JP3071202B2 - 半導体圧力センサの増巾補償回路 - Google Patents
半導体圧力センサの増巾補償回路Info
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- G01L19/02—Arrangements for preventing, or for compensating for, effects of inclination or acceleration of the measuring device; Zero-setting means
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- G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
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- G01L1/2281—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects for temperature variations
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
- G01L9/04—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges
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Description
この発明は半導体圧力センサの増巾補償回路に関する
もので、 特に少ない回路素子数で高精度の半導体圧力センサを
実現できるようにした増巾補償回路に関する。 なお以下各図において同一の符号は同一もしくは相当
部分を示す。
もので、 特に少ない回路素子数で高精度の半導体圧力センサを
実現できるようにした増巾補償回路に関する。 なお以下各図において同一の符号は同一もしくは相当
部分を示す。
一般にシリコンダイヤフラムを備えた半導体圧力セン
サを実用化する場合、シリコンダイヤフラムの厚さのば
らつきに起因した圧力感度のばらつきを調節する感度調
整（スパン調整ともいう），およびブリッジを構成する
抵抗の相対誤差などに起因した零点のばらつきを調整す
る零点調整が不可欠である。 更に広い温度範囲で高精度が要求される場合、ストレ
ンゲージ間の温度特性のずれなどに起因する零点温度特
性の補償，およびストレンゲージのピエゾ抵抗係数の温
度依存性などに起因する感度温度特性の補償が不可欠で
ある。 第４図はこれらの４つの補償調整を行う従来回路の一
例を示す。同図においてストレンゲージ（歪みゲージ）
Rg（Rg1〜Rg4）より成るブリッジの出力電圧は演算増巾
器OP1,OP2と抵抗R1〜R3より成る前段の差動増巾器によ
り増巾され、更に演算増巾器OP3と抵抗R4〜R7,RCより成
る後段の差動増巾器により増巾され、出力される。感度
調整は抵抗R1の値を選び、回路の増巾度を所定値にする
ことにより行われる。また抵抗Rcは例えば拡散抵抗のよ
うな正の温度依存性を有する抵抗であり、後段差動増巾
器の増巾度に正の温度依存性を持たせ、ストレンゲージ
ブリッジ出力，つまり圧力の感度の負の温度依存性を補
償している。この補償における調整抵抗はR7である。 演算増巾器OP4の出力電圧Vdは前記の演算増巾器OP3を
含んだ後段の差動増巾器によりセンサ出力電圧Voutに加
算される。この増巾器OP4の出力電圧Vdの電位，および
温度特性を選ぶことにより、零点調整，零点温度特性補
償がなされる。Ra,Rbは温度依存性を有する抵抗であ
る。これらの抵抗にそれぞれ並列に接続された抵抗R10,
R11の値を選ぶことにより演算増巾器OP4の出力電圧Vdの
温度特性を所定の特性にすることができる。また抵抗R
8,R9の値を選ぶことにより、増巾器OP4出力Vdの電位を
所定の値にすることができる。このように零点調整と零
点温度特性補償は演算増巾器OP4とその周辺の抵抗R8〜R
13,Ra,Rbによりなされる。 この増巾補償回路は、感度温度特性補償，感度調整，
零点温度特性補償，零点調整の順に調整をすることによ
り、各調整が独立となり、その結果、高い調整精度が比
較的簡単に実現できる。 第５図は前記の４つの補償調整機能を備えた従来回路
の他の例を示す。第５図においてストレンゲージRg1〜R
g4より成るブリッジの出力電圧は演算増巾器OP5と抵抗R
15〜R18より成る差動増巾器により増巾される。センサ
の感度調整は抵抗R18の値を選び増巾度を所定値にする
ことにより行われる。 また感度温度特性補償は、電源の正極側端子とストレ
ンゲージブリッジ間に接続されたR14とRdの抵抗対によ
り行われる。この抵抗Rdは負の温度依存性を有する抵抗
（例えばサーミスタ）である。この抵抗対R14,Rdによ
り、ストレンゲージとの接続点Ａの電位は正の温度依存
性を持つ。このブリッジの電源電圧駆動端子間に生じた
正の駆動電圧により、ストレンゲージの有する圧力感度
の負の温度依存性を補償する。 零点調整は差動増巾器中の抵抗R17に接続された抵抗R
19,R20の値を選ぶことにより行われる。また零点温度特
性補償は、抵抗R17により行われる。R17の値が大であれ
ばブリッジ出力同相電位の正の温度依存性がそのまま出
力され、出力Voutに正の温度依存正をもたらすが、抵抗
R17の値を下げていくにつれ、温度依存性の無い抵抗R19
とR20の接続点Ｂの電位成分が差動増巾器の非反転入力
端子の電位に、より大きく影響を与えるため、センサ出
力Voutの温度依存性はより負の傾向を持つようになる。
抵抗R17の値をストレンゲージ出力の零点（差圧ゼロ）
の温度依存性を補償するように定めることにより、零点
温度特性の補償がなされる。
サを実用化する場合、シリコンダイヤフラムの厚さのば
らつきに起因した圧力感度のばらつきを調節する感度調
整（スパン調整ともいう），およびブリッジを構成する
抵抗の相対誤差などに起因した零点のばらつきを調整す
る零点調整が不可欠である。 更に広い温度範囲で高精度が要求される場合、ストレ
ンゲージ間の温度特性のずれなどに起因する零点温度特
性の補償，およびストレンゲージのピエゾ抵抗係数の温
度依存性などに起因する感度温度特性の補償が不可欠で
ある。 第４図はこれらの４つの補償調整を行う従来回路の一
例を示す。同図においてストレンゲージ（歪みゲージ）
Rg（Rg1〜Rg4）より成るブリッジの出力電圧は演算増巾
器OP1,OP2と抵抗R1〜R3より成る前段の差動増巾器によ
り増巾され、更に演算増巾器OP3と抵抗R4〜R7,RCより成
る後段の差動増巾器により増巾され、出力される。感度
調整は抵抗R1の値を選び、回路の増巾度を所定値にする
ことにより行われる。また抵抗Rcは例えば拡散抵抗のよ
うな正の温度依存性を有する抵抗であり、後段差動増巾
器の増巾度に正の温度依存性を持たせ、ストレンゲージ
ブリッジ出力，つまり圧力の感度の負の温度依存性を補
償している。この補償における調整抵抗はR7である。 演算増巾器OP4の出力電圧Vdは前記の演算増巾器OP3を
含んだ後段の差動増巾器によりセンサ出力電圧Voutに加
算される。この増巾器OP4の出力電圧Vdの電位，および
温度特性を選ぶことにより、零点調整，零点温度特性補
償がなされる。Ra,Rbは温度依存性を有する抵抗であ
る。これらの抵抗にそれぞれ並列に接続された抵抗R10,
R11の値を選ぶことにより演算増巾器OP4の出力電圧Vdの
温度特性を所定の特性にすることができる。また抵抗R
8,R9の値を選ぶことにより、増巾器OP4出力Vdの電位を
所定の値にすることができる。このように零点調整と零
点温度特性補償は演算増巾器OP4とその周辺の抵抗R8〜R
13,Ra,Rbによりなされる。 この増巾補償回路は、感度温度特性補償，感度調整，
零点温度特性補償，零点調整の順に調整をすることによ
り、各調整が独立となり、その結果、高い調整精度が比
較的簡単に実現できる。 第５図は前記の４つの補償調整機能を備えた従来回路
の他の例を示す。第５図においてストレンゲージRg1〜R
g4より成るブリッジの出力電圧は演算増巾器OP5と抵抗R
15〜R18より成る差動増巾器により増巾される。センサ
の感度調整は抵抗R18の値を選び増巾度を所定値にする
ことにより行われる。 また感度温度特性補償は、電源の正極側端子とストレ
ンゲージブリッジ間に接続されたR14とRdの抵抗対によ
り行われる。この抵抗Rdは負の温度依存性を有する抵抗
（例えばサーミスタ）である。この抵抗対R14,Rdによ
り、ストレンゲージとの接続点Ａの電位は正の温度依存
性を持つ。このブリッジの電源電圧駆動端子間に生じた
正の駆動電圧により、ストレンゲージの有する圧力感度
の負の温度依存性を補償する。 零点調整は差動増巾器中の抵抗R17に接続された抵抗R
19,R20の値を選ぶことにより行われる。また零点温度特
性補償は、抵抗R17により行われる。R17の値が大であれ
ばブリッジ出力同相電位の正の温度依存性がそのまま出
力され、出力Voutに正の温度依存正をもたらすが、抵抗
R17の値を下げていくにつれ、温度依存性の無い抵抗R19
とR20の接続点Ｂの電位成分が差動増巾器の非反転入力
端子の電位に、より大きく影響を与えるため、センサ出
力Voutの温度依存性はより負の傾向を持つようになる。
抵抗R17の値をストレンゲージ出力の零点（差圧ゼロ）
の温度依存性を補償するように定めることにより、零点
温度特性の補償がなされる。
しかしながら前述した第４図の回路に用いられる素子
の数は、演算増巾器が4,抵抗が13,温度依存性を有する
抵抗が３と多く、センサの小形化が要求される場合、例
えばセンサの全素子を１つのシリコンチップ上に集積化
しようとする場合、問題となる。 他方、第５図においては、この増巾補償回路を構成す
る素子は演算増巾器1,抵抗7,温度依存性を有する抵抗１
であり、素子数は少ない。しかし、感度調整と零点調
整，零点温度特性補償が独立でないため、高精度の調整
が困難である。また零点温度特性補償の補償範囲の限界
がブリッジ出力同相電圧の温度依存性で限られるため、
補償範囲が狭く、ブリッジ出力の零点の温度依存性が大
きくばらつく場合、補償できなくなる。さらにR14,Rdで
構成した抵抗対両端の電圧降下のため、ブリッジの駆動
電圧がセンサの電源電圧よりも低くなり、その結果、ブ
リッジの出力信号電圧が小さくなるという問題を有す
る。 なお前述の回路に類似の回路例として特開昭59−2173
75号公報がある。しかしこの回路も構成素子数は第４図
より少ないものの、零点温度補償の範囲が狭く、各特性
の補償が独立でないという問題がある。 そこで本発明は上記課題を解決するために、ブリッジ
回路の１対の信号出力端子のうち、いずれか一方の電圧
を１つの演算増巾器からなるボルテージフォロワ回路に
入力し、前記１対の信号出力端子の他方の電圧と、前記
ボルテージフォロワ回路の出力電圧の差を、自身の帰還
抵抗回路に正の温度依存性を持つ抵抗を含み、自身の反
転入力端子と直流電源端子間を温度依存性の大きな抵抗
を含む抵抗群で結合された他の１つの演算増巾器を介し
て増巾するようにした半導体圧力センサの増巾補償回路
を提供することを課題とする。
の数は、演算増巾器が4,抵抗が13,温度依存性を有する
抵抗が３と多く、センサの小形化が要求される場合、例
えばセンサの全素子を１つのシリコンチップ上に集積化
しようとする場合、問題となる。 他方、第５図においては、この増巾補償回路を構成す
る素子は演算増巾器1,抵抗7,温度依存性を有する抵抗１
であり、素子数は少ない。しかし、感度調整と零点調
整，零点温度特性補償が独立でないため、高精度の調整
が困難である。また零点温度特性補償の補償範囲の限界
がブリッジ出力同相電圧の温度依存性で限られるため、
補償範囲が狭く、ブリッジ出力の零点の温度依存性が大
きくばらつく場合、補償できなくなる。さらにR14,Rdで
構成した抵抗対両端の電圧降下のため、ブリッジの駆動
電圧がセンサの電源電圧よりも低くなり、その結果、ブ
リッジの出力信号電圧が小さくなるという問題を有す
る。 なお前述の回路に類似の回路例として特開昭59−2173
75号公報がある。しかしこの回路も構成素子数は第４図
より少ないものの、零点温度補償の範囲が狭く、各特性
の補償が独立でないという問題がある。 そこで本発明は上記課題を解決するために、ブリッジ
回路の１対の信号出力端子のうち、いずれか一方の電圧
を１つの演算増巾器からなるボルテージフォロワ回路に
入力し、前記１対の信号出力端子の他方の電圧と、前記
ボルテージフォロワ回路の出力電圧の差を、自身の帰還
抵抗回路に正の温度依存性を持つ抵抗を含み、自身の反
転入力端子と直流電源端子間を温度依存性の大きな抵抗
を含む抵抗群で結合された他の１つの演算増巾器を介し
て増巾するようにした半導体圧力センサの増巾補償回路
を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために本発明は、シリコンダイヤ
フラム上に形成された歪みゲージを含み、かつ一対の駆
動電圧入力端子および一対の信号出力端子を有するブリ
ッジ回路と、前記ブリッジ回路の出力信号電圧の増幅，
温度補償を行う回路とを備えた半導体圧力センサの増幅
回路において、前記ブリッジ回路の一方の信号出力端子
をボルテージフォロワ回路の非反転入力に接続し、該ボ
ルテージフォロワ回路の出力と差動増幅を行う演算増幅
器の反転入力との間に感度調整用の抵抗を接続し、該演
算増幅器の出力と反転入力との間に正の温度依存性を有
する抵抗及び感度温度特性用の抵抗を並列に接続し、前
記ブリッジ回路の他方の信号出力端子を前記演算増幅器
の非反転入力に接続し、前記演算増幅器の反転入力と直
流電源の正極側、負極側及びその両極側のいずれかとの
間に正の温度依存性を有する抵抗、零点調整用の抵抗及
び零点温度特性用の抵抗を直並列接続するものとする。
調整用の抵抗を薄膜によりチップ上に形成することもで
きる。また、演算増幅器の反転入力と前記直流電源の正
極側及び負極側との間に零点調整用の抵抗をそれぞれ接
続し、前記演算増幅器の反転入力と前記直流電源の正極
側及び負極側との間にそれぞれ正の温度依存性を有する
抵抗及び零点温度特性用の抵抗を直列に接続することで
もよい。さらに、演算増幅器の反転入力と前記直流電源
の正極側及び負極側との間にそれぞれ正の温度依存性を
有する抵抗及び零点温度特性用の抵抗を並列に接続する
とともに零点調整用の抵抗を直列に接続することもでき
る。
フラム上に形成された歪みゲージを含み、かつ一対の駆
動電圧入力端子および一対の信号出力端子を有するブリ
ッジ回路と、前記ブリッジ回路の出力信号電圧の増幅，
温度補償を行う回路とを備えた半導体圧力センサの増幅
回路において、前記ブリッジ回路の一方の信号出力端子
をボルテージフォロワ回路の非反転入力に接続し、該ボ
ルテージフォロワ回路の出力と差動増幅を行う演算増幅
器の反転入力との間に感度調整用の抵抗を接続し、該演
算増幅器の出力と反転入力との間に正の温度依存性を有
する抵抗及び感度温度特性用の抵抗を並列に接続し、前
記ブリッジ回路の他方の信号出力端子を前記演算増幅器
の非反転入力に接続し、前記演算増幅器の反転入力と直
流電源の正極側、負極側及びその両極側のいずれかとの
間に正の温度依存性を有する抵抗、零点調整用の抵抗及
び零点温度特性用の抵抗を直並列接続するものとする。
調整用の抵抗を薄膜によりチップ上に形成することもで
きる。また、演算増幅器の反転入力と前記直流電源の正
極側及び負極側との間に零点調整用の抵抗をそれぞれ接
続し、前記演算増幅器の反転入力と前記直流電源の正極
側及び負極側との間にそれぞれ正の温度依存性を有する
抵抗及び零点温度特性用の抵抗を直列に接続することで
もよい。さらに、演算増幅器の反転入力と前記直流電源
の正極側及び負極側との間にそれぞれ正の温度依存性を
有する抵抗及び零点温度特性用の抵抗を並列に接続する
とともに零点調整用の抵抗を直列に接続することもでき
る。
ボルテージフォロワー回路は１つの演算増巾器OP6か
らなり、ブリッジ回路の１方の出力電圧Vi−を低出力イ
ンピーダンスの形で1:1に作動増巾回路に与え、かつ回
路内の抵抗変化やバラツキ等に基づく差動増巾回路とブ
リッジ回路との間の特性の干渉を断つ。 また差動増巾回路は１つの演算増巾器からなり、自身
の入力抵抗R21で感度調整を、正温度係数の抵抗Rhを含
む自身の帰還抵抗Rh,R26によって感度温度補償を、また
正，負の電源端子と自身の反転入力端子との間の抵抗R2
2,R23で零点調整を、また同じく正，負の電源端子と自
身の反転入力端子との間の温度依存性の大きな抵抗Re,R
fを含む抵抗群Re,Rf,R24,R25によって零点の温度補償
を、それぞれ行わせる。 ここで感度調整および感度温度補償と、零点調整およ
び零点温度補償とは独立になる。
らなり、ブリッジ回路の１方の出力電圧Vi−を低出力イ
ンピーダンスの形で1:1に作動増巾回路に与え、かつ回
路内の抵抗変化やバラツキ等に基づく差動増巾回路とブ
リッジ回路との間の特性の干渉を断つ。 また差動増巾回路は１つの演算増巾器からなり、自身
の入力抵抗R21で感度調整を、正温度係数の抵抗Rhを含
む自身の帰還抵抗Rh,R26によって感度温度補償を、また
正，負の電源端子と自身の反転入力端子との間の抵抗R2
2,R23で零点調整を、また同じく正，負の電源端子と自
身の反転入力端子との間の温度依存性の大きな抵抗Re,R
fを含む抵抗群Re,Rf,R24,R25によって零点の温度補償
を、それぞれ行わせる。 ここで感度調整および感度温度補償と、零点調整およ
び零点温度補償とは独立になる。
以下第１図ないし第３図に基づいて本発明の実施例を
説明する。第１図は本発明を適用した半導体センサの第
１の実施例を示す。同図においてRg（Rg1〜Rg4）はシリ
コンダイヤフラム上に分散配置されたストレンゲージ
（歪みゲージ）であり、ブリッジを構成する。加圧によ
りブリッジの差動出力端子C,D間に電圧信号を生じるよ
うにダイヤフラム上の位置が決められている。端子Ｄは
演算増巾器OP6の非反転入力端子に接続される。この増
巾器OP6の反転入力端子は同増巾OP6の出力端子に接続さ
れ、ボルテージフォロワ回路が構成される。同増巾器OP
6の出力は抵抗R21を介して演算増巾器OP7の反転入力端
子に接続される。ストレンゲージの差動出力端子Ｃは同
増巾器OP7の非反転入力端子に接続される。同増巾器OP7
の反転入力端子と電源端子Ｅ間に抵抗R22が接続され
る。また同じく該反転入力端子と電源端子Ｅ間に抵抗R2
4と温度依存性を有する抵抗Reとの直列抵抗が接続され
る。同増巾器OP7の反転入力端子と接地端子Ｇ間に抵抗R
23が接続される。また同じく該反転入力端子と接地端子
Ｇ間に抵抗R25と温度依存性を有する抵抗Rfとの直列抵
抗が接続される。 また正の温度依存性を有する抵抗Rhと抵抗R26とが並
列に接続され、この並列抵抗が前記増巾器OP7の反転入
力端子と該増巾器OP7の出力端子間に接続される。該出
力端子が圧力センサの出力端子Ｆであり、センサ出力電
圧Voutが出力される。 以上のような構成において本発明回路の動作を説明す
る。シリコンダイヤフラムの加圧により、ストレンゲー
ジブリッジ出力端子Ｃの電位Vi＋は上昇し、出力端子Ｄ
の電位Vi−は下降する。Vi−は演算増巾器OP6のボルテ
ージフォロワ回路によりインピーダンス変換され、出力
される。このVi−とVi＋との差は演算増巾器OP7とその
周辺に接続された抵抗により増巾され、出力される。こ
の場合抵抗R21の値を変化させることにより増巾度が変
化し、感度調整がなされる。この差動増巾器の増巾度は
帰還抵抗として接続された抵抗対Rh,R26中のRhの影響に
より正の温度依存性を持つ。この正の温度依存性により
ストレンゲージ出力電圧信号の持つ負の温度依存性を補
償する。抵抗R22,R23は零点調整用の抵抗である。電源
端子Ｅより電流が抵抗R22,帰還抵抗R26Rh,抵抗R23を
通って演算増巾器OP7の出力端子Ｆに流れ込み、センサ
出力電圧Voutを低下させる。また逆にこの増巾器OP7出
力端子Ｆより電流が帰還抵抗,R26Rhを通って接地端子
Ｇに流れ込み、センサ出力電圧Voutを上昇させる。この
抵抗R22とR23の大小関係を調整することにより、センサ
出力Voutの零点を調整する。 抵抗R24とReとの直列抵抗，抵抗R25とRfとの直列抵抗
は零点温度特性補償用の抵抗である。ここで抵抗Re,Rf
は正の温度依存性を有するものとする。電源端子Ｅより
電流が直列抵抗R24,Re、帰還抵抗R26Rhを通って演算
増巾器OP7の出力端子Ｆに流れ込み、センサ出力電圧Vou
tを低下させる。この電流は抵抗Reのため負の温度依存
性を有し、センサ出力電圧Voutに正の温度依存性を持た
せている。また逆に演算増巾器OP7の出力端子Ｆより電
流が帰還抵抗R26Rh、直列抵抗抵抗Rf,R25を通って接
地端子Ｇに流れ込み、センサ出力電圧Voutを上昇させ
る。この電流はRfのために負の温度依存性を有し、セン
サ出力電圧Voutに負の温度依存性を持たせている。この
２つの電流のもつ温度依存性の大小関係を調整すること
により、センサ出力Voutの零点温度特性を補償する。こ
こでセンサ出力Voutは次の式（１）で表わされる。 但し Rx＝Rh×R26/（Rh＋R26）……式（２） またVccは電源電圧である。 式（１）右辺第２項は増巾されたストレンゲージブリ
ッジ差動出力の成分である。第３項は抵抗R22を通る電
流による成分、第４項は抵抗23を通る電流による成分、
第５項は抵抗R24,Reを通る電流よる成分、第６項は抵抗
R25,Rfを通る電流による成分である。換言すれば右辺第
２項は感度調整，感度温度特性（補償）調整、第３項，
第４項は零点調整、第５項，第６項は零点温度特性補
償）調整に関係する項である。このように感度に関する
項と零点に関する項は分離しているため、感度調整，感
度温度特性補償と零点調整，零点温度特性補償とは独立
となり、そのために高い調整精度が容易に実現できる。 零点温度特性補償は通常、温度勾配の補償を指すが、
この回路は温度特性の曲がりを補償することもできる。
第２図に抵抗R24,R25の値と温度勾配補償後の温度特性
との関係を示す。このようにR24とR25の値をバランスを
とりながら変えることにより、温度特性の曲がりを変化
させ、平坦な特性にすることが可能である。 また感度温度特性の曲がりは、抵抗Rhの温度特性を変
えることにより変化させ、平坦な状態にすることができ
る。例えばRhをストレンゲージと同様に拡散によりチッ
プ上に形成した場合、不純物のドーズ量を変化させるこ
とにより、抵抗Rhの温度特性を変化させ、それによりセ
ンサ出力Voutの感度温度特性の曲がりを平坦な状態にす
ることができる。 第３図は本発明の他の実施例であり、第１図の実施例
と同様の効果を有する。この第３図の実施例の場合、抵
抗R27〜R30の値を適当に選ぶことにより、零点調整およ
び零点温度特性補償を行う。
説明する。第１図は本発明を適用した半導体センサの第
１の実施例を示す。同図においてRg（Rg1〜Rg4）はシリ
コンダイヤフラム上に分散配置されたストレンゲージ
（歪みゲージ）であり、ブリッジを構成する。加圧によ
りブリッジの差動出力端子C,D間に電圧信号を生じるよ
うにダイヤフラム上の位置が決められている。端子Ｄは
演算増巾器OP6の非反転入力端子に接続される。この増
巾器OP6の反転入力端子は同増巾OP6の出力端子に接続さ
れ、ボルテージフォロワ回路が構成される。同増巾器OP
6の出力は抵抗R21を介して演算増巾器OP7の反転入力端
子に接続される。ストレンゲージの差動出力端子Ｃは同
増巾器OP7の非反転入力端子に接続される。同増巾器OP7
の反転入力端子と電源端子Ｅ間に抵抗R22が接続され
る。また同じく該反転入力端子と電源端子Ｅ間に抵抗R2
4と温度依存性を有する抵抗Reとの直列抵抗が接続され
る。同増巾器OP7の反転入力端子と接地端子Ｇ間に抵抗R
23が接続される。また同じく該反転入力端子と接地端子
Ｇ間に抵抗R25と温度依存性を有する抵抗Rfとの直列抵
抗が接続される。 また正の温度依存性を有する抵抗Rhと抵抗R26とが並
列に接続され、この並列抵抗が前記増巾器OP7の反転入
力端子と該増巾器OP7の出力端子間に接続される。該出
力端子が圧力センサの出力端子Ｆであり、センサ出力電
圧Voutが出力される。 以上のような構成において本発明回路の動作を説明す
る。シリコンダイヤフラムの加圧により、ストレンゲー
ジブリッジ出力端子Ｃの電位Vi＋は上昇し、出力端子Ｄ
の電位Vi−は下降する。Vi−は演算増巾器OP6のボルテ
ージフォロワ回路によりインピーダンス変換され、出力
される。このVi−とVi＋との差は演算増巾器OP7とその
周辺に接続された抵抗により増巾され、出力される。こ
の場合抵抗R21の値を変化させることにより増巾度が変
化し、感度調整がなされる。この差動増巾器の増巾度は
帰還抵抗として接続された抵抗対Rh,R26中のRhの影響に
より正の温度依存性を持つ。この正の温度依存性により
ストレンゲージ出力電圧信号の持つ負の温度依存性を補
償する。抵抗R22,R23は零点調整用の抵抗である。電源
端子Ｅより電流が抵抗R22,帰還抵抗R26Rh,抵抗R23を
通って演算増巾器OP7の出力端子Ｆに流れ込み、センサ
出力電圧Voutを低下させる。また逆にこの増巾器OP7出
力端子Ｆより電流が帰還抵抗,R26Rhを通って接地端子
Ｇに流れ込み、センサ出力電圧Voutを上昇させる。この
抵抗R22とR23の大小関係を調整することにより、センサ
出力Voutの零点を調整する。 抵抗R24とReとの直列抵抗，抵抗R25とRfとの直列抵抗
は零点温度特性補償用の抵抗である。ここで抵抗Re,Rf
は正の温度依存性を有するものとする。電源端子Ｅより
電流が直列抵抗R24,Re、帰還抵抗R26Rhを通って演算
増巾器OP7の出力端子Ｆに流れ込み、センサ出力電圧Vou
tを低下させる。この電流は抵抗Reのため負の温度依存
性を有し、センサ出力電圧Voutに正の温度依存性を持た
せている。また逆に演算増巾器OP7の出力端子Ｆより電
流が帰還抵抗R26Rh、直列抵抗抵抗Rf,R25を通って接
地端子Ｇに流れ込み、センサ出力電圧Voutを上昇させ
る。この電流はRfのために負の温度依存性を有し、セン
サ出力電圧Voutに負の温度依存性を持たせている。この
２つの電流のもつ温度依存性の大小関係を調整すること
により、センサ出力Voutの零点温度特性を補償する。こ
こでセンサ出力Voutは次の式（１）で表わされる。 但し Rx＝Rh×R26/（Rh＋R26）……式（２） またVccは電源電圧である。 式（１）右辺第２項は増巾されたストレンゲージブリ
ッジ差動出力の成分である。第３項は抵抗R22を通る電
流による成分、第４項は抵抗23を通る電流による成分、
第５項は抵抗R24,Reを通る電流よる成分、第６項は抵抗
R25,Rfを通る電流による成分である。換言すれば右辺第
２項は感度調整，感度温度特性（補償）調整、第３項，
第４項は零点調整、第５項，第６項は零点温度特性補
償）調整に関係する項である。このように感度に関する
項と零点に関する項は分離しているため、感度調整，感
度温度特性補償と零点調整，零点温度特性補償とは独立
となり、そのために高い調整精度が容易に実現できる。 零点温度特性補償は通常、温度勾配の補償を指すが、
この回路は温度特性の曲がりを補償することもできる。
第２図に抵抗R24,R25の値と温度勾配補償後の温度特性
との関係を示す。このようにR24とR25の値をバランスを
とりながら変えることにより、温度特性の曲がりを変化
させ、平坦な特性にすることが可能である。 また感度温度特性の曲がりは、抵抗Rhの温度特性を変
えることにより変化させ、平坦な状態にすることができ
る。例えばRhをストレンゲージと同様に拡散によりチッ
プ上に形成した場合、不純物のドーズ量を変化させるこ
とにより、抵抗Rhの温度特性を変化させ、それによりセ
ンサ出力Voutの感度温度特性の曲がりを平坦な状態にす
ることができる。 第３図は本発明の他の実施例であり、第１図の実施例
と同様の効果を有する。この第３図の実施例の場合、抵
抗R27〜R30の値を適当に選ぶことにより、零点調整およ
び零点温度特性補償を行う。
本発明によれば、ブリッジ回路の一方の信号出力端子
をボルテージフォロワ回路の非反転入力に接続し、該ボ
ルテージフォロワ回路の出力と差動増幅を行う演算増幅
器の反転入力との間に感度調整用の抵抗を接続し、該演
算増幅器の出力と反転入力との間に正の温度依存性を有
する抵抗及び感度温度特性用の抵抗を並列に接続し、前
記ブリッジ回路の他方の信号出力端子を前記演算増幅器
の非反転入力に接続し、前記演算増幅器の反転入力と直
流電源の正極側、負極側及びその両極側のいずれかとの
間に正の温度依存性を有する抵抗、零点調整用の抵抗及
び零点温度特性用の抵抗を直並列接続するものとしたの
で、以下のような効果を奏することができる。 増巾補償回路を構成するために必要な素子数は、例え
ば第１図の実施例の場合、演算増巾器2,抵抗6,温度依存
性を有する抵抗３であり、第４図の従来方式と比較して
約半分の素子数で構成できる。従ってセンサの小形化が
容易に実現できる。更に温度依存性を有する素子をチッ
プ上に拡散により構成し、抵抗に薄膜抵抗を用いること
により、全ての回路素子を１つのチップ上に構成するこ
とが可能である。 感度調整，感度温度補償と零点調整，零点温度特性補
償とが独立に行える。そのため容易に高精度が実現でき
る。 零点温度特性に関係する抵抗の値を選ぶことにより、
零点温度特性の曲がりまで補償することができ、広い温
度範囲にわたり、高い精度が得られる。
をボルテージフォロワ回路の非反転入力に接続し、該ボ
ルテージフォロワ回路の出力と差動増幅を行う演算増幅
器の反転入力との間に感度調整用の抵抗を接続し、該演
算増幅器の出力と反転入力との間に正の温度依存性を有
する抵抗及び感度温度特性用の抵抗を並列に接続し、前
記ブリッジ回路の他方の信号出力端子を前記演算増幅器
の非反転入力に接続し、前記演算増幅器の反転入力と直
流電源の正極側、負極側及びその両極側のいずれかとの
間に正の温度依存性を有する抵抗、零点調整用の抵抗及
び零点温度特性用の抵抗を直並列接続するものとしたの
で、以下のような効果を奏することができる。 増巾補償回路を構成するために必要な素子数は、例え
ば第１図の実施例の場合、演算増巾器2,抵抗6,温度依存
性を有する抵抗３であり、第４図の従来方式と比較して
約半分の素子数で構成できる。従ってセンサの小形化が
容易に実現できる。更に温度依存性を有する素子をチッ
プ上に拡散により構成し、抵抗に薄膜抵抗を用いること
により、全ての回路素子を１つのチップ上に構成するこ
とが可能である。 感度調整，感度温度補償と零点調整，零点温度特性補
償とが独立に行える。そのため容易に高精度が実現でき
る。 零点温度特性に関係する抵抗の値を選ぶことにより、
零点温度特性の曲がりまで補償することができ、広い温
度範囲にわたり、高い精度が得られる。
第１図は本発明の第１の実施例としての回路図、 第２図は第１図の回路における抵抗R24,R25の値と温度
勾配補償後の温度特性との関係を示す図、 第３図は本発明の第２の実施例としての回路図、 第４図，第５図はそれぞれ圧力センサの従来の増巾補償
回路の異なる例を示す図である。 Rg（Rg1〜Rg4）：拡散形ストレンゲージ、R21〜R30:抵
抗、Re〜Rj:温度依存性を有する抵抗、OP6,OP7:演算増
巾器、ＶCC：電源電圧、Vout:センサ出力電圧、Gnd:接
地電位。
勾配補償後の温度特性との関係を示す図、 第３図は本発明の第２の実施例としての回路図、 第４図，第５図はそれぞれ圧力センサの従来の増巾補償
回路の異なる例を示す図である。 Rg（Rg1〜Rg4）：拡散形ストレンゲージ、R21〜R30:抵
抗、Re〜Rj:温度依存性を有する抵抗、OP6,OP7:演算増
巾器、ＶCC：電源電圧、Vout:センサ出力電圧、Gnd:接
地電位。
Claims (4)
- 【請求項１】シリコンダイヤフラム上に形成された歪み
ゲージを含み、かつ一対の駆動電圧入力端子および一対
の信号出力端子を有するブリッジ回路と、前記ブリッジ
回路の出力信号電圧の増幅，温度補償を行う回路とを備
えた半導体圧力センサの増幅回路において、前記ブリッ
ジ回路の一方の信号出力端子をボルテージフォロワ回路
の非反転入力に接続し、該ボルテージフォロワ回路の出
力と差動増幅を行う演算増幅器の反転入力との間に感度
調整用の抵抗を接続し、該演算増幅器の出力と反転入力
との間に正の温度依存性を有する抵抗及び感度温度特性
用の抵抗を並列に接続し、前記ブリッジ回路の他方の信
号出力端子を前記演算増幅器の非反転入力に接続し、前
記演算増幅器の反転入力と直流電源の正極側、負極側及
びその両極側のいずれかとの間に正の温度依存性を有す
る抵抗、零点調整用の抵抗及び零点温度特性用の抵抗を
直並列接続することを特徴とする半導体圧力センサの温
度補償回路。 - 【請求項２】調整用の抵抗を薄膜によりチップ上に形成
することを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ
の温度補償回路。 - 【請求項３】前記演算増幅器の反転入力と前記直流電源
の正極側及び負極側との間に前記零点調整用の抵抗をそ
れぞれ接続し、前記演算増幅器の反転入力と前記直流電
源の正極側及び負極側との間にそれぞれ前記正の温度依
存性を有する抵抗及び零点温度特性用の抵抗を直列に接
続することを特徴とする請求項１記載の半導体圧力セン
サの温度補償回路。 - 【請求項４】前記演算増幅器の反転入力と前記直流電源
の正極側及び負極側との間にそれぞれ前記正の温度依存
性を有する抵抗及び零点温度特性用の抵抗を並列に接続
するとともに前記零点調整用の抵抗を直列に接続するこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサの温度
補償回路。
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| JP1186960A JP3071202B2 (ja) | 1989-07-19 | 1989-07-19 | 半導体圧力センサの増巾補償回路 |
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