JPS63261178A - 静電容量測定回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、可変コンデンサの静電容量（キャパシタン
ス）を測定する方法と装置、及び相対湿度によって静電
容量が変化する容量型センサを用いて相対湿度を測定す
る方法と装置に関する。またこの発明は、測定すべき変
数の大きさと静電容量が関連している容量型センサを用
いてその他の変数を測定する方法と装置に関する。

（従来の技術） 容量型湿度センサは例えば、第１の導電性極板領域をチ
ップ−にに施し、次にこの領域を誘電体となるポリイミ
ド等所望厚のポリマーで覆い、その後導電層としての第
２極板を誘電体上に被着することによって構成し得る。

ポリイミドは薄い吸水性の誘電膜を形成し、この膜の誘
電率が吸収した水の濃度に比例して変化するため、組合
せ全体の静電容量が周囲域の湿度によって変化する。

容量型センサの別の例は、容量型圧力トランスデユーサ
である。これらトランスデユーサの現在における−態様
では、２枚のシリコン極板間に接着されるシリコンダイ
アフラムを用い、ダイアフラムの各側にコンデンサを形
成する。これらのコンデンサが、ダイアフラムの両側間
での圧力差に応答する。この構造における両極板間の誘
電体は通例シリコーン油である。

上記の容量型圧力トランスデユーサと容量型湿度センサ
どちらにおいでも、可能なら、測定回路と容量型センサ
を単一のモノリシックシリコンチップ上に集積化するの
が望ましいことが認められている。こうずれば、回路の
センサ及びその他の容量要素は同一の極板寸法及び同一
の誘電体厚を有するように、同時に基板上へ容易に構成
できる。

これは全てのコンデンサに同一の特性を与え１、測定回
路を電気的に微調整したりあるいは極板の寸法を物理的
に微調整して特性の整合を図る必要なく、それらのコン
デンサを測定回路内に組み込むのを可能とする。また、
単一チップを使うことによって、回路の構成部品が同一
の周囲条件下に置かれるため、湿度及び圧力の変化は同
し量だけ回路の構成部品に彫金を及ぼず。測定回路の構
成部品全てをηトーヂソブ上に配置可能であれば、測定
回路の各要素をできるだけ類（Ｐさせ、それらをできる
だけセンサに近代し１て配置し、各要素がセンサと非常
によくイ以た特性を持ち口つセンサと極く近い周囲条件
下に置かれろようにするのが望ましいことが認、められ
ている。

一般に、静電容量の４１１１定に関する従来の技術では
抵抗を用いる必要がある。大きく正確な抵抗が、チップ
上でかなりの領域を必要とすることは周知である。また
、抵抗によって回路に導入されるパラメータの精度に対
する依存を避けることが望ましい。同しく、半うｎ体デ
バイスやマチルハイブレークによって導入される変化も
避りることか望ましい。こうした理由から、コンデンサ
のパラメータ値と外部の標で１（電圧に依存する必要だ
けとなれば、幾つかの改善が見込まれる。その−っの改
善は、製造コストを最少叩化することである。この利点
は、半導体製造手順のマスク及びレイアラＩ・の段階で
コンデンサが整合可能となる事実、及びこれら要素を厳
密に整合できるｉｉ７能性（ＪＬ、較正の必要なく交換
可能に使えるように全てが同一のスパンと同一のズレを
有する最終ユニットを与えねばならないときでも微調整
を不要にする事実を考慮すれば明らかであろう。

Ａ、　／　Ｄ変換器の分野では、切換式コンデンサ回路
が知られている。このような切換回路は、Ｆｒｅｄｅｒ
ｉｋｓｅｎ著の刊行物［−直観的ＩＣＣＭＯ３の発展」
、１０３〜１０５真に示されている方法で増巾器回路の
入力を変えるのに有効な切換式コンデンサを用いている
。こうして回路には、ＣＭＯＳアナログスイッチ、電圧
利得用の一連の容量結合形論理インバータ、及び一部が
電圧を電荷に変換し、残りが変換器間を結合するコンデ
ンサから成るサンプルデータ比較器が含まれている。」
二記特定の回路は静電容量の測定に有用でないが、一連
の容量結合形論理イン云−夕を使って切換式コンデンサ
回路のための増巾を行うことを示しており、回路内のコ
ンデンサは論理インバータをショー１゜させることによ
ってゼロ化される。この手法は、本発明の切換式コンデ
ンサ回路の一態様で、増巾及びコンデンサの設定を行・
うのに使われる。

（発明が解決しよ・うとする課題） この発明のｌ」的は、改良された静電容量測定回路、特
に小寸法のモノリシックシリ′：ｌンチソプ−１−に容
易に隼積可能な′：：１ンデンザ及びその他の回路部品
だけを用いて容量形センサの静電容量を測定し、較正ｌ
］的のために回路部品を物理的に微調整したりあるいは
付属の測定回路を電気的に微調整する必要がないように
した静電容量測定回路を提供するごとムこある。

この発明の別の目的は、測定回路の全てのコンデンサを
同一・のシリηンチソプ上に築積するのが不可能であっ
ても最少の微調整で済むように、容量形湿度センザの静
電容量を測定する測定回路を提供することにある。

更にこの発明の目的は、温度または湿度の変化によるド
リフトの影響を測定が受シリないようになす方法で、容
量形湿度センザの静電容量を測定する測定回路を稈１ｊ
することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の実施においては、測定すべき変数の大きざによ
って静電容量が変化す容量型センサなどの可変コンデン
サの静電容量を測定する方法及び回路が提供される。本
回路は、２位相の測定サイクルの第１位相中可変出力電
圧に充電される少なくとも１つの標準コンデンサを必要
とする一方、可変コンデンサは固定電圧に充電される。

両コンデンサは、測定サイクルの第２位相中ループの形
で接続される。両コンデンサ間の接合点における電位が
所定のバランス値と比較され、出力電圧がバランス値か
らのずれをゼロに減少させる方向に反復して変化される
結果、出力電圧は可変コンデンサの静電容量に比例する
。

未知の電位と標準電位両方のための差動入力を有するＡ
／Ｄ変換器と、デジタル指示計を用いて出力電圧をデジ
タル読取値に変換したい場合、本発明は、測定される湿
度の範囲に関する出力電圧のフルスケールレンジとゼロ
偏差が前記指示計ｊ−にフルスケール指示を発生ずるよ
うに、各入力を前記Ａ／Ｄ変換器に適応させる回路を含
むことができる。この回路は、サンプリング電圧から給
電され且つ電位引出タップで接続された電位差計で、Ａ
／Ｄ変換器の入力がゼロ偏差に適応するように、前記タ
ップに位置に依存して未知入力の大きさを変化させる電
位を供給する電位差計を含む。また、前記タップから及
び前記サンプリング電圧間の分圧器から給電される回路
網も含まれ、この回路網の出力が標準入力を変更して、
フルスケールレンジを表す出力電圧の変化にＡ、　／　
Ｄ変換器を適応させる。電位差計のタップは、各コンデ
ンサが集積回路技術によって同一基板上に同時に作製さ
れる場合のように、標準コンデンサが未知の可変コンデ
ンサと正確に整合しないとき、必要な調整を与えられる
ように調整可能でなければならない。各コンデンサが正
確に等しく製造されれば、微調整が必要なくなるので、
タップは固定点とし得る。

可変コンデンサが湿度センサである場合、本発明の一態
様では２つのコンデンサを完全に整合さするために、両
コンデンサを集積回路技術によって、同一の素材を用い
同時に同一基板上に製造する。標準コンデンサの静電容
量が湿度の変化によって変わるのを防ぐため、標準コン
デンサは測定すべき湿度を持つ雰囲気への露出から密封
する必要がある。

（実施例） 第１図は、この発明の方法及び装置両方の動作を例示す
るための簡略化回路を示す。第１図では、相対湿度を測
定する容量型センサ等の可変コンデンサＣＸがノード１
０で、固定つまり標準コンデンサＣ１と直列に接続され
ている。２つの重複しない位相を持つ測定サイクルの第
１位相では、図示のようにスイッチ１と２が閉じられ、
固定電圧源３がコンデンサＣＸの両端に電圧■、を与え
、可変電圧源４がコンデンサＣｒの両端に電圧Ｖ。

を与える。測定サイクルの第２位相では、スイッチ６を
閉じスイッチ１と２を開くことによって、両コンデンサ
ＣＸとＣ，、が電圧源５から供給される固定のサンプリ
ング電圧と直列に接続される。

両コンデンサ内の電荷が再配分可能となり、高インピー
ダンス検出器７が、両コンデンサ間の接合点に存在する
電位とこの電位用の所定バランス値との差を検出つまり
測定する。第１図において、その差はノード１ｏの電位
と標準点８での電位すなわちバランス値との差を見て取
ることによって検出つまり測定される。ずれまたは差が
ゼロでないと、可変電圧源４が変更される。図示の回路
では、この変更が検出されたずれと対応した方向になさ
れる。すなわち、ノード１ｏと標準点８の間の電位差が
負であれば、電圧Ｖ０が減少される。

標準点８は多くの電位のうち任意のものとし得る；例え
ば、回路の共通電位または電圧源５両端での電圧降下の
半分を表わす電位で、前者は抵抗Ｒ１とＲ２の除去を可
能とし、後者では両抵抗が等しい値となる。

検出器７によって検出される所定のバランス値からの差
のズレがゼロに保たれていれば、電圧Ｖ０の値はコンデ
ンサｃＸの静電容量の変化値に比例することが認められ
る。これは、ｃＸの静電容量が第１位相での充電後にそ
れが保持している電荷に生じる変化に伴って変化するに
つれ、Ｃ。

での充電電圧も変化してそれが保持する電荷を同様に変
化させるという事実に基づいている。次いで、第２位相
中に発生ずる電荷の再配分が、検出器によって検出され
るずれの減少が起きるように、２つのコンデンサの両端
に生じる電圧間で変化したバランスを与える。適正な方
向での多数回の反復後、ずれはゼロに達し、ＶｏがｃＸ
の静電容量を表わす測定値となる。

第１図の回路の適正な動作は、サンプリング電圧がある
一定の極性または大きさであることを必要とせず、事実
」二、大きさはゼロでもよく、あるいは出力電圧■。が
ある一定の極性であることを必要としない。サンプリン
グ電圧の極性反転はＶｏと測定される可変静電容量との
間の関係を逆にするだけで、一方Ｖ。の極性は一般に他
のパラメータの関数となる。

第２図に、第１図に示した動作の原理に従う回路がより
詳しく示しである。第２図において、第１図の標準点８
は回路の共通電位で、検出器７は縦続接続された論理イ
ンバータと、付設のスイッチを含む積分増＋１１器とか
ら成る。バランスの指示として検出器７によって検出さ
れる標準コンデンサを横切る所定の電位差が、インバー
タのトリガー電圧となり、それらの入力と出力のショー
トによって確立される。このトリガー電圧は、Ｃ１が充
電される電圧つまりＶｔでもある。第２図において、容
量型湿度センサとなり得る可変コンデンサＣ８は、標準
コンデンサＣｒと追加の標準コンデンサＣ８を含む回路
網に、各コンデンサの一端子をノード１０へ接続するこ
とによって接続されている。これらコンデンサの他端子
は、スイッチング素子１１〜１６を介して、出力電圧■
。または所定のザンプリング電圧■９または回路の共通
電位へ選択的に接続される。この回路の目的上、スイッ
チング素子１１〜１５はＭＯ３ｈランジスタスイソチ、
スイッチング素子１６はＣＭＯＳスイッチである。」二
記のコンデンサの他に、第１図中Ｃ，で表わした漂遊静
電容量も勿論存在する。

後で説明されるように、漂遊静電容量は２次的な影響し
か及ぼさない。

この回路の動作時、測定サイクルの２位相をタイミング
調整するのに使われる２相クロツクの第１の設定位相φ
１中には、スイッチ１１．１３及びＩ６が閉じられ、残
りのスイッチが開かれる。

第５図に示し後で説明するこのクロックは、第１位相中
に両極性Ｐ１とＰ２−１及び第２のサンプリング位相φ
２中に両極性Ｐ２とＰ２−を持つ２つの重複しないクロ
ック信号を与える。第２のサンプリング位相中は、スイ
ッチ１２．１４及び１５が閉じられ、スイッチ１１．１
３及び１６が開かれる。

第２図に示すように、ノード１０は一つの論理インバー
タ２０に接続され、この論理インバータ２０はコンデン
サ２２を介して別の論理インバータ２４に接続されてい
る。論理インバータ２４の出力は更に別の論理インバー
タとＣＭＯＳスイッチ２８を介して端子２９に接続され
、端子２９はコンデンサ３０を介して回路の共通電位に
接続する。更に端子２９は図示のごとく、ＣＭＯＳスイ
ッチ３２を介して演算用１１器３４の反転入力に接続さ
れている。増巾器３４は積分項中回路を形成するように
、その負帰還回路中にコンデンサ３６を有する。また図
示のごとく、増巾器の非反転入力は電圧■８に接続され
、増巾器の出力が出力電圧■。となり、出力電圧Ｖ。ば
スイッチ１６の片側に帰還される点共に、Ｃ工の測定静
電容量値の読取値を得るのに使える任意の指示または記
録回路にも与えられる。

スイッチ２８と３２は、設定位相中３２が閉じて２８が
開くようにクロック信号によって駆動され、この間、増
巾器３４の反転入力の電位が非反転入力の電位Ｖａと等
しくなるまで、コンデンサ３０の電荷が増１１器３４の
出力、従ってコンデンサ３６の電荷を変化させる。これ
ば、連続するサンプリング位相中にコンデンサ３０が充
電される各電圧の積分値である出力Ｖ０を与える。サン
プリング位相中、スイッチ２８と３２は逆にされ、設定
位相からザンプリング位相への切換時に発生ずるノード
１０ての電位に比例した論理インバー夕の出力からコン
デンサ３０が充電される。

クロックのタイミングとコンデンサＣＸ、Ｃ０及びＣｒ
のパラメータは、これらのコンデンサが各位相中それら
に印加される電圧に適した全電荷を得られるようなもの
でなりればならないことが明らかであろう。つまり、接
続の切換によって起きる過渡状態は、回路が再び切り換
る前に設定可能とされる。

第３図は、論理インバータ２０用に使用可能な回路を示
す。この回路では、ＣＭＯ３増１１器４０と４２が増巾
及び論理的反転を与える一方、測定サイクルの設定位相
巾必要に応じてＣＭＯＳスイッチ４４と４６が増巾器の
入力と出力をショートさせ、ノード１０を固定電位に保
つ。この場合、固定電位はトリガー電圧Ｖ１として知ら
れる論理インバータのしきい電位で、第１位相中はＶ　
、、　１である。スイッチ４４と４６は、測定サイクル
の設定位相中インバータの入力と出力をショートさせる
ために閉じられ、測定サイクルのザンブリング位相中開
かれる結果、設定位相の間ノード１０はしきい電位Ｖ　
１．　ｌにクランプされ、またザンプリング位相の間ノ
ード１０の電位Ｖ１２は浮動可能となる。

勿論、論理インバータ２０はサンプリング位相中顕著な
電流を引き込まず、設定位相中はコンデンサを充電して
ノード１０をｖｔｌに保つのに必要な電流を供給する。

＼他の論理インバータ２２と２４は、第３図のインバー
タ２０について示したのと同様に構成できる。インバー
タ２２〜２４も設定位相中それらの出力に連結される入
力を有し；またコンデンサ２２等のコンデンサをインバ
ータ間に設け、個々のしきい電圧間の差を許容すること
も可能である。第２図に段間コンデンサ２２だけを示し
たのは、残りの各段間に同様のコンデンサを含める必要
は必ずしもないからである。上述したような論理インパ
ークの特性として、これらインバータの出力は、しきい
電圧からの入力のずれが正方向のとき低くなり、ずれが
反対方向のとき高くなる。この特性は、Ｖｏ対ＶＳの関
係を示した第４図のインバータ伝達特性に例示しである
。

入ノコのトリガー電圧■、からのわずかな変化でも著し
い出力の変化を生じる点に注意されたい。特性曲線の険
しい部分の傾斜は、その素子が製造される特定の方法に
依存する。

第５図は、測定サイクルの２位相をタイミグ調整するの
に使用可能なりロック回路を示す。このクロック回路で
は、非重複式のクロックモジュール５０がマルチバイブ
レーク５３から入力を受は取るＤフロップ５２によって
駆動される。図示のように、クロックモジュールの出力
は正負の電位φＩ、ＰＩおよびＰ、−と、正負の電位φ
２、Ｐ２及びＰ２−である。

第２図の測定回路の動作は、２つの位相φ１とφ２中の
コンデンサＣ，、Ｃｏ及びＣｒにおける電荷を調べるこ
とによって検討できる。

φ１中ノード１０の電圧はトリガー電圧Ｖ　ｙ　１に保
持される一方、φ２中ノード１０の電圧は回路網内の各
コンデンサでの電荷によって決まる電圧Ｖｔ２で浮動可
能となる。各コンデンサでの電荷は次の通り： φ１の肝　　　　　　　φ２の場合 ０−＋　＝ＣＸ（Ｖｔｌ）　　　　　　　　　ＱＸｚ＝
ＣＸ（Ｖ、−Ｖｔ２）Ｑ、、−Ｃ８（Ｖ、ｌＶｔ＋）　
　　　Ｑ。２＝Ｃ０（Ｖ＋ｚ）Ｑ、、＝Ｃ，（Ｖｏ−Ｖ
ｔｌ）　　　　Ｑ、Ｚ＝Ｃ，（−Ｖｔ２）Ｑｙ１＝Ｃｙ
（Ｖ＋１）　　　　　　Ｑｙｚ＝Ｃｙ（Ｖｔｚ）。

もしΔロー０□−０□及びΔＶｖ＝Ｖ＋、ｚ〜Ｖｔｌ、
であるならば、Ａ単一ＣＸ（−ＶＳ＋ΔＶｔ）、ΔＱｏ
＝Ｃ０（Ｖｓ＋Δνｔ）、 ΔＱ、−Ｃｒ（１１０＋ΔＶｔ　）、 及びΔＱｙ、−Ｃｙ（ΔＶ、）。

ノード１０への電荷の総変化はゼロでなければならない
から、 Δ０、＋Δ０゜→−ΔＧ、＋ΔＱｙ＝Ｏｉ及びもしΣＣ
＝ＣＸ＋Ｃ６＋ＣＸ＋Ｃｙ、であるならば、ＣＸ（−Ｖ
ｓ＋ΔＶｔ）　＋ｃｏ（ｖｓ＋ΔＶｔ）＋Ｃｘ（Ｖｏ＋
Δｖｔ）＋ｃｙ（Δνｔ）−〇、及び　ＶＳ（Ｃ０−Ｃ
，）　＋　Ｃ，Ｖ０＋ΣＣΔｖ、−０゜ΔＶ　ｔ−０が
バランスとして定義される回路網条件で、■。がＣＸの
測定値であることがら：従って、出力電圧は可変静電容
量ＣＸと、静電容量Ｃ０によって決まる定数偏差とを加
えたものの関数であることが理解できよう。

出力電圧とＣＸの指示値との関係を片寄らせるのが望ま
しくなければ、コンデンサＣ８とそれに付設のスイッチ
ング素子を省けることは当業者にとって明らかであろう
。

また漂遊静電容量Ｃｙの値は、」二記で得られたＣＸと
７０間の最終的な関係のどの項にも現われていないので
、可変コンデンサで得られる測定値の精度に影響を及ぼ
さないことも明らかであろう。

しかし、漂遊静電容量Ｃｙは感度に対して影響を及ぼず
。

ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴスイッチ４４と４６は、片側のゲート
と他側のソース及びドレインとの間にそれぞれ静電容量
を有する。これらの静電容量は誤差をもたらすが、かか
る誤差はそのスイッチング動作のために小型のトランジ
スタを用い旧っそれらを厳密に整合させるように同しサ
イズとすることによって最小限とし得る。

増巾器３４の非反転入力に加わる電圧ｖ８ば、ＶＳ／２
にはソ等しくずべきである。Ｖａがｖ３／２と正確に等
しくないと、積分出力Ｖ。において、低逓倍と比べ高逓
倍で逓倍サイズにわずがな非対称性が導入されるという
影響がでる。

前述したように、可変コンデンサが容量型湿度センサで
ある場合は、測定回路網内の全てのコンデンサを同一基
板上に設け、それらのコンデンサを同一の極板面積及び
同一の誘電率で構成するのが望ましい。極板の面積はフ
ォトリソグラフィで慎重に制御できるが、誘電体の厚さ
従って誘電率は容易に制御できない。しかし、回路網内
の全てのコンデンサについて同一の物質を用いる周知の
技術によれば、０．１％以内に整合可能である。尚、コ
ンデンサＣ８とＣｒは湿気から完全に密封するよう注意
しなければならないが、ｃＸは湿気の変化に対する迅速
な応答を得るため、湿気を素早く誘電体へと浸透可能で
なければならない。

コンデンサＣＸは、周知の集積回路技術を用いて、第６
図に示すように構成し得る。この構造では、ｎ形シリコ
ンがコンデンサの一方の極板を形成するＰ十拡散領域を
存する。この極板は、フィールド酸化物によって限定さ
れたポリイミド誘電体で覆われている。誘電体上には、
コンデンサの第２の極板としてアルミ箔が被着されてい
る。このアルミ箔は、それを覆っているポリイミドの保
護コーティングを浸透した後、水分子が周囲の雰囲気か
ら前誘電体へ浸透可能とするように充分に薄くする。

コンデンサＣ８とＣｒは第７図に示すように構成でき、
第２の電極が第６図に示した薄いアルミ箔に代わる厚い
アルミ極板で構成されている。これらのコンデンサは周
囲雰囲気の湿度の変化に感応してはならないので、厚い
アルミ極板はこれらコンデンサの誘電体へ水分子が浸透
するのを防ぐように形成される。第６図に示したポリイ
ミドの保護コーティングは、頂部の極板を汚染から保護
　ｑ する必要がないため省略できる。

コンデンサＣ０とＣＸを周囲雰囲気の湿度の変化から保
護するのが不可能な用途においては、周囲雰囲気の湿度
の変化によって誘電率が変化するような誘電体を持たな
いように、別の方法でこれらのコンデンサを構成するの
が望ましい。この種の場合、コンデンサＣ６とＣｒは第
８図に示すように構成できる。この構成では、誘電体と
して５ｉＯ７を用いるのが有利なことが見い出されてい
る。

この酸化物は湿気を感知しないので、コンデンサを水藤
気から密］：；１する必要がない。但し、ＣＸで用いて
いるのと異なる誘電体の使用は勿論、温度及び湿度の変
化に伴ってコンデンサＣ８とＣｒがＣＸを追跡するのを
不能とする。更に重要なこととして、コンデンサＣＸが
Ｃ６及びＣｒと同一の時点及び同一のプロセスで製造さ
れず、従って正確に同一の特性を有する見込めないため
、各測定回路が異なるスパン及びレンジの大きさを有す
るようになる。

一例として、ＣＸば８〜ｌ　Ｏｐｆ、　Ｃ０は７ｐｆ。

ｔ　　（５ Ｃ，、ば３ｐｆの各個とし得る。電圧■８は２．５ボル
トとでき、■、は通常約２．５ボルトである。■５は５
〜６ボルトの範囲とし得る。測定サイクルの各位相中に
コンデンサが完全に充電可能なように、８　Ｋｈｚ程度
のクロック周波数が使われている。コンデンサ２２は２
０ｐｆ、コンデンサ３０は、０．３ｐｆとでき、この場
合コンデンサ３６は２ｏｏｐｒの値を有する。電圧■。

は１〜５ポルＩ・の範囲て変化し、測定系で用いるのに
望ましい電圧範囲を与える。

別の態様において、本発明は第２図の積分増ｒ１］器に
代え、デジタル−アナログ変換器に接続されたデジタル
カウンタを用いることもできる。

本発明の更に別の態様では、デジタル読取値を得るのが
望ましい場合、第２図の積分増巾器の出力にアナログ−
デジタル変換器を接続して用いるることもできる。

第９図は、第２図の積分増巾器を、ＴｅｌｅｄｙｎｅＳ
ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社で製造され同社の１９８４
年版データ取得設計ハンドブック、７〜７３頁に示され
たアナログ−デジタル（Ａ　／　Ｄ　）変換器へ接続す
るための有用な凹１路を示す。

ごのユニットは、２０００カウントのデジタル読取値を
与える。■以外のスケールファクタを与えるため、Ａ、
　／　Ｄ変換器用の標準電圧を判定してスケールファク
タに適応させる回路が必要である。

また、Ａ　／　Ｄ変換器７１２６の低入力端子ＩＮ　Ｌ
Ｏに適切な電圧を導入することによって、ゼロの湿度点
での偏差に適応する必要ｔ）ある。第９図の回路は、こ
れらの適応を与えしかもこれらの適応を、第８図に示し
たコンデンサＣ０とＣｒを用いる場合に１つより多い電
位差計の調整を必要としない方法で与えるように構成さ
れる。これば、第９図の回路の製造を簡単化する。何故
なら、各装置の較正において相対湿度の２つの値でなく
１つの値で回路を調整するたりてよく、装置が交換可能
になるからである。通常は偏差とレンジに関し、異なる
湿度での別々の調整が必要となる。

第９図の回路に関する以下の説明を理解する」二で留意
しなＬＪればならない因子は、次の通りである： １、測定コンデンサＣＸの誘電体が、Ｃ０及びＣｒの誘
電体（ＳｉＯ□）と異なる材料・（ポリイミド）である
。つまり、測定コンデンサの静電容量は湿度によって変
化する一方、他の静電容量は変化しない。

２、　　Ｃ，／Ｃ，ば、それぞれの特性が固有的に同一
となるように、２つのコンデンサが同一のプロセスで同
一時点に製造されるため各回路毎に定数である。

３、　　ＣＸ／Ｃ，ば、２つのコンデンサが作られる製
造プロセスが異なるためユニット毎に変化する。

４、　フルスケール（相対湿度１００％）でのＣＸの静
電容量はＣＸ（１００）として設計され、相対湿度Ｏ％
でのＣＸの静電容量がＣＸ（０）として設計される。比
ＣＸ（１００）　／ＣＸ（０）がαとして表わされる。

５、　αは定数である。

６．７１．２６等のＡ／Ｄ変換器は、測定可変電圧及び
標準電圧両方のための差動入力を有する。

上記から、ＣＸ／Ｃｒを補正可能な回路を設けるのが望
ましく、また前述したようにその補正を１つの電位差計
で行うのが望ましいことが明らかであろう。

第９図において、測定レンジの偏差は、電位差計６０の
電位差引出タップ６０ａを調整し、Ａ／Ｄ変換器６２の
ＩＮＬＯ端子つまりピン３０に必要な入力を与えること
によって適応解消される。

電位差計６０は、６Ｖの電位源として示した起電力源６
４によって給電され、起電力源６４が電位差計６０及び
ツェナーダイオード７０と直列な抵抗６６と６８を含む
ものとして示した直列回路に給電を行う。ツェナーダイ
オードが回路内に含まれているのは、回路の他の部品用
の負電源を与えるためである。

ゲインＧと称する量ＣＸ（１００）〜ＣＸ（０）は、次
式で書き表わせる。

Ｇ＝（ａ　−１）ＣＸ（０）□ ＣＸ 湿度Ｏ％における第２図の回路の出力電圧■。５は次の
通りであるから、 ■５ ｖｏＳ＝ｃＸ（０）−Ｃｏ− ■５ これを代入して； Ｃｒ αとＣ，／Ｃ，は定数だから、」二式の第２項はｖｓに
対する分圧器によって表わせる。これは第９図中、抵抗
７２と７４から成る分圧器として示しである。つまり、
ライン７６を経てＲＥＦ　ＩＩＩピン３６に導入される
電圧が、−１一式の定数項に適応する。第１項は、抵抗
７２と組合わされた別の分圧器回路の一部を形成する抵
抗７８によって取り出され、従ってＲＥＦ　　Ｈｌにも
影響を及ぼず。

ＲＥＦ　　ＬＯ、ピン３５は図示のごとく、回路の共通
電位に接続されている。共にピン３６への入力を与える
分圧器と抵抗７８の結果が、測定回路のスパンをＡ　、
／　Ｄ変換器のスパンに適応させ、例えば１００％の相
対湿度に対応する電圧■。で７】２６の続出値がフルス
ケールとなるようにする。

７１２６用の標準コンデンサはコンデンサ９０として示
してあり、０．１ｆの値を有する。７１２Ｇ用Ｑこ設げ
られる外部発振回路は、ピン３８．３９及び４０に接続
されるものとして示しである。この回路は、１８にの抵
抗９２吉５６ｐｆのコンデンサ９４を含む。ピン２７．
２８及び２９のために必要な回路は、Ｏ，１，５ｆのコ
ンデンリ−９６，０，２４ｆのコンデンサ９８及び１．
８Ｍの抵抗９９を含むものとして示しである。

第９図に示すように、第２Ｍの回路の出力からの入力Ｖ
。は、１Ｍとし得る抵抗１００を介し且つ０．００２ｆ
とし得るコンデンサ］０２と交差してＩＮＨ＋ピン３４
に導かれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明の一態様の簡略化回路図；第２図は発明の
別の態様のより詳しい回路図；第３図は第２図の地中器
の論理インバータをショートさせるのに用いるスイッチ
ング回路の回路図；第４図は第２図の論理インパークの
伝達特性のグラフ；第５図は第２図の各スイッチング素
子を切り換えるのに使用可能なりロンク回路の回路図；
第６図は集積回路技術を用いて構成された容量型湿度セ
ンサの一態様の断面図；第７図は第１及び２図の回路で
有用な標準コンデンサの一態様の断面図；第８図は標準
コンデンサが湿度の変化を感知しないようにするのが望
ましい場合の、第１及び２図の回路で有用な標準コンデ
ンサの一態様の断面図；第９図は第１図の回路を７１２
６Ａ／Ｄ変換器へ接続するのに使用可能な回路の回路図
である。 １、．２，６．］　１〜１６・・・・・・接続（スイッ
チング）手段、３・・・・・・固定電圧（Ｖ、）源、４
・・・・・・可変出力電圧（■。）源、５・・・・・・
ザンプリング電圧（■ｓ）源、７・・・・・・検出器（
測定回路）、１０・・・・・・ノード、２０，２４．２
６・・・・・・論理インパーク（２０：クランプ手段）
、２８．３２．４４゜４６・・・・・・ＣＭＯＳスイッ
チ（４４−、４，６ニジヨー１一手段）、３０．３６・
・・・・・第１．２積分コンデンサ、３４・・・・・・
演算地中器、６０・・・・・・電位差計、６２・・・・
・・Ａ／Ｄ変換器、７２，７８．７４・・・・・・分圧
器、ＣＸ・・・・・・可変コンデンサ、Ｃ，、Ｃｏ・旧
・・第１，２標準コンデンサ。 ＦＩ６．　５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、可変コンデンサの静電容量を測定する方法において
   ； 少なくとも１つの固定の標準コンデンサを与える段階； 前記標準コンデンサを前記可変コンデンサと直列回路で
   接続し、両コンデンサの共通接続点に回路ノードを形成
   する段階； 反復する２位相測定サイクルの第１位相中に、前記ノー
   ドを固定電位にクランプしながら、前記コンデンサの少
   なくとも１つを固定電圧に充電する段階； 前記２位相測定サイクルの第２位相中に、前記ノードを
   クランプしないで前記直列回路を閉ループで接続し、前
   記コンデンサ間での電荷の再配分を可能とする段階； 前記測定サイクルが第１位相から第２位相へ移行すると
   き、クランプされていない前記ノードにおける電位の変
   化を検出する段階； 前記検出された変化に応答して前記直列回路内の電荷を
   自動的に変更する段階で、該変更が、複数の測定サイク
   ルの間に前記変化のいずれがゼロに減少されるような方
   向及び大きさである；及び 前記複数の測定サイクルの間に電荷が変更された量を積
   分することによって、該変更の積分が標準及び可変コン
   デンサの両静電容量間の差の大きさつまり可変静電容量
   の大きさを示すものとなす段階；を含む方法。 ２、前記電荷を変更する段階が、一端で前記ノードに接
   続され、他端で可変出力電圧に接続された別のコンデン
   サによって実施され、前記可変出力電圧が前記ノードで
   の電位の検出変化に応答して、該変化がゼロに減少され
   るまで変更されることによって、前記可変出力電圧が可
   変コンデンサの静電容量を指示する請求項１記載の方法
   。 ３、可変コンデンサの静電容量を測定する方法において
   ； 少なくとも１つの固定の標準コンデンサを与える段階； 前記標準コンデンサを前記可変コンデンサと直列回路で
   接続し、両コンデンサの共通接続点に回路ノードを形成
   する段階； 反復する２位相測定サイクルの第１位相中に、前記ノー
   ドを固定電位にクランプしながら前記直列回路内に固定
   電圧源を入れることによって、前記コンデンサを異なる
   電圧に充電する段階；前記２位相測定サイクルの第２位
   相中に、前記ノードをクランプしないで前記直列回路内
   の前記固定電圧源の極性を反転し、前記コンデンサ間で
   の電荷の再配分を可能とする段階； 前記測定サイクルが第１位相から第２位相へ移行すると
   き、クランプされていない前記ノードにおける電位の変
   化を検出する段階； 前記検出された変化に応答して前記直列回路内の電荷を
   自動的に変更する段階で、該変更が、複数の測定サイク
   ルの間に前記変化のずれがゼロに減少されるような方向
   及び大きさである；及び 前記複数の測定サイクルの間に電荷が変更された量を積
   分することによって、該変更の積分が前記標準及び可変
   コンデンサの両静電容量間の差の大きさつまり可変静電
   容量の大きさを示すものとなす段階；を含む方法。 可変コンデンサの静電容量を測定する装置において； 少なくとも１つの固定のコンデンサ； 前記コンデンサの１つに所定の電荷を形成する手段； 前記コンデンサを直列回路で接続し、前記コンデンサに
   おける電荷の再配分を可能とする手段；及び 前記再配分の大きさに応答して前記直列回路内の電荷を
   変更させ、前記再配分の大きさを所定の値とすることに
   よって、必要な変更の量が可変コンデンサの静電容量の
   大きさを示すように動作可能な手段；を備えた装置。 ５、前記電荷の再配分の大きさに応答して動作可能な手
   段が、前記固定及び可変両コンデンサ間の回路ノードに
   おける電位の所定値からのずれに応答する請求項４記載
   の装置。 ６、前記電荷の再配分の大きさに応答して動作可能な手
   段が、反復する２位相測定サイクルの一方の位相中に前
   記電荷の再配分を検出し、他方の位相中に前記直列回路
   内の電荷を変化させ、電荷の再配分の大きさを前記所定
   値へと近付けるように動作する請求項４記載の装置。 ７、可変コンデンサの静電容量を測定する装置において
   ； 各々が固定の静電容量を有する第１及び第２の標準コン
   デンサ； 前記各標準コンデンサの一方の側を前記可変コンデンサ
   の一方の側に接続して、接続点に回路ノードを形成する
   回路手段； 第１及び第２の固定電圧を与える第１及び第２の固定電
   圧源； 可変出力電圧を与える出力電圧源； 反復する２位相測定サイクルの第１位相中に、前記可変
   コンデンサの他方側を前記第１の固定電圧源に接続し、
   前記第２標準コンデンサの他方側を前記第２の固定電圧
   源に接続し、前記ノードの電位を固定値にクランプして
   前記各コンデンサに初期電荷を形成するように動作可能
   なスイッチング手段； 前記スイッチング手段が、前記測定サ イクルの第２位相中に、前記ノードをクランプせず、前
   記可変コンデンサの他方側を前記第２の固定電圧源に接
   続し、前記第２標準コンデンサの他方側を前記第２の固
   定電圧源に接続して前記各コンデンサにおける電荷を再
   配分可能とし、前記可変コンデンサの静電容量の変化が
   前記ノードでの電位のクランプ値からのずれを変化させ
   るように動作可能でもあること； 前記出力電圧を前記第１標準コンデンサの他方側に接続
   し、前記ずれを変化させるように機能する手段；及び 前記ノードに接続され、連続する測定サイクルにわたり
   前記ずれに応答して前記出力電圧を、前記ずれをゼロへ
   と減少させる方向に変化することによって、前記出力電
   圧が前記可変コンデンサの静電容量の大きさの関数とな
   るように動作可能な検出手段；を備えた装置。 ８、前記第１の固定電圧源がゼロボルトの固定電圧を与
   える請求項７記載の装置。 ９、前記測定サイクルの第１位相中にのみ前記可変出力
   電圧が前記第１標準コンデンサの他方側に接続され、前
   記測定サイクルの第２位相中には前記第１標準コンデン
   サの他方側が前記第１の固定電圧源に接続される請求項
   ７記載の装置。 １０、前記全てのコンデンサが、これら全てのコンデン
   サを同時に作製する製造プロセスによって単一のモノリ
   シック基板上に集積化され、前記全てのコンデンサが周
   囲雰囲気の湿度の変化に伴って誘電率が変化する誘電体
   を有し、前記標準コンデンサが該標準コンデンサの静電
   容量が一定となるように周囲雰囲気から保護されている
   請求項７記載の装置。 １１、前記可変コンデンサが湿度の変化に伴って誘電率
   が変化する誘電体を有し、前記標準コンデンサが湿度の
   変化によっても誘電率が変化しない誘電体を有する請求
   項７記載の装置。