JPH0438273Y2 - - Google Patents

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JPH0438273Y2
JPH0438273Y2 JP1984171144U JP17114484U JPH0438273Y2 JP H0438273 Y2 JPH0438273 Y2 JP H0438273Y2 JP 1984171144 U JP1984171144 U JP 1984171144U JP 17114484 U JP17114484 U JP 17114484U JP H0438273 Y2 JPH0438273 Y2 JP H0438273Y2
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pressure
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strain
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Description

【考案の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本考案は、シリコン等の半導体単結晶の持つピ
エゾ抵抗効果を利用して圧力を電気信号に変換す
る半導体圧力変換器に係り、特に半導体圧力変換
器の温度補償を効果的に実現する半導体圧力変換
器の改良に関する。
[Detailed description of the invention] <Industrial application field> The present invention relates to a semiconductor pressure transducer that converts pressure into an electrical signal by utilizing the piezoresistance effect of a semiconductor single crystal such as silicon, and particularly relates to a semiconductor pressure transducer that converts pressure into an electrical signal by utilizing the piezoresistance effect of a semiconductor single crystal such as silicon. This invention relates to improvements in semiconductor pressure transducers that effectively realize temperature compensation of the transducer.

<従来技術> 従来の半導体圧力変換器は、同一の半導体チツ
プ上に測定すべき圧力を検知する圧力検出素子と
半導体チツプの温度変化を検出する温度検出素子
とを形成し、この温度検出素子で測定された温度
特性を各半導体圧力変換器に対応したメモリ中に
記憶させ、この特性を用いて圧力検出素子で得た
被測定圧力に対して補正演算を実行している。
<Prior art> A conventional semiconductor pressure transducer has a pressure detection element that detects the pressure to be measured and a temperature detection element that detects temperature changes of the semiconductor chip formed on the same semiconductor chip. The measured temperature characteristics are stored in a memory corresponding to each semiconductor pressure transducer, and this characteristic is used to perform correction calculations on the measured pressure obtained by the pressure detection element.

しかし、各半導体圧力変換器ごとに温度特性を
測定しこれを各半導体圧力変換器に固有の特性デ
ータとして多数のデータを1体的に取扱うことは
このための調整工数の増加とコストの上昇を招く
問題がある。
However, measuring the temperature characteristics of each semiconductor pressure transducer and handling a large amount of data as a single unit as characteristic data unique to each semiconductor pressure transducer increases the number of adjustment steps and costs. There are problems that arise.

<考案の目的> 本考案は、前記従来技術に鑑み、簡単な構成で
汎用性のある温度補償を実現することの出来る半
導体圧力変換器を提供することを目的とする。
<Purpose of the invention> In view of the above-mentioned prior art, an object of the present invention is to provide a semiconductor pressure transducer that can realize versatile temperature compensation with a simple configuration.

<本考案の構成> この目的を達成する本考案の構成は、半導体の
ゲージチツプを有しゲージチツプ上の歪ゲージを
介して被測定圧力を検出する半導体圧力変換器に
係り、ゲージチツプに形成され被測定圧力に対応
した歪に応答する第1ゲージブリツジと、ゲージ
チツプに形成されあらかじめ設定された所定の基
準応力に応答する第2ゲージブリツジと、第1ゲ
ージブリツジを定電圧で駆動したときのブリツジ
出力Epと第2ゲージブリツジを定電圧で駆動し
たときのブリツジ出力Esと第2ゲージブリツジの
基準温度でのブリツジ出力Es0とを用いてEp
(Es/Es0)なる演算を実行する演算手段とを具備
し、被測定圧力に対応した圧力信号を出力するこ
とを特徴とするものである。
<Configuration of the present invention> The configuration of the present invention to achieve this object relates to a semiconductor pressure transducer that has a semiconductor gauge chip and detects the pressure to be measured via a strain gauge on the gauge chip. A first gauge bridge that responds to strain corresponding to pressure, a second gauge bridge that responds to a predetermined reference stress formed in the gauge chip, and a bridge output E p and a second gauge bridge when the first gauge bridge is driven with a constant voltage. Using the bridge output E s when the two-gauge bridge is driven at a constant voltage and the bridge output E s0 at the reference temperature of the second-gauge bridge, E p /
(E s /E s0 ), and outputs a pressure signal corresponding to the pressure to be measured.

<実施例> 以下、本考案の実施例について図面に基づき説
明する。
<Example> Hereinafter, an example of the present invention will be described based on the drawings.

第1図aは本考案の一実施例のセンサ部分を示
す斜視図であり、第1図bは第1図aにおける矢
視A側から見た側面図である。
FIG. 1a is a perspective view showing a sensor portion of an embodiment of the present invention, and FIG. 1b is a side view seen from the direction of arrow A in FIG. 1a.

1はシリコン等で構成された半導体の基板であ
り、この上にシリコンの矩形状のゲージチツプ2
が固定されている。ゲージチツプ2の各辺はシリ
コンの結晶軸が<110>になる様に選定され垂直
軸は〈100〉に選定されている。
Reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate made of silicon or the like, and a silicon rectangular gauge chip 2 is placed on this substrate.
is fixed. Each side of the gauge chip 2 is selected so that the silicon crystal axis is <110>, and the vertical axis is selected to be <100>.

ゲージチツプ2には矩形状の歪検知穴3が形成
され、その上部にダイヤフラム4が形成されてい
る。また、歪検知穴3に対向する基板1には圧力
導入孔5が穿たれている。
A rectangular strain detection hole 3 is formed in the gauge chip 2, and a diaphragm 4 is formed above it. Further, a pressure introduction hole 5 is bored in the substrate 1 facing the strain detection hole 3.

歪検知穴3の右方には外気と連通したコの字状
の基準孔6が形成されている。
A U-shaped reference hole 6 communicating with the outside air is formed on the right side of the strain detection hole 3.

基板1とゲージチツプ2との間は陽極接合ある
いは低融点ガラス接合などにより接着され気密が
保持されている。ただし、基準孔6の右方のゲー
ジチツプ2の脚部7と基板1の間は接合されてお
らず、基準孔6の上部8と脚部7とでカンチレバ
ー9を形成している。脚部7の長さhは基準孔6
の左方の脚部10の長さlに対してわずかに長く
形成されて基準応力σRがカンチレバー9に与えら
れ、ここに基準歪を発生させる。
The substrate 1 and the gauge chip 2 are bonded together by anodic bonding or low melting point glass bonding to maintain airtightness. However, the leg part 7 of the gauge chip 2 on the right side of the reference hole 6 and the substrate 1 are not joined, and the upper part 8 of the reference hole 6 and the leg part 7 form a cantilever 9. The length h of the leg portion 7 is the reference hole 6.
The cantilever is formed to be slightly longer than the length l of the left leg 10 of the cantilever 9, and a reference stress σ R is applied to the cantilever 9, thereby generating a reference strain therein.

第1図cは第1図aにP形半導体として形成さ
れる歪ゲージの配置を示すゲージ配置図である。
図に示す様に、歪検知穴3の上部のダイヤフラム
4には歪ゲージG1,G2,G4,G3がこの順序に形
成されている。歪ゲージG1とG3に対する歪の影
響は等しく、例えば被測定圧力Pの増加に対して
その抵抗は共に増加し、歪ゲージG2とG4に対す
る歪の影響は例えば被測定圧力Pの増加に対して
その抵抗が減少する様に配置されている。更に基
準孔6の上部には歪みゲージG5とG6が歪ゲージ
G1〜G4と同じ方向に形成され、これ等と直角方
向には歪ゲージG7,G8とが形成されている。歪
ゲージG7とG8に対する歪の抵抗に与える影響は
等しく、歪ゲージG5とG6に対する歪の抵抗に与
える影響も等しくなつている。
FIG. 1c is a gauge arrangement diagram showing the arrangement of strain gauges formed as P-type semiconductors in FIG. 1a.
As shown in the figure, strain gauges G 1 , G 2 , G 4 , and G 3 are formed in this order on the diaphragm 4 above the strain detection hole 3 . The influence of strain on strain gauges G 1 and G 3 is equal, e.g. their resistances both increase as the measured pressure P increases, and the effect of strain on strain gauges G 2 and G 4 is equal, for example as the measured pressure P increases. It is arranged so that its resistance is reduced. Furthermore, strain gauges G5 and G6 are placed above the reference hole 6.
Strain gauges G 7 and G 8 are formed in the same direction as G 1 to G 4 and perpendicular to these. The effect of strain on the resistance for strain gauges G 7 and G 8 is equal, and the effect of strain on the resistance for strain gauges G 5 and G 6 is also equal.

以上の如き構成により、圧力導入孔5より導入
された被測定圧力Pは歪検知穴3に導入されダイ
ヤフラム4を変位させる。この変位を歪ゲージ
G1〜G4で検出する。一方、カンチレバー9の上
部8に形成された歪ゲージG5〜G8で基準応力σR
を検出する。
With the above configuration, the pressure to be measured P introduced from the pressure introduction hole 5 is introduced into the strain detection hole 3 and displaces the diaphragm 4. This displacement is measured by strain gauge
Detected at G1 to G4 . On the other hand, the reference stress σ R is measured by strain gauges G 5 to G 8 formed on the upper part 8 of the cantilever 9
Detect.

これ等の歪ゲージG1〜G4および歪ゲージG5
G8で検出された各出力は第2図に示す回路で圧
力に変換される。
These strain gauges G 1 to G 4 and strain gauges G 5 to
Each output detected by G 8 is converted into pressure by the circuit shown in FIG.

歪ゲージG1〜G4は、それぞれ歪ゲージG1
G3、および歪ゲージG2とG4が共に対角辺をなし
てブリツジBG1を形成している。また、歪ゲージ
G5〜G8は、それぞれ歪ゲージG5とG6、および歪
ゲージG7とG8が共に対角辺をなしてブリツジ
BG2を形成している。ブリツジBG1の電源端子1
1,12およびブリツジBG2の電源端子13,1
4には定電圧Vsがそれぞれ印加されている。こ
の場合のブリツジBG1の出力端15,16にはブ
リツジ出力Epが、ブリツジBG2の出力端17,1
8にはブリツジ出力Esがそれぞれ次式に示す形で
得られる。
Strain gauges G 1 to G 4 are strain gauges G 1 and G 4 respectively.
G 3 and strain gauges G 2 and G 4 together form a bridge BG 1 on diagonal sides. Also, strain gauge
G 5 to G 8 are bridges with strain gauges G 5 and G 6 and strain gauges G 7 and G 8 forming diagonal sides, respectively.
Forming BG 2 . Power terminal 1 of Bridge BG 1
1, 12 and power terminals 13, 1 of bridge BG 2
A constant voltage V s is applied to each of the terminals 4 and 4. In this case, the bridge output E p is at the output ends 15, 16 of the bridge BG 1 , and the bridge output E p is at the output ends 17, 1 of the bridge BG 2 .
8, the bridge output E s is obtained in the form shown in the following equation.

Ep=Vsπ0KP(1+g(t)) (1) Es=Vsπ0σR(1+g(t)) (2) ここでπ0は基準温度t0でのピエゾ抵抗係数、K
は被測定圧力Pを応力に変換するときの変換定
数、σRは基準応力、g(t)はゲージのピエゾ抵抗係
数の温度係数であり次式で示される。
E p =V s π 0 KP (1+g(t)) (1) E s =V s π 0 σ R (1+g(t)) (2) Here, π 0 is the piezoresistance coefficient at the reference temperature t 0 , K
is a conversion constant when converting the measured pressure P into stress, σ R is the reference stress, and g(t) is the temperature coefficient of the piezoresistance coefficient of the gauge, which is expressed by the following equation.

g(t)=β1t+β2t2+…+βiti+… (3) ここでβiはi次のピエゾ抵抗係数πの温度係数
である。なお、(1)式においてVsπ0Kは一定の値
であるので定数Bとおき、(2)式においてVsπ0σR
は基準温度t0でのブリツジBG2のブリツジ出力
Es0を示しているので、これ等の関係を(1),(2)式
に適用すると、 Ep=BP(1+g(t)) (4) Es=Es0(1+g(t)) (5) となり、(4),(5)式より、E=BPとおいて E=BP=Ep/(Es/Es0) (6) の関係を得る。左辺は圧力に比例した値であり温
度係数g(t)の項は消去されているので(6)式の演算
を行なうことにより温度の影響を受けない出力E
を得ることができる。
g(t)=β 1 t+β 2 t 2 +…+β i t i +… (3) Here, β i is the temperature coefficient of the i-th order piezoresistance coefficient π. Note that in equation (1), V s π 0 K is a constant value, so it is set as a constant B, and in equation (2), V s π 0 σ R
is the bridge output of bridge BG 2 at reference temperature t 0
Since E s0 is shown, applying these relationships to equations (1) and (2), E p = BP (1 + g (t)) (4) E s = E s0 (1 + g (t)) ( 5), and from equations (4) and (5), we obtain the relationship E=BP=E p /(E s /E s0 ) (6) where E=BP. The left side is a value proportional to pressure, and the term of temperature coefficient g(t) is eliminated, so by calculating equation (6), output E that is not affected by temperature can be obtained.
can be obtained.

第2図における演算回路PCCでは各ブリツジ
BG1,BG2のブリツジ出力Ep,Esと基準温度t0
のブリツジ出力Es0を用いて(6)式の演算を実行す
る。なお、ブリツジ出力Es0はあらかじめ基準温
度t0でのブリツジBG2の出力を測定し、演算回路
PCCに外部から設定する。
In the arithmetic circuit PCC in Figure 2, each bridge
The calculation of equation (6) is executed using the bridge outputs E p and E s of BG 1 and BG 2 and the bridge output E s0 at the reference temperature t 0 . In addition, the bridge output E s0 is determined by measuring the output of the bridge BG 2 at the reference temperature t 0 in advance, and calculating the output from the arithmetic circuit.
Configure PCC externally.

<考案の効果> 以上、実施例とともに具体的に説明した様に、
本考案によればゲージチツプ上に被測定圧力に応
答するゲージブリツジと基準応力に応答するゲー
ジブリツジを形成しこれ等の出力を用いて簡単な
演算を実行することにより格別に温度特性の補償
をすることなくゲージチツプの温度の影響を受け
ないようにすることができ、信頼性が高くかつ調
整工数を大幅に削減した半導体圧力センサを実現
できる。
<Effects of the invention> As explained above in detail along with the examples,
According to the present invention, a gauge bridge that responds to the measured pressure and a gauge bridge that responds to the reference stress are formed on the gauge chip, and the outputs of these bridges are used to perform simple calculations, thereby eliminating the need for special compensation for temperature characteristics. It is possible to realize a semiconductor pressure sensor that is not affected by the temperature of the gauge chip, has high reliability, and greatly reduces the number of adjustment steps.

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

第1図aは本考案の一実施例のセンサ部分を示
す斜視図、第1図bは第1図aにおけるA矢視側
面図、第1図cは第1図aに形成される歪ゲージ
の配置を示すゲージ配置図、第2図は本考案の一
実施例を示す圧力変換回路のブロツク図である。 1……基板、2……ゲージチツプ、3……歪検
知穴、4……ダイヤフラム、5……圧力導入孔、
6……基準孔、9……カンチレバー、G1〜G4
…歪ゲージ、BG1……ブリツジ、G5〜G8……歪
ゲージ、BG2……ブリツジ、Vs……定電圧、
PCC……演算回路、Es′,Ep……ブリツジ出力。
Fig. 1a is a perspective view showing a sensor portion of an embodiment of the present invention, Fig. 1b is a side view taken from arrow A in Fig. 1a, and Fig. 1c is a strain gauge formed in Fig. 1a. FIG. 2 is a block diagram of a pressure conversion circuit showing an embodiment of the present invention. 1... Board, 2... Gauge chip, 3... Strain detection hole, 4... Diaphragm, 5... Pressure introduction hole,
6...Reference hole, 9...Cantilever, G1 to G4 ...
...Strain gauge, BG 1 ... Bridge, G 5 to G 8 ... Strain gauge, BG 2 ... Bridge, V s ... Constant voltage,
PCC... Arithmetic circuit, E s ′, E p ... Bridge output.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 被測定圧力が導入される圧力導入孔が貫通して
形成された半導体の基板と、この基板に対向する
側に前記圧力導入孔と連通する歪検知穴を穿設し
て薄肉のダイヤフラムを形成すると共にこの歪検
知穴に隣接してコの字状の大気に連通する基準孔
を有しこの上部と脚部でカンチレバーが形成され
この脚部の寸法を選定して基準歪を発生するゲー
ジチツプと、前記ダイヤフラムに形成され前記被
測定圧力に対応した歪に応答する第1ゲージブリ
ツジと、前記カンチレバーの上部に形成され前記
基準歪に応答する第2ゲージブリツジと、前記第
1ゲージブリツジを定電圧で駆動したときのブリ
ツジ出力EPと前記第2ゲージブリツジを前記定
電圧で駆動したときのブリツジ出力ESと前記第2
ゲージブリツジの基準温度でのブリツジ出力ES0
とを用いてEP/(ES/ES0)なる演算を実行する
演算手段とを具備し、前記被測定圧力に対応した
圧力信号を出力することを特徴とした半導体圧力
変換器。
A thin diaphragm is formed by forming a semiconductor substrate through which a pressure introduction hole through which the pressure to be measured is introduced, and a strain detection hole communicating with the pressure introduction hole on the side opposite to this substrate. and a gauge chip having a U-shaped reference hole communicating with the atmosphere adjacent to the strain detection hole, the upper part and the leg part forming a cantilever, and the size of the leg part being selected to generate a reference strain; a first gauge bridge formed on the diaphragm that responds to strain corresponding to the measured pressure; a second gauge bridge formed on the top of the cantilever that responds to the reference strain; and when the first gauge bridge is driven with a constant voltage. bridge output E P , bridge output E S when the second gauge bridge is driven with the constant voltage, and the second gauge bridge
Bridge output E S0 at gauge bridge reference temperature
A semiconductor pressure transducer comprising: a calculation means for performing the calculation E P /(E S /E S0 ) using the above, and outputs a pressure signal corresponding to the pressure to be measured.
JP1984171144U 1984-11-12 1984-11-12 Expired JPH0438273Y2 (en)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5530842A (en) * 1978-08-28 1980-03-04 Nissan Motor Co Ltd Semiconductor pressure sensor

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JPS58136744U (en) * 1982-03-10 1983-09-14 富士電機株式会社 pressure measuring device

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