JPH03231129A - Pressure sensor - Google Patents

Pressure sensor

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JPH03231129A
JPH03231129A JP2625490A JP2625490A JPH03231129A JP H03231129 A JPH03231129 A JP H03231129A JP 2625490 A JP2625490 A JP 2625490A JP 2625490 A JP2625490 A JP 2625490A JP H03231129 A JPH03231129 A JP H03231129A
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JP
Japan
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signal
pressure
output
circuit
duty ratio
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Pending
Application number
JP2625490A
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Japanese (ja)
Inventor
Satoshi Kondo
諭 近藤
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Aisan Industry Co Ltd
Original Assignee
Aisan Industry Co Ltd
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Publication date
Application filed by Aisan Industry Co Ltd filed Critical Aisan Industry Co Ltd
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Publication of JPH03231129A publication Critical patent/JPH03231129A/en
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  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a digital output corresponding to the pressure of fluid to be measured by outputting a signal having a duty ratio corresponding to the output of a strain gage. CONSTITUTION:A diaphragm part 1a is formed on a semiconductor substrate 1. One surface of the plate 1a is made to be the pressure receiving surface for a reference pressure, and the other surface is made to be the pressure receiving surface for a fluid source to be measured. A strain gage formed on the diaphragm 1a converts the pressure difference into an electric signal. The signal is supplied into a duty-ratio converting means 3. An oscillating means 2 supplies a square-wave signal in the reference duty ratio into the means 3. At this time, the signal from the means 2 is converted into the signal having the duty ratio corresponding to the output of the strain gage with the rectangular-wave generating circuit and a comparing circuit in the means 3. The signal is supplied into an output means 4. In the means 4, the output signal from the means 3 is converted into the digital signal.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は流体圧力を測定する圧力センナに関し、特に半
導体単結晶基板内に形成した歪ゲージを用いた圧力セン
サに係る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a pressure sensor for measuring fluid pressure, and more particularly to a pressure sensor using a strain gauge formed in a semiconductor single crystal substrate.

[従来の技術] 近年、小型、軽量で高感度な圧力センサとして、半導体
結晶に外力を加えたとき半導体結晶の比抵抗が変化する
ピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサが自動車を
含む種々の分野で活用されている。この種半導体圧力セ
ンサとして、シリコン等の半導体重結晶の基板の中央部
に薄膜のダイヤフラムを加工形成し、このダイヤフラム
部に拡散抵抗層を形成して歪ゲージを構成した拡散型半
導体圧力センサが知られており、例えばシリコン単結晶
基板のダイヤフラムを用いたシリコン圧力センサが活用
されている。そして、上記ダイヤフラムに加えられた流
体圧力による歪に応じた拡散抵抗の変化を検出して流体
圧力を測定することとし、通掌、流体圧力に対して抵抗
値が増加、減少する歪ゲージ一対を一組として、これら
二組でホイートストンブリッジを構成し、定電流あるい
は定電圧電源と接続して電気信号に変換し流体圧力を測
定することとしている。
[Prior Art] In recent years, semiconductor pressure sensors that utilize the piezoresistance effect, in which the resistivity of a semiconductor crystal changes when an external force is applied to the semiconductor crystal, have been used in various fields including automobiles as small, lightweight, and highly sensitive pressure sensors. It is used in As a semiconductor pressure sensor of this type, a diffusion type semiconductor pressure sensor is known, in which a thin film diaphragm is processed and formed in the center of a semiconductor heavy crystal substrate such as silicon, and a diffused resistance layer is formed on this diaphragm to form a strain gauge. For example, a silicon pressure sensor using a diaphragm made of a silicon single crystal substrate is utilized. Fluid pressure is measured by detecting changes in diffusion resistance in response to strain caused by fluid pressure applied to the diaphragm, and a pair of strain gauges whose resistance increases and decreases with respect to fluid pressure are used. These two sets constitute a Wheatstone bridge, which is connected to a constant current or constant voltage power source to convert it into an electrical signal and measure fluid pressure.

上記半導体圧力センサにおいては、外部の熱や機械的な
歪に対し鋭敏に反応するため、これらに影響されないよ
うに構成され、例えば実開昭58−110832号公報
にはダイヤフラム部への熱応力の影響を低減する技術が
開示されている。
Since the semiconductor pressure sensor mentioned above reacts sensitively to external heat and mechanical strain, it is constructed so as not to be affected by these. Techniques have been disclosed to reduce the impact.

また、被測定流体の温度変化を含む外部環境温度変化に
よる半導体の非直線性温度特性を補償すべく温度補償回
路を接続することとしている。例えば上記シリコン圧力
センサ用のホイートストンブリッジにおいて、歪ゲージ
に直列又は並列に補償抵抗を接続したり、演算増幅器で
構成した増幅回路の帰還抵抗に温度特性を持たせるとい
った方法がとられている。更に、特公昭59−4113
4号公報に記載のように、出力段演算増幅器のフィード
バック回路に圧力不感部の歪ゲージと固定抵抗を並列接
続して挿入し温度補償を行なうという技術もある。
Furthermore, a temperature compensation circuit is connected to compensate for nonlinear temperature characteristics of the semiconductor due to external environmental temperature changes including temperature changes of the fluid to be measured. For example, in the Wheatstone bridge for silicon pressure sensors, methods are used such as connecting a compensation resistor in series or parallel to the strain gauge, or giving temperature characteristics to the feedback resistor of an amplifier circuit composed of an operational amplifier. In addition, the special public official 59-4113
As described in Japanese Patent No. 4, there is also a technique in which a strain gauge in a pressure-insensitive section and a fixed resistor are connected in parallel and inserted in the feedback circuit of an output stage operational amplifier to perform temperature compensation.

[発明が解決しようとする課題] 上記のように従来の圧力センサにおいては、ゲージ抵抗
を含むホイートストンブリッジを構成し、その出力信号
を演算増幅器により増幅することとしているので、温度
補償回路が必須である。
[Problems to be Solved by the Invention] As mentioned above, in the conventional pressure sensor, a Wheatstone bridge including a gauge resistor is configured, and its output signal is amplified by an operational amplifier, so a temperature compensation circuit is essential. be.

また、演算増幅器の出力信号がアナログ信号であるため
、後段の例えばマイクロコンピュータを備えた電子制御
装置において、ディジタル処理を行なうためにはアナロ
グ・ディジタル変換が必要であり、A/D変換回路を介
装しなければならなくなる。
Furthermore, since the output signal of the operational amplifier is an analog signal, analog-to-digital conversion is required in order to perform digital processing in a subsequent stage electronic control device equipped with a microcomputer, for example, and the signal is converted via an A/D conversion circuit. You will have to wear it.

そこで、本発明は特段の温度補償回路を設けることなく
、しかもそのままマイクロコンピュータ等でディジタル
処理し得る信号を出力する圧力センサを提供することを
目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a pressure sensor that outputs a signal that can be digitally processed by a microcomputer or the like without providing a special temperature compensation circuit.

[課題を解決するための手段] 上記の目的を達成するため、本発明は第1図に示すよう
に、一方の面を基準圧の受圧面とし他方の面を被測定流
体源に連通し被測定流体の圧力の受圧面とし、被測定流
体の圧力変動に応じて変形するダイヤフラム部1aを形
成した半導体単結晶基板1と、半導体単結晶基板!のダ
イヤフラム部1aに形成した歪ゲージとを備え、ダイヤ
フラム部1aに生ずる歪を電気信号に変換して出力する
圧力センサにおいて、所定の周波数のパルス信号を出力
する発振手段2と、発振手段2の出力パルス信号を基準
に歪ゲージの出力信号に応じたデユーティ比を有する信
号に変換するデユーティ比変換手段3と、デユーティ比
変換手段3の出力信号をディジタル信号に変換し被測定
流体の圧力に応じた信号を出力する出力手段4とを備え
たものである。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention, as shown in FIG. A semiconductor single-crystal substrate 1 on which a diaphragm portion 1a is formed as a pressure-receiving surface for the pressure of the fluid to be measured and deforms according to pressure fluctuations of the fluid to be measured, and a semiconductor single-crystal substrate! The pressure sensor is equipped with a strain gauge formed on a diaphragm portion 1a, and converts strain occurring in the diaphragm portion 1a into an electrical signal and outputs it. duty ratio converting means 3 which converts the output pulse signal into a signal having a duty ratio according to the output signal of the strain gauge based on the output pulse signal; and converting the output signal of the duty ratio converting means 3 into a digital signal according to the pressure of the fluid to be measured. and an output means 4 for outputting a signal.

上記圧力センサにおいて、発振手段2が水晶振動子を有
し方形波信号を出力する発振回路から成り、デユーティ
比変換手段3が、発振回路の方形波信号を三角波信号に
変換して出力する三角波発生回路と、この三角波発生回
路の出力信号と歪ゲージの出力信号とを比較し比較結果
に応じた矩形波信号を出力する比較回路とを備えたもの
とするとよい。
In the above pressure sensor, the oscillation means 2 consists of an oscillation circuit that has a crystal oscillator and outputs a square wave signal, and the duty ratio conversion means 3 converts the square wave signal of the oscillation circuit into a triangular wave signal and outputs the triangular wave signal. It is preferable to include a circuit and a comparison circuit that compares the output signal of the triangular wave generation circuit with the output signal of the strain gauge and outputs a rectangular wave signal according to the comparison result.

あるいは、上記圧力センサにおいて、発振手段2が演算
増幅器を有し方形波信号を出力する発振回路から成り、
デユーティ比変換手段3が、発振回路の方形波信号を三
角波信号に変換して出力する三角波発生回路と、この三
角波発生回路の出力信号を演算増幅器に入力すると共に
演算増幅器の出力を歪ゲージを介して入力に帰還し三角
波発生回路の出力信号と比較する比較回路とを備えたも
のとすることができる。
Alternatively, in the above pressure sensor, the oscillation means 2 comprises an oscillation circuit having an operational amplifier and outputting a square wave signal,
The duty ratio conversion means 3 includes a triangular wave generating circuit that converts the square wave signal of the oscillation circuit into a triangular wave signal and outputs the triangular wave signal, and inputs the output signal of this triangular wave generating circuit to an operational amplifier, and outputs the output of the operational amplifier via a strain gauge. The output signal may be provided with a comparison circuit that returns the signal to the input and compares it with the output signal of the triangular wave generation circuit.

[作用] 上記のように構成された圧力センサにおいては、半導体
単結晶基板1のダイヤフラム部1aの一方の受圧面に基
準圧が付与され、他方の受圧面に被測定流体源からの被
測定流体圧力が付与される。これらの圧力差により歪ゲ
ージを含むダイヤフラム部1aに歪が生し、この歪が歪
ゲージにより電気信号に変換され、デユーティ比変換手
段3に供給される。
[Operation] In the pressure sensor configured as described above, a reference pressure is applied to one pressure receiving surface of the diaphragm portion 1a of the semiconductor single crystal substrate 1, and the measured fluid from the measured fluid source is applied to the other pressure receiving surface. Pressure is applied. These pressure differences cause strain in the diaphragm portion 1a including the strain gauge, and this strain is converted into an electrical signal by the strain gauge and supplied to the duty ratio converting means 3.

また、発振手段2により所定の周波数のパルス信号が出
力されデユーティ比変換手段3に供給される。そして、
デユーティ比変換手段3において、発振手段3の出力信
号を基準に歪ゲージの出力信号に応じたデユーティ比を
有する信号に変換され、出力手段4に供給される。而し
て、出力手段4においてデユーティ比変換手段3の出力
信号がディジタル信号に変換され、出力手段4から被測
定流体の圧力に応じた信号が出力される。
Further, the oscillation means 2 outputs a pulse signal of a predetermined frequency and supplies it to the duty ratio conversion means 3. and,
In the duty ratio conversion means 3, the output signal of the oscillation means 3 is converted into a signal having a duty ratio corresponding to the output signal of the strain gauge, and the signal is supplied to the output means 4. Thus, the output signal of the duty ratio converting means 3 is converted into a digital signal in the output means 4, and a signal corresponding to the pressure of the fluid to be measured is outputted from the output means 4.

[実施例] 以下、本発明の圧力センサの望ましい実施例を図面を参
照して説明する。
[Embodiments] Hereinafter, preferred embodiments of the pressure sensor of the present invention will be described with reference to the drawings.

第2図は本発明の圧力センサを構成するセンサエレメン
トの一実施例を示すもので、本発明にいう半導体単結晶
基板としてシリコン単結晶基板が用いられ、正面視正方
形のシリコンチップ11がベース10に支持されている
FIG. 2 shows an embodiment of the sensor element constituting the pressure sensor of the present invention, in which a silicon single crystal substrate is used as the semiconductor single crystal substrate of the present invention, and a silicon chip 11 having a square shape when viewed from the front is attached to a base 10. is supported by

シリコンチップ11の中央部には厚さ数十μmに薄膜加
工されたダイヤフラム部11aが形成されている。この
ダイヤフラム部11aにボロン等の拡散により拡散抵抗
層の歪ゲージが二個形成されている。即ち、第3図に示
すようにダイヤフラム部11aの周縁部に拡散抵抗、即
ちゲージ抵抗R5Iが形成され、中央部にゲージ抵抗R
S2が形成されている。
A diaphragm portion 11a is formed in the center of the silicon chip 11 and is processed into a thin film having a thickness of several tens of μm. Two strain gauges of a diffused resistance layer are formed in this diaphragm portion 11a by diffusion of boron or the like. That is, as shown in FIG. 3, a diffused resistance, that is, a gauge resistance R5I, is formed at the periphery of the diaphragm portion 11a, and a gauge resistance R5I is formed at the center.
S2 is formed.

これらゲージ抵抗R51,R52は高ゲージ率を有し、
上述のように相互に偏位して配置され、下記(1)式及
び(2)式に示すようにダイヤフラム部11aに圧力が
加わったときゲージ抵抗R51に正の抵抗値変化が生じ
、ゲージ抵抗R32には負の抵抗値変化が生ずる位置に
夫々配置されている。
These gauge resistors R51 and R52 have a high gauge factor,
As described above, when pressure is applied to the diaphragm portion 11a, a positive resistance value change occurs in the gauge resistance R51, as shown in the following equations (1) and (2). R32 is placed at a position where a negative resistance value change occurs.

R51=R5to(1+α1 T+β+p)  ・・・
 (1)R32=R32o(1+α、T−β2P)−(
2)但し、R5I。、R32゜はゲージ抵抗R5I。
R51=R5to(1+α1 T+β+p)...
(1) R32=R32o(1+α, T-β2P)-(
2) However, R5I. , R32° is gauge resistance R5I.

R32の初期値、α1.α2は温度係数、β1.β2は
圧力係数、Tは温度、Pは圧力を夫4示す。
Initial value of R32, α1. α2 is the temperature coefficient, β1. β2 represents the pressure coefficient, T represents the temperature, and P represents the pressure.

そして、ゲージ抵抗R51,RS2は、シリコンチップ
11の表面に金属の蒸着等により形成された導電パター
ン12を介し、第2図に示すリードビン13,14.1
5に電気的に接続されている。
The gauge resistors R51 and RS2 are connected to the lead bins 13 and 14.1 shown in FIG.
5.

シリコンチップは第4図のように形成してもよいが、ゲ
ージ抵抗RS1.R52が相互に偏位して配置される必
要がある。尚、第4図において第3図の各部に対応する
部分には第3図の符号に100を加えて示している。
The silicon chip may be formed as shown in FIG. 4, but the gauge resistor RS1. It is necessary that R52 be arranged offset from each other. In FIG. 4, parts corresponding to those in FIG. 3 are indicated by adding 100 to the reference numerals in FIG. 3.

上記の構成になるシリコンチップ11は、これと同等の
線膨張係数を有するガラス製のベース10に一体に形成
された台座10aに支持されている。リードビン14は
定電圧電源VCCに接続されており、リードビン15が
接地GNDされ、ゲージ抵抗R5I、RS2の抵抗率の
変化に応じた電圧がリードビン13を介して出力される
ように構成されている。
The silicon chip 11 configured as described above is supported by a pedestal 10a that is integrally formed with a glass base 10 having a linear expansion coefficient equivalent to that of the silicon chip 11. The lead bin 14 is connected to a constant voltage power supply VCC, the lead bin 15 is grounded GND, and the lead bin 14 is configured so that a voltage corresponding to a change in the resistivity of the gauge resistors R5I and RS2 is outputted via the lead bin 13.

ベース10の周囲とカップ状のケース16のフランジ部
とは気密接合され、真空の基準圧室17が郭成されてい
る。そして、ベース10の略中央部に形成された圧力ポ
ート10bが図示しない被測定流体源に連通接続され、
ダイヤフラム部11aに被測定流体圧力が付与されるよ
うに構成されている。而して、シリコンチップ11のダ
イヤフラム部11aの一方の面、即ち表面は基準圧室1
7内の基準圧力の受圧面となり、他方の面、即ち裏面は
被測定流体圧力の受圧面となる。
The periphery of the base 10 and the flange portion of the cup-shaped case 16 are hermetically sealed to form a vacuum reference pressure chamber 17. A pressure port 10b formed approximately at the center of the base 10 is connected to a fluid source to be measured (not shown),
It is configured such that the fluid pressure to be measured is applied to the diaphragm portion 11a. Thus, one surface, that is, the surface of the diaphragm portion 11a of the silicon chip 11 is connected to the reference pressure chamber 1.
7 serves as a pressure receiving surface for the reference pressure, and the other surface, that is, the back surface serves as a pressure receiving surface for the fluid pressure to be measured.

第5図は第1図に示した圧力センサにおける各手段の一
実施例を示す電気回路図であり、上述のゲージ抵抗R5
I及びR32は、デユーティ比変換手段3を構成する比
較回路40に接続されている。
FIG. 5 is an electric circuit diagram showing one embodiment of each means in the pressure sensor shown in FIG.
I and R32 are connected to a comparison circuit 40 constituting the duty ratio conversion means 3.

発振手段2は水晶振動子CRを有し方形波信号を出力す
る発振回路20から成る。この発振回路20はインバー
タIVIの入力端子に始動用のバイアス抵抗R】と周波
数調整用のコンデンサC1が接続され、圧力端子は水晶
振動子CRを介して入力端子に帰還すると共に温度補償
用のコンデンサC2及び波形整形用のインバータIV2
の入力端子に接続されている。尚、抵抗R1は定電圧電
源VCCに接続され、コンデンサC1,C2は接地GN
Dされている。而して、発振回路20から、例えば第6
図(a)に示す50%のデユーティ比の方形波信号が出
力される。
The oscillation means 2 includes an oscillation circuit 20 having a crystal resonator CR and outputting a square wave signal. In this oscillation circuit 20, a bias resistor R for starting and a capacitor C1 for frequency adjustment are connected to the input terminal of an inverter IVI, and a pressure terminal is fed back to the input terminal via a crystal oscillator CR, and a capacitor for temperature compensation is connected to the input terminal of the inverter IVI. C2 and inverter IV2 for waveform shaping
is connected to the input terminal of Note that the resistor R1 is connected to the constant voltage power supply VCC, and the capacitors C1 and C2 are connected to the ground GN.
It has been D. Then, from the oscillation circuit 20, for example, the sixth
A square wave signal with a duty ratio of 50% shown in Figure (a) is output.

デユーティ比変換手段3は、三角波発生回路30と比較
回路40を備えている。三角波発生回路30はインバー
タIV2の出力端子に接続される抵抗R2とコンデンサ
C3から成る積分回路で構成されており、第6図(a)
に示す発振回路20の方形波信号が第6図(b)に示す
三角波信号に変換される。比較回路40は演算増幅器(
以下、オペアンプという)oPを有し、その反転入力端
子に三角波発生回路30の三角波信号が入力するように
構成されている。一方、ゲージ抵抗R31,RS2によ
り定電圧電源VCCの電圧が分割され、両者の接続点が
オペアンプOPの非反転入力端子に接続されている。そ
して、オペアンプOPの出力端子は抵抗R3を介して定
電圧電源Vccに接続されると共に、出力端子Voに接
続されている。
The duty ratio conversion means 3 includes a triangular wave generation circuit 30 and a comparison circuit 40. The triangular wave generating circuit 30 consists of an integrating circuit consisting of a resistor R2 and a capacitor C3 connected to the output terminal of the inverter IV2, as shown in FIG. 6(a).
The square wave signal of the oscillation circuit 20 shown in FIG. 6 is converted into the triangular wave signal shown in FIG. 6(b). The comparison circuit 40 is an operational amplifier (
It has an operational amplifier (hereinafter referred to as an operational amplifier), and is configured such that a triangular wave signal from the triangular wave generating circuit 30 is input to its inverting input terminal. On the other hand, the voltage of the constant voltage power supply VCC is divided by the gauge resistors R31 and RS2, and the connection point between the two is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP. The output terminal of the operational amplifier OP is connected to the constant voltage power supply Vcc via a resistor R3, and is also connected to the output terminal Vo.

出力端子Voは第1図の出力手段4に接続され、ここで
ディジタル信号に変換される。例えば、発振回路20の
出力信号が分周されて所定周波数のクロックパルスが形
成され、このクロックパルスに基き出力端子Voの出力
信号が所定のゲート時間のパルス数にディジタル変換さ
れる。
The output terminal Vo is connected to the output means 4 of FIG. 1, where it is converted into a digital signal. For example, the output signal of the oscillation circuit 20 is frequency-divided to form a clock pulse of a predetermined frequency, and based on this clock pulse, the output signal of the output terminal Vo is digitally converted into the number of pulses of a predetermined gate time.

尚、上記電気回路を構成する回路素子は図示しない厚膜
抵抗基板に実装され、第2図に示すセンサエレメントと
共に図示しないプリント配線基板に配設されて圧力セン
サユニットが構成される。
Note that the circuit elements constituting the electric circuit described above are mounted on a thick film resistance board (not shown), and are arranged on a printed wiring board (not shown) together with the sensor element shown in FIG. 2 to form a pressure sensor unit.

そして、この圧力センサユニットが例えば内燃機関の吸
気管圧力測定用に供される。
This pressure sensor unit is used, for example, to measure intake pipe pressure of an internal combustion engine.

上記圧力センサの作動を説明すると、圧力ポート10b
は被測定流体源、例えば内燃機関の吸気管に接続され、
被測定流体圧力たる吸気管圧力即ち吸気負圧がシリコン
チップ11のダイヤフラム部11aに伝達される。ダイ
ヤフラム部11aの裏面に吸気負圧が伝達されると、ダ
イヤフラム部11a上のゲージ抵抗R3I及びR32に
基準圧室17内の圧力との圧力差に応じた応力が生ずる
。本実施例では基準圧室17内を真空としているので吸
気負圧の絶対値に対応した応力となる。
To explain the operation of the above pressure sensor, the pressure port 10b
is connected to the source of the fluid to be measured, for example the intake pipe of an internal combustion engine,
Intake pipe pressure, ie, intake negative pressure, which is the fluid pressure to be measured, is transmitted to the diaphragm portion 11a of the silicon chip 11. When the intake negative pressure is transmitted to the back surface of the diaphragm portion 11a, stress corresponding to the pressure difference with the pressure in the reference pressure chamber 17 is generated in the gauge resistors R3I and R32 on the diaphragm portion 11a. In this embodiment, since the inside of the reference pressure chamber 17 is set to a vacuum, the stress corresponds to the absolute value of the intake negative pressure.

この応力に従ってゲージ抵抗R5I及びRS2の抵抗率
がピエゾ抵抗効果により変化し、第5図の電気回路を経
て出力端子V0から吸気負圧に応じた出力信号が得られ
る。
According to this stress, the resistivity of the gauge resistors R5I and RS2 changes due to the piezoresistance effect, and an output signal corresponding to the intake negative pressure is obtained from the output terminal V0 via the electric circuit shown in FIG.

次に、第5図の電気回路の動作を′tSa図に示した波
形図を参照して説明する。尚、第6図の(a)、(b)
、(C)は夫々第5図の回路中の■、■、@の各点の動
作波形を示している。発振回路20から第6図(a)に
示す方形波信号が出力され、三角波発生回路30により
第6図(b)の三角波信号に変換されて比較回路40の
オペアンプOPの反転入力端子に入力する。比較回路4
0においては、ゲージ抵抗R5I、R52の抵抗値に応
じて定電圧電源VCCの電圧が分割されてオペアンプO
Pの非反転入力端子に入力され、第6図(b)に−点鎖
線で示すしきい値Vsが設定される。これにより、オペ
アンプOPにて三角波発生回路30の三角波信号がゲー
ジ抵抗R3I。
Next, the operation of the electric circuit shown in FIG. 5 will be explained with reference to the waveform diagram shown in 'tSa diagram. In addition, (a) and (b) in Fig. 6
, (C) show the operating waveforms at points ①, ①, and @ in the circuit of FIG. 5, respectively. The square wave signal shown in FIG. 6(a) is output from the oscillation circuit 20, converted into the triangular wave signal shown in FIG. 6(b) by the triangular wave generating circuit 30, and inputted to the inverting input terminal of the operational amplifier OP of the comparator circuit 40. . Comparison circuit 4
0, the voltage of the constant voltage power supply VCC is divided according to the resistance values of the gauge resistors R5I and R52, and the voltage of the operational amplifier O
It is input to the non-inverting input terminal of P, and the threshold value Vs shown by the dashed line in FIG. 6(b) is set. As a result, the triangular wave signal of the triangular wave generating circuit 30 is applied to the gauge resistor R3I at the operational amplifier OP.

R32に応じたしきい値Vsと比較され、比較結果たる
第6図(C)に示す信号、即ちゲージ抵抗R5I、R3
2の変化に応じたデユーティ比を有する信号が圧力端子
vOから出力される。そして、この出力端子vOの出力
信号は第1図の出力手段4によりディジタル信号に変換
されて出力される。
R32 is compared with the threshold value Vs corresponding to the signal shown in FIG.
A signal having a duty ratio corresponding to a change in 2 is output from the pressure terminal vO. The output signal from the output terminal vO is converted into a digital signal by the output means 4 shown in FIG. 1 and output.

第7図は本発明の他の実施例に係る電気回路図を示すも
ので、オペアンプを用いた方形波発振回路21を備えて
いる。即ち、発振回路21はオペアンプOPIを有し、
定電圧電源VCCに接続された抵抗R11と、接地され
た抵抗R12によって分割された電圧がオペアンプOP
Iの非反転入力端子に入力している。オペアンプOPI
の出力端子は抵抗R13を介して入力端子に正帰還され
ると共に、抵抗R14とコンデンサCI+による積分回
路を介して負帰還されている。そして、オペアンプOP
Iの出力端子は抵抗R15を介して定電圧電源VCCに
接続されると共に、三角波発生回路31に接続されてい
る。
FIG. 7 shows an electrical circuit diagram according to another embodiment of the present invention, which includes a square wave oscillation circuit 21 using an operational amplifier. That is, the oscillation circuit 21 has an operational amplifier OPI,
The voltage divided by the resistor R11 connected to the constant voltage power supply VCC and the grounded resistor R12 is applied to the operational amplifier OP.
It is input to the non-inverting input terminal of I. operational amplifier OPI
The output terminal of is fed back positively to the input terminal via a resistor R13, and is also fed negatively via an integrating circuit including a resistor R14 and a capacitor CI+. And operational amplifier OP
The output terminal of I is connected to a constant voltage power supply VCC via a resistor R15, and is also connected to a triangular wave generation circuit 31.

三角波発生回路31は第5図の実施例同様抵抗R16及
びコンデンサC12から成る積分回路によって構成され
、比較回路41に接続されている。比較回路41は、三
角波発生回路31が反転入力端子に接続されたオペアン
プOP2を有し、定電圧電源VCCに接続された抵抗R
17と、接地された抵抗R18との接続点が非反転入力
端子に接続されると共に、ゲージ抵抗R3I及びダイオ
ードD1とゲージ抵抗R32及びダイオードD2とが並
列接続されてオペアンプOP2の出力端子から非反転入
力端子に正帰還されている。即ち、シュミット・トリガ
回路が構成され、ゲージ抵抗R3I、R52の抵抗値に
応じてしきい値が設定される。
Similar to the embodiment shown in FIG. 5, the triangular wave generating circuit 31 is constituted by an integrating circuit consisting of a resistor R16 and a capacitor C12, and is connected to a comparator circuit 41. The comparison circuit 41 has an operational amplifier OP2 connected to the inverting input terminal of the triangular wave generation circuit 31, and a resistor R connected to the constant voltage power supply VCC.
17 and the grounded resistor R18 are connected to the non-inverting input terminal, and the gauge resistor R3I and the diode D1 are connected in parallel to the gauge resistor R32 and the diode D2, and the non-inverting input terminal is connected to the output terminal of the operational amplifier OP2. Positive feedback is provided to the input terminal. That is, a Schmitt trigger circuit is configured, and the threshold value is set according to the resistance values of the gauge resistors R3I and R52.

而して、発振回路21において、オペアンプOP1の非
反転入力端子には抵抗R11,R12によって定電圧電
源VCCの電圧が分割され基準電圧として印加されてお
り、反転入力端子には抵抗R14を介して充電されるコ
ンデンサC1lの電圧が印加されている。コンデンサC
1lの充電が進み上記基準電圧以上となると、オペアン
プoP1の出力電圧が負に変化し、正帰還され、出力電
圧が瞬間的に負の値に反転する。これによりコンデンサ
C1lに充電された電荷は抵抗R14を介して放電され
、基準電圧以下となると出力電圧は正の値となり、正帰
還されて元の値となる。このような動作の繰り返しによ
り@S図(a)と同様の方形波信号が出力される。
In the oscillation circuit 21, the voltage of the constant voltage power supply VCC is divided by resistors R11 and R12 and applied as a reference voltage to the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP1, and the voltage is applied to the inverting input terminal via the resistor R14. The voltage of the capacitor C1l to be charged is applied. Capacitor C
As the charging of 1l progresses and becomes equal to or higher than the reference voltage, the output voltage of the operational amplifier oP1 changes to a negative value, is fed back positively, and the output voltage is instantaneously inverted to a negative value. As a result, the electric charge charged in the capacitor C1l is discharged via the resistor R14, and when the voltage becomes lower than the reference voltage, the output voltage becomes a positive value, and is returned to the original value by positive feedback. By repeating such operations, a square wave signal similar to that shown in Fig. @S (a) is output.

上記発振回路21の出力は第5図の実施例同様三角波発
生回路31にて三角波信号に変換され、比較回路41の
オペアンプOP2の反転入力端子に入力する。オペアン
プOP2に対するしきい値は抵抗R17,R18及びゲ
ージ抵抗R3I、R52によって決まり、前述のように
ゲージ抵抗RSt、RS2が被測定流体の圧力変化に応
じて変動すると、これに応じてしきい値レベルが変動す
る。而して、ゲージ抵抗R5I、R32に応じたデユー
ティ比の出力信号に変換され、更に第5図の実施例同様
出力手段4によりディジタル信号に変換されて出力され
る。
The output of the oscillation circuit 21 is converted into a triangular wave signal by the triangular wave generating circuit 31 as in the embodiment shown in FIG. The threshold value for the operational amplifier OP2 is determined by the resistors R17, R18 and the gauge resistors R3I, R52, and as mentioned above, when the gauge resistors RSt, RS2 fluctuate according to the pressure change of the fluid to be measured, the threshold level changes accordingly. changes. Then, it is converted into an output signal with a duty ratio corresponding to the gauge resistors R5I and R32, and further converted into a digital signal by the output means 4 and outputted as in the embodiment shown in FIG.

[発明の効果] 本発明は上述のように構成されているので、以下に記載
する効果を奏する。
[Effects of the Invention] Since the present invention is configured as described above, it produces the effects described below.

即ち、本発明の圧力センサによれば、歪ゲージの出力信
号に応じたデユーティ比を有する信号に変換され、被測
定流体の圧力に応じたディジタル出力が得られるので、
例えばマイクロコンピュータで構成される電子制御装置
に圧力センサの出力がそのまま利用でき、温度変化に伴
なう出力誤差も容易に処理できる。特に、従来のホイー
トストンブリッジを用いた圧力センサが演算増幅器によ
って増幅されることから温度補償回路が必須であるのに
対し、本発明では演算増幅器による増幅作用を必要とし
ていないので、温度補償回路を設けることなく良好な出
力特性が得られる。
That is, according to the pressure sensor of the present invention, the output signal of the strain gauge is converted into a signal having a duty ratio corresponding to the pressure of the fluid to be measured, and a digital output corresponding to the pressure of the fluid to be measured is obtained.
For example, the output of the pressure sensor can be used as is in an electronic control device composed of a microcomputer, and output errors caused by temperature changes can be easily processed. In particular, since a conventional pressure sensor using a Wheatstone bridge is amplified by an operational amplifier, a temperature compensation circuit is essential, whereas the present invention does not require an amplification effect by an operational amplifier, so a temperature compensation circuit is provided. Good output characteristics can be obtained without any problems.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の圧力センサの基本構成を示すブロック
図、第2図は第1図の圧力センサにおけるセンサエレメ
ントの縦断面図、第3図は同、シリコンチップの平面図
、第4図は同、シリコンチップの他の実施例の平面図、
第5図は圧力センサの一実施例の電気回路図、1!S6
図は第5図の電気回路図における各点の出力信号の波形
図、347図は本発明の圧力センサの他の実施例の電気
回路図である。 1・・・半導体単結晶基板。 1a・・・ダイヤフラム部、   10・・・ベース。 10a・・・台座、  10b・・・圧力ボート。 11・・・シリコンチップ(半導体単結晶基板)11a
・・・ダイヤフラム部。 13.14.15・・・リードピン。 17・・・基準圧室。 20.21・・・発振回路。 30.31・・・三角波発生回路、 40.41・・・比較回路。
Fig. 1 is a block diagram showing the basic configuration of the pressure sensor of the present invention, Fig. 2 is a vertical sectional view of a sensor element in the pressure sensor of Fig. 1, Fig. 3 is a plan view of a silicon chip, and Fig. 4 is a plan view of another embodiment of the same silicon chip,
Figure 5 is an electrical circuit diagram of one embodiment of the pressure sensor, 1! S6
This figure is a waveform diagram of the output signal at each point in the electrical circuit diagram of FIG. 5, and FIG. 347 is an electrical circuit diagram of another embodiment of the pressure sensor of the present invention. 1...Semiconductor single crystal substrate. 1a...Diaphragm part, 10...Base. 10a... pedestal, 10b... pressure boat. 11...Silicon chip (semiconductor single crystal substrate) 11a
...Diaphragm section. 13.14.15...Lead pin. 17...Reference pressure chamber. 20.21...Oscillation circuit. 30.31... Triangular wave generation circuit, 40.41... Comparison circuit.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)一方の面を基準圧の受圧面とし他方の面を被測定
流体源に連通し被測定流体の圧力の受圧面とし、被測定
流体の圧力変動に応じて変形するダイヤフラム部を形成
した半導体単結晶基板と、該半導体単結晶基板の前記ダ
イヤフラム部に形成した歪ゲージとを備え、前記ダイヤ
フラム部に生ずる歪を電気信号に変換して出力する圧力
センサにおいて、所定の周波数のパルス信号を出力する
発振手段と、該発振手段の出力パルス信号を基準に前記
歪ゲージの出力信号に応じたデューティ比を有する信号
に変換するデューティ比変換手段と、該デューティ比変
換手段の出力信号をディジタル信号に変換し前記被測定
流体の圧力に応じた信号を出力する出力手段とを備えた
ことを特徴とする圧力センサ。
(1) One surface is a pressure-receiving surface for the reference pressure, the other surface is connected to a fluid source to be measured and is a pressure-receiving surface for the pressure of the fluid to be measured, forming a diaphragm portion that deforms according to pressure fluctuations in the fluid to be measured. A pressure sensor that includes a semiconductor single-crystal substrate and a strain gauge formed on the diaphragm portion of the semiconductor single-crystal substrate, and that converts strain occurring in the diaphragm portion into an electrical signal and outputs it. an oscillating means for outputting, a duty ratio converting means for converting the output pulse signal of the oscillating means into a signal having a duty ratio corresponding to the output signal of the strain gauge, and converting the output signal of the duty ratio converting means into a digital signal. and an output means for converting the pressure into the measured fluid and outputting a signal corresponding to the pressure of the fluid to be measured.
(2)前記発振手段が水晶振動子を有し方形波信号を出
力する発振回路から成り、前記デューティ比変換手段が
、前記発振回路の方形波信号を三角波信号に変換して出
力する三角波発生回路と、該三角波発生回路の出力信号
と前記歪ゲージの出力信号とを比較し比較結果に応じた
矩形波信号を出力する比較回路とを備えたことを特徴と
する請求項1記載の圧力センサ。
(2) The oscillation means includes an oscillation circuit that has a crystal resonator and outputs a square wave signal, and the duty ratio conversion means converts the square wave signal of the oscillation circuit into a triangular wave signal and outputs the triangular wave signal. and a comparison circuit that compares the output signal of the triangular wave generation circuit and the output signal of the strain gauge and outputs a rectangular wave signal according to the comparison result.
(3)前記発振手段が演算増幅器を有し方形波信号を出
力する発振回路から成り、前記デューティ比変換手段が
、前記発振回路の方形波信号を三角波信号に変換して出
力する三角波発生回路と、該三角波発生回路の出力信号
を演算増幅器に入力すると共に該演算増幅器の出力を前
記歪ゲージを介して入力に帰還し前記三角波発生回路の
出力信号と比較する比較回路とを備えたことを特徴とす
る請求項1記載の圧力センサ。
(3) The oscillation means includes an oscillation circuit that has an operational amplifier and outputs a square wave signal, and the duty ratio conversion means converts the square wave signal of the oscillation circuit into a triangular wave signal and outputs the triangular wave signal. , comprising a comparison circuit that inputs the output signal of the triangular wave generating circuit to an operational amplifier, returns the output of the operational amplifier to the input via the strain gauge, and compares it with the output signal of the triangular wave generating circuit. The pressure sensor according to claim 1.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003087749A3 (en) * 2002-04-13 2004-02-05 Hottinger Messtechnik Baldwin Measuring amplifier device

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