JP2934538B2

JP2934538B2 - トランスジューサ回路とその製造方法

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Publication number: JP2934538B2
Application number: JP21154591A
Authority: JP
Inventors: 清之田中
Original assignee: HOKURIKU DENKI KOGYO KK
Current assignee: HOKURIKU DENKI KOGYO KK
Priority date: 1991-07-29
Filing date: 1991-07-29
Publication date: 1999-08-16
Anticipated expiration: 2014-08-16
Also published as: JPH0534224A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、機械的な量等の測定
対象を電気信号に変換して取り出すトランスジューサ回
路とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来例えば、圧力センサに用いられてい
る回路は、特開昭６１−７７７３５号公報や、図４に開
示されているように、半導体のダイヤフラムからなるセ
ンサチップ１上に拡散抵抗をブリッジに組んで形成し、
圧力によりセンサチップ１が変形し、抵抗体の抵抗値が
変化することにより出力電圧が変わるセンサ２と、セン
サ２に接続されたセンサ電源３、複数の演算増幅器４、
スパン調整（増幅度調整）抵抗器５、およびオフセット
調整抵抗器６等から成る。

【０００３】この回路の組み立て時の調整は、通常、オ
フセット電圧を、オフセット調整抵抗器６を動かして大
気圧の状態で０Ｖに調整する。次に、スパン調整抵抗器
５を動かして、測定範囲に対応して所定のスパンに合わ
せる。このとき、スパン調整によりオフセット電圧が変
動するので、再び上記オフセット調整抵抗器６を調整
し、さらに、オフセット電圧調整によりスパン電圧が移
動するので、さらにスパン調整抵抗器５も動かして調整
行なっていた。そして、これを繰り返して徐々に所定の
位置に調整していた。そして、この抵抗値調整は、可変
抵抗器や抵抗体のファンクショントリミング等により行
なわれていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術の場
合、回路調整は上述のように０点即ちオフセット調整
と、増幅度調整であるスパン調整の２種類の調整が必要
であり、特に、精密な測定には、上述のような漸近法に
よる調整が不可欠であった。しかし、調整回数は無制限
に多くできるものではなく、上述のような調整では、高
精度な回路が得にくいという問題があった。さらに、可
変抵抗器の微調整は困難である。一方、ファンクション
トリミングによる場合は、逆戻りができないので、トリ
ミング量を小さくして行なわないと、不良品が多くな
り、トリミング量が小さいと調整回数が増えてしまうと
いう相反する問題もある。また、調整が微妙で複雑であ
ることから、調整工程の自動化が難しく、価格が高価に
なるという欠点もある。

【０００５】この発明は上記従来の技術の問題点に鑑み
て成されたもので、簡単な調整で正確な出力が得られ、
安価な回路構成でダイナミックレンジも大きくとること
ができるトランスジューサ回路とその製造方法を提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、抵抗値が被
測定対象の変化に対応して変動する抵抗体等のブリッジ
回路を有するセンサと、回路の出力のオフセット電位を
調整するオフセット調整抵抗器と、上記センサの出力を
増幅する複数の演算増幅器と、測定範囲に合わせてこの
演算増幅器の増幅度を調整するスパン調整抵抗器とを設
けたトランスジューサ回路において、上記センサの一対
の出力を上記演算増幅器の各非反転入力側に接続し、上
記オフセット調整抵抗器を一方の上記演算増幅器の反転
入力側に接続し、所定の基準状態で、センサの一対の出
力電圧値と、上記スパン調整抵抗器が反転入力端子に接
続された他方の上記演算増幅器の出力電圧値とが等し
く、且つ上記センサの一対の出力電圧値と上記オフセッ
ト調整抵抗器の電位がほぼ等しく、上記スパン調整抵抗
器が反転入力端子に接続された他方の演算増幅器の出力
電圧値と、上記オフセット調整抵抗器の電位もほぼ等し
くなるように上記オフセット調整抵抗器が調整されて成
るトランスジューサ回路である。

【０００７】またこの発明は、抵抗値が被測定対象の変
化に対応して変動する抵抗体等のブリッジ回路を有する
センサと、回路の出力のオフセット電位を調整するオフ
セット調整抵抗器と、上記センサの出力を増幅する複数
の演算増幅器と、測定範囲に合わせてこの演算増幅器の
増幅度を調整するスパン調整抵抗器とを設けたトランス
ジューサ回路の製造方法において、上記センサの一対の
出力を上記演算増幅器の各非反転入力側に接続し、上記
オフセット調整抵抗器を一方の上記演算増幅器の反転入
力側に接続し、上記オフセット調整抵抗器を調整して、
所定の基準状態で、センサの一対の出力電圧値と、上記
スパン調整抵抗器が反転入力端子に接続された他方の上
記演算増幅器の出力電圧値とが等しく、且つ上記センサ
の一対の出力電圧値と上記オフセット調整抵抗器の電位
がほぼ等しく、上記スパン調整抵抗器が反転入力端子に
接続された他方の演算増幅器の出力電圧値と、上記オフ
セット調整抵抗器の電位もほぼ等しくなるように設定し
た後、上記スパン調整抵抗器を調整して所定の増幅度に
設定するトランスジューサ回路の製造方法である。

【０００８】

【作用】この発明のトランスジューサ回路は、センサの
出力電圧とこの回路の増幅器の出力電圧とを所定の状態
でほぼ等しく調整してあるので、スパン調整を行なって
もオフセット電位が変動しないものである。

【０００９】

【実施例】以下この発明の実施例について図面に基づい
て説明する。図１、図２、図３はこの発明の第一実施例
を示すもので、この実施例のトランスジューサ回路は、
圧力センサ用回路であり、図１に示すように、センサ電
源１０にセンサチップ１２が直列に接続されている。こ
のセンサチップ１２は、半導体チップ表面にブリッジ状
に、圧力により抵抗値が変わる抵抗体１３，１４，１
５，１６が形成されたものである。このセンサチップ１
２の出力端１７、１８は、各々演算増幅器２０、２２の
非反転入力端子に接続している。

【００１０】この回路には、外部回路に接続される、電
源端子２４、出力端子２６、および接地端子２８が形成
されており、電源端子２４に、抵抗器３０、可変抵抗器
３２、および抵抗器３４が直列に接続され、抵抗器３４
が接地端子２８に接続している。この可変抵抗器３２の
摺動子が抵抗器３６を介して演算増幅器２０の反転入力
端子に接続されている。また、演算増幅器２０には、抵
抗器３８が接続され、その出力は、直列に接続された可
変抵抗器４０、感温抵抗器４５を介して、出力端子２６
に接続されている。そして、可変抵抗器４０と感温抵抗
器４５との交点が演算増幅器２２の反転入力端子に接続
され、演算増幅器２２の出力は感温抵抗器４５とともに
出力端子２６に接続している。演算増幅器２０，２２
は、ともに非反転増幅回路を構成している。

【００１１】この実施例のセンサチップ１２について、
図２に基づいて詳述する。この実施例のセンサチップ１
２は、半導体のチップの表面に拡散抵抗体１３，１４，
１５，１６を形成したもので、この半導体表面に圧力が
掛かり、各抵抗体が変形し抵抗値が変動するように設け
られたものである。各抵抗体１３，１４，１５，１６は
抵抗値がほぼ等しく形成されているが、僅かの誤差が残
るため、出力端１７，１８の出力が基準状態で等しくな
るように、調整用抵抗器４１，４２，４３，４４が上記
各抵抗体と同一工程で設けられている。この抵抗体４１
〜４４の抵抗値は、上記抵抗体１３等より、約２〜３桁
小さく形成されている。この抵抗体４１〜４４は、定電
流源１０とセンサチップ１２とを接続する際に、出力端
１７，１８の電位が所定の基準状態、例えば無負荷の状
態で等しくなるように、抵抗体４１〜４４のいずれかの
端子を選択してワイヤボンディグにより結線される。

【００１２】ブリッジに組まれた抵抗体１６には、抵抗
器４６が並列に接続されている。抵抗器４６は、抵抗体
１６と比べて２桁前後抵抗値が大きなもので、その温度
係数は、１００ＰＰｍ／度であり、抵抗体１６等の温度
係数が数千ＰＰｍ／度であることと比べて小さいもので
ある。また、抵抗体１６および抵抗器４６と直列で端子
２８側に、抵抗器４８が接続されている。抵抗器４８
は、抵抗体１６より抵抗値が２桁程度小さく、温度係数
は抵抗器４６と同様の抵抗器である。この抵抗器４６、
４８は、調整用抵抗器であり、センサチップ１２の抵抗
体１３〜１６のずれかに設けるものである。

【００１３】次にこの実施例のトランスジューサ回路の
動作作用について説明する。このセンサチップ１２は、
圧力を検出すると、抵抗体１４、１６の抵抗値が増加
し、抵抗体１３、１５の抵抗値が減少することにより、
出力端１７の電圧Ｖ２が減少し、出力端１８の電圧Ｖ１
が上昇するので、ブリッジ出力電圧Ｖ０は両方の変動差
分だけ上昇し、Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２と表わされる。ここで
は、無負荷の状態で、Ｖ０＝０となる状態を基準状態と
する。

【００１４】また、演算増幅器２０の反転入力端子に接
続している可変抵抗器３２の抵抗値をＶＲ１、また可変
抵抗器３２の摺動子と抵抗器３４との間の抵抗値をＶＲ
１Ｌ、抵抗器３０、３４の抵抗値を各々Ｒ１，Ｒ２とす
ると、演算増幅器２０の反転入力側に掛かる電圧の基準
となる、可変抵抗器３２の摺動子の電位Ｖ３は、Ｖ３＝（Ｒ２＋ＶＲ１Ｌ）／（Ｒ１＋Ｒ２＋ＶＲ１）Ｖｃｃ・・・（１）で表わされる。そして、Ｖ１−Ｖ２＝０の基準状態のと
き、Ｖ１＝Ｖ２・・・（２）であり、このとき上記Ｖ３がＶ１，Ｖ２とほぼ等しくな
るように可変抵抗器３２を調整してオフセット調整を行
なう。従って、抵抗器３０、可変抵抗器３２、抵抗器３
４のそれぞれの抵抗値Ｒ１，ＶＲ１，Ｒ２は、上記の条
件を満足するように設定しなければならない。また、Ｖ
１−Ｖ３＝ΔＶ１、Ｖ２−Ｖ３＝ΔＶ２とし、抵抗器３
６、３８の抵抗値をＲ３，Ｒ４とすると、演算増幅器２
０の出力電圧をＶ４とすると、Ｖ４−Ｖ３＝（１＋Ｒ４／Ｒ３）ΔＶ２・・・（３）となる。ここでは、Ｒ３をＲ４よりかなり大きく設定
し、演算増幅器２０よりなる非反転増幅回路の電圧増幅
度を１とすることにより、センサチップ１２や可変抵抗
器３２のインピーダンス変動による影響を除外するよう
している。

【００１５】可変抵抗器４０の抵抗値をＶＲ２とし、感
温抵抗器４５の抵抗値をＲｔとし、演算増幅器２２の出
力電圧をＶ５とし、Ｖ５−Ｖ３＝ΔＶ５とすると、 ΔＶ５＝ΔＶ１−（Ｒｔ／ＶＲ２）・（Ｒ４／Ｒ３）ΔＶ２＋（ΔＶ１−ΔＶ２）Ｒｔ／ＶＲ２・・・（４）と表わされる。ここで、ＲｔとＲ３をほぼ等しく設定
し、ＶＲ２の可調整範囲内の抵抗値とＲ４をほぼ等しく
設定すると、（４）式は、 ΔＶ５＝（ΔＶ１−ΔＶ２）（１＋Ｒｔ／ＶＲ２）＝Ｖ０（１＋Ｒｔ／ＶＲ２）・・・（５）となる。従って、（１＋Ｒｔ／ＶＲ２）が、センサ出力
を増幅する電圧増幅度である。また、通常、電圧増幅度
は３０〜１００位であるので、実質的には、Ｒｔ／ＶＲ
２が電圧増幅度となり、ＶＲ２の調整によりスパン調整
が成される。また、感温抵抗器４５は、スパン電圧温度
補償のために設けられている。

【００１６】そこで、この実施例の回路の基準状態にお
ける調整方法は、図３のフローチャートに示すように、
先ず、ほぼＶ０＝Ｖ１−Ｖ２＝０を満たすように、抵抗
体４１〜４４の端子を選択し、定電流源１０の出力側と
ワイヤボンディングする。この後、例えば８０度Ｃの最
高補償温度、および−３０度Ｃの最低補償温度の各状態
において、Ｖ１，Ｖ２及び、ブリッジの抵抗体１３〜１
６の抵抗値を測定する。そして、抵抗器４６，４８の挿
入箇所および各抵抗値を計算し、正確にＶ１，Ｖ２が等
しくなるようにする。また、ことのき、抵抗器４６，４
８は、上述のような温度係数であることから、センサチ
ップ１２のオフセット電圧温度特性の補償計算も行な
う。そして、これらの計算によって選定された抵抗器４
６，４８を、所定の箇所に取り付ける。

【００１７】Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２＝０に正確に設定した
後、Ｖ１，Ｖ２を測定し、可変抵抗器３２を調整してオ
フセット調整を行ない、Ｖ３がＶ１，Ｖ２とほぼ等しく
なるように設定する。基準状態での実際のオフセット調
整は、Ｖ１＝Ｖ２において、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ５・・・（６）となるよう出力端子２６の電圧Ｖ５を、可変抵抗器３２
を動かして設定することにより、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ５がＶ
３とほぼ等しく設定されるものである。ここで、Ｖ５が
Ｖ３と一致せずにほぼ等しくなるのは、実際には、セン
サ１２の出力端子間や、演算増幅器２０、２２の反転お
よび非反転入力端子間には、オフセット電圧が各々生
じ、調整誤差が現われるからである。また、このとき、
Ｖ３とＶ４もほぼ等しくなる。この後、ＶＲ２を動かし
てスパン調整を行ない、所望の増幅度に設定する。以上
のように、この実施例の回路では基準状態において、電
圧増幅度とオフセット電圧は互いに無関係であり、オフ
セット調整とスパン調整は各々独立に可能である。

【００１８】この実施例の圧力センサ用回路によれば、
基準状態において、センサ出力Ｖ０を０に設定しほぼ上
記（６）式を満たすように回路のオフセット調整してい
るので、その後に可変抵抗器４０を調整してスパン調整
を行なっても、オフセット電圧の変動はなく、正確な回
路調整が可能である。

【００１９】次にこの発明の第二実施例について図４、
図５を基にして説明する。ここで、上記第一実施例と同
様の部材は同一符号を付して説明を省略する。この実施
例は、磁気センサ用回路であり、センサチップ５０は、
図５に示すような磁気抵抗素子５１，５２，５３，５４
が、各々向きを変えてガラス又はセラミックス基板上に
形成されたものであり、可変抵抗器５６がブリッジと定
電流源１０との間に設けられている。

【００２０】磁気抵抗素子５１〜５４には、基板状にア
ルミ薄膜電極５８，６０が形成され、その間にジグザグ
状にパーマロイ等の磁性薄膜６２が形成されている。こ
の磁性薄膜６２の一端部には幅広部６４が設けられてお
り、この幅広部６４には、後述するように、その一部が
レーザトリミングされて、切除部６６が形成される。

【００２１】この実施例の磁気センサ用回路も、磁気が
０の基準状態で、センサチップ５０のブリッジ出力電圧
Ｖ０＝Ｖ１−Ｖ２＝０となるように、可変抵抗器５６が
調整され、その後磁気抵抗素子５１〜５４の抵抗値が測
定され、レーザトリミングにより、一つの磁気抵抗素子
に切除部６６を形成して抵抗値を増加させ、ほぼ正確に
Ｖ１＝Ｖ２となるように調整する。このとき、必要によ
り、相隣る他の辺の磁気抵抗素子をさらにレーザトリミ
ングする。この後、上記第一実施例と同様に、Ｖ１，Ｖ
２、および各磁気抵抗素子の測定を所定の条件で行な
う。そして、抵抗器４６，４８の選定を行なって所定の
値の抵抗器４６，４８が取り付けられ、正確にＶ０＝Ｖ
１−Ｖ２＝０となるように調整される。この後、上記実
施例と同様の調整を行なう。

【００２２】この実施例においても、上記第一実施例と
同様に、基準状態において、センサチップ５０のブリッ
ジ出力電圧Ｖ０を０に設定し、上記（６）式を満たすよ
うに回路のオフセット調整しているので、その後にスパ
ン調整を行なっても、オフセット電圧の変動はなく、正
確な回路調整が可能である。

【００２３】なお、この発明は上記実施例に限定され
ず、各種の抵抗値調整は、印刷抵抗体や拡散抵抗体を用
いてレーザによるファンクショントリミングを行なって
も良い。また、ブリッジの構成は、二辺がセンサで他の
二辺が抵抗素子でも良く、抵抗体とセンサのハーフブリ
ッジでも良い。また、この発明において、基準状態は、
０点だけでなく、所定の圧力や磁気等の強さの環境下に
おいて調整しても良く、単電源で演算増幅器を用いる場
合等には、任意の圧力測定範囲でダイナミックレンジを
できるだけ広く取るために、所定の中間圧力値等に基準
状態を設定し、上記（６）式を満たすようにオフセット
調整を行ない、この後スパン調整を行なっても良い。ま
た、センサ電源１０は、感温抵抗器４５の温度係数を、
次のように設けることにより、定電流電源であっても、
定電圧電源であってもよい。即ち、定電流電源の場合
は、センサチップ１２の抵抗体温度特性と、その抵抗体
の圧力抵抗変化の温度特性との総和の温度特性を補償す
るように、感温抵抗器４５の温度係数を設定する。ま
た、定電圧電源の場合は、センサチップ１２の抵抗体の
圧力抵抗変化の温度特性のみを補償するように、感温抵
抗器４５の温度係数を設定すればよい。

【００２４】

【発明の効果】この発明のトランスジューサ回路は、基
準状態において、センサの出力電圧値と増幅器の出力電
圧値とが等しくなるよう設定してオフセット調整してあ
るので、その後に、増幅度調整を行なっても、オフセッ
ト電圧の変動はなく、正確な回路調整が可能である。従
って、高精度なトランスジューサを安価に提供すること
ができる。また、単電源の演算増幅器等の安価な増幅器
でもダイナミックレンジを有効に使用することができ、
安価なトランスジューサ回路で広範囲の測定が可能であ
る。

【００２５】またこの発明のトランスジューサ回路の製
造方法は、基準状態において、センサの出力値と増幅器
の出力電圧値とがほぼ等しくなるようオフセット調整し
た後に、増幅度調整であるスパン調整を行なっているの
で、増幅度調整中にオフセット電圧の変動はなく、精度
の高いセンサ回路を製造することができる。また、調整
作業がサイクリックでないため、製造工程の自動化が可
能であり、製造工数およびコストを大きく削減すること
ができ、安価で高精度なトランスジューサ回路を提供す
ることがきる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第一実施例の圧力センサ用回路の回
路図である。

【図２】この実施例のセンサチップの回路図である。

【図３】この実施例の圧力センサ用回路の製造時の調整
工程を示すフローチャートである。

【図４】この発明の第二実施例の圧力センサ用回路のセ
ンサチップの回路図である。

【図５】この実施例の磁気抵抗素子の平面図である。

【図６】従来の技術の圧力センサ用回路の回路図であ
る。

【符号の説明】

１０センサ電源１２，５０センサチップ２０，２２演算増幅器３２，４０可変抵抗器

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】抵抗値が被測定対象の変化に対応して変
動しブリッジ回路を有するセンサと、回路の出力のオフ
セット電位を調整するオフセット調整抵抗器と、上記セ
ンサの出力を増幅する複数の演算増幅器と、測定範囲に
合わせてこの演算増幅器の増幅度を調整するスパン調整
抵抗器とを設けたトランスジューサ回路において、上記
センサの一対の出力を上記演算増幅器の各非反転入力側
に接続し、上記オフセット調整抵抗器を一方の上記演算
増幅器の反転入力側に接続し、所定の基準状態で、セン
サの一対の出力電圧値と、上記スパン調整抵抗器が反転
入力端子に接続された他方の上記演算増幅器の出力電圧
値とが等しく、且つ上記センサの一対の出力電圧値と上
記オフセット調整抵抗器の電位がほぼ等しく、上記スパ
ン調整抵抗器が反転入力端子に接続された他方の演算増
幅器の出力電圧値と、上記オフセット調整抵抗器の電位
もほぼ等しくなるように上記オフセット調整抵抗器が調
整されて成ることを特徴とするトランスジューサ回路。
【請求項２】抵抗値が被測定対象の変化に対応して変
動しブリッジ回路を有するセンサと、回路の出力のオフ
セット電位を調整するオフセット調整抵抗器と、上記セ
ンサの出力を増幅する複数の演算増幅器と、測定範囲に
合わせてこの演算増幅器の増幅度を調整するスパン調整
抵抗器とを設けたトランスジューサ回路の製造方法にお
いて、上記センサの一対の出力を上記演算増幅器の各非
反転入力側に接続し、上記オフセット調整抵抗器を一方
の上記演算増幅器の反転入力側に接続し、上記オフセッ
ト調整抵抗器を調整して、所定の基準状態で、センサの
一対の出力電圧値と、上記スパン調整抵抗器が反転入力
端子に接続された他方の上記演算増幅器の出力電圧値と
が等しく、且つ上記センサの一対の出力電圧値と上記オ
フセット調整抵抗器の電位がほぼ等しく、上記スパン調
整抵抗器が反転入力端子に接続された他方の演算増幅器
の出力電圧値と、上記オフセット調整抵抗器の電位もほ
ぼ等しくなるように設定した後、上記スパン調整抵抗器
を調整して所定の増幅度に設定することを特徴とするト
ランスジューサ回路の製造方法。