JP2006112950A - 物理量センサのセンサ回路およびその温度特性補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 オペアンプのオフセットの温度特性を補正する場合において、その補正のためだけに回路を備えなくても良く、かつ、２温でのセンサ出力の温度特性を各製品ごとに測定しなくても済むようにする。
【解決手段】 可変抵抗１３ａ、１４ａを調整することで、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットの温度特性の傾きとオペアンプ３０、３１のオフセットの温度特性の傾きとの和がゼロとなるようにする。これにより、オペアンプ３０、３１のオフセットの温度特性に依存せずに、センサ出力のオフセットの温度特性のバラツキを小さくすることが可能となり、センサ出力のオフセットの温度特性の高精度化を図ることが可能となる。そして、オペアンプ３０、３１の温度特性の補正のためのみに回路を設ける必要が無くなるため、センサ回路の簡略化を図ることができ、製品のコストアップを防ぐことが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ゲージ抵抗からなる圧力検出素子を備えたセンシング部を有し、このセンシング部からの出力をオペアンプによって増幅してセンサ出力とする物理量センサのセンサ回路およびその温度特性補正方法に関するものである。

従来、圧力センサのセンサ回路において、ゲージ抵抗のオフセットに関する温度特性に関しては一般的によく知られており、補正が行われている（例えば、特許文献１参照）が、オペアンプのオフセットにも温度特性がある。このオペアンプのオフセットの温度特性に関しては、温度特性が小さいと仮定して無視したり、室温と高温の２温でセンサ出力の特性を測定し、その特性を示すデータに基づいて温度補償回路の調整パラメータに反映させたりしている。
特開平０４−２５７６７号公報

しかしながら、オペアンプのオフセットに温度特性が存在しているのにも関わらず、オペアンプのオフセットの温度特性を無視して補正を行わない場合、その温度特性が大きくなるようなセンサ回路であれば、当然ながらセンサ出力精度が低下してしまう。

さらに、サンプルごとにオペアンプのオフセットが異なるために、センサ出力のオフセットの温度特性にバラツキが生じてくる。これについて、図５に示す従来の各種調整のフローチャートと図６に示す調整前および各種調整後におけるゲージ抵抗のオフセットとオペアンプのオフセットおよびセンサ出力の温度依存性を参照して説明する。

図５に示されるように、圧力センサが製造されると、ゲージ抵抗のオフセットの調整が行われる。これにより、ゲージ抵抗のオフセットがゼロとなり、回路オフセット（＝ゲージ抵抗のオフセット＋オペアンプのオフセット）が初期値の１／２となるように調整が行われる。続いて、回路オフセットの調整が行われる。これにより、室温におけるゲージ抵抗のオフセット＋オペアンプがゼロとなるように調整が行われる。

このようにしてゲージ抵抗のオフセットの調整および回路オフセットの調整が行われると、図６に示されるようにゲージ抵抗の温度特性がゼロとなる。

しかしながら、オペアンプのオフセットの温度特性は無くならないため、センサ出力にも温度特性が残ることになる。そして、例えば、図６中のサンプルＡ、Ｂ、Ｃで示したように、サンプルごとにオペアンプのオフセットが異なっていることから、オペアンプのオフセットの温度特性のバラツキが大きくなり、センサ出力のオフセットの温度特性のバラツキも大きくなるのである。

なお、センサ出力のオフセットおよびその温度特性の理論式は、それぞれ次のように示され、ゲージ抵抗のオフセット＋オペアンプのオフセットとして表される回路オフセットや、これらの温度特性に応じて、センサ出力のオフセットおよびその温度特性にバラツキが生じることになる。

（数１）
センサ出力のオフセット＝回路増幅率×（ゲージ抵抗のオフセット＋オペアンプのオフセット）＋調整項
（数２）
センサ出力のオフセットの温度特性＝回路増幅率×（ゲージ抵抗のオフセットの温度特性＋オペアンプのオフセットの温度特性）＋温度特性調整項
また、２温でセンサ出力の特性を測定するものの場合、各センサ回路それぞれに対して２温での測定工程が必要となり、センサ回路の製造工程の複雑化、引いてはコストアップに繋がってしまう。

一方、オペアンプのオフセットの温度特性を補正することも可能であると考えられるが、そのための回路をセンサ回路中に設けなければならず、回路規模の拡大化に繋がり、この場合にもコストアップに繋がってしまう。

本発明は上記点に鑑みて、オペアンプのオフセットの温度特性を補正する場合において、その補正のためだけに回路を備えなくても良く、かつ、２温でのセンサ出力の温度特性を各製品ごとに測定しなくても済むようなセンサ回路およびその温度特性補正方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、ゲージ抵抗のオフセットの温度特性とオペアンプのオフセットの温度特性に関して鋭意検討を行った。

センサ回路におけるセンサ出力の温度特性は、ゲージ抵抗のオフセットの温度特性とオペアンプのオフセットの温度特性の和で決まっている。そして、オペアンプのオフセットの温度特性の傾き、つまり温度変化に対するセンサ出力への影響を調べたところ、ゲージ抵抗のオフセットの温度特性の傾きと逆になることが確認された。つまり、ゲージ抵抗のオフセットの温度特性の傾きが負になるのに対して、オペアンプのオフセットの温度特性の傾きが正になることが確認された。

また、オペアンプのオフセットの室温特性と高温特性の相関を調べたところ、これらの相関係数が大きく、製品ごとにバラツキがないことが新たに確認された。したがって、製品の最初の１ロットのみに関して室温特性と高温特性を測定しておけば、他のロットの製品におけるオペアンプのオフセットの室温特性と高温特性の相関も同様であると想定して、それを使用することができ、全数測定を行わなくても良いということが判明した。

これらの知見に基づき、オペアンプのオフセット電圧の室温特性と高温特性を予め調べておき、さらに、ゲージ抵抗の温度特性とオペアンプのオフセット電圧の温度特性とが足し合わされたときに、各温度特性が打ち消される関係となるようにすれば、他のパラメータに依存せずに、ゲージ抵抗の温度特性とオペアンプのオフセット電圧の温度特性の和がゼロになるということが判った。

そこで、請求項１に記載の発明では、ゲージ抵抗のオフセットの温度特性の傾きと第１、第２オペアンプ（３０、３１）のオフセットの温度特性の傾きとの和がゼロとなるように、ホイートストンブリッジにおける第１、第３抵抗（１１ａ、１２ａ）に並列接続された並列抵抗に含まれる第１可変抵抗（１３ａ、１４ａ）をトリミングすることを特徴としている。

これにより、第１、第２オペアンプ（３０、３１）のオフセットの温度特性に依存せずに、センサ出力のオフセットの温度特性のバラツキを小さくすることが可能となる。そして、第１、第２オペアンプ（３０、３１）の温度特性の補正のためのみに回路を設ける必要が無くなるため、センサ回路の簡略化を図ることができ、製品のコストアップを防ぐことが可能となる。

また、予め、第１、第２オペアンプ（３０、３１）のオフセットの室温特性と高温特性の相関を調べておき、それを全製品に適用して、ゲージ抵抗のオフセットの温度特性の調整を行うようにすれば、第１、第２オペアンプ（３０、３１）のオフセットの温度特性を調整するために、２温での温度特性の測定を全製品に対して行わなくても済むようにすることができる。これにより、センサ回路の製造工程の簡略化を図ることができ、コストアップを防ぐことが可能となる。

請求項２に記載の発明では、室温におけるゲージ抵抗のオフセットと第１、第２オペアンプ（３０、３１）のオフセットとの和がゼロとなるように、第３、第４可変抵抗（１５ａ、１６ａ）をトリミングすることを特徴としている。

このように、第３、第４可変抵抗（１５ａ、１６ａ）をトリミングすることにより、回路オフセットをゼロにすることが可能となる。

請求項３および４に記載の発明は、請求項１または２において物の発明として記載したものを方法という形態で記載したものである。このように、本発明を物の発明だけでなく、方法の発明として把握することも可能であり、この場合にも、上記各請求項で示した効果を得ることが可能である。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態を適用した半導体圧力センサのセンサ回路の回路構成を図１に示す。この図に示されるように、センサ回路は、電源ラインＶ、出力線Ｏ、ＧＮＤ配線Ｇを介して外部と接続されており、ブリッジ回路１００、定電流回路２００および増幅回路３００などを備えて構成されている。

半導体圧力センサには、図示しないダイアフラムが備えられており、このダイアフラムの感圧領域に、不純物を拡散してゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂが形成され、これらによりホイートストンブリッジが構成されている。

ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのうち一方の対角位置のゲージ抵抗１１ｂ、１２ａは圧力の上昇に応じて抵抗値が増加し、他の対角位置のゲージ抵抗１１ａ、１２ｂは圧力の上昇に応じて抵抗値が減少するように設定されている。このゲージ抵抗は４つ設けるのが好ましいが、２つのゲージ抵抗をそれぞれのブリッジ辺に設け、他は固定抵抗にしたもの、あるいは１つのゲージ抵抗と固定抵抗を用いてブリッジ回路を構成するようにしたのでもよい。

そして、ゲージ抵抗１１ａに対して並列的に可変抵抗１３ａおよび抵抗１３ｂが接続され、ゲージ抵抗１２ａに対して並列的に可変抵抗１４ａおよび抵抗１４ｂが接続されされており、これらにより並列抵抗が構成されている。

可変抵抗１３ａ、１４ａは、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットの温度特性を調整するためにトリミングされるものである。これらを調整することにより、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットの温度特性の傾きと後述するオペアンプ３０、３１のオフセットの温度特性の傾きとの和がゼロとされる。

また、ゲージ抵抗１１ｂに対して直列的に可変抵抗１５が接続され、ゲージ抵抗１２ｂに対して直列的に可変抵抗１６が接続されており、これらにより直列抵抗が構成されている。これらは、室温でのゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットを補正するためのものである。これらを補正することにより、室温において、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットが後述するオペアンプ３０、３１のオフセットと等しくされる。

このように、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂによるホイートストンブリッジ、並列抵抗および直列抵抗により、ブリッジ回路１００が構成されている。

このブリッジ回路１００へは抵抗１７〜２０およびオペアンプ２９等より構成される定電流回路２００から定電流が供給される。すなわち、抵抗１７、１８により電源電圧を分圧した基準電圧と電源電圧との差の電圧を抵抗１９の抵抗値で割った電流がブリッジ回路１００に供給される。ブリッジ回路１００は、その定電流の供給を受けてダイヤフラムへの印加圧力に応じた電圧Ｖ１、Ｖ２を出力する。

この電圧Ｖ１、Ｖ２は増幅回路３００にて差動増幅される。この増幅回路３００は、オペアンプ３０〜３２、トランジスタ３３、３４、抵抗２１〜２５等より構成されている。オペアンプ３１の非反転入力端子にはブリッジ回路１００からの電圧Ｖ１が印加され、またその反転入力端子にはブリッジ回路１００から出力される電圧Ｖ２が、バッファとして機能するオペアンプ３０および抵抗２１を介して印加されており、両入力電圧がオペアンプ３１にて差動増幅され、その出力によりトランジスタ３３、３４が制御される。この作動により、ブリッジ回路１００の出力電圧（Ｖ１−Ｖ２）が電流出力に変換される。

この電流変換された電流出力は、オペアンプ３２等よりなる増幅回路にて増幅され圧力検出信号を出力線Ｏに出力する。

トランジスタ３３、３４には、抵抗２２および上述した定電硫回路２００により形成される定電流が供給されるようになっている。また、抵抗２６〜２８は、温度補償用抵抗であり、センサ回路の温度特性を補償するために設けられている。

そして、このように構成されるセンサ回路内の定電流回路２００および増幅回路３００において、電源ラインＶに直接接続されている全ての抵抗１７、１９、２２に、ノイズ除去用のコンデンサ３５、３６、３７を設けて、抵抗１７、１９、２２とともにフィルタ回路が構成されている。

また、オペアンプ２９〜３２の電源供給は、上記電源ラインＶとは別の電源ラインＶ’から行われ、その電源ラインＶ’に抵抗４０およびノイズ除去用のコンデンサ３９からなるフィルタ回路が設けられている。

さらに、オペアンプ３２からの出力線Ｏに抵抗２５およびノイズ除去用のコンデンサ３８からなるフィルタ回路が設けられている。

なお、上記コンデンサ３５〜３９は、他の回路素子と同様に集積化センサチップに、例えば通常ＩＣで形成されるＭＯＳキャパシタやジャンクションキャパシタ等として形成されている。

続いて、上記のように構成されたセンサ回路における各種調整方法について、図２に示す各種調整のフローチャートと、図３に示す調整前および各種調整後におけるゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットとオペアンプ３０、３１のオフセットおよびセンサ出力の温度依存性を参照して説明する。

半導体圧力センサが製造されて直ぐの初期状態、すなわち各種調整がまだ行われていない状態のときには、図３（ａ）に示されるように、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットの温度特性の傾きとオペアンプ３０、３１のオフセットの温度特性の傾きとが一致しておらず、センサ出力も温度特性を有したものとなっている。

この状態から、図２に示されるようにゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットの調整が行われる。

このとき、ゲージ抵抗１１ａ、１２ａに対する並列抵抗、つまり可変抵抗１３ａ、１４ａがトリミングされることでゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットが調整される。これにより、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットの温度特性の傾きとオペアンプ３０、３１のオフセットの温度特性の傾きとの和がゼロとされる。

このため、図３（ｂ）に示されるように、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットの温度特性とオペアンプ３０、３１の温度特性とが、図３（ｂ）のＸ軸と平行な直線を中心として対称となる。

続いて、回路オフセットの調整が行われる。ここでいう回路オフセットとは、室温におけるゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットを意味しており、ゲージ抵抗１１ｂ、１２ｂに対する直列抵抗、つまり可変抵抗１５、１６がトリミングされることで調整される。

これにより、図３（ｃ）に示されるように、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットがゼロとなり、センサ出力のオフセットが無くなる。なお、この回路オフセットに関しては、周知のものである。

この後、センサ出力の温度特性の調整を行ったのち、センサ出力の調整が行われる。これら各調整は全製品一律的に行われる。なお、これら各調整に関しては、周知のものであるため、ここでは詳細に関しては省略する。

このようにして調整が為されると、オペアンプ３０、３１のオフセットの温度特性を打ち消すようにゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットの温度特性が調整されているため、センサ出力のオフセットの温度特性のバラツキが小さくなる。

以上説明したように、本実施形態のセンサ回路によれば、可変抵抗１３ａ、１４ａを調整することで、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットの温度特性の傾きとオペアンプ３０、３１のオフセットの温度特性の傾きとの和がゼロとなるようにしている。

これにより、オペアンプ３０、３１のオフセットの温度特性に依存せずに、センサ出力のオフセットの温度特性のバラツキを小さくすることが可能となり、センサ出力のオフセットの温度特性の高精度化を図ることが可能となる。そして、オペアンプ３０、３１の温度特性の補正のためのみに回路を設ける必要が無くなるため、センサ回路の簡略化を図ることができ、製品のコストアップを防ぐことが可能となる。

また、予め、オペアンプ３０、３１のオフセットの室温特性と高温特性の相関を調べておき、それを全製品に適用して、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットの温度特性の調整を行うようにしている。このため、オペアンプ３０、３１のオフセットの温度特性を調整するために、２温での温度特性の測定を全製品に対して行わなくても済むようにすることができる。これにより、センサ回路の製造工程の簡略化を図ることができ、コストアップを防ぐことが可能となる。

なお、ここではオペアンプ３０、３１のオフセットが室温においてゼロとなるような場合、つまり、図３（ａ）に示されるようにオペアンプ３０、３１のオフセットがＸ軸とＹ軸の交点を通過する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、これは単なる一例であり、オペアンプ３０、３１のオフセットが室温においてオフセットを持っているような場合についても本発明を適用可能である。

この場合、調整前および各種調整後におけるゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットとオペアンプ３０、３１のオフセットおよびセンサ出力の温度依存性は、図４のように示されることになる。そして、回路オフセットの調整の際に、ゲージ抵抗１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのオフセットの温度特性の平行移動量を上記図３に示す場合から変更することにより、上記と同様に、センサ出力のオフセットの温度特性をゼロにすることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態においては、半導体圧力センサに適用するものについて説明したが、ゲージ抵抗を用いるようなセンサ、例えば加速度センサなどについても、本発明を適用することが可能である。

本発明の第１実施形態における半導体圧力センサに備えられるセンサ回路の回路構成を示す図である。 センサ回路における各種調整のフローチャートを示した図である。 調整前および各種調整後におけるゲージ抵抗のオフセットとオペアンプのオフセットおよびセンサ出力の温度依存性を示した図である。 調整前および各種調整後におけるゲージ抵抗のオフセットとオペアンプのオフセットおよびセンサ出力の温度依存性を示した図である。 従来のセンサ回路における各種調整のフローチャートを示した図である。 従来の各種調整後におけるゲージ抵抗のオフセットとオペアンプのオフセットおよびセンサ出力の温度依存性を示した図である。

符号の説明

１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ…ゲージ抵抗、１３ａ、１４ａ…可変抵抗、１３ｂ、１４ｂ…抵抗、１５、１６…可変抵抗、３０、３１…オペアンプ、１００…ブリッジ回路、２００…定電流回路、３００…増幅回路。

Claims (4)

1. 互いに直列接続された第１抵抗（１１ａ）と第２抵抗（１１ｂ）、および第３抵抗（１２ａ）と第４抵抗（１２ｂ）とを有し、前記第１、第２抵抗（１１ａ、１１ｂ）に対して前記第３、第４抵抗（１２ａ、１２ｂ）が並列接続されていると共に、これら第１〜第４抵抗（１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）の少なくとも１つが印加された物理量に応じた抵抗値に変化するゲージ抵抗となっており、かつ、前記第１、第２抵抗（１１ａ、１１ｂ）および前記第３、第４抵抗（１２ａ、１２ｂ）に対して定電流が流されるように構成されたホイートストンブリッジと、
   前記第１抵抗（１１ａ）に対して並列接続され、第１可変抵抗（１３ａ）を含んで構成された並列抵抗（１３ａ、１３ｂ）と、
   前記第２抵抗（１２ａ）に対して並列接続され、第２可変抵抗（１４ａ）を含んで構成された並列抵抗（１４ａ、１４ｂ）と、
   前記第１、第２抵抗（１１ａ、１１ｂ）に対して直接接続された第３可変抵抗（１５）を含んで構成された直列抵抗と、
   前記第３、第４抵抗（１２ａ、１２ｂ）に対して直接接続された第４可変抵抗（１６）を含んで構成された直列抵抗と、
   を有するブリッジ回路（１００）と、
   前記第１抵抗（１１ａ）と前記第２抵抗（１１ｂ）との間の電位が入力される第１オペアンプ（３１）と、
   前記第３抵抗（１２ａ）と前記第４抵抗（１２ｂ）との間の電位が入力される第２オペアンプ（３０）と、
   を有する増幅回路（３００）と、を備え、
   前記ゲージ抵抗のオフセットの温度特性の傾きと前記第１、第２オペアンプ（３０、３１）のオフセットの温度特性の傾きとの和がゼロとなるように、前記第１可変抵抗（１３ａ、１４ａ）がトリミングされていることを特徴とする物理量センサのセンサ回路。
2. 室温における前記ゲージ抵抗のオフセットと前記第１、第２オペアンプ（３０、３１）のオフセットとの和がゼロとなるように、前記第３、第４可変抵抗（１５ａ、１６ａ）がトリミングされていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサのセンサ回路。
3. 互いに直列接続された第１抵抗（１１ａ）と第２抵抗（１１ｂ）、および第３抵抗（１２ａ）と第４抵抗（１２ｂ）とを有し、前記第１、第２抵抗（１１ａ、１１ｂ）に対して前記第３、第４抵抗（１２ａ、１２ｂ）が並列接続されていると共に、これら第１〜第４抵抗（１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）の少なくとも１つが印加された物理量に応じた抵抗値に変化するゲージ抵抗となっており、かつ、前記第１、第２抵抗（１１ａ、１１ｂ）および前記第３、第４抵抗（１２ａ、１２ｂ）に対して定電流が流されるように構成されたホイートストンブリッジと、
   前記第１抵抗（１１ａ）に対して並列接続され、第１可変抵抗（１３ａ）を含んで構成された並列抵抗（１３ａ、１３ｂ）と、
   前記第２抵抗（１２ａ）に対して並列接続され、第２可変抵抗（１４ａ）を含んで構成された並列抵抗（１４ａ、１４ｂ）と、
   前記第１、第２抵抗（１１ａ、１１ｂ）に対して直接接続された第３可変抵抗（１５）を含んで構成された直列抵抗と、
   前記第３、第４抵抗（１２ａ、１２ｂ）に対して直接接続された第４可変抵抗（１６）を含んで構成された直列抵抗と、
   を有するブリッジ回路（１００）と、
   前記第１抵抗（１１ａ）と前記第２抵抗（１１ｂ）との間の電位が入力される第１オペアンプ（３１）と、
   前記第３抵抗（１２ａ）と前記第４抵抗（１２ｂ）との間の電位が入力される第２オペアンプ（３０）と、
   を有する増幅回路（３００）と、を備えてなる物理量センサのセンサ回路における温度特性補正方法であって、
   前記第１、第２オペアンプ（３０、３１）における室温とそれよりも温度が高い高温のときのオフセットの温度特性の相関を求めるステップと、
   前記室温と高温のときにおける前記第１、第２オペアンプ（３０、３１）のオフセットの温度特性の相関に基づいて、前記ゲージ抵抗のオフセットの温度特性の傾きと前記第１、第２オペアンプ（３０、３１）のオフセットの温度特性の傾きとの和がゼロとなるように、前記第１可変抵抗（１３ａ、１４ａ）をトリミングするステップと、を含んでいることを特徴とする物理量センサのセンサ回路の温度特性補正方法。
4. 室温における前記ゲージ抵抗のオフセットと前記第１、第２オペアンプ（３０、３１）のオフセットとの和がゼロとなるように、前記第３、第４可変抵抗（１５ａ、１６ａ）をトリミングするステップを更に含んでいることを特徴とする請求項３に記載の物理量センサのセンサ回路の温度特性補正方法。
   

Images