JP3544102B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車や民生機器等に広く用いられている半導体圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来より用いられている圧力センサの出力オフセット電圧の外部調整回路を有する回路構成例である。図４において、３０は圧力センサ、２１は電源入力Ｖｃｃ端子、２２は圧力センサ３０の出力Ｖ０ 端子、２３はアース電位Ｇ端子、３１は演算増幅器６と抵抗ｒ１ 〜ｒ５ とより構成されたオフセット調整回路、２４はオフセット調整回路３１の出力Ｖ０１端子、２５はオフセット調整用の外部入力Ｖｒ端子である。このような構成において、オフセット調整回路３１の出力Ｖ０１は次式で与えられる。
【０００３】
【数１】
右辺第１項は圧力信号電圧が含まれ、右辺第２、第３項は圧力信号成分の含まれないオフセット成分である。外部入力Ｖｒを変化させることにより、出力Ｖ０１のオフセット成分を調整することが可能である。なおオフセット調整回路３１は反転増幅回路を使用しているが、非反転増幅回路で同様の機能を有する回路構成とすることも可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すオフセット調整回路は外部入力電圧により圧力センサのオフセット電圧の調整機能を持たせた一般的な回路例であるが、オフセット電圧の調整のために、演算増幅器を１個、抵抗を５個新たに必要とするため、圧力センサがモノリシックに集積されたセンサであってもチップ外に回路部品を接続しなければならず、センサの小型化、低コスト化を妨げる要因であった。
【０００６】
本発明の目的は、上述の問題点を解決し、オフセット電圧の調整のために必要な素子数を抑え、集積化された圧力センサ中に、圧力センサの温度依存性に影響されることのないオフセット電圧の調整回路を搭載し、外部からの直流電圧によってオフセット電圧の調整を容易に行うことができるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明においては、集積化した半導体圧力センサ内の信号処理部に、演算増幅器と、該演算増幅器の反転入力端子と出力端子間に接続した正の温度依存性を有する第１の抵抗もしくは抵抗群と、外部より直流電圧を入力する端子部と、該端子部と前記演算増幅器の反転入力端子間に接続した前記第１の抵抗もしくは抵抗群と同じ正の温度依存性を有する第２の抵抗もしくは抵抗群と、を具備する構成とした。
【０００８】
かかる構成とすることにより、外部からの直流電圧による圧力センサ出力のオフセット電圧の調整を、圧力センサの温度依存性に影響されることなく行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例を示す回路構成図である。図１において、１４〜１７はシリコンダイヤフラム上に拡散で形成された歪みゲージ抵抗であり、ブリッジ回路に構成されている。ブリッジ回路の一方の出力はボルテージホロワ回路を構成する演算増幅器１３の非反転入力端子に接続され、その出力端子は抵抗ｒ６ の一方に接続される。抵抗ｒ６ の他方は演算増幅器１２の反転入力端子に接続される。ブリッジ回路の他方の出力は演算増幅器１２の非反転入力端子に接続される。演算増幅器１２の反転入力端子と出力端子Ｖ０ との間に並列抵抗Ｒ１ が接続され、並列抵抗Ｒ１ は調整抵抗ｒ７ と抵抗ｒａとから構成されている。外部より直流電圧を入力する端子Ｖｒと演算増幅器１２の反転入力端子との間に並列抵抗Ｒ２ が接続され、並列抵抗Ｒ２ は調整抵抗ｒ１２と抵抗ｒｄとから構成されている。電源端子Ｖｃｃと演算増幅器１２の反転入力端子との間に抵抗群Ｒ３ が接続され、抵抗群Ｒ３ は調整抵抗ｒ８ に並列に接続される調整抵抗ｒ１０と抵抗ｒｂとの直列接続から構成されている。演算増幅器１２の反転入力端子とアース電位端子Ｇとの間に抵抗群Ｒ４ が接続され、抵抗群Ｒ４ は調整抵抗ｒ９ に並列に接続される調整抵抗ｒ１１と抵抗ｒｃとの直列接続から構成されている。これらはすべて集積化されたセンサ中に搭載されている。Ｖｉｎは歪みゲージブリッジの出力である。
【００１０】
このような回路構成において、歪みゲージによるブリッジ回路の出力Ｖｉｎは、演算増幅器１３によりインピーダンス変換された後、演算増幅器１２、抵抗ｒ６ 及び並列抵抗Ｒ１ により構成された増幅器により増幅される。増幅度は抵抗ｒ６ にて調整される。抵抗ｒａは正の温度特性を持たせてあるため、並列抵抗Ｒ１ を帰還抵抗とする増幅器は正の温度特性を有し、歪みゲージによるブリッジ回路の出力Ｖｉｎの圧力信号成分の持つ負の温度特性を補償している。この調整抵抗は抵抗ｒ７ である。
【００１１】
また、圧力センサの出力Ｖ０ のオフセット電圧の零点調整は抵抗ｒ８ および抵抗ｒ９ で行われ、オフセット電圧の温度特性の補償（零点温度補償）は直列抵抗ｒ１０、ｒｂと、直列抵抗ｒ１１、ｒｃで行われる。この調整抵抗は抵抗ｒ１０及びｒ１１である。
端子Ｖｒには外部から直流電圧Ｖｒが入力され、この電圧はＲ１ ／Ｒ２ の倍率で増幅されて圧力センサの出力電圧Ｖ０ に重畳される。このとき、抵抗ｒ１２は並列抵抗Ｒ２ の温度依存性が、並列抵抗Ｒ１ の温度依存性と同じになるように調整される。
【００１２】
圧力センサの出力電圧Ｖ０ を式で表現すると、次式のようになる。
【００１３】
【数２】
ここで、歪みゲージの差圧ゼロのときの値は等しいものとし、加圧したときのブリッジ出力の＋側、−側は対称に変化するものとする。
（数２）の右辺第１項は、通常、Ｒ１ ／ｒ６ ≫Ｒ１ ／２Ｒ２ ，Ｒ１ ／２Ｒ３ ，Ｒ１ ／２Ｒ４ となるように選定するので、その場合には次式のようになる。
【００１５】
【数３】
ここで、右辺第１項は増幅された歪みゲージブリッジ出力、第３項は抵抗群Ｒ３ 及びＲ４ によるオフセット電圧成分、第４項は並列抵抗Ｒ２ によるオフセット電圧成分である。
第４項に着目すると、外部からの入力電圧ＶｒがＶｃｃ／２に等しければゼロであるが、Ｖｒ＞Ｖｃｃ／２であれば出力電圧Ｖ０ をマイナス方向に、Ｖｒ＜Ｖｃｃ／２であれば出力電圧Ｖ０ をプラス方向にシフトさせることができる。
【００１７】
これらについて、図２及び図３を用いて説明する。図２はこの発明の入出力特性を示す図であり、図３はこの発明の温度特性を示す図である。
（数３）において、Ｒ１ ／Ｒ４ ＝Ｒ１ ／Ｒ３ ，Ｒ１ ／Ｒ２ ＝２であり、また圧力感度は４０ｍＶ／ＫＰａに調整されている。
図２において、Ｖｒ＝２．５ＶからＶｒをプラスまたはマイナス方向に０．５Ｖ移動させると、圧力センサ出力Ｖ０ のオフセット成分はそれぞれマイナスまたはプラス方向に１．０Ｖシフトする。
【００１８】
また、同一のウェハプロセスで形成された薄膜抵抗、拡散抵抗の場合、個々の抵抗の比は、一般にチップ、ロットの違いによるばらつきは十分小さく、むしろ抵抗パターンの形状で一義的に決定される。また、同一プロセスで形成された抵抗の温度特性も互いに等しくなる。この場合、抵抗ｒａ及びｒｄを拡散抵抗とし、抵抗ｒ７ 及びｒ１２を調整可能な薄膜抵抗とすると、抵抗ｒａ＝２×抵抗ｒｄとなるようにパターン形状を決定し、さらに抵抗ｒ７ ＝２×抵抗ｒ１２となるように抵抗ｒ７ 及びｒ１２を調整することにより、温度によらずＲ１ ／Ｒ２ ＝２が成り立つことになり、図３に示すようにＶｒの変化による圧力センサ出力Ｖ０ のオフセット電圧成分のシフト量は、温度によらず一定となる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続した正の温度依存性を有する第１の抵抗もしくは抵抗群と、外部より直流電圧を入力する端子部と、この端子部と前記演算増幅器の反転入力端子との間に接続した前記第１の抵抗もしくは抵抗群と同じ正の温度依存性を有する第２の抵抗もしくは抵抗群とを具備したことにより、わずか２つの抵抗を追加することで、圧力センサの温度依存性に影響されずに、外部からの直流電圧によってオフセット電圧の調整を容易に行うことができ、かつ追加した抵抗を容易に同一チップ上に形成しモノリシック化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す回路構成図。
【図２】この発明の入出力特性を示す図。
【図３】この発明の温度特性を示す図。
【図４】従来技術の実施例を示す回路構成図。
【符号の説明】
Ｒ１，Ｒ２…並列抵抗、Ｒ３，Ｒ４…抵抗群、ｒ６…抵抗、１２，１３…演算増幅器、１４，１５，１６，１７…歪みゲージ抵抗、Ｖｃｃ…電源入力端子、Ｖ０ …圧力センサ出力端子、Ｇ…アース電位端子、Ｖｒ…外部入力端子、ｒ７，ｒ８，ｒ９，ｒ１０，ｒ１１，ｒ１２…調整抵抗、ｒａ，ｒｂ，ｒｃ，ｒｄ…抵抗。
Claims (4)
- 半導体拡散プロセスにより形成された複数の半導体歪みゲージをシリコンダイヤフラム上に分散配置したセンシング部と、該センシング部からの圧力変化に応じて発生する電気信号の増幅、零点調整及び温度補償を行う機能を有する信号処理部とを１つのチップ上に集積化した半導体圧力センサにおいて、前記信号処理部は、演算増幅器と、該演算増幅器の反転入力端子と出力端子間に接続した正の温度依存性を有する第１の抵抗もしくは抵抗群と、外部より直流電圧を入力する端子部と、該端子部と前記演算増幅器の反転入力端子間に接続した前記第１の抵抗もしくは抵抗群と同じ正の温度依存性を有する第２の抵抗もしくは抵抗群と、を具備したことを特徴とする半導体圧力センサ。
- 前記センシング部は一対の電源端子と一対の電気信号出力端子とを有する歪みゲージからなるブリッジ回路で、該ブリッジ回路の一方の出力はボルテージホロワ回路に入力され、該ボルテージホロワ回路の出力は抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、前記電源端子の一方と前記演算増幅器の反転入力端子との間に第３の抵抗もしくは抵抗群が接続され、前記電源端子の他方と前記演算増幅器の反転入力端子との間に第４の抵抗もしくは抵抗群が接続されることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ。
- 前記第３および第４の抵抗もしくは抵抗群は圧力センサ出力のオフセット電圧の零点調整をする調整抵抗を有することを特徴とする請求項２記載の半導体圧力センサ。
- 前記第３および第４の抵抗もしくは抵抗群は圧力センサ出力のオフセット電圧の零点温度補償をする抵抗を有することを特徴とする請求項２記載の半導体圧力センサ。
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