DE69017536T2 - Verstärkungsschaltkreis mit Temperaturausgleich für Halbleiterdruckwandler. - Google Patents

Verstärkungsschaltkreis mit Temperaturausgleich für Halbleiterdruckwandler.

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DE69017536T2
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    • G01L9/045—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges with electric temperature compensating means

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Description

  • Ein Halbleiter-Drucksensor erzeugt eine Spannung oder eine Gruppe von Spannungen, die von dem auf den Sensor ausgeübten Druck abhängen. Es ist eine Schaltung vorhanden, mit der die erzeugte Spannung verstärkt und die erzeugte Spannung geregelt wird.
  • Die von einem Halbleiter-Drucksensor erzeugte Spannung kann sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Daher muß die mit dem Halbleiter-Drucksensor verbundene Schaltung temperaturbedingte Spannungsänderungen ausgleichen, um genaue Druckmeßwerte zu erzielen.
  • Unterschiedliche Halbleiter-Drucksensoren haben je nach den Herstellungseigenschaften leicht unterschiedliche Spannungskennlinien. Daher wird die Empfindlichkeit der Drucksensoren eingestellt.
  • Der Nullpunkt ist die Ausgangsspannung des Halbleiter-Drucksensors, wenn kein äußerer Druck oder lediglich ein Grunddruck auf den Drucksensor wirkt. Der Nullpunkt kann sich mit der Temperatur verändern. Daher sollte eine Schaltungsanordnung vorhanden sein, die die temperaturbedingten Änderungen des Nullpunktes ausgleicht.
  • Die Einstellung des Nullpunktes sollte veränderbar sein, so daß der Drucksensor über einen großen Bereich von Bedingungen arbeiten kann.
  • Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Schaltung nach dem Stand der Technik (FUJI ELECTRIC JOURNAL, Vol. 59, Nr. 11, 1986, Seite 707-710) zur Ausführung der beiden Ausgleichvorgänge und der beiden Einstellungen, die oben erläutert wurden. Die Ausgangsspannung einer Meßbrücke, die aus Dehnungsmeßstreifen 101-104 besteht, hängt von dem Druck ab, der auf die Dehnungsmeßstreifen 101-104 wirkt. Die Ausgangsspannung wird durch einen Eingangsstufen-Differentialverstärker (front stage differential amplifier) verstärkt, der Cperationsverstärker 201 und 202 sowie Widerstände 1-3 umfaßt, und wird anschließend durch einen Ausgangsstufen-Differentialverstärker (rear stage differential amplifier) verstärkt, der einen Operationsverstärker 203 sowie Widerstände 4-7 und 52 umfaßt. Die so verstärkte Ausgangsspannung stellt einen Ausgang Vout dar.
  • Widerstand 52 gleicht temperaturbedingte Spannungsveränderungen aus. Widerstand 52 ist ein Diffusionswiderstand, der eine positive Temperaturabhängigkeit aufweist. Widerstand 52 erzeugt eine positive Temperaturabhängigkeit bis zum Verstärkungsgrad des Ausgangsstufen-Differentialverstärkers, und gleicht daher die negative Temperaturabhängigkeit der Dehnungsmeßstreifenbrücke aus. In der Ausgleichsschaltung dient der Widerstand 7 als Einstellwiderstand.
  • Die Einstellung der Empfindlichkeit wird ausgeführt, indem der Widerstandswert des Widerstandes 1 verstellt wird, bis die Verstärkung der Schaltung auf einem vorgegebenen Wert liegt.
  • Die Ausgangsspannung Vd eines Operationsverstärkers 204 wird zu der Sensor-Ausgangsspannung Vout des Ausgangsstufen-Differentialverstärkers addiert, der den Operationsverstärker 203 enthält. Die Potential- und Temperatur-Kennlinien der Ausgangsspannung Vd des Verstärkers 204 werden so ausgewählt, daß Nullpunkt-Einstellung ausgeführt wird, und Ausgleich von temperaturabhängigen Veränderungen des Nullpunktes.
  • In Fig. 4 haben die Widerstände 50 und 51 einen temperaturabhängigen Widerstandswert. Die Widerstandswerte der Widerstände 10 und 11, die jeweils parallel mit den Widerständen 50 bzw. 51 verbunden sind, werden so ausgewählt, daß eine vorgegebene Temperaturkennlinie der Ausgangsspannung Vd des Operationsverstärkers 204 gewährleistet ist. Die Nullpunkt- Einstellung und der Ausgleich der Nullpunkt-Teinperatur-Kennlinie werden, wie aus der obenstehenden Beschreibung ersichtlich ist, mit Hilfe des Operationsverstärkers 904 und seiner peripheren Widerstände 8-13, 50 und 51 ausgeführt.
  • Bei Verstärkungsausgleich werden die Einstellungen in der folgenden Reihenfolge ausgeführt: Empfindlichkeits-Temperatur-Kennlinien-Ausgleich; Empfindlichkeits-Einstellung; Nullpunkt-Temperatur-Kennlinien-Ausgleich; und Nullpunkt- Einstellung. Die Einstellungen werden separat ausgeführt. Dadurch läßt sich bei den Einstellungen relativ einfach eine hohe Einstellgenauigkeit erzielen.
  • Jedoch ist die Anzahl der Bauelemente in Schaltung in Fig. 4 hoch; vier Operationsverstärker, dreizehn Widerstände und drei temperaturabhängige Widerstände werden eingesetzt. Die große Anzahl an Bauteilen verhindert die Miniaturisierung des Sensors und ist hinderlich bei der Integration aller Bauteile des Sensors auf einem einzelnen Siliciumchip.
  • Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel einer Verstärkungs-Ausgleichsschaltung mit vier Ausgleichs- und Einstellfunktionen. Die Ausgangsspannung einer Meßbrücke 100, die aus Dehnungsmeßstreifen 101-104 besteht, wird von einem Differentialverstärker verstärkt, der aus einem Operationsverstärker 205 und Widerständen 15-18 besteht.
  • Temperaturabhängige Spannungsänderungen werden mittels der Widerstände 14 und 53 ausgeglichen, die zwischen den positiven Anschluß der Spannungsquelle und die Dehnungsmeßstreifenbrücke geschaltet sind. Der Widerstand 53 weist eine negative Temperaturabhängigkeit auf. Widerstand 53 kann ein Thermistor sein. Die Anordnung der Widerstände 14 und 53 führt zu einer positiven Temperaturabhängigkeit zu dem Potential am Verbindungspunkt A der Dehnungsmeßstreifen. Die zwischen den Speisespannungsanschlüssen der Meßbrücke 100 erzeugte positive Steuerspannung gleicht die negative Temperaturabhängigkeit der Druckempfindlichkeit der Dehnungsmeßstreifen 101-104 aus.
  • Der Widerstandswert des Widerstandes 18 wird so ausgewählt, daß die Verstärkung auf einen vorgegebenen Wert festgelegt wird, um die Empfindlichkeit des Sensors einzustellen.
  • Der Nullpunkt-Temperatur-Kennlinien-Ausgleich wird ausgeführt, indem der Widerstandswert des Widerstandes 17 so eingestellt wird, daß die Temperaturabhängigkeit des Nullpunktes des Ausgangs der Meßbrücke 100 ausgeglichen wird.
  • Die Nullpunkt-Einstellung wird ausgeführt, indem die Widerstandswerte der Widerstände 19 und 20 eingestellt werden, die mit dem Widerstand 17 des Differentialverstärkers verbunden sind.
  • Wenn der Widerstandswert des Widerstandes 17 hoch ist, wird die positive Temperaturabhängigkeit des phasengleichen Meßbrückenausgangspotentials unverändert ausgegeben, d.h., es liegt eine positive Temperaturabhängigkeit zum Ausgang Vout der Schaltung vor. Wenn der Widerstandswert des Widerstandes 17 abnimmt, beeinflußt das Potential an einem Verbindungspunkt B der Widerstände l9 und 20, die nicht temperaturabhängig sind, das Potential am Nichtumkehr-Eingangsanschluß (non-inversion input terminal) des Differentialverstärkers 205, wodurch die Temperaturabhängigkeit des Sensor-Ausgangs Vout negativer wird.
  • Bei der Schaltung in Fig. 5 ist die Anzahl der Bauteile nicht so groß; ein Operationsverstärker, sieben Widerstände und ein temperaturabhängiger Widerstand werden eingesetzt. Jedoch werden die Empfindlichkeits-Einstellung, die Nullpunkt-Einstellung und die Nullpunkt-Temperatur-Kennlinie nicht separat ausgeführt. Ohne Trennung ist es schwierig, die Einstellungen mit hoher Genauigkeit vorzunehmen. Darüber hinaus ist der Nullpunkt-Temperatur-Kennlinien-Ausgleichsbereich klein, da der Bereich durch die Temperaturabhängigkeit der gleichphasigen Brückenausgangsspannung beschränkt ist. Dadurch kann kein Ausgleich vorgenommen werden, wenn die Nullpunkt-Temperatur-Abhängigkeit des Meßbrückenausgangs stark schwankt. Darüber hinaus ist aufgrund des Spannungsabfalls über die Parallelschaltung der Widerstände 14 und 53 die Brückensteuerspannung niedriger als die Sensorspeisespannung, wodurch das Brückenausgangssignal verringert wird.
  • JP-A-217375/1984 offenbart eine der oben beschriebenen Schaltung ähnelnde Schaltung. Die offenbarte Schaltung hat eine geringere Anzahl von Bauteilen als die in Fig. 4 dargestellte Schaltung. Sie weist jedoch dahingehend Nachteile auf, daß der Nullpunkt-Teinperatur-Ausgleichsbereich begrenzt ist, und daß die Kennlinien-Ausgleichsvorgänge nicht voneinander getrennt sind.
  • Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die im vorkennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dargestellte Druckerfassungsschaltung so zu verbessern, daß die Anzahl der Schaltungsbestandteile verringert wird, ohne den Ausgleichswirkungsgrad zu beeinträchtigen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.
  • Die Druckerfassungsschaltung weist erste und zweite Anschlüsse auf, die jeweils mit ersten und zweiten Potentialen verbunden sind, sowie eine Druckerfassungseinrichtung, die mit den ersten und den zweiten Anschlüssen zum Erzeugen erster und zweiter Spannungen verbunden ist. Die Differenz zwischen den ersten und den zweiten Spannungen hängt von wenigstens einem zu erfassenden Druck ab. Eine Spannungsfolgerschaltung empfängt die erste Spannung und verändert die Impedanz der ersten Spannung. Eine Verstärkereinrichtung verstärkt die Differenz zwischen den ersten und den zweiten Spannungen, und die Verstärkereinrichtung umfaßt einen Operationsverstärker mit ersten und zweiten Eingängen, sowie eine Rückkopplungsschaltung mit einem temperaturabhängigen Widerstand. Eine Einrichtung zum Einstellen der Empfindlichkeit umfaßt einen Widerstand mit einstellbarem Widerstandswert, der zwischen die Druckerfassungseinrichtung und den ersten Eingang des Operationsverstärkers geschaltet ist. Eine Einrichtung zum Kompensieren von temperaturbedingten Schwankungen im Nullpunkt der Druckerfassungsschaltung umfaßt wenigstens einen temperaturabhängigen Widerstand, der zwischen den ersten Eingang des Operationsverstärkers und den ersten Anschluß geschaltet ist, sowie wenigstens einen temperaturabhängigen Widerstand, der zwischen den ersten Eingang des Operationsverstärkers und den zweiten Anschluß geschaltet ist. Eine Einrichtung zum Einstellen des Nullpunktes umfaßt wenigstens einen Widerstand mit einem einstellbaren Widerstandswert, der zwischen den ersten Eingang des Operationsverstärkers und den ersten Anschluß geschaltet ist, sowie wenigstens einen Widerstand init einem einstellbaren Widerstandswert, der zwischen den ersten Eingang des Operationsverstärkers und den zweiten Anschluß geschaltet ist.
  • Die Spannungsfolgerschaltung umfaßt einen Operationsverstärker. Eine Ausgangsspannung in Form einer niedrigen Ausgangsimpedanz wird direkt an die Differentialverstärkerschaltung angelegt. Die Spannungsfolgerschaltung erhöht die Ausgangsimpedanz der anderen Ausgangsspannung bevor die Ausgangsspannung an den Operationsverstärker angelegt wird. Daher verhindert die Spannungsfolgerschaltung die Kennlinien- Interferenz zwischen der Differentialverstärkerschaltung und der Brückenschaltung.
  • In der Differentialverstärkerschaltung, die wenigstens einen Operationsverstärker umfaßt, werden Einstellungen der Empfindlichkeit ausgeführt, indem der Widerstandswert eines Eingangswiderstandes eingestellt wird. Empfindlichkeits-Temperatur-Ausgleich wird mit Hilfe von Rückkopplungswiderständen ausgeführt, wobei wenigstens ein Widerstand eine positive Temperaturabhängigkeit aufweist. Die Nullpunkt-Einstellung wird mit den Widerständen ausgeführt, die zwischen den Umkehr-Eingangsanschluß und die positiven und negativen Spannungsquellenanschlüsse geschaltet sind. Der Nullpunkt- Temperatur-Ausgleich wird mit Hilfe der Widerstände ausgeführt, die zwischen den Umkehr-Eingangsanschluß und die positiven und die negativen Spannungsquellenanschlüsse geschaltet sind, wobei zwei Widerstände eine hohe Temperaturabhängigkeit aufweisen.
  • Der Empfindlichkeits-Temperatur-Ausgleich, die Empfindlichkeits-Einstellung, die Nullpunkt-Einstellung und der Nullpunkt-Temperatur-Ausgleich werden unabhängig voneinander ausgeführt.
    • BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Patentbeschreibung integriert sind und einen Teil derselben bilden, stellen Ausführungen der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen ähnliche oder gleiche Teile.
  • Fig. 1 ist ein Schaltbild, das eine erste Ausführung des Drucksensors darstellt.
  • Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die Temperatur- Kennlinien mit Temperatur-Gradienten-Ausgleich bei den Widerstandswerten der Widerstände 24 und 25 in Fig. 1 zeigt.
  • Fig. 3 ist ein Schaltbild, das eine zweite Ausführung des Drucksensors darstellt.
  • Figuren 4 und 5 sind Schaltbilder, die unterschiedliche Beispiele herkömmlicher Verstärkungs-Ausgleichsschaltungen in einem Drucksensor darstellen.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
  • In den Figuren sind die Widerstände 50-58 temperaturabhängige Widerstände.
  • Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung der Halbleiter-Druckerfassungssschaltung. Dehnungsmeßstreifen 101-104 bilden eine Brücke 100 auf einer Siliciummembran. Die Dehnungsmeßstreifen 101 bis 104 sind so auf der Membran angeordnet, daß in Reaktion auf das Wirken von Druck ein Spannungssignal über Differentialausgangsanschlüsse C und D der Brücke 100 erzeugt wird.
  • Anschluß D ist mit dem Nichtumkehr-Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 206 verbunden. Der Umkehr-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 206 ist mit seinem Ausgangsanschluß verbunden, so daß eine Spannungsfolgerschaltung gebildet wird.
  • Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 206 ist über einen einstellbaren Widerstand 21 mit dem Umkehr-Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 207 verbunden. Der Nichtumkehr-Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 207 ist mit dem Anschluß C der Brücke 100 verbunden. Der Umkehr-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 207 ist ebenfalls über einen Widerstand 22 mit einem Spannungsquellenanschluß E verbunden. Ein einstellbarer Widerstand 24 und ein temperaturabhängiger Widerstand 54, die in Reihe verbunden sind, sind zwischen den Umkehr-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 207 und den Spannungsquellenanschluß E geschaltet. Der einstellbare Widerstand 22 wird somit durch die beiden in Reihe verbundenen Widerstände 24 und 25 nebengeschlossen. Der Umkehr-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 207 ist des weiteren über einen Widerstand 23 mit einem Erdanschluß G verbunden. Der Widerstand 23 ist über eine aus einem einstellbaren Widerstand 25 und einem temperaturabhängigen Widerstand 55 bestehende Reihenschaltung nebengeschlossen.
  • Eine aus einem Widerstand 56 mit einer positiven Temperaturabhängigkeit und einem einstellbaren Widerstand 26 bestehende Parallelschaltung ist zwischen den Umkehr-Eingangsanschluß von Operationsverstärker 207 und den Ausgangsanschluß von Operationsverstärker 207 geschaltet. Der Ausgangsanschluß von Operationsverstärker 207 ist der Ausgangsanschluß F des Halbleiter-Drucksensors. Eine Sensor-Ausgangsspannung Vout wird am Anschluß F erzeugt.
  • Die Funktion des Halbleiter-Drucksensors wird im folgenden beschrieben. Wenn Druck auf die Siliciummembran ausgeübt wird, nimmt das Potential Vi+ am Ausgangsanschluß C der Brücke 100 zu, während das Potential Vi- am Ausgangsanschluß D abnimmt.
  • Eine Ausgangsspannung Vi- wird an die den Operationsverstärker 206 umfassende Spannungsfolgerschaltung angelegt. Die Ausgangsspannung Vi+ wird in Form einer hohen Ausgangsimpedanz direkt an den Operationsverstärker 207 angelegt. Die Spannungsfolgerschaltung verringert die Ausgangsimpedanz der Ausgangsspannung Vi-, bevor die Ausgangsspannung Vi- an den Operationsverstärker 207 angelegt wird. Daher verhindert die Spannungsfolgerschaltung die Kennlinien-Interferenz zwischen der den Operationsverstärker 207 umfassenden Differentialverstärkerschaltung und der Brücke 100.
  • Die Differenz zwischen den Potentialen Vi- und Vi+ wird mit Hilfe der peripheren Widerstände durch den Operationsverstärker 207 verstärkt.
  • Widerstand 56 ist zusammen mit Widerstand 26 als eine Parallelschaltung von Rückkopplungswiderständen zwischen den Ausgangsanschluß und den Umkehr-Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 207 geschaltet. Die Verstärkung des Differentialverstärkers 207 weist aufgrund des temperaturabhängigen Widerstandes 56 eine positive Temperaturabhängigkeit auf. Die positive Temperaturabhängigkeit wird genutzt, um die negative Temperaturabhängigkeit der Brücke 100 auszugleichen.
  • Die Verstärkung von Operationsverstärker 207 und dementsprechend die Empfindlichkeit können eingestellt werden, indem der Widerstandswert des Widerstandes 21 verändert wird.
  • Die aus dem einstellbaren Widerstand 24 und dem temperaturabhängigen Widerstand 54 bestehende Reihenschaltung, sowie die aus dem einstellbaren Widerstand 25 und dem temperaturabhängigen Widerstand 55 bestehende Reihenschaltung dienen dem Nullpunkt-Temperatur-Kennlinien-Ausgleich. Die Widerstände 54 und 55 weisen beide eine positive Temperaturabhängigkeit auf. Strom fließt von dem Spannungsquellenanschluß E durch die aus den Widerständen 24 und 54 bestehende Reihenschaltung und die aus den Rückkopplungswiderständen 26 und 56 bestehende Parallelschaltung zum Ausgangsanschluß F des Operationsverstärkers 207, wodurch die Sensor-Ausgangsspannung Vout verringert wird. Der abnehmende Strom weist eine negative Temperaturabhängigkeit auf, die durch den Widerstand 54 beeinflußt wird, wodurch der Sensor-Ausgangsspannung Vout eine positive Temperaturabhängigkeit verliehen wird. Umgekehrt fließt Strom vom Ausgangsanschluß F des Operationsverstärkers 207 durch die aus den Rückkopplungswiderständen 26 und 56 bestehende Parallelschaltung sowie die aus den Widerständen 55 und 25 bestehende Reihenschaltung zu einem Erdanschluß G, so daß die Sensor-Ausgangsspannung Vout erhöht wird. Dieser Strom weist eine negative Temperaturabhängigkeit auf, die von dem Widerstand 55 beeinflußt wird, so daß der Sensor-Ausgangsspannung Vout eine negative Temperaturabhängigkeit verliehen wird. Die Temperaturabhängigkeiten der zunehmenden und abnehmenden Ströme werden so eingestellt, daß die Nullpunkt-Temperatur-Kennlinie der Sensor-Ausgangsspannung Vout ausgeglichen wird.
  • Die einstellbaren Widerstände 22 und 23 dienen der Nullpunkt-Einstellung. Strom fließt vom Spannungsquellenanschluß E über den Widerstand 22 und die aus den Rückkopplungswiderständen 26 und 56 bestehende Parallelschaltung zum Ausgangsanschluß F des Operationsverstärkers 207, so daß die Sensor- Ausgangsspannung Vout verringert wird. Umgekehrt fließt Strom vom Ausgangsanschluß F des Operationsverstärkers 207 durch die aus den Rückkopplungswiderständen 26 und 56 bestehende Parallelschaltung sowie den Widerstand 23 zuin Erdanschluß G, wodurch die Sensor-Ausgangsspannung Vout erhöht wird. Der Nullpunkt der Sensor-Ausgangsspannung Vout wird durch Einstellung der Widerstandswerte der Widerstände 22 und 23 bestimmt.
  • Die Sensor-Ausgangsspannung Vout kann durch die folgende Gleichung (1) dargestellt werden:
  • Vout = Vi+ + (Rx/R21) (Vi+ - Vi-) - (Vcc - Vi+) (Rx/R22) + Vi+(Rx/R23) - (Vcc - Vi+){Rx/(R24 + R54)} + Vi+{Rx/(R25 + R55)} ----- (1)
  • wobei Rx = R56 x R26/(R56 + R26) ----- (2) und Vcc die Speisespannung ist.
  • In Gleichung (1) ist der zweite Ausdruck auf der rechten Seite der verstärkte Ausgang der Brücke 100; der dritte Ausdruck ist der in dem Widerstand 22 fließende Strom; der vierte Ausdruck ist der Stromfluß in dem Widerstand 23; der fünfte Ausdruck ist der in den Widerständen 24 und 54 fließende Strom; und der sechste Ausdruck ist der in den Widerständen 25 und 55 fließende Strom. Das heißt, der zweite Ausdruck auf der rechten Seite steht für die Empfindlichkeits-Einstellung und die Empfindlichkeits-Temperatur- Kennlinien(Ausgleich)-Einstellung; der dritte und der vierte Ausdruck stehen für die Nullpunkt-Einstellung; und der fünfte und der sechste Ausdruck stehen für die Nullpunkt- Temperatur(Ausgleich)-Einstellung. Aus der obenstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die die Empfindlichkeit betreffenden Schaltungsbausteine und die den Nullpunkt betreffenden Schaltungsbausteine voneinander getrennt sind. Daher ist die Empfindlichkeits-Einstellung und der Empfindlichkeits-Temperatur-Ausgleich unabhängig von der Nullpunkt- Einstellung und dem Nullpunkt-Temperatur-Kennlinien-Ausgleich. Daher läßt sich einfach hohe Einstellgenauigkeit erreichen.
  • Im allgemeinen bezeichnet der Ausdruck "Nullpunkt-Temperatur-Kennlinien-Ausgleich" den Ausgleich eines Temperaturgradienten. Bei dieser Schaltung kann jedoch die Krümmung der Temperatur-Kennlinie ebenfalls ausgeglichen werden. Fig. 2 zeigt Temperatur-Kennlinien mit Temperaturgradientenausgleich für unterschiedliche Widerstandswerte der Widerstände 24 und 25. Eine gekrümmte Temperatur-Kennlinie kann, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, zu einer flachen Temperatur-Kennlinie verändert werden, indem die Widerstandswerte der Widerstände 24 und 25 in einem Abgleichbetrieb verändert werden.
  • Eine gekrümmte Empfindlichkeits-Temperatur-Kennlinie kann ebenfalls zu einer flachen Empfindlichkeits-Temperatur-Kennlinie verändert werden, indem die Temperatur-Kennlinie von Widerstand 56 verändert wird. Wenn der Widerstand 56 beispielsweise ähnlich wie die Dehnungsmeßstreifen durch Diffusion hergestellt wird, kann die Temperatur-Kennlinie des Widerstandes 56 verändert werden, indem die Dosierung von Störstoffen reguliert wird. Daher kann die gekrümmte Empfindlichkeits-Temperatur-Kennlinie des Sensor-Ausgangs Vout in eine flache verändert werden.
  • Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung, die die gleichen Wirkungen wie die in Fig. 1 dargestellte erste Ausführung aufweist. Bei der zweiten Ausführung werden die Nullpunkt-Einstellung und der Nullpunkt-Temperatur-Kennlinien-Ausgleich ausgeführt, indem die Widerstandswerte der Widerstände 27 bis 30 auf geeignete Werte eingestellt werden.
  • Dementsprechend weist der Halbleiter-Drucksensor die folgenden Auswirkungen bzw. Vorteile auf:
  • (1) Bei der ersten, in Fig. 1 dargestellten Ausführung der Erfindung besteht die Verstärkungs-Ausgleichsschaltung aus zwei Operationsverstärkern, sechs Widerständen und drei temperaturabhängigen Widerständen: d.h, die Anzahl der die Verstärkungs-Ausgleichsschaltung bildenden Bauteile beträgt ungefähr die Hälfte der Anzahl der Bauteile, die die Verstärkungs-Ausgleichsschaltung bei dem in Fig. 4 dargestellten herkömmlichen Drucksensor bilden. Dementsprechend läßt sich der Sensor leicht miniaturisieren. Darüber hinaus können alle Schaltungsbauteile in einem Verfahren auf einem Chip ausgebildet werden, bei dem die teinperaturabhängigen Elemente durch Diffusion auf dem Chip hergestellt und Schichtwiderstände eingesetzt werden.
  • (2) Die Empfindlichkeits-Einstellung und der Empfindlichkeits-Temperatur-Ausgleich können unabhängig von der Nullpunkt-Einstellung und dem Nullpunkt-Temperatur- Kennlinien-Ausgleich ausgeführt werden. Daher können die Einstellungen und Ausgleichsvorgänge mit hoher Genauigkeit vorgenommen werden.
  • (3) Durch Auswahl der die Nullpunkt-Temperatur-Kennlinie betreffenden Widerstandswerte kann die Krümmung der letzteren ausgeglichen werden. Dadurch arbeitet der Sensor über einen großen Temperaturbereich mit hoher Genauigkeit.

Claims (7)

1. Druckerfassungsschaltung mit:
ersten und zweiten Anschlussen (E, G), die jeweils mit ersten und zweiten Potentialen (Vcc, Gnd) verbunden sind;
einer ersten Einrichtung (101, 102, 103, 104) zum Erfassen eines Druckes und zum Erzeugen erster und zweiter Spannungen, die mit den ersten und zweiten Anschlüssen (E, G) verbunden sind, wobei die Differenz zwischen den ersten und zweiten Spannungen von mindestens einem zu erfassenden Druck abhängig ist;
einer Einrichtung (206) zum Umformen einer eine Spannungsfolgerspannung aufweisenden Impedanz;
einer Einrichtung (207, 26, 56) zum Verstärken der Differenzen zwischen den ersten und zweiten Spannungen, die einen Operationsverstärker (207) mit ersten und zweiten Eingängen und eine Rückkopplungsschaltung (26, 56) mit einem temperaturabhängigen Widerstand (56) aufweist;
einer einen ersten Widerstand (21) mit einstellbarem Widerstand aufweisenden Einrichtung (21) zum Einstellen der Empfindlichkeit der Druckerfassungsschaltung;
einer mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand (54, 57) aufweisenden Einrichtung (54, 55, 57, 58) zum Kompensieren von temperaturbedingten Schwankungen im Nullpunkt der Temperaturerfassungsschaltung, und
einer mindestens einen zweiten Widerstand (22; 27, 29) mit einstellbarem Widerstand aufweisenden Einrichtung (22, 23; 27, 29, 30, 28) zum Einstellen des Nullpunktes der Druckerfassungsschaltung;
dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Widerstand (21) zwischen die Druckerfassungseinrichtung (101, ... 104) und den ersten Eingang des Operationsverstärkers (207) geschaltet ist;
der mindestens eine temperaturabhängige Widerstand (54, 57) zwischen den ersten Eingang des Operationsverstärkers (207) und den ersten Anschluß (E) geschaltet ist, und
der zweite Widerstand (22; 27, 29) zwischen den ersten Eingang des Operationsverstärkers (207) und den ersten Anschluß (E) geschaltet ist.
2. Druckerfassungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Eingang des Operationsverstärkers (207) der invertierende Eingang ist.
3. Druckerfassungsschaltung nach Anspruch 2, wobei die Druckerfassungseinrichtung (101, ... 104) eine Brückenschaltung (100) ist, die auf einer Siliciummembran gebildete Spannungsmesser hat.
4. Druckerfassungsschaltung nach Anspruch 3, wobei die Rückkopplungsschaltung (56, 26) außerdem einen Widerstand (26) mit einstellbarem Widerstand aufweist, der parallel zum temperaturabhängigen Widerstand (56) ist.
5. Druckerfassungsschaltung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung (54, 55; 57, 58) zum Kompensieren der temperaturbedingten Schwankungen außerdem einen Widerstand (24; 29) mit einstellbarem Widerstand aufweist, der in Reihe mit mindestens einem temperaturabhängigen Widerstand (54; 57) geschaltet ist.
6. Druckerfassungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einrichtung (54, 55; 57, 58) zum Kompensieren von temperaturbedingten Schwankungen mindestens einen weiteren temperaturabhängigen Widerstand (55; 58) aufweist, der zwischen den Eingang des Operationsverstärkers (207) und den zweiten Anschluß (G) geschaltet ist, und
die Einrichtung (22, 23; 27, 29, 30, 28) zum Einstellen des Nullpunktes der Druckerfassungsschaltung mindestens einen weiteren Widerstand (23; 28, 30) mit einstellbarem Widerstand aufweist, der zwischen den ersten Eingang des Operationsverstärkers (207) und den zweiten Anschluß (G) geschaltet ist.
7. Druckerfassungsschaltung nach Anspruch 6, wobei die Einrichtung (54, 55; 57, 58) zum Kompensieren der temperaturbedingten Schwankungen einen weiteren Widerstand (25; 30) mit einstellbarem Widerstand aufweist, der in Reihe mit mindestens dem einen weiteren temperaturabhängigen Widerstand (55; 58) zwischen den ersten Eingang des Operationsverstärkers (207) und den zweiten Anschluß (G) geschaltet ist.
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