JP2007232590A

JP2007232590A - Pressure signal output device

Info

Publication number: JP2007232590A
Application number: JP2006055273A
Authority: JP
Inventors: Kentarou Mizuno; 健太朗水野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2007-09-13

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pressure signal out put device capable of coping with both the case a gauge resistance is showing plus or minus characteristics. <P>SOLUTION: The pressure signal output device 1 comprises: the constant current electric source 14; the piezo resistance element 12, the resistance of which changes depending on the pressure, also the resistance changes depending on the temperature; the current regulation circuit 40; and the output terminal 16. The current regulation circuit 40 comprises the parallel circuit of the first current regulation circuit 20 for reducing the current depending on the temperature rise, and the second current regulation circuit 30 for increasing current depending on the temperature rise. The parallel circuit of the piezo resistance element 12 and the current regulation circuit 40 is serially connected with the constant current electric source 14. The output terminal 16 is connected with the joint point of the constant current electric source 14 and the piezo resistance element 12. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧力に依存して変化する電圧を出力する圧力信号出力装置に関する。 The present invention relates to a pressure signal output device that outputs a voltage that varies depending on pressure.

ピエゾ抵抗素子の抵抗値は、加えられる圧力に依存して変化する。この現象を利用して、圧力に依存して変化する電圧（信号）を出力する装置が開発されている。この種の圧力信号出力装置は、内燃機関の爆発圧力や油圧駆動装置の油圧などを測定するために用いられる。
図７に、従来の圧力信号出力装置３０１の回路図を示す。圧力信号出力装置３０１は、定電流電源３１４と、ピエゾ抵抗素子３１２と、出力端子３１６を備えている。ピエゾ抵抗素子３１２は、定電流電源３１４に対して直列に接続されている。出力端子３１６は、定電流電源３１４とピエゾ抵抗素子３１２の接続点に接続されている。定電流電源３１４は、ピエゾ抵抗素子３１２に定電流Ｉｉｎを供給する。ピエゾ抵抗素子３１２の抵抗値が圧力に依存して変化すると、その抵抗変化に応じた電圧変化が出力端子３１６に現れる。その電圧変化を換算して、ピエゾ抵抗素子３１２に加わる圧力が測定される。 The resistance value of the piezoresistive element changes depending on the applied pressure. Devices have been developed that use this phenomenon to output a voltage (signal) that changes depending on pressure. This type of pressure signal output device is used to measure the explosion pressure of an internal combustion engine, the hydraulic pressure of a hydraulic drive device, and the like.
FIG. 7 shows a circuit diagram of a conventional pressure signal output device 301. The pressure signal output device 301 includes a constant current power source 314, a piezoresistive element 312, and an output terminal 316. The piezoresistive element 312 is connected in series with the constant current power source 314. The output terminal 316 is connected to a connection point between the constant current power source 314 and the piezoresistive element 312. The constant current power source 314 supplies a constant current Iin to the piezoresistive element 312. When the resistance value of the piezoresistive element 312 changes depending on the pressure, a voltage change corresponding to the resistance change appears at the output terminal 316. By converting the voltage change, the pressure applied to the piezoresistive element 312 is measured.

ピエゾ抵抗素子３１２には、半導体基板に設けられたゲージ抵抗を用いることが多い。ゲージ抵抗は、半導体基板の表面部に不純物を導入することによって形成される。この種のゲージ抵抗の抵抗変化は、温度に依存して変化することが知られている。即ち、ゲージ抵抗の感度が、温度に依存して変化してしまう。
図８に、ゲージ抵抗に導入される不純物濃度と感度の関係を示す。ゲージ抵抗に導入される不純物濃度が、約１０^１８ｃｍ^-３以下、又は約１０^２０ｃｍ^-３以上の範囲に調整されていると、ゲージ抵抗の抵抗変化は、温度が上昇したときに正の特性（温度に依存して感度が向上）を示す。一方、ゲージ抵抗に導入される不純物濃度が、約１０^１８ｃｍ^-３〜約１０^２０ｃｍ^-３の範囲に調整されていると、ゲージ抵抗の抵抗変化は、温度が上昇したときに負の特性（温度に依存して感度が悪化）を示す。 For the piezoresistive element 312, a gauge resistor provided on a semiconductor substrate is often used. The gauge resistance is formed by introducing impurities into the surface portion of the semiconductor substrate. It is known that the resistance change of this type of gauge resistance changes depending on temperature. That is, the sensitivity of the gauge resistance changes depending on the temperature.
FIG. 8 shows the relationship between the impurity concentration introduced into the gauge resistance and the sensitivity. The concentration of impurities introduced into the gauge resistors is about 10 ¹⁸ cm ^-3 or less, or when about 10 ²⁰ cm ^-3 is adjusted to the above range, the resistance change of the gauge resistor is positive when the temperature increases Characteristic (sensitivity increases depending on temperature). On the other hand, when the impurity concentration introduced into the gauge resistance is adjusted to the range of about 10 ¹⁸ cm ⁻³ to about 10 ²⁰ cm ⁻³ , the resistance change of the gauge resistance is negative when the temperature rises. (Sensitivity deteriorates depending on temperature).

図９に、圧力信号出力装置３０１の出力電圧の波形を示す。この圧力信号出力装置３０１のピエゾ抵抗素子３１２には、抵抗変化が正の特性を示すゲージ抵抗が用いられている。ピエゾ抵抗素子３１２に加えられる圧力の大きさは同一である。
図９に示すように、低温Ｔ１℃（例えば−２０℃）、常温Ｔ２（例えば２５℃）、高温Ｔ３（例えば１２５℃）において、それぞれの環境温度における電圧変化ΔＶ_１、ΔＶ_２、ΔＶ_３は、同一の圧力にも関わらず異なっている。したがって、それぞれの環境温度におけるゲージ抵抗の抵抗変化が異なっている。ゲージ抵抗の抵抗変化が、環境温度の上昇に依存して正の特性を示し、感度が向上してしまうことが分かる。 FIG. 9 shows the waveform of the output voltage of the pressure signal output device 301. For the piezoresistive element 312 of the pressure signal output device 301, a gauge resistor having a positive resistance change characteristic is used. The amount of pressure applied to the piezoresistive element 312 is the same.
As shown in FIG. 9, voltage changes ΔV ₁ , ΔV ₂ , and ΔV _{3 at} respective environmental temperatures at a low temperature T1 ° C. (for example, −20 ° C.), a normal temperature T2 (for example, 25 ° C.), and a high temperature T3 (for example, 125 ° C.) Despite the same pressure, they are different. Therefore, the resistance change of the gauge resistance at each environmental temperature is different. It can be seen that the resistance change of the gauge resistance exhibits a positive characteristic depending on the increase in the environmental temperature, and the sensitivity is improved.

特許文献１には、図９に示す特性、即ち、ゲージ抵抗の抵抗変化が正の特性を示す場合に対処する技術が開示されている。特許文献１では、ゲージ抵抗に対して補正用の固定抵抗を並列接続する。固定抵抗には、環境温度に依存して抵抗値が変わらないものが用いられている。したがって、環境温度が上昇すると、固定抵抗の抵抗値は変わらないものの、ゲージ抵抗の抵抗値は上昇する。このため、環境温度が上昇すると、固定抵抗に流入する電流値は増大し、ゲージ抵抗に流入する電流値は減少する。これにより、ゲージ抵抗の抵抗変化の増大分を、ゲージ抵抗に流入する電流値の減少分によって相殺することができる。 Patent Document 1 discloses a technique for dealing with a case where the characteristic shown in FIG. 9, that is, the resistance change of the gauge resistance shows a positive characteristic. In Patent Document 1, a fixed resistor for correction is connected in parallel to a gauge resistor. A fixed resistor whose resistance value does not change depending on the environmental temperature is used. Therefore, when the environmental temperature increases, the resistance value of the fixed resistor does not change, but the resistance value of the gauge resistor increases. For this reason, when the environmental temperature rises, the current value flowing into the fixed resistance increases, and the current value flowing into the gauge resistance decreases. Thereby, the increase in the resistance change of the gauge resistance can be offset by the decrease in the current value flowing into the gauge resistance.

特開平３−１９４４０１号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-194401

しかしながら、特許文献１の技術では、ゲージ抵抗の抵抗変化が正の特性を示す場合にしか対処することができない。このため、ゲージ抵抗に導入される不純物濃度を、約１０^１８ｃｍ^-３以下、又は約１０^２０ｃｍ^-３以上の範囲に調整しなければならない。特許文献１の技術では、不純物濃度が約１０^１８ｃｍ^-３〜約１０^２０ｃｍ^-３の範囲のゲージ抵抗を利用することができない。このため、特許文献１の技術では、圧力信号出力装置の設計の自由度を著しく制限してしまう。
本発明は、ゲージ抵抗の抵抗変化が正負のいずれの特性を示す場合にも対処することができる圧力信号出力装置を提供することを目的とする。 However, the technique of Patent Document 1 can deal only when the resistance change of the gauge resistance shows a positive characteristic. For this reason, it is necessary to adjust the impurity concentration introduced into the gauge resistance to a range of about 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less, or about 10 ²⁰ cm ⁻³ or more. In the technique of Patent Document 1, a gauge resistance having an impurity concentration in the range of about 10 ¹⁸ cm ⁻³ to about 10 ²⁰ cm ⁻³ cannot be used. For this reason, in the technique of patent document 1, the freedom degree of design of a pressure signal output device will be restrict | limited remarkably.
An object of the present invention is to provide a pressure signal output device capable of coping with the case where the resistance change of the gauge resistance exhibits either positive or negative characteristics.

本発明は、ピエゾ抵抗素子に対して並列に接続されている電流調整回路を備えていることを特徴としている。その電流調整回路は、温度上昇に依存して電流値を減少する第１電流調整回路と、温度上昇に依存して電流値を増大する第２電流調整回路の並列回路を有していることを特徴としている。
電流調整回路は、ピエゾ抵抗素子に対して並列に接続されている。このため、電流調整回路の電流値の増減によって、ピエゾ抵抗素子に流れる電流値の増減を調整することができる。電流調整回路の電流値は、第１電流調整回路の電流値と第２電流調整回路の電流値に基づいて調整される。第１電流調整回路の電流値と第２電流調整回路の電流値は、温度上昇に依存して変化する。したがって、電流調整回路の電流値も、温度上昇に依存して変化する。温度が上昇したときに、第１電流調整回路の電流値の減少分が、第２電流調整回路の電流値の増大分を上回るときは、電流調整回路には、温度上昇に依存して減少する電流値が流れる。このとき、ピエゾ抵抗素子に流れる電流値は、温度上昇に依存して増大する。温度が上昇したときに、第１電流調整回路の電流値の減少分が、第２電流調整回路の電流値の増大分を下回るときは、電流調整回路には、温度上昇に依存して増大する電流値が流れる。このとき、ピエゾ抵抗素子に流れる電流値は、温度上昇に依存して減少する。第１電流調整回路と第２電流調整回路の特性を調整することによって、ピエゾ抵抗素子に流れる電流値を温度上昇に依存して調整することができる。したがって、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化が、温度上昇に依存して正負のいずれに変化したとしても、それに対応してピエゾ抵抗素子に流れる電流値の増減を調整することによって相殺することができる。本発明によれば、電圧変化が環境温度に依存しない圧力信号出力装置を得ることができる。 The present invention is characterized by including a current adjustment circuit connected in parallel to the piezoresistive element. The current adjustment circuit has a parallel circuit of a first current adjustment circuit that decreases the current value depending on the temperature rise and a second current adjustment circuit that increases the current value depending on the temperature rise. It is a feature.
The current adjustment circuit is connected in parallel to the piezoresistive element. For this reason, increase / decrease in the current value flowing through the piezoresistive element can be adjusted by increasing / decreasing the current value of the current adjustment circuit. The current value of the current adjustment circuit is adjusted based on the current value of the first current adjustment circuit and the current value of the second current adjustment circuit. The current value of the first current adjustment circuit and the current value of the second current adjustment circuit change depending on the temperature rise. Therefore, the current value of the current adjustment circuit also changes depending on the temperature rise. If the decrease in the current value of the first current adjustment circuit exceeds the increase in the current value of the second current adjustment circuit when the temperature rises, the current adjustment circuit decreases depending on the temperature increase. Current value flows. At this time, the value of the current flowing through the piezoresistive element increases depending on the temperature rise. If the decrease in the current value of the first current adjustment circuit falls below the increase in the current value of the second current adjustment circuit when the temperature rises, the current adjustment circuit increases depending on the temperature increase. Current value flows. At this time, the value of the current flowing through the piezoresistive element decreases depending on the temperature rise. By adjusting the characteristics of the first current adjustment circuit and the second current adjustment circuit, the value of the current flowing through the piezoresistive element can be adjusted depending on the temperature rise. Therefore, even if the resistance change of the piezoresistive element changes to either positive or negative depending on the temperature rise, it can be canceled by adjusting the increase / decrease in the value of the current flowing through the piezoresistive element. According to the present invention, it is possible to obtain a pressure signal output device whose voltage change does not depend on the environmental temperature.

本発明は、圧力に依存して変化する電圧を出力する圧力信号出力装置に具現化することができる。本発明の圧力信号出力装置は、定電流電源と、圧力に依存して抵抗値が変化するとともに抵抗変化が温度に依存して変化するピエゾ抵抗素子と、電流調整回路と、出力端子を備えている。電流調整回路は、温度上昇に依存して電流値を減少する第１電流調整回路と、温度上昇に依存して電流値を増大する第２電流調整回路の並列回路を有している。ピエゾ抵抗素子と電流調整回路は並列回路を構成しており、その並列回路は定電流電源に対して直列に接続されている。出力端子は、定電流電源とピエゾ抵抗素子の接続点に接続されている。
本発明の電流調整回路は、第１電流調整回路と第２電流調整回路の特性を調整することによって、ピエゾ抵抗素子に流れる電流値を温度上昇に依存して調整することができる。したがって、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化が、温度上昇に依存して正負のいずれに変化したとしても、それに対応してピエゾ抵抗素子に流れる電流値の増減を調整することによって相殺することができる。本発明の圧力信号出力装置は、電圧変化が環境温度に依存しない特性を得ることができる。 The present invention can be embodied in a pressure signal output device that outputs a voltage that varies depending on pressure. The pressure signal output device of the present invention includes a constant current power supply, a piezoresistive element whose resistance value changes depending on pressure and whose resistance change changes depending on temperature, a current adjustment circuit, and an output terminal. Yes. The current adjustment circuit has a parallel circuit of a first current adjustment circuit that decreases the current value depending on the temperature rise and a second current adjustment circuit that increases the current value depending on the temperature rise. The piezoresistive element and the current adjustment circuit constitute a parallel circuit, and the parallel circuit is connected in series with the constant current power source. The output terminal is connected to a connection point between the constant current power source and the piezoresistive element.
The current adjustment circuit of the present invention can adjust the value of the current flowing through the piezoresistive element depending on the temperature rise by adjusting the characteristics of the first current adjustment circuit and the second current adjustment circuit. Therefore, even if the resistance change of the piezoresistive element changes to either positive or negative depending on the temperature rise, it can be canceled by adjusting the increase / decrease in the value of the current flowing through the piezoresistive element. The pressure signal output device of the present invention can obtain the characteristic that the voltage change does not depend on the environmental temperature.

本発明の第１電流調整回路は、第１固定抵抗とｐｎｐトランジスタが直列に接続されていることが好ましい。本発明の第２電流調整回路は、ダイオードと第２固定抵抗が直列に接続されていることが好ましい。ｐｎｐトランジスタのベース端子は、第２電流調整回路のダイオードと第２固定抵抗の接続点に接続されていることが好ましい。
上記態様の第１電流調整回路は、温度上昇に依存して電流値を減少する特性を有している。上記態様の第２電流調整回路は、温度上昇に依存して電流値を増大する特性を有している。さらに、第１固定抵抗及び／又は第２固定抵抗の抵抗値を調整することによって、温度が上昇したときに、「第１電流調整回路の電流値の減少分＞第２電流調整回路の電流値の増大分」又は「第１電流調整回路の電流値の減少分＜第２電流調整回路の電流値の増大分」のいずれかの関係を得ることができる。上記態様の電流調整回路によれば、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化が温度上昇に依存して正負のいずれに変化したとしても、それに対応してピエゾ抵抗素子に流れる電流値の増減を調整することができる。 In the first current adjustment circuit of the present invention, the first fixed resistor and the pnp transistor are preferably connected in series. In the second current adjustment circuit of the present invention, it is preferable that the diode and the second fixed resistor are connected in series. The base terminal of the pnp transistor is preferably connected to a connection point between the diode of the second current adjustment circuit and the second fixed resistor.
The first current adjustment circuit of the above aspect has a characteristic of decreasing the current value depending on the temperature rise. The second current adjustment circuit of the above aspect has a characteristic of increasing the current value depending on the temperature rise. Further, when the temperature rises by adjusting the resistance value of the first fixed resistor and / or the second fixed resistor, “the decrease in the current value of the first current adjustment circuit> the current value of the second current adjustment circuit The relationship of “increased increase” or “decrease in current value of the first current adjustment circuit <increased increase in current value of the second current adjustment circuit” can be obtained. According to the current adjustment circuit of the above aspect, even if the resistance change of the piezoresistive element changes to either positive or negative depending on the temperature rise, the increase / decrease in the value of the current flowing through the piezoresistive element can be adjusted accordingly. it can.

下記に詳細に説明する実施例の主要な形態を最初に列記する。
（形態１）圧力信号出力装置は、油圧駆動装置の油圧を測定する。
（形態２）ピエゾ抵抗素子は、半導体基板に設けられたゲージ抵抗を用いている。
（形態３）形態２において、ゲージ抵抗に導入される不純物濃度は、１０^１８ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^-３である。上記の不純物濃度を有するゲージ抵抗は、環境温度の上昇に伴う抵抗変化が負の特性を示す。
（形態４）形態２において、ゲージ抵抗に導入される不純物濃度は、１０^１８ｃｍ^−３以下か１０^２０ｃｍ^-３以上の範囲である。上記の不純物濃度のゲージ抵抗は、環境温度の上昇に伴う抵抗変化が正の特性を示す。 The main forms of the embodiments described in detail below are listed first.
(Mode 1) The pressure signal output device measures the hydraulic pressure of the hydraulic drive device.
(Mode 2) The piezoresistive element uses a gauge resistor provided on a semiconductor substrate.
(Mode 3) In the mode 2, the impurity concentration introduced into the gauge resistance is 10 ¹⁸ cm ⁻³ to 10 ²⁰ cm ⁻³ . The gauge resistance having the above impurity concentration exhibits a negative characteristic in which the resistance change with the increase in environmental temperature is negative.
(Embodiment 4) In Embodiment 2, the impurity concentration introduced into the gauge resistance is in the range of 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less or 10 ²⁰ cm ⁻³ or more. The gauge resistance having the above-described impurity concentration exhibits a positive characteristic in which the resistance change accompanying an increase in environmental temperature is positive.

図１に、本実施例の圧力信号出力装置１の回路図を示す。圧力信号出力装置１は、車両等の油圧駆動装置の油圧を計測するために用いられる。圧力信号出力装置１が設置される環境温度は、極寒の低温から常温（例えば−４０℃〜３０℃）の範囲であり、油圧駆動装置の作動時には高温（例えば８０℃〜１５０℃）にまで達することがある。圧力信号出力装置１には、このような広範な範囲の環境温度の変化においても、正確な計測値を出力することが求められている。
圧力信号出力装置１は、定電流電源１４と、ピエゾ抵抗素子１２と、電流調整回路４０と、出力端子１６を備える。ピエゾ抵抗素子１２には、ｎ型の不純物を含むシリコンチップの表面部に、ｐ型の不純物を導入して形成されたゲージ抵抗が用いられている。そのピエゾ抵抗素子１２には、受圧ブロックが接している。燃焼圧は、受圧ブロックを介してピエゾ抵抗素子１２に印加される。ピエゾ抵抗素子１２は、印加された燃焼圧に依存して抵抗値が変化する。電流調整回路４０は、温度上昇に依存して電流値を減少する第１電流調整回路２０と、温度上昇に依存して電流値を増大する第２電流調整回路３０の並列回路を有している。ピエゾ抵抗素子１２と電流調整回路４０は、並列回路を構成しており、その並列回路は、定電流電源１４に対して直列に接続されている。出力端子１６は、定電流電源１４とピエゾ抵抗素子１２の接続点に接続されている。出力端子１６は、燃焼圧の増大によるピエゾ抵抗素子１２の抵抗変化から導き出される電圧変化を出力する。出力される電圧変化は、電流調整回路４０で補正されてから出力される。 In FIG. 1, the circuit diagram of the pressure signal output device 1 of a present Example is shown. The pressure signal output device 1 is used for measuring the hydraulic pressure of a hydraulic drive device such as a vehicle. The environmental temperature in which the pressure signal output device 1 is installed ranges from extremely low temperature to normal temperature (for example, −40 ° C. to 30 ° C.), and reaches a high temperature (for example, 80 ° C. to 150 ° C.) when the hydraulic drive device is operated. Sometimes. The pressure signal output device 1 is required to output an accurate measurement value even in such a wide range of environmental temperature changes.
The pressure signal output device 1 includes a constant current power source 14, a piezoresistive element 12, a current adjustment circuit 40, and an output terminal 16. The piezoresistive element 12 uses a gauge resistor formed by introducing p-type impurities into the surface portion of a silicon chip containing n-type impurities. A pressure receiving block is in contact with the piezoresistive element 12. The combustion pressure is applied to the piezoresistive element 12 through the pressure receiving block. The resistance value of the piezoresistive element 12 changes depending on the applied combustion pressure. The current adjustment circuit 40 includes a parallel circuit of a first current adjustment circuit 20 that decreases a current value depending on a temperature rise and a second current adjustment circuit 30 that increases a current value depending on a temperature rise. . The piezoresistive element 12 and the current adjustment circuit 40 constitute a parallel circuit, and the parallel circuit is connected in series to the constant current power source 14. The output terminal 16 is connected to a connection point between the constant current power supply 14 and the piezoresistive element 12. The output terminal 16 outputs a voltage change derived from a resistance change of the piezoresistive element 12 due to an increase in combustion pressure. The output voltage change is corrected by the current adjustment circuit 40 and then output.

図２に、電流調整回路４０を構成する第１電流調整回路２０と第２電流調整回路３０の具体的な回路図を示す。
第１電流調整回路２０は、抵抗値がＲｅである第１固定抵抗２２と、ｐｎｐトランジスタ２４が直列に接続されている。ｐｎｐトランジスタ２４のコレクタ端子は、接地電圧に固定されている。第２電流調整回路３０は、２つのダイオード３２、３４と、抵抗値がＲｂｂの第２固定抵抗３６が直列に接続されている。第２固定抵抗３６の一方は、接地電圧に固定されている。第１電流調整回路２０のｐｎｐトランジスタ２４のベース端子は、第２電流調整回路３０のダイオード３４と第２固定抵抗３６の接続点に接続されている。 FIG. 2 shows a specific circuit diagram of the first current adjustment circuit 20 and the second current adjustment circuit 30 constituting the current adjustment circuit 40.
In the first current adjustment circuit 20, a first fixed resistor 22 having a resistance value of Re and a pnp transistor 24 are connected in series. The collector terminal of the pnp transistor 24 is fixed to the ground voltage. In the second current adjustment circuit 30, two diodes 32 and 34 and a second fixed resistor 36 having a resistance value Rbb are connected in series. One of the second fixed resistors 36 is fixed to the ground voltage. A base terminal of the pnp transistor 24 of the first current adjustment circuit 20 is connected to a connection point between the diode 34 and the second fixed resistor 36 of the second current adjustment circuit 30.

ここで、電流調整回路４０に印加される電圧をＶｒとする。電流調整回路４０は、第１電流調整回路２０と第２電流調整回路３０の並列回路であるので、第１電流調整回路２０と第２電流調整回路３０にも電圧Ｖｒが印加される。なお、電圧Ｖｒは、出力電圧Ｖoutのうちのオフセット電圧にほぼ一致する。
次に、電流調整回路４０に流入する調整電流Ｉｃを導出する。調整電流Ｉｃは、第１電流調整回路２０に流れる電流Ｉｃａと第２電流調整回路３０に流れる電流Ｉｃｂの和算値である。
まず、第２電流調整回路３０に流れる電流Ｉｃｂを導出する。一般的に、ダイオード３２、３４の順方向の電圧Ｖｄは、温度上昇に対して負の特性を有している。したがって、ダイオード３２、３４のそれぞれの順方向の電圧Ｖｄは、温度上昇に依存して降下する。ダイオード３２、３４のそれぞれの順方向の電圧Ｖｄは、温度変化ΔＴを変数とする関数で表され、その関係を数１に示す。 Here, the voltage applied to the current adjustment circuit 40 is Vr. Since the current adjustment circuit 40 is a parallel circuit of the first current adjustment circuit 20 and the second current adjustment circuit 30, the voltage Vr is also applied to the first current adjustment circuit 20 and the second current adjustment circuit 30. Note that the voltage Vr substantially matches the offset voltage of the output voltage Vout.
Next, the adjustment current Ic flowing into the current adjustment circuit 40 is derived. The adjustment current Ic is the sum of the current Ica flowing through the first current adjustment circuit 20 and the current Icb flowing through the second current adjustment circuit 30.
First, the current Icb flowing through the second current adjustment circuit 30 is derived. Generally, the forward voltage Vd of the diodes 32 and 34 has a negative characteristic with respect to a temperature rise. Therefore, the forward voltage Vd of each of the diodes 32 and 34 drops depending on the temperature rise. The forward voltage Vd of each of the diodes 32 and 34 is expressed by a function having the temperature change ΔT as a variable, and the relationship is shown in Equation 1.

第２電流調整回路３０には、電圧Ｖｒが印加されている。第２固定抵抗３６の両端には、電圧Ｖｒからダイオード３２とダイオード３４のそれぞれの電圧降下の合計を差し引いた電圧が印加される。したがって、第２電流調整回路３０に流れる電流Ｉｃｂは、数２に示すように導出できる。前記したように、電圧Ｖｒは、出力電圧Ｖoutのうちのオフセット電圧にほぼ一致する。オフセット電圧は、一般的に、ほぼ一定の間を維持するか、又は温度上昇に対して正の特性を有している。一方、数１に示すように、電圧Ｖｄは、温度上昇に依存して降下する。抵抗値Ｒｂｂは固定なので、電流Ｉｃｂは、温度上昇に依存して増大することが分かる。 A voltage Vr is applied to the second current adjustment circuit 30. A voltage obtained by subtracting the total voltage drop of the diode 32 and the diode 34 from the voltage Vr is applied to both ends of the second fixed resistor 36. Therefore, the current Icb flowing through the second current adjustment circuit 30 can be derived as shown in Equation 2. As described above, the voltage Vr substantially matches the offset voltage of the output voltage Vout. The offset voltage generally remains approximately constant or has a positive characteristic with respect to temperature rise. On the other hand, as shown in Equation 1, the voltage Vd drops depending on the temperature rise. Since the resistance value Rbb is fixed, it can be seen that the current Icb increases depending on the temperature rise.

次に、第１電流調整回路２０を流れる電流Ｉｃａを導出する。
第１電流調整回路２０には、電圧Ｖｒが印加されている。第１電流調整回路２０のｐｎｐトランジスタ２４のエミッタ・ベース間には、寄生のｐｎダイオードが形成されている。ｐｎｐトランジスタ２４のエミッタ・ベース間では、ダイオード３２、３４と同様に、温度上昇によって電圧Ｖｄが降下する（数１参照）。ｐｎｐトランジスタ２４のベース端子は、第２電流調整回路３０に接続されており、電流調整回路４０の一部はループを構成している。したがって、第１電流調整回路２０の第１固定抵抗２２の両端に印加される電圧Ｖｃａは、数３によって導出される。第１電流調整回路２０に流入する電流Ｉｃａは、電圧Ｖｃａと第１固定抵抗２２の抵抗Ｒｅから数４によって導出される。前記したように、電圧Ｖｄは、温度上昇に依存して降下する。抵抗値Ｒｅは固定なので、電流Ｉｃａは、温度上昇に依存して減少することが分かる。 Next, the current Ica flowing through the first current adjustment circuit 20 is derived.
A voltage Vr is applied to the first current adjustment circuit 20. A parasitic pn diode is formed between the emitter and base of the pnp transistor 24 of the first current adjustment circuit 20. Like the diodes 32 and 34, the voltage Vd drops between the emitter and base of the pnp transistor 24 as the temperature rises (see Equation 1). The base terminal of the pnp transistor 24 is connected to the second current adjustment circuit 30, and a part of the current adjustment circuit 40 forms a loop. Therefore, the voltage Vca applied across the first fixed resistor 22 of the first current adjustment circuit 20 is derived by Equation 3. The current Ica flowing into the first current adjustment circuit 20 is derived from the voltage Vca and the resistance Re of the first fixed resistor 22 by the equation (4). As described above, the voltage Vd drops depending on the temperature rise. Since the resistance value Re is fixed, it can be seen that the current Ica decreases depending on the temperature rise.

電流調整回路４０の調整電流Ｉｃは、電流Ｉｃａと電流Ｉｃｂの和算値である。ピエゾ抵抗素子１２と電流調整回路４０は並列回路であるので、ピエゾ抵抗素子１２に流れる電流Ｉｓは、数５によって導出される。 The adjustment current Ic of the current adjustment circuit 40 is a sum value of the current Ica and the current Icb. Since the piezoresistive element 12 and the current adjusting circuit 40 are a parallel circuit, the current Is flowing through the piezoresistive element 12 is derived by Equation 5.

第１電流調整回路２０の電流Ｉｃａと第２電流調整回路３０の電流Ｉｃｂは、第１固定抵抗２２の抵抗値Ｒｅ及び／又は第２固定抵抗３６の抵抗値Ｒｂｂを調節することで変化させることができる。そして、調整電流Ｉｃにより、ピエゾ抵抗素子１２に流入する電流Ｉｓを調整することができる。
なお、上記のような構成の第１電流調整回路２０と第２電流調整回路３０は、ダイオード３２、３４とｐｎｐトランジスタ２４が主な要素である。これらは、ピエゾ抵抗素子１２と同時に作製することができる。 The current Ica of the first current adjustment circuit 20 and the current Icb of the second current adjustment circuit 30 are changed by adjusting the resistance value Re of the first fixed resistor 22 and / or the resistance value Rbb of the second fixed resistor 36. Can do. The current Is flowing into the piezoresistive element 12 can be adjusted by the adjustment current Ic.
In the first current adjustment circuit 20 and the second current adjustment circuit 30 configured as described above, the diodes 32 and 34 and the pnp transistor 24 are main elements. These can be manufactured simultaneously with the piezoresistive element 12.

次に、図３に基づいて、一定温度下におけるピエゾ抵抗素子１２の抵抗Ｒｓの変化と、各部の電流の関係について説明する。図３は、ピエゾ抵抗素子１２の抵抗Ｒｓの変化と、入力電流Ｉｉｎ、ピエゾ抵抗素子１２の電流Ｉｓ、調整電流Ｉｃ、電流Ｉｃａ、電流Ｉｃｂの関係を示すシミュレーション結果である。シミュレーションは、環境温度が２５℃の一定温度として行った。シミュレーションの条件は、入力電流Ｉｉｎを３ｍＡ、第１電流調整回路２０の第１固定抵抗２２の抵抗Ｒｅを１ｋΩ、第２電流調整回路３０の第２固定抵抗３６の抵抗Ｒｂｂを２０ｋΩとして行った。
図３に示すように、温度が一定の場合、ピエゾ抵抗素子１２の抵抗Ｒｓが変化しても、各部の電流Ｉｓ、Ｉｃ、Ｉｃａ、Ｉｃｂは不変である。第１電流調整回路２０の電流Ｉｃａと第２電流調整回路３０の電流Ｉｃｂは、変化の因子が温度のみである。温度が一定の場合には、ピエゾ抵抗素子１２の抵抗Ｒｓが変化しても、第１電流調整回路の電流Ｉｃａと第２電流調整回路３０の電流Ｉｃｂは変化しない。ピエゾ抵抗素子１２の抵抗Ｒｓの変化に対して、調整電流Ｉｃを一定に保つことができる。即ち、圧力信号出力装置１に電流調整回路４０を設けたとしても、圧力信号出力装置１は、印加される圧力に応じた出力電圧Ｖoutを出力することができる。 Next, based on FIG. 3, the relationship between the change in the resistance Rs of the piezoresistive element 12 at a constant temperature and the current in each part will be described. FIG. 3 is a simulation result showing the relationship between the change in the resistance Rs of the piezoresistive element 12, the input current Iin, the current Is of the piezoresistive element 12, the adjustment current Ic, the current Ica, and the current Icb. The simulation was performed at a constant temperature of 25 ° C. The simulation conditions were set such that the input current Iin was 3 mA, the resistance Re of the first fixed resistor 22 of the first current adjustment circuit 20 was 1 kΩ, and the resistance Rbb of the second fixed resistor 36 of the second current adjustment circuit 30 was 20 kΩ.
As shown in FIG. 3, when the temperature is constant, even if the resistance Rs of the piezoresistive element 12 changes, the currents Is, Ic, Ica, and Icb of each part are unchanged. The current Ica of the first current adjustment circuit 20 and the current Icb of the second current adjustment circuit 30 are changed only by temperature. When the temperature is constant, even if the resistance Rs of the piezoresistive element 12 changes, the current Ica of the first current adjustment circuit and the current Icb of the second current adjustment circuit 30 do not change. The adjustment current Ic can be kept constant with respect to the change in the resistance Rs of the piezoresistive element 12. That is, even if the current adjustment circuit 40 is provided in the pressure signal output device 1, the pressure signal output device 1 can output the output voltage Vout corresponding to the applied pressure.

次に、図４に基づいて、温度の変化と各部の電流Ｉｉｎ、Ｉｓ、Ｉｃ、Ｉｃａ、Ｉｃｂの変化の関係について説明する。図４は、入力電流Ｉｉｎと、電流Ｉｓと、調整電流Ｉｃと、電流Ｉｃａと、電流Ｉｃｂの関係を示すシミュレーション結果である。シミュレーションは、入力電流Ｉｉｎを３ｍＡ、第１電流調整回路２０の第１固定抵抗２２の抵抗Ｒｅを１ｋΩ、第２電流調整回路３０の第２固定抵抗３６の抵抗Ｒｂｂを２０ｋΩとして行った。
図４に示すように、第１電流調整回路２０の電流Ｉｃａは、温度上昇にともなって減少する。第２電流調整回路３０の電流Ｉｃｂは、温度上昇に伴って増加する。電流Ｉｃａの負の傾きは、電流Ｉｃｂの正の傾きよりも大きい。したがって、電流Ｉｃａと電流Ｉｃｂの和である電流調整回路４０の電流Ｉｃは、温度上昇に伴って減少する。結果、ピエゾ抵抗素子１２に流入する電流Ｉｓは、温度の上昇に伴って増加する。ピエゾ抵抗素子１２の抵抗変化が、温度の上昇にともなって負の特性を有する場合に適している。即ち、ピエゾ抵抗素子１２のゲージ抵抗に導入されている不純物濃度が、１０^１８ｃｍ^−３〜１０^２０ｃｍ^-３の範囲のときに適している。 Next, based on FIG. 4, the relationship between the change in temperature and the change in the currents Iin, Is, Ic, Ica, and Icb in each part will be described. FIG. 4 is a simulation result showing a relationship among the input current Iin, the current Is, the adjustment current Ic, the current Ica, and the current Icb. In the simulation, the input current Iin is 3 mA, the resistance Re of the first fixed resistor 22 of the first current adjustment circuit 20 is 1 kΩ, and the resistance Rbb of the second fixed resistor 36 of the second current adjustment circuit 30 is 20 kΩ.
As shown in FIG. 4, the current Ica of the first current adjustment circuit 20 decreases as the temperature rises. The current Icb of the second current adjustment circuit 30 increases as the temperature rises. The negative slope of the current Ica is larger than the positive slope of the current Icb. Therefore, the current Ic of the current adjustment circuit 40, which is the sum of the current Ica and the current Icb, decreases as the temperature rises. As a result, the current Is flowing into the piezoresistive element 12 increases as the temperature rises. This is suitable when the resistance change of the piezoresistive element 12 has negative characteristics as the temperature rises. That is, it is suitable when the impurity concentration introduced into the gauge resistance of the piezoresistive element 12 is in the range of 10 ¹⁸ cm ⁻³ to 10 ²⁰ cm ⁻³ .

調整電流Ｉｃは、第２電流調整回路３０の第２固定抵抗３６の抵抗Ｒｂｂを変化させることで温度上昇にともなって増加させることも、減少させることもできる。図５は、環境温度の変化とピエゾ抵抗素子１２に流入する電流Ｉｓの変化の関係を示すシミュレーション結果である。シミュレーションは、第２固定抵抗３６のＲｂｂを１ｋΩ、２ｋΩ、３ｋΩ、４ｋΩ、５ｋΩに設定して行った。また、入力電流Ｉｉｎを３ｍＡ、第１電流調整回路２０の第１固定抵抗２２の抵抗Ｒｅを１ｋΩとして行った。 The adjustment current Ic can be increased or decreased as the temperature rises by changing the resistance Rbb of the second fixed resistor 36 of the second current adjustment circuit 30. FIG. 5 is a simulation result showing a relationship between a change in environmental temperature and a change in current Is flowing into the piezoresistive element 12. The simulation was performed by setting Rbb of the second fixed resistor 36 to 1 kΩ, 2 kΩ, 3 kΩ, 4 kΩ, and 5 kΩ. The input current Iin was 3 mA, and the resistance Re of the first fixed resistor 22 of the first current adjustment circuit 20 was 1 kΩ.

図５に示すように、抵抗Ｒｂｂがおよそ２ｋΩ以下の場合には、ピエゾ抵抗素子１２に流入する電流Ｉｓは、温度上昇に伴って減少する。図６は、電流Ｉｓが温度上昇に伴って減少する場合の温度と、入力電流Ｉｉｎ、ピエゾ抵抗素子１２の電流Ｉｓ、調整電流Ｉｃ、電流Ｉｃａ、及び、電流Ｉｃｂの関係を示すグラフである。図６に示すように、抵抗Ｒｂｂがおよそ２ｋΩ以下の場合には、電流Ｉｃａの負の傾きは、電流Ｉｃｂの正の傾きよりも小さい。したがって、電流Ｉｃａと電流Ｉｃｂの和である調整電流Ｉｃは、温度上昇に伴って徐々に増加する。結果、電流Ｉｓは、温度上昇に伴って徐々に減少する。圧力変化に伴うピエゾ抵抗素子１２の抵抗Ｒｓが温度上昇に対して正の特性を有する場合に有効である。即ち、ピエゾ抵抗素子１２のゲージ抵抗に導入されている不純物濃度が、１０^１８ｃｍ^−３以下、又は１０^２０ｃｍ^-３以上の範囲のときに適している。 As shown in FIG. 5, when the resistance Rbb is about 2 kΩ or less, the current Is flowing into the piezoresistive element 12 decreases as the temperature rises. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the temperature when the current Is decreases as the temperature rises, the input current Iin, the current Is of the piezoresistive element 12, the adjustment current Ic, the current Ica, and the current Icb. As shown in FIG. 6, when the resistance Rbb is about 2 kΩ or less, the negative slope of the current Ica is smaller than the positive slope of the current Icb. Therefore, the adjustment current Ic, which is the sum of the current Ica and the current Icb, gradually increases as the temperature rises. As a result, the current Is gradually decreases as the temperature rises. This is effective when the resistance Rs of the piezoresistive element 12 due to the pressure change has a positive characteristic with respect to the temperature rise. That is, it is suitable when the impurity concentration introduced into the gauge resistance of the piezoresistive element 12 is in the range of 10 ¹⁸ cm ⁻³ or less, or 10 ²⁰ cm ⁻³ or more.

抵抗Ｒｂｂが２ｋΩを超えると、調整電流Ｉｃが徐々に減少する。電流Ｉｓは、温度上昇に伴って徐々に増加する。圧力変化に伴うピエゾ抵抗素子１２の抵抗Ｒｓの変化が温度上昇に対して負の特性を有する場合に有効である。
第２固定抵抗３６の抵抗Ｒｂｂを調節することで、電流Ｉｓを温度上昇に対して増加することもでき、温度上昇に対して減少させることもできる。抵抗Ｒｂｂの調節により、抵抗Ｒｓの変化が温度に対して正負のいずれの特性を有していても対応することができる。本実施例の構成を採用すれば、ピエゾ抵抗素子の半導体基板の不純物濃度がいかなる濃度でも、出力電圧を正確に補正することができる。本圧力信号出力装置１の構成によれば、精度の高い圧力信号出力装置を得ることができる。 When the resistance Rbb exceeds 2 kΩ, the adjustment current Ic gradually decreases. The current Is gradually increases as the temperature rises. This is effective when the change in the resistance Rs of the piezoresistive element 12 accompanying the pressure change has a negative characteristic with respect to the temperature rise.
By adjusting the resistance Rbb of the second fixed resistor 36, the current Is can be increased with increasing temperature, and can be decreased with increasing temperature. By adjusting the resistance Rbb, the change in the resistance Rs can cope with either positive or negative characteristics with respect to the temperature. If the configuration of this embodiment is employed, the output voltage can be accurately corrected regardless of the impurity concentration of the semiconductor substrate of the piezoresistive element. According to the configuration of the present pressure signal output device 1, a highly accurate pressure signal output device can be obtained.

以上、本発明の好適な実施態様を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した態様を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but these are only examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the above-described embodiments.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

第１実施例の圧力信号出力装置を模式的に示した回路図である。It is the circuit diagram which showed typically the pressure signal output device of 1st Example. 第１実施例の圧力信号出力装置の、電流調整回路側を詳細に示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current adjustment circuit side of the pressure signal output device of 1st Example in detail. ピエゾ抵抗素子と各部の電流の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the piezoresistive element and the electric current of each part. 温度と各部の電流の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature and the electric current of each part. 第２電流調整回路の抵抗体の抵抗が１ｋΩ、２ｋΩ、３ｋΩ、４ｋΩ、５ｋΩのときの、環境温度の変化とピエゾ抵抗素子の電流Ｉｓの関係を示グラフである。It is a graph which shows the relationship between the change of environmental temperature, and the electric current Is of a piezoresistive element when the resistance of the resistor of a 2nd electric current adjustment circuit is 1 kohm, 2 kohm, 3 kohm, 4 kohm, 5 kohm. 温度と各部の電流の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between temperature and the electric current of each part. 従来の圧力信号出力装置の一例を模式的に示した回路図である。It is the circuit diagram which showed typically an example of the conventional pressure signal output device. 半導体基板の濃度と出力電圧の変位割合を示すグラフである。It is a graph which shows the density | concentration of a semiconductor substrate, and the displacement ratio of an output voltage. 従来の圧力信号出力装置における温度と出力電圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature and output voltage in the conventional pressure signal output device.

Explanation of symbols

１：圧力信号出力装置
１２：ピエゾ抵抗素子
１４：定電流電源
１６：出力端子
２０：第１電流調整回路
２２：第１固定抵抗
２４：ｐｎｐトランジスタ
３０：第２電流調整回路
３２、３４：ダイオード
３６：第２固定抵抗
４０：電流調整回路 1: pressure signal output device 12: piezoresistive element 14: constant current power supply 16: output terminal 20: first current adjustment circuit 22: first fixed resistor 24: pnp transistor 30: second current adjustment circuit 32, 34: diode 36 : Second fixed resistor 40: Current adjustment circuit

Claims

It is a pressure signal output device that outputs a voltage that changes depending on pressure,
It has a constant current power supply, a piezoresistive element whose resistance value changes depending on pressure and resistance change changes depending on temperature, a current adjustment circuit, and an output terminal.
The current adjustment circuit includes a parallel circuit of a first current adjustment circuit that decreases a current value depending on a temperature rise and a second current adjustment circuit that increases a current value depending on a temperature rise,
A parallel circuit of a piezoresistive element and a current adjustment circuit is connected in series to a constant current power supply.
The pressure signal output device, wherein the output terminal is connected to a connection point between the constant current power source and the piezoresistive element.

In the first current adjustment circuit, a first fixed resistor and a pnp transistor are connected in series,
In the second current adjustment circuit, a diode and a second fixed resistor are connected in series,
2. The pressure signal output device according to claim 1, wherein a base terminal of the pnp transistor is connected to a connection point between the diode and the second fixed resistor.