DE4311298A1 - Druckerfassungs-Schaltung für einen Halbleiter-Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckerfassungs-Schaltung für einen Halbleiter-Drucksensor und insbesondere auf die Kom­ pensation einer Temperatur-Abhängigkeit einer Nullpunkt-Aus­ gangsspannung eines Drucksensors.

Fig. 10 der anliegenden Zeichnungen zeigt eine perspektivische Seitenansicht des gesamten Aufbaus eines Halbleiter-Drucksen­ sors, bei dem der piezoelektrische Effekt ausgenutzt wird. Ge­ mäß Fig. 10 besitzt ein Halbleiter-Drucksensor 100 einen Sen­ sorabschnitt, der in einem Gehäuse enthalten ist, das durch eine Basis 101 und eine Kappe 102 gebildet ist. Ein Raum 103 im Gehäuse ist ein Vakuum bzw. evakuiert. Der Sensorabschnitt 104 besteht aus einer Glas-Basis 105 und einem an dieser befestigten Halbleiter-Sensorchip 106 und ist an der Basis 101 befestigt. Der mittlere Abschnitt des Sensorchips 106 ist in Gestalt einer dünnen Platte ausgebildet, wozu seine untere Seite abrasiert bzw. abgetragen ist. Der zu erfassende Druck wird zur Basis 101 und zur Glasbasis 105 übertragen und über ein Druck-Einführloch 108, das durchgehend ist und durch deren Mitte verläuft, in einen Raum 106a eingeführt, der zwischen der Glasbasis 105 und dem Halbleiter-Sensorchip 106 ausgebil­ det ist.

Der die Gestalt einer dünnen Platte besitzende Abschnitt in der Mitte des Sensorchips 106 verformt sich in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen den Räumen 106a und 103. Die durch die Verformung des mittleren Abschnitts des Sensorchips 106 erzeugte Deformation wird durch eine Druckerfassungs- Schaltung gemessen, die in diesem mittleren, nachstehend näher beschriebenen Abschnitt ausgebildet ist und zum Berechnen des Drucks dient. Ein Signal, das von der Druckerfassungs-Schal­ tung abgegeben wird, wird zum äußeren Bereich des Gehäuses über eine durchgehende Leitung 110 geführt, die sich bis zu einem Draht 109 und die Basis 101 erstreckt bzw. durch letz­ tere hindurchgeht.

Fig. 11 zeigt eine perspektivische schematische Ansicht der Gestaltung einer oberen Oberfläche des Halbleiter-Sensorchips 106. Eine Brückenschaltung ist im mittleren Abschnitt 106b des Sensorchips 106 ausgebildet und dient zum Erfassen des Drucks unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts. An einem peri­ pheren Abschnitt 106c der Brückenschaltung ist eine Signalver­ arbeitungsschaltung usw. ausgebildet. Diese Schaltungen sind unter Einsatz von Applikationsverfahren wie etwa einer Verun­ reinigungsdiffusion usw. auf dem Sensorchip hergestellt.

Fig. 12 zeigt eine herkömmliche Druckerfassungs-Schaltung, die auf dem Halbleiter-Sensorchip 106 ausgebildet ist. Gemäß Fig. 12 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Brückenschaltung, die sich in Kontakt mit einer Druckerfassungs-Einrichtung befin­ det, die in der Mitte des Sensorchips ausgebildet ist. Die Brückenschaltung ist derart verschaltet, daß Dehnungsmeß-Wi­ derstände bzw. Meßwiderstände 2A, 2B, 2C und 2D eine Wheat­ stone-Brückenschaltung bilden. In der Praxis sind diese Meß­ widerstände 2A, 2B, 2C und 2D gemäß der Darstellung in Fig. 11 so angeordnet, daß sie zusammen ein Rechteck bilden und sich in derselben Richtung erstrecken. Die Bezugszeichen 3A, 3B, 3C und 3D bezeichnen vier Anschlüsse der Brückenschaltung 1, wo­ bei der Anschluß 3A der Verbindungspunkt zwischen den Meß­ widerständen 2A und 2C ist, der Anschluß 3B den Verbindungs­ punkt zwischen den Meßwiderständen 2A und 2B darstellt, der Anschluß 3C der Verbindungspunkt zwischen den Meßwiderständen 2C und 2D ist und der Anschluß 3D den Verbindungspunkt zwi­ schen den Meßwiderständen 2B und 2D darstellt. Der Anschluß 3A ist mit einer Spannungsquelle 4 gekoppelt, während der An­ schluß 3D mit Masse bzw. Erdpotential 5 gekoppelt ist. Das Be­ zugszeichen 6 bezeichnet eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verstärken des elektrischen Potentials bzw. der elektrischen Spannung, die zwischen den Anschlüssen 3B und 3C der Brücke 1 erzeugt wird, während das Bezugszeichen 7 einen Widerstand be­ zeichnet, der zwischen die Anschlüsse 3B und 3D geschaltet ist und einen niedrigen Temperatur-Koeffizienten für eine Tempera­ tur-Kompensation besitzt.

Der Betrieb der vorstehend erwähnten Einrichtung wird im fol­ genden beschrieben. Die Brückenschaltung 1 ist derart ausge­ staltet, daß zwischen den Anschlüssen 3B und 3C eine Spannung in Übereinstimmung mit einer Verformungs-Beanspruchung gebil­ det wird, die aufgrund des angelegten Drucks erzeugt wird. Im einzelnen verändern sich bei Einwirkung einer Verformungs-Be­ anspruchung auf die Meßwiderstände 2A, 2B, 2C und 2D deren Wi­ derstandswerte entsprechend. Da jedoch die Richtungen der Auf­ nahme der Verformungs-Beanspruchung für aneinander angrenzende Widerstände unterschiedlich sind, ergeben sich Unterschiede in den Widerstandswerten. Hierbei würde sich bei manchen Wider­ ständen der Widerstandswert vergrößern, während er bei anderen absinken würde, so daß in der Brückenschaltung 1 eine Unsymme­ trie hervorgerufen würde, durch die eine Spannung erzeugt wird.

In der nachstehenden Gleichung

Vod = kf (1)

bezeichnet Vod die Differenzspannung zwischen den Anschlüssen 3B und 3C, f die Verformungs-Beanspruchung und k eine Propor­ tionalitäts-Konstante. Wenn gemäß der Gleichung (1) die Ver­ formungs-Beanspruchung Null ist, d. h. f = 0 gilt, ist auch die Differenzspannung Vod = 0. In der Praxis ist jedoch Vod ≠ 0. Wenn dies als Offset-Spannung Voffset der Ausgangsspannung beim Nullpunkt angenommen ist, lädt sich die Gleichung (1) wie folgt wiedergeben:

Vod = kf + Voffset (2)

Im allgemeinen wird eine Korrektur der Offset-Spannung Voffset durch Anlegen einer entsprechenden geeigneten äußeren Korrek­ turspannung an die Signalverarbeitungsschaltung 6 bewirkt. Die Temperatur-Eigenschaften der Spannung Vod können durch Dif­ ferenzierung der Gleichung (2) nach der Temperatur berechnet werden.

δVod/λT = δkf/λT + δVoffset/δT (3)

Falls f = 0 gilt, lädt sich die Gleichung wie folgt wiederge­ ben:

δVod/λT = δVoffset/λT (4)

Diese Gleichung repräsentiert die Temperatur-Abhängigkeit der Nullpunkt-Ausgangsspannung, die im Fall der Brückenschaltung 1 zur Erfassung der Verformungs-Beanspruchung durch eine Unsym­ metrie der Temperatur-Koeffizienten der Meßwiderstände 2A, 2B, 2C und 2D oder durch eine während des Zusammenbau-Vorgangs hervorgerufene verbleibende Restbeanspruchung erzeugt wird. Im allgemeinen kann die Temperatur-Abhängigkeit durch eine Glei­ chung erster Ordnung bezüglich der Temperatur angenähert wer­ den:

δVoffset/δT = α (5)

wobei α eine Proportionalitäts-Konstante bezeichnet. Die Be­ ziehung zwischen der Nullpunkt-Ausgangsspannung Voffset und der Temperatur T ist in Fig. 13 dargestellt. In Fig. 13 reprä­ sentiert die horizontale Achse die Temperatur T, während auf der vertikalen Achse die Nullpunkt-Ausgangsspannung Voffset aufgetragen ist. Wenn angenommen ist, daß der zur Verfügung stehende Temperaturbereich bei der Brückenschaltung 1 (Halb­ leiter-Drucksensor) von T1 bis T2 reicht, ergibt sich die nachstehende Gleichung:

α(T2-T1) = Vofdrift (6)

Daher sollte die Temperatur-Abhängigkeit der Nullpunkt-Aus­ gangsspannung in Gleichung (6) kompensiert werden.

Wenn die Widerstandswerte der Widerstände 2A, 2B, 2C und 2D jeweils durch RA, RB, RC und RD bezeichnet sind und die Span­ nung der Spannungsquelle 4 durch Vr repräsentiert ist, lädt sich das Potential V3B am Anschluß 3B wie folgt ausdrücken:

V3B = Vr x[RB/(RA+RB)] (7)

Weiterhin läßt sich das Potential V3C am Anschluß 3C wie folgt ausdrücken:

V3C = Vr x[RD/(RC+RD)] (8)

Daher kann die Ausgangsspannung Vod der Brückenschaltung 1 wie folgt ausgedrückt werden:

Vod = Vr x {RB/(RA + RB)-RD/(RC + RD)} (9)

Falls angenommen ist, daß die Temperatur-Koeffizienten der Wi­ derstände 2A, 2B, 2C und 2D gleich und mit dem Symbol be­ zeichnet sind und der Widerstandswert bei T = 0 Ro ist, ergibt sich folgende Gleichung:

RA = RB = RC = RD = RO (γT + 1) (10)

Um Vofdrift zu korrigieren, ist der Widerstand 7 zwischen die Anschlüsse 3B und 3D geschaltet. Wenn der Widerstand 7 paral­ lel zum Widerstand RB gekoppelt ist, läßt sich die Gleichung (9) wie folgt wiedergeben:

Vod = Vr [(RB//Rp)/{RA + (RB//Rp)}-1/2)] (11)

Hierbei bezeichnet das Symbol Rp den Widerstandswert des Wi­ derstands 7. Wenn die Gleichung (10) in die Gleichung (11) eingesetzt wird, ergibt sich:

Vod = -[Ro(γT + 1)/{2Ro(γT + 1) + 4Rp}] · Vr (12)

Wenn weiterhin Rp » RB gilt, ergibt sich:

Vod ≒ -[Ro (γT + 1)/4Rp] · Vr (13)

Die Größe der Veränderung Vcomp ergibt sich dann, wenn der Be­ reich der Temperatur T von T1 bis T2 bereit, wie folgt:

Vcomp = (Roγ/4Rp) · Vr (T2-T1) (14)

Die sich aus der Gleichung (14) ergebende Größe Vcomp stellt daher die korrigierende Größe von Vofdrift dar. Hierbei sollte der Widerstandswert Rp des Widerstands 7 so festgelegt werden, daß die folgende Gleichung erfüllt ist:

Vofdrift + Vcomp = 0 (15)

Der Wert Rp kann aus der folgenden Gleichung

Rp = (RoγVr/4Vofdrift) · (T2-T1) (16)

als einzelner Wert erhalten werden.

Wie vorstehend erwähnt, sollte der Widerstand 7 zur Korrektur der Temperatur-Abhängigkeit der Nullpunkt-Ausgangsspannung zwischen die Anschlüsse 3B und 3D eingefügt werden. Falls Vof­ drift negativ sein sollte, sollte der Widerstand 7 zwischen die Anschlüsse 3B und 3D oder zwischen die Anschlüsse 3A und 3B eingefügt werden.

Hierbei sollte aber der Tatsache Aufmerksamkeit geschenkt wer­ den, daß eine solche Korrektur nur dann erhalten werden kann, wenn der Temperatur-Koeffizient des Widerstands 7 Null oder beträchtlich kleiner als der Temperatur-Koeffizient der Wider­ stände 2A, 2B, 2C und 2D ist. Durch die Einfügung des Wider­ stands 7 ergibt sich weiterhin eine entsprechende Veränderung der Nullpunkt-Ausgangsspannung, was aber durch eine separate Korrektur-Methode unabhängig korrigiert werden kann.

Da die herkömmliche Druckerfassungs-Schaltung für einen Halb­ leiter-Drucksensor in der vorstehend beschriebenen Weise auf­ gebaut ist, muß ein Widerstand mit einem recht niedrigen Tem­ peratur-Koeffizienten zum Korrigieren der Temperatur-Abhängig­ keit der Nullpunkt-Ausgangsspannung vorgesehen werden, was die Integration der Schaltung ernsthaft behindert.

Es ist daher eine Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Druck­ erfassungs-Schaltung für einen Halbleiter-Drucksensor zu schaffen, die zur Kompensation der Temperatur-Abhängigkeit einer Null-Ausgangsspannung bzw. Nullpunkt-Ausgangsspannung ohne Benutzung eines Widerstands mit kleinem Temperatur-Koef­ fizienten imstande ist.

Im Hinblick auf die vorstehend genannte Aufgabe wird mit vor­ liegender Erfinderung eine Druckerfassungs-Schaltung für einen Halbleiter-Drucksensor geschaffen, die mit einer Schaltung zur Korrektur der Temperatur-Abhängigkeit einer Nullpunkt-Aus­ gangsspannung einer Druckerfassungs-Brückenschaltung in einer Signalverarbeitungsschaltung ausgestattet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Druckerfassungs-Schaltung für einen Halbleiter-Drucksensor steuert ein Steuerabschnitt bzw. eine Steuereinrichtung für differentiellen Vorspannstrom jeden Vor­ spannstrom (die im normalen Betriebszustand eines Operations­ verstärkers gleich groß sind) eines Paars von Transistoren eines Differenz-Verstärkungsabschnitts einer Signalverarbei­ tungsschaltung derart, daß absichtlich eine Unsymmetrie zur Erzeugung einer Eingangs-Offsetspannung hervorgerufen wird. Die Temperatur-Abhängigkeit der Nullpunkt-Ausgangsspannung der Brückenschaltung wird unter Ausnutzung der Temperatur-Abhän­ gigkeit der Eingangs-Offsetspannung korrigiert.

Der zu erzeugende Spannungswert der Eingangs-Offsetspannung hängt von dem Unterschied des Vorspannstroms ab, der über einen veränderbaren Widerstand oder einen Digital/Analog-Wand­ ler usw. einstellbar ist, wie dies nachstehend bei der Be­ schreibung der Ausführungsbeispiele erläutert wird.

Die vorstehenden und weitere Vorteile, Merkmale und zusätzli­ che Zielsetzungen vorliegender Erfindung erschließen sich für den Fachmann unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen, in denen ein die Grundzüge vorliegender Erfindung verkörperndes struk­ turelles Ausführungsbeispiel zu Erläuterungszwecken darge­ stellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild, in dem ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckerfassungs-Schaltung für einen Halbleiter-Drucksensor schematisch darge­ stellt ist,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Si­ gnalberarbeitungsschaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels wesentli­ cher Teile der Signalverarbeitungsschaltung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform spezi­ ell des in Fig. 3 gezeigten Steuerabschnitts für differentielle Vorspannströme,

Fig. 5 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des in Fig. 3 gezeigten Steuerabschnitts für differen­ tielle Vorspannströme,

Fig. 6 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform des in Fig. 3 gezeigten Steuerabschnitts für differen­ tielle Vorspannströme,

Fig. 7 ein Schaltbild einer vierten Ausführungsform des in Fig. 3 gezeigten Steuerabschnitts für differenti­ elle Vorspannströme,

Fig. 8 ein Schaltbild einer fünften Ausführungsform des in Fig. 3 gezeigten Steuerabschnitts für differen­ tielle Vorspannströme,

Fig. 9 ein Schaltbild eines sechsten Ausführungsbeispiels vorliegender Erfindung, das ein weiteres Beispiel für wesentliche Teile der Signalverarbeitungsschal­ tung gemäß Fig. 2 darstellt,

Fig. 10 eine perspektivische Seitenansicht eines Halblei­ ter-Drucksensors eines solchen Typs,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines in Fig. 10 ge­ zeigten Halbleiter-Sensorchips,

Fig. 12 ein schematisches Schaltbild einer Druckerfassungs- Schaltung eines herkömmlichen Halbleiter-Drucksen­ sors, und

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Nullpunkt-Ausgangsspannung und der Temperatur.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel vorlie­ gender Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeich­ nungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Druckerfassungs-Schaltung für einen Halbleiter-Drucksensor ge­ mäß vorliegender Erfindung. In Fig. 1 sind diejenigen Kompo­ nenten, die die gleichen sind wie diejenigen des herkömmlichen Sensors gemäß Fig. 12 oder diesen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bzw. -zahlen bezeichnet. Bei der Druckerfas­ sungs-Schaltung gemäß Fig. 1 erfolgt die Korrektur der Tem­ peratur-Abhängigkeit der Nullpunkt-Ausgangsspannung in der Si­ gnalverarbeitungsschaltung 60, die eine Signalverarbeitungs­ einrichtung darstellt. Folglich ist kein Widerstand mit nied­ rigem Temperatur-Koeffizienten zur Korrektur der Temperatur- Abhängigkeit vorgesehen. Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung ist durch ein Verfahren wie etwa ein Verunreinigungs-Diffusions­ verfahren hergestellt, so daß es bei dem in Fig. 11 gezeigten Halbleiter-Sensorchip eingesetzt werden kann.

Fig. 2 zeigt ein detailliertes Schaltbild der Signalverarbei­ tungsschaltung 60 gemäß Fig. 1. In Fig. 2 bezeichnen die Be­ zugszeichen 8 und 9 jeweils Operationsverstärker; die Bezugs­ zeichen 10 und 11 Widerstände zum Bestimmen des Verstärkungs­ faktors des Operationsverstärkers 8; die Bezugszeichen 12 und 13 Widerstände zum Bestimmen des Verstärkungsfaktors des Operationsverstärkers 9; und das Bezugszeichen 14 eine Referenzspannung für die Signalverarbeitungsschaltung 60.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild eines Eingangsabschnitts des Operationsverstärkers 8. In Fig. 3 bezeichnet das Bezugs­ zeichen 15 einen pnp-Transistor mit einer Basis, die mit einen positiven Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 8 ver­ bunden ist; das Bezugszeichen 16 einen pnp-Transistor, dessen Basis mit einem negativen Eingangsanschluß des Operationsver­ stärkers 8 verbunden ist; das Bezugszeichen 17 einen npn- Transistor, dessen Kollektor und Basis mit einem Kollektor des pnp-Transistors 15 verbunden sind; das Bezugszeichen 18 einen npn-Transistor, dessen Basis mit einer Basis und einem Kollek­ tor des npn-Transistors 17 verbunden sind; 19 eine Stromquelle zum Zuführen von Strom zu Emittern der pnp-Transistoren 15 und 16; das Bezugszeichen 20 einen Leistungsverstärker mit einem Eingangsanschluß, der mit einem Kollektor des npn-Transistors 18 verbunden ist; das Bezugszeichen 21 eine Stromquelle zum Abziehen des Stroms vom Kollektor des npn-Transistors 18; und das Bezugszeichen 22 eine Stromquelle zum Abziehen eines Stroms vom Kollektor des pnp-Transistors 16.

Die pnp-Transistoren 15 und 16, npn-Transistoren 17 und 18 und die Stromquelle 19 bilden den Differenzverstärkungs-Abschnitt. Der Leistungsverstärker 20 bildet zusammen mit dem Operations­ verstärker 9 gemäß Fig. 2 einen Leistungsverstärker-Abschnitt. Der Operationsverstärker 9 dient zur Bereitstellung oder Ver­ stärkung einer Differenzspannung zwischen dem Anschluß 3B der Brückenschaltung 1, die als eine Druckerfassungs-Einrichtung dient, und dem Anschluß 3C der Brückenschaltung 1, wobei letz­ tere Größe über den Operationsverstärker 8 erhalten wird, und kann durch einen allgemeinen Verstärker gebildet sein, so daß seine detaillierte Beschreibung entfallen kann. Die Spannungs­ quellen 21 und 22 bilden einen Steuerabschnitt für einen dif­ ferentiellen Vorspannstrom bzw. für differentielle Vor­ spannströme.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild, in dem die Einzelheiten der Stromquellen 21 und 22, die den Steuerabschnitt für differen­ tielle Vorspannströme gemäß Fig. 3 bilden, in Einzelheiten ge­ zeigt ist. In Fig. 4 bezeichnet das Bezugszeichen 23 einen npn-Transistor mit einem Kollektor, der mit dem Kollektor des pnp-Transistors 15 gekoppelt ist; das Bezugszeichen 24 einen npn-Transistor mit einer Basis und einen Kollektor, die mit der Basis des npn-Transistor 23 gekoppelt sind, während die Emitter der npn-Transistoren 23 und 24 gemeinsam mit Massepo­ tential 5 gekoppelt sind; und das Bezugszeichen 25 einen vari­ ablen Widerstand, der über einen Anschluß mit der Basis und dem Kollektor des npn-Transistors 24 gekoppelt ist.

Weiterhin bezeichnet das Bezugszeichen 26 einen npn-Transistor mit einem Kollektor, der mit dem Kollektor des pnp-Transistors 16 gekoppelt ist; das Bezugszeichen 27 einen npn-Transistor mit einer Basis und einem Kollektor, die mit der Basis des npn-Transistors 26 gekoppelt sind, während die Emitter der npn-Transistoren 26 und 27 gemeinsam mit Massepotential 5 ge­ koppelt sind; das Bezugszeichen 28 einen variablen Widerstand, der über einen Anschluß mit der Basis und dem Kollektor des npn-Transistors 27 gekoppelt ist; und das Bezugszeichen 29 eine Spannungsquelle, mit der die anderen Anschlüsse der vari­ ablen Widerstände 25 und 26 gekoppelt sind.

Die vorstehend beschriebenen Schaltungen werden nun in Einzel­ heiten erläutert. Zunächst wird die Schaltung gemäß Fig. 2 be­ schrieben. Wenn die Spannung der Spannungsquelle 14 und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 8 jeweils mit VRI und Vol bezeichnet werden, ergibt sich folgende Gleichung:

Vo1 = V3C {1 + (R11/R10)}-VR1 · (R11/R10 (17)

Die Symbole R10 und R11 repräsentieren jeweils den Wider­ standswert der Widerstände 10 und 11. Die Ausgangsspannung Vo des Operationsverstärkers 9 läßt sich wie folgt ausdrücken:

Vo = V3B {1 + (R13/R12)}-Vol · (R13/R12) (18)

wobei R12 und R13 jeweils den Widerstandswert des Widerstands 12 bzw. 13 repräsentieren.

Falls die Gleichung (17) in die Gleichung (18) eingesetzt wird, lädt sich der Wert Vo wie folgt ausdrücken:

Vo = (R13/R12) · (V3B-V3C) + V3B-[{(R11 · R13)/(R10 · R12)} · V3C] + [{(R11 · R13)/R10 · R12)} · VR1] (19)

Falls R10 = R13 und R11 = R12 ist, ergibt sich

Vo = {1 + (R13/R12)} · (V3B-V3C) + VR1 (20)

DA V3B-V3C = Vod ist, gilt

Vo = {1 + (R13/R12)} · Vod + VR1 (21)

Somit wird die Ausgangsspannung Vod der Brückenschaltung mit dem Faktor (1 + (R13/R12)) multipliziert, und es wird zwischen den einander gegenüberliegenden geerdeten Anschlüssen die Aus­ gangsspannung abgegeben, zu der VR1 hinzuaddiert ist. Somit ist die Ausgangsspannung einseitig geerdet.

Wenn sich die Brückenschaltung 1 am Nullpunkt befindet, gilt Vod = Voffset. Daher lädt sich die Ausgangsspannung zu diesem Zeitpunkt wie folgt repräsentieren:

Vo = {1 + (R13/R12)}Voffset + VR1 (22)

Wenn Voffset = 0 gilt, lädt sich die Beziehung Vo = VR10 durch Einstellung von VR1 wie folgt erhalten:

VR1 = VR10 - {1 + (R13/R12)}Voffset (23)

Im Falle des Auftretens bzw. Bereitstellens einer positiven Offset-Spannung Vof im Operationsverstärker 8 würde sich die Gleichung (20) wie folgt ergeben:

Vo = {1 + (R13/R12)}Vod-{1 + (R13/R12)}Vof + VR1 (24)

Falls die Gleichung (24) nach der Temperatur T differenziert wird, ergibt sich

∂Vo/∂T = {1 + (R13/R12)} · {∂(Vod-Vof)/∂T} (25)

Da ∂Vo/∂T =∂Voffset/∂T = α beim Nullpunkt ist, ergibt sich

∂Vo/∂T = {1 + (R13/R12)} {α-(∂Vof/∂T)} (26)

Daher sollte der Wert α zur Korrektur der Temperaturabhängig­ keit beim Nullpunkt wie folgt eingestellt werden:

α = ∂Vof/∂T (27)

Wenn beim Eingangsabschnitt des Operationsverstärkers 8 gemäß Fig. 3 die Ströme der Stromquellen 21 und 22 auf Null einge­ stellt werden, der Strom der Stromquelle 19 auf Io eingestellt wird, der Emitterstrom des npn-Transistors 17 auf IE17 festge­ legt wird und der Emitterstrom des npn-Transistors 18 auf IE18 eingestellt wird, ergibt sich die folgende Beziehung:

IE17 = IE18 = 1/2 · Io (28)

Hierbei ist der Emitterbereich der npn-Transistoren 17 und 18 jeweils gegenseitig gleich groß, und die Stromverstärkungsrate ist ausreichend hoch. Falls daher die Emitterströme der pnp- Transistoren 15 und 15 jeweils durch IE15 und IE16 repräsen­ tiert werden, ergibt sich die folgende Gleichung:

IE15 = IE16 = 1/2 ·Io (29)

Die Emitter der pnp-Transistoren 15 und 16 sind miteinander gekoppelt bzw. verbunden. Die Beziehung zwischen der Basis- Emitter-Spannung BE und dem Emitterstrom IE eines Transistors läßt sich allgemein wie folgt ausdrücken:

VBE = (KT/q) · log(IE/IS) (30)

wobei q die Elektronenladung, k die Bolzmann-Konstante und Is den Sättigungsstrom des Transistors bezeichnen. Wenn die Glei­ chung (30) auf die Transistoren 15 und 16 angewandt wird, er­ gibt sich:

VBE15 = (kT/q) · log(IE15/IS15) (31)

VBE16 = (kT/q) · log(IE16/IS16) (32)

Hierbei repräsentiert VBE15 die Basis-Emitter-Spannung des pnp-Transistors 15, VBE16 die Basis-Emitter-Spannung des pnp- Transistors 16, IS15 und IS16 jeweils den Sättigungsstrom der pnp-Transistoren 15 bzw. 16. Hierbei läßt sich die Offset- Spannung Vof des Operationsverstärkers 8 wie folgt ausdrücken:

Vof = VBE16-VBE15 (33)

Aus den Gleichungen (31) und (32) lädt sich die folgende Be­ ziehung gewinnen:

Vof = (kT/q) · log{(IS15/IS16) · (IE16/IE15)} (34)

Da IS15 = IS16 bei beiden Transistoren 15 und 16 jeweils iden­ tisch zueinander sind, ergibt sich

Vof = (kT/q) · log(IE16/IE15) (35)

Aus der Gleichung (29) resultiert somit Vof = O, falls IE16 = IE15 gilt.

Falls der Strom der Stromquelle 22 durch If repräsentiert ist, gilt IE17 = IE18, da die npn-Transistoren 17 und 18 denselben Emitterstrom führen. Auch die Emitterströme pnp-Transistoren 15 und 16 werden zu IE15 + IE16 = Io. Der Kollektorstrom IC15 des pnp-Transistors 15 ergibt sich zu IC15 = IE17. Der Kollek­ tor-Strom IC16 des pnp-Transistors 16 wird zu IC16 = IC18 + If. Aus der Beziehung IE15 = IC15, IE16 = IC16 lassen sich so­ mit folgende Gleichungen herleiten:

IE15 = (1/2) · (Io-If) (36)

IE16 = (1/2) · (Io-If) (37)

Wenn die Gleichungen (36) und (37) in die Gleichung (35) ein­ gesetzt werden, ergibt sich

Vof = (kT/q) · log{(Io + If)/(Io - If)} = (kT/q) · log [1 +{2If/(Io - If)}] (38)

Da die Temperaturabhängigkeiten von Io und If einander in dem Fall auslöschen, daß keine oder gleiche Abhängigkeit vorliegt, ergibt sich

∂Vof/∂T = (k/q) · log [1 + {2If/Io - If)] (39)

Aus den Gleichungen (5) und (27) sollte der Wert If wie folgt eingestellt werden:

α = (k/q) · log [1 +{2If/(Io - If)}] (40)

Hierbei gilt

α = Vofdrift/(T2 - T1) (41)

Wenn beispielsweise angenommen wird, daß Io = 10 µA, Votdrift = 5mV und T2-T1 = 130°C ist, ergibt sich If = 2,2 µA, während sich bei Vofdrift = 10mv If zu 4,2 µA ergibt.

In Fig. 4 sind veränderbare Widerstände 25 und 28 zum Einstel­ len des Werts If gezeigt. Um diese veränderbaren Widerstände in der Praxis auf einem Halbleiter-Sensorchip auszubilden, sind die Widerstände auf dem Chip zusammen mit den Operations­ verstärkern 8 und 9 unter Einsatz eines aus NiCr usw. beste­ henden dünnen Films ausgebildet, wonach der Widerstandswert der Widerstände unter Einsatz eines Lasers usw. eingestellt wird. Um den Wert auf If = 0 einzustellen, besteht eine Mög­ lichkeit im Aufschneiden bzw. Unterbrechen der Widerstände 25 oder 28, so daß sie zu einer offenen Schaltung bzw. einem unterbrochenen Kreis werden.

Falls das Potential der Spannungsquelle 29 durch Vcc und der Widerstandswert des Widerstands 28 durch R28 repräsentiert ist, gilt

If = (Vcc - VBE27)/R28 (43)

Hierbei repräsentiert VBE27 die Basis-Emitter-Spannung des npn-Transistors 27. Wie aus Gleichung (43) ersichtlich ist, hängt der Wert If von VBE27 ab, und der Wert R28 wird mit nur einer Lösung bestimmt. Folglich löschen sich die Temperaturab­ hängigkeiten gegenseitig aus, wenn der Strom Io der Strom­ quelle 19 durch eine Schaltung erzeugt wird, die gleich ist wie diejenige der Stromquellen 22 oder 21, wodurch ein kon­ stanter Wert des Ausdrucks ∂Vof/∂T in der Gleichung (39) vor­ gegeben wird.

Die Einstellung von If wird dadurch ausgeführt, daß er unter Bezugnahme auf eine zuvor gemessene Vofdrift in der Brücken­ schaltung 1 gemessen wird oder daß eine Offset-Spannung Vof des Operationsverstärkers 8 gemessen wird (im Hinblick auf Gleichung (38) hängt Vof von If ab).

Die Stromquelle 21 wird zur Bereitstellung von Temperaturei­ genschaften eingesetzt, die entgegengesetzt sind zu denjenigen der Stromquelle 22. Die Auswahl zwischen den Stromquellen 21 oder 22 für deren jeweiligen Einsatz wird auf der Basis der Polarität der Temperatureigenschaften der Brückenschaltung be­ stimmt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wurde beschrieben, daß die vari­ ablen Widerstände 25 und 28 als Widerstände zum Einstellen von If dargestellt sind, die auf dem Chip ausgebildet sind und deren Widerstandswerte unter Einsatz eines Lasers usw. auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, wie vorstehend be­ schrieben wurde.

In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem n-Sätze parallel angeordnet sind, wobei jeder Satz einen Widerstand 25-1 und eine Sicherung 30-1, die aus Aluminium (Al) hergestellt ist, aufweist. Der Widerstand 25 und die Si­ cherung 30 jedes Satzes sind jeweils in Reihe geschaltet. Im einzelnen sind Widerstände 25-1 bis 25-n und Sicherungen 30-1 bis 30-n vorhanden. In der gleichen Weise sind m-Sätze paral­ lel angeordnet, wobei jeder Satz einen Widerstand 28-1 und eine mit diesem in Reihe geschaltete Sicherung 31-1 aufweist, so daß Widerstände 28-1 bis 28-m und Sicherungen 31-1 bis 31-m vorhanden sind, wie dies gezeigt ist. Der Wert von If wird durch Auftrennen der Sicherungen 30-1 bis 30-n und 31-1 bis 31-m durch eine Schweißeinrichtung wie etwa einen Laser einge­ stellt, um den Widerstandswert zu wechseln. In diesem Fall können die Widerstände 25-1 bis 25-n und 28-1 bis 28-m durch Verunreinigungsdiffusion gebildet sein und ihre Widerstands­ werte können jeweils gleich grob oder gegenseitig unterschied­ lich sein. Weiterhin können n und m denselben Wert besitzen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Wert Vofdrift der Brückenschaltung 1 vorab gemessen und die Sicherungen 30-1 bis 30-n und 31-1 bis 31-m werden geschnitten bzw. derart unter­ brochen, daß sich jeweilige Widerstandswerte in Übereinstim­ mung mit Vofdrift ergeben. Um If auf Null einzustellen, soll­ ten alle Sicherungen 30-1 bis 30-n und 31-1 bis 31-m unterbro­ chen werden.

Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel vorliegender Er­ findung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind seriell verbun­ dene Widerstände 32-1 bis 32-n und 33-1 bis 33-m vorgesehen, mit denen jeweils Zener-Dioden 34-1 bis 34-n und 35-1 bis 35-m gekoppelt sind. Die Anode und die Kathode sind dahingehend ge­ prüft, daß ein großer Stromfluß (typischerweise mehrere 10 mA bis mehrere 100 mA) von der Kathode zur Anode hervorgerufen werden kann, und der Wert von If kann durch Kurzschließen der gewählten Zener-Diode eingestellt werden. Auch hier können n und m denselben Wert haben.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Wert von Vofdrift der Brückenschaltung 1 vorab gemessen und es wird eine geeignete aus den Zener-Dioden 34-1 bis 34-n und 35-1 bis 35-m ausge­ wählt und durch einen Stromfluß kurzgeschlossen. Da es bei diesem Ausführungsbeispiel schwierig ist, If auf Null einzu­ stellen, sollten die Kollektorströme der Transistoren 26 und 23 auf gleiche Größe eingestellt werden, um nominell denselben Zustand zu schaffen wie wenn If Null wäre. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist somit der Unterschied zwischen den Transi­ storen 26 und 23 als der Wert If eingestellt.

Fig. 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel vorliegender Er­ findung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein nicht flüchti­ ger Speicher 40 für die Ein/Aus-Steuerung von Widerständen 36-1 bis 36-n und 37-1 bis 37-m, von jeweils seriell mit den Wi­ derständen verbundenen pnp-Transistoren 38-1 bis 38-n und 39-1 bis 39-m sowie von pnp-Transistoren 38-1 bis 38-n und 39-1 bis 39-m vorgesehen. Als nicht flüchtiger Speicher 40 kann ein EE- PROM, ein Flash-EPROM, ein OTPROM oder ein Sicherungs-ROM eingesetzt werden. Der nicht flüchtige Speicher 40 ist mit einem Pufferspeicher 40a versehen. n und m können denselben Wert besitzen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Wert von Vofdrift der Brückenschaltung 1 vorab gemessen und Daten werden im nicht flüchtigen Speicher 40 derart gespeichert, daß der Wert If in Übereinstimmung mit Vofdrift eingestellt ist und ein geeigne­ ter aus den pnp-Transistoren 38-1 bis 38-n und 39-1 bis 39-m eingeschaltet wird. Um If auf Null einzustellen, sollten alle pnp-Transistoren 38-1 bis 38-n und 39-1 bis 39-m abgeschaltet werden.

Fig. 8 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel sind ein Digital/Analog-Wandler 41 als ein Stromausgang für absorbierenden Strom, Stromschalter 42 und 43 und ein nicht flüchtiger Speicher 40 vorhanden. Der durch den Digital/Analog-Wandler 41 absorbierte Stromwert und die Ein/Aus-Steuerung der Stromschalter 42 und 43 werden durch Si­ gnale gesteuert, die vom nicht flüchtigen Speicher 40 über eine Daten-Sammelleitung 44 und Datenleitungen 45 und 46 über­ tragen werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird Vofdrift der Brückenschal­ tung 1 vorab gemessen und Daten werden im nicht-flüchtigen Speicher 40 derart gespeichert, daß der Ausgangsstrom If im Digital/Analog-Wandler einen geeigneten Wert annimmt. Gleich­ zeitig werden Daten in dem nicht flüchtigen Speicher 40 derart gespeichert, daß die Stromschalter 42 und 43 in Abhängigkeit von der Polarität von Vofdrift geeignet ausgewählt und einge­ schaltet werden. Auf der Basis der Daten vom nicht flüchtigen Speicher 40 werden der Digital/Analog-Wandler 41 und die Stromschalter 42 und 43 gesteuert. Wenn in diesem Fall beide Stromschalter 42 und 43 abgeschaltet sind, wird der Wert von If zu Null.

Fig. 9 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel. Während bei den vorstehend diskutierten Ausführungsbeispielen pnp-Transistoren 15 und 16 im Eingangsabschnitt des Operationsverstärkers 8 eingesetzt wurden, wird eine Stromquelle 47 des absorbierenden Typs (bzw. des Stromsenken-Typs) anstelle der Stromquelle 19 des Entladungstyps (bzw. des Stromquellentyps) eingesetzt. In der gleichen Weise werden npn-Transistoren 48 und 49 anstelle der pnp-Transistoren 15 und 16, pnp-Transistoren 50 und 51 an­ stelle der npn-Transistoren 17 und 18 und Stromquellen 52 und 53 des Entladungs- bzw. Stromquellentyps anstelle der Strom­ quellen 21 und 22 des Absorber- bzw. Stromsenken-Typs einge­ setzt. Mit diesem Ausführungsbeispiel läßt sich dieselbe Wir­ kung wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spielen erzielen.

Wie vorstehend angegeben, wird gemäß vorliegender Erfindung den Emitterströmen zweier Transistoren eines mit zwei Sätzen von Transistoren arbeitenden Differenz-Verstärkers ein ab­ sichtlicher Unterschied aufgeprägt, um die Temperatur-Ab­ hängigkeit der Nullpunkt-Ausgangsspannung der als Druckerfas­ sungsabschnitt dienenden Brückenschaltung dadurch zu kompen­ sieren, daß die Temperaturabhängigkeit des Basis-Emitter-Span­ nungsunterschieds der beiden Transistoren ausgenutzt wird. Als Ergebnis läßt sich die Einrichtung einfach integrieren und eine kostengünstige Druckerfassungsschaltung für einen Halb­ leiter-Drucksensor, sowie ein Halbleiter-Drucksensor selbst bereitstellen. Zusätzlich ist es möglich, eine genauere Tem­ peraturkompensation zu erzielen, um einen Halbleiter-Drucksen­ sor mit hoher Genauigkeit zu schaffen.

Es wird somit eine Druckerfassungsschaltung zur Kompensation einer Temperatur-Abhängigkeit der Nullpunkt-Ausgangsspannung eines Halbleiter-Drucksensors geschaffen. Eine Differenzver­ stärker-Schaltung in einer Signalverarbeitungsschaltung des Halbleiter-Drucksensors weist zwei Transistoren auf, deren Emitter-Ströme gegenseitig unterschiedlich in Abhängigkeit von der Temperatur-Abhängigkeit der Nullpunkt-Ausgangsspannung der als Druckerfassungs-Abschnitt dienenden Brückenschaltung fest­ gelegt werden. Als Ergebnis tritt ein Unterschied zwischen den Basis-Emitter-Spannungen der beiden Transistoren auf. Die Temperatur-Abhängigkeit der Null-Ausgangsspannung der Brückenschaltung wird durch die Temperatur-Abhängigkeit der Spannungsdifferenz kompensiert.

Claims (6)

1. Druckerfassungs-Schaltung mit einer Temperatur-Kompen­ sationsfunktion, die auf einem Halbleiter-Sensorchip (106) eines Halbleiter-Drucksensors (100) ausgebildet ist und
eine Druckerfassungseinrichtung, die aus vier Meß­ widerständen (2A bis 2D) besteht, die in Form einer Brückenschaltung zum Erzeugen einer Spannungsdifferenz zwischen an einander diagonal gegenüberliegenden Posi­ tionen der Brückenschaltung angeordneten Anschlüssen (3B, 3C) in Abhängigkeit von einer empfangenen Spannung verschaltet sind, und
eine Signalverarbeitungseinrichtung (60) aufweist, die einen Differenzverstärkerabschnitt (15 bis 19; 47 bis 51), der ein Paar von Transistoren (15 bis 18; 48 bis 51) besitzt und mit einem Anschluß (3C) der Brücken­ schaltung gekoppelt ist; einen mit dem jeweiligen Kol­ lektor der beiden Transistoren gekoppelten Differenz- Vorspannstrom-Steuerabschnitt (21, 22; 52, 53) zum Ein­ stellen des Emitterstroms der beiden Transistoren des Differenzverstärkerabschnitts zur Erzeugung einer Span­ nungsdifferenz zwischen den Basis-Emitter-Spannungen der beiden Transistoren, um eine Eingangs-Offset-Span­ nung für den Differenzverstärkerabschnitt zu bilden; und einen Leistungsverstärkerabschnitt (9, 20) zum Ver­ stärken der durch die Druckerfassungseinrichtungen er­ zeugten und über den Differenzverstärkerabschnitt er­ haltenen Spannungsdifferenz enthält; wobei die Temperaturabhängigkeit der Nullpunkt-Aus­ gangsspannung der Druckerfassungseinrichtung durch die Temperaturabhängigkeit der im Differenzverstärkerab­ schnitt erzeugten Eingangs-Offset-Spannung kompensiert wird.

2. Druckerfassungs-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Differenz-Vorspannstrom-Steuerab­ schnitt durch zwei Stromquellen (21, 22; 52, 53) gebil­ det ist, die jeweils mit den Kollektoren der beiden Transistoren des Differenzverstärkerabschnitts gekop­ pelt sind und von denen jede durch eine Schaltung zum Einstellen des Emitterstroms mittels eines variablen Widerstands (25, 28) gebildet ist.

3. Druckerfassungs-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Differenz-Vorspannstrom-Steuerab­ schnitt durch zwei Stromquellen (21, 22; 52, 53) gebil­ det ist, die jeweils mit den Kollektoren der beiden Transistoren des Differenzverstärkerabschnitts gekop­ pelt sind und von denen jede durch eine Schaltung (25-1 bis 25-n, 28-1 bis 28-m, 30-1 bis 30-n, 31-1 bis 31-m) gebildet ist, die durch Anordnung und Parallelverschal­ tung einer Mehrzahl von Reihenschaltungen aus Sicherun­ gen (30-1 bis 30-n, 31-1 bis 31-m) und Widerständen (25-1 bis 25-n, 28-1 bis 28-m) gebildet ist, wobei die Sicherungen zur Veränderung des Widerstandswerts unter­ brechbar sind.

4. Druckerfassungs-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Differenz-Vorspannstrom-Steuerab­ schnitt durch zwei Stromquellen (21, 22; 52, 53) gebil­ det ist, die jeweils mit den Kollektoren der beiden Transistoren des Differenzverstärkerabschnitts gekop­ pelt sind und von denen jede aus einer Schaltung zum Verändern eines Widerstandswerts durch serielle Verbin­ dung einer Vielzahl paralleler, jeweils aus einer Ze­ ner-Diode (34-1 bis 34-n, 35-1 bis 35-m) und einem Widerstand (32-1 bis 32-n, 33-1 bis 33-m) bestehender Schaltungen und durch Kurzschließen der Zenerdiode oder Zenerdioden besteht.

5. Druckerfassungs-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Differenz-Vorspannstrom-Steuerab­ schnitt durch zwei Stromquellen gebildet ist, die je­ weils mit den Kollektoren der beiden Transistoren des Differenzverstärkerabschnitts gekoppelt sind und von denen jede durch eine Schaltung, die aus einer Vielzahl von parallel angeordneten Reihenschaltungen aus einem Transistor (38-1 bis 38-n, 39-1 bis 39-m) und einem Wi­ derstand (36-1 bis 36-n, 37-1 bis 37-m) besteht, und eine Schaltung gebildet ist, die mit einem nicht flüch­ tigen Speicher (40) für die Einschalt/Ausschalt-Steue­ rung jedes Transistors versehen ist, wobei in dem nicht flüchtigen Speicher (40) Daten in Übereinstimmung mit der Temperaturabhängigkeit der Nullpunkt-Ausgangsspan­ nung des Druckerfassungs-Abschnitts gespeichert sind.

6. Druckerfassungs-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Differenz-Vorspannstrom-Steuerab­ schnitt durch einen Digital/Analog-Wandler (41) zum Aufnehmen des Stroms, einen Stromschalter (42, 43) zum selektiven Koppeln des Digital/Analog-Wandlers mit den Kollektoren der beiden Transistoren des Differenzver­ stärkerabschnitts, und einen nicht flüchtigen Speicher (40) zum Steuern des Digital/Analog-Wandlers und des Stromschalters gebildet ist, wobei im nicht flüchtigen Speicher Daten in Abhängigkeit von der Temperaturabhängigkeit der Nullpunkt-Ausgangsspannung des Druckerfassungs-Abschnitts gespeichert sind.