JPH02177566A - 半導体歪み検出装置 - 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］ 本発明は圧力センサ等として用いる半導体歪み検出装置
、特にその零点または感度の温度補償に関するものであ
る。

［従来の技術］ 従来より機械的な変位量を電気的な信号に変換する装置
として、半導体歪みゲージを利用した半導体歪み検出装
置が用いられている。そして、このような半導体歪み検
出装置を用いたものとしては、例えば半導体圧力センサ
がある。そこで、半導体圧力センサを例として、半導体
歪み検出装置について説明する。

半導体圧力センサは、半導体歪みゲージを利用した圧力
検出器をシリコン単結晶上に形成し、圧力変化に応じて
生じる半導体歪みゲージの抵抗値の変化によって圧力を
測定する。

そして、このような半導体圧力センサにおいては、μｍ
オーダの微細加工技術を利用してセンサの小型化、高精
度化が実現でき、半導体製造装置によって量産が容易な
ため、大幅なコストダウンが期待できること等の理由に
より、自動車や家電分野において実用化が進んできてい
る。

ところが、半導体圧力センサにおいては、半導体が本質
的に温度依存性を有するため、温度補償を行うことが必
要である。そして、一般に半導体圧力センサの持つ温度
特性は、印加圧力に無関係な温度特性、すなわち零点の
温度特性と、圧力に関する温度特性、すなわち感度温度
特性に分けられる。

そこで、従来の半導体圧力センサにおける温度補償につ
いて零点の温度補償と感度の温度補償に分けて説明する
。

零点温度補償 拡散歪みゲージによってブリッジ回路を構成した場合、
その零点の温度特性は、それぞれの拡散歪みゲージの温
度係数のばらつきや、シリコン単結晶基板と接合される
台座の温度係数の違いなどによって発生する。そして、
この零点の温度特性は、台座の温度係数をシリコン単結
晶基板の温度係数とほぼ等しくすれば、その変動が極め
て小さくなり、温度に対して直線的に変化するとみなす
ことができる。また、ブリッジ回路の４辺の拡散歪みゲ
ージが対称的に形成されている場合、それぞれの拡散歪
みゲージの温度係数の相違により、温度の上昇に対し零
点の変動が正になるときや負になるときがある。

このため、従来においては、第１０図に示すように、拡
散歪みゲージＧ＋　、Ｇ２　、Ｇｓ　、”Ｇａ′からな
るブリッジ回路１の任意の１辺：と温度係数の小さい調
整用の直列抵抗Ｒｓあるいは並列抵抗Ｒｐを挿入し、こ
の直列抵抗Ｒｓあるいは並列抵抗Ｒｐの抵抗値を調整す
ることによって、シリ１ツジ回路１全体の温度時′性を
揃えることが行われていた。

感度の温度補償 拡散歪みゲージによって構成されたブリッジ回路の感度
温度特性については、シリコン単結晶に不純物を拡散し
て形成した拡散抵抗で形成された抵抗素子自身の持つ抵
抗温度特性を利用した定電流自己感度温度補償方法が用
いられている。この方法は、感度の温度特性が温度上昇
に対し低下するのを補償するために、拡散歪みゲージに
定電流を流し、その抵抗値が温度上昇に対し増加し、ブ
リッジ回路の印加電圧が上昇するのを利用している。す
なわち、感度及び抵抗の温度特性は、拡散抵抗の表面不
純物密度に依存しており、この表面不純物密度を適当に
選択することにより、出力信号における温度依存性をほ
とんど０とすることができる。

ここで、３０１１図に特開昭５８−１４４３号公報に記
載されている感度震度補償の従来例を示す。

この例においては、ブリッジ回路１は抵抗値Ｒｇの４つ
の拡散歪みゲージＧから構成される装リ、このブリッジ
回路１の入力端子には、電源電圧ｖＣＣが印加されてい
る。そして、ブリッジ回路１の出力端子は増幅器２の一
対の入力端子に接続されるとともに、この増幅器２の出
力端子と反転入力端子の間には、抵抗値Ｒｆの負帰還抵
抗３が配置されている。なお、増幅器２の非反転入力端
子は、抵抗値Ｒｆの抵抗４を介しアースに接続されてい
る。

このよ・うな回路において、ブリッジ回路１の出力は、
増幅器２によって所定の増幅を受は出力信号ｖｏとして
出力されるが、この出力信号ｖ０は、近似的に次のよう
に表せることが知られている。

ｖｏ″：２　（Ｒｆ／Ｒｇ）ｋ （１＋（αｆ−αｇ＋βｇ）Ｔｌ　・ＰＩＩｖＣＣ・・
・（１） ここで、ｋはブリッジ回路ｌの感度、Ｐは印加圧力であ
り、圧力印加時におけるブリッジ回路１の対向する２辺
同士の抵抗値の変化量をΔＲとした場合、ｋＰ−ΔＲ／
Ｒｇの関係が、ある。また、βｇは拡散歪みゲージＧか
らなるブリッジ回路１の感度温度係数、αｇは拡散歪み
ゲージＧの抵抗の温度係数、αｆは演算増幅器２の負帰
還抵抗３の温度係数、Ｔは温度である。

そして、出力電圧ｖｏにはこのような関係があるため、
ブリッジ回路１の感度の温度係数βｇに対し、負帰還抵
抗３の温度係数αｆと拡散歪みゲージＧの抵抗温度係数
αｇの差を等しくすることによって感度の温度補償を行
っていた。

［発明が解決しよう・とする課題］ 従来の半導体歪み検出装置利用した圧力センサにおける
零点温度補償、感度温度補償は上述のように行われてお
り、次のような問題点があった。

零点温度補償 第１０図に示す拡散歪みゲージＧ、、Ｇ、。

Ｇ、、Ｇ４からなるブリッジ回路１において、拡散歪み
ゲージＧ、の辺に温度係数の小さい直列抵抗Ｒｓ、並列
抵抗Ｒｐを配置し、この辺における温度係数を調整する
ことによって、ブリッジ回路１の出力端子（＋ＯＵＴ、
−、０ＵＴ）における温度特性を調整していた。

しかし、この温度補償のための抵抗Ｒｓ、Ｒｐの抵抗値
は、実際にブリッジ回路１に温度変化を与え、その出力
を見ながらトライアンドエラーで決定しなければならな
かった。このため、調整が非常に複雑かつ困難であった
。

更に、半導体圧力センサの感度は、数１０ｍＶのＶオー
ダであり、通常はオペアンプ等による増幅回路によって
、ブリッジ回路１の出力をＶオーダに増幅して使用して
いる。このため、ブリッジ回路１の零点温度補償を行っ
た後、高価な温度特性のよいオペアンプで増幅回路を構
成するが、もう−度増幅回路も含めた全体の零点温度補
償をする必要があった。

なお、ブリッジ回路の温度特性を予め調べ、これをメモ
リに記憶しておき、圧力測定時においては、温度センサ
からの出力に応じブリッジ回路からの出力をマイコンに
よってデジタル的に変調することも提案されている。し
かし、このような温度補償を行うと、回路が大規模、が
っ複雑になり、他の回路とのインターフェースも問題と
なる。

感度温度補償 従来の定電流自己感度温度補償方法では、使用温度範囲
を拡げた場合に、十分な温度補償を行うことができなく
なるという問題点があった。これは、従来の方法におい
ては、温度係数の一次の項だけを補償しようとしている
ので、使用温度範囲を広くかつ高精度な温度補償を行う
場合、温度特性の曲がり（非直線性）は無視できなくな
ってくるからである。また、拡散歪みゲージＧの抵抗値
Ｒｇが圧力によって変化するので、温度係数の二次の項
まで考慮すると式が簡単な式で表わせなくなり、計算が
複雑で高精度の補償が困難となる。

このため、従来の方法においては、感度温度特性の一次
と二次の項を同時に補償することはできなかった。

発明の目的 本発明は上述のような問題点を解決することを課題とし
てなされたものであり、簡単な回路構成により広い温度
範囲において高精度の零点温度補償または感度温度補償
を行える半導体歪み検出装置を提供することを目的とす
る。

［解決原理］ 本発明は、次のような構成によって零点の温度補償また
は感度の温度補償を行う。

零点の温度補償においては、ブリッジ回路の出力に対し
、零点温度補償用出力を加算し、最終的な出力の零点温
度補償を行う。圧力センサの零点温度特性はほぼ直線的
であるので、直線的な変化をする零点温度補償回路が必
要となる。そこで、直線的な温度特性を有する感温素子
に定電流を流し、その電流の向き、大きさにより正負両
方向へ零点温度特性を補償する。

また、感度の温度補償については、抵抗の温度特性と感
度の温度特性に注目し、増幅回路に表面不純物密度の異
なる２種類の拡散抵抗を使用し、温度係数の二次の項ま
で考慮した感度温度補償を行う。

［課届を解決するための手段］ 請求項（１）記載の第１発明は、一部に起歪領域が形成
されたシリコン基板と、少なくともその一部が起歪領域
に位置し、起歪領域の歪みに応じて抵抗値が変化する歪
みゲージと、この歪みゲージを含むブリッジ回路と、所
定の温度特性を有する信号を出力する零点温度補償回路
と、前記ブリッジ回路と前記零点温度補償回路の出力を
加算する演算回路と、を含み、 前記零点温度補償回路は、温度によって抵抗値が変化す
る感温抵抗と、この感温抵抗に所定の向き、大きさの一
定電流を供給する定電流手段と、を有し、 零点温度補償回路の出力の温度特性によって、ブリクジ
回路の零点温度特性を相殺することを特徴とする。

このような零点補償回路は、例えば帰還路に所定の温度
特性を有する抵抗を配置したオペアンプの反転入力端子
に電流設定用の抵抗を接続し、その抵抗の他方の端子と
オペアンプの非反転入力端子に所定の電位差を与えるこ
とによって構成することができる。

次に、請求項（２）記載の第２発明は、一部に起歪領域
が形成されたシリコン基板と、少なくともその一部が起
歪領域に位置し、起歪領域の歪みに応じて抵抗値が変化
する歪みゲージと、この歪みゲージを含むブリッジ回路
と、ブリッジ回路の感度の温度変化を補償する感度温度
補償回路を含み、 前記感度温度補償回路は、ブリッジ回路の出力が入力さ
れこれを演算増幅する演算増幅器と、この演算増幅器の
反転入力端子に至る経路に挿入配置され、前記基板に不
純物を所定密度で拡散して形成された第１の拡散抵抗と
、演算増幅器の出力端子と前記反転入力端子を接続する
帰還路に配置され、前記基板に前記第１の拡散抵抗とは
異なる密度で不純物を拡散して形成された第２の拡散抵
抗とを有し、前記第Ｌ　Ｍ２の拡散抵抗の温度変化の相
違によって、前記歪みゲージの感度の温度変化を相殺す
ることを特徴とする。

このような第１、第２の拡散抵抗の温度特性の差は、ブ
リッジ回路の温度特性の二次の項まで考慮して設定する
ことができ、広範囲の感度温度補正を行える。

［作用］ 半導体歪みゲージはシリコン基板の起歪領域に配置され
ている。このため、シリコン基板の歪みは半導体歪みゲ
ージの歪みとなる。そして、この半導体歪みゲージはそ
の歪みに応じて抵抗値が変化する。半導体歪みゲージは
、ブリッジ回路を構成しているため、ブリッジ回路の出
力は、歪みに応じて変化する。

ここで、ブリッジ回路の出力は半導体歪みゲージの温度
係数のばらつき等に起因して、零点が温度によって変化
する。そこで、この零点の温度補償を行わなければなら
ない。第１発明においては、所定の温度特性を有する感
温抵抗に一定の電流を流す零点温度補償回路を有してい
る。そして、この零点温度補償回路の出力をブリッジ回
路からの出力に加算する。そこで、ブリッジ回路の出力
における温度特性をこの零点温度補償回路の出力によっ
て相殺し、効果的な零点温度補償が達成される。

また、定電流手段における電流値の調整によって零点温
度補償回路の温度特性を調整できるため、ブリッジ回路
の温度特性に応じて、零点温度補償回路の温度特性を調
整することができ、効率的な零点温度補償を行うことが
できる。

次に、ブリッジ回路の出力には、半導体歪みゲージの歪
み量に関する感度の温度特性がある。このため、感度温
度補償を行う必要がある。第２発明によれば、ブリッジ
回路の出力を増幅する演算増幅器の入力経路と帰還路に
配置された第１の拡散抵抗及び第２の拡散抵抗として所
定のものを選び、ブリッジ回路の出力の一次、二次の項
と対応させることができ、感度の温度特性の二次の項ま
で補償することができる。従って、広範囲に亘って高精
度の感度温度補償を行うことができる。

〔発明の効果］ 以上説明したように、本発明の第１発明に係る半導体歪
み検出装置によれば、定電流手段における電流値の調整
によって、零点補償回路における温度特性を所定のもの
とできるため、ブリッジ回路の出力の温度特性に応じて
零点補償回路の出力を調整でき、効果的な零点温度補償
を達成することができる。また、第２発明によれば、ブ
リッジ回路の二次の温度特性まで、補償するこ也ができ
るため、広範囲の温度補償を精度よく行うことができる
。

［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。

第１実施例 第１図に第１発明に係る零点温度補償回路を有する半導
体歪み検出装置の一実施例に係る回路を示す。図におい
て、ブリッジ回路１０は、４つの拡散歪みゲージＧｌ　
、Ｇ２．Ｇａ、Ｇ４で構成する。そして、このブリッジ
回路１０の出力は演算回路１２を経て演算増幅器１４の
入力側直列抵抗ＲＡに接続し、直列抵抗ＲＡの他端子は
、演算増幅器１４の反転入力端子に接続している。また
、演算増幅器１４の負帰還抵抗としてＲ８を出力端子と
反転入力端子間に接続する。

ブリッジ回路１０における拡散歪みゲージＧＧ２　、Ｇ
３　、Ｇａの歪みに対応した出力は、演算回路１２によ
って所定の電圧ｖＰに変換され、演算増幅器１４により
所定の増幅を受けた後、電圧７００丁として出力される
。

一方、零点温度補償回路２０は電流設定用抵抗Ｒｃ％演
算増幅器２２及びこの演算増幅器２２の負帰還抵抗Ｒ，
から構成する。そして、この零点補償回路２０の出力側
は抵抗ＲＤを介し演算増幅器１４の反転入力端子に接続
されているため、ここでブリッジ回路１０の出力信号と
加算される。

なお、図においてｖＲは回路のリファレンス電圧、ＶＩ
Ｎは入力電圧、Ｖｔは零点温度補償回路の２０の出力電
圧である。

一方、演算増幅器２２の負帰還抵抗Ｒ２の温度特性は、
直線性のよい抵抗を用いれば、抵抗の二次の温度係数を
無視でき、次のような式で表すことができる。

Ｒｇ　、（Ｔ）＝Ｒｇ　　（０）　　ψ　（１＋ａＴ）
　　−（２）ここで、Ｒａ　　（０）は負帰還抵抗Ｒ，
の基準温度（ＩＩＩＪえば０℃）における抵抗値であり
、Ｔは温度、ａは負帰還抵抗のＲ，の温度係数である。

そして、・電流設定用抵抗Ｒ０として、温度係数の非常
に小さいものを採用すると、この電流設定用抵抗Ｒｃに
は、温度変化によらず、常に入力電圧ＶＩＮとリファレ
ンス電圧ｖＲの電圧差に応じた電流が流れることになる
。この電流は、入力電圧ＶＩＮ及びリファレンス電圧ｖ
Ｒが温度特性を持たなければ、温度に対し常に一定の電
流となって負帰還抵抗Ｒ，に流れることとなる。すなわ
ち、入力電圧ｖ１Ｎ１　リファレンス電圧ｖＲ及び電流
設定用抵抗Ｒ６の値によって負帰還抵抗Ｒ，における電
流値を所定のものに設定することができる。

そして、負帰還抵抗ＲＩ！の抵抗値及び温度特性が既知
であれば、演算増幅器２２の出力側電圧■Ｔに所望の温
度特性を持たせることができる。

すなわち、零点温度補償回路２０の出力電圧ｖＴは次の
ような式で表される。

Ｖｔ　　（Ｔ）＝−Ｒｇ　　（Ｔ）　　”　　（ＶＩＮ
−ＶＲ）／Ｒｃ＋ｖＲ・・・（３） なお、一般的には入力電圧ＶＩＮは電源電圧ＶＣＣある
いはアースに、す・ファレンス電圧ｖＲは回路の中点の
電圧に設定されるが、Ｖ　ＩＮ（Ｖ　Ｒならば出力電圧
７丁の温度特性は正となり、ｖｌＮ＞ｖＲならば出力電
圧ｖＴの温度特性は負となる。

このような出力電圧■。の温度特性について第２図に示
す。このように電流設定用抵抗Ｒｃ１入力端子”ＩＮｓ
　リファレンス電圧ｖＲの調整により零点温度補償回路
２０の出力ｖＴに所望の温度特性を付与することができ
る。

そして、零点温度補償回路２０の出力は抵抗Ｒ，を介し
演算増幅器１４の反転入力端子に入力される。従って、
ブリッジ回路１０からの出力である電圧ｖＰと零点温度
補償回路２０の出力ｖＴとが足し合わされ、演算増幅器
１４の出力ｖ　ｏｕＴは次式で表されることとなる。

ｖＯＵＴ　−Ｇｐ　　（ＶＰ　　ＶＯ）　＋ＧＴ　　（
Ｖｔ　　ＶＲ）十Ｖ、　　　　　　　　　　　　　　・
・・（４）ここで、Ｇｐ　”＝−Ｒａ　／ＲＡ ＧＴ”−Ｒａ　／ＲＤ このため、ブリッジ回路１０からの出力であるＶＴの零
点温度特性を測定し、これを補償できるような温度特性
をＶＴに持たせることにより、出力ｖ０１．におけ−る
零点の温度補償を行うことができる。この際、零点温度
補償回路２０における温度特性の極性は入力電圧ＶＩＮ
の接続される電圧で決定され、その特性の傾きは電流設
定用抵抗Ｒｃの抵抗値を調整して所定の温度依存性を有
する負帰還抵抗ＲＲに流れる電流を調整するか、あるい
は抵抗ＲＤを調整して演算増幅器１４における利得Ｇ７
を変化させることによって行うことができる。

このように、この例によれば、ブリッジ回路１０を定電
流駆動するか、定電圧駆動するかに拘らず零点の温度補
償ができる。また、ブリッジ回路１０における出力温度
特性に応じて零点温度補償回路２０の出力７丁における
温度特性を調整すればよいため、その調整が非常に容易
となる。

第２実施例 次に、本発明の第２発明に係る感度温度補償回路を有す
る半導体歪み検出装置について説明する。

第３図に本発明に係る感度温度補償の基本的構成を示す
。拡散歪みゲージＧ、、Ｇ２．Ｇ、、に、で構成された
ブリッジ回路１０の一方端子の出力は、演算増幅器３２
の非反転入力端子に接続される。この演算増幅器３２の
反転入力端子と出力端子は短絡され、いわゆるポルチー
シフ矛ロアを構成している。そして、演算増幅器３２の
出力は拡散抵抗Ｒ１に接続される。拡散抵抗Ｒ，の他端
子は、演算増幅器３４の反転入力端子に接続されている
。また、演算増幅器３４の反転入力端子と出力端子の間
には負帰還抵抗として前述の拡散抵抗Ｒ１とは表面不純
物密度の異なる拡散抵抗Ｒ４が接続されている。

ブリッジ回路ｌＯの他方の出力は演算増幅器３４の非反
転入力端子と接続されている。

このような第３図に示された拡散歪みゲージＧ、、Ｇ２
．Ｇ、、Ｇ４で構成されたブリッジ回路１０の感度温度
特性Ｓ　（Ｔ）　、拡散抵抗Ｒ，，ＲＪの温度特性Ｒ＋
　　（Ｔ）、ＲＪ　　（Ｔ）は、次に示す式によって近
似することができる。

Ｓ　　（Ｔ）−Ｓ　　（０）　　（１＋β、Ｔ＋β２Ｔ
２）・・・　（５） Ｒ＋　　　（Ｔ）　　−Ｒ＋　　　（０）　　　（１＋
　α　■Ｔ＋　α　菖２Ｔ２　）・・・　（６） ＲＪ　　（Ｔ）−ＲＪ　　（０）　　（１＋αＪＩＴ＋
αＪ２Ｔ”）・・・　（７） ここで、５（０）はブリッジ回路１０の基準温度時の出
力、Ｒ＋　　（０）、ＲＪ　　（０）はそれぞれ抵抗Ｒ
，，Ｒ，の基準温度時の抵抗値であり、β１．β２はブ
リッジ回路１０の一次、二次の温度係数、α１１＋　α
１２は拡散抵抗Ｒ１の一次、二次の温度係数、αＪｉｏ
　αＪ２は拡散抵抗Ｒ２の一次、二次の温度係数である
。

従って、感度温度補償回路３０の出力ｖ０は次のように
表すことができる。

ＶＯ−−（ＲＪ　　（Ｔ）／Ｒ＋　　（Ｔ））　　φＳ
　（Ｔ）・・・（８） このように、感度温度補償回路３０の出力ｖ０は、ブリ
ッジ回路１０の出力であるＳ　（Ｔ）に演算増幅器３４
における増幅率であるＲＪ（Ｔ）／Ｒ＋　　（Ｔ）を乗
算したものとなる。

そして、この抵抗ＲＩ　＋　ＲＪの温度特性についての
式（６）、（７）及び感度Ｓの温度特性についての式（
５）を代入すると、出力電圧　ｖｏは次のように表すこ
とができる。

Ｖｏ　”−（ＲＪ　　（０）／Ｒ１（０））　　・Ｓ　
（０）（（１＋αＪＩＴ＋αＪＥＴ２） ／　（１＋ｆｆｕＴ＋ａ＋ｚＴ”　））・（１＋β、Ｔ
＋β２Ｔ２）　　　・・・（９）この式（９）において
温度係数の結果に対する寄与の非常に少ない三次の項以
降を無視すると、次のように表すことができる。

Ｖｏ岬　（ＲＪ　　（０）／Ｒ＋　　（０））　　・Ｓ
　（０）（１＋（αＪ１−α！１＋β＋）Ｔ ＋（αＪ２−αＩ２＋βｚ）Ｔ”） ・・・　（１０） このように、抵抗Ｒ，，Ｒ，の適当な組合せを選択すれ
ば、ブリッジ回路１０の出力における感度の温度特性を
二次の係数まで含めて補償することが可能となる。

従って、本発明によれば、拡散歪みゲージＧ、。

Ｇ２　、Ｇｓ　、Ｇ４の感度の温度上昇に伴う低下と、
感度温度特性の二次項に起因する非直線的な特性まで補
償することができる。

ここで、拡散抵抗Ｒ，，Ｒ，の表面不純物密度と出力ｖ
ｏにおける感度の関係を上述の抵抗ＲＩ＋Ｒ」の−次及
び二次の温度係数との関係から計算機シミュレーシヨン
し、−５０〜１５０℃でのｖｏの変化と表面不純物密度
の関係を求めた。その結果を第４図に示す。なお、計算
簡略化のため、抵抗Ｒ１と歪みゲージＧの表面不純物密
度は同一とした。

これより、抵抗Ｒ１及び拡散歪みゲージＧｌ＋Ｇ、、Ｇ
、、Ｇ、の表面不純物密度が、１．４×ＩＱ”ｃｍ−一
抵抗ＲＪの不純物密度が４．５×１０１７ｃ　ｍ−”の
時に最適形成条件となり、そのときの温度範囲一５０〜
１５０℃での出力ｖ０の感度変化は０．２％となること
が理解される。また、抵抗Ｒ１及び拡散歪みゲージＧ、
、Ｇ、、Ｇ、。

Ｇ４の表面不純物密度がｌＸｌ０”〜２Ｘ１０”ｃｍ−
’、Ｒ，が３．５Ｘ１Ｇ”〜５Ｘ１０Ｉ７ｃｍ′″３の
範囲では、出力Ｖｏの温度変化は±１％以内であり、実
用上問題ない程度での測定が行われることが理解される
。

一般に、拡散歪みゲージの感度温度特性は温度と共に低
下し、温度範囲を拡げると二次の項が無視できなくなる
。これに対し、シリコン単結晶板に形成した拡散抵抗の
温度特性は温度と共に上昇し二次の温度係数も持ってい
る。これらは表面不純物密度と特定の関係があり、製造
プロセスによって制御することが可能となる。そこで、
抵抗温度特性の二次の項に注目し、演算増幅器による反
転増幅回路の直列抵抗Ｒ１と負帰還抵抗Ｒｊに表面不純
物密度の異なる抵抗を使用し、この抵抗の組合せによっ
て感度の一次と二次の項を同時に補償することが可能と
なった。

また、Ｒ＋／ＲＪという比の温度変化によって感度温度
特性を補償できるため、抵抗Ｒ，，Ｒ。

の組合せにより非直線部分及び直線部分において正負両
方向の補償をすることも可能である。しかも、本発明の
装置によれば、シリコン単結晶基板上で感度温度補償回
路が較正できるため、小型化、集積化を好適に行うこと
ができる。

第３実施例 第５図に本発明の第３実施例に係る半導体歪みゲージを
用いた半導体圧力センサの一例を示す。

ブリッジ回路１０はシリコン単結晶基板上に形成された
拡散歪みゲージＲ，７，Ｒ，，，Ｒ，，，Ｒ２゜で構成
されている。そして、このブリッジ回路１０は定電流回
路Ｉｇにより定電流駆動される。そこで、印加圧力に応
じて、拡散歪みゲージＲ３７゜Ｒ２゜、Ｒ，、、Ｒ，、
の抵抗が変化し、圧力に比例した出力電圧■。をブリッ
ジ回路１０の出力端子７０．７２より発生する。

出力端子７０．７２は、抵抗Ｒ，，Ｒ２，Ｒ，。

Ｒ４及び演算増幅器１４からなる増幅回路３１に接続さ
れている。すなわち、端子７０は抵抗Ｒ３を介し、演算
増幅器１４の反転入力端子に接続され、端子７２は抵抗
Ｒ１を介し演算増幅器１４の非反転入力端子に接続され
、この演算増幅器１４の出力端子と反転入力端子間には
負帰還抵抗Ｒ２が配置されている。また、抵抗Ｒ４は演
算増幅器１４の非反転入力端子をアースに接続している
。

このため、ブリッジ回路１０の出力は、この増幅回路２
０において、圧力に対する感度は数１００ｍＶに増幅さ
れ、増幅回路３１の出力ＶＰとして出力される。

一方、感温抵抗Ｒ１゜、電流設定用抵抗Ｒ＠及び演算増
幅器２２は零点温度補償回路２０を形成している。すな
わち、電流設定用抵抗Ｒ８の一端子は、スイッチ６９に
よって電源ｖＣＣまたはアースに接続可能となっている
。従って、電流設定用抵抗　Ｒ，の一端子の入力端子Ｖ
ＩＮは０または電源電圧ｖＣＣに設定される。

そして、この電流設定用抵抗ＵＳの他端子は、演算増幅
器２２の反転入力端子に接続され、この反転入力端子に
は負帰還抵抗Ｒ７゜が接続されている。また、この演算
増幅器２２の非反転入力端子にはリファレンス電圧Ｖ工
が供給されている。

従って、第１実施例と同様に、電流設定用抵抗Ｒ，ｌに
よって感温抵抗ＲＩＧに所望の電流を流すことができる
。また、スイッチ６９をＶＣＣＩ；接続するか、アース
に接続するかを選択することによって、入力電圧ＶＩＮ
を電源電圧ｖＣＣとするか０とするかを選択することが
できる。

また、演算増幅器２２の非反転入力端子に入力される基
準となる電圧であるリファレンス電圧Ｖ８は、電源電圧
ｖＣＣとアースの間に配置された分割抵抗Ｒ，６，Ｒ，
，によって所望の値に決定することができる。さらに、
可変分割抵抗Ｒ，，，Ｒ，２によって調整可能なオフセ
ット電圧Ｖ。ｐ、は抵抗Ｒ３３を介し演算増幅器４０の
反転入力端子に入力されるようになっており、演算増幅
器４０の出力Ｖｏｕｔにおける印加圧力０のときのオフ
セット電圧をＸ１整することができる。

一方、増幅回路３１によって増幅後のブリッジ回路１０
からの出力ｖＰと零点温度補償回路２０の出力７丁及び
オフセット電圧ＶＯＰＰは、それぞれ抵抗Ｒｈ　＋　Ｒ
１３＋　ＲＩ４を介して演算増幅器４０の反転入力端子
に接続され、いわゆる加算回路を形成している。

また、演算増幅器４０の反転入力端子には演算増幅器１
４の出力ｖＰが抵抗Ｒ６を介し入力され、演算増幅器４
０の出力端子と反転入力端子間には負帰還抵抗Ｒ６が配
置されている。従って、演算増幅器４０は、抵抗Ｒｓ、
Ｒｓの比に応じて歪みゲージのブリッジ回路１０゛の出
力である出力Ｖ。

を増幅する。そして、零点温度補償回路２Ｇの出力ｖＴ
と加算され、最終的にボルトオーダの出力ｖ　ｏｕｔが
出力される。

このような第５図に示された半導体圧力センサの出力Ｖ
。、７は、次の式で表される。

Ｖｏｕｔ　　−ＧＰ　　　（Ｖｐ　　　　Ｖｇ　　）＋
ＧＴ　　（ＶＴ　　ＶＲ） ＋ｃＯ（ＶＯＰＦ　　ＶＲ）　＋Ｖｌ ・・・　（１１） ここで、 Ｇｐ　−−（Ｒｓ　／Ｒｅ　） ＧＴ　　”−（Ｒｅ　／　ＲＩ４） Ｇｏ　　”　　　（Ｒａ　／ＲＩ３） である。

この式から明らかなように出力Ｖ、、、Ｖ↑。

ＶＯＰＦはそれぞれ独立に出力ＶＯＵ↑と関係し、独立
して調整が可能である。なお、第３の項は回路全体のオ
フセット調整に用いられ、温度に対して安定である。

一方、ブリッジ回路１０の感度の温度に対する変動は、
拡散歪みゲージＲ１？＋　Ｒ＋ｓ＋　Ｒ１１＋　Ｒｚ。

の表面不純物密度を１０２°（ｃｍ−り程度にすれば、
ブリッジ回路１０が定電流駆動されているので、拡散歪
みゲージＲＩ７．　Ｒｌｍｅ　Ｒ１・、Ｒ２゜自身の持
つ抵抗温度特性により自己感度補償される。

すなわち、感度補償され回路３１によって増幅された出
力が電圧ｖＰとして現われる。これは次の式で表される
。

ＶＰ　−−（Ｒｚ　／Ｒｔ　）　・Ｖａ　　　　＝　（
１２）（但し、Ｒ１”Ｒ３、Ｒｚ　−Ｒ４、Ｒ１１−Ｒ
ｌＢ−Ｒ，、”ｓＲ，。くくＲ１のとき） そして、出力ｖＰにはブリッジ回路１０の零点の温度変
動が増幅回路３１により増幅されて現われる。この特性
は温度に対し、はぼ直線的な変化として出力ｖＰに現わ
れる。そこで、この特性に対し極性を反転した特性を出
力７丁に持たせ、演算増幅器４０からなる加算回路によ
って足し合わせれば零点の温度補償が行うことができる
。

例えば、ｎ型の不純物と・してリン（Ｐ）を用い、その
表面不純物密度が１０”（ｃｍ−り以上の高濃度拡散抵
抗の温度特性は非常に直線性がよい。

そこで、感温抵抗Ｒ１゜には、このｎ型高濃度拡散抵抗
を用いる。そして、零点温度補償回路２０の出力ＶＴは
、Ｒ，、に流れる電流を！とすると次の式で表される。

ＶＴ　　（Ｔ）＝−Ｒ＋ｏ　（Ｔ）　・Ｉ＋ＶＲ・・・
（１３） ここで、電流Ｉは演算増幅器４０の反転入力端子に流れ
るバイアス電流を無視すれば、零点温度補償回路２０の
出力ｖ７に関係して抵抗Ｒ８を流れる電流と等しくなる
。抵抗Ｒ６に温度係数の非常に小さい抵抗を用いれば、
温度に対して一定な電流を感温抵抗ＲＩＧに流すことが
でき、抵抗Ｒ８の抵抗値を調整することで零点温度補償
回路２０の出力ｖ７の温度に対する出力を変化できる。

また入力電圧ＶＩＮをリファレンス電圧ｖＲより大きく
するか小さくするかにより、感温抵抗Ｒ３゜に流れる電
流Ｉの向きが変えることができ、これにより正・負両方
の零点温度補償が可能となる。

また、演算増幅器２２の反転入力端子には演算増幅器の
持つ基本的性質により、リファレンス電圧ｖＲとほぼ等
しい電圧が現われる。なお、このリファレンス電圧ｖＲ
は温度に対して安定なものとする。

スイッチ６９における入力電圧ｖｌＮが■Ｒより大きい
場合、温度が上昇すると感温抵抗ＲＩＯは正の温度特性
を持っているので感温抵抗Ｒ１０による電圧降下が増大
し、電流はスイッチ６９より演算増幅器２２の出力側の
方向に流れ、演算増幅器２２の反転入力端子の電位はほ
ぼリファレンス電圧ｖＲと等しく温度に対して変動しな
いため、零点温度補償回路２０の出力電圧ｖＴは低下す
る。

逆にスイッチ６９における入力電圧ＶＩＮがリファレン
ス電圧ｖＲより小さい場合、電流は演算増幅器２２の出
力側からスイッチ６９に向かって流れ、演算増幅器２２
の反転入力端子の電圧が一定で感温抵抗Ｒ１゜による電
圧降下が大きくなるため、零点温度補償回路２０の出力
７丁は増加する。ここで零点の変動だけに注目すると出
力Ｖ。Ｕ７の変動ΔＶ　ＯＵＴは次のように表される。

ΔＶＯＵ丁　（Ｔ）−Ｇｐ　Ｖｐ　　（Ｔ）＋Ｇｔ　Ｖ
Ｔ　　（Ｔ）・・・（１４） つまり、出力ｖＰにおける零点の温度特性を測定し、Ｇ
ｐとＧＴの関係から ΔＶｏｕｔ　、（Ｔ）　＝０ になるような７丁　（Ｔ）を選んでやることにより、零
点の温度補償が行える。

また、上述のように、スイッチ６９は電源ｖＣＣまたは
アースのどちらかに接続される。そこで、出力ｖＰにお
ける零点の温度特性が負の温度特性を持っているとする
と、スイッチ６９はアースに接続され零点温度補償回路
２０の出力Ｖ、に正の温度特性を持たせることができる
。そして、出力Ｖ　ＯＵＴにおける温度変動をなくすよ
う電流設定抵抗Ｒ１の抵抗値を調整し、感温抵抗ＲＩＧ
に流す電流が決定する。このようにして零点温度補償回
路２０によって出力Ｖ。ＵＴにおける零点温度補償を達
成することができる。

第４実施例 第６図及び第７図は本発明を集積化圧力センサに応用し
た例である。第６図は第４実施例の回路を示し、第７図
は第４実施例の半導体歪み検出装置の平面及び断面概念
図を示す。

ｔｓ７図に示すように、拡散歪みゲージＲ１７゜ＲＩ　
Ｓｏ　ＲＩ　１１及びＲ２Ｏで構成されたブリッジ回路
ｌＯは、ダイヤフラム１１０の主表面に形成されている
。

そして、第６図における拡散歪みゲージＲ１，。

Ｒ，、、Ｒ，、及びＲ２゜からなるブリッジ回路１０は
、定電圧で駆動されている。ブリッジ回路１０の一端の
出カフ０は、演算増幅器３２の非反転入力端子に接続さ
れており、この演算増幅器３２は、出内端子と反転入力
端子が接続されて、いわゆるボルテージフォロワを構成
している。

演算増幅器３４の直列抵抗Ｒ２１および負帰還抵抗Ｒ２
２は表面不純物密度の異なる拡散抵抗で形成され、上述
の第２実施例と同様に抵抗温度係数の違いによりブリッ
ジ回路１０の感度補償を行う。

一方、ブリッジ回路１０のもう一端の出カフ２は演算増
幅器３４の非反転入力に接続される。感温抵抗Ｒ７゜は
ｎ型の高濃度拡散抵抗で形成される。

その他の抵抗は温度係数の非常に小さい５ｉＣｒ薄膜抵
抗で形成される。

また、演算増幅器はバイポーラプロセスで形成される。

これらの拡散歪みゲージ、温度補償用拡散抵抗、薄膜抵
抗及び演算増幅器は同一シリコン単結晶基板上に集積化
されている。そして、特性の調整は通常基板上の薄膜抵
抗をレーザトリミングで行う。

ここで、本回路のトリミング個所は抵抗Ｒ２，。

Ｒ，、Ｒ６およびＲ１１，あるいはＲ１２の４個所であ
る。抵抗Ｒ２３は、プロセスのばらつきにより感度補償
の条件からずれた時に用いる予備的なものであり、必要
なときに接続して利用する。抵抗Ｒ５は、演算増幅器４
０の出力ｖ　ｏｕｔにおけるスパンの調整を行う。そし
て、抵抗Ｒ１１あるいはＲ１□はオフセットの調整のた
め、どちらかをレーザトリミングする。電流設定用抵抗
Ｒ８は零点温度補償回路２０における感温抵抗ＲＩＯに
流れる電流量を調整し、零点温度補償の特性を調整する
ものである。

すなわち、上述の第１、第３実施例と同様に、電流設定
用抵抗Ｒ−の調整は、感度温度補償回路３０の出力電圧
ｖＰにおける零点の温度特性を測定し、その極性により
スイッチ６９を電流設定用抵抗Ｒ８を電源ｖＣＣかアー
スのどちらかに接続するとともに、電流設定用抵抗Ｒ８
をトリミングして出力Ｖ。ＵＴにおいて温度の変動がな
くなるように電流設定用抵抗Ｒ６の抵抗値を調整する。

そして、これによって感温抵抗Ｒ＋・に流す電流を決め
、零点温度補償を行う。

また、この実施例においても上述の第３実施例と同様に
演算増幅器４０．抵抗Ｒ５＊　Ｒ６、Ｒ１３及びＲ１４
からなる加算回路により、出力ｖＰ＋Ｖ↑ｒ　ＶＯＰＦ
は独立して増幅できるので、互いに独立した調整が可能
である。

拡散歪みゲージと抵抗Ｒ２１の表面不純物密度を１．４
ＸＩＱ”ｃｍ−３、抵抗Ｒ２２の表面不純物密度を４．
５ＸＩＱ”ｃｍ−’として集積化圧力センサを試作した
。第８図に試作したセンサの出力及び感度温度特性を示
す。図のように、−４０〜１５０℃の温度範囲で±１％
以内の出力温度特性を得ることができた。

その他の変形例 第９図に零点補償回路２０の他の構成例を示す。

この例においては、入力電圧ＶＩＮはトリミングによっ
て抵抗値が調整できる２つの直列抵抗Ｒ８゜。

Ｒ９゜によって決定される。すなわち、この例では、端
子数を減らすためスイッチを排除し、抵抗Ｒ，，。

Ｒ９゜は演算増幅器２２の反転入力端子をそれぞれ電源
ＶＣＣ，アースに接続している。

そして、感度温度補償回路３０の出力Ｖ、の零点温度特
性を測定し、その極性によって、抵抗Ｒ８゜あるいはＲ
２Ｏをレーザトリミングにより切除する。そして、残っ
た一方の抵抗により、電流設定を行う。従って、感温抵
抗ＲＩＧに流れる電流量を調整でき、所望の温度特性を
出力Ｖ丁に付与することができる。

また、上述の本発明の実施例は、説明を容易にするため
圧力検出を主体に説明したが、本発明は圧力検出のみな
らず、歪み検出、荷重検出、変位検出、トルク検出等あ
らゆる装置に対応できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体歪み検出装置の第１実施例
を示す回路図、 第２図は同実施例における零点温度補償回路２０の出力
の温度特性を示す特性図、 第３図は第２実施例の回路図、 第４図は計算機シミニレ−ジョンによる拡散歪みゲージ
と抵抗Ｒ１及びＲ，の最適な感度温度補償条件の結果を
示す特性図、 第５図は第３実施例を示す回路図、 第６図は第４実施例を示す回路図、 第７図（Ａ）、（Ｂ）は第４実施例の平面及び断面概念
図、 第８図は第４実施例の試作結果による出力及び感度の温
度特性を示す特性図、 第９図は零点補償回路２０の他の構成例を示す回路図、 第１０図は従来技術による零点温度補償の一例を示す回
路図、 第１１図は従来技術による感度温度補償の一例を示す回
路図である。 １０　・・・　ブリッジ回路 ２．１４．３２，３４，４０．１２２ ・・・　演算増幅器 ２０　・・・　零点温度補償回路 ３０　・・・　感度温度補償回路 Ｒｃ、Ｒ，・・・　電流設定用抵抗 Ｒ，，Ｒ，。・・・　感温抵抗 Ｒ，・Ｒ，・Ｒ２１・Ｒ２２ ・・・　感度温度補償用拡散抵抗 ４〉 第 ７図 第 図 技釆鴫卑五ｅ農ｍｌが各 第１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一部に起歪領域が形成されたシリコン基板と、 少なくともその一部が起歪領域に位置し、起歪領域の歪
   みに応じて抵抗値が変化する歪みゲージと、 この歪みゲージを含むブリッジ回路と、 所定の温度特性を有する信号を出力する零点温度補償回
   路と、 前記ブリッジ回路と前記零点温度補償回路の出力を加算
   する演算回路と、 を含み、 前記零点温度補償回路は、 温度によって抵抗値が変化する感温抵抗と、この感温抵
   抗に所定の向き、大きさの一定電流を供給する定電流手
   段と、 を有し、 零点温度補償回路の出力の温度特性によって、ブリッジ
   回路の零点温度特性を相殺することを特徴とする半導体
   歪み検出装置。
2. （２）一部に起歪領域が形成されたシリコン基板と、 少なくともその一部が起歪領域に位置し、起歪領域の歪
   みに応じて抵抗値が変化する歪みゲージと、 この歪みゲージを含むブリッジ回路と、 ブリッジ回路の感度の温度変化を補償する感度温度補償
   回路と、 を含み、 前記感度温度補償回路は、 ブリッジ回路の出力が入力され、これを演算増幅する演
   算増幅器と、 この演算増幅器の入力端子に至る経路に挿入配置され、
   前記基板に不純物を所定密度で拡散して形成された第１
   の拡散抵抗と、 演算増幅器の出力端子と前記入力端子を接続する帰還路
   に配置され、前記基板に前記第１の拡散抵抗とは異なる
   密度で不純物を拡散して形成された第２の拡散抵抗と、 を有し、 前記第１、第２の拡散抵抗の温度変化の相違によって、
   前記歪みゲージの感度の温度変化を相殺することを特徴
   とする半導体歪み検出装置。