JPH02150732A - 圧力変換器の補償回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、液体や気体の圧力を検出するシリコンダイ
アフラムを用いた半導体圧力変換器、ことにその出力電
圧の温度依存性および圧力特性の非直線性を補償する補
償回路に関する。

〔従来の技術〕

第７Ａ図および第７Ｂ図は従来の半導体圧力変換器のセ
ンサ部の構造を示す平面図およびＡ−Ａ方向の断面図、
第８図はその信号処理回路の接続図である。図において
、１０は圧力変換器のセンサ部でちゃ、シリコンチップ
乙の一方の面を円形にエツチングして数１０μｍの厚み
ｔとしたダイヤ７ラム６Ａが形成され、その表層部には
拡散により感圧性を有する歪ゲージ１Ｇ、３Ｇがダイヤ
フラムの周辺部にそれぞれコ字状に形成され、ダイヤフ
ラムの中央部には歪ゲージ２Ｇ　、４Ｇが形成され、互
いに導体によって接続されてブリッジ回路５が形成され
るとともに、歪ゲージブリッジ回路５の四端子７Ｖ、７
Ｅおよび９Ａ、９Ｂがシリコンチップ１１の周縁部に設
けられる。

また、２０は信号処理回路であシ、歪ゲージブリッジ回
路５の端子７Ｅは接地され、端子７ＶＫは図示しない電
源回路から電圧Ｖｃａが印加されるとともに、一対の出
力端子９Ａおよび９Ｂは抵抗Ｒ１およびＲ，によりて対
称接続された一対の演算増幅器１１および１２の非反転
側入力端子（＋印）に入力される。また、演算増幅１１
および１２の出力は抵抗Ｒ３ｔ　Ｒ４ｙ　Ｒ８ｙおよび
Ｒ６ｔ−有する差動形の演算増幅器１３に入力されて増
幅され、出力端子７から出力電圧Ｖｏが出力される。

このように構成された従来装置において、歪ゲージブリ
ッジ回路５を有するダイヤ７ラム６Ａの裏面側から正圧
Ｐｉ加えると、歪ゲージ２Ｇ、４ＧＩＣは引張シカが加
わって抵抗値が増加し、１Ｇ。

３Ｇには圧縮力が加わって抵抗値が減少する。これらの
抵抗変化によってブリッジ回路５の出力端子９Ａ、９Ｂ
間には正の電圧信号ｖ１が発生する。

この電圧信号ｖ１は信号処理回路２０で出力信号ｖＯに
増幅されて出力端子７から出力される。

ところで、電圧信号ｖ１は歪ゲージ１Ｇないし４Ｇが負
の温度依存性を持つためにフルスケールに対して−０，
１％ないし−０，３５Ｘ、／’Ｃ程度の負の温度依存性
を有する。そこで、これを補償するために、演算増幅器
１３の帰還抵抗Ｒ６に並列に正の大きな温度依存性を有
する温度補償抵抗ＲＡを接続した抵抗値Ｒｘなる並列抵
抗対１５Ｍ−設け、演算増幅器１３の増幅度に＋０．１
％ないし＋０．３％／℃程度の温度補償を行ったものが
知られている。

これらの回路動作を式で表わすとおよそ次式のよう罠な
る。ここでｖＯは信号処理回路２０の出力電圧、Ｖｉｏ
は基準温度（例えば２５℃）忙おけるブリッジ出力電圧
、ａはブリッジ出力電圧ｖ１の温度係数、　Ｒｘｏは基
準温度における並列抵抗対１５の抵抗Ｒｘｏ値、ｂはＲ
ｘの抵抗温度係数、Ｔは基準温度からのずれである。

ｖＱ＝　（（２Ｒｓ／Ｒｔ）＋１　）　（Ｒｘｏ（１＋
ｂＴ）／Ｒ３）ｘ　（Ｖｉｏ　（ｌ＋ａＴ）　）＋　Ｖ
ｄ　　　　＝”・（１）ただし、Ｖｄ＝　Ｒ，−Ｖｃｃ
／（１ｈＲ４＋Ｒｇ　）Ｒｘ中Ｒａ　・Ｒｓ／　（Ｒ４
＋Ｒ５）　＝ＲＸＯ（１−１−ａＴ）　　とする。上式
から明らかなように、ｂ＝−ａとなるように抵抗Ｒ６の
値を決めることによって温度補償を行うことができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の従来装置は信号処理回路２００Å力側に対称配置
された演算増幅器１１．１２を備えており、入力インピ
ーダンスが高く、かつ高い同相分除去比（ＣＭＲＲ）が
得られるという特長を有し、かつ温度補償を行うことが
できる。しかしながら、この装置を高い圧力感度が必要
とされる圧力変換器９例えば洗濯機の水位計やガス漏れ
検知器などに適用する場合、ダイヤフラムの厚さｔｌ薄
くして圧力Ｐによるダイヤフラムの変形量を大きくして
高い圧力感度を得るようにする必要がある。しかし、ダ
イヤフラムの厚さｔを薄くするＫつれてバルーン効果に
よりブリッジ出力電圧信号ｖ１の圧力Ｐに対する比例関
係がくずれてくるという問題がある。この厚さｔと比例
関係からのずれとの関係を第９図に示す。信号処理回路
２０はこの圧力特性の非直線性を補償する機能を有して
いないため、このｖｌの非直線性はそのまま信号処理回
路出力ｖｏの非直線性となシ、圧力に対してリニアな特
性が要求される用途においては大きな問題となる。

この発明の目的は、上述した従来方式の欠点を除去し、
信号処理回路に増幅、温度補償のみでなく圧力特性の非
直線性を補償する機能も有するようにすることにある。

ＣｎＭを解決するための手段〕 上記課題を解決するために、この発明によれば、半導体
圧力変換器のシリコンダイヤフラムの表面の複数個所に
拡散形成された半導体歪ゲージを含むブリッジ回路と、
このブリッジ回路に電流を供給する電源回路、およびブ
リッジ回路の出力電圧を増幅する演算増幅器を含む信号
処理回路とを備えたものにおいて、前記シリコンダイヤ
フラムの表面に拡散形成された前記半導体歪ゲージの温
度依存性とは逆の温度依存性および圧力依存性を有する
補償抵抗を備え、この補償抵抗を前記演算増幅器の帰還
回路または前記電源回路の定電流演算増幅器の非反転入
力端子の接地側のいずれかに導電接続してなるものとす
る。

〔作用〕

上記手段において、負の温度依存性を有する半導体歪ゲ
ージに対して正の温度依存性を有する補償抵抗をシリコ
ンダイヤスラムの要所に拡散により形成し、これを信号
処理回路に設けられた演算増幅器の帰還回路または定電
流電源回路に設けられた演算増幅器の非反転入力端子と
接地点との間のいずれか一万に設けたことによシ、補償
抵抗は温度依存性と感圧特性の二つの機能を持つことに
より、ブリッジ回路の出力信号の温度依存性を補償する
とともに、出力信号の圧力Ｐに対する非直Ｓｔ−同時に
補償することができる。

〔実施ｆ？す〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１Ａ図および第１Ｂ図はこの発明の実施例におけるセ
ンサ部の構造を示す平面図およびＢ−Ｂ方向の断面図、
第２図は実施例装置の回路構成を示す接続図であり、以
下従来装置と同じ部分には同一参照符号を用いることに
より詳細な説明を省略する。図において、シリコンチッ
プ乙の中心部に数十μｍのダイヤフラム６Ａが形成され
、その上には拡散によシ歪ゲージ１Ｇから４Ｇが形成さ
れる。１Ｇ、３Ｇはダイヤフラムの周辺部に、２Ｇ、４
Ｇはダイヤスラムの中心部に位置しておシ、第２図のよ
うにブリッジ構成され、電源電圧Ｖｃｃが印加される。

更にダイヤスラム上には補償抵抗６２が歪ゲージと同様
に拡散によ多形成され、導体によルチップ周辺部に端子
３２Ａ、３２Ｂが形成されることによシ、半導体圧力セ
ンサ３０が形成される。

３１は信号処理回路であり、歪ゲージブリッジ回路５の
出力端子９Ａ、９Ｂが抵抗器Ｒ１！　ｒ　ＲＩｆを介し
て演算増幅器３３の反転入力端子（へ）および非反転入
力端子間）に接続される。演算増幅器３３の出力端子と
反転入力端子の間に前述した補償用抵抗３２が帰還抵抗
Ｒ１，と並列に接続され並列抵抗対６５が形成される。

また、電源端子７ｖとアース端子７８間に抵抗Ｒ１１ｌ
とＲｔｓが直列に接続され、その接続点と増幅器３３の
非反転入力端子間に抵抗Ｒ１４が接続されて差動増幅回
路を形成する。

ここで、並列抵抗対３５の抵抗値ｉＲＹとする。

以上のような構成におけるこの発明の詳細な説明する。

ここでは簡単化するためｓ　Ｒ１１＝　Ｒ１１としまた
使用温度範囲において ＲＹキＲ１４＋　（Ｒ１５・Ｒ，、／Ｒ□＋Ｒ１，）・
・・・・・（２）となるようにＲ１４＋　ＲＩｓ　ｅ　
Ｒ１＋１の抵抗値及び温度特性が決められているとする
。また歪ゲージブリッジ回路５の出力電圧ｖ１は圧力が
零の状態で零であるとし、またブリッジ回路５の出力イ
ンピーダンスは抵抗Ｒ１□、Ｒ１２に比較して十分小さ
いとみなす。圧力変換器の出力電圧ｖＯは以下の式で衣
わされる。

Ｔｏ　＝ＲＹ　−Ａ　−Ｐ／Ｒ１，・・−＝（３）ここ
でＡは歪ゲージブリッジ出力ｖ１の圧力感度、Ｐはダイ
ヤプラムに加わる差圧である。更にＡは温度の１次関数
、　Ｒｘは温度の１次関数でちゃ、感圧特性を有するた
め圧力の１次関数とすると、式（３）に次のようになる
。

ＶＯ＝（ＲＹＯ（１＋ｂＴ）−（ｊ＋ｄＰ）／Ｒ１１）
ｘ　（Ａｏ　（ｌ＋ａＴ）　）ｘＰ　　　　＊＊　−−
・−・・・・・・（４）ここで、ａは圧力感度の１次の
温度係数（ａ＝１〜３Ｘ１０−’）、ｂはＲＹの１次の
温度係数、ｄはＲＹの圧力感度の１次係数である。ダイ
ヤフラム厚がうすくなると、歪ゲージブリッジ出力ｖ１
は圧力に対する比例関係よシずれてくる。言い換えれば
ｖｌの圧力Ｐの２次以上の項が無視できなくなる。この
場合式（４）は次のようになる。

Ｖｏ＝（Ｒｙｏ（１＋ｂＴ）（１＋ｄＰ）／Ｒｔｔ）ｘ
（Ａｏ（１＋ａＴ）（Ｐ＋ｅＰ”））　　・・・・”・
・（５）ここでは近似的にｖｌには圧力Ｐの３次以上の
項は含まれないとし、またダイヤフラムかうすくなって
もＲＹの圧力Ｐの２次項は１次項よりも十分小さいと見
なし無視することとする。

式（５）は書き換えると次のようになる。

圧力変換器出力電圧ＶＯの圧力感度はＲ１１ｔ　Ｒ１２
の値を選ぶことＫより所定の値にすることができる。ま
たＶＯの温度補償は−ａ＝ｂとなるようＫＲｌｍの値を
選ぶことにより為される。次に式（６）の圧力Ｐ−６ｓ
含まれる項（１＋ｄＰ　）　（Ｐ＋ｅＰ”）は書き換え
ると次のようになる。

ｐ＋　（ｄ＋ｅ　）　Ｐ”＋ｄＰ”　　　　−−−−−
−−−−−（７）ここで圧力Ｐの３次項すなわち第３項
は十分小さいとして無視すると、圧力変換器出力電圧ｖ
ｏが圧力Ｐと比例関係にあるためには ｄ＝−ｅ　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・・
・（８）になるように補償抵抗３２の抵抗ＲＢの圧力感
度を選ぶ必要がある。ＲＢの圧力感度はダイヤフラム上
に形成される位置によシ決定される。ダイヤフラムの中
心部ではｄ＞０になり周辺部ではｄく０となる。−船釣
な例としてＰ　＝　Ｉ　ＩＩ／ａｌｌでｖｌが＋１％の
非直線性を有する場合、すなわち、ｅＰ”／Ｐ＝０．０
１　の場合を考える。

書き換えると、ｅ　＝　０．０１／に９／ａｔ／１こｏ
と＠式（８）よ５ｄ＝　−ｅ＝−０，０１／＃／−とな
る。

すなわち、１１４７ｄｉの圧力によシー１％ＲＹ。

値が変化するように補償抵抗３２のダイヤフラム上の位
置を比較的周辺近い所に決定すればよい。

この位置はＲ１１の値にも影響されるが一般的に実現可
能である。

同様に、ｖｌ　がマイナスの非直線性を有する場合は、
補償抵抗３２の位＆’ｉｉ−比較的ダイヤフラムの中心
部に近いところに形成することにより非直線性を補償す
る−ことができる。また、ビニ７ゾ効果の方向依存性に
着目してゲージの方向を変えることにより、式（８）の
条件を実現することも可能である。

第３図はこの発明の第２の実施例を示す電気回路の接続
図でちゃ、信号処理回路４１が互いに対称接続された二
つの初段演算増幅器４２および４３と、２段目の演算増
幅器４４とからなる２段増幅回路で構成された例を示す
ものであり、２段目演算増幅器４４の帰還抵抗Ｒ２２に
一並列に抵抗Ｒｃなる補償抵抗３２を並列接続して並列
抵抗対４５を形成することによシ、演算増幅器４３の増
幅度に感温特性および感圧特性を持たせることができ、
圧力特性の非直線性と温度依存性とを同時に補償するこ
とができる。

第４図はこの発明の第６の実施例の電気回路を示す接続
図であり、信号処理回路５１の三つの演算増幅器５２．
５３．５４のうち、初段の演算増幅器の−り５２の帰還
抵抗を補償抵抗３２とすることによって補償回路が構成
されておプ、その増幅度が感温特性および感圧特性を持
つことによ本庄力特性の非直線性および温度依存性を補
償することができる。

第５図はこの発明の第４の実施例を示す接続図であシ、
信号処理回路６１の二段の演算増幅器６２および６３の
うち後段の演算増幅器６３の帰還抵抗Ｒ３゜と並列に抵
抗Ｒｅなる補償抵抗３２を接続して並列抵抗対６５′ｔ
−形成した点が異なっておシ、前述の各実施例と同様に
ブリッジ回路５の中力信号の温度依存性および感圧特性
の非直線性を補償することができる。

第６図はこの発明を適用した第５の実施例であシ、定電
流で歪ゲージブリッジ５を駆動するととくよ多温度補償
を行なう回路にこの発明を適用した例である。抵抗７３
はシリコンチップのダイヤフラム外に形成された拡散抵
抗であフ感温特性を有する。抵抗７２はダイヤフラム内
に形成された拡散抵抗であシ感圧特性を有する。これら
の抵抗７２．７３は歪ゲージと同一プロセスによ多形成
される。抵抗７２によシ演算増幅器７１の非反転入力端
子の電位は感圧特性を持ち、それによシ歪ゲージを駆動
している篭流工も感圧特性を持つ。

この電流の感圧特性によシ歪ゲージブリッジ５の出力電
圧の圧力特性の非直線性を補償し、演算増幅器７４を含
む信号処理回路によって信号を増幅して出力する。

以上の各実施例のブリッジ回路５は半導体歪ゲージ４個
を有するフルブリッジを用いた例を示したが、ハーフブ
リッジやブリッジの一部の抵抗が歪ゲージである場合で
もこの発明を有効に適用できることはいうまでもないこ
とである。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、シリコンダイヤフラムに半導
体歪ゲージブリッジとともに補償抵抗を拡散によ多形成
し、この補償抵抗を信号処理回路に設けられた演算増幅
器の帰還回路または定電流電源回路に設けられた演算増
幅器の非反転入力端子の接地側のいずれか一方に接続し
て補償回路を構成した。その結果、補償抵抗に温度依存
性および圧力依存性を持たすことができるので、シリコ
ンダイヤフラムの厚みを薄くすることによって圧力の検
出感度を高めようとすると、圧力変換器の出力信号の非
直線性が増すという従来技術の問題点が排除され、出力
信号の温度依存性および圧力特性の非直線性が装置の構
成を複雑化することなく同時に補償される。したがって
、シリコンダイヤスラムの厚みｔ−薄くすることによっ
て圧力特性の直線性を損うことなく圧力検出感度を向上
した半導体圧力変換器を簡素な回路構成によって提供す
ることができる。

また、補償抵抗の温度特性は、ダイヤスラム上の位置と
はほとんど無関係なので、圧力特性の非直線性の補償と
温度補償をそれぞれ独立に行うこともできる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図はこの発明の実施例における半
導体圧力センサを示す平面図およびそのＢ−Ｂ方向の断
面図、第２図はこの発明の第１実施例の電気回路を示す
接続図、第３図はこの発明の第２実施例を示す接続図、
第４図はこの発明の第３実施例を示す接続図、第５図は
この発明の第４実施例を示す接続図、第６図はこの発明
の第５実施例を示す接続図、第７Ａ図および第７Ｂ図は
従来の半導体圧力センナを示す平面図およびそのＡ−Ａ
断面図、第８図は従来装置の電気回路を示す接続図、第
９図は従来の半導体ダイヤフラムの厚みと歪ゲージブリ
ッジの出力信号の圧力依存性のずれ量との関係を示す特
性線図である。 １Ｇ、２Ｇ、３Ｇｔ４Ｇ・・・半導体歪ゲージ、５・・
・半導体歪ゲージブリッジ、６Ａ・・・シリコンダイヤ
フラム、１０，３０・・・半導体圧力センサ、２０゜３
１．４１，５１，６１・・・信号処理回路、１１ｉ２，
１３，３３，４２，４３，４４，５２，５５．５４，６
２．６３・・・演算増幅器、３２・・・補償抵抗、１５
，３５，４５．６５・・・並列抵抗対、７１・・・定電
流用演算増幅器、Ｒ・・・抵抗、ｔ・・・ダイヤフラム
の厚み、ｖｌ・・・歪ゲージブリッジの出力電圧、Ｖｏ
・・・圧力変換器の出力信号（１１！圧）、■・・・定
電流回路の電流。 第３Ｍ ｖ５０ 第９回

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）半導体圧力変換器のシリコンダイヤフラムの表面の
   複数個所に拡散形成された半導体歪ゲージを含むブリッ
   ジ回路と、このブリッジ回路に電流を供給する電源回路
   、およびブリッジ回路の出力電圧を増幅する演算増幅器
   を含む信号処理回路とを備えたものにおいて、前記シリ
   コンダイヤフラムの表面に拡散形成された前記半導体歪
   ゲージの温度依存性とは逆の温度依存性および圧力依存
   性を有する補償抵抗を備え、この補償抵抗を前記演算増
   幅器の帰還回路または前記電源回路の定電流演算増幅器
   の非反転入力端子の接地側のいずれかに導電接続してな
   ることを特徴とする圧力変換器の補償回路。