(57)【要約】  電磁干渉に対して耐性のある容量センサシステム及び方法が開示される。システムは、容量性コア、反転入力及び非反転入力を有する差動増幅器、容量性パス及びチョッピングシステムを含む。コアは、可変キャパシタに結合された入力及び出力、並びに可変キャパシタを結合する共通ノードを含むことができる。容量性パスはコア出力を増幅器の入力に結合する。チョッピングシステムがハイであるとき、ある極性の電圧がコア入力に印加され、第１のコア出力が反転入力に結合され、第２のコア出力が非反転入力に結合される。チョッピングシステムがローであるとき、逆極性の電圧がコア入力に印加され、増幅器の入力に対するコア出力の結合が切り替えられる。容量性パスはボンドワイヤを含むことができる。チョッピングシステムは、関心のある周波数帯域から離れてノイズをスミアし、又は広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数でハイとローとの間で変化させることができる。
2014530351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁干渉に耐性のある容量センサシステムであって、
第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、前記第１の可変キャパシタに結合された第１のコア出力、前記第２の可変キャパシタに結合された第２のコア出力、並びに前記第１の可変キャパシタ及び前記第２の可変キャパシタを結合する共通ノードを含む容量性コアと、
反転入力及び非反転入力を含む差動増幅器と、
前記第１のコア出力と前記差動増幅器の入力との間の第１の容量性パスと、
前記第２のコア出力と前記差動増幅器の入力との間の第２の容量性パスと、
ハイ状態及びロー状態を有し、前記第１及び第２のコア出力を前記差動増幅器の入力に結合するチョッピングシステムと
を備え、
前記チョッピングシステムが前記ハイ状態にあるとき、正のステップ電圧が前記容量性コアの前記共通ノードに印加され、前記チョッピングシステムは前記第１のコア出力を前記差動増幅器の前記反転入力に結合し、前記第２のコア出力を前記差動増幅器の前記非反転入力に結合し、
前記チョッピングシステムが前記ロー状態にあるとき、負のステップ電圧が前記容量性コアの前記共通ノードに印加され、前記チョッピングシステムは前記第１のコア出力を前記差動増幅器の前記非反転入力に結合し、前記第２のコア出力を前記差動増幅器の前記反転入力に結合する容量センサシステム。
【請求項２】
前記容量性コアは微小電気機械デバイスである請求項１に記載の容量センサシステム。
【請求項３】
前記第１の容量性パスは第１のボンドワイヤを含み、前記第２の容量性パスは第２のボンドワイヤを含む請求項２に記載の容量センサシステム。
【請求項４】
前記第１の容量性パスは第１のボンドワイヤを含み、前記第２の容量性パスは第２のボンドワイヤを含む請求項１に記載の容量センサシステム。
【請求項５】
前記チョッピングシステムは、関心のある周波数帯域から離れてノイズをスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられる請求項１に記載の容量センサシステム。
【請求項６】
前記チョッピングシステムは、広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられる請求項１に記載の容量センサシステム。
【請求項７】
前記チョッピングシステムはランダムな周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられる請求項６に記載の容量センサシステム。
【請求項８】
電磁干渉に耐性のある容量センサシステムであって、
第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、前記第１の可変キャパシタに結合された第１のコア入力、前記第２の可変キャパシタに結合された第２のコア入力、並びに前記第１の可変キャパシタ及び前記第２の可変キャパシタを結合する第１の共通のノードを含む第１の容量性コアと、
第３の可変キャパシタ、第４の可変キャパシタ、前記第３の可変キャパシタに結合された第３のコア入力、前記第４の可変キャパシタに結合された第４のコア入力、並びに前記第３の可変キャパシタ及び前記第４の可変キャパシタを結合する第２の共通ノードを含む第２の容量性コアと、
反転入力及び非反転入力を含む差動増幅器と、
前記第１の共通ノードと前記差動増幅器の入力との間の第１の容量性パスと、
前記第２の共通ノードと前記差動増幅器の入力との間の第２の容量性パスと、
ハイ状態及びロー状態を有し、前記第１及び第２の共通ノードを前記差動増幅器の入力に結合するチョッピングシステムと
を備え、
前記チョッピングシステムがハイ状態にあるとき、正の基準電圧が前記第１の容量性コアの前記第１の入力及び前記第２の容量性コアの前記第４の入力に印加され、負の基準電圧が前記第１の容量性コアの前記第２の入力及び前記第２の容量性コアの前記第３の入力に印加され、前記チョッピングシステムは、前記第１の共通ノードを前記差動増幅器の前記反転入力に結合し、前記第２の共通ノードを前記差動増幅器の前記非反転入力に結合し、前記負の基準電圧は前記正の基準電圧と実質的に同じ大きさ及び反対の極性であり、
前記チョッピングシステムがロー状態にあるとき、負の基準電圧が前記第１の容量性コアの前記第１の入力及び前記第２の容量性コアの前記第４の入力に印加され、正の基準電圧が前記第１の容量性コアの前記第２の入力及び前記第２の容量性コアの前記第３の入力に印加され、前記チョッピングシステムは、前記第１の共通ノードを前記差動増幅器の前記非反転入力に結合し、前記第２の共通のノードを前記差動増幅器の前記反転入力に結合する容量センサシステム。
【請求項９】
前記第１及び第２の容量性コアは微小電気機械デバイスの一部である請求項８に記載の容量センサシステム。
【請求項１０】
前記第１の容量性パスは第１のボンドワイヤを含み、前記第２の容量性パスは第２のボンドワイヤを含む請求項９に記載の容量センサシステム。
【請求項１１】
前記第１の容量性パスは第１のボンドワイヤを含み、前記第２の容量性パスは第２のボンドワイヤを含む請求項８に記載の容量センサシステム。
【請求項１２】
前記チョッピングシステムは、関心のある周波数帯域から離れてノイズをスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられる請求項８に記載の容量センサシステム。
【請求項１３】
前記チョッピングシステムは、広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられる請求項８に記載の容量センサシステム。
【請求項１４】
前記チョッピングシステムはランダムな周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられる請求項１３に記載の容量センサシステム。
【請求項１５】
電磁干渉に耐性のある容量センサシステムを製造する方法であって、
容量センサの第１の出力を差動増幅器の入力に切り替え可能に結合するステップであって、前記差動増幅器は反転入力及び非反転入力を含む、ステップと、
前記容量センサの第２の出力を前記差動増幅器の入力に切り替え可能に結合するステップであって、前記容量センサの前記第２の出力は前記容量センサの前記第１の出力とは異なる、ステップと、
ハイ状態とロー状態との間でチョッピングシステムを切り替えて電磁干渉を制御するステップと、
前記チョッピングシステムが前記ハイ状態にあるとき、
第１の極性の電圧を前記容量センサの入力に印加するステップと、
前記容量センサの前記第１の出力を前記差動増幅器の前記反転入力に結合するステップと、
前記容量センサの前記第２の出力を前記差動増幅器の前記非反転入力に結合するステップと、
前記チョッピングシステムが前記ロー状態にあるとき、
前記第１の極性の電圧と実質的に同じ大きさと反対の極性を有する第２の極性の電圧を前記容量センサの入力に印加するステップと、
前記容量センサの前記第１の出力を前記差動増幅器の前記非反転入力に結合するステップと、
前記容量センサの前記第２の出力を前記差動増幅器の前記反転入力に結合するステップと
を含む方法。
【請求項１６】
前記切り替えるステップは、関心のある周波数帯域から離れてノイズをスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で前記チョッピングシステムを切り替えるステップを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記切り替えるステップは、広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で前記チョッピングシステムを切り替えるステップを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記切り替えるステップは、ランダムな周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で前記チョッピングシステムを切り替えるステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記容量センサは、第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、前記第１の可変キャパシタに結合された第１のコア出力、前記第２の可変キャパシタに結合された第２のコア出力、並びに前記第１の可変キャパシタ及び前記第２の可変キャパシタを結合する共通ノードを含む容量性コアを含み、前記第１のコア出力は前記容量センサの前記第１の出力であり、前記第２のコア出力は前記容量センサの前記第２の出力であり、前記共通ノードは前記容量センサの入力である請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記容量センサは第１の容量性コア及び第２の容量性コアを含み、
前記第１の容量性コアは、第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、前記第１の可変キャパシタに結合された第１のコア入力、前記第２の可変キャパシタに結合された第２のコア入力、並びに前記第１の可変キャパシタ及び前記第２の可変キャパシタを結合する第１の共通ノードを含み、
前記第２の容量性コアは、第３の可変キャパシタ、第４の可変キャパシタ、前記第３の可変キャパシタに結合された第３のコア入力、前記第４の可変キャパシタに結合された第４のコア入力、並びに前記第３の可変キャパシタ及び前記第４の可変キャパシタを結合する第２の共通ノードを含み、
前記容量センサの前記第１の出力は前記第１の容量性コアの前記第１の共通ノードであり、前記容量センサの前記第２の出力は前記第２の容量性コアの前記第２の共通ノードであり、前記容量センサの入力は、前記第１の容量性コアの前記第１及び第２のコア入力並びに前記第２の容量性コアの前記第３及び第４のコア入力のいずれかである請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、容量性トランスデューサに関し、より具体的には、容量センサにおける電磁干渉（電磁妨害）を克服するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]慣性センサにおいて、電磁障害や電磁干渉（ＥＭＩ）は、ボンドワイヤと近くのケーブル、プレート、回路などとの間の容量性結合に主に起因して発生する。図１はＥＭＩの例示的なシナリオを示す。図１において、微小電気機械構造（ＭＥＭＳ）デバイス１０２は、複数のボンドワイヤ１０６によって特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１０４に結合される。ボンドワイヤ１０６の近くにあるＥＭＩのソース１１０は、ＥＭＩソース１１０とボンドワイヤ１０６との間の容量性結合１１０を生成する。容量性結合１１０を説明するために図１にキャパシタの記号を示すが、これは電磁障害ソース１１０とボンドワイヤ１０６との間の寄生容量を示すにすぎず、実際の電気部品は存在しない。電圧源や増幅器で駆動されるノードとは対照的に、容量性ノードを結合するボンドワイヤは、ＥＭＩに最も敏感である。
【０００３】
[0003]高密度な電子機器を有する環境では、多数のＥＭＩのソースがあることがあり、これらのＥＭＩソースが重要になり得る。電磁障害はまた、実質的に単一の周波数で発生することがあり、これがサンプリングの際にＤＣ成分に折り重なることがある。これらの電磁障害は、所望のセンサ信号の上に加わって、所望の信号を消し去ることがある。例えば、所望の信号が１００ｋＨｚのクロック周波数でサンプリングされ、外乱が１００ｋＨｚである場合、クロック周波数で外乱をサンプリングすると、それは実質的にＤＣ信号として現れ得る。したがって、特に容量性パスに沿って所望のセンサ信号をＥＭＩから保護することが重要である。ＥＭＩの問題は、例えば自動車の電子的安定性のために使用されるセンサのような、過酷な環境にある、安全を重視すべき用途において解決することが特に重要である。
【０００４】
[0004]ＥＭＩに対する２つの一般的に使用される解決策は、金属でセンサを保護することと、差動アプローチを使用することである。金属でセンサを遮蔽することは、ＥＭＩを生じ得る外部の電界を遮断するためにファラデーケージを作成することを含む。しかし、遮蔽は、遮蔽するべき多くのセンサがあるか又は小さな領域に収まるように高密度の電子機器が存在する場合には特に、大型で高価になることがある。
【０００５】
[0005]差動アプローチは、並列のワイヤ上の信号間の差分をとり、電磁障害を共通モード信号として実質的に差し引くことができる。図２は差動アプローチを示す。例示的な差動センサ及び増幅器システム２００は、ボンドワイヤ２６０、２６２によってＡＳＩＣ２４０に結合されたＭＥＭＳデバイス２２０を含む。ボンドワイヤ２６０、２６２の各々は外部のＥＭＩソース２１０からのＥＭＩを経験する。ＥＭＩソース２１０と第１のボンドワイヤ２６０との間には容量性結合２５０が存在して第１の外乱容量（disturbance capacitance）Ｃ１を生成し、ＥＭＩソース２１０と第２のボンドワイヤ２６２との間には容量性結合２５２が存在して第２の外乱容量Ｃ２を生成する。ＥＭＩソース２１０とボンドワイヤ２６０、２６２との間の外乱容量Ｃ１及びＣ２が同一である場合、電磁障害は、ＡＳＩＣ２４０の差動増幅器のコモンモード阻止（common mode rejection）によって排除される。しかし、所望の相殺を達成するためには、ＥＭＩソース２１０とボンドワイヤ２６０、２６２との間の外乱容量Ｃ１及びＣ２は０．５％より大きな差で不整合となるべきではない。この整合は、実際には達成するのが非常に困難であることがある。整合が最初に達成されたとしても、例えば自動車事故によって、ボンドワイヤは乱されたりゆがんだりする可能性がある。ボンドワイヤのこの動きはボンドワイヤ間に非対称性をもたらすことがあり、これにより、外乱容量における望ましくない不整合が生じて、差動アプローチの有効性を低減する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
[0006]遮蔽及び差動回路の欠点のいくつかをも克服する、電磁干渉を低減するためのロバストな技術を有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0007]容量性コア、差動増幅器、第１及び第２の容量性パス、並びにチョッピングシステムを含む電磁干渉に耐性のある容量センサシステムが開示される。容量性コアは、第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、第１の可変キャパシタに結合された第１のコア出力、第２の可変キャパシタに結合された第２のコア出力、並びに第１の可変キャパシタ及び第２の可変キャパシタをを結合する共通ノードを含む。差動増幅器は反転入力と非反転入力を含む。第１の容量性パス（capacitive path）は第１のコア出力を差動増幅器の入力に結合し、第２の容量性パスは第２のコア出力を差動増幅器の入力に結合する。チョッピングシステムは、ハイ状態及びロー状態を有し、第１及び第２のコア出力を差動増幅器の入力に結合する。チョッピングシステムがハイ状態にあるとき、正のステップ電圧が容量性コアの共通ノードに印加され、チョッピングシステムは第１のコア出力を差動増幅器の反転入力に結合し、第２のコア出力を差動増幅器の非反転入力に結合する。チョッピングシステムがロー状態にあるとき、負のステップ電圧が容量性コアの共通ノードに印加され、チョッピングシステムは第１のコア出力を差動増幅器の非反転入力に結合し、第２のコア出力を差動増幅器の反転入力に結合する。容量性コアは微小電気機械デバイスとすることができる。第１の容量性パスは第１のボンドワイヤを含むことができ、第２の容量性パスは第２のボンドワイヤを含むことができる。チョッピングシステムは、関心のある周波数帯域から離れてノイズをスミアし（分からなくし、smear）もしくは広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数において、又はランダムな周波数において、ハイ状態とロー状態との間で変化させることができる。
【０００８】
[0008]第１及び第２の容量性コア、差動増幅器、第１及び第２の容量性パス、並びにチョッピングシステムを含む、電磁干渉に耐性のある容量センサシステムが開示される。第１の容量性コアは、第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、第１の可変キャパシタに結合された第１のコア入力、第２の可変キャパシタに結合された第２のコア入力、及び第１の可変キャパシタと第２の可変キャパシタを結合する第１の共通ノードを含む。第２の容量性コアは、第３の可変キャパシタ、第４の可変キャパシタ、第３の可変キャパシタに結合された第３のコア入力、第４の可変キャパシタに結合された第４のコア入力、及び第３の可変キャパシタと第４の可変キャパシタを結合する第２の共通ノードを含む。差動増幅器は、反転入力と非反転入力を含む。第１の容量性パスは、第１の共通ノード及び差動増幅器の入力を結合し、第２の容量性パスは、第２の共通ノード及び差動増幅器の入力を結合する。チョッピングシステムは、ハイ状態及びロー状態を有し、差動増幅器の入力に第１及び第２の共通ノードを結合する。チョッピングシステムがハイ状態にあるとき、正の基準電圧が第１の容量性コアの第１の入力及び第２の容量性コアの第４の入力に印加され、負の基準電圧が第１の容量性コアの第２の入力及び第２の容量性コアの第３の入力に印加され、チョッピングシステムは、第１の共通ノードを差動増幅器の反転入力に結合し、第２の共通ノードを差動増幅器の非反転入力に結合し、負の基準電圧は正の基準電圧と実質的に同じ大きさ及び反対の極性である。チョッピングシステムがロー状態にあるとき、負の基準電圧が第１の容量性コアの第１の入力及び第２の容量性コアの第４の入力に印加され、正の基準電圧が第１の容量性コアの第２の入力及び第２の容量性コアの第３の入力に印加され、チョッピングシステムは、第１の共通ノードを差動増幅器の非反転入力に結合し、第２の共通のノードを差動増幅器の反転入力に結合する。第１及び第２の容量性コアは微小電気機械デバイスの一部であってもよい。第１の容量性パスは第１のボンドワイヤを含むことができ、第２の容量性パスは第２のボンドワイヤを含むことができる。チョッピングシステムは、関心のある周波数帯域から離れてノイズをスミアしもしくは広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数において、又はランダムな周波数において、ハイ状態とロー状態との間で変化させることができる。
【０００９】
[0009]電磁干渉に対して耐性のある容量センサシステムを製造する方法が開示される。当該方法は、容量センサの第１の出力を差動増幅器の入力に切り替え可能に結合すること、容量センサの第２の出力を差動増幅器の入力に切り替え可能に結合すること、ハイ状態とロー状態との間でチョッピングシステムを切り替えて（flip）電磁干渉を制御することを含む。この方法では、差動増幅器は反転入力と非反転入力を含み、容量センサの第２の出力は容量センサの第１の出力とは異なる。チョッピングシステムがハイ状態にあるとき、当該方法はまた、第１の極性の電圧を容量センサの入力に印加すること、容量センサの第１の出力を差動増幅器の反転入力に結合すること、容量センサの第２の出力を差動増幅器の非反転入力に結合することを含む。チョッピングシステムがロー状態にあるとき、当該方法はまた、第１の極性の電圧と実質的に同じ大きさで反対の極性を有する第２の極性の電圧を容量センサの入力に印加すること、容量センサの第１の出力を差動増幅器の非反転入力に結合すること、及び容量センサの第２の出力を差動増幅器の反転入力に結合することを含む。切り替え（flipping）ステップは、関心のある周波数帯域から離れてノイズをスミアしもしくは広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数において、又はランダムな周波数において、ハイ状態とロー状態との間でチョッピングシステムを切り替えることを含む。
【００１０】
[0010]本方法は、第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、第１の可変キャパシタに結合された第１のコア出力、第２の可変キャパシタに結合された第２のコア出力、並びに第１の可変キャパシタ及び第２の可変キャパシタを結合する共通ノードを有する容量性コアを含む容量センサを使用して行うことができる。この場合、第１のコア出力は容量センサの第１の出力であり、第２のコア出力は容量センサの第２の出力であり、共通ノードは容量センサの入力である。当該方法はまた、第１及び第２の容量性コアを含む容量センサを使用して行うことができ、第１の容量性コアは、第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、第１の可変キャパシタに結合された第１のコア入力、第２の可変キャパシタに結合された第２のコア入力、並びに第１の可変キャパシタ及び第２の可変キャパシタを結合する第１の共通ノードを含み、第２の容量性コアは、第３の可変キャパシタ、第４の可変キャパシタ、第３の可変キャパシタに結合された第３のコア入力、第４の可変キャパシタに結合された第４のコア入力、並びに第３の可変キャパシタ及び第４の可変キャパシタを結合する第２の共通ノードを含む。この場合、容量センサの第１の出力は第１の容量性コアの第１の共通ノードであり、容量センサの第２の出力は第２の容量性コアの第２の共通ノードであり、容量センサの入力は、第１の容量性コアの第１及び第２のコア入力と第２の容量性コアの第３及び第４のコア入力のいずれかである。
【００１１】
[0011]本発明の上述の及び他の特徴及び目的、並びにそれらを達成する方法は、添付の図面と併せて本発明の実施例についての以下の説明を参照することによって、より明らかとなり、本発明そのものがよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】[0012]ボンドワイヤと近くのケーブル、プレート、回路などとの間の容量性結合による電磁障害や電磁干渉（ＥＭＩ）を示す。
【図２】[0013]電磁障害を克服するための差動アプローチを示す。
【図３】[0014]電磁干渉を低減するためのロバストな手法を実施できる例示的な差動センサ及び増幅器システムを示す。
【図４】[0015]広い周波数範囲にわたって電磁干渉をスミアすることによって電磁干渉を低減するためにチョッピングパターンを使用することができる方法を示す。
【図５Ａ】[0016]チョッピング信号がロー状態にある場合の例示的なフルブリッジ差動容量性加速度計を示す。
【図５Ｂ】[0017]チョッピング信号がハイ状態にある場合の図５Ａの例示的なフルブリッジ差動加速度計を示す。
【図６】[0018]成形された（shaped）ノイズとしてＤＣから離れた２つのチョップ状態におけるオフセット差による誤差をスミアするために、成形されたチョッピングパターンを使用することができる方法を示す。
【図７】[0019]成形されたチョッピングパターンと不成形（unshaped）ランダムパターンとの間の潜在的なトレードオフを示す。
【００１３】
[0020]対応する参照文字は、いくつかの図面を通して対応する部分を示す。本明細書に記載される例示はいくつかの形態で本発明の実施例を示しているが、以下に開示された実施例は、網羅的なものであることを意図するものではなく、本発明の範囲を開示された厳密な形態に限定するものとして解釈されることを意図するものでもない。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[0021]図３は、遮蔽及び差動回路のいくつかの欠点を克服する、電磁干渉を低減するためのロバストな技術を実施できる例示的な差動センサ及び増幅器システム３００を示す。例示的な差動センサ及び増幅器システム３００は、ボンドワイヤ３６０、３６２によってＡＳＩＣ３４０に結合されたＭＥＭＳデバイス３２０を含む。ＡＳＩＣ３４０は、差動増幅器３４２とチョッピングシステム３４４を含む。第１のボンドワイヤ３６０は、差動増幅器３４２の一方の側にＭＥＭＳデバイス３２０の第１の出力Ｓ１を接続し、第２のボンドワイヤ３６２は、差動増幅器３４２の他方の側にＭＥＭＳデバイス３２０の第２の出力を結合する。ＭＥＭＳデバイス３２０とＡＳＩＣ３４０との間にはさらなるボンドワイヤ及び接続があってもよいが、明確にするために２つだけが示されている。ＡＳＩＣ３４０はまた、追加の回路を含むことができる。ボンドワイヤ３６０、３６２の各々は外部のＥＭＩソース３１０からのＥＭＩを経験する。ＥＭＩソース３１０と第１のボンドワイヤ３６０との間には容量性結合３５０が存在して第１の外乱容量Ｃ１を生成し、ＥＭＩソース３１０と第２のボンドワイヤ３６２との間には容量性結合３５２が存在して第２の外乱容量Ｃ２を生成する。
【００１５】
[0022]図３の回路は、チョッピングシステム３４４が追加されたことを除いて、図２の回路と同様である。チョッピングシステム３４４は、ＭＥＭＳデバイス３２０の出力Ｓ１、Ｓ２と差動増幅器３４２の入力との間の接続を切り替え、これによりボンドワイヤ３６０、３６２が実質的に切り替えられる。チョッピング信号Φｃｈがロー状態にある場合、チョッピングシステム３４４のスイッチは、ＭＥＭＳデバイス３２０の第１の出力Ｓ１を差動増幅器３４２の反転入力に結合し、ＭＥＭＳデバイス３２０の第２の出力Ｓ２を差動増幅器３４２の非反転入力に結合する。このロー段階中、正のステップ電圧は、センサ３２０を励起して増幅器３４２に流入する電荷が
Ｑｉｎ＝Ｖｓ＊（ΔＣｓｅｎｓｏｒ）＋ΔＶｅｍｃ＊（Ｃ１−Ｃ２）    （１）
となるようにするために使用される。ここで、Ｑｉｎは増幅器３４２に入力される電荷であり、Ｖｓはセンサ３２０を励起するステップ電圧であり、ΔＣｓｅｎｓｏｒはセンサ３２０の可変キャパシタの差動電荷であり、ΔＶｅｍｃはボンドワイヤ３６０、３６２とＥＭＩソース３１０との間の電磁干渉であり、Ｃ１及びＣ２は外乱容量である。
【００１６】
[0023]チョッピング信号Φｃｈがハイ状態にあるとき、チョッピングシステム３４４のスイッチは、ＭＥＭＳデバイス３２０の第２の出力Ｓ２を差動増幅器３４２の反転入力に結合し、ＭＥＭＳデバイス３２０の第１の出力Ｓ１を差動増幅器３４２の非反転入力に結合する。このハイ段階中、負のステップ電圧は、センサ３２０を励起して増幅器３４２に流入する電荷が
Ｑｉｎ＝（−Ｖｓ）＊（ΔＣｓｅｎｓｏｒ）＊（−１）＋ΔＶｅｍｃ＊（Ｃ１−Ｃ２）
＝Ｖｓ＊（ΔＣｓｅｎｓｏｒ）−ΔＶｅｍｃ＊（Ｃ１−Ｃ２）                （２）
となるようにするために使用される。
【００１７】
[0024]式（１）及び式（２）を比較すると、センサ信号に起因する第１の項が同じである一方で電磁妨害に起因する第２の項は符号が逆になっていることが分かる。したがって、チョッピング信号がロー状態とハイ状態との間で前後に切り替わるとき、所望の信号は変化しないが、電磁妨害の極性は前後に切り替わる。チョッピング信号のパターンを用いることによって、電磁干渉は、広い周波数範囲にわたってスミアしたり（分からなくする、smear）、特定の周波数帯域から離れてスミアしたりすることができる。
【００１８】
[0025]電磁妨害の周波数がわからない場合は、ランダムパターンを使用して、広い周波数範囲にわたって電磁妨害をスミアすることができる。図４は、広い周波数範囲にわたる電磁妨害の不鮮明化（smearing）を示している。図４において、上部のプロットは時間領域にあり、下部のプロットは周波数領域にある。図４Ａ１は時間領域でのチョッピング信号Φｃｈのランダムパターンを示し、図４Ａ２は、周波数領域での広範囲にわたって広がるランダムチョッピング信号を示す。ランダムチョッピングパターンのエネルギーは周波数にわたって実質的に均等に分散される。図４Ｂ１は時間領域における例示的な正弦波電磁妨害（ΔＶｅｍｃ）を示し、図４Ｂ２は周波数領域における例示的な電磁妨害を示す。例示的な電磁妨害のエネルギーは単一周波数で集中される。図４Ｃ１は時間領域においてランダムチョッピング信号を例示的な電磁妨害と合成した結果を示し、図４Ｃ２は周波数領域においてこれら２つの信号を合成した結果を示す。得られた外乱信号のエネルギーは、広い周波数範囲にわたって実質的に等しくスミアされる。
【００１９】
[0026]この手法は、電磁妨害を扱う際に大幅な改善を達成することができる。図４に示すように、単一周波数における非常に大きな電磁妨害は広い周波数範囲にわたって分散させることができる。例えば、１ＭＨｚのクロック周波数及び５０Ｈｚの所望の帯域幅を使用することによって、この技術は、１０ｌｏｇ（１ＭＨｚ／（５０Ｈｚ×２））＝４０ｄＢの電磁ロバスト性の改善をもたらし、大きな利益をもたらす。
【００２０】
[0027]このＥＭＩロバスト性技術は任意の容量センサで使用することができ、例えば、ジャイロスコープ、加速度計、圧力センサなどに用いることができる。図３は例示的なハーフブリッジ（２キャパシタ）の容量センサを示す。図５は例示的なフルブリッジ（４キャパシタ）の差動容量性加速度計を示す。図５Ａはチョッピング信号がロー状態にあるときの結合を示し、図５Ｂはチョッピング信号がハイ状態にあるときの結合を示す。図３のチョッピングシステム３４４のようなスイッチングシステムをここで用いることができるが、各状態における結合は明瞭にするために明示的に示されている。電磁妨害と容量性結合によって影響を受けるものは、ＭＥＭＳの容量性コア出力と増幅器入力との間のもののような容量性ノードであることに注意されたい。
【００２１】
[0028]図５の例示的な実施例では、ＭＥＭＳは、第１の容量性コアＣＡと第２の容量性コアＣＢを含む。第１の容量性コアＣＡは、第１の共通ノードＭ１により結合された第１の可変キャパシタＣＡ１及び第２の可変キャパシタＣＡ２を含む。第１の容量性コアＣＡはまた、第１の可変キャパシタＣＡ１に結合された第１の入力及び第２の可変キャパシタＣＡ２に結合された第２の入力を含む。第２の容量性コアＣＢは、第２の共通ノードＭ２によって結合された第３の可変キャパシタＣＢ１及び第４の可変キャパシタＣＢ２を含む。第２の容量性コアＣＢはまた、第３の可変キャパシタＣＢ１に結合された第３の入力及び第４の可変キャパシタＣＢ２に結合された第４の入力を含む。第１の容量性コアＣＡの第１の共通のノードＭ１は上部ＭＥＭＳ出力に結合され、第２の容量性コアＣＢの第２の共通ノードＭ２は下部ＭＥＭＳ出力に結合される。
【００２２】
[0029]図５Ａにおいて、チョッピング信号がロー状態にあるとき、上部ＭＥＭＳ出力がＡＳＩＣ増幅器の反転入力に結合され、下部ＭＥＭＳ出力がＡＳＩＣ増幅器の非反転入力に結合される。また、チョッピング信号がロー状態にあるとき、正の基準電圧＋Ｖｓが第１の容量性コアＣＡの第１の入力及び第２の容量性コアＣＢの第４の入力に印加され、負の基準電圧−Ｖｓが第１の容量性コアＣＡの第２の入力及び第２の容量性コアＣＢの第３の入力に印加される。正及び負の基準電圧は実質的に同じ大きさと逆の極性を有する。
【００２３】
[0030]図５Ｂにおいて、チョッピング信号がハイ状態にあるとき、ＭＥＭＳ出力と基準電圧が切り替えられる（フリップされる）。チョッピング信号がハイ状態にあるとき、上部ＭＥＭＳ出力がＡＳＩＣ増幅器の非反転入力に結合され、下部ＭＥＭＳ出力がＡＳＩＣ増幅器の反転入力に結合される。また、チョッピング信号がハイ状態にあるとき、負の基準電圧−Ｖｓが第１の容量性コアＣＡの第１の入力及び第２の容量性コアＣＢの第４の入力に印加され、正の基準電圧＋Ｖｓが第１の容量性コアＣＡの第２の入力及び第２の容量性コアＣＢの第３の入力に印加される。
【００２４】
[0031]チョッピングパターンの形状は、ＥＭＩのロバスト性とＭＥＭＳの非理想性に対する許容範囲との間の正しい妥協を達成するように選択することができる。いくつかのケースでは、図４Ａ１及び４Ａ２に示すような平坦なスペクトルのチョッピングシーケンスは、最良の選択ではないかもしれない。例えば、センサの非理想性（例えば、寄生容量）により、チョップ信号のロー段階及びハイ段階のオフセットが異なる場合には、成形された（shaped）チョッピングシーケンスを使用する方がよいかもしれない。単純なランダムチョッピングは、オフセット差をホワイトノイズとしてスミアして、ＤＣ付近にある程度ノイズを入れ、ノイズフロアを上昇させる。成形されたチョッピングシーケンスは、特定の周波数帯域から離れてノイズをスミアするために使用することができる。例えば、関心のある周波数帯域がＤＣ又は低周波数にある場合、ノイズをより高い周波数へとスミアする成形されたチョッピングシーケンスを使用することができる。
【００２５】
[0032]図６は、成形されたノイズとしてＤＣから離れた２つのチョップ状態におけるオフセット差による誤差をスミアするために、成形されたチョッピングパターンを使用することができる方法を示す。図６Ａは周波数領域におけるチョッピングパターンを示す。チョッピングパターンは、ＤＣ又は低周波成分を実質的に有しておらず、より高い周波数で上昇を開始する。図６Ｂは、高チョップ状態と低チョップ状態との間のオフセットの差によるＤＣ誤差を示す。図６Ｃは、図６Ａの成形されたチョッピングパターンを図６Ｂのオフセット差によるＤＣ誤差と組み合わせた周波数領域での結果を示す。オフセット差による出力の誤差は、ＤＣ及び低周波数、関心のある周波数帯域から離れ、より高い周波数へのノイズとして成形される。
【００２６】
[0033]しかし、成形されたパターンを使用すると、特定のＥＭＩ周波数について、少し大きなＥＭＩ誘起妨害が生じる可能性がある。図７は、成形されたチョッピングパターンと成形されないランダムパターンとの間の潜在的なトレードオフを示している。図７は、成形されていないランダムなチョッピングパターン７０２及び例示的な成形されたチョッピングパターン７０４の周波数スペクトルを示す。エイリアス（aliased）ＥＭＩ周波数が周波数ｆａよりも小さい場合、例えば周波数ｆｅｍｉ１である場合、成形されたパターン７０４は、不成形パターン７０２の場合よりも、ＤＣ上に重なるノイズが小さくなる。しかし、エイリアスＥＭＩ周波数が周波数ｆａよりも大きい場合、例えば周波数ｆｅｍｉ２である場合、不成形パターン７０２は、成形されたパターン７０４よりもＤＣ上に重なるノイズが小さくなる。所望のチョッピングパターンを決定するためにシステムレベルの検討を使用することができる。
【００２７】
[0034]本発明は、例示的な設計を有するものとして説明されたが、本発明は、本開示の趣旨及び範囲内でさらに修正することができる。したがって、本出願は、本発明のさまざまな原理を用いる、本発明の任意の変形、使用、又は適合をカバーすることを意図している。
【図１】
2014530351.tif 000003
【図２】
2014530351.tif 000004
【図３】
2014530351.tif 000005
【図４】
2014530351.tif 000006
【図５Ａ】
2014530351.tif 000007
【図５Ｂ】
2014530351.tif 000008
【図６】
2014530351.tif 000009
【図７】
2014530351.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成26年6月9日(2014.6.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁干渉に耐性のある容量センサシステムであって、
第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、前記第１の可変キャパシタに結合された第１のコア出力、前記第２の可変キャパシタに結合された第２のコア出力、並びに前記第１の可変キャパシタ及び前記第２の可変キャパシタを結合する共通ノードを含む容量性コアと、
反転入力及び非反転入力を含む差動増幅器と、
前記第１のコア出力と前記差動増幅器の入力との間の第１の容量性パスと、
前記第２のコア出力と前記差動増幅器の入力との間の第２の容量性パスと、
ハイ状態及びロー状態を有し、前記第１及び第２のコア出力を前記差動増幅器の入力に結合するチョッピングシステムと
を備え、
前記チョッピングシステムが前記ハイ状態にあるとき、正のステップ電圧が前記容量性コアの前記共通ノードに印加され、前記チョッピングシステムは前記第１のコア出力を前記差動増幅器の前記反転入力に結合し、前記第２のコア出力を前記差動増幅器の前記非反転入力に結合し、
前記チョッピングシステムが前記ロー状態にあるとき、負のステップ電圧が前記容量性コアの前記共通ノードに印加され、前記チョッピングシステムは前記第１のコア出力を前記差動増幅器の前記非反転入力に結合し、前記第２のコア出力を前記差動増幅器の前記反転入力に結合する容量センサシステム。
【請求項２】
前記容量性コアは微小電気機械デバイスである請求項１に記載の容量センサシステム。
【請求項３】
前記第１の容量性パスは第１のボンドワイヤを含み、前記第２の容量性パスは第２のボンドワイヤを含む請求項２に記載の容量センサシステム。
【請求項４】
前記第１の容量性パスは第１のボンドワイヤを含み、前記第２の容量性パスは第２のボンドワイヤを含む請求項１に記載の容量センサシステム。
【請求項５】
前記チョッピングシステムは、関心のある周波数帯域から離れてノイズをスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられる請求項１に記載の容量センサシステム。
【請求項６】
前記チョッピングシステムは、広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられる請求項１に記載の容量センサシステム。
【請求項７】
前記チョッピングシステムはランダムな周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられる請求項６に記載の容量センサシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、容量性トランスデューサに関し、より具体的には、容量センサにおけ
る電磁干渉（電磁妨害）を克服するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]慣性センサにおいて、電磁障害や電磁干渉（ＥＭＩ）は、ボンドワイヤと近くの
ケーブル、プレート、回路などとの間の容量性結合に主に起因して発生する。図１はＥＭ
Ｉの例示的なシナリオを示す。図１において、微小電気機械構造（ＭＥＭＳ）デバイス１
０２は、複数のボンドワイヤ１０６によって特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１０４に
結合される。ボンドワイヤ１０６の近くにあるＥＭＩのソース１１０は、ＥＭＩソース１
１０とボンドワイヤ１０６との間の容量性結合１１０を生成する。容量性結合１１０を説
明するために図１にキャパシタの記号を示すが、これは電磁障害ソース１１０とボンドワ
イヤ１０６との間の寄生容量を示すにすぎず、実際の電気部品は存在しない。電圧源や増
幅器で駆動されるノードとは対照的に、容量性ノードを結合するボンドワイヤは、ＥＭＩ
に最も敏感である。
【０００３】
[0003]高密度な電子機器を有する環境では、多数のＥＭＩのソースがあることがあり、
これらのＥＭＩソースが重要になり得る。電磁障害はまた、実質的に単一の周波数で発生
することがあり、これがサンプリングの際にＤＣ成分に折り重なることがある。これらの
電磁障害は、所望のセンサ信号の上に加わって、所望の信号を消し去ることがある。例え
ば、所望の信号が１００ｋＨｚのクロック周波数でサンプリングされ、外乱が１００ｋＨ
ｚである場合、クロック周波数で外乱をサンプリングすると、それは実質的にＤＣ信号と
して現れ得る。したがって、特に容量性パスに沿って所望のセンサ信号をＥＭＩから保護
することが重要である。ＥＭＩの問題は、例えば自動車の電子的安定性のために使用され
るセンサのような、過酷な環境にある、安全を重視すべき用途において解決することが特
に重要である。
【０００４】
[0004]ＥＭＩに対する２つの一般的に使用される解決策は、金属でセンサを保護するこ
とと、差動アプローチを使用することである。金属でセンサを遮蔽することは、ＥＭＩを
生じ得る外部の電界を遮断するためにファラデーケージを作成することを含む。しかし、
遮蔽は、遮蔽するべき多くのセンサがあるか又は小さな領域に収まるように高密度の電子
機器が存在する場合には特に、大型で高価になることがある。
【０００５】
[0005]差動アプローチは、並列のワイヤ上の信号間の差分をとり、電磁障害を共通モー
ド信号として実質的に差し引くことができる。図２は差動アプローチを示す。例示的な差
動センサ及び増幅器システム２００は、ボンドワイヤ２６０、２６２によってＡＳＩＣ２
４０に結合されたＭＥＭＳデバイス２２０を含む。ボンドワイヤ２６０、２６２の各々は
外部のＥＭＩソース２１０からのＥＭＩを経験する。ＥＭＩソース２１０と第１のボンド
ワイヤ２６０との間には容量性結合２５０が存在して第１の外乱容量（disturbance capa
citance）Ｃ１を生成し、ＥＭＩソース２１０と第２のボンドワイヤ２６２との間には容
量性結合２５２が存在して第２の外乱容量Ｃ２を生成する。ＥＭＩソース２１０とボンド
ワイヤ２６０、２６２との間の外乱容量Ｃ１及びＣ２が同一である場合、電磁障害は、Ａ
ＳＩＣ２４０の差動増幅器のコモンモード阻止（common mode rejection）によって排除
される。しかし、所望の相殺を達成するためには、ＥＭＩソース２１０とボンドワイヤ２
６０、２６２との間の外乱容量Ｃ１及びＣ２は０．５％より大きな差で不整合となるべき
ではない。この整合は、実際には達成するのが非常に困難であることがある。整合が最初
に達成されたとしても、例えば自動車事故によって、ボンドワイヤは乱されたりゆがんだ
りする可能性がある。ボンドワイヤのこの動きはボンドワイヤ間に非対称性をもたらすこ
とがあり、これにより、外乱容量における望ましくない不整合が生じて、差動アプローチ
の有効性を低減する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
[0006]遮蔽及び差動回路の欠点のいくつかをも克服する、電磁干渉を低減するためのロ
バストな技術を有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0007]容量性コア、差動増幅器、第１及び第２の容量性パス、並びにチョッピングシス
テムを含む電磁干渉に耐性のある容量センサシステムが開示される。容量性コアは、第１
の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、第１の可変キャパシタに結合された第１のコ
ア出力、第２の可変キャパシタに結合された第２のコア出力、並びに第１の可変キャパシ
タ及び第２の可変キャパシタをを結合する共通ノードを含む。差動増幅器は反転入力と非
反転入力を含む。第１の容量性パス（capacitive path）は第１のコア出力を差動増幅器
の入力に結合し、第２の容量性パスは第２のコア出力を差動増幅器の入力に結合する。チ
ョッピングシステムは、ハイ状態及びロー状態を有し、第１及び第２のコア出力を差動増
幅器の入力に結合する。チョッピングシステムがハイ状態にあるとき、正のステップ電圧
が容量性コアの共通ノードに印加され、チョッピングシステムは第１のコア出力を差動増
幅器の反転入力に結合し、第２のコア出力を差動増幅器の非反転入力に結合する。チョッ
ピングシステムがロー状態にあるとき、負のステップ電圧が容量性コアの共通ノードに印
加され、チョッピングシステムは第１のコア出力を差動増幅器の非反転入力に結合し、第
２のコア出力を差動増幅器の反転入力に結合する。容量性コアは微小電気機械デバイスと
することができる。第１の容量性パスは第１のボンドワイヤを含むことができ、第２の容
量性パスは第２のボンドワイヤを含むことができる。チョッピングシステムは、関心のあ
る周波数帯域から離れてノイズをスミアし（分からなくし、smear）もしくは広い周波数
範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数において、又はランダムな周波
数において、ハイ状態とロー状態との間で変化させることができる。
【０００８】
[0008]第１及び第２の容量性コア、差動増幅器、第１及び第２の容量性パス、並びにチ
ョッピングシステムを含む、電磁干渉に耐性のある容量センサシステムが開示される。第
１の容量性コアは、第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、第１の可変キャパシ
タに結合された第１のコア入力、第２の可変キャパシタに結合された第２のコア入力、及
び第１の可変キャパシタと第２の可変キャパシタを結合する第１の共通ノードを含む。第
２の容量性コアは、第３の可変キャパシタ、第４の可変キャパシタ、第３の可変キャパシ
タに結合された第３のコア入力、第４の可変キャパシタに結合された第４のコア入力、及
び第３の可変キャパシタと第４の可変キャパシタを結合する第２の共通ノードを含む。差
動増幅器は、反転入力と非反転入力を含む。第１の容量性パスは、第１の共通ノード及び
差動増幅器の入力を結合し、第２の容量性パスは、第２の共通ノード及び差動増幅器の入
力を結合する。チョッピングシステムは、ハイ状態及びロー状態を有し、差動増幅器の入
力に第１及び第２の共通ノードを結合する。チョッピングシステムがハイ状態にあるとき
、正の基準電圧が第１の容量性コアの第１の入力及び第２の容量性コアの第４の入力に印
加され、負の基準電圧が第１の容量性コアの第２の入力及び第２の容量性コアの第３の入
力に印加され、チョッピングシステムは、第１の共通ノードを差動増幅器の反転入力に結
合し、第２の共通ノードを差動増幅器の非反転入力に結合し、負の基準電圧は正の基準電
圧と実質的に同じ大きさ及び反対の極性である。チョッピングシステムがロー状態にある
とき、負の基準電圧が第１の容量性コアの第１の入力及び第２の容量性コアの第４の入力
に印加され、正の基準電圧が第１の容量性コアの第２の入力及び第２の容量性コアの第３
の入力に印加され、チョッピングシステムは、第１の共通ノードを差動増幅器の非反転入
力に結合し、第２の共通のノードを差動増幅器の反転入力に結合する。第１及び第２の容
量性コアは微小電気機械デバイスの一部であってもよい。第１の容量性パスは第１のボン
ドワイヤを含むことができ、第２の容量性パスは第２のボンドワイヤを含むことができる
。チョッピングシステムは、関心のある周波数帯域から離れてノイズをスミアしもしくは
広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数において、又はラン
ダムな周波数において、ハイ状態とロー状態との間で変化させることができる。
【０００９】
[0009]電磁干渉に対して耐性のある容量センサシステムを製造する方法が開示される。
当該方法は、容量センサの第１の出力を差動増幅器の入力に切り替え可能に結合すること
、容量センサの第２の出力を差動増幅器の入力に切り替え可能に結合すること、ハイ状態
とロー状態との間でチョッピングシステムを切り替えて（flip）電磁干渉を制御すること
を含む。この方法では、差動増幅器は反転入力と非反転入力を含み、容量センサの第２の
出力は容量センサの第１の出力とは異なる。チョッピングシステムがハイ状態にあるとき
、当該方法はまた、第１の極性の電圧を容量センサの入力に印加すること、容量センサの
第１の出力を差動増幅器の反転入力に結合すること、容量センサの第２の出力を差動増幅
器の非反転入力に結合することを含む。チョッピングシステムがロー状態にあるとき、当
該方法はまた、第１の極性の電圧と実質的に同じ大きさで反対の極性を有する第２の極性
の電圧を容量センサの入力に印加すること、容量センサの第１の出力を差動増幅器の非反
転入力に結合すること、及び容量センサの第２の出力を差動増幅器の反転入力に結合する
ことを含む。切り替え（flipping）ステップは、関心のある周波数帯域から離れてノイズ
をスミアしもしくは広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数
において、又はランダムな周波数において、ハイ状態とロー状態との間でチョッピングシ
ステムを切り替えることを含む。
【００１０】
[0010]本方法は、第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、第１の可変キャパシ
タに結合された第１のコア出力、第２の可変キャパシタに結合された第２のコア出力、並
びに第１の可変キャパシタ及び第２の可変キャパシタを結合する共通ノードを有する容量
性コアを含む容量センサを使用して行うことができる。この場合、第１のコア出力は容量
センサの第１の出力であり、第２のコア出力は容量センサの第２の出力であり、共通ノー
ドは容量センサの入力である。当該方法はまた、第１及び第２の容量性コアを含む容量セ
ンサを使用して行うことができ、第１の容量性コアは、第１の可変キャパシタ、第２の可
変キャパシタ、第１の可変キャパシタに結合された第１のコア入力、第２の可変キャパシ
タに結合された第２のコア入力、並びに第１の可変キャパシタ及び第２の可変キャパシタ
を結合する第１の共通ノードを含み、第２の容量性コアは、第３の可変キャパシタ、第４
の可変キャパシタ、第３の可変キャパシタに結合された第３のコア入力、第４の可変キャ
パシタに結合された第４のコア入力、並びに第３の可変キャパシタ及び第４の可変キャパ
シタを結合する第２の共通ノードを含む。この場合、容量センサの第１の出力は第１の容
量性コアの第１の共通ノードであり、容量センサの第２の出力は第２の容量性コアの第２
の共通ノードであり、容量センサの入力は、第１の容量性コアの第１及び第２のコア入力
と第２の容量性コアの第３及び第４のコア入力のいずれかである。
【００１１】
[0011]本発明の上述の及び他の特徴及び目的、並びにそれらを達成する方法は、添付の
図面と併せて本発明の実施例についての以下の説明を参照することによって、より明らか
となり、本発明そのものがよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】[0012]ボンドワイヤと近くのケーブル、プレート、回路などとの間の容量性結合による電磁障害や電磁干渉（ＥＭＩ）を示す。
【図２】[0013]電磁障害を克服するための差動アプローチを示す。
【図３】[0014]電磁干渉を低減するためのロバストな手法を実施できる例示的な差動センサ及び増幅器システムを示す。
【図４】[0015]広い周波数範囲にわたって電磁干渉をスミアすることによって電磁干渉を低減するためにチョッピングパターンを使用することができる方法を示す。
【図５Ａ】[0016]チョッピング信号がロー状態にある場合の例示的なフルブリッジ差動容量性加速度計を示す。
【図５Ｂ】[0017]チョッピング信号がハイ状態にある場合の図５Ａの例示的なフルブリッジ差動加速度計を示す。
【図６】[0018]成形された（shaped）ノイズとしてＤＣから離れた２つのチョップ状態におけるオフセット差による誤差をスミアするために、成形されたチョッピングパターンを使用することができる方法を示す。
【図７】[0019]成形されたチョッピングパターンと不成形（unshaped）ランダムパターンとの間の潜在的なトレードオフを示す。
【００１３】
[0020]対応する参照文字は、いくつかの図面を通して対応する部分を示す。本明細書に
記載される例示はいくつかの形態で本発明の実施例を示しているが、以下に開示された実
施例は、網羅的なものであることを意図するものではなく、本発明の範囲を開示された厳
密な形態に限定するものとして解釈されることを意図するものでもない。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[0021]図３は、遮蔽及び差動回路のいくつかの欠点を克服する、電磁干渉を低減するた
めのロバストな技術を実施できる例示的な差動センサ及び増幅器システム３００を示す。
例示的な差動センサ及び増幅器システム３００は、ボンドワイヤ３６０、３６２によって
ＡＳＩＣ３４０に結合されたＭＥＭＳデバイス３２０を含む。ＡＳＩＣ３４０は、差動増
幅器３４２とチョッピングシステム３４４を含む。第１のボンドワイヤ３６０は、差動増
幅器３４２の一方の側にＭＥＭＳデバイス３２０の第１の出力Ｓ１を接続し、第２のボン
ドワイヤ３６２は、差動増幅器３４２の他方の側にＭＥＭＳデバイス３２０の第２の出力
を結合する。ＭＥＭＳデバイス３２０とＡＳＩＣ３４０との間にはさらなるボンドワイヤ
及び接続があってもよいが、明確にするために２つだけが示されている。ＡＳＩＣ３４０
はまた、追加の回路を含むことができる。ボンドワイヤ３６０、３６２の各々は外部のＥ
ＭＩソース３１０からのＥＭＩを経験する。ＥＭＩソース３１０と第１のボンドワイヤ３
６０との間には容量性結合３５０が存在して第１の外乱容量Ｃ１を生成し、ＥＭＩソース
３１０と第２のボンドワイヤ３６２との間には容量性結合３５２が存在して第２の外乱容
量Ｃ２を生成する。
【００１５】
[0022]図３の回路は、チョッピングシステム３４４が追加されたことを除いて、図２の
回路と同様である。チョッピングシステム３４４は、ＭＥＭＳデバイス３２０の出力Ｓ１
、Ｓ２と差動増幅器３４２の入力との間の接続を切り替え、これによりボンドワイヤ３６
０、３６２が実質的に切り替えられる。チョッピング信号Φｃｈがロー状態にある場合、
チョッピングシステム３４４のスイッチは、ＭＥＭＳデバイス３２０の第１の出力Ｓ１を
差動増幅器３４２の反転入力に結合し、ＭＥＭＳデバイス３２０の第２の出力Ｓ２を差動
増幅器３４２の非反転入力に結合する。このロー段階中、正のステップ電圧は、センサ３
２０を励起して増幅器３４２に流入する電荷が
Ｑｉｎ＝Ｖｓ＊（ΔＣｓｅｎｓｏｒ）＋ΔＶｅｍｃ＊（Ｃ１−Ｃ２）    （１）
となるようにするために使用される。ここで、Ｑｉｎは増幅器３４２に入力される電荷で
あり、Ｖｓはセンサ３２０を励起するステップ電圧であり、ΔＣｓｅｎｓｏｒはセンサ３
２０の可変キャパシタの差動電荷であり、ΔＶｅｍｃはボンドワイヤ３６０、３６２とＥ
ＭＩソース３１０との間の電磁干渉であり、Ｃ１及びＣ２は外乱容量である。
【００１６】
[0023]チョッピング信号Φｃｈがハイ状態にあるとき、チョッピングシステム３４４の
スイッチは、ＭＥＭＳデバイス３２０の第２の出力Ｓ２を差動増幅器３４２の反転入力に
結合し、ＭＥＭＳデバイス３２０の第１の出力Ｓ１を差動増幅器３４２の非反転入力に結
合する。このハイ段階中、負のステップ電圧は、センサ３２０を励起して増幅器３４２に
流入する電荷が
Ｑｉｎ＝（−Ｖｓ）＊（ΔＣｓｅｎｓｏｒ）＊（−１）＋ΔＶｅｍｃ＊（Ｃ１−Ｃ２）
＝Ｖｓ＊（ΔＣｓｅｎｓｏｒ）−ΔＶｅｍｃ＊（Ｃ１−Ｃ２）                （
２）
となるようにするために使用される。
【００１７】
[0024]式（１）及び式（２）を比較すると、センサ信号に起因する第１の項が同じであ
る一方で電磁妨害に起因する第２の項は符号が逆になっていることが分かる。したがって
、チョッピング信号がロー状態とハイ状態との間で前後に切り替わるとき、所望の信号は
変化しないが、電磁妨害の極性は前後に切り替わる。チョッピング信号のパターンを用い
ることによって、電磁干渉は、広い周波数範囲にわたってスミアしたり（分からなくする
、smear）、特定の周波数帯域から離れてスミアしたりすることができる。
【００１８】
[0025]電磁妨害の周波数がわからない場合は、ランダムパターンを使用して、広い周波
数範囲にわたって電磁妨害をスミアすることができる。図４は、広い周波数範囲にわたる
電磁妨害の不鮮明化（smearing）を示している。図４において、上部のプロットは時間領
域にあり、下部のプロットは周波数領域にある。図４Ａ１は時間領域でのチョッピング信
号Φｃｈのランダムパターンを示し、図４Ａ２は、周波数領域での広範囲にわたって広が
るランダムチョッピング信号を示す。ランダムチョッピングパターンのエネルギーは周波
数にわたって実質的に均等に分散される。図４Ｂ１は時間領域における例示的な正弦波電
磁妨害（ΔＶｅｍｃ）を示し、図４Ｂ２は周波数領域における例示的な電磁妨害を示す。
例示的な電磁妨害のエネルギーは単一周波数で集中される。図４Ｃ１は時間領域において
ランダムチョッピング信号を例示的な電磁妨害と合成した結果を示し、図４Ｃ２は周波数
領域においてこれら２つの信号を合成した結果を示す。得られた外乱信号のエネルギーは
、広い周波数範囲にわたって実質的に等しくスミアされる。
【００１９】
[0026]この手法は、電磁妨害を扱う際に大幅な改善を達成することができる。図４に示
すように、単一周波数における非常に大きな電磁妨害は広い周波数範囲にわたって分散さ
せることができる。例えば、１ＭＨｚのクロック周波数及び５０Ｈｚの所望の帯域幅を使
用することによって、この技術は、１０ｌｏｇ（１ＭＨｚ／（５０Ｈｚ×２））＝４０ｄ
Ｂの電磁ロバスト性の改善をもたらし、大きな利益をもたらす。
【００２０】
[0027]このＥＭＩロバスト性技術は任意の容量センサで使用することができ、例えば、
ジャイロスコープ、加速度計、圧力センサなどに用いることができる。図３は例示的なハ
ーフブリッジ（２キャパシタ）の容量センサを示す。図５は例示的なフルブリッジ（４キ
ャパシタ）の差動容量性加速度計を示す。図５Ａはチョッピング信号がロー状態にあると
きの結合を示し、図５Ｂはチョッピング信号がハイ状態にあるときの結合を示す。図３の
チョッピングシステム３４４のようなスイッチングシステムをここで用いることができる
が、各状態における結合は明瞭にするために明示的に示されている。電磁妨害と容量性結
合によって影響を受けるものは、ＭＥＭＳの容量性コア出力と増幅器入力との間のものの
ような容量性ノードであることに注意されたい。
【００２１】
[0028]図５の例示的な実施例では、ＭＥＭＳは、第１の容量性コアＣＡと第２の容量性
コアＣＢを含む。第１の容量性コアＣＡは、第１の共通ノードＭ１により結合された第１
の可変キャパシタＣＡ１及び第２の可変キャパシタＣＡ２を含む。第１の容量性コアＣＡ
はまた、第１の可変キャパシタＣＡ１に結合された第１の入力及び第２の可変キャパシタ
ＣＡ２に結合された第２の入力を含む。第２の容量性コアＣＢは、第２の共通ノードＭ２
によって結合された第３の可変キャパシタＣＢ１及び第４の可変キャパシタＣＢ２を含む
。第２の容量性コアＣＢはまた、第３の可変キャパシタＣＢ１に結合された第３の入力及
び第４の可変キャパシタＣＢ２に結合された第４の入力を含む。第１の容量性コアＣＡの
第１の共通のノードＭ１は上部ＭＥＭＳ出力に結合され、第２の容量性コアＣＢの第２の
共通ノードＭ２は下部ＭＥＭＳ出力に結合される。
【００２２】
[0029]図５Ａにおいて、チョッピング信号がロー状態にあるとき、上部ＭＥＭＳ出力が
ＡＳＩＣ増幅器の反転入力に結合され、下部ＭＥＭＳ出力がＡＳＩＣ増幅器の非反転入力
に結合される。また、チョッピング信号がロー状態にあるとき、正の基準電圧＋Ｖｓが第
１の容量性コアＣＡの第１の入力及び第２の容量性コアＣＢの第４の入力に印加され、負
の基準電圧−Ｖｓが第１の容量性コアＣＡの第２の入力及び第２の容量性コアＣＢの第３
の入力に印加される。正及び負の基準電圧は実質的に同じ大きさと逆の極性を有する。
【００２３】
[0030]図５Ｂにおいて、チョッピング信号がハイ状態にあるとき、ＭＥＭＳ出力と基準
電圧が切り替えられる（フリップされる）。チョッピング信号がハイ状態にあるとき、上
部ＭＥＭＳ出力がＡＳＩＣ増幅器の非反転入力に結合され、下部ＭＥＭＳ出力がＡＳＩＣ
増幅器の反転入力に結合される。また、チョッピング信号がハイ状態にあるとき、負の基
準電圧−Ｖｓが第１の容量性コアＣＡの第１の入力及び第２の容量性コアＣＢの第４の入
力に印加され、正の基準電圧＋Ｖｓが第１の容量性コアＣＡの第２の入力及び第２の容量
性コアＣＢの第３の入力に印加される。
【００２４】
[0031]チョッピングパターンの形状は、ＥＭＩのロバスト性とＭＥＭＳの非理想性に対
する許容範囲との間の正しい妥協を達成するように選択することができる。いくつかのケ
ースでは、図４Ａ１及び４Ａ２に示すような平坦なスペクトルのチョッピングシーケンス
は、最良の選択ではないかもしれない。例えば、センサの非理想性（例えば、寄生容量）
により、チョップ信号のロー段階及びハイ段階のオフセットが異なる場合には、成形され
た（shaped）チョッピングシーケンスを使用する方がよいかもしれない。単純なランダム
チョッピングは、オフセット差をホワイトノイズとしてスミアして、ＤＣ付近にある程度
ノイズを入れ、ノイズフロアを上昇させる。成形されたチョッピングシーケンスは、特定
の周波数帯域から離れてノイズをスミアするために使用することができる。例えば、関心
のある周波数帯域がＤＣ又は低周波数にある場合、ノイズをより高い周波数へとスミアす
る成形されたチョッピングシーケンスを使用することができる。
【００２５】
[0032]図６は、成形されたノイズとしてＤＣから離れた２つのチョップ状態におけるオ
フセット差による誤差をスミアするために、成形されたチョッピングパターンを使用する
ことができる方法を示す。図６Ａは周波数領域におけるチョッピングパターンを示す。チ
ョッピングパターンは、ＤＣ又は低周波成分を実質的に有しておらず、より高い周波数で
上昇を開始する。図６Ｂは、高チョップ状態と低チョップ状態との間のオフセットの差に
よるＤＣ誤差を示す。図６Ｃは、図６Ａの成形されたチョッピングパターンを図６Ｂのオ
フセット差によるＤＣ誤差と組み合わせた周波数領域での結果を示す。オフセット差によ
る出力の誤差は、ＤＣ及び低周波数、関心のある周波数帯域から離れ、より高い周波数へ
のノイズとして成形される。
【００２６】
[0033]しかし、成形されたパターンを使用すると、特定のＥＭＩ周波数について、少し
大きなＥＭＩ誘起妨害が生じる可能性がある。図７は、成形されたチョッピングパターン
と成形されないランダムパターンとの間の潜在的なトレードオフを示している。図７は、
成形されていないランダムなチョッピングパターン７０２及び例示的な成形されたチョッ
ピングパターン７０４の周波数スペクトルを示す。エイリアス（aliased）ＥＭＩ周波数
が周波数ｆａよりも小さい場合、例えば周波数ｆｅｍｉ１である場合、成形されたパター
ン７０４は、不成形パターン７０２の場合よりも、ＤＣ上に重なるノイズが小さくなる。
しかし、エイリアスＥＭＩ周波数が周波数ｆａよりも大きい場合、例えば周波数ｆｅｍｉ
２である場合、不成形パターン７０２は、成形されたパターン７０４よりもＤＣ上に重な
るノイズが小さくなる。所望のチョッピングパターンを決定するためにシステムレベルの
検討を使用することができる。
【００２７】
[0034]本発明は、例示的な設計を有するものとして説明されたが、本発明は、本開示の
趣旨及び範囲内でさらに修正することができる。したがって、本出願は、本発明のさまざ
まな原理を用いる、本発明の任意の変形、使用、又は適合をカバーすることを意図してい
る。
【００２８】
本発明は、電磁干渉に耐性のある容量センサシステムであって、
第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、前記第１の可変キャパシタに結合された第１のコア入力、前記第２の可変キャパシタに結合された第２のコア入力、並びに前記第１の可変キャパシタ及び前記第２の可変キャパシタを結合する第１の共通のノードを含む第１の容量性コアと、
第３の可変キャパシタ、第４の可変キャパシタ、前記第３の可変キャパシタに結合された第３のコア入力、前記第４の可変キャパシタに結合された第４のコア入力、並びに前記第３の可変キャパシタ及び前記第４の可変キャパシタを結合する第２の共通ノードを含む第２の容量性コアと、
反転入力及び非反転入力を含む差動増幅器と、
前記第１の共通ノードと前記差動増幅器の入力との間の第１の容量性パスと、
前記第２の共通ノードと前記差動増幅器の入力との間の第２の容量性パスと、
ハイ状態及びロー状態を有し、前記第１及び第２の共通ノードを前記差動増幅器の入力に結合するチョッピングシステムと
を備え、
前記チョッピングシステムがハイ状態にあるとき、正の基準電圧が前記第１の容量性コアの前記第１の入力及び前記第２の容量性コアの前記第４の入力に印加され、負の基準電圧が前記第１の容量性コアの前記第２の入力及び前記第２の容量性コアの前記第３の入力に印加され、前記チョッピングシステムは、前記第１の共通ノードを前記差動増幅器の前記反転入力に結合し、前記第２の共通ノードを前記差動増幅器の前記非反転入力に結合し、前記負の基準電圧は前記正の基準電圧と実質的に同じ大きさ及び反対の極性であり、
前記チョッピングシステムがロー状態にあるとき、負の基準電圧が前記第１の容量性コアの前記第１の入力及び前記第２の容量性コアの前記第４の入力に印加され、正の基準電圧が前記第１の容量性コアの前記第２の入力及び前記第２の容量性コアの前記第３の入力に印加され、前記チョッピングシステムは、前記第１の共通ノードを前記差動増幅器の前記非反転入力に結合し、前記第２の共通のノードを前記差動増幅器の前記反転入力に結合する容量センサシステムであってもよい。
【００２９】
本発明において、前記第１及び第２の容量性コアは微小電気機械デバイスの一部であってもよい。
【００３０】
本発明において、前記第１の容量性パスは第１のボンドワイヤを含み、前記第２の容量性パスは第２のボンドワイヤを含んでもよい。
【００３１】
本発明において、前記第１の容量性パスは第１のボンドワイヤを含み、前記第２の容量性パスは第２のボンドワイヤを含んでもよい。
【００３２】
本発明において、前記チョッピングシステムは、関心のある周波数帯域から離れてノイズをスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられてもよい。
【００３３】
本発明において、前記チョッピングシステムは、広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられてもよい。
【００３４】
本発明において、前記チョッピングシステムはランダムな周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で変化させられてもよい。
【００３５】
本発明は、電磁干渉に耐性のある容量センサシステムを製造する方法であって、
容量センサの第１の出力を差動増幅器の入力に切り替え可能に結合するステップであって、前記差動増幅器は反転入力及び非反転入力を含む、ステップと、
前記容量センサの第２の出力を前記差動増幅器の入力に切り替え可能に結合するステップであって、前記容量センサの前記第２の出力は前記容量センサの前記第１の出力とは異なる、ステップと、
ハイ状態とロー状態との間でチョッピングシステムを切り替えて電磁干渉を制御するステップと、
前記チョッピングシステムが前記ハイ状態にあるとき、
第１の極性の電圧を前記容量センサの入力に印加するステップと、
前記容量センサの前記第１の出力を前記差動増幅器の前記反転入力に結合するステッ
プと、
前記容量センサの前記第２の出力を前記差動増幅器の前記非反転入力に結合するステップと、
前記チョッピングシステムが前記ロー状態にあるとき、
前記第１の極性の電圧と実質的に同じ大きさと反対の極性を有する第２の極性の電圧を前記容量センサの入力に印加するステップと、
前記容量センサの前記第１の出力を前記差動増幅器の前記非反転入力に結合するステップと、
前記容量センサの前記第２の出力を前記差動増幅器の前記反転入力に結合するステップと
を含む方法であってもよい。
【００３６】
本発明において、前記切り替えるステップは、関心のある周波数帯域から離れてノイズをスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で前記チョッピングシステムを切り替えるステップを含んでもよい。
【００３７】
本発明において、前記切り替えるステップは、広い周波数範囲にわたってノイズを実質的に均等にスミアする周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で前記チョッピングシステムを切り替えるステップを含んでもよい。
【００３８】
本発明において、前記切り替えるステップは、ランダムな周波数で前記ハイ状態と前記ロー状態との間で前記チョッピングシステムを切り替えるステップを含んでもよい。
【００３９】
本発明において、前記容量センサは、第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、前記第１の可変キャパシタに結合された第１のコア出力、前記第２の可変キャパシタに結合された第２のコア出力、並びに前記第１の可変キャパシタ及び前記第２の可変キャパシタを結合する共通ノードを含む容量性コアを含み、前記第１のコア出力は前記容量センサの前記第１の出力であり、前記第２のコア出力は前記容量センサの前記第２の出力であり、前記共通ノードは前記容量センサの入力であってもよい。
【００４０】
本発明において、前記容量センサは第１の容量性コア及び第２の容量性コアを含み、
前記第１の容量性コアは、第１の可変キャパシタ、第２の可変キャパシタ、前記第１の可変キャパシタに結合された第１のコア入力、前記第２の可変キャパシタに結合された第２のコア入力、並びに前記第１の可変キャパシタ及び前記第２の可変キャパシタを結合する第１の共通ノードを含み、
前記第２の容量性コアは、第３の可変キャパシタ、第４の可変キャパシタ、前記第３の可変キャパシタに結合された第３のコア入力、前記第４の可変キャパシタに結合された第４のコア入力、並びに前記第３の可変キャパシタ及び前記第４の可変キャパシタを結合する第２の共通ノードを含み、
前記容量センサの前記第１の出力は前記第１の容量性コアの前記第１の共通ノードであり、前記容量センサの前記第２の出力は前記第２の容量性コアの前記第２の共通ノードであり、前記容量センサの入力は、前記第１の容量性コアの前記第１及び第２のコア入力並びに前記第２の容量性コアの前記第３及び第４のコア入力のいずれかであってもよい。
【国際調査報告】
2014530351.tif 000011
2014530351.tif 000012