JPH04174319A

JPH04174319A - 物理量検出器

Info

Publication number: JPH04174319A
Application number: JP2301476A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Uesugi; 浩上杉; Yoshinori Otsuka; 義則大塚; Naohito Mizuno; 直仁水野; Minoru Nishida; 実西田
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1990-11-06
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 1992-06-22

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、物理量を電気信号に変換することによって検
出する物理量検出器に関し、特にオフセット電圧を調整
するようにオフセット調整用抵抗を備えたものに関する
。

〔従来の技術〕

物理量を電気信号の変化、例えば素子の抵抗変化として
検出する素子は、歪量を検出する電気抵抗歪ゲージ、磁
気量を検出するＭＲＥ等、様々なものが知られている。

一般にこれらの素子は、温度補償をしながら感度よく検
出するため、ブリッジ状に接続される。

ここで、各素子の抵抗値にはバラツキが存在するため、
これを例えばホイートストンブリフジ状に接続すると、
オフセット電圧が生じてしまう。

従って、物理量を検出するセンサとしての出力精度をあ
げるためには、オフセット調整することが必要である。

一般に、オフセット調整には厚膜トリミング。

薄膜トリミングが知られている。厚膜トリミングは厚膜
抵抗（例えば酸化ルテニウム）をセラミック基板上に印
刷し、センサあるいはその補償回路に接続したハイブリ
ット集積回路に構成し、レーザによりトリミングするも
のである。一方、薄膜トリミングは、物理量を検出する
素子の近くに薄膜抵抗（例えばシリコンクロム）を設け
、レーザによりトリミングするものである。このトリミ
ングの特徴は１チツプ化が可能となることである。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来、この種のセンサは使用環境が比較的低温域に限ら
れていたが、近年センサの感度がさらに要求されるよう
になり、高温域でも使用できるセンサが所望されている
。例えば内燃機関の燃焼圧を半導体歪ゲージ素子にて検
出する圧力センサの場合、ゲージ部分は２００〜５００
°Ｃとかなりの高温となる。

燃焼圧センサとしては、例えば特願平１−１７８４４０
号にて第１図に示す構造のものが提案されている。第１
図において、３．７．８は各々ハウジング、カバー、ホ
ルダ部材でＳＵＳ等の材質からなり、所謂センサハウジ
ングを構成している。

なお、３ａはセンサをエンジンのシリンダヘッドに取り
付けるためのネジ部である。１はセンシングエレメント
であり、サファイア基板上に半導体歪ゲージ等を構成し
た所謂ｓｏｓを使用している。

２は、このセンシングエレメント１をロー付等により固
定するエレメントホルダで、サファイアの熱膨張係数と
ほぼ等しいＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金（コバール）等の材
質からなる。なお、このエレメントホルダ２はハウジン
グ３にレーザ溶接されて燃焼室内に臨ましめられるとと
もに、燃焼圧をセンシングエレメントｌのダイヤフラム
ｌａに導入するように穴部２ａが設けられている。

第２図にセンシングエレメント１の詳細図を示す、第２
図において、１ａはダイヤフラム、１ｂはり一ド取出頭
域である。ダイヤフラム１ａには燃焼圧を検出する半導
体歪ゲージ素子１１〜１４が単結晶シリコンにてエビ成
長等により形成されており、リード取出領域１ｂにはボ
ンディング用パッド１５ａ〜１８ａ、信号処理用のＩＣ
回路チップ５が配置されており、リード取出領域１ｂを
高温のダイヤフラム１ａより熱的に離間させた位置に構
成している。なお、１５〜１８はゲージ素子１１〜１４
からの信号をパッド１５ａ〜１８ａより取り出すために
センシングエレメントｌ上に延長形成されたリード電極
であり、６は電源供給および出力を外部へ取り出すため
のリード線である。

上記構成において、オフセット電圧調整用の抵抗を配設
する場合、上述したようにゲージ部（ダイヤフラムｌａ
）は高温域であるために次のような問題が生じてしまう
。

厚膜トリミングの場合、厚膜抵抗はゲージ素子と離間し
て配置せざるを得なくなってしまうため、ゲージ部の環
境温度とオフセット調整用抵抗の環境温度との間には差
が生じてしまう。また、ゲージとオフセット調整用抵抗
との材質が異なるため抵抗の温度係数ＴＣＲが異なり、
たとえ、室温においてオフセット電圧をＯｖに調整して
も、高温になるにつれてゲージ部とオフセット調整用抵
抗との間の温度差が大きくなり、その結果オフセット電
圧があられれることになる。

一方、ａｌｌ！）リミングの場合、薄膜抵抗はゲージ部
の近くに配置できる。そのため、ＷＩＷＩ！抵抗の温度
をゲージ部の温度とほぼ等しくすることは可能である。

しかしながら、薄膜抵抗として一般的に用いられるシリ
コンクロム等は非常に高温の状ＪＩＳ（３００℃以上）
で使用しつづけると、組成変化をおこす恐れがある。し
たがって、オフセット調整用抵抗はゲージ部と離して配
置し、高温にならないようにする必要がある。そのため
、この場合においても厚膜トリミングの場合と同様に、
ゲージ部とオフセントｍ繁用抵抗との間に温度差が生じ
てしまい、その結果オフセット電圧が現れてしまうこと
になる。

第３図（ａ）に、第２図におけるセンシングエレメント
１にオフセット調整用抵抗１９に配した場合を模式的に
示す。第３図（ａ）に示すようにオフセット調整用抵抗
１９がリード電極２０によりダイヤフラム１ａとＩＣ回
路チップ５との間に設けられた構成となっている。この
構成においてゲージ部（ダイヤフラムＩａ）とオフセッ
ト調整用抵抗１９との間に生じる温度差について、エン
ジン回転数と各部の温度との関係を表１に示す。

（以下余白）表１．エンジン回転数と各部の温度衣に、この温度差によってオフセット電圧が現れること
を説明する。第２図、第３図に示した構成を、第４図に
示すようにブリッジ構成し、定電圧（■。＝５■）で駆
動する。第４図においてＲＩ＋〜Ｒ１４は各々半導体歪
ゲージ素子１１〜１４の抵抗値を示す。また、Ｒａ、Ｒ
ｂはオフセット調整用抵抗１９の抵抗値を示し、該オフ
セット調整用抵抗は各々ゲージ素子１２．１３と並列接
続された厚膜抵抗である。

仮に、ゲージ素子は抵抗値を２０００Ωとし、そのばら
つきを±１％とし、また、ゲージ抵抗（単結晶Ｓｉ歪ゲ
ージ）のＴＣＲを２０００ｐｐｍ／°Ｃ２厚膜抵抗（酸
化ルテニウム）のＴＣＲを５０　ｐｐｍ　／　”Ｃとす
る。

室温Ｔ０におけるＲ０〜Ｒｚの抵抗値を、Ｒｚ　（Ｔｏ
　）　＝Ｒ＋ｙ　（Ｔｏ　）　−２０２０ΩＲＩ２　（
Ｔ−）　＝Ｒ＋ａ　（Ｔｏ　）　＝　１９８０Ωとする
と、このときのオフセット電圧■。ｓ（’ｒ−）は、・・・・・・　（１）となり、この■。５（Ｔｏ）をＯとするためには、Ｒａ
　（Ｔｏ　）＝１２．８にΩ。

Ｒｂ　（Ｔｏ　）＝１０にΩ とすればよく、この設定値によってオフセント調整用抵
抗は第３図Φ）に示すようにレーザトリミングされる。

次に、ゲージ部の環境温度が２５０℃、オフセット調整
用抵抗の環境温度が１５０°Ｃとなった場合を想定する
。この場合、各抵抗値は次のようになる。

Ｒ，、（２５０’Ｃ）＝Ｒ，３（２５０°Ｃ）＝３０３
０Ω（ＴＣＲ：　２０００ｐｐ＋ｗ　／’ｃ）Ｒ１□（
２５０°Ｃ）＝Ｒ，，（２５０°Ｃ）＝２９７０Ω（Ｔ
ＣＲ：　２０００ｐｐｍ　／”Ｃ）Ｒａ　　（１５０°
Ｃ）＝１２．８９６にΩ（ＴＣＲ：５０ｐｐ■／’Ｃ）Ｒｂ　　（１５０°Ｃ）＝１０．０７５にΩ（ＴＣＲ：
５０　ｐｐ＋ｗ　／　”Ｃ’３このとき、上述の（１）式より、１９．３　ｍ　Ｖのオ
フセット電圧（ゲージ部２５０℃）が生じることになる
。

また、定電流駆動の場合において、室温（Ｔ６）でオフ
セット電圧■。、（Ｔｏ　）＝ｏｖとしても、やはりゲ
ージ部が２５０°Ｃとなると、２５．９　ｍ　Ｖのオフ
セット電圧があられれてしまうことが計算から求められ
る。

このように、生じる温度差によってオフセット電圧が現
れてしまうと、精密な測定が困難となってしまう。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は
、広い温度範囲にわたってオフセット電圧の発生を抑え
ることができ、その結果、広い温度範囲にわたって精度
の良い測定が可能となる物理量検出器を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成すべく、オフセット調整用抵抗
およびゲージ抵抗の各々の抵抗温度係数ＴＣＲを、以下
のように設定するものである。

ゲージ部の室温からのｉ度変化量をΔＴａ、調整用抵抗
のそれをΔＴ’ｏｒｒｓｔｔとし、またゲージ抵抗およ
び調整用抵抗の温度係数ＴＣＲを各々α。。

α（ＩＦＦＪｔ？とする。このとき、温度変化による各
抵抗値Ｒａｎ　Ｒｏｙｒｓｔｔの変化量は、となる。

ここで、ΔＲ６とΔＲ０ＦＦＳ！Ｔが温度に対して同じ
割合で変化すれば、両者の環境温度間に大きな差があっ
ても、オフセット電圧が生じなくなるといえる。

従って、（２）式より ΔＴａ　　・α０＝ΔＴＯＦＦ！ＥＴ・αｏｙｒｓｔｙ
　　−（３）とすればよい。すなわち、本発明では（３
）式が成り立つようにα。ＦＦ５ＥＴを設定することを
要旨としている。

〔作用・効果〕

オフセット調整用抵抗の抵抗温度係数とゲージ抵抗の抵
抗温度係数とを（３）式に基づいて異ならせることによ
り、広い温度範囲にわたってオフセット電圧を小さくす
ることかできる。その結果、広い温度範囲で精度の良い
測定が可能になる。

例えば、上述の燃線圧センサのように、ゲージ部の温度
が調整用抵抗部よりも高くなる場合には、両者の温度に
よる変化量を等しくするように調整用抵抗の抵抗温度係
数をゲージのそれよりも太きくする。これにより、温度
上昇によるオフセット電圧の増大をおさえることができ
る。

〔実施例〕

以下、本発明をより具体化した実施例に基づいて説明す
る。

第５図は本発明第１実施例を第１図に示す燃焼圧センサ
のセンシングエレメントｌに適用したものを模式的に示
した図である。

第５図において、オフセット調整用抵抗１９はＳｔ拡散
抵抗にて形成されており、第２図に示す半導体歪ゲージ
素子１１〜１４の成膜（堆積）時に同時に堆積形成され
るものであり、後述するようにしてボロン等の不純物が
拡散されてＰ型導電形を有している。また、第５図にお
いて１９ａはオフセット調整用抵抗１９のバンド部、２
０ａはリード電極２０のパッド部である。

ここで、第６図、第７図に示されるように、ＴＣＲは不
純物濃度を制御することによって制御できる。従ってセ
ンサ設計は次のようにして行うことができる。

ゲージ抵抗の不純物濃度をｌ　Ｘ　１０　”ＣＩ−”と
すると、ＴＣＲは第６．７図より室温Ｔ０においてα６
＝約１８００ｐｐｍ　／”Ｃとなる。また、ゲージ部の
環境温度とオフセット調整用抵抗の環境温度との関係は
上述の表１に示す通りである。従って、（３）式が満足
されるように適当なα。ｖｖｓｔｔを決定すると一αｏ
ｖｒｓｔｒ＝　３１００　ｐｐｍ＋　／　”Ｃが設定さ
れる。

そしてこの設定に基づき、（１）式より算出されるオフ
セット電圧Ｖｏｓ（Ｔｏ）を０とするようにオフセット
調整用抵抗１９の抵抗値Ｒａ、Ｒｂが各々決定され、そ
の抵抗値となるようにリード電極２０とオフセット調整
用抵抗１９とが各々のパッド部２０ａ、１９ａをワイヤ
ボンディングすることにより結線接続される。

なお、ゲージ抵抗（半導体歪ゲージ素子１１〜１４）と
オフセット調整用抵抗１９とは各々抵抗温度係数α。、
αｏｙｙｓｔｔが異なるように設計されているため、セ
ンサ製造時に不純物拡散を制御する必要がある０本件の
場合、αｓ＝１８００ｐｐｍ／°Ｃ１α０ＦＦＳＥＴ＝
　３１００　ｐｐｒｍ　／　”Ｃであるため、不純物濃
度は第６図、第７図よりオフセット調整用抵抗の方が低
くなる。そのため、単結晶シリコンをオフセット調整用
抵抗１９の不純物濃度に合わせて成膜するようにして、
ゲージ部だけをイオン注入等により選択的に濃くするよ
うにするとよい。

第８図には、オフセット調整用抵抗１９の抵抗温度係数
ＴＣＲＯ値α。２Ｆ８．アを本実施例の３１００　ｐｐ
ｍ　／　”Ｃ、ゲージ抵抗と同じ１８００ｐｐｍ　／”
ｃ。

厚膜抵抗（酸化ルテニウム）　５０ｐｐｍ　／’ｃとし
た時の各々のオフセット電圧■。、の発生状態について
示す。

第８図からもわかるように、本実施例においてオフセッ
ト調整用抵抗の温度係数を、ゲージ抵抗。

オフセット調整用抵抗の両者が温度に対して同じ割合で
変化するように設定しているために広い温度範囲にわた
ってオフセット電圧の発生が抑制できる。

次に、オフセラ）１［整用抵抗として抵抗温度係数ＴＣ
Ｒの高い材質を使用する第２実施例について説明する。

表２にはオフセント調整用抵抗として使用される各材質
の抵抗温度係数ＴＣＰを示す。

（以下余白）表２．各物質のＴＣＲ −例として、オフセット調整用抵抗としてＡｕを用いた
場合を説明する。本実施例の場合はオフセット調整用抵
抗のＴＣＲを制御することができないので、ゲージ抵抗
のＴＣＲすなわちα６が（３）式を満足するように設定
する。

すなわち、ＡｕのＴＣＲは（ｒｏｙｒｓｔｒ＝　９５０
０ｐｐ＋ｓ／”Ｃであるから、（３）式および表１より
α。−５５００ｐｐｍ　／’ｃが適当であり、第６．７
図に基づいてゲージ抵抗の不純物濃度（約２　Ｘ　１０
　”ｃｍ−３）を決定する。

次に本第２実施例におけるオフセット調整用抵抗１９の
抵抗値Ｒ１９設定について説明する。Ａｕのシート抵抗
は非常に小さいので第１実施例のときと同様にオフセッ
ト調整用抵抗とゲージ抵抗とを並列に接続する（第４図
参照）と大きな抵抗値を必要とするため、第９図に示す
ように直列接続する必要がある。

仮にゲージ素子は抵抗値を２０００Ωとし、そのばらつ
きを±１％とし、室温Ｔ０におけるＲ１１〜ＲＩ４の抵
抗値をＲｘ＝ＲＩｓ＝１９８０Ω Ｒ，！＝Ｒ，，＝　２０２０Ω とすると、このときのオフセット電圧■。５（Ｔｏ）は
、となり、このＶｏｓ（Ｔｏ）を０とするためには、Ｒ，
、＝８０．８Ω とすればよい。

本第２実施例も上記第１実施例と同様に、エンジン回転
数と発生するオフセット電圧の関係を第１０図に示す。

第１０図より明らかな様に、本実施例の場合もゲージ抵
抗、オフセラ）ＩＮ整用抵抗が（３）式に基づいて両者
の温度に対する抵抗変化が同じとなるように設定されて
いるために、広い温度範囲にわたってオフセット電圧の
発生が抑制できる。

なお、上記種々の実施例においてはゲージ部の環境温度
がオフセット調整用抵抗での環境温度よりも高い場合に
ついて説明するものであったが、逆の場合（ゲージ部の
温度が調整用抵抗部よりも低い場合）にも両者のＴＣＰ
を（３）式に基づいて設定するようにすれば同様の効果
が期待できる。

また、上記種々の実施例では燃焼圧センサに適用するも
のについて説明したが、これに限らず、例えばＭＲＥセ
ンサのように抵抗変化を利用して磁気量を検出するよう
なセンサに本発明を適用してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃焼圧センサの要部断面図、第２図は燃焼圧セ
ンサのセンシングエレメントの構造を示す平面図、第３
図（ａ）は第２図においてオフセット調整用抵抗を配し
た場合を模式的に示した平面図、第３図（ロ）はレーザ
トリミングされたオフセット調整用抵抗を示す図、第４
図は本発明第１実施例の場合のブリッジ結線図、第５図
は本発明第１実施例のセンシングエレメントを模式的に
示した平面図、第６図はＰ型シリコンの比抵抗と抵抗温
度係数ＴＣＲとの関係を示す特性図、第７図は単結晶シ
リコンの不純物濃度と抵抗率との関係を示す特性図、第
８図は本発明第１実施例においてエンジン回転数と発生
するオフセット電圧Ｖ’Ｏ３との関係を示す特性図、第
９図は本発明第２実施例の場合のブリッジ結線図、第１
０図は本発明第２実施例においてエンジン回転数と発生
するオフセット電圧ＶＯＳとの関係を示す特性図である
。ｌ・・・センシングエレメント、ｌａ・・・ダイヤフラ
ム、１１〜１４・・・半導体歪ゲージ素子、１５〜１８
・・・リード電極、１９・・・オフセット調整用抵抗。２０・・・リード電極。

Claims

【特許請求の範囲】物理量が印加されて、その物理量に応じて抵抗値が変化
する検出用抵抗体と、上記物理量を検出すべく、上記検出用抵抗体の上記抵抗
値の変化を検出する検出手段と、上記検出用抵抗体と熱
的に離間した位置に形成され、上記検出手段からの出力
のオフセット量を補正すべく、上記検出用抵抗体の上記
抵抗値を調整するための調整用抵抗体とを有し、上記検出用抵抗体と上記調整用抵抗体との位置関係に応
じて生じる温度差によって上記検出手段からの出力にオ
フセット量が発生するのを抑制すべく、上記調整用抵抗
体の抵抗温度係数α＿Ｏ＿Ｆ＿Ｆ＿Ｓ＿Ｅ＿Ｔが下記式
を満足するように設定されていることを特徴とする物理
量検出器。 α＿Ｏ＿Ｆ＿Ｆ＿Ｓ＿Ｅ＿Ｔ＝ΔＴ＿Ｇ／ΔＴ＿Ｏ＿Ｆ
＿Ｆ＿Ｓ＿Ｅ＿Ｔ・α＿Ｇただし、α＿Ｇは検出用抵抗
体の抵抗温度係数、ΔＴ＿Ｇは検出用抵抗体の環境温度
変化量、ΔＴ＿Ｏ＿Ｆ＿Ｆ＿Ｓ＿Ｅ＿Ｔは調整用抵抗体
の環境温度変化量である。