the signal processing circuit of the pressure sensor 150 is the displacement amount of the diaphragm 110. It is necessary to be proportional to.
상기 다이어프램(110)의 변위량는 압력과 온도의 함수이므로 다음의 수학식 1로 표현할 수 있다.Displacement of the diaphragm 110 Since is a function of pressure and temperature can be expressed by the following equation (1).
여기서, k는 비례상수이고, P는 압력이며, T는 온도이며, f(T)는 온도 T의 함수이다.Where k is a proportionality constant, P is pressure, T is temperature, and f (T) is a function of temperature T.
일반적으로 커패시터의 용량은 마주 바라보는 두 전극 간의 간격에 반비례하므로 압력센서(150)의 다이어프램(110)의 변위에 따른 제 1 커패시터(C1)와 제 2 커패시터(C2)의 용량 변화는 도 3에 도시된 바와 같이 현저한 차이가 발생한다.In general, since the capacitance of the capacitor is inversely proportional to the distance between the two electrodes facing each other, the capacitance change of the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 according to the displacement of the diaphragm 110 of the pressure sensor 150 is shown in FIG. As shown in Fig. 3, a significant difference occurs.
그러므로 용량비례형 용량-전압 변환장치에서는 압력센서(150)의 선형성을 확보하기 위해서 다이어프램(110)의 변위량을 매우 작게 제한하고 있다.Therefore, in order to secure the linearity of the pressure sensor 150, the displacement proportional capacitance-voltage converter restricts the amount of displacement of the diaphragm 110 to be very small.
제 1 커패시터(C1)와 제 2 커패시터(C2)의 용량 차는 다음의 수학식 2 내지 수학식 4와 같이 계산할 수 있다.Capacity difference between the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 May be calculated as in Equation 2 to Equation 4 below.
여기에서은 유전율이고, A는 제 1 커패시터(C1)와 제 2 커패시터(C2)를 형성하는 전극(120, 140)(130, 140) 간의 대향 면적으로 압력센서(150)를 제조할 경우에 전극(120, 140)(130, 140) 간의 대향면적이 동일하게 제조한다.From here Is the dielectric constant, and A is the electrode in the case of manufacturing the pressure sensor 150 with an opposing area between the electrodes 120, 140, 130, 140 forming the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 . The opposite areas between (120, 140) (130, 140) are manufactured to be the same.
1% 이하의 비선형성을 확보하기 위하여 다이어프램(110)의 변위량을 다음의 수학식 5와 같이 최대허용 변위량의 10% 이하로 제한하면, 압력센서(150)의 커패시터(C1)(C2)의 용량변화는 수학식 6과 같이 근사할 수 있다.In order to secure the nonlinearity of 1% or less, if the displacement of the diaphragm 110 is limited to 10% or less of the maximum allowable displacement as shown in Equation 5 below, the capacitor C 1 (C 2 ) of the pressure sensor 150 The capacity change of can be approximated as Equation 6.
여기서 최대허용 변위량은 구조적 한계인 초기 전극(120, 140)(130, 140) 간의 간격 d0이다.Here, the maximum allowable displacement amount is the distance d 0 between the initial electrodes 120, 140, 130, 140, which are structural limits.
그러므로 용량 비례형 용량-전압 변환장치는 압력센서(150)의 다이어프램(110)의 변위 폭이 제한됨으로써 검출할 수 있는 압력의 범위가 작아지고 이에 따라 해상도와 감도가 떨어지는 단점을 갖게 된다.Therefore, the capacity proportional capacitance-to-voltage converter has a disadvantage in that the range of pressure that can be detected is reduced by limiting the displacement width of the diaphragm 110 of the pressure sensor 150, thereby degrading resolution and sensitivity.
그러나 압력센서(150)의 커패시터를 적분기의 피드백용 커패시터로 사용하게 되면, 적분기의 출력전압이 압력센서(150)의 제 1 커패시터(C1)와 제 2 커패시터(C2)의 용량에 반비례하기 때문에 두 전극(120, 140)(130, 140) 사이의 거리에 출력전압이 비례하는 적분형 용량-전압 변환장치를 구성할 수 있다.However, when the capacitor of the pressure sensor 150 is used as the feedback capacitor of the integrator, the output voltage of the integrator is inversely proportional to the capacity of the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 of the pressure sensor 150. Therefore, an integrated capacitance-to-voltage converter in which the output voltage is proportional to the distance between the two electrodes 120 and 140 and 130 and 140 can be configured.
도 4는 본 발명의 적분기형 용량-전압 변환장치의 동작원리를 설명하기 위한 도면으로서 두 개의 적분기와 차동증폭기로 구성된 적분형 용량-전압 변환장치의 구성을 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이 압력센서(150)의 제 1 커패시터(C1)를 피드백용 커패시터로 사용하여 소정의 입력전압을 적분하는 제 1 적분기(200)와, 압력센서(150)의 제 2 커패시터(C2)를 피드백용 커패시터로 사용하여 소정의 입력전압을 적분하는 제 2 적분기(210)와, 상기 제 1 적분기(200) 및 제 2 적분기(210)의 출력전압()()을 차동 증폭하는 차동 증폭기(220)로 구성된다.4 is a view for explaining the operation principle of the integrator capacitive-voltage converter of the present invention showing the configuration of an integrative capacitive-voltage converter composed of two integrators and a differential amplifier. As shown therein, the first integrator 200 integrates a predetermined input voltage using the first capacitor C 1 of the pressure sensor 150 as a feedback capacitor, and the second capacitor of the pressure sensor 150. The second integrator 210 which integrates a predetermined input voltage using C 2 ) as a feedback capacitor, and the output voltages of the first integrator 200 and the second integrator 210. ) ( ) Is configured as a differential amplifier 220 for differentially amplifying.
이러한 구성을 가지는 적분형 용량-전압 변환장치는, 압력센서(150)의 제 1커패시터(C1)를 피드백용 커패시터로 사용하는 제 1 적분기(200)의 출력전압(VS1)은 다음의 수학식 7과 같다.In the integrated capacitance-to-voltage converter having such a configuration, the output voltage V S1 of the first integrator 200 using the first capacitor C 1 of the pressure sensor 150 as a feedback capacitor is represented by the following equation. Equation 7
여기서는 제 1 커패시터(C1)에 공급되는 정전류이고,는 적분 시간이며,는 오프셋 전압이다.here Is a constant current supplied to the first capacitor C 1 , Is the integral time, Is the offset voltage.
상기 수학식 7의 적분을 수행하면 수학식 8과 같이 된다.When the integration of Equation 7 is performed, Equation 8 is obtained.
여기서 상수 k는이다.Where the constant k is to be.
마찬가지로 제 2 커패시터(C2)에 대해서도 인가전류와 적분시간을 동일하게 하면, 제 2 적분기(210)의 출력전압()은 다음의 수학식 9와 같다.Similarly, when the applied current and the integration time are the same for the second capacitor C 2 , the output voltage of the second integrator 210 ) Is shown in Equation 9 below.
따라서 차동증폭기의 출력전압는 수학식 10과 같다.Therefore, the output voltage of the differential amplifier Is the same as Equation 10.
상기 수학식 10에서와 같이 적분형 용량-전압 변환장치는 오프셋 전압이 상쇄되어 없어지고, 출력전압은 압력센서(150)에 인가된 압력에 의한 변위량에 비례함을 알 수 있다.As shown in Equation 10, the integrated capacitance-to-voltage converter cancels the offset voltage and the output voltage is displaced by the pressure applied to the pressure sensor 150. It can be seen that it is proportional to.
이와 같이 적분형 용량-전압 변환기는 용량형 압력센서(150)의 선형성을 완전히 확보할 수 있으므로 이론적으로 검출할 수 있는 압력범위가 다이어프램(110)의 최대 허용 변위까지 가능하다.As such, since the integrated capacitance-to-voltage converter can completely secure the linearity of the capacitive pressure sensor 150, the theoretically detectable pressure range is possible up to the maximum allowable displacement of the diaphragm 110.
상기한 도 1a의 완전 차동용량형 압력센서(150)는 일반적인 용량형 압력센서와는 달리 제 1 및 제 2 커패시터(C1)(C2)가 하나의 전극(140)을 공용하고 있어 제 1 및 제 2 커패시터(C1)(C2)가 전기적으로 완전히 분리되지 않으므로 상기한 도 4의 도면과 같이 제 1 적분기(200) 및 제 2 적분기(210)를 분리하여 구성할 수 없다.Unlike the conventional capacitive pressure sensor, the fully differential capacitive pressure sensor 150 of FIG. 1A has a first electrode and a second capacitor C 1 (C 2 ) sharing one electrode 140. And since the second capacitor (C 1 ) (C 2 ) is not electrically separated completely, as shown in FIG. 4, the first integrator 200 and the second integrator 210 may not be separated.
그러므로 하나의 적분기가 제 1 및 제 2 커패시터(C1)(C2)를 교대로 피드백용 커패시터로 사용하도록 해야 하고, 또한 차동 증폭기(220)도, 상기 하나의 적분기가 교대로 출력하는 두 적분신호를 차동 증폭하도록 구성해야 된다.Therefore, one integrator should alternately use the first and second capacitors C 1 and C 2 as feedback capacitors, and the differential amplifier 220 also has two integrators that the one integrator alternately outputs. It must be configured to differentially amplify the signal.
도 5는 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치의 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 300은 압력센서(150)의 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 커패시터(C2)를 교대로 피드백용 커패시터로 사용하면서 소정 레벨의 입력전압(VG)을 적분하는 적분기이고, 부호 400은 상기 적분기(300)가 상기 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 커패시터(C2)를 교대로 피드백용 커패시터로 사용하면서 상기 입력전압(VG)을 적분한 두 적분신호를차동 증폭하는 차동증폭기이다.5 is a diagram showing the configuration of an integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention. Here, reference numeral 300 denotes an integrator that integrates the input voltage V G of a predetermined level while alternately using the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 of the pressure sensor 150 as feedback capacitors. Reference numeral 400 denotes differential amplification of two integrated signals obtained by integrating the input voltage V G while the integrator 300 alternately uses the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 as feedback capacitors. Is a differential amplifier.
상기 적분기(300)는, 입력전압(VG)의 적분신호를 발생하는 연산 증폭기(310)와, 제 1 클럭신호(CK1)와 반전 제 1 클럭신호(/CK1)와 제 2 클럭신호(CK2)에 따라 상호간에 교대로 동작하면서 상기 연산증폭기(310)의 출력신호를 압력센서(150)의 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 커패시터(C2)를 통해 각기 피드백시키는 제 1 피드백 스위칭부(320) 및 제 2 피드백 스위칭부(330)와, 상기 제 2 클럭신호(CK2)와 그 제 2 클럭신호(CK2)를 위상 지연시킨 제 3 클럭신호(CK3)에 따라 상기 제 1 피드백 스위칭부(320) 및 제 2 피드백 스위칭부(330)를 통해 피드백된 신호를 충전하면서 상기 연산증폭기(310)에 피드백 입력시키는 충전부(340)를 구비한다.The integrator 300 includes an operational amplifier 310 for generating an integrated signal of an input voltage V G , a first clock signal CK 1 , an inverted first clock signal / CK 1 , and a second clock signal. A first of feeding back the output signal of the operational amplifier 310 through the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 of the pressure sensor 150 while operating alternately with each other according to CK 2 ; According to the feedback switching unit 320 and the second feedback switching unit 330 and the third clock signal CK 3 which phase-delayed the second clock signal CK 2 and the second clock signal CK 2 . The charging unit 340 is provided with a feedback input to the operational amplifier 310 while charging the signal fed back through the first feedback switching unit 320 and the second feedback switching unit 330.
상기 제 1 피드백 스위칭부(320)는, 연산증폭기(300)의 출력단자와 반전 입력단자(-)의 사이에, 반전 제 1 클럭신호(/CK1)에 의해 도통상태로 되는 제 1 스위칭 소자(M1) 및 제 1 커패시터(C1)가 직렬 접속되고, 그 제 1 커패시터(C1)에, 제 2 클럭신호(CK2)에 의해 도통상태로 되는 제 2 스위칭 소자(M2)가 병렬로 접속된다.The first feedback switching unit 320 is a first switching device that is brought into a conductive state by the inverted first clock signal / CK 1 between the output terminal of the operational amplifier 300 and the inverting input terminal (−). (M 1 ) and the first capacitor (C 1 ) are connected in series, and the second switching element (M 2 ), which is in a conductive state by the second clock signal (CK 2 ), is connected to the first capacitor (C 1 ). Are connected in parallel.
상기 제 2 피드백 스위칭부(330)는, 연산증폭기(300)의 출력단자와 반전 입력단자(-)의 사이에, 제 1 클럭신호(CK1)에 의해 도통상태로 되는 제 3 스위칭 소자(M3) 및 제 2 커패시터(C2)가 직렬 접속되고, 그 제 2 커패시터(C2)에, 제 2 클럭신호(CK2)에 의해 도통상태로 되는 제 4 스위칭 소자(M4)가 병렬로 접속된다.The second feedback switching unit 330 is a third switching element (M) which is brought into a conductive state by the first clock signal CK 1 between the output terminal of the operational amplifier 300 and the inverting input terminal (−). 3 ) and the second capacitor C 2 are connected in series, and the fourth switching element M 4 , which is in a conductive state by the second clock signal CK 2 , is connected in parallel to the second capacitor C 2 . Connected.
상기 충전부(340)는, 접지 커패시터인 제 3 커패시터(C3)가, 제 3 클럭신호(CK3)에 의해 도통상태로 되는 제 5 스위칭 소자(M5)를 통해 상기 연산증폭기(300)의 반전 입력단자(-)에 접속되고, 그 제 3 커패시터(C3)에, 제 2 클럭신호(CK2)에 의해 도통상태로 되는 제 6 스위칭 소자(M6)가 병렬로 접속된다.The charging unit 340 of the operational amplifier 300 is connected to the third capacitor C 3 , which is a ground capacitor, through a fifth switching element M 5 in which the third clock signal CK 3 is in a conductive state. The sixth switching element M 6 , which is connected to the inverting input terminal (−) and brought into a conductive state by the second clock signal CK 2 , is connected in parallel to the third capacitor C 3 .
상기 차동증폭기(400)는, 상기 적분기(300)의 출력단자가 제 4 클럭신호(CK4)에 따라 도통 상태로 되는 제 7 스위칭 소자(M7)와 제 4 커패시터(C4)를 순차적으로 통해 연산증폭기(410)의 반전 입력단자(-)에 접속되고, 연산증폭기(410)의 비반전 입력단자(+)에는 기준전압()이 인가되어 연산증폭기(410)의 출력단자와 반전 입력단자(-)의 사이에, 제 1 클럭신호(CK1)에 의해 도통상태로 되는 제 8 스위칭 소자(M8)와 제 5 커패시터(C5)가 병렬 접속된다.The differential amplifier 400 sequentially passes through the seventh switching element M 7 and the fourth capacitor C 4 , where the output terminal of the integrator 300 is in a conductive state according to the fourth clock signal CK 4 . It is connected to the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 410, and the reference voltage (+) to the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 410. Between a) comprising: a first clock signal (CK 1), an eighth switching device (M 8) is in a conductive state by the fifth capacitor (-) output terminal and the inverting input terminal (of the applied operational amplifier (410) C 5 ) are connected in parallel.
상기에서 스위칭 소자(M1∼M8)들은 예를 들면, NMOS 전계효과 트랜지스터를 사용하고, 상기 제 2 클럭신호(CK2) 및 제 3 클럭신호(CK3)는 도 6에 도시된 바와 같이 상호간에 두 위상 비중첩(two phase non-overlapping) 클럭신호로서 상기 제 1 클럭신호(CK1)의 2 배 주파수를 갖는다.For example, the switching elements M 1 to M 8 use NMOS field effect transistors, and the second clock signal CK 2 and the third clock signal CK 3 are shown in FIG. 6. A two phase non-overlapping clock signal with each other has a frequency twice that of the first clock signal CK 1 .
이와 같이 구성된 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치는 도 6에 도시된 바와 같이 시간(t1)에 제 1 클럭신호(CK1)가 저전위로 되고, 반전 제 1 클럭신호(/CK1)가 고전위로 되면, 제 1 스위칭 소자(M1)가 도통상태로 되어 제 1 피드백 스위칭부(320)가 동작하고, 제 3 스위칭 소자(M3)는 차단상태로 되어 제 2 피드백 스위칭부(330)는 동작하지 않게 된다.In the integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention configured as described above, as shown in FIG. 6, the first clock signal CK 1 becomes low in potential at time t 1 , and the inverted first clock signal / CK 1 is inverted. When is the high potential, the first switching device (M 1 ) is in a conductive state, the first feedback switching unit 320 is operated, the third switching device (M 3 ) is cut off to the second feedback switching unit 330 ) Will not work.
이와 같은 상태에서 시간(t1)에 제 2 클럭신호(CK2)가 고전위로 되고, 제 3 클럭신호(CK3)는 저전위이므로 충전부(340)의 제 5 스위칭 소자(M5)는 차단상태로 되고, 제 6 스위칭 소자(M6)는 도통상태로 된다.In this state, since the second clock signal CK 2 becomes high potential at time t 1 , and the third clock signal CK 3 is low potential, the fifth switching element M 5 of the charging unit 340 is blocked. State, and the sixth switching element M 6 is in a conductive state.
그러면, 제 1 커패시터(C1)에 충전되어 있던 전원은 제 2 스위칭 소자(M2)를 통해 모두 방전되고, 또한 제 3 커패시터(C3)에 충전되어 있던 전원도 제 6 스위칭 소자(M6)를 통해 모두 방전된다.Then, the power charged in the first capacitor C 1 is discharged through the second switching element M 2 , and the power charged in the third capacitor C 3 is also the sixth switching element M 6. Are all discharged.
그러므로 연산증폭기(310)는 그의 반전 입력단자(-)에 인가되는 전원이 없으므로 연산증폭기(310)의 출력전압(VS)은 입력전압(VG)과 동일한 레벨을 가지게 된다.Therefore, since the operational amplifier 310 has no power applied to its inverting input terminal (−), the output voltage V S of the operational amplifier 310 has the same level as the input voltage V G.
이와 같은 상태에서 시간(t2)에 제 2 클럭신호(CK2)가 저전위로 되고, 제 3 클럭신호(CK3)가 고전위로 되면, 저전위의 제 2 클럭신호(CK2)에 의해 제 2 스위칭 소자(M2) 및 제 6 스위칭 소자(M6)가 차단상태로 되고, 고전위의 제 3 클럭신호(CK3)에 의해 제 5 스위칭 소자(M5)가 도통상태로 된다. 그러면, 연산증폭기(310)의 출력전압(VS)이 제 1 스위칭 소자(M1), 제 1 커패시터(C1), 제 5 스위칭 소자(M5) 및 제 3 커패시터(C3)를 순차적으로 통해 접지로 흐르면서 제 1 커패시터(C1) 및 제 3 커패시터(C3)에 충전되고, 제 3 커패시터(C3)의 충전전원은 연산증폭기(310)의 반전 입력단자(-)에 인가되므로 연산증폭기(310)는 제 3 커패시터(C3)의 충전전원과 입력전압()을 비교 증폭하여 압력센서(150)의 제 1 커패시터(C1)의 용량에 비례하는 소정레벨의 적분전압(VS)을 출력하게 된다.In this state, when the second clock signal CK 2 becomes low potential and the third clock signal CK 3 becomes high potential at time t 2 , the second clock signal CK 2 becomes low by the second clock signal CK 2 of low potential. The second switching element M 2 and the sixth switching element M 6 are cut off, and the fifth switching element M 5 is brought into a conductive state by the high potential third clock signal CK 3 . Then, the output voltage (V S) of the operational amplifier (310) sequentially to the first switching element (M 1), a first capacitor (C 1), the fifth switching element (M 5) and a third capacitor (C 3) Since the first capacitor C 1 and the third capacitor C 3 are charged to the ground and the charging power of the third capacitor C 3 is applied to the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 310. The operational amplifier 310 may include a charging power source and an input voltage of the third capacitor C 3 . ) And outputs an integrated voltage V S of a predetermined level proportional to the capacity of the first capacitor C 1 of the pressure sensor 150.
그리고 시간(t3)에 제 1 및 제 2 클럭신호(CK1)(CK2)가 고전위로 되고, 반전제 1 클럭신호(/CK1)가 저전위로 되면, 상기와는 반대로 제 1 피드백 스위칭부(320)는 동작하지 않고, 제 2 피드백 스위칭부(330)가 동작하게 되어 시간(t4)에 제 2 클럭신호(CK2)가 저전위로 되고, 제 3 클럭신호(CK3)가 고전위로 됨에 따라 연산증폭기(310)는 압력센서(150)의 제 2 커패시터(C2)의 용량에 비례하는 소정의 적분전압(VS)을 출력하게 된다.When the first and second clock signals CK 1 and CK 2 become high potential at time t 3 and the inverting first clock signal / CK 1 becomes low potential, the first feedback switching is reversed. The unit 320 does not operate, and the second feedback switching unit 330 operates so that the second clock signal CK 2 becomes low potential at a time t 4 , and the third clock signal CK 3 is high. As it goes up, the operational amplifier 310 outputs a predetermined integrated voltage V S which is proportional to the capacity of the second capacitor C 2 of the pressure sensor 150.
여기서, 적분기(300)가 제 1 커패시터(C1)를 피드백용 커패시터로 사용하여 출력하는 전압을 VS1이라고 하고, 제 2 커패시터(C2)를 피드백용 커패시터로 사용하여 출력하는 전압을 VS2라고 하면, 적분기(300)의 출력전압 VS1은 다음의 수학식 11과 같다.Here, the voltage outputted by the integrator 300 using the first capacitor C 1 as a feedback capacitor is referred to as V S1 , and the voltage outputted using the second capacitor C 2 as the feedback capacitor is represented as V S2. In this case, the output voltage V S1 of the integrator 300 is expressed by Equation 11 below.
여기서, 적분시간(T)이 충분하여 제 3 커패시터(C3)에 입력전압()의 레벨과 동일한 전압이 충전되면, 적분전류의 평균값 Average()은 수학식 12와 같다.Here, the integration time (T) is sufficient, so that the input voltage ( 3 ) to the third capacitor (C 3 ) If the voltage equal to the level of Average value of Average ( ) Is the same as Equation 12.
상기 수학식 12를 수학식 11에 대입하면, 적분기(300)의 출력전압 VS1은 다음의 수학식 13 같다.Substituting Equation 12 into Equation 11, the output voltage V S1 of the integrator 300 is expressed by Equation 13 below.
마찬가지로 제 2 커패시터(C2)를 피드백용 커패시터로 사용할 경우의 적분기(300)의 출력전압 VS2는 다음의 수학식 14와 같다.Likewise, when the second capacitor C 2 is used as a feedback capacitor, the output voltage V S2 of the integrator 300 is expressed by Equation 14 below.
이러한 본 발명의 적분기는 압력센서(150)의 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 커패시터(C2)가 바이어스회로와 연산증폭기(310)를 공유하고 있으므로 오프셋 영향에 강하고, CMOS 스위치 커패시터 회로를 적용하기 때문에 온도특성 및 잡음에 강한 특성을 나타내게 된다.The integrator of the present invention is strong in the offset influence because the first capacitor (C 1 ) and the second capacitor (C 2 ) of the pressure sensor 150 share the bias circuit and the operational amplifier 310, and the CMOS switch capacitor circuit Because of the application, temperature and noise are strong.
상기 적분기(300)의 출력전압(VS1, VS2)은 차동증폭기(400)로 입력되는 것으로서 차동증폭기(400)는 적분기(300)의 출력전압(VS1, VS2)에서 전극간의 간격 d0와 입력전압(VG)을 상호간에 상쇄시켜야 된다.The output voltages V S1 and V S2 of the integrator 300 are input to the differential amplifier 400, and the differential amplifier 400 has an interval d between the electrodes at the output voltages V S1 and V S2 of the integrator 300. 0 and input voltage (V G ) must be canceled mutually.
상기 차동증폭기(400)에서 제 7 스위칭 소자(M7)는 적분기(300)의 출력전압(VS1, VS2)을 샘플링하여 제 4 커패시터(C4)에 충전시키는 역할을 하고, 샘플링하는 시점은 적분기(300)의 출력전압(VS1, VS2)이 안정된 후이어야 하는 것으로서 제 7 스위칭 소자(M7)를 스위칭시키는 제 4 클럭신호(CK4)는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 제 3 클럭신호(CK3)보다 고전위 기간의 폭이 좁은 클럭신호를 사용한다.In the differential amplifier 400, the seventh switching element M 7 samples the output voltages V S1 and V S2 of the integrator 300 and charges the fourth capacitor C 4 , and at the time of sampling. Since the output voltages V S1 and V S2 of the integrator 300 are to be stabilized, the fourth clock signal CK 4 for switching the seventh switching element M 7 is the third clock signal as shown in FIG. 6. A clock signal having a narrower high potential period than the three clock signals CK 3 is used.
먼저, 제 1 클럭신호(CK1)가 고전위일 경우에 제 8 스위칭 소자(M8)가 도통상태로 되어 제 5 커패시터(C5)에 충전되어 있던 전원이 제 8 스위칭 소자(M8)를 통해 모두 방전되고, 제 4 클럭신호(CK4)가 고전위일 경우에, 상기 적분기(300)의 출력전압(VS2)이 제 7 스위칭 소자(M7)를 통해 샘플링되어 커패시터(C4)에 충전된다.First, when the first clock signal CK 1 has a high potential, the eighth switching element M 8 is brought into a conductive state so that the power charged in the fifth capacitor C 5 is applied to the eighth switching element M 8 . When all discharged through the fourth clock signal CK 4 has a high potential, the output voltage V S2 of the integrator 300 is sampled through the seventh switching element M 7 and applied to the capacitor C 4 . Is charged.
이와 같은 상태에서 제 1 클럭신호(CK1)가 저전위로 되면, 제 8 스위칭소자(M8)가 차단상태로 되어 커패시터(C5)가 활성화되고, 제 4 클럭신호(CK4)가 고전위로 될 경우에, 상기 적분기(300)의 출력전압(VS1)이 제 7 스위칭 소자(M7)를 통해 커패시터(C4)에 인가된다.In this state, when the first clock signal CK 1 becomes low potential, the eighth switching device M 8 is turned off to activate the capacitor C 5 , and the fourth clock signal CK 4 becomes high potential. In this case, the output voltage V S1 of the integrator 300 is applied to the capacitor C 4 through the seventh switching element M 7 .
그러므로 상기 적분기(300)의 출력전압(VS2)과 출력전압(VS1)의 차이 값에 해당되는 전하가 커패시터(C5)에 충전되어 차동증폭기(400)는 차동 증폭동작을 수행하게 된다.Therefore, the charge corresponding to the difference between the output voltage V S2 and the output voltage V S1 of the integrator 300 is charged in the capacitor C 5 so that the differential amplifier 400 performs the differential amplification operation.
이를 수학식으로 정리하면 다음과 같다.This can be summarized as follows.
여기서, Q1은 적분기(300)의 출력전압(VS1)에 대한 제 4 커패시터(C4)의 충전 전하량이다.Here, Q 1 is the charge amount of the fourth capacitor C 4 with respect to the output voltage V S1 of the integrator 300.
여기서, Q2는 적분기(300)의 출력전압(VS2)에 대한 제 4 커패시터(C4)의 충전 전하량이다.Here, Q 2 is the charge amount of the fourth capacitor C 4 with respect to the output voltage V S2 of the integrator 300.
상기 수학식 17을 정리하면, 차동증폭기(400)의 출력전압 VD는 수학식 18과 같이 되어 압력센서(150)의 변위에 비례한다.Summarizing Equation 17, the output voltage V D of the differential amplifier 400 is equal to Equation 18 and is proportional to the displacement of the pressure sensor 150.
여기서, 차동증폭기(400)가 단전원을 사용하는 연산증폭기(410)를 사용할 경우에 적분기(300)의 출력전압(VS2)은 항상 출력전압(VS1) 보다 커야 하고, 또한 0V보다 큰 기준전압(VOR)이 필요하다.Here, when the differential amplifier 400 uses the operational amplifier 410 using a single power supply, the output voltage V S2 of the integrator 300 should always be greater than the output voltage V S1 , and also greater than 0 V. Voltage V OR is required.
일반적으로 압력센서(150)는 제조공정 오차, 패키징 및 주변 기생성분에 의해 오프셋이 발생하고, 감도가 크게 변하기 때문에 이에 대한 보정기능을 추가하는 것이 필요하다.In general, the pressure sensor 150 is offset due to manufacturing process error, packaging, and peripheral parasitic components, and the sensitivity is greatly changed, so it is necessary to add a correction function.
도 7은 본 발명에 따라 보정기능을 추가한 차동증폭기의 다른 실시 예를 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시 예는 상기 제 4 커패시터(C4)와 연산증폭기(410)의 반전 입력단자(-)의 사이에, 반전 제 1 클럭신호(/CK1)에 의해 도통상태로 되는 제 9 스위칭 소자(M9)를 구비하고, 그 제 9 스위칭 소자(M9)와 상기 제 4 커패시터(C4)의 접속점에, 제 1 클럭신호(CK1)에 따라 보정전압(VOC)을 공급하는 제 10 스위칭 소자(M10)를 구비하였다.7 is a view showing another embodiment of a differential amplifier with a correction function according to the present invention. As shown in the drawing, another embodiment of the present invention conducts the inverted first clock signal / CK 1 between the fourth capacitor C 4 and the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 410. A ninth switching element M 9 to be in a state is provided, and at a connection point of the ninth switching element M 9 and the fourth capacitor C 4 , a correction voltage is generated in accordance with the first clock signal CK 1 . And a tenth switching device M 10 for supplying V OC ).
여기서, 상기 보정전압(VOC)의 레벨은 차동증폭기(400)의 초기 출력전압(VD0)이 0V가 되도록 설정하는 것으로서 다음의 수학식 19 내지 수학식 21과 같다.Here, the level of the correction voltage (V OC ) is set so that the initial output voltage (V D0 ) of the differential amplifier 400 is 0V, as shown in equations (19) to (21).
상기 수학식 21과 같이 제 1 커패시터(C1)와 제 2 커패시터(C2) 사이의 오프셋에 의해 적분기(300)의 초기 출력전압(VS10)(VS20)에 차이가 발생했을 경우에 기준전압(VOR)을 기준으로 하여 보정전압(VOC)을 조정하면 이를 보정할 수 있다.When the difference occurs in the initial output voltage (V S10 ) (V S20 ) of the integrator 300 by the offset between the first capacitor (C 1 ) and the second capacitor (C 2 ) as shown in Equation 21 This can be corrected by adjusting the correction voltage V OC based on the voltage V OR .
오프셋의 원인들 중에서 압력센서(150)의 전극(120, 130, 140)의 초기 거리(d0)에 의한 오차는 상기 수학식 18과 같이 선형성분이기 때문에 보정전압(VOC)에 의해 쉽게 보정된다.Among the causes of the offset, the error due to the initial distance d 0 of the electrodes 120, 130, and 140 of the pressure sensor 150 is easily corrected by the correction voltage V OC because it is a linear component as shown in Equation 18. do.
그러나 압력센서(150)의 제 1 커패시터(C1)와 제 2 커패시터(C2)에 병렬로 연결되는 기생용량에 의한 오프셋은 오프셋 전압의 변화, 이득감도 또한 선형성의 저하를 초래하므로 이에 대해 적분형 용량-전압 변환장치의 성능평가가 필요하다.However, the offset due to parasitic capacitance connected in parallel to the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 of the pressure sensor 150 causes variation in the offset voltage, gain sensitivity, and linearity. Performance evaluation of the type capacitance-to-voltage converter is necessary.
본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치의 성능을 측정하기 위하여 0.6㎛ CMOS공정 파라미터를 사용하여 피스파이스(pspice)로 시뮬레이션을 수행하였다.In order to measure the performance of the integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention, a simulation was carried out with a piecespice using 0.6 μm CMOS process parameters.
연산증폭기는 간단한 2단 CMOS 연산증폭기로서 직류이득이 70㏈, 위상여유(phase margin)는 88°, 슬류율(slew rate)이 3V/㎲인 것을 사용하였다. 압력센서(150)의 응답속도는 수백 Hz 이하이므로 제 1 클럭신호(CK1)는 듀티비(duty ratio)가 50%이고 주파수가 50㎑인 펄스신호를 사용하였으며, 제 2 내지 제 4 클럭신호(CK2∼CK4)는 100㎑의 비중첩 클럭신호를 사용하였다. 입력전압(VG)과 기준전압(VOR)은 0.5V로 고정하고 상온에서 시뮬레이션을 수행하였다.The op amp uses a simple two-stage CMOS op amp with a DC gain of 70 margin, a phase margin of 88 °, and a slew rate of 3V / ㎲. Since the response speed of the pressure sensor 150 is several hundred Hz or less, the first clock signal CK 1 uses a pulse signal having a duty ratio of 50% and a frequency of 50 Hz, and the second to fourth clock signals. (CK 2 to CK 4 ) used a non-overlapping clock signal of 100 Hz. The input voltage (V G ) and reference voltage (V OR ) were fixed at 0.5V and simulations were performed at room temperature.
(1) 변위에 따른 출력특성과 선형성(1) Output characteristics and linearity according to displacement
도 8은 60㎲ 동안의 동작 파형을 보여 주는 시뮬레이션 결과로 도 8a는 제 1 클럭신호(CK1)와 반 전 제 1 클럭신호(/CK1)는 간단히 반전된 클럭신호이고 도 8b는 제 2 클럭신호(CK2)와 제 3 클럭신호(CK3)는 두 위상 비중첩 클럭이다. 그리고 제 4 클럭신호(CK4)는 제 2 클럭신호(CK2)의 고전위 펄스에 포함되는 클럭신호임을 확인할 수 있다. 도 9c에서 홀수 번째 펄스는 적분기(300)의 출력신호(VS2)이고 짝수 번째 펄스는 적분기(300)의 출력신호(VS1)이다. 제 1 클럭신호(CK1)가 저전위이고 제 4 클럭신호(CK4)가 고전위일 경우에 차동증폭기(400)의 출력신호(VD)가 펄스신호의 형태로 출력되고 있다. 이를 샘플링하여 저역통과 평활회로(도면에 도시되지 않았음)를 통과시키면, 연속적인 압력센서(150)의 출력신호를 얻을 수 있다.FIG. 8 is a simulation result showing an operating waveform during 60 ms. FIG. 8A shows a first clock signal CK 1 and an inverted first clock signal / CK 1 which are simply inverted clock signals, and FIG. 8B shows a second waveform. The clock signal CK 2 and the third clock signal CK 3 are two phase non-overlapping clocks. The fourth clock signal CK 4 may be a clock signal included in a high potential pulse of the second clock signal CK 2 . In FIG. 9C, the odd-numbered pulse is the output signal V S2 of the integrator 300 and the even-numbered pulse is the output signal V S1 of the integrator 300. When the first clock signal CK 1 is low potential and the fourth clock signal CK 4 is high potential, the output signal V D of the differential amplifier 400 is output in the form of a pulse signal. By sampling this and passing the low pass smoothing circuit (not shown), the output signal of the continuous pressure sensor 150 can be obtained.
도 9는 압력센서(150)의 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 커패시터(C2)의 용량 4㎊, 전극(120, 130, 140)간의 간격(d0)은 1㎛,는 0∼0.9㎛(0∼90%), 입력전압(VG)은 0.5V, 기준전압(VOR)은 0.5V의 조건으로 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치와 용량비례형 용량-전압 변환장치를 시뮬레이션한 결과이다.9 is a capacitance 4 의 of the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 of the pressure sensor 150, the interval d 0 between the electrodes 120, 130, 140 is 1 μm, Is 0 to 0.9 μm (0 to 90%), the input voltage (V G ) is 0.5V, and the reference voltage (V OR ) is 0.5V. This is a simulation result of the voltage converter.
본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치는 0∼0.9㎛의 변위에 따라 0.5V∼4.5V의 전압을 선형적으로 생성하여 0.01%이하의 비선형성 특성을 보였다. 최대 변위인 0.9㎛에 대하여 제 1 커패시터(C1)는 40㎊이상으로 커지고 제 2 커패시터(C2)는 2.5㎊ 이하로 작아진다.The integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention linearly generates a voltage of 0.5V to 4.5V according to a displacement of 0 to 0.9 mu m and exhibits a nonlinear characteristic of 0.01% or less. For the maximum displacement of 0.9 mu m, the first capacitor C 1 becomes larger than 40 mW and the second capacitor C 2 becomes smaller than 2.5 mW.
이와 같이 압력센서(150)의 용량은 매우 큰 폭으로 변하고 비대칭이기 때문에 용량비례형 용량-전압 변환장치는 변위가d 0 의 10%이상이 되면 매우 큰 오차를 갖는다. 반면에 적분형 용량-전압 변환장치는 큰 폭으로 변하는 용량형 압력센서에 있어서도 매우 뛰어난 선형성을 갖는다는 것이 확인되었다.As such, since the capacity of the pressure sensor 150 is very wide and asymmetrical, the capacity proportional capacitance-to-voltage converter has a very large error when the displacement becomes more than 10% of d 0 . On the other hand, the integrated capacitance-to-voltage converter has been found to have a very good linearity even with a large variable capacitance pressure sensor.
(2) 기생성분의 영향 평가(2) Evaluation of the effects of parasitic components
도 2에 도시된 바와 같이 압력센서(150)와 접지의 사이에 구비되는 기생성분인 기생 커패시터(Cp1, Cp2, Cp3)에 의해 발생하는 적분형 용량-전압 변환장치의 특성변화를 평가하였다. 기생 용량을 동상모드와 차동모드로 나누어 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 커패시터(C2)의 용량을 초기 용량 C0을 기준으로 하여 4배까지 변화시켰고, 압력에 의한 변위가 최대 허용변위의 50%와 20%일 경우의 각각에 대하여 시뮬레이션하였다. 차동모드에서는 기생 커패시터(Cp2)를 10㎊으로 고정하고, 이를 기준으로 하여 기생 커패시터(Cp1)(Cp3)를 각각 ±20㎊까지 반대방향으로 변화시켰다.As shown in FIG. 2, the characteristic change of the integrated capacitance-voltage converter generated by the parasitic capacitors Cp 1 , Cp 2 and Cp 3 , which are parasitic components provided between the pressure sensor 150 and the ground, is evaluated. It was. By dividing the parasitic capacitance into common mode and differential mode, the capacitances of the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 were changed up to four times based on the initial capacitance C 0 , and the displacement due to pressure was the maximum allowable displacement. 50% and 20% of the cases were simulated for each. In the differential mode, the parasitic capacitor (Cp 2 ) was fixed at 10㎊ and the parasitic capacitor (Cp 1 ) (Cp 3 ) was changed in the opposite direction to ± 20㎊, respectively.
도 10 및 도 11의 시뮬레이션 결과와 같이 동상모드의 에러전압은 최대 20㎷였고, 차동모드의 에러전압은 ±10㎷ 이하였다.As shown in the simulation results of FIGS. 10 and 11, the error voltage of the in-phase mode was 20 kΩ at maximum, and the error voltage of the differential mode was ± 10 kΩ or less.
이 결과로부터 적분형 용량-전압 변환장치가 접지와 연결된 기생성분에 강한 특성을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.From these results, it can be seen that the integrated capacitance-to-voltage converter has a strong characteristic against parasitic components connected to ground.
(3) 오프셋 용량의 영향 평가(3) Evaluation of influence of offset capacity
압력센서(150)와 병렬로 연결되는 기생 커패시터(Cp1, Cp2, Cp3)와 제작공정의 오차로 발생하는 오프셋 용량에 의한 특성변화를 알아보기 위하여 병렬 오프셋을 동상모드와 차동모드로 나누어 인가하고 시뮬레이션을 하였다. 오프셋의 범위는 C0인 4㎊까지 하였고 변위는 90%까지 하였다.The parallel offset is divided into common mode and differential mode in order to examine the characteristic change caused by the parasitic capacitor (Cp 1 , Cp 2 , Cp 3 ) connected in parallel with the pressure sensor 150 and the offset capacitance caused by the manufacturing process error. Was applied and simulated. The range of offset was up to 4 ms with C 0 and the displacement was up to 90%.
시뮬레이션 결과를 동상모드의 경우에는 도 12에, 차동모드의 경우에는 도 13에 각각 나타내었다.Simulation results are shown in FIG. 12 in the in-phase mode and in FIG. 13 in the differential mode.
동상모드 오프셋은 출력전압을 감소시키는 이득감소 현상을 보였고, 차동모드의 경우에 오프셋 전압을 증가시켰다. 오프셋과 이득은 도 7의 보정회로로 조정이 가능하다. 그러나 동상모드와 차동모드 오프셋이 주는 가장 큰 문제점은 비선형성을 증가시키는 것이다.The common-mode offset showed a gain reduction that reduces the output voltage, and increased the offset voltage in the differential mode. Offset and gain can be adjusted with the correction circuit of FIG. However, the biggest problem with in-phase and differential mode offsets is increasing nonlinearity.
특히 동상모드의 경우 C0과 같은 4pF의 오프셋에서 2%를 넘는 비선형성을 보였다. 이것은 센서에 병렬로 연결되는 오프셋 용량이 용량비례형 용량-전압 변환장치와 달리 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치에서는 서로 상쇄되지 않기 때문에 발생하는 것으로 오프셋 용량의 발생을 최소화하는 센서 설계와 패키징이 필요하다.In particular, in frostbite mode, nonlinearity was over 2% at 4pF offset such as C 0 . This occurs because the offset capacitance connected in parallel to the sensor does not cancel each other in the integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention, unlike the capacitance-proportional capacitance-to-voltage converter. This is necessary.
(4) 오프셋 보상 및 이득조정(4) Offset Compensation and Gain Adjustment
동상모드 오프셋의 경우에 오프셋 전압이 발생하지 않고 이득만 감소하기 때문에 상기 수학식 18에서와 같이 입력전압(VG)을 조정하여 보정이 가능하다.In the case of the in-phase mode offset, the offset voltage does not occur and only the gain is reduced. Thus, correction can be performed by adjusting the input voltage V G as shown in Equation 18.
차동모드 오프셋의 경우에 오프셋 전압이 변하기 때문에 도 7 및 수학식 21과 같이 보정전압(VOC)의 조정이 필요하다. 적분형 용량-전압 변환장치가 오프셋 보상과 이득조정이 가능한지 평가하기 위해 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 커패시터(C2)에 각각 1㎊의 차동모드 오프셋 용량을 인가하여 보정을 수행하였다.In the case of the differential mode offset, since the offset voltage changes, it is necessary to adjust the correction voltage V OC as shown in FIGS. 7 and 21. In order to evaluate whether the integrated capacitance-to-voltage converter is capable of offset compensation and gain adjustment, the compensation was performed by applying a differential mode offset capacitance of 1 차동 to the first capacitor C 1 and the second capacitor C 2 , respectively.
도 14에 도시된 바와 같이 제 1 커패시터(C1)에 오프셋이 인가되었을 때 0.5V의 오프셋 전압을 1V가 출력되었다. 수학식 21에 의하여 보정전압(VOC)을 0.6V로 조정한 결과 오프셋 전압을 0.5V로 낮추었다. 이에 따라 최대전압 Vmax가 같이 낮아져 입력전압(VG)을 0.55V로 조정하여 이득을 맞추었다.As shown in FIG. 14, when an offset is applied to the first capacitor C 1 , an offset voltage of 0.5V and 1V are output. As a result of adjusting the correction voltage V OC to 0.6V according to Equation 21, the offset voltage was lowered to 0.5V. Accordingly, the maximum voltage Vmax was lowered together to adjust the gain by adjusting the input voltage (V G ) to 0.55V.
도 15는 제 2 커패시터(C2)에 오프셋이 발생하였을 경우의 보정결과를 보여주는 것으로 보정전압(VOC)은 0.39V, 입력전압(VG)은 0.63V으로 조정하였다.FIG. 15 shows a correction result when an offset occurs in the second capacitor C 2. The correction voltage V OC is adjusted to 0.39V and the input voltage V G is 0.63V.
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다. 예를 들면, 상기에서는 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치를 압력센서(150)에 적용한 것을 예로 들어 설명한 것으로서 본 발명은 이에 한정되지 않고 가속도 센서 및 변위센서 등을 비롯하여 각종 용량형 센서에 적용이 가능하다.On the other hand, while the present invention has been shown and described with respect to specific preferred embodiments, various modifications and changes of the present invention without departing from the spirit or field of the invention provided by the claims below It can be easily understood by those skilled in the art. For example, as described above by applying the integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention to the pressure sensor 150 as an example, the present invention is not limited thereto and is applied to various capacitive sensors including an acceleration sensor and a displacement sensor. This is possible.
이상에서와 같이 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치는 광범위하게 실시한 시뮬레이션에서 초기 전극간격의 0∼90%의 대변위에 대해서 비선형도가 0.01%/FS 이하의 매우 뛰어난 특성을 얻었다. 그리고 기생성분의 영향에 매우 강한 특성을 갖는 것과 오프셋 보정과 이득조정이 가능함을 확인하였다.As described above, the integrated capacitance-to-voltage converter of the present invention obtained a very excellent nonlinearity of 0.01% / FS or less for a large displacement of 0 to 90% of the initial electrode interval in a simulation conducted extensively. In addition, it has been confirmed that the parasitic component has a very strong characteristic and that offset correction and gain adjustment are possible.
그리고 용량비례형 용량-전압 변환장치와는 달리 본 발명의 적분형 용량-전압 변환장치는 출력신호가 압력센서의 변위에 비례하기 때문에 압력센서의 변위를 제한할 필요가 없고, 이를 적용한 압력센서는 높은 선형성과 해상도를 갖게 되었으며, 같은 용량을 구현하는 데 있어 더 작은 면적으로 구현가능하기 때문에 소형화에 유리하다.In addition, unlike the capacity proportional type voltage-to-voltage converter, the integrated capacity-voltage converter of the present invention does not need to limit the displacement of the pressure sensor because the output signal is proportional to the displacement of the pressure sensor. It has high linearity and resolution, and it is advantageous in miniaturization because it can be realized in a smaller area to achieve the same capacity.
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