JPH0511479Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本考案は、シリコンなど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装置に係り、特に剪断形ゲー
ジを用いた半導体圧力変換装置に関する。

＜従来の技術＞ 第３図は従来の半導体圧力変換装置の圧力セン
サ部分の構成を示す構成図である。

第３図イは圧力センサ部の平面図、ロは圧力セ
ンサ部の横断面図を示す。１はｎ形のシリコン単
結晶で作られたダイヤフラムであり、凹部２を有
し更に凹部２の形成により単結晶の厚さの薄くな
つた起歪部３とその周辺の固定部４とを有してい
る。

固定部４は連通孔５を有する基板６にガラス薄
膜７を介して陽極接合などにより固定されてい
る。

起歪部３は単結晶の（100）面とされ、その上
にはその中心を通る結晶軸＜001＞方向で起歪部
３と固定部４との境界付近に剪断形ゲージ８が不
純物の拡散により伝導形がＰ形として形成されて
いる。

第３図ハに剪断形ゲージ８の構成を拡大して示
す。図に示す剪断形ゲージ８はゲージ長がｌでゲ
ージ幅がｗであり、この剪断形ゲージ８の長さ方
向に電源端９，１０が形成されここに電圧が印加
される。印加圧力Ｐがダイヤフラム１に与えられ
ると、これによつて生じた剪断応力τに対応した
電圧がゲージ長ｌのほぼ中央に形成された出力端
１１，１２に得られる。しかし、電源端９，１０
間の抵抗は印加圧力Ｐにより変化を受けることは
ない。

また、ダイヤフラム１の固定部４の部分には温
度センサ１３が例えばダイオード、トランジス
タ、或いは抵抗などとして形成され、その両端１
４，１５から温度信号を得る。

そして、図示しない変換部から電源端９，１０
に電圧を供給し、出力端１１，１２から印加圧力
Ｐに対応した出力電圧を得る。変換部はこの出力
電圧に対して、温度センサ１３からの温度信号に
よりアナログ的に温度補正して補正された出力電
圧を出力する。この変換部は例えばダイヤフラム
１の上に１チツプとして形成される。

＜考案が解決しようとする問題点＞ しかしながら、この様な従来の半導体圧力変換
装置では印加圧力を検出する剪断形ゲージの他に
温度を検出するための温度センサを必要とする。

このため、ダイヤフラムに温度分布があるとき
は正確な温度補償が出来ず、正確に温度補償をす
るために複数の温度センサを用いようとすると、
その製作工程が複雑になる欠点がある。

＜問題点を解決するための手段＞ この考案は、以上の問題点を解決するため、半
導体のダイヤフラムの起歪部に形成された剪断形
ゲージと、ダイヤフラムの上に形成されこの剪断
形ゲージとは温度係数の異なつたゲージリード
と、このゲージリードを介して剪断形ゲージの電
源端に所定電圧を印加する電圧源と、この剪断形
ゲージの出力電圧を増幅する増幅手段と、この電
源端の両端の補償電圧を検出する検出手段と、こ
の検出手段の出力を用いて出力電圧の温度補償を
する信号処理手段とを具備するようにしたもので
ある。

＜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。なお、従来の技術と同一の機能をする部
分には同一の符号を付して適宜にその説明を省略
する。

第１図は本考案の圧力変換部の１実施例の構成
を示す構成図である。

１６はダイヤフラムであり、その中心に起歪部
１７が形成されている。起歪部１７には剪断形ゲ
ージ１８が剪断形ゲージ８と同様にして形成され
ている。剪断形ゲージ１８の長手方向である電源
端にはゲージリード１９，２０を介して電源２１
から電源電圧V_Sが印加されている。ゲージリー
ド１９，２０は剪断形ゲージ１８の温度係数とは
異なつた温度係数として拡散などによりダイヤフ
ラム上に形成されている。

剪断形ゲージ１８のゲージの中央に形成された
出力端からはリード抵抗２２，２３を介して出力
電圧V_OSが取り出され、それぞれ増幅器Q₁，Q₂の
非反転入力端（＋）に入力されている。増幅器
Q₁の反転入力端（−）は抵抗R₁を介して出力端
に、抵抗R₂を介して共通電位点COMにそれぞれ
接続されている。増幅器Q₂の反転入力端（−）
は抵抗R₃を介して出力端に、抵抗R₄を介して増
幅器Q₁の出力端にそれぞれ接続されている。こ
れらの増幅器Q₁，Q₂で剪断形ゲージ１８の出力
電圧を増幅し、増幅器Q₂の出力端２４，２５
（共通電位点COM）に出力電圧V_Oとして出力す
る。

剪断形ゲージ１８の電源端からはリード抵抗２
６，２７を介して増幅器Q₃，₄の非反転入力端
（＋）にそれぞれ入力される。増幅器Q₃の反転入
力端（−）は抵抗R₅を介して出力端に、抵抗R₆
を介して共通電位点COMにそれぞれ接続されて
いる。増幅器Q₄の反転入力端（−）は抵抗R₇を
介して出力端に、抵抗R₈を介して増幅器Q₄の出
力端にそれぞれ接続されている。これらの増幅器
Q₃，Q₄で剪断形ゲージ１８の電源端の電圧V_SSを
増幅し、増幅器Q₄の出力端２８，２９（共通電
位点COM）に補償電圧V_SFとして出力する。

圧力変換部３０は以上のようにして構成されて
いる。

剪断形ゲージ１８の出力電圧V_OSは、Ｋを形状
係数、πをピエゾ抵抗係数、τを剪断力とすれ
ば、次式で示される。

V_OS＝KV_SSπτ (1) で示される。

一方、剪断形ゲージ１８の電源端の電圧V_SSは V_SS＝V_SR_SO（１＋α（ｔ−t_O）） ／｛（R_1O＋R_2O）（１＋β（ｔ−t_O）） ＋R_SO（１＋α（ｔ−t_O））｝ (2) となる。ただし、R_1O，R_2O，R_SOはそれぞれゲー
ジリード１９，２０、剪断形ゲージ１８の基準温
度t_Oにおける抵抗値である。

(1)，(2)式で示される電圧V_OS，V_SSはそれぞれ増
幅器Q₁，Q₂及び増幅器Q₃，Q₄で増幅され、出力
電圧V_O、補償電圧V_SFとして端子２４，２５及び
端子２８，２９に出力される。

ここで、α、βを適当に設定することにより補
償電圧V_SFの温度係数を数mV／℃とすることが
でき補償の目的を達成することができる。

第２図は半導体圧力変換装置の全体構成を示す
ブロツク図である。

３１はマルチプレクを含むサアナログ／デジタ
ル変換器（Ａ／Ｄ変換器）であり、出力電圧V_O
と補償電圧V_SFとを演算部３２からの制御信号V_C
により切り替え、デジタル信号として出力する。

演算部３２はランダムアクセスメモリRAM、
リードオンリーメモリROMを有し、これらのア
ドレス指定はプロセツサCPUからバスBUSを介
してなされる。

Ａ／Ｄ変換器３１からの出力電圧V_Oと補償電
圧V_SFはランダムアクセスメモリRAMに格納さ
れる。リードオンリーメモリROMには(1)式或い
は(2)式などの計算をする演算プログラムが格納さ
れており、プロセツサCPUの制御の基にリード
オンリーメモリROMに格納された演算手順に従
つて演算され、その結果はランダムアクセスメモ
リRAMに格納される。格納された結果は、必要
に応じてバスBUSを介してデジタル／アナログ
変換器を含む出力回路OPCに出力されて統一電
流などに変換され出力端３３に出力される。な
お、演算に必要な各種の係数あるいは定数は例え
ばリードオンリーメモリROMに格納されてい
る。

温度補償に当たつては、一度、剪断ゲージ１８
に温度ｔの変化を与え温度ｔと出力電圧V_O、補
償電圧V_SFの関係をデジタル的にテーブル化して
ランダムアクセスメモリRAMに格納してこれら
の関係を記憶しておき、その後、出力電圧V_Oを
測定する度にこのテーブルを用いて補償して正確
な出力を出す。

＜考案の効果＞ 以上、実施例を用いて具体的に説明したように
本考案によれば、圧力を測定する剪断形ゲージを
用いて温度の検出をしてこれを用いて出力電圧の
温度補償をするので、温度分布がある場合でも正
確に温度補償ができる。また温度センサとしてト
ランジスタを用いる場合には、ｐ基板、埋め込
み、アイソレーシヨンなどと工程が複雑となる
が、本考案によればＮ基板の上に濃度の異なるＰ
形のゲージとリードを作るのみであるので、大幅
にプロセス工程を減らすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案のうちの圧力変換部の１実施例
を示す構成図、第２図は本考案の全体構成の１実
施例を示すブロツク図、第３図は従来の圧力変換
装置のうちの圧力センサ部の構成を示す構成図で
ある。 １，１６……ダイヤフラム、３，１７……起歪
部、８，１８……剪断形ゲージ、１３……温度セ
ンサ、１９，２０……ゲージリード、３０……圧
力変換部、３１……Ａ／Ｄ変換器、３２……演算
部、Q₁〜Q₄……増幅器、V_O……出力電圧、V_SF…
…補償電圧、V_C……制御信号。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 半導体のダイヤフラムの起歪部に形成された剪
   断形ゲージと、前記ダイヤフラムの上に形成され
   前記剪断形ゲージとは温度係数の異なつたゲージ
   リードと、このゲージリードを介して前記剪断形
   ゲージの電源端に所定電圧を印加する電圧源と、
   この剪断形ゲージの出力電圧を増幅する増幅手段
   と、前記電源端の両端の補償電圧を検出する検出
   手段と、この検出手段の出力を用いて前記出力電
   圧の温度補償をする信号処理手段とを具備するこ
   とを特徴とする半導体圧力変換装置。