JPH0534182A - Strain/temperature composite sensor - Google Patents

Strain/temperature composite sensor

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Publication number
JPH0534182A
JPH0534182A JP19228291A JP19228291A JPH0534182A JP H0534182 A JPH0534182 A JP H0534182A JP 19228291 A JP19228291 A JP 19228291A JP 19228291 A JP19228291 A JP 19228291A JP H0534182 A JPH0534182 A JP H0534182A
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JP
Japan
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thin film
strain
temperature
wheatstone bridge
resistors
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Pending
Application number
JP19228291A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hidetaka Kubozono
秀隆 久保園
Tadashi Minatoguchi
正 湊口
Yuzuru Kobayashi
譲 小林
Akira Ikeda
昭 池田
Kyoichiro Seki
恭一郎 関
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Anritsu Corp
Original Assignee
Anritsu Corp
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Publication date
Application filed by Anritsu Corp filed Critical Anritsu Corp
Priority to JP19228291A priority Critical patent/JPH0534182A/en
Publication of JPH0534182A publication Critical patent/JPH0534182A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To realize the detection of strain and that of temp. by one sensor and to accurately measure the strain and temp. in a narrow place. CONSTITUTION:Two Wheatstone bridge circuits 15a, 15b for detecting strain and temp. are formed to one insulating thin film substrate 10 using many same thin film resistors R1-R6 having a high gauge ratio and a high temp. coefficient. Further, one of the thin film resistors having a high gauge ratio and a high temp. coefficient constituting one arm of the Wheatstone bridge circuit for measuring strain is formed in a strain generating direction and the other thin film resistors are formed at right angles to the strain generating direction.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は歪測定と温度測定とを一
つのセンサで実行できる歪・温度複合センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a combined strain / temperature sensor capable of performing strain measurement and temperature measurement with a single sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】印加された力を最も簡便に測定する手法
の一つの手法として、外力が印加され金属に歪ゲージを
貼付けて、外力印加に起因して発生する表面歪を歪ゲー
ジの抵抗変化でもって検出する。そして、その抵抗変化
を外力に換算するようにしている。
2. Description of the Related Art As one of the simplest methods for measuring an applied force, a strain gauge is attached to a metal to which an external force is applied, and surface strain caused by the external force is applied to change the resistance of the strain gauge. To detect it. Then, the resistance change is converted into an external force.

【0003】しかし、金属表面に貼付けられた歪ゲージ
の抵抗値Rは金属表面の歪εにほぼ比例して変化すると
ともに、周囲温度Tの変化によっても変化する。したが
って、歪の測定結果に温度変化の要因が混入しないよう
に、4枚の歪ゲーシを金属表面に貼付けて、これらでも
ってホイートストンブリッシ回路を構成すようにしてい
る。
However, the resistance value R of the strain gauge attached to the metal surface changes substantially in proportion to the strain ε of the metal surface, and also changes with the change of the ambient temperature T. Therefore, in order to prevent the factor of temperature change from being mixed in the strain measurement result, four strain bars are attached to the metal surface, and the Wheatstone brushy circuit is constituted by these.

【0004】一方、歪のみならず周囲温度も同時に測定
する必要が生じる場合がある。このような場合、別途温
度専用の温度検出装置を用いないで、歪測定装置の機能
を用いて歪と温度とを同時に測定する手法が提唱されて
いる(特開平1−206113号公報,特開昭58−1
34394号公報)。
On the other hand, it may be necessary to simultaneously measure not only the strain but also the ambient temperature. In such a case, a method of simultaneously measuring strain and temperature using a function of a strain measuring device has been proposed without using a temperature detecting device dedicated to temperature (Japanese Patent Laid-Open No. 1-206113, Japanese Patent Laid-Open No. 206113/1990). 58-1
34394).

【0005】図7は特開平1−206113号公報に記
載された歪および温度を測定可能な歪・温度センサを示
す回路図である。4個の歪ゲージ1a,1b,1c,1
dでもってホイートストンブリッジ回路を構成してい
る。そして、入力端子2a,2bから電圧を印加する
と、出力端子3a,3b間に歪εに比例する電圧Ve が
出力され、出力端子3b,3c間に温度Tに対応する電
圧Vtが出力される。
FIG. 7 is a circuit diagram showing a strain / temperature sensor capable of measuring strain and temperature disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-206113. Four strain gauges 1a, 1b, 1c, 1
The Wheatstone bridge circuit is composed of d. When a voltage is applied from the input terminals 2a and 2b, a voltage Ve proportional to the strain ε is output between the output terminals 3a and 3b, and a voltage Vt corresponding to the temperature T is output between the output terminals 3b and 3c.

【0006】歪ゲージ1aは例えば図7(b)に示すよ
うに、例えば絶縁性のポリイミドフィルム4上に細い抵
抗線箔5を配線して、両端からリード線6a,6bを取
出すように構成されている。このように、歪測定用のホ
イートストンブリッシ回路を構成する一つの歪ゲーシ1
cの温度変化に起因する抵抗変化を利用して温度Tを測
定することが可能である。
For example, as shown in FIG. 7B, the strain gauge 1a is constructed such that a thin resistance wire foil 5 is wired on an insulating polyimide film 4 and lead wires 6a and 6b are taken out from both ends. ing. In this way, one strain gauge 1 that constitutes the Wheatstone brushy circuit for strain measurement is used.
The temperature T can be measured by utilizing the resistance change caused by the temperature change of c.

【0007】しかし、一般に、歪を測定する歪ゲージ1
a〜1dにおいては、歪に対する抵抗変化度合いを示す
ゲージ率Gは測定感度を向上するためになるべく大きな
値となる抵抗材料が選択される。また、温度の影響をな
るべく少なくするために、歪ゲージ1a〜1dにおける
温度変化に対する抵抗変化度合いを示す温度係数Kがな
るべく小さい値となる抵抗材料が選択される。したがっ
て、歪ゲージ1dの低い温度係数Kを利用して温度Tを
測定するので、高い測定精度が得られない問題がある。
However, in general, a strain gauge 1 for measuring strain
In a to 1d, a resistance material is selected so that the gauge factor G indicating the degree of resistance change with strain is as large as possible in order to improve the measurement sensitivity. Further, in order to reduce the influence of temperature as much as possible, a resistance material is selected in which the temperature coefficient K indicating the degree of resistance change with respect to temperature change in the strain gauges 1a to 1d is as small as possible. Therefore, since the temperature T is measured using the low temperature coefficient K of the strain gauge 1d, there is a problem that high measurement accuracy cannot be obtained.

【0008】このような不都合を解消するために。図8
に示す特開昭58−134394号公報に記載された歪
・温度センサにおいては、歪検出用のホイートストンブ
リッジ回路を構成する4個の各歪ゲーシ7a〜7dの他
に温度検出専用の感温抵抗素子8を用いて、歪εおよび
温度Tを個別に検出するようにしている。
In order to eliminate such inconvenience. Figure 8
In the strain / temperature sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-134394 shown in FIG. 1, in addition to the four strain gates 7a to 7d constituting the Wheatstone bridge circuit for strain detection, a temperature-sensitive resistor dedicated to temperature detection is used. The element 8 is used to detect the strain ε and the temperature T individually.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図7お
よび図8に示した歪・温度センサにおいて、各歪ゲージ
は図7(b)に示すようにそれぞれ個別の電子部品であ
り、各歪ゲージをそれぞれ被測定体の最良の方向でかつ
最良の位置に貼付たのち、各歪ゲージをホイートストン
ブリッジ回路を構成するように接続する必要がある。
However, in the strain / temperature sensor shown in FIGS. 7 and 8, each strain gauge is an individual electronic component as shown in FIG. It is necessary to attach the strain gauges in the best direction and the best position on the object to be measured, and then connect the strain gauges so as to form a Wheatstone bridge circuit.

【0010】その結果、各歪ゲージ相互間の位置関係も
考慮して貼付ける必要があるので、歪ゲージ貼付け作業
能率が大幅に低下する。また、各歪ゲージの貼付け作業
が終了した後に、ホイートストンブリッジ回路への配線
作業を行う必要がある。したがって、実際に測定開始す
るまでの準備作業に多大の時間を費やすことになる。
As a result, it is necessary to attach the strain gauges in consideration of the positional relationship between the strain gauges, so that the strain gauge attaching work efficiency is significantly reduced. Further, it is necessary to perform wiring work to the Wheatstone bridge circuit after the work of attaching each strain gauge is completed. Therefore, a large amount of time is spent on the preparation work until the actual measurement is started.

【0011】また、いずれの場合であっても、一つの歪
ゲージ1cまたは1つの感温抵抗素子8のみで温度測定
を行っており、歪測定の場合のようにホイートストンブ
リッジ回路を構成していない。したがって、温度以外の
歪の影響や電源変動の影響を受けやすい。
In any case, the temperature is measured only by one strain gauge 1c or one temperature sensitive resistance element 8, and the Wheatstone bridge circuit is not formed unlike the case of strain measurement. .. Therefore, it is easily affected by distortion other than temperature and power supply fluctuation.

【0012】さらに、前述したように、各歪ゲージ1a
〜1d,7a〜7dはポリイミドフィルム4上に貼付け
られたそれぞれ個別の電子部品であるので、これら4枚
の歪ゲージをまとめて狭い場所に貼付けることは不可能
である。
Further, as described above, each strain gauge 1a
Since ~ 1d and 7a to 7d are individual electronic components attached on the polyimide film 4, it is impossible to attach these four strain gauges together in a narrow place.

【0013】また、図8のセンサにおいては、歪検出用
の歪ゲージと温度検出用の感温抵抗素子との2種類の抵
抗素子を製造する必要がある。さらに、歪測定用と温度
測定用とでそれぞれ独立した2つの定電流電源9a,9
bが必要である。
Further, in the sensor of FIG. 8, it is necessary to manufacture two types of resistance elements, that is, a strain gauge for strain detection and a temperature sensitive resistance element for temperature detection. Furthermore, two constant current power supplies 9a and 9 independent for strain measurement and temperature measurement are provided.
b is required.

【0014】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、一つの絶縁薄膜基板上に同一の薄膜抵抗を
用いた歪検出用と温度検出用との2つのホイートストン
ブリッジ回路を形成することによって、歪検出と温度検
出とを同程度の精度で正確に測定でき、かつセンサ全体
が一つの電子部品であるので、センサ全体を小型に形成
できる歪・温度複合センサを提供することを目的とす
る。
The present invention has been made in view of such circumstances, and two Wheatstone bridge circuits for strain detection and temperature detection using the same thin film resistor are formed on one insulating thin film substrate. Accordingly, it is possible to accurately measure strain detection and temperature detection with the same degree of accuracy, and since the entire sensor is one electronic component, it is an object of the present invention to provide a strain / temperature composite sensor that can form the entire sensor in a small size. And

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に本発明の歪・温度複合センサは、絶縁薄膜基板と、こ
の絶縁薄膜基板上に歪検出方向が歪発生方向に一致する
ように形成された第1の薄膜抵抗と、絶縁薄膜基板上に
歪検出方向が第1の薄膜抗抵と直交するように形成され
た第2,第3,第4,第5,第6の薄膜抗抵と、第1,
2の薄膜抵抗を直列接続してなる直列回路と第3,4の
薄膜抵抗の直列回路とが並列接続され、各直列回路の中
点相互間から第1の出力信号が導出される第1のホイー
トストンブリッジ回路と、第3,4の薄膜抵抗の直列回
路と第5,6の薄膜抵抗の直列回路とが並列接続され、
各直列回路の中点相互間から第2の出力信号が導出され
る第2のホイートストンブリッジ回路とで構成されてい
る。
In order to solve the above problems, a strain / temperature composite sensor of the present invention is formed on an insulating thin film substrate and a strain detecting direction on the insulating thin film substrate so as to coincide with a strain generating direction. And the second, third, fourth, fifth and sixth thin film resistances formed on the insulating thin film substrate so that the strain detection direction is orthogonal to the first thin film resistance. And the first,
A series circuit in which two thin film resistors are connected in series and a series circuit of third and fourth thin film resistors are connected in parallel, and a first output signal is derived from the midpoints of the series circuits. The Wheatstone bridge circuit, the series circuit of the third and fourth thin film resistors, and the series circuit of the fifth and sixth thin film resistors are connected in parallel,
And a second Wheatstone bridge circuit from which the second output signal is derived from the midpoints of the series circuits.

【0016】さらに、少なくとも前記第1,第3の各薄
膜抗抵のゲージ率および温度係数が第2,第4,第5の
各薄膜抗抵のゲージ率および温度係数より大きい金属材
料で構成されている。そして、第1の出力信号を歪検出
信号として取出し、第2の出力信号を温度検出信号とし
て取出す。
Further, at least the gauge factors and temperature coefficients of the first and third thin film resistances are made of metal materials higher than the gauge rates and temperature coefficients of the second, fourth and fifth thin film resistances, respectively. ing. Then, the first output signal is taken out as a strain detection signal, and the second output signal is taken out as a temperature detection signal.

【0017】[0017]

【作用】このように構成された歪・温度複合センサによ
れば、この歪・温度複合センサに組込まれる第1から第
6までの6個の薄膜抵抗はすべて1枚の絶縁薄膜基板上
に形成されている。また、各薄膜抵抗を接続して第1,
第2のホイートストンブリッジ回路が構成されるが、各
薄膜抵抗を接続する各配線も前記絶縁薄膜基板上に形成
することが容易であるので、歪・温度複合センサを一つ
の電子部品として取扱うことが可能となる。
According to the strain / temperature composite sensor thus constructed, all the six thin film resistors 1 to 6 incorporated in the strain / temperature composite sensor are formed on one insulating thin film substrate. Has been done. Also, by connecting each thin film resistor,
Although the second Wheatstone bridge circuit is configured, since it is easy to form each wiring connecting each thin film resistor on the insulating thin film substrate, the strain / temperature composite sensor can be handled as one electronic component. It will be possible.

【0018】また、歪検出方向が外部歪の発生方向に一
致するように形成された第1の薄膜抵抗と第2〜第4の
薄膜抵抗とで第1のホイートストンブリッジ回路が構成
されている。したがって、この歪・温度複合センサが貼
付けられた被測定体表面に歪が発生すると、第1の薄膜
抵抗の抵抗値のみが大きく変化するので、第1のホイー
トストンブリッジ回路の出力信号は歪に対応した値を有
する歪検出信号となる。
Further, the first Wheatstone bridge circuit is composed of the first thin film resistor and the second to fourth thin film resistors formed so that the strain detection direction coincides with the external strain generation direction. Therefore, when strain occurs on the surface of the measured object to which this strain / temperature composite sensor is attached, only the resistance value of the first thin-film resistor changes significantly, so the output signal of the first Wheatstone bridge circuit corresponds to the strain. The distortion detection signal has the above value.

【0019】なお、第1の薄膜抵抗の抵抗値は周囲温度
にも大きく影響され、その影響は前記歪検出信号に含ま
れるが、第3の薄膜抵抗も同じ条件で周囲温度の影響を
受ける。その結果、歪検出信号に含まれる第1の薄膜抵
抗の温度変動分は第3の薄膜抵抗の温度変動分によって
相殺される。したがって、前記歪検出信号から温度変動
成分が除去される。
The resistance value of the first thin film resistor is greatly influenced by the ambient temperature, and the influence is included in the strain detection signal, but the third thin film resistor is also influenced by the ambient temperature under the same conditions. As a result, the temperature variation of the first thin film resistor included in the strain detection signal is canceled by the temperature variation of the third thin film resistor. Therefore, the temperature fluctuation component is removed from the strain detection signal.

【0020】また、第3〜第6の薄膜抵抗で第2のホイ
ートストンブリッジ回路が構成されている。第3の薄膜
抵抗の温度係数は第4および第5の薄膜抵抗の温度係数
に比較して大きい値に設定されている。したがって、こ
の歪・温度複合センサの周囲温度が変化すると、第3の
薄膜抵抗の抵抗値のみが大きく変化するので、第2のホ
イートストンブリッジ回路の出力信号は温度に対応した
値を有する温度検出信号となる。
A second Wheatstone bridge circuit is composed of the third to sixth thin film resistors. The temperature coefficient of the third thin film resistor is set to a larger value than the temperature coefficients of the fourth and fifth thin film resistors. Therefore, when the ambient temperature of the strain / temperature composite sensor changes, only the resistance value of the third thin film resistor changes significantly, so that the output signal of the second Wheatstone bridge circuit is a temperature detection signal having a value corresponding to the temperature. Becomes

【0021】なお、この歪・温度複合センサが貼付けら
れた被測定体表面に歪が発生して、たとえ第3の薄膜抵
抗が第1の薄膜抵抗と同一の高いゲージ率を有していた
としても、歪検出方向が歪発生方向と直交しているの
で、抵抗値の変化は小さい。その結果、温度検出信号に
歪成分が混入することはない。
It should be noted that if strain occurs on the surface of the object to which the strain / temperature composite sensor is attached, and the third thin film resistor has the same high gauge factor as the first thin film resistor. However, since the strain detection direction is orthogonal to the strain generation direction, the change in resistance value is small. As a result, the distortion component is not mixed in the temperature detection signal.

【0022】このように、歪および温度がそれぞれ独立
して、しかも高い精度で測定可能となる。
Thus, strain and temperature can be measured independently and with high accuracy.

【0023】[0023]

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0024】図1は実施例の歪・温度複合センサの概略
構成を示す上面図である。矩形形状を有した絶縁薄膜基
板10は例えばガラス板,ポリイミドフィルム等、また
は金属基板に絶縁処理を施した表面を例えばCVDSi
2 薄膜等の絶縁薄膜で覆って作成される。そして、大
きさは例えば[4.4mm(横)×3.4 mm(縦)]である。
FIG. 1 is a top view showing a schematic configuration of the strain / temperature composite sensor of the embodiment. The insulating thin film substrate 10 having a rectangular shape is, for example, a glass plate, a polyimide film or the like, or the surface of a metal substrate subjected to an insulation treatment is, for example, CVDSi
It is made by covering with an insulating thin film such as an O 2 thin film. The size is, for example, [4.4 mm (horizontal) × 3.4 mm (vertical)].

【0025】この絶縁薄膜基板10上の周縁に例えば
[Ni Cr −Au ]等の良導体金属からなるシールジ膜
11が例えばフォトエッチング手法を用いて形成されて
いる。そして、下側の両隅に外部のシールドケーブルに
接続する場合のシールド端子11a,11bが形成され
ている。シールド膜11の内側に第1〜第6の各薄膜抵
抗R1 〜R6 が形成されている。第1の薄膜抵抗R1 は
絶縁薄膜基板10の長尺方向に向かって形成され、それ
以外の第2〜第6の5個の各薄膜抵抗R2 〜R6は第1
の薄膜抵抗R1 に対して直交する方向に形成されてい
る。
A shield film 11 made of a good conductor metal such as [Ni Cr -Au] is formed on the periphery of the insulating thin film substrate 10 by using, for example, a photoetching method. Shield terminals 11a and 11b for connecting to an external shielded cable are formed at both lower corners. Inside the shield film 11, first to sixth thin film resistors R1 to R6 are formed. The first thin film resistor R1 is formed in the lengthwise direction of the insulating thin film substrate 10, and the other five second to sixth thin film resistors R2 to R6 are the first thin film resistor R1.
Is formed in a direction orthogonal to the thin film resistor R1.

【0026】各薄膜抵抗R1 〜R6 は例えば前述した図
7(b)に示すように、薄膜抵抗内部にその長尺方向に
短冊状に多数の線が配線されている。長尺方向に歪が発
生すると、その抵抗値Rが大きく変化するが、短尺方向
に歪が発生した場合は抵抗値Rはほとんど変化しない。
すなわち、各薄膜抵抗R1〜R6 において、長尺方向が
歪検出方向となる。
Each thin film resistor R1 to R6 is provided with a number of strip-shaped wires in its longitudinal direction inside the thin film resistor as shown in FIG. 7B, for example. When strain occurs in the long direction, the resistance value R changes greatly, but when strain occurs in the short direction, the resistance value R hardly changes.
That is, in each of the thin film resistors R1 to R6, the longitudinal direction is the strain detection direction.

【0027】前記6つの薄膜抵抗R1 〜R6 のうちの第
1の薄膜抵抗R1 ,第3の薄膜抵抗R3 および第6の薄
膜抵抗R6 はアモルファスシリコン半導体をプラズマC
VD法の一種であるグロー放電法を用いて薄膜絶縁基板
10上に堆積したアモルファスシリコン半導体薄膜であ
る。そして、このアモルファスシリコン半導体薄膜で形
成された第1,第3,第6の薄膜抵抗R1 ,R3 ,R6
のゲージ率Gは20〜30の非常に高い値である。ちな
みに、図7,図8で示したCu −Ni 箔に代表される従
来の歪ゲージのゲージ率Gは2〜4程度の値である。
Of the six thin film resistors R1 to R6, the first thin film resistor R1, the third thin film resistor R3, and the sixth thin film resistor R6 are made of an amorphous silicon semiconductor plasma C
It is an amorphous silicon semiconductor thin film deposited on the thin film insulating substrate 10 by using a glow discharge method which is a kind of VD method. Then, the first, third, and sixth thin film resistors R1, R3, R6 formed of this amorphous silicon semiconductor thin film.
The gauge factor G of is a very high value of 20 to 30. Incidentally, the gauge ratio G of the conventional strain gauge represented by the Cu-Ni foil shown in FIGS. 7 and 8 is about 2 to 4.

【0028】また、このアモルファスシリコン半導体薄
膜で形成された第1,第3,第6のの薄膜抵抗R1 ,R
3 ,R6 の温度係数Kは−500 〜−3000ppmの非常に
高い値である。ちなみに、前述した従来の歪ゲージの温
度係数Kは−100 ppm程度の値である。
Further, the first, third and sixth thin film resistors R1 and R formed of the amorphous silicon semiconductor thin film.
The temperature coefficient K of 3 and R6 is a very high value of -500 to -3000 ppm. Incidentally, the temperature coefficient K of the above-mentioned conventional strain gauge is a value of about -100 ppm.

【0029】このように、第1,第3,第6の薄膜抵抗
R1 ,R3 ,R6 は高いゲージ率Gと高い温度係数Kと
を有する。
Thus, the first, third and sixth thin film resistors R1, R3 and R6 have a high gauge factor G and a high temperature coefficient K.

【0030】これに対して、他の第2,第4,第5の各
薄膜抵抗R2 ,R4 ,R5 は、例えは、[Ta2 N]等
の金属を前述と同様にグロー放電法を用いて薄膜絶縁基
板10上に堆積して構成されている。そして、この各薄
膜抵抗R2 ,R4 ,R6 のゲージ率Gはほぼ0の値であ
り、温度係数Kは−100 ppm程度の値である。
On the other hand, the other second, fourth and fifth thin film resistors R2, R4 and R5 are made of metal such as [Ta 2 N] by the glow discharge method as described above. And is deposited on the thin film insulating substrate 10. The gauge factor G of each of the thin film resistors R2, R4 and R6 has a value of almost 0, and the temperature coefficient K has a value of about -100 ppm.

【0031】したがって、第1,第3,第6の薄膜抵抗
R1 ,R3 R6 のゲージ率Gおよび温度係数Kは、他の
第2,第4,第5の各薄膜抵抗R2 ,R4 ,R5 のゲー
ジ率Gおよび温度係数Kに比較して桁違いに高い値であ
る。
Therefore, the gauge factor G and the temperature coefficient K of the first, third and sixth thin film resistors R1, R3 R6 are the same as those of the other second, fourth and fifth thin film resistors R2, R4, R5. It is an order of magnitude higher than the gauge factor G and the temperature coefficient K.

【0032】そして、第1の薄膜抵抗R1 と第2の薄膜
抵抗R2 とを[Ni Cr −Au ]等の金属薄膜14で直
列接続した直列回路と、第3の薄膜抵抗R3 と第4の薄
膜抵抗R4 とを金属薄膜14で直列接続した直列回路と
が並列接続されて、図2の等価回路で示すように、第1
のホイートストンブリッジ回路15aが構成される。さ
らに、前記第3の薄膜抵抗R3 と第4の薄膜抵抗R4 と
の直列回路と、第5の薄膜抵抗R5 と第6の薄膜抵抗R
6 とを金属薄膜14で直列接続した直列回路とが並列接
続されて第2のホイートストンブリッジ回路15bが構
成される。
Then, a series circuit in which the first thin film resistor R1 and the second thin film resistor R2 are connected in series by a metal thin film 14 such as [Ni Cr -Au], a third thin film resistor R3 and a fourth thin film resistor A series circuit in which the resistor R4 and the metal thin film 14 are connected in series is connected in parallel, and as shown in the equivalent circuit of FIG.
Of the Wheatstone bridge circuit 15a. Furthermore, a series circuit of the third thin film resistor R3 and the fourth thin film resistor R4, a fifth thin film resistor R5 and a sixth thin film resistor R5.
A second Wheatstone bridge circuit 15b is formed by connecting in parallel a series circuit in which 6 and 6 are connected in series by the metal thin film 14.

【0033】そして、各直列回路の各中点からそれぞれ
出力端子12a,12b,12cが同じく金属薄膜14
で導出されている。また、第1,第2のホイートストン
ブリッジ回路15a,15bの両端から接地端子13a
および電源端子13bが導出されている。
Then, the output terminals 12a, 12b, 12c are the same as the metal thin film 14 from the respective midpoints of the series circuits.
Has been derived in. In addition, the ground terminals 13a are connected from both ends of the first and second Wheatstone bridge circuits 15a and 15b.
And the power supply terminal 13b is led out.

【0034】図3は、この歪・温度複合センサを用いて
歪εおよび温度Tを測定する場合の回路図である。第1
のホイートストンブリッジ回路15aの各出力端子12
a,12b相互間の電圧を増幅器16aで増幅して歪検
出信号aとして取出す。また、第2のホイートストンブ
リッジ回路15bの各出力端子12b,12c相互間の
電圧を増幅器16bで増幅して温度検出信号bとして取
出す。
FIG. 3 is a circuit diagram when the strain ε and the temperature T are measured using this strain / temperature composite sensor. First
Output terminals 12 of the Wheatstone bridge circuit 15a
The voltage between a and 12b is amplified by the amplifier 16a and taken out as the distortion detection signal a. The voltage between the output terminals 12b and 12c of the second Wheatstone bridge circuit 15b is amplified by the amplifier 16b and taken out as the temperature detection signal b.

【0035】次にこのように構成された歪・温度複合セ
ンサの動作を説明する。
Next, the operation of the strain / temperature composite sensor thus configured will be described.

【0036】先ず、被測定体の歪発生方向に第1の薄膜
抵抗R1 の歪検出方向(長尺方向)が一致するようにこ
の歪・温度複合センサを被測定体表面に例えば樹脂等の
接着剤を用いて貼付ける。そして、図3に示すように、
各出力端子12a〜12cに増幅器16a,16bを接
続する。また、接地端子13aと電源端子13bとの間
に直流基準電圧Eを印加する。
First, this composite strain / temperature sensor is bonded to the surface of the object to be measured such that the strain detection direction (long direction) of the first thin film resistor R1 coincides with the direction of strain generation of the object to be measured. Apply using a drug. Then, as shown in FIG.
Amplifiers 16a and 16b are connected to the output terminals 12a to 12c. Further, the DC reference voltage E is applied between the ground terminal 13a and the power supply terminal 13b.

【0037】なお、被測定体に歪が発生していない状態
でかつ例えば室温20℃等の基準温度において、各薄膜
抵抗R1 〜R6 の抵抗値が一致するように予め設定され
ている。したがって、この状態においては、各中点に接
続された各出力端子12a〜12cの電圧Va ,Vb ,
Vc はそれぞれ等しい。
It is to be noted that the thin film resistors R1 to R6 are preset to have the same resistance value in a state where no strain is generated in the object to be measured and at a reference temperature such as room temperature of 20.degree. Therefore, in this state, the voltages Va, Vb of the output terminals 12a-12c connected to the respective midpoints,
Vc is equal to each other.

【0038】そして、被測定体に前述した方向に歪εが
発生し、かつ温度Tが20℃の基準温度からずれたとす
る。
It is assumed that the strain ε is generated in the measured object in the above-mentioned direction and the temperature T deviates from the reference temperature of 20 ° C.

【0039】この場合、第1の薄膜抵抗R1 は歪εおよ
び温度Tに応じて抵抗値が大きく変化する。また、第
3,第6の薄膜抵抗R3 ,R6 は温度Tに応じて抵抗値
が変化するが、歪方向と直交する方向に形成されている
ので、歪εによる抵抗変化は少ない。
In this case, the resistance value of the first thin film resistor R1 greatly changes according to the strain ε and the temperature T. The resistance values of the third and sixth thin film resistors R3 and R6 change according to the temperature T, but since they are formed in the direction orthogonal to the strain direction, the resistance change due to the strain ε is small.

【0040】なお、他の薄膜抵抗R2 ,R4 ,R5 は歪
方向と直交する方向に形成されており、かつゲーシ率G
が小さいので、歪εによる抵抗変化は第3の薄膜抵抗R
3 に比較してさらに少ない。また、これらの薄膜抵抗R
2 ,R4 ,R5 の抵抗値は温度Tに応じて変化するが、
温度係数Kが小さいので、その変化量は第3,第6のの
薄膜抵抗R3 ,R6 に比較して少ない。
The other thin-film resistors R2, R4, R5 are formed in the direction orthogonal to the strain direction, and the Geshy ratio G
Is small, the resistance change due to strain ε is the third thin film resistance R
Even less compared to 3. Also, these thin film resistors R
Although the resistance values of 2, R4 and R5 change according to the temperature T,
Since the temperature coefficient K is small, the amount of change is smaller than that of the third and sixth thin film resistors R3 and R6.

【0041】第1のホイートストンブリッジ回路15a
における第1の薄膜抵抗R1 と第3の薄膜抵抗R3 は温
度Tに対して同一の抵抗変化を示し、かつ第2の薄膜抵
抗R2 と第4の薄膜抵抗R4 は温度Tに対して同一の抵
抗変化を示すので、出力端子12a,12b間の電圧
(Va −Vb )からなる出力信号には、それらの抵抗変
化分が互いに相殺されて、温度成分が含まれない。ま
た、歪εに対しては第1の薄膜抵抗R1 のみに大きな抵
抗変化が生じる。したがって、出力信号は歪εに応じた
値に変化する。よって、この出力信号が増幅器16aで
増幅されて歪検出信号aとなる。
First Wheatstone bridge circuit 15a
The first thin film resistor R1 and the third thin film resistor R3 exhibit the same resistance change with respect to the temperature T, and the second thin film resistor R2 and the fourth thin film resistor R4 have the same resistance with respect to the temperature T. Since there is a change, the output signals consisting of the voltage (Va-Vb) between the output terminals 12a and 12b cancel each other out of their resistance changes and do not contain a temperature component. Further, with respect to the strain ε, a large resistance change occurs only in the first thin film resistor R1. Therefore, the output signal changes to a value according to the distortion ε. Therefore, this output signal is amplified by the amplifier 16a and becomes the distortion detection signal a.

【0042】一方、第2のホイートストンブリッジ回路
15bにおける第3〜第6の各薄膜抵抗R3 〜R6 はそ
れぞれ歪方向と直角に形成されているので、歪εに起因
する抵抗変化は非常に少なく、かつ同程度に影響される
と見なすことが可能である。したがって、出力端子12
b,12c間の電圧(Vb−Vc )からなる出力信号に
は、それらの抵抗変化分が互いに相殺されて、歪成分が
含まれないと見なすことが可能である。また、温度Tに
対しては第3,第6の薄膜抵抗R3 ,R6 に大きな抵抗
変化が生じる。したがって、出力信号は温度Tに応じた
値に変化する。よって、この出力信号を増幅器16bで
増幅した信号が温度検出信号bとなる。
On the other hand, since the third to sixth thin film resistors R3 to R6 in the second Wheatstone bridge circuit 15b are formed at right angles to the strain direction, the resistance change due to the strain ε is very small, And can be considered to be affected to the same degree. Therefore, the output terminal 12
It can be considered that the output signals composed of the voltage (Vb-Vc) between b and 12c do not include the distortion component because their resistance changes cancel each other out. Further, with respect to the temperature T, a large resistance change occurs in the third and sixth thin film resistors R3 and R6. Therefore, the output signal changes to a value according to the temperature T. Therefore, the signal obtained by amplifying this output signal by the amplifier 16b becomes the temperature detection signal b.

【0043】なお、第3,第6の薄膜抵抗R3 ,R6 は
ホイートストンブリッジ回路15bにおける対角線位置
に挿入されているので、温度検出信号bの温度変化に対
する検出感度は、第3,第6の薄膜抵抗R3 ,R6のう
ちのいずれか一方の抵抗のみが前述した高い温度係数K
を有する場合に比較して2倍となる。
Since the third and sixth thin film resistors R3 and R6 are inserted in diagonal positions in the Wheatstone bridge circuit 15b, the detection sensitivity to the temperature change of the temperature detection signal b is the third and sixth thin film resistors. Only one of the resistors R3 and R6 has the above-mentioned high temperature coefficient K.
Is doubled as compared with the case with.

【0044】このように、一つの歪・温度複合センサで
もって、歪εと温度Tとを個別に測定することが可能で
ある。
As described above, the strain ε and the temperature T can be individually measured with one strain / temperature composite sensor.

【0045】図4は例えば荷重試験装置でもって被測定
体に応力を印加して、歪εと各出力端子12a,12b
間の出力電圧V01(=Va −Vb)との関係を示す実測
図である。歪を上昇させていった場合と、歪を減少させ
ていた場合における各出力値が区別して表示されてい
る。この実測図でも理解できるように、発生歪に対して
非常に高い直線性を有し、かつヒステリシスもほとんど
発生しない出力特性が得られることが理解できる。
FIG. 4 shows the strain ε and the output terminals 12a and 12b when stress is applied to the object to be measured with a load tester, for example.
It is an actual measurement figure which shows the relationship with the output voltage V01 (= Va-Vb) between. Each output value is displayed separately when the distortion is increased and when the distortion is decreased. As can be understood from this actual measurement diagram, it can be understood that an output characteristic having extremely high linearity with respect to generated distortion and hardly generating hysteresis can be obtained.

【0046】さらに、図5は例えば冷凍加熱試験装置で
もって被測定体の周囲温度を−40℃から+100℃ま
で変化させた場合における各温度Tと各出力端子12
b,12c間の出力電圧V02(=Vb −Vc )との関係
を示す実測図である。温度を上昇させていった場合と、
温度を低下させていた場合における各出力値が区別して
表示されている。この実測図でも理解できるように、温
度に対してヒステリシスがほとんど発生しない出力特性
が得られる。また、出力端子12a,12b間の出力電
圧V03(=Va−Vb)は、温度によってほとんど変化
しない。したがって、温度補正された出力特性が得られ
る。
Further, FIG. 5 shows each temperature T and each output terminal 12 when the ambient temperature of the object to be measured is changed from -40.degree. C. to + 100.degree.
It is an actual measurement figure which shows the relationship with the output voltage V02 (= Vb-Vc) between b and 12c. When the temperature is raised,
Each output value when the temperature is lowered is displayed separately. As can be understood from this actual measurement diagram, an output characteristic in which hysteresis hardly occurs with respect to temperature is obtained. The output voltage V03 (= Va-Vb) between the output terminals 12a and 12b hardly changes depending on the temperature. Therefore, temperature-corrected output characteristics can be obtained.

【0047】このように構成された歪・温度複合センサ
であれば、6枚の薄膜抵抗R1 〜R6 が1枚の絶縁薄膜
基板10上に例えばプラズマCDV法等の半導体製造手
法を用いて形成されているので、この歪・温度複合セン
サを一つの部品として取扱うことができる。したがっ
て、この歪・温度複合センサを被測定体表面に1回の貼
付け操作で装着できる。また、歪の発生方向と歪・温度
複合センサの長尺方向とを一致させて貼付けるのみでよ
い。その結果、図7,図8に示した従来センサのよう
に、各歪ゲージをそれぞれ個別に被測定体の表面に方向
を調整しながら貼付けていき、その後ブリッジに接続す
る場合に比較して、貼付け作業能率が大幅に向上する。
In the strain / temperature composite sensor thus constructed, six thin film resistors R1 to R6 are formed on one insulating thin film substrate 10 using a semiconductor manufacturing method such as the plasma CDV method. Therefore, the strain / temperature composite sensor can be handled as one component. Therefore, this strain / temperature composite sensor can be attached to the surface of the object to be measured with a single sticking operation. Further, it suffices that the strain generation direction and the long direction of the strain / temperature composite sensor be aligned and attached. As a result, as in the conventional sensor shown in FIGS. 7 and 8, each strain gauge is individually attached to the surface of the object to be measured while adjusting the direction, and then compared to the case of connecting to the bridge, The efficiency of pasting work is greatly improved.

【0048】また、歪・温度複合センサ全体の形状を従
来センサに比較して大幅に小型化可能である。例えば実
施例センサにおいては、5mm角以下にできる。したがっ
て、狭い場所や小さい部品においても確実に該当位置に
おける正確な歪εと温度Tとを精度よく測定できる。
Further, the overall shape of the strain / temperature composite sensor can be made significantly smaller than that of the conventional sensor. For example, in the sensor of the embodiment, it can be 5 mm square or less. Therefore, the accurate strain ε and the temperature T at the corresponding position can be reliably measured with high accuracy even in a narrow space or a small part.

【0049】また、歪測定のみならず、温度測定におい
てもホイートストンブリッジ回路を用いて歪,雑音等の
温度以外の要因を温度検出信号bから除去している。ま
た、従来の歪ゲージに比較して格段に高い温度係数Kを
有した薄膜抵抗R3 を使用しているので、温度測定精度
を歪測定精度とほぼ同程度まで上昇できる。
In addition to the strain measurement, the Wheatstone bridge circuit is used to remove factors other than temperature, such as strain and noise, from the temperature detection signal b not only in the strain measurement. Further, since the thin film resistor R3 having a temperature coefficient K much higher than that of the conventional strain gauge is used, the temperature measurement accuracy can be increased to almost the same level as the strain measurement accuracy.

【0050】さらに、ゲージ率Gと温度係数Kとが両方
とも従来の歪ゲージに比較して格段に高い値を有する例
えばアモルファスシリコン半導体薄膜を使用することに
よって、歪測定と温度測定とを1種類の薄膜抵抗でもっ
て両方とも正確に測定できる。したがって、それぞれ専
用の検出素子を用いた図8の従来センサに比較して製造
工程が簡素化できる。また、製造費が低減される。
Furthermore, by using, for example, an amorphous silicon semiconductor thin film having both a gauge factor G and a temperature coefficient K that are significantly higher than those of conventional strain gauges, one type of strain measurement and temperature measurement is performed. Both can be accurately measured with the thin film resistance of. Therefore, the manufacturing process can be simplified as compared with the conventional sensor of FIG. 8 that uses dedicated detection elements. In addition, manufacturing costs are reduced.

【0051】また、温度Tが歪εと独立して検出できる
ので、例えばゲージ率Gが温度により変化する場合に
は、その温度特性を補正することができ、歪測定精度を
さらに向上できる。
Further, since the temperature T can be detected independently of the strain ε, when the gauge factor G changes with temperature, for example, the temperature characteristic can be corrected and the strain measurement accuracy can be further improved.

【0052】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば図6に示すように、第2のホイ
ートストンブリッジ回路15bを構成する第6の薄膜抵
抗R6 を第2,第4,第5の薄膜抵抗R2 ,R4 ,R5
と同一の低いゲージ率Gおよび低い温度係数Kを有した
通常の[Ta2 N]等の金属で形成することも可能であ
る。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, as shown in FIG. 6, the sixth thin film resistor R6 forming the second Wheatstone bridge circuit 15b is replaced by the second, fourth and fifth thin film resistors R2, R4, R5.
It is also possible to form it with a metal such as normal [Ta 2 N] having a low gauge factor G and a low temperature coefficient K which are the same as the above.

【0053】この場合には、温度Tが変化すると、第2
のホイートストンブリッジ回路15bにおいて、第3の
薄膜抵抗R3 の抵抗値のみが大きく変化するので、温度
に対応した温度検出信号bが得られるが、検出感度は前
述した実施例に比較して低くなる。
In this case, when the temperature T changes, the second
In the Wheatstone bridge circuit 15b, since only the resistance value of the third thin film resistor R3 changes greatly, the temperature detection signal b corresponding to the temperature can be obtained, but the detection sensitivity is lower than that of the above-described embodiment.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上説明したように本発明の歪・温度複
合センサによれば、一つの絶縁薄膜基板上に高いゲージ
率と高い温度係数とを有した複数の同一薄膜抵抗を用い
て歪検出用と温度検出用との2つのホイートストンブリ
ッジ回路を形成している。したがって。歪検出と温度検
出とを同程度の高い精度で正確に測定できる。
As described above, according to the strain / temperature composite sensor of the present invention, strain detection is performed by using a plurality of identical thin film resistors having a high gauge factor and a high temperature coefficient on one insulating thin film substrate. And two Wheatstone bridge circuits for temperature detection and temperature detection are formed. Therefore. The strain detection and the temperature detection can be accurately measured with the same high accuracy.

【0055】また、センサ全体が一つの電子部品である
ので、センサ全体を小型に形成でき、被測定体における
狭い位置の歪および温度が測定可能となる。
Further, since the entire sensor is one electronic component, the entire sensor can be formed in a small size, and the strain and temperature at a narrow position on the measured object can be measured.

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

【図1】 本発明の一実施例に係わる歪・温度複合セン
サの概略構成を示す上面図、
FIG. 1 is a top view showing a schematic configuration of a strain / temperature composite sensor according to an embodiment of the present invention,

【図2】 同実施例センサの等価回路図、FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the sensor according to the embodiment,

【図3】 同実施例センサに増幅器を接続した回路図、FIG. 3 is a circuit diagram in which an amplifier is connected to the sensor of the embodiment,

【図4】 同実施例センサにおける歪−出力特性図、FIG. 4 is a distortion-output characteristic diagram of the sensor according to the first embodiment,

【図5】 同実施例センサにおける温度−出力特性図、FIG. 5 is a temperature-output characteristic diagram of the sensor according to the embodiment,

【図6】 本発明の他の実施例に係わる歪・温度複合セ
ンサの等価回路図、
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a strain / temperature composite sensor according to another embodiment of the present invention,

【図7】 従来の歪・温度センサを示す回路図、FIG. 7 is a circuit diagram showing a conventional strain / temperature sensor,

【図8】 従来の他の歪・温度センサを示す回路図、FIG. 8 is a circuit diagram showing another conventional strain / temperature sensor,

【符号の説明】 10…絶縁薄膜基板、12a〜12c…出力端子、13
a…接地端子、13b…電源端子、14…金属薄膜、1
5a…第1のホイートストンブリッジ回路、15b…第
2のホーシストンブリッジ回路、16a,16b…増幅
器、R1 〜R6…第1〜第6の薄膜抵抗。
[Explanation of reference numerals] 10 ... Insulating thin film substrate, 12a to 12c ... Output terminal, 13
a ... Ground terminal, 13b ... Power supply terminal, 14 ... Metal thin film, 1
5a ... 1st Wheatstone bridge circuit, 15b ... 2nd Hoiststone bridge circuit, 16a, 16b ... Amplifier, R1-R6 ... 1st-6th thin film resistance.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 昭 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 (72)発明者 関 恭一郎 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Akira Ikeda 5-1027 Minamiazabu, Minato-ku, Tokyo Anritsu Co., Ltd. (72) Inventor Kyoichiro Seki 5-1027 Minamiazabu, Minato-ku, Tokyo Anritsu Within the corporation

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 絶縁薄膜基板(10)と、この絶縁薄膜基板
上に歪検出方向が歪発生方向に一致するように形成され
た第1の薄膜抵抗 (R1)と、前記絶縁薄膜基板上に歪検
出方向が前記第1の薄膜抗抵と直交するように形成され
た第2,第3,第4,第5,第6の薄膜抗抵 (R2 〜R
6)と、前記第1,2の薄膜抵抗を直列接続してなる直列
回路と前記第3,4の薄膜抵抗の直列回路とが並列接続
され、各直列回路の中点相互間から第1の出力信号が導
出される第1のホイートストンブリッジ回路(15a) と、
前記第3,4の薄膜抵抗の直列回路と前記第5,6の薄
膜抵抗の直列回路とが並列接続され、各直列回路の中点
相互間から第2の出力信号が導出される第2のホイート
ストンブリッジ回路(15b) とで構成され、 少なくとも前記第1,第3の各薄膜抗抵のゲージ率およ
び温度係数が前記第2,第4,第5の各薄膜抗抵のゲー
ジ率および温度係数より大きい金属材料で構成され、前
記第1の出力信号を歪検出信号(a) として取出し、前記
第2の出力信号を温度検出信号(b) として取出すことを
特徴とする歪・温度複合センサ。
Claim: What is claimed is: 1. An insulating thin film substrate (10), and a first thin film resistor (R1) formed on the insulating thin film substrate so that a strain detecting direction coincides with a strain generating direction. Second, third, fourth, fifth and sixth thin film resistances (R2 to R) formed on the insulating thin film substrate so that the strain detection direction is orthogonal to the first thin film resistance.
6), a series circuit formed by connecting the first and second thin film resistors in series, and a series circuit of the third and fourth thin film resistors are connected in parallel. A first Wheatstone bridge circuit (15a) from which the output signal is derived,
A series circuit of the third and fourth thin film resistors and a series circuit of the fifth and sixth thin film resistors are connected in parallel, and a second output signal is derived from between the midpoints of the series circuits. A Wheatstone bridge circuit (15b), wherein the gauge factor and temperature coefficient of at least the first and third thin film resistances are the gauge rate and temperature coefficient of the second, fourth and fifth thin film resistances, respectively. A strain / temperature composite sensor which is made of a larger metal material and which takes out the first output signal as a strain detection signal (a) and takes out the second output signal as a temperature detection signal (b).
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11211586A (en) * 1998-01-27 1999-08-06 Matsushita Electric Works Ltd Semiconductor device
JP2001221696A (en) * 2000-02-10 2001-08-17 Res Inst Electric Magnetic Alloys Temperature-sensitive and strain-sensitive composite sensor
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JP2014035239A (en) * 2012-08-08 2014-02-24 Research Institute For Electromagnetic Materials Strain sensor

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