JPH02269912A - 半導体複合センサ及び信号処理方法 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、一つのシリコンチップ上で、温度、湿度及び
大気圧の３つの特性を検知する半導体複合センサと信号
処理方法に関するものである。

（ｐ）　　従来の技術 従来、湿度センサとしては感湿セラミック等の如く雰囲
気温度による電気特性の変わるものが知られている。し
かし、この湿度センサは気体一固体界面の電気特性を利
用するものであり、従ってその界面が大気にさらされ汚
染等の影響を受けやすく、長期安定性に欠けるという問
題があった。

これに対して、特開昭３６−４２１２６号公報に開示さ
れた如き、毛髪やナイロンの様な感湿体は長期的に安定
である反面、その伸縮度合を電気信号に変換し難いとい
う欠点がある。

一方本発明者らは特開昭６１−２０２１５１号公報等で
示したごとく感湿材の伸縮を半導体のピエゾ抵抗効果を
用いて検出する湿度センサを提案している。

（ハ）発明が解決しようとする課組 前記湿度センサにおいては、その原理上あるいは構造上
、温度と圧力の補償を必要とする。また、特開昭６１−
２０２１５１号公報では温度、湿度を同一シリコン上で
測定するものを提案しているが、湿度信号の温度補償に
ついては言及されず未解決である。更に特開昭６３−１
００３５３号公報では湿度信号の圧力補償については提
案しているが、圧力自体の測定信号を外部に取出すこと
については言及されておらない。

本発明は上記の各問題点を解決することを目的としてな
されたものである。

（ニ）問題点を解決するための手段 本発明は同一シリコンペレット上に温度、湿度及び大気
圧を測定する検出部を設けることにより問題点を解決し
たものである。

また、感湿伸縮材を被着した第１ダイアフラムで雰囲気
湿度を、感湿材を被着しない第２ダイアフラムで大気圧
を測定し、前記各ダイアフラム近傍に設けた温度検知部
で測定した温度で前記湿度及び大気圧の信号を補正し、
更に温度補正された圧力信号で湿度を圧力補正するよう
にした信号処理方法の採用により問題点を解決したもの
である。

（ホ）作　用 本発明によれば、温度検出部により検出した温度信号で
温度検出部、圧力検出部のピエゾ抵抗の温度補償を行う
。更に、温度補償済みの圧力信号により湿度検出部の圧
力補償を行う。これにより温度、湿度、圧力の測定が同
一シリコンチ、ノブ上で精度よく行うことが可能となっ
た。

（へ）実施例 ［第１実施例〕 第１図は本発明の半導体複合センサの断面図で、Ｓｉ基
板（１）には裏面より異方性エツチングを用いてダイア
フラム（２）、（３）が２つ形成されている。これらの
ダイアフラム（２）、（３）上（表側、図中上側）には
各々４個のピエゾ抵抗素子（４）、（５）が配置されて
いる。一方のダイアフラム（２）のピエゾ抵抗素子（４
）を形成しである反対の面には雰囲気湿度で伸縮する高
分子膜による感湿伸縮体（６）が膜付けされている。ま
た、各ダイアフラム（４）、（５）の近傍でダイアフラ
ムのひずみの影響が及ばない場所には拡散抵抗、トラン
ジスタなどで温度検出部（７）、（８）が形成されてい
る。

感湿伸縮体（６）は雰囲気湿度に応じて伸び縮みしダイ
アフラム（２）に応力を加える。４つのピエゾ抵抗素子
（４）はブリッジ接続されており、前記応力で各々の抵
抗値が変わり、その結果湿度の変化が電圧の変化として
検出される。他方のダイアフラム（３）は感湿材が膜付
けされていないので圧力センサとして用いられ、ピエゾ
抵抗素子（５）が形成されている側は、キャップ（９）
により密閉されている大気圧が測定される。これらピエ
ゾ抵抗素子（４）、（５）は温度依存性をもっているの
で温度補償する必要がある。この為の温度検出部（７）
（８）は出来るだけ補償するピエゾ抵抗素子の近くが良
いので各ダイアフラムの近くに１個ずつ設けている。ピ
エゾ抵抗素子（・１）、（５）の温度補償方法はアナロ
グで補償する方法とＡ／Ｄ変換した後補正用のＥＰＲＯ
Ｍを使用するディジタル的な方法があり、具体的には半
導体圧力センサ等で実現されている。また、これらの補
償は外付は回路で行なう方法と全てＳｉ基板（１）上に
集積する方法がある。ここで、湿度検出部（ダイアフラ
ム（２）に感湿膜（７）を膜付けしたもの）　（１０）
では、感湿材の伸縮による応力の他に圧力にも反応する
。そこで純粋に湿度変化だけを取り出す為に、圧力検出
部（ダイアフラム（３）の部分）　（１１）で検出した
圧力信号によって圧力補償する。この圧力補償は特開昭
６３−１００３５３号公報に示した如く差動増幅器等に
よって実現され、前記温度補償の場合と同様センサの外
部に回路を設けるか、あるいはセンサ部と同−Ｓｉ基板
（１）上に集積する方法がある。また、この圧力補償も
アナログ的に行う他に各々の信号をＡ／Ｄ変換した後マ
イコンに入力しデータ処理してしまうディジタル的な方
法もある。これらの信号処理の流れを第２図及び第３図
を用いて説明する。

第２図は、ディジタル的に処理するもので、湿度検出部
（１０）、圧力検出部（１１）は、ブリッジ結合された
拡散抵抗の変化によるブリッジ電圧をＡ／Ｄ変換が可能
なレベルまで増幅器（１２）（１２）で夫々増幅してＡ
／Ｄ変換器（１３）で変換したのちＣＰＵ（１４）にデ
ータを入力する。温度検出部（１５）では、例えば温度
検出を拡散抵抗で行う場合には定電流を流し抵抗変化を
電圧変化として検出する。これも電圧レベルが小さい場
合には増幅器（１２）を通した後（第２図では増幅して
いない）Ａ／Ｄ変換器（１３）で変換してＣＰ　Ｕ　（
１４）にデータ入力する。ＣＰ　Ｕ　（１４）は、取り
込んだ温度、湿度、圧力の各データをＥＰＲＯＭ（１６
）にあらかじめ入力されている補正用テーブルを参照し
ながら各種補正を行う。また、温度、湿度、大気圧の各
データを後述する様な応用に使用する為、ＲＡ　Ｍ　（
１７）に記憶する。

ｉ３図は、補正をアナログ的に行う例である。

湿度検出部（１０）はブリッジの各抵抗の不均一に起因
する零点を補正する回路（１８）で零点補正され、さら
にブリッジの偏差電圧は直線性の補正回路（１９）で補
正がなされる。さらに温度検出部（１５）で得られる温
度信号を用いて温度補償回路（２０）で温度補正がなさ
れた後、圧力検出部（１１）で得られ後述する補正がな
された圧力信号で圧力補償回路（２１）により圧力補正
も行われる。この後、増幅！（１２）、Ａ／Ｄ変換器（
１３）を通してＣＰ　Ｕ　（１４）に信号が入力される
。圧力信号も湿度信号と同様に、零点補正回路（１８）
、直線性補正回路（１９）、温度補正回路（２０）、増
幅器（１２ン、Ａ／Ｄ変換器（１３）を通してＣＰ　Ｕ
　（１４）に信号が入力される。温度については必要に
応じて直線性の直線性補正回路（１９）での補正などの
補正を行いＡ／Ｄ変換回路（１３）で変換された後ＣＰ
　Ｕ　（１４）に信号入力される。

この複合センサの応用としては簡易型の天気予想装置な
どが考えられる。天気は、基本的なデータとして温度、
湿度、大気圧の経時的な各データが得られればおおよそ
の予想が行える。ある時間前までのこれらの経時データ
を記憶し、これらの変化パターンを過去のパターンに照
合するなどして何時間か後（例えば明日）の予測ができ
る。このためには第２図、第３図に示したＣＰＵ　Ｉ、
マイコン）　（１４）とＲＡＭ（１７）が必要となる。

また温度、；ｇ度、大気圧、天気予測結果などを出力す
る出力°装置（２２）が各々付加される。単に温度、湿
度、大気圧の測定データを出力するだけの用途では、デ
ィジタル系のＲＡＭ（１７）、アナログ系（第３図）の
ＣＰ　Ｕ　（１４）、ＲＡ　Ｍ（１７）は特に必要とし
ない。

以上の様な回路系は、センサ部のあるＳｉ基板（１）上
に集積する場合、センサ部とは別にハイブリッドＩＣ化
する場合、回路系の一部または全部を外部にディスクリ
ートで構成する場合などがある。

［第２実施例コ 第１実施例で示した各特性のうち特に湿度は温度など周
囲環境の影響を大きく受け、非常に検出が困難なものの
一つである。この湿度検出精度を高める為には、湿度検
出部の精度を上げることの他に同様な検出部を複数持ち
これらの値を総合的に判断して測定値を得る方法も考え
られる。この検出部を複数持つということには、ある程
度の個数まで検出部が故障あるいは異常動作しても測定
値には影響が出ないという理由もある。この様に複数の
検知部を持つ集積化された半導体複合センサの模式図を
第１実施例の構成に従って第４図に示した。

Ｓｉ基板（１）上には湿度検出用ダイアフラム（２）と
圧力検出用ダイアフラム（３）が形成されるとともにそ
の近傍に温度検出部（７）、（８）が設けられている。

さらに第２図、第３図に示した様な信号処理回路（２３
）がＩＣ化されている。この１ブロツクで第１実施例の
センサ部が構成されており、この様なブロックがＳｉ基
板（１）上に複数設けられている。各々のブロックで得
られた温度、湿度、大気圧の信号はＣＰ　Ｕ　（１４）
に入力されＥＦＲＯＭ（１６）を用いたデータ補正を加
えられる。ここで例えば各ブロックより得られた湿度デ
ータは最大、最小値を除いた平均値をとるなどのアルゴ
リズムにより最終的に１つのデータとなる。温度、大気
圧なども同様な処理が加えられる。これら処理後のデー
タがＲＡＭ（１７）に記憶される。

（ト）発明の効果 本発明によれば次の効果がある。

■　温度、湿度、大気圧を一つのセンサで測定すること
ができる。

■　各特性には、他の特性による補正が必要であるが、
これらを同一チップ上で計測したもので補正するので高
精度の補正ができる。

■　−チップで測定するので別々のセンサを用いるより
コストが低くなる。

■　複数のセンサを集積化することにより、より安定な
出力を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す半導体複合センサの構造
断面図、第２図はディジタル信号処理のブロック回路図
、第３図はアナログ信号処理ブロック回路図、第１図は
集積化された半導体複合センサの概略図である。 （１）・・・Ｓｉ基板、（２）（３）・・・ダイアフラ
ム、（４）（４）・・・、（５）（５）・・・ピエゾ抵
抗素子、（６）・・・感）８伸縮体、（７）（８）・・
・温度検出部、（１０）・・・湿度検出部、（１１）・
・・圧力検出部、（２３）・・・信号処理回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）温度、湿度及び大気圧を測定する検知部を同一シ
   リコンチップ上に設けたことを特徴とする半導体複合セ
   ンサ。
2. （２）温度、湿度及び大気圧を測定する検知部と該検知
   部からの信号を処理する回路部を同一シリコンチップ上
   に集積化したことを特徴とする半導体複合センサ。
3. （３）温度、湿度及び大気圧を測定する検出部を同一シ
   リコン上に複数個設け、多数決論理、平均論理などによ
   り各特性の検出精度を高めるようにしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の半導体複合センサ。
4. （４）感湿伸縮材を被着した第１ダイアフラムで雰囲気
   湿度を、感湿材を被着しない第２ダイアフラムで大気圧
   を測定し、前記各ダイアフラム近傍に設けた温度検知部
   で測定した温度で前記湿度及び大気圧の信号を補正し、
   更に温度補正された圧力信号で湿度を圧力補正するよう
   にしたことを特徴とする信号処理方法。