JP2792522B2 - 半導体センサ用信号処理回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体センサの出力信
号を演算・増幅する半導体センサ用信号処理回路に関
し、特に、オフセット及びオフセット温度特性を回路的
に補償する信号処理回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧力センサ及び加速度センサ等の
ゲージ抵抗型半導体センサにおいては、センサのオフセ
ット及びオフセット温度特性を補償するためには、図３
に示すように、ゲージ抵抗Ｇのブリッジの一辺若しくは
２辺に直列若しくは並列又はその双方に、外部の補償抵
抗ＲＳ５０、ＲＰ５１が接続されている。外部の補償抵
抗ＲＳ５０、ＲＰ５１には、ゲージ抵抗Ｇより十分に温
度係数が小さい抵抗が使用されている。また、この外部
抵抗の接続位置及び抵抗値は各センサの特性に対応して
選択され、また計算されている。

【０００３】センサの出力電圧Ｖ４１、Ｖ４２は、一般
的にオフセット及びオフセット温度補償をした後に、図
３に一例を示すように、３個の演算増幅器４４を使用し
て増幅されている。

【０００４】この増幅率は、下記数式１に示したよう
に、フィードバック抵抗Ｒ４２により調節できる。

【０００５】

【数１】 Ｖout＝（１＋２×Ｒ４１／Ｒ４２）（Ｖ４１−Ｖ４２）＋ＶＳ ＶS＝ＶD×Ｒ４９／（Ｒ４８＋Ｒ４９）

【０００６】フィードバック抵抗Ｒ４２はその抵抗値が
センサチップの感度特性に合わせてレーザトリミング等
の手段により調整され、これにより増幅率が調整され
る。

【０００７】この増幅率の調節によりセンサの感度が一
定のセンサを量産することが可能になる。また、電位設
定用抵抗（Ｒ４８、Ｒ４９）は、センサと増幅回路のオ
フセット電圧を調整する。この調節によりセンサの出力
信号は一定電圧ＶＳに、振動又は圧力による信号成分を
重畳したものになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の半導体センサ用信号処理回路においては、以下
に示す欠点がある。

【０００９】（１）オフセット及びオフセット温度補償
に関する問題点 従来の信号処理回路の補償方法では、半導体センサに１
対１対応で補償する必要があるという問題点があった。
つまり、各センサの特性を計測し、この特性に対応して
補償抵抗の配線と抵抗値が計算されるため、半導体セン
サ１個に対する測定時間及び計算時間が長くなるという
問題点があった。

【００１０】（２）特性上の問題点 従来の信号処理回路では、半導体センサのオフセット特
性をセンサ側にて補償しているため、演算増幅器４４の
オフセット特性及び半導体センサのオフセット特性のう
ち補償し切れなかったオフセット電圧を増幅回路４４で
増幅してしまい、特性が劣化するという問題点があっ
た。

【００１１】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、オフセット及びオフセット温度特性を一括
補償でき、個別にセンサのオフセット特性を測定する工
程及び個別にセンサのオフセット温度特性を測定する工
程省略することができる半導体センサ用信号処理回路を
提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体セン
サ用信号処理回路は、複数の抵抗により構成された半導
体センサと、増幅部と、サーボ回路とを有する。前記増
幅部は、前記半導体センサの出力を非反転増幅する第１
の演算増幅器と、前記第１の演算増幅器の出力端子と反
転入力端子間に接続された第１のフィードバック抵抗と
により構成されている。また、前記サーボ回路は、前記
増幅部の第１の演算増幅器の出力端子と反転入力端子間
に接続された第２の演算増幅器と、この第２の演算増幅
器の反転、非反転入力端子に夫々接続された抵抗と、前
記第２の演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に
接続されたフィードバック容量とにより構成されてい
る。そして、この半導体センサ用信号処理回路は、前記
サーボ回路の遮断周波数が前記フィードバック容量値と
前記第２の演算増幅器の反転入力端子に接続された抵抗
値との乗算により与えられることを特徴とする。

【００１３】

【作用】従来の半導体センサの信号処理回路では、半導
体センサのオフセット特性は半導体センサ側にて補償し
て、増幅は演算増幅器にて行っていたが、本発明の半導
体センサ用信号処理回路においては、半導体センサのオ
フセット特性の補償と出力電圧の増幅をサーボ型増幅回
路のみにより行う。

【００１４】また、従来、センサに対して１対１対応で
オフセット電圧及びオフセット温度特性を補償していた
が、本発明の半導体センサ用信号処理回路においては、
センサの特性に合わせて回路を調整する必要がないの
で、センサに対して同一の回路で特性を補償できる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。

【００１６】図１は半導体センサの一例として半導体加
速度センサを使用した実施例を示す回路図である。本実
施例の半導体加速度センサは、図１の回路上では抵抗ブ
リッジ１として表す。この抵抗ブリッジ１は、少なくと
も１辺に半導体ダイアフラム若しくは梁等の薄膜部上に
形成された不純物拡散領域からなるピエゾ抵抗を含むホ
イートストンブリッジ回路である。第１及び第２の演算
増幅器４ａ，４ｂは、その非反転入力端子が夫々ブリッ
ジ回路１の出力端子Ｖ２，Ｖ１に接続されていると共
に、その反転入力端子が第１の抵抗Ｒ２を介して相互に
接続されている。この第１及び第２の演算増幅器４ａ，
４ｂの反転入力端子と出力端子との間には夫々フィード
バック抵抗Ｒ１，Ｒ６が接続されている。第３の演算増
幅器５は、その反転及び非反転入力端子が夫々第４及び
第５の抵抗Ｒ１０，Ｒ１１を介して第１及び第２の演算
増幅器４ａ，４ｂの出力端子に接続されている。この第
３の演算増幅器５の反転入力端子と出力端子との間には
第６の抵抗Ｒ１２が接続されており、その出力端子がこ
の信号処理回路の出力端子Ｖoutに接続されている。こ
の第３の演算増幅器５の非反転入力端子とバイアス端子
との間には第７の抵抗Ｒ１３が接続されている。この第
１，第２及び第３の演算増幅器４ａ、４ｂ，５により、
増幅回路２が構成されている。

【００１７】第１の演算増幅器４ａの非反転入力端子に
は、第８の抵抗Ｒ３を介して第４の演算増幅器としてサ
ーボ回路３ａの出力端が接続されている。このサーボ回
路（第４の演算増幅器）３ａの非反転入力端子と第１の
演算増幅器４ａの出力端子との間には第９の抵抗Ｒ４が
接続されている。一方、第２の演算増幅器４ｂの反転入
力端子には、第１０の抵抗Ｒ７を介して第５の演算増幅
器としてサーボ回路３ｂの出力端が接続されている。こ
のサーボ回路（第５の演算増幅器）３ｂの非反転入力端
子と第２の演算増幅器４ｂの出力端子との間には第１１
の抵抗Ｒ８が接続されている。そして、これらのサーボ
回路３ａ，３ｂの反転入力端子と接地との間には、夫々
第１２、１３の抵抗Ｒ５，Ｒ９が接続されており、更に
この反転入力端子とサーボ回路３ａ、３ｂの出力端子と
の間には、夫々コンデンサＣ１，Ｃ２が接続されてい
る。なお、電源Ｖccと−Ｖccとの間には、電位設定用の
抵抗Ｒ１４，Ｒ１５が接続されている。

【００１８】次に、上述の如く構成された半導体センサ
用信号処理回路の動作について説明する。半導体加速度
センサに振動又は加速度が加わると、抵抗ブリッジ１の
中点の電圧Ｖ１とＶ２が相反する方向に変化する。即
ち、電圧のＶ１が上昇する場合には電圧Ｖ２は下降し、
電圧Ｖ１が下降する場合には電圧Ｖ２は上昇する。

【００１９】この加速度センサの出力電圧の差分である
（Ｖ１−Ｖ２）を後段の増幅回路２により増幅する。こ
の増幅回路２による増幅率は、下記数式２に示すように
フィードバック抵抗Ｒ２により調節できる。

【００２０】

【数２】 Ｖout＝（１＋２×Ｒ１／Ｒ２）（Ｒ１２／Ｒ１０）（Ｖ１−Ｖ２）＋ＶＳ 但し、Ｒ１＝Ｒ６、Ｒ１０＝Ｒ１１、Ｒ１２＝Ｒ１３と
する。

【００２１】フィードバック抵抗Ｒ２は、センサチップ
の感度特性に合わせてレーザトリミング等により調整す
ることができる。

【００２２】サーボ回路３ａは増幅回路２を構成する演
算増幅器４ａの出力電圧Ｖ３を演算増幅器４ａの反転入
力端子に信号成分を積分した形でフィードバックする。
積分の時定数は、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ１との積によ
り表される。サーボ回路３ａの出力電圧Ｖ５は、演算増
幅器４ａの出力電圧Ｖ３及び抵抗Ｒ５とコンデンサＣ１
を使って下記数式３により表される。

【００２３】

【数３】 Ｖ５＝（１／Ｃ１）∫（Ｖ３（ｔ）／Ｒ５）×ｄｔ ＝１／（Ｃ１・Ｒ５）∫Ｖ３（ｔ）×ｄｔ

【００２４】電位設定用抵抗Ｒ１４、Ｒ１５は増幅回路
３の動作電圧ＶSを調整する。動作電圧ＶＳは下記数式
４に表される。

【００２５】

【数４】 ＶS＝２×Ｖcc×Ｒ１５／（Ｒ１４＋Ｒ１５）−Ｖcc

【００２６】この調節により本半導体加速度センサの出
力信号は、一定電圧ＶSに振動による信号成分を重畳し
たものになる。

【００２７】次に、本発明の第２の実施例について図２
を参照して説明する。

【００２８】半導体センサは図２の回路上では抵抗ブリ
ッジ２１として表される。説明を容易にするために、半
導体センサの１例として半導体加速度センサを想定して
説明する。

【００２９】加速度センサに振動又は加速度が加わる
と、抵抗ブリッジ２１の中点の電圧Ｖ２１が変化する。

【００３０】この加速度センサの出力電圧Ｖ２１を後段
の増幅回路２２により増幅する。この増幅回路２２によ
る増幅率は、下記数式５に示すように、フィードバック
抵抗Ｒ２２により調節できる。

【００３１】

【数５】Ｖout＝（１＋Ｒ２１／Ｒ２２）Ｖ１

【００３２】フィードバック抵抗Ｒ２２は、センサチッ
プの感度特性に合わせてレーザトリミング等により調整
する。

【００３３】サーボ回路２３は、増幅回路２２を構成す
る演算増幅器２４の出力電圧を演算増幅器２４の反転入
力端子に信号成分を積分した形でフィードバックする。
積分の時定数は、抵抗Ｒ２５とコンデンサＣ２１の積に
より表される。サーボ回路２３の出力電圧Ｖ２２は、演
算増幅器２４の出力電圧Ｖout及び抵抗Ｒ２５とコンデ
ンサＣ２１を使って下記数式６により表される。従っ
て、本実施例も図１の実施例と同様の効果を奏する。

【００３４】

【数６】 Ｖ２２＝（１／Ｃ２１）∫（Ｖout（ｔ）／Ｒ２５）ｄｔ ＝１／（Ｃ２１・Ｒ２５）∫Ｖout（ｔ）ｄｔ

【００３５】

【発明の効果】本発明に係る半導体センサ用信号処理回
路は、オフセット及びオフセット温度特性を一括補償で
きるため、センサの製造工程において、個別にセンサの
オフセット特性を測定する工程と、個別にセンサのオフ
セット温度特性を測定する工程を省略することができ
る。これにより、省力化でき、製造コストを低減でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体センサ用の
信号処理回路を示す回路図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係る半導体センサ用の
信号処理回路を示す回路図である。

【図３】従来の半導体加速度センサを示す回路図であ
る。

【符号の説明】

１，２１，４１；抵抗ブリッジ ２，２２；増幅回路 ３ａ，３ｂ，２３；サーボ回路 ４ａ，４ｂ，５，２４，４４；演算増幅器 ４２；オフセット補償抵抗

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の抵抗により構成された半導体セン
   サと、 前記半導体センサの出力を非反転増幅する第１の演算増
   幅器と、前記第１の演算増幅器の出力端子と反転入力端
   子間に接続された第１のフィードバック抵抗とにより構
   成された増幅部と、 前記増幅部の第１の演算増幅器の出力端子と反転入力端
   子間に接続された第２の演算増幅器と、この第２の演算
   増幅器の反転、非反転入力端子に夫々接続された抵抗
   と、前記第２の演算増幅器の反転入力端子と出力端子と
   の間に接続されたフィードバック容量とにより構成され
   たサーボ回路と、 を有する半導体センサ用信号処理回路であって、 前記サーボ回路の遮断周波数が前記フィードバック容量
   値と前記第２の演算増幅器の反転入力端子に接続された
   抵抗値との乗算により与えられる ことを特徴とする半導
   体センサ用信号処理回路。