JP2000241202A - センサ装置 - Google Patents

センサ装置

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JP2000241202A
JP2000241202A JP11046561A JP4656199A JP2000241202A JP 2000241202 A JP2000241202 A JP 2000241202A JP 11046561 A JP11046561 A JP 11046561A JP 4656199 A JP4656199 A JP 4656199A JP 2000241202 A JP2000241202 A JP 2000241202A
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adjustment
data
signal
sensor
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Toshio Ikuta
敏雄 生田
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Denso Corp
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    • G01L27/002Calibrating, i.e. establishing true relation between transducer output value and value to be measured, zeroing, linearising or span error determination
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ出力の高精度化を確実に実現するこ
と。 【解決手段】 センサ回路部1において、信号処理回路
12は、圧力検出用ブリッジ回路3からの検出信号Sd
を増幅したデータ信号SDを出力し、調整回路13は、
データ信号SDの大きさが予め設定された目標値となる
ように、入力端子Vk、Vx、Vz、Vtに与えられる
電圧信号Sk、Sx、Sz、Stに基づいた調整処理を
行う。データ発生部2において、第1のEPROM14
は、各電圧信号Sk、Sx、Sz、Stの大きさをそれ
ぞれ設定するための最大で12ビット程度の特性調整用
量子化データΔk、Δx、Δz、Δtを記憶可能に構成
され、第2のEPROM15は、第1のEPROM14
から読み出された特性調整用量子化データΔk、Δx、
Δz、Δtに対しそれぞれ加減算される最大で3ビット
程度の微調整用量子化データΔk′、Δx′、Δz′、
Δt′を記憶可能に構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、センサ出力の大き
さを予め設定された目標値に調整できるようにしたセン
サ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、圧力や加速度などの物理量を検出
するためのセンサ装置においては、そのセンサ出力の高
精度化が要望されている。これに対して、センサ装置の
製造過程では、物理量検出のために設けられたセンサ要
素に種々の応力(熱応力も含む)が作用する関係上、セ
ンサ出力の大きさが設計値から変動することが避けられ
ない。このため、センサ出力の大きさが完成したセンサ
装置毎にばらつくことになり、そのままではセンサ出力
の高精度化が困難になる。
【0003】そこで、従来では、センサ装置中に、セン
サ出力の大きさを調整するための特性調整用量子化デー
タを書き込むための記憶回路(例えばEPROM)と、
この記憶回路から読み出した量子化データに基づいてセ
ンサ出力の大きさを調整するための調整回路とを設ける
構成とすることが広く行われている。このような構成を
採用する場合には、センサ装置のための一連の組み付け
工程が終了した後に、そのセンサ出力が目標値となるよ
うな大きさの特性調整用量子化データを前記記憶回路に
書き込むという調整工程を行うことになる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば車載
用のセンサ装置においては、その使用環境条件が民生品
より厳しいため、上記のような調整工程の実行後におい
て、常温での特性検査の他に、高温及び低温の各雰囲気
での特性検査をそれぞれ行う場合がある。このため、上
記のような特性検査に伴う熱履歴の影響によってセンサ
出力が変動することがあり、場合によっては、不良品が
発生して歩留まりが低下する。また、高感度のセンサ装
置では、上記高温及び低温の雰囲気での特性検査を行わ
ない場合(熱履歴の影響を受けない場合)でも、調整工
程の実行後における微妙な熱履歴や組み付け応力(例え
ば、センサ要素の搭載のために接着剤を使用した場合に
時間の経過に伴って接着剤部分で発生する応力)の影響
によってセンサ出力が変動する恐れがあり、センサ出力
を十分に高精度化することが困難であった。
【0005】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、従来以上にセンサ出力の高精度化を
確実に実現できるようになるセンサ装置を提供すること
にある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項1に記載した手段を採用できる。この手段によ
れば、信号処理回路は、センサ要素が発生する検出信号
を所定の出力信号として出力する構成となっており、ま
た、調整回路は、上記のような信号処理回路からの出力
信号の大きさが予め設定された目標値となるように、第
1記憶回路に記憶されている特性調整用データに基づい
た調整処理を行う構成となっている。従って、例えば、
センサ装置を完成させるのに必要な一連の組み付け工程
が終了した後に、第1記憶回路に対して、上記のような
調整処理後の出力信号の大きさが予め設定された目標値
となるような特性調整用データを書き込んでおけば、そ
の出力信号の大きさが目標値と合致した状態となるよう
に調整できる。これにより検出精度が向上するようにな
る。
【0007】また、上記のような第1記憶回路の他に、
当該第1記憶回路に記憶される特性調整用データを微調
整するための微調整用データを記憶する第2記憶回路が
設けられているから、例えば、センサ装置の製造工程の
最終段階において前記調整処理後の出力信号の大きさが
目標値から変動した状況となった場合には、当該第2記
憶回路に対し微調整用データを書き込むことによって、
上記のような出力信号の変動を補正するための微調整を
実行できる。
【0008】従って、センサ装置の製造過程における種
々のセンサ出力変動要因を排除できて、当該センサ装置
の出荷直前の段階でその出力調整状態を最適なものとす
ることができるため、センサ出力を十分に高精度化でき
るようになる。しかも、上記微調整用データのデータ量
はきわめて少なくて済むから、これを記憶するための第
2記憶回路として容量が小さいものを利用できて、安価
な構成とすることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明を半導体圧力センサ
装置に適用した一実施例について、図面を参照しながら
説明する。全体の電気的構成を示す図1において、本実
施例による半導体圧力センサ装置は、圧力検出用のセン
サ回路部1と、この前段にセンサ回路部1の感度調整や
ゼロオフセット調整に必要なデータを出力するためのデ
ータ発生部2とを備えた構成となっている。この場合、
センサ回路部1が有する入力端子Vk、Vx、Vz、V
tには、データ発生部2から後述のように出力される感
度調整用の電圧信号Sk、この感度の温度特性補正用の
電圧信号Sx、ゼロオフセット調整用の電圧信号Sz、
このゼロオフセットの温度特性補正用の電圧信号Stが
それぞれ与えられるようになっている。
【0010】上記センサ回路部1が有する圧力検出用ブ
リッジ回路3(本発明でいうセンサ要素に相当:以下、
単にブリッジ回路と呼ぶ)は、半導体チップに設けたダ
イヤフラム上に拡散抵抗より成るピエゾ抵抗素子RA、
RB、RC、RDを図示のようにブリッジ接続した周知
のものである。抵抗素子RA、RDの抵抗値は、ダイヤ
フラムに作用する圧力(本発明でいう所定の物理量に相
当)の増大に応じて減少し、抵抗RB、RCの抵抗値
は、ダイヤフラムに作用する圧力の増大に応じて増加す
る。
【0011】このブリッジ回路3には、電源端子+Vcc
からカレントミラー回路4内のpnp型トランジスタ4
aを通じて電流が供給されるようになっており、その電
流供給状態では、当該ブリッジ回路3の一方の出力端子
Q1(抵抗素子RA及びRBの共通接続点)の電位が印
加圧力の増大に応じて上昇し、また、他方の出力端子Q
2(抵抗素子RC及びRDの共通接続点)の電位が印加
圧力の増大に応じて低下する。従って、出力端子Q1及
びQ2間からは、印加圧力に応じた信号量(電圧レベ
ル)の検出信号Sdが出力されることになる。
【0012】センサ回路部1は、上記カレントミラー回
路4の他に、以下に述べるようなアナログ回路要素を備
えている。尚、これらの回路要素は、前記ブリッジ回路
とは異なる半導体チップ上に形成されたものである。
【0013】高入力インピーダンス差動増幅回路5は、
オペアンプ5a、5b及び抵抗5c、5d、5eを組み
合わせて成る周知のもので、前記ブリッジ回路3から出
力される検出信号Sdを増幅する。増幅された検出信号
Sdは、オペアンプ6a及びその帰還抵抗6bより成る
補正演算回路6で増幅された後に、電圧レベルのデータ
信号SDとして出力端子Vout から出力される。尚、上
記データ信号SDの大きさは、上記オペアンプ6aの反
転入力端子に接続された基準電位端子Vgnd との間の電
位差で示される。
【0014】基準電圧発生回路7は、ブリッジ回路3に
対する印加圧力及び温度と無関係に一定レベルの基準電
圧信号Saに基づく信号を発生するためもので、電源端
子+Vcc及びグランド端子間に直列接続された抵抗7
a、7b、オペアンプ7c及びその帰還抵抗7dより成
る。オペアンプ7cから出力される基準電圧信号Saに
基づく信号は、補正演算回路6内のオペアンプ6aに対
して、回路定数のばらつきなどに起因した誤差を補正す
るための信号として与えられる。尚、差動増幅回路5の
増幅出力電圧は、基準電圧発生回路7の出力電圧相当値
だけ持ち上げられる回路構成となる。
【0015】電圧−電流変換回路8は、前記カレントミ
ラー回路4のミラー電流の大きさが所定レベルとなるよ
うに調整するためのもので、入力端子Vkに与えられる
前記感度調整用の電圧信号Skを受けるオペアンプ8a
と、このオペアンプ8aの出力がベースに接続されたn
pn型トランジスタ8bと、このトランジスタ8bのエ
ミッタ及びグランド端子間に接続された抵抗8cより成
る。この場合、カレントミラー回路4内のpnp型トラ
ンジスタ4bのコレクタ電流は、上記トランジスタ8b
及び抵抗8cを通じて流れる。
【0016】このように構成された電圧−電流変換回路
8にあっては、トランジスタ8b及び抵抗8cに流れる
電流i1を、オペアンプ8aに与えられる電圧信号Sk
に応じた大きさとなるように制御するものであり、前記
ブリッジ回路3には、上記電流i1に比例したレベルの
電流Iがカレントミラー回路4を通じて供給されること
になる。従って、データ発生部2から入力端子Vkに与
える電圧信号Skのレベルを変化させることにより、ブ
リッジ回路3のセンサ感度を調整できる。
【0017】第1の温度検出回路9は、入力端子Vxに
与えられる前記感度の温度特性補正用の電圧信号Sxを
受けるオペアンプ9aの他に、前記入力端子Vk及びト
ランジスタ8bのエミッタに対して図示のように接続さ
れた抵抗9b〜9f及びオペアンプ9gを備えたもの
で、抵抗9b(オペアンプ9gの帰還抵抗)は温度特性
を有した温度補償用の抵抗(例えば拡散抵抗)、抵抗9
c〜9fは温度特性がない抵抗(例えばCrSi)であ
る。この場合、各抵抗9c〜9fの抵抗値は、センサ回
路部1が予め決められた基準温度にある状態において第
1の温度検出回路9からの出力電流ixがゼロとなるよ
うに設定される。
【0018】このように構成された第1の温度検出回路
9にあっては、入力端子Vxに電圧信号Sxが与えられ
ると、ボルテージフォロワを構成するオペアンプ9aに
よって、当該温度検出回路9に流れ込む電流が当該電圧
信号Sxに応じたレベルとなるように制御される。この
場合、センサ回路部1の温度が上記基準温度と異なる状
態では、ix≠0になるため、抵抗8cに電流ixが流
れる。この電流ixによって、カレントミラー回路4を
通じてブリッジ回路3に流れ込む前記電流Iが補正され
る。従って、データ発生部2から入力端子Vxに与える
電圧信号Sxのレベルを変化させることにより、ブリッ
ジ回路3の感度についての温度特性の補正を行い得る。
【0019】電圧入力回路10は、入力端子Vzに与え
られる前記ゼロオフセット調整用の電圧信号Szを受け
るオペアンプ10aと、このオペアンプ10aの出力側
に接続された抵抗10bより成る。
【0020】このように構成された電圧入力回路10に
あっては、入力端子Vzに電圧信号Szが与えられる
と、ボルテージフォロワを構成するオペアンプ10aに
よって、当該電圧入力回路10に流れ込む電流が当該電
圧信号Szに応じたレベルとなるように制御される。こ
の電流は、抵抗10bを通じて前記補正演算回路6の帰
還抵抗6b並びに基準電位端子Vgnd に与えられること
によって、出力端子Vout から出力されるデータ信号S
Dの電位を変化させる。従って、データ発生部2から入
力端子Vzに与える電圧信号Szのレベルを変化させる
ことにより、センサ出力(データ信号SD)のゼロオフ
セットを調節できる。
【0021】第2の温度検出回路11は、入力端子Vt
に与えられる前記ゼロオフセットの温度特性補正用の電
圧信号Stを受けるオペアンプ11aの他に、前記基準
電圧発生回路7の出力端子及び基準電位端子Vgnd に対
して図示のように接続された抵抗11b〜11f及びオ
ペアンプ11gを備えたもので、抵抗11b(オペアン
プ11gの帰還抵抗)は温度特性を有した温度補償用の
抵抗(例えば拡散抵抗)、抵抗11c〜11fは温度特
性がない抵抗(例えばCrSi)である。この場合、各
抵抗11c〜11fの抵抗値は、センサ回路部1が予め
決められた基準温度にある状態において第2の温度検出
回路11からの出力電流itがゼロとなるように設定さ
れる。
【0022】このように構成された第2の温度検出回路
11にあっては、入力端子Vtに電圧信号Stが与えら
れると、ボルテージフォロワを構成するオペアンプ11
aによって、当該温度検出回路11に流れ込む電流が当
該電圧信号Stに応じたレベルとなるように制御され
る。この場合、センサ回路部1の温度が上記基準温度と
異なる状態では、it≠0になるため、その電流itが
補正演算回路6内の帰還抵抗6b並びに基準電位端子V
gnd に与えられることによって、出力端子Voutから出
力されるデータ信号SDの電位を変化させる。従って、
データ発生部2から入力端子Vtに与える電圧信号St
のレベルを変化させることにより、センサ出力(データ
信号SD)のゼロオフセットについての温度特性の補正
を行い得る。
【0023】上述した上記したカレントミラー回路4、
差動増幅回路5、補正演算回路6、基準電圧発生回路7
によって、本発明でいう信号処理回路12が構成される
ものであり、この信号処理回路12は、ブリッジ回路3
からの検出信号Sdを増幅して、出力端子Vout からア
ナログ電圧値のデータ信号SDとして出力することにな
る。また、上述した電圧−電流変換回路8、第1の温度
検出回路9、電圧入力回路10、第2の温度検出回路1
1によって、本発明でいう調整回路13が構成されるも
のであり、この調整回路13は、上記データ信号SDの
大きさが予め設定された目標値となるように、データ発
生部2から与えられる電圧信号Sk、Sx、Sz、St
に基づいた調整処理を行うことになる。
【0024】一方、上記データ発生部2は、以下のよう
な構成となっている。第1のEPROM14(本発明で
いう第1記憶回路に相当)には、前記各電圧信号Sk、
Sx、Sz、Stの大きさをそれぞれ設定するための所
定データ量(例えば最大で12ビット程度)の特性調整
用量子化データ(特性調整用データ)Δk、Δx、Δ
z、Δtを記憶できるように構成されている。また、上
記第1のEPROM14とは独立した状態で設けられた
第2のEPROM15(本発明でいう第2記憶回路に相
当)には、上記第1のEPROM14から読み出された
特性調整用量子化データ(微調整用データ)Δk、Δ
x、Δz、Δtに対しそれぞれ加減算される所定データ
量(例えば最大で3ビット程度)の微調整用量子化デー
タΔk′、Δx′、Δz′、Δt′を記憶できるように
構成されている。
【0025】コントロールブロック16は、上記各EP
ROM14、15に対するデータ書き込み及びデータ読
み出し制御などを行うためのものであり、また、加減算
回路17は、第1のEPROM14から読み出された特
性調整用量子化データΔk、Δx、Δz、Δtの各々に
対し、第2のEPROM15から読み出された微調整用
量子化データΔk′、Δx′、Δz′、Δt′を個別に
加減算するようになっており、各演算結果は、AD変換
回路群18を介して前記センサ回路部1の各入力端子V
k、Vx、Vz、Vtに与えられる。
【0026】従って、センサ回路部1の各入力端子V
k、Vx、Vz、Vtに与えられる電圧信号Sk、S
x、Sz、Stのレベルは、第1のEPROM14に記
憶する特性調整用量子化データΔk、Δx、Δz、Δt
によって広い範囲で変更設定できるものであり、また、
その設定後の各電圧信号Sk、Sx、Sz、Stのレベ
ルを、第2のEPROM15に記憶する微調整用量子化
データΔk′、Δx′、Δz′、Δt′によって微調整
できる。
【0027】上記第1及び第2のEPROM14及び1
5の各々に対する量子化データΔk、Δx、Δz、Δt
及びΔk′、Δx′、Δz′、Δt′の書き込みは、例
えば半導体圧力センサ装置の製造工程中で行うものであ
る。以下、そのデータ書き込みタイミングの一例を図2
に基づいて説明する。
【0028】即ち、図2は製造工程の流れを概略的に示
すものであり、半導体圧力センサ装置を完成させるのに
必要な一連の組み付け工程S1が終了した後に、第1の
EPROM14に対して特性調整用量子化データΔk、
Δx、Δz、Δtを書き込むための調整工程S2を行
う。この調整工程S2では、信号処理回路12から出力
されるアナログ電圧値のデータ信号SDの大きさが、調
整回路13による調整処理に応じて予め設定された目標
値(設計値)となるような特性調整用量子化データΔ
k、Δx、Δz、Δtを書き込むものである。これによ
り、センサ出力の感度調整及びその温度特性が補正され
ると共に、センサ出力のゼロオフセット調整及びその温
度特性が補正され、ブリッジ回路3に対する印加圧力の
検出精度が向上するようになる。
【0029】上記のような調整工程S2の実行後には、
低温雰囲気でセンサ出力特性などを検査する低温検査工
程S3、高温雰囲気でセンサ出力特性など検査する高温
検査工程S5、室温雰囲気でセンサ出力特性などを検査
する室温検査工程S6が順次実行される。そして、上記
室温検査工程S5では、データ信号SDのレベルが初期
設定値(前記調整工程S2で設定した目標値)に対し許
容値以上変動した半導体圧力センサ装置を抽出するもの
である。抽出した圧力センサ装置には、最終微調整工程
S6において、第2のEPROM15に対し微調整量子
化データΔk′、Δx′、Δz′、Δt′を書き込むこ
とによって、上記のようなデータ信号SDの初期設定値
からの変動を補正するものである。具体的には、例え
ば、ゼロオフセット調整のための特性調整用量子化デー
タΔzが「525(デシマル値)」に設定された状態時
に、当該量子化データΔzの1ビット当たりのオフセッ
ト調整量が1mVであった場合を想定する。この場合に
おいて、室温検査工程S5においてデータ信号のレベル
が5mV低下したことが判明したときには、第2のEP
ROM15に対し微調整量子化データΔz′として
「5」相当値を書き込むことで、ゼロオフセット調整の
ための特性調整用量子化データΔzは、「530」(=
525+5)という値に変更される。
【0030】従って、本実施例のように、センサ出力
(データ信号SD)の目標値を設定するために使用され
る第1のEPROM14の他に、その設定目標値の変動
を補正するために使用される第2のEPROM15を設
けた半導体圧力センサ装置によれば、その半導体圧力セ
ンサ装置の製造過程における種々のセンサ出力変動要因
を排除できて、当該センサ装置の出荷直前の段階でその
出力調整状態を最適なものとすることができるため、セ
ンサ出力を十分に高精度化できる。また、センサ出力の
変動に対処するために、第1のEPROM14のデータ
を紫外線照射により一旦消去して再書き込みするという
手法を採用した場合には、その再書き込み所要時間が長
くなるという問題点が出てくるが、本実施例によれば、
このような長時間を要する工程が不要となるから、製造
所要時間の短縮も実現できる。
【0031】しかも、上記した調整工程S2において感
度調整やゼロオフセット調整などが行われた場合、その
後におけるセンサ出力の変動量は、半導体圧力センサ装
置の製造過程で生ずるセンサ出力のばらつき量に比べて
きわめて小さいため、第2のEPROM15に記憶する
微調整用量子化データΔk′、Δx′、Δz′、Δt′
のデータ量は、第1のEPROM14に記憶する特性調
整用量子化データΔk、Δx、Δz、Δtに比べて大幅
に小さくなる(当該量子化データΔk、Δx、Δz、Δ
tが10ビットであった場合、2〜3ビット程度)。従
って、第2のEPROM15として容量が小さいものを
利用できて、装置全体を安価な構成とすることができ
る。
【0032】尚、本発明は上記した実施例に限定される
ものではなく、次のような変形または拡張が可能であ
る。信号処理回路12と調整回路13とをそれぞれ別個
に設ける構成としたが、ブリッジ回路3からの検出信号
Sdを、直接或いは増幅回路で増幅した後にAD変換回
路によりデジタル値の信号に変換して演算処理する回路
構成とする場合などには、上記信号処理回路12及び調
整回路13の機能を同一のデジタル演算回路(例えばマ
イクロコンピュータ)によって実現する構成とすること
ができる。
【0033】また、被検出物理量の信号量を示す検出信
号として、アナログ電圧値の検出信号Sdを得る構成と
したが、検出信号の形態はこのような電圧値に限られる
ものではなく、例えば時間信号(パルス周期或いは周波
数)のような形態の検出信号を得る構成としても良い。
さらに、センサ要素による検出対象は、上記実施例のよ
うな圧力に限定されるものではなく、加速度、角速度、
トルク、速度、磁束、湿度、流量、濃度などのような他
の物理量を検出対象とすることも可能である。記憶回路
及び補助記憶回路をEPROMにより構成したが、例え
ばフラッシュメモリなど他の不揮発性メモリにより構成
しても良いことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の電気的構成を示す図
【図2】製造工程の内容を概略的に示すフローチャート
【符号の説明】
1はセンサ回路部、2はデータ発生部、3は圧力検出用
ブリッジ回路(センサ要素)、4はカレントミラー回
路、5は差動増幅回路、6は補正演算回路、7は基準電
圧発生回路、8は電圧−電流変換回路、9は第1の温度
検出回路、10は電圧入力回路、11は第2の温度検出
回路、12は信号処理回路、13は調整回路、14は第
1のEPROM(第1記憶回路)、15は第2のEPR
OM(第2記憶回路)、17は加減算回路を示す。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定の物理量を検出して検出信号を発生
    するセンサ要素と、 前記検出信号を処理して所定の出力信号を出力する信号
    処理回路と、 センサ出力特性を調整するための特性調整用データを記
    憶する第1記憶回路と、 前記信号処理回路からの出力信号の大きさが予め設定さ
    れた目標値となるように、前記第1記憶回路に記憶され
    る特性調整用データに基づいた調整処理を行う調整回路
    と、 前記第1記憶回路に記憶される前記特性調整用データを
    微調整するための微調整用データを記憶する第2記憶回
    路とを設けたことを特徴とするセンサ装置。
  2. 【請求項2】 前記第1記憶回路と前記第2記憶回路は
    異なる回路として構成され、両回路は独立した回路素子
    により形成されるものであることを特徴とする請求項1
    記載のセンサ装置。
  3. 【請求項3】 前記第1記憶回路に記憶される特性調整
    用データに対して前記第2記憶回路に記憶される微調整
    用データを選択的に加算若しくは減算する演算を行う加
    減算回路を備え、この加減算回路による演算結果を前記
    調整回路に前記調整処理用のデータとして与えることを
    特徴とする請求項1または2記載のセンサ装置。
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