檢測電路、物理量檢測裝置、角速度檢測裝置的製作方法

2023-05-20 19:04:11

專利名稱：檢測電路、物理量檢測裝置、角速度檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及檢測電路、物理量檢測裝置、角速度檢測裝置、集成電路裝置以及電子設備。
背景技術：
在數字相機、導航裝置、行動電話等各種電子設備搭載有陀螺儀轉感器，根據陀螺儀傳感器檢測出的角速度的大小，進行抖動校正、航位推算、互動感應等處理。近些年來，要求實現陀螺儀傳感器的小型化和較高的檢測精度，作為滿足這些要 求的陀螺儀傳感器，例如廣泛使用應用了石英振子的諧振現象的振動陀螺儀傳感器。使用這種振動陀螺儀傳感器的情況下，由於伴隨小型化從振子輸出的檢測信號變得更微小，因此，為了實現較高的檢測精度，對陀螺儀傳感器進行驅動和檢測的信號處理電路的低噪聲化變得極為重要。在信號處理電路的檢測處理中，當放大從振子輸出的微小的檢測信號進行同步檢波之後，通過低通濾波器去除高次諧波分量和高頻帶的噪聲，將該檢測信號經由輸出緩衝器輸出到外部。該輸出緩衝器還兼備按照檢測靈敏度的規格調整檢測信號的電平的功能。另外，作為低通濾波器可使用根據電容比和採樣頻率(時鐘頻率)確定頻率特性的開關電容濾波器(SCF :Switched Capacitor Filter)。開關電容濾波器具有特性偏差比RC濾波器小的優點(專利文獻I、2)。專利文獻I :日本特開2008-14932號公報專利文獻2 日本特開2008-64663號公報然而，針對低噪聲化的要求，迄今為止在低通濾波器產生的噪聲與在低通濾波器的前級產生的噪聲相比很小甚至可以忽略，因而將重點放在減小在低通濾波器的前級產生的噪聲。然而，當在低通濾波器的前級產生的噪聲變小時，在低通濾波器產生的噪聲相對變大，從而成為使輸出信號的S/N比變差的原因。然而，很難在不大幅增加電路面積的情況下降低在低通濾波器產生的噪聲，當想要滿足更低噪聲的要求時，可能無法滿足小型化的要求。雖然可以考慮通過提高低通濾波器的前級之前的増益，降低輸出緩衝器的増益，從而降低在低通濾波器產生的噪聲的放大率，然而基於設計的制約，有時無法提高低通濾波器的前級之前的増益。

發明內容
本發明正是鑑於上述問題點而完成的，根據本發明的若干方面，能夠提供ー種可實現比以往低的噪聲的檢測電路、物理量檢測裝置、角速度檢測裝置、集成電路裝置以及電子設備。(I)本發明提供ー種檢測電路，該檢測電路具有同步檢波部，其對與要檢測的物理量對應的交流信號進行同步檢波；開關電容濾波器，其對由上述同步檢波部進行同步檢波後的信號進行濾波處理；以及輸出緩衝器，其對由上述開關電容濾波器進行濾波處理後的信號進行緩衝並輸出，上述開關電容濾波器的増益大於I。根據本發明，使開關電容濾波器作為濾波器發揮作用，並且使其増益大於I而還作為放大電路發揮作用，從而能相對減小輸出緩衝器的増益。由此，在開關電容濾波器產生的噪聲的基於輸出緩衝器的放大率降低，能夠達成比以往低的噪聲。(2)在該檢測電路中可以是，在設上述開關電容濾波器的增益為K1，上述輸出緩衝器的增益為K2時，滿足K1A2 > 0. 5。(3)在該檢測電路中可以是，上述開關電容濾波器的増益K1大於上述輸出緩衝器的增益K2。(4)本發明提供ー種物理量檢測裝置，該物理量檢測裝置具有上述任意ー個方面所述的檢測電路；以及振子，其將與要檢測的物理量對應的信號輸出給上述檢測電路。根據本發明，能夠提供ー種可實現比以往低的噪聲的物理量檢測裝置。

(5)本發明提供ー種具有上述任意ー個方面所述的檢測電路的角速度檢測裝置。根據本發明，能夠提供ー種可實現比以往低的噪聲的角速度檢測裝置。(6)本發明提供ー種具有上述任意ー個方面所述的檢測電路的集成電路裝置。(7)本發明提供ー種具有上述任意ー個方面所述的檢測電路的電子設備。


圖I是本實施方式的角速度檢測裝置(物理量檢測裝置的一例)的功能框圖。圖2是振動子的振動片的俯視圖。 圖3是用於說明振子的動作的圖。圖4是用於說明振子的動作的圖。圖5是表示串行接ロ電路的構成例的圖。圖6是表示驅動電路的構成例的圖。圖7是表示檢測電路的構成例的圖。圖8是表示SCF電路的構成例的圖。圖9是表示SCF増益與輸出緩衝器增益之比和噪聲電平的關係的圖。圖10是電子設備的功能框圖。符號說明I角速度檢測裝置；2信號處理IC(集成電路裝置)；4信號處理電路；6電源電路；10基準電壓電路；20驅動電路；22驅動信號；24振蕩電流；26參照信號；27切換控制信號；28時鐘信號；30檢測電路；32、34交流電荷(檢測電流)；36角速度信號；40串行接ロ電路；42調整數據；44模式設定數據；46時鐘信號；48串行數據信號；50非易失性存儲器；52調整數據；60調整電路；62模擬調整電壓；70電平判定電路；72電平判定信號；81外部輸出端子；82、83、84、85、86、87外部輸入端子；88外部輸出端子；89外部輸入端子；90外部輸入輸出端子；92上拉電阻器；100振子；101a IOlb驅動振動臂；102檢測振動臂；103施重部；104a 104b驅動用基部；105a 105b連接臂；106施重部；107檢測用基部；112 113驅動電極；114 115檢測電極；116公共電極；200I/V轉換電路(電流電壓轉換電路)；202運算放大器；204電阻器；210高通濾波器(HPF) ；212比較器；220RC濾波器；222電阻器；224電容器；230放大器；240全波整流電路；242反轉放大器；242比較器；243、244開關；245反相器電路(反轉邏輯電路);250減法器；252積分器；254上拉電阻器；260比較器；270緩衝器電路；300充電放大器；302運算放大器；304電容器；310充電放大器；312運算放大器；314電容器；320差動放大器；322高通濾波器(HPF) ；324放大器；326同步檢波電路；328可變增益放大器；330開關電容濾波器(SCF) ；332輸出緩衝器；341、342、344、345、348、349、351、352、355、356、358、359 開關;343、347、350、354、357、360 電容器;346、353 運算放大器；361反相器電路(反轉邏輯電路)；500電子設備；600信號生成部；610檢測電路；700CPU ；710 操作部；720 顯示部；730R0M、740RAM ；750 通信部。
具體實施例方式下面使用附圖詳細說明本發明的優選實施方式。並且，以下說明的實施方式並非用於不當限定權利要求書中所述的本發明的內容。而且，以下說明的全部構成並非都是本發明的必要構成要件。I.物理量檢測裝置 以下舉例說明檢測角速度作為物理量的物理量檢測裝置(角速度檢測裝置)。本發明可應用於能夠檢測角速度、角加速度、加速度、力等各種物理量的任意ー種物理量的裝置。圖I是本實施方式的角速度檢測裝置(物理量檢測裝置的一例)的功能框圖。本實施方式的角速度檢測裝置I構成為具有振子(傳感器元件)100和信號處理IC(集成電路裝置)2。振子100構成為將配置有驅動電極和檢測電極的振動片密封於未圖示的封裝中。通常為了儘量減小振動片的阻抗以提升振蕩效率而確保了封裝內的氣密性。本實施方式的振子100具有由Z切割的石英基板形成的振動片。以石英為材料的振動片的諧振頻率相對於溫度變化的變動極小，因此具有能夠提高角速度的檢測精度這樣的優點。其中，作為振子100的振動片的材料，不僅可以使用石英(SiO2),例如還可以使用鉭酸鋰(LiTaO3),鈮酸鋰(LiNbO3)等壓電單晶或鋯鈦酸鉛(PZT)等壓電陶瓷等的壓電性材料，還可以使用矽半導體。例如也可以採取在矽半導體的部分表面上配置夾入於驅動電極的氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AIN)等壓電薄膜的結構。在本實施方式中，振子100由具有T型的2個驅動振動臂的所謂雙T型振動片構成。其中，振子100的振動片不限於雙T型，例如也可以是音叉型或梳齒型，還可以是三稜柱、四稜柱、圓柱狀等形狀的音帶型。圖2是本實施方式的振子100的振動片的俯視圖。圖2中的X軸、Y軸、Z軸表示
石英軸。如圖2所示，振子100的振動片的驅動振動臂IOlaUOlb分別從2個驅動用基部104a、104b向+Y軸方向和-Y軸方向延伸。其中，驅動振動臂101a、IOlb的延伸方向在與Y軸的偏差為±5°以內即可。在驅動振動臂IOla的側表面和上表面分別形成有驅動電極112和113，在驅動振動臂IOlb的側表面和上表面分別形成有驅動電極113和112。驅動電極112、113分別經由圖I所示的信號處理IC2的外部輸出端子81、外部輸入端子82與驅動電路20連接。驅動用基部104a、104b分別經由在-X軸方向和+X軸方向延伸的連接臂105a、105b與矩形狀的檢測用基部107連接。其中，連接臂105a、105b的延伸方向在與X軸的偏差為±5°以內即可。檢測振動臂102從檢測用基部107向+Y軸方向和-Y軸方向延伸。其中，檢測振動臂102的延伸方向在與Y軸的偏差為±5°以內即可。在檢測振動臂102的上表面形成有檢測電極114和115，在檢測振動臂102的側表面形成有公共電極116。檢測電極114、115分別經由圖I所示的信號處理IC2的外部輸入端子83、84而與檢測電路30連接。另外，公共電極116接地。在驅動振動臂IOlaUOlb的驅動電極112與驅動電極113之間作為驅動信號被施加了交流電壓時，如圖3所示，驅動振動臂IOlaUOlb由於逆壓電效應而如箭頭B所示，進行2根驅動振動臂IOlaUOlb的前端彼此反覆接近和離開的彎曲振動(激勵振動)。
在該狀態下，對振子100的振動片施加以Z軸為旋轉軸的角速度時，驅動振動臂101a、IOlb在垂直於箭頭B的彎曲振動的方向和Z軸雙方的方向上得到科裡奧利力。，結果，如圖4所示，連接臂105a、105b進行如箭頭C所示的振動。而且，檢測振動臂102與連接臂105a、105b的振動(箭頭C)聯動地如箭頭D所示進行彎曲振動。伴隨該科裡奧利力的檢測振動臂102的彎曲振動與驅動振動臂IOlaUOlb的彎曲振動(激勵振動)的相位相差90。。然而，如果在2根驅動振動臂IOlaUOlb中，驅動振動臂101a、IOlb進行彎曲振動(激勵振動)時的振動能大小或振動的振幅大小相等，則取得了驅動振動臂101a、IOlb的振動能的平衡，在沒有對振子100施加角速度的狀態下檢測振動臂102不進行彎曲振動。然而，如果2個驅動振動臂101a、IOlb的振動能的平衡被破壞，則即使在沒有對振子100施加角速度的狀態下也會在檢測振動臂102產生彎曲振動。該彎曲振動被稱作洩漏振動，與基於科裡奧利力的振動同樣為箭頭D的彎曲振動，而與驅動信號的相位相同。而且，由於壓電效應使得基於這些彎曲振動的交流電荷產生於檢測振動臂102的檢測電極114、115。其中，基於科裡奧利力而產生的交流電荷是按照科裡奧利力的大小(換言之是施加給振子100的角速度大小)而變化的。另ー方面，基於洩漏振動而產生的交流電荷保持恆定而與施加給振子100的角速度大小無關。並且，在驅動振動臂IOlaUOlb的前端形成有寬度大於驅動振動臂IOlaUOlb的矩形狀的施重部103。通過在驅動振動臂IOlaUOlb的前端形成施重部103，既能増大科裡奧利力，又能以較短的振動臂得到期望的諧振頻率。同樣地，在檢測振動臂102的前端形成有寬度大於檢測振動臂102的施重部106。通過在檢測振動臂102的前端形成施重部106，能增大產生於檢測電極114、115的交流電荷。如上，振子100以Z軸為檢測軸經由檢測電極114、115輸出基於科裡奧利力的交流電荷(角速度分量)和基於激勵振動的洩漏振動的交流電荷(振動洩漏分量)。返回圖1，本實施方式的信號處理IC2構成為具有電源電路6、基準電壓電路10、驅動電路20、檢測電路30、串行接ロ電路40、非易失性存儲器50、調整電路60以及電平判定電路70。並且,本實施方式的信號處理IC2也可以構成為省略其中一部分結構(要素)，或者追加新的結構(要素)。由外部輸入端子86、87分別向電源電路6提供電源電壓VDD (例如3V)和接地電壓VSS(OV)，電源電路6生成信號處理IC2內部的電源電壓。
基準電壓電路10根據經由電源電路6提供的電源電壓生成基準電壓12 (例如1/2VDD)。驅動電路20生成用於使振子100進行激勵振動的驅動信號22，經由外部輸出端子81提供給振子100的驅動電極112。另外，驅動電路20經由外部輸入端子82被輸入由于振子100的激勵振動而產生於驅動電極113的振蕩電流24，以將該振蕩電流24的振幅保持恆定的方式對驅動信號22的振幅電平進行反饋控制。另外，驅動電路20生成檢測電路30中包含的同步檢波電路的參照信號26和開關電容濾波器(SCF)電路的時鐘信號28。檢測電路30經由外部輸入端子83、84分別被輸入產生于振子100的檢測電極114、115的交流電荷(檢測電流)32、34，僅檢測這些交流電荷(檢測電流)中包含的角速度分量，生成與角速度的大小對應的電壓電平的信號(角速度信號)36，經由外部輸出端子88輸出到外部。該角速度信號36例如在與外部輸出端子88連接的未圖示的微型計算機中被進行A/D轉換，作為角速度數據而用於各種處理。並且，還可以在本實施方式的信號處理IC2中內置A/D轉換器，例如經由串行接ロ電路40將表示角速度的數字數據輸出到外部。如上，驅動電路20和檢測電路30作為進行針對振子100的信號處理的信號處理電路4發揮作用。調整電路60按照由電平判定電路70輸出的電平判定信號72選擇調整數據52或調整數據42，生成針對信號處理電路4 (驅動電路20、檢測電路30)的模擬調整電壓62 (偏置補償電壓或溫度補償電壓等)。調整電路60例如是D/A轉換器等。非易失性存儲器50保持針對信號處理電路4(驅動電路20、檢測電路30)的各種調整數據 52,例如能夠構成為 EEPROM(ElectricalIy-Erasable Programmable Read-OnlyMemory 電可擦可編程只讀存儲器)。串行接ロ電路40經由外部輸入端子89和外部輸入輸出端子90，以基於時鐘信號46和串行數據信號48的雙線邏輯進行相對於非易失性存儲器50的調整數據52的寫入和讀取處理、相對於內部寄存器(未圖示)的調整數據42和模式設定數據44的寫入和讀取處理。圖5是表示串行接ロ電路40的構成例的圖。串行接ロ電路40在寫入數據時與從外部輸入端子89輸入的時鐘信號46同步地將從外部輸入輸出端子90輸入的串行數據信號48取入移位寄存器400而轉換成並行數據，在讀寫控制電路410的控制下，將其寫入到非易失性存儲器50或內部寄存器組420中包含的任意一個寄存器(調整寄存器422或模式設定寄存器424等)。另ー方面，當讀取數據時，在讀寫控制電路410的控制下，將存儲於非易失性存儲器50的數據或存儲於內部寄存器組420中包含的任意一個寄存器的數據並行加載至移位寄存器400，與從外部輸入端子89輸入的時鐘信號46同步地使移位寄存器400的數據移位，從外部輸入輸出端子90輸出串行數據信號48。為了向非易失性存儲器50寫入數據，需要提供足以使保持於存儲器元件的數據反轉的能量。因此，如圖I所示，在寫入數據時經由外部輸入端子85向非易失性存儲器50提供較高的電源電壓VPP (例如15V以上)。在本實施方式中，僅限於在角速度檢測裝置I的組裝、檢查、評測、解析等情況下向非易失性存儲器50寫入數據，在市場上使用時禁止向非易失性存儲器50寫入數據。因此，在市場上使用角速度檢測裝置I時，將外部輸入端子85設定為開啟。由此，外部輸入端、子85的電壓VPP經由上拉電阻器92而與VDD大致相等，能防止錯誤寫入。調整數據52例如是在角速度檢測裝置I組裝後的最終檢查時等被寫入到非易失性存儲器50的。具體而言，向串行接ロ電路40的內部寄存器組中包含的調整寄存器422寫入調整值，使用被寫入到調整寄存器422的調整值(調整數據42)確認信號處理電路4(驅動電路20、檢測電路30)的動作。在變更該調整值的同時，確定信號處理電路4(驅動電路20、檢測電路30)進行期望動作的最佳調整值，將該最佳調整值作為調整數據52 —次性寫入非易失性存儲器50。這樣既能縮短檢查時間，又能將寫入數據時施加高電源電壓引起的可靠性降低抑制在最小限度。為了實現這種調整方法，需要調整電路60能夠選擇是使用非易失性存儲器50的調整數據還是使用調整寄存器422的調整數據。因此，在本實施方式中，電平判定電路70判定VPP的電壓電平，生成表示VPP是高於VDD的預定的電壓值Vl (例如8V)以上的電壓值或低於VDD的預定的電壓值V2(例如1/2VDD)以下的電壓值，還是高於V2且低於Vl的電壓值的電平判定信號72。而且，調整電路60按照電平判定信號72在VPP > Vl或VPP ^ V2時選擇內部寄存器的調整數據42，在V2 < VPP Vl或VPP ^ V2的情況下使模式設定寄存器424的設定值的改寫為有效，此外的情況下為無效。因此，在本實施方式中，向模式設定寄存器424的非同步復位端子提供電平判定信號72。由此，在VPP ^ Vl或VPP ^ V2時模式設定寄存器424的設定值被復位為「00000」而成為模式1，並且改寫變為無效，在V2 < VPP < Vl時模式設定寄存器424的設定值的改寫變為有效。在本實施方式中，不僅在VPP彡Vl的情況下，尤其在VPP彡V2的情況下，由調整電路60選擇調整數據42，並且使模式設定寄存器424的設定值的改寫變為有效，從而具有如下的優點即使在不存在產生高電壓的電源裝置的環境下，也能夠進行角速度檢測裝置I的評測和解析。接著說明驅動電路20。圖6是表示驅動電路20的構成例的圖。如圖6所示，本實施方式的驅動電路20構成為具有I/V轉換電路(電流電壓轉換電路)200、高通濾波器(HPF) 210、比較器212、RC濾波器220、放大器230、全波整流電路240、減法器250、積分器252、上拉電阻器254、比較器260以及緩衝器電路270。並且，本實施方式的驅動電路20還可以構成為省略其中一部分構成(要素)，或追加新的構成(要素)。流過振子100的振動片的驅動電流被I/V轉換電路200轉換為交流電壓信號。本實施方式的I/V轉換電路200構成為在運算放大器202的反轉輸入端子(_輸入端子)與輸出端子之間連接有電阻器204，運算放大器202的非反轉輸入端子(+輸入端子)與模擬接地連接。在設振子100的振蕩電流為i，電阻器204的電阻值為R時，該I/V轉換電路200的輸出電壓Viv可由下式(I)表現。Viv = -R i... (I)I/V轉換電路200的輸出信號被高通濾波器210消除偏移後輸入到比較器212。比較器212放大輸入信號的電壓,輸出ニ值化信號(矩形波電壓信號)。其中，在本實施方式中，比較器212是僅能輸出低電平的開漏輸出的比較器，高電平經由上拉電阻器254被上 拉至積分器252的輸出電壓。而且，比較器212輸出的ニ值化信號作為驅動信號22經由外部輸出端子81被提供給振子100的振動片的驅動電極112。通過使該驅動信號22的頻率(驅動頻率fd)與振子100的諧振頻率一致，能夠使振子100穩定振蕩。進而，在本實施方式中，以使振子100的振蕩電流恆定的方式，即使I/V轉換電路200的輸出電壓的電平恆定的方式對驅動信號22的振幅進行調整。這樣能使振子100極為穩定地振蕩，能提高角速度的檢測精度。然而，I/V轉換電路200中包含的電阻器204的電阻值R由於製造差異而按照每個IC相對於設計值產生±20%左右的偏差，因此，由振子100的振蕩電流向I/V轉換電路200的輸出電壓的轉換率按照每個IC而產生偏差。因此，在以使I/V轉換電路200的輸出電壓為恆定的設計值的方式調整驅動信號22的振幅吋，振子100的振蕩電流將按照每個IC而不同。結果，可能成為IC的振蕩電流與設計值的偏差越大則其角速度的檢測精度和檢測靈敏度越差的主要原因。另外，由於電阻器204的電阻值的溫度特性並不平坦，因此，即使振子100的振蕩電流恆定，I/V轉換電路200的輸出電壓也會受到電阻器204的影響而產生變動。結果，振子100的振蕩電流隨著溫度而產生變動，可能成為使角速度的檢測精度和檢測靈敏度變差的主要原因。同樣地，作為後述的檢測電流30中包含的充電放大器300、310的構成要素的電容器304、314的電容值的製造差異和溫度變動，也可能成為使角速度的檢測精度和檢測靈敏度變差的主要原因。因此，在本實施方式中，以消除電阻器204的電阻值和電容器304、314的電容值的偏差和溫度變動量，抑制角速度的檢測精度和檢測靈敏度變差為目的，設置RC濾波器220，使I/V轉換電路200的輸出信號通過RC濾波器220。關於設置RC濾波器220能夠抑制角速度的檢測精度和檢測靈敏度變差的原因，將在檢測電路30的說明中進行敘述。RC濾波器220具有電阻器222和電容器224，作為一次低通濾波器發揮作用。即，在設電阻器222的電阻值為R1,電容器224的電容值為C1時，可由下式⑵表現RC濾波器220的傳遞函數。
權利要求
1.ー種檢測電路，其中，該檢測電路具有 同步檢波部，其對與要檢測的物理量對應的交流信號進行同步檢波； 開關電容濾波器，其對由上述同步檢波部進行同步檢波後的信號進行濾波處理；以及 輸出緩衝器，其對由上述開關電容濾波器進行濾波處理後的信號進行緩衝並輸出， 上述開關電容濾波器的增益大於I。
2.根據權利要求I所述的檢測電路，其中，在設上述開關電容濾波器的增益為K1，上述輸出緩衝器的增益為K2時，滿足K1A2 > O. 5。
3.根據權利要求I或2所述的檢測電路，其中，上述開關電容濾波器的増益K1大於上述輸出緩衝器的増益K2。
4.ー種物理量檢測裝置，其中，該物理量檢測裝置具有 權利要求I 3中的任意一項所述的檢測電路；以及 振子，其將與要檢測的物理量對應的信號輸出給上述檢測電路。
5.ー種角速度檢測裝置，其中，該角速度檢測裝置具有權利要求I 3中的任意ー項所述的檢測電路。
6.ー種集成電路裝置，其中，該集成電路裝置具有權利要求I 3中的任意一項所述的檢測電路。
7.ー種電子設備，其中，該電子設備具有權利要求I 3中的任意一項所述的檢測電路。
全文摘要
本發明提供一種檢測電路、物理量檢測裝置、角速度檢測裝置、集成電路裝置以及電子設備，能夠實現比以往低的噪聲。同步檢波電路(326)(同步檢波部)對包含振子(100)的檢測信號(32、34)的信號(放大器324的輸出信號)進行同步檢波。開關電容濾波器(SCF)電路(330)對由同步檢波電路(326)進行同步檢波後的信號(可變增益放大器328的輸出信號)進行濾波處理。輸出緩衝器(332)對由SCF電路(330)進行濾波處理後的信號進行緩衝並輸出到外部。SCF電路(330)的增益大於1。
文檔編號G01C19/5776GK102650521SQ20121004392
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月24日 優先權日2011年2月25日
發明者押尾政宏, 柳澤良直, 菊池尊行, 西田稔洋, 高橋正行 申請人:精工恩琵希株式會社, 精工愛普生株式會社