JPH06148015A

JPH06148015A - ブリッジ式センサ

Info

Publication number: JPH06148015A
Application number: JP29554292A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Nishida; 英昭西田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1992-11-05
Publication date: 1994-05-27

Abstract

(57)【要約】【目的】歪検出用の拡散抵抗の温度変化及び経時変化
の影響を抑制する。【構成】厚膜抵抗Ｒ_ｔと直列に抵抗Ｒ_５を挿入する。
Ｒ_５は、歪検出用の抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４と同様に、半導体基
板上に不純物拡散により形成する。抵抗Ｒ_５の値は、抵
抗Ｒ_ｔの値に対し十分大きくする。抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の値
が温度又は経時変化したときに生じるブリッジ回路３６
の出力の変化が、抵抗Ｒ_５によって抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加速度等の物理量を抵
抗値の変化により検出するセンサに関し、特に検出に用
いる抵抗をブリッジ接続したブリッジ式センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、加速度等の物理量を検出する
センサとして半導体基板を用いたものが知られている。
この種のセンサとしては、ピエゾ抵抗素子をブリッジ接
続した構成が知られている（特開昭５９−１９５１１５
号等参照）。ピエゾ抵抗素子はその歪により抵抗値が変
化する抵抗素子であり、例えば半導体基板上に不純物拡
散により形成した拡散抵抗がこれに該当する。半導体基
板上には他の半導体素子を併せて形成でき、また、ハイ
ブリッドＩＣ上に搭載することも可能であることから、
このようなセンサは、加速度等の検出に係る各種機器の
小型化・集積化に有効である。

【０００３】加速度等の物理量を検出する目的で拡散抵
抗を形成する場合、その形成部位は、半導体基板上の脆
弱部とする。すなわち、加速度等が加わった場合に歪む
よう、半導体基板上に脆弱部を形成し、この脆弱部に拡
散抵抗を形成するようにすれば、半導体基板に加わる加
速度等を、拡散抵抗の抵抗値変化として検出できる。な
お、このような構造においては、カンチレバーが変位す
る方向が所定の方向に制限されるため、脆弱部の構造設
定により、加速度等の検出方向が定まる。前掲の特開昭
５９−１９５１１５号は半導体基板と垂直な方向を検出
方向とする構成を開示しており、また、特開昭６２−２
３２１７１号や特開平２−９５２６６号に開示されてい
る構成は、半導体基板表面と平行な方向を検出方向とし
ている。

【０００４】拡散抵抗が形成される脆弱部は、例えば、
半導体基板をエッチングして得られる薄肉部として実現
できる。通常は、加速度等により変位する重り（カンチ
レバー）を設けた構造が用いられる。

【０００５】また、拡散抵抗等のピエゾ抵抗素子をブリ
ッジ接続する場合、加速度等が加わっていない状態で平
衡するよう、各辺の抵抗値を調整する必要がある。この
ようにすることにより、加速度等を示す信号がブリッジ
回路の不平衡電圧として得られる。抵抗値の調整は、例
えば、ブリッジ回路を構成するピエゾ抵抗素子と並列に
当該抵抗素子より十分大きな抵抗値を有する調整抵抗を
接続し、この抵抗の抵抗値を初期調整する、といった手
段で行うことができる。上記センサをハイブリッドＩＣ
上に搭載する場合、調整抵抗としては、厚膜抵抗を用い
ることができる。厚膜抵抗を用いた場合、上述の調整を
トリミングによって行うことができる。

【０００６】図７及び図８には、一従来例に係るブリッ
ジ式半導体加速度センサの構成が示されている。この従
来例は、半導体基板上の拡散抵抗を歪検出用抵抗素子と
して使用すると共に、当該拡散抵抗をブリッジ接続し、
さらに当該半導体基板をハイブリッドＩＣ基板上に搭載
すると共に厚膜抵抗を調整抵抗として用いた構成であ
る。

【０００７】まず、図７には、この従来例の回路構成が
示されている。ブリッジ抵抗１０を構成する抵抗Ｒ_１〜
Ｒ_４は、図８に示される半導体基板１２上に不純物拡散
等により形成されたピエゾ抵抗素子である。半導体基板
１２が搭載されるハイブリッドＩＣ基板１４上には、抵
抗Ｒ４に並列接続される厚膜抵抗Ｒ_ｔが形成されてい
る。ハイブリッドＩＣ基板１４上には、さらにパッド１
６及び１８並びに基板配線２０が形成されており、厚膜
抵抗Ｒ_ｔは基板配線２０を介してパッド１６及び１８に
接続されている。一方、半導体基板１２上には、チップ
配線２２及びパッド２４が形成されており、ブリッジ抵
抗１０はチップ配線２２によりパッド２４に接続されて
いる。ブリッジ抵抗１０を構成する抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４相互
の接続は、図示しない拡散抵抗配線により行われ、抵抗
Ｒ_４と厚膜抵抗Ｒ_ｔの接続は、パッド１６及び１８とパ
ッド２４の選択接続により実現される。

【０００８】図８に示されるように、半導体基板１２上
には「コ」字状のスリット２６が形成されている。スリ
ット２６は半導体基板１２を貫通しており、これにより
半導体基板１２の中央にカンチレバー２８が形成され
る。カンチレバー２８を支持する部位は、図示しない
が、エッチング等により他より薄肉（基板１２厚み方
向）とされており、これにより半導体基板１２上に脆弱
部が形成されている。ブリッジ抵抗１０は、半導体基板
１２上の脆弱部に形成されている。

【０００９】このような脆弱部が形成されているため、
加速度に応じたカンチレバー２８の変位方向は、半導体
基板１２の表面と垂直な方向、すなわち紙面貫通方向と
なる。カンチレバー２８に紙面貫通方向の加速度が加わ
ると、カンチレバー２８はその質量により変位し、脆弱
部に歪が発生する。この歪は、脆弱部に形成されている
抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の抵抗値を変化させる。半導体基板１２
上において抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４が適宜配置されていれば、ブ
リッジ抵抗１０から加速度を示す不平衡電圧が得られ
る。言い換えれば、この図に示されるセンサは、紙面貫
通方向の加速度を検出するセンサとして構成されてい
る。

【００１０】このような動作を可能にするためには、加
速度が加わっておらず従って歪が発生していない状態で
ブリッジ抵抗１０が平衡し、加速度が加わっており従っ
て歪が発生している状態でブリッジ抵抗１０が不平衡状
態となるよう、抵抗値設定及び配置形成を行う必要があ
る。すなわち、歪が発生していない状態でブリッジ抵抗
１０の対向する辺の抵抗値の積が互いに等しくなるよ
う、抵抗値設定を行い、歪が発生している状態で当該積
が互いに相補的に変化するよう、半導体基板１２上にお
いて抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４を配置形成する必要がある。

【００１１】一方で、抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の抵抗値は製造時
にばらつく。従って、上述したように歪が発生していな
い状態でブリッジ抵抗１０が平衡するようにするために
は、ブリッジ抵抗１０の各辺の抵抗値に初期調整を実施
する必要がある。厚膜抵抗Ｒ_ｔは、そのための抵抗であ
る。

【００１２】厚膜抵抗Ｒ_ｔの抵抗値は、並列接続の対象
たる抵抗Ｒ_４に比べ十分に大きく、かつ、歪が生じてい
ない状態で平衡条件Ｒ_１Ｒ_３＝Ｒ_２（Ｒ_４//Ｒ_ｔ）が成
立するよう、トリミングによって初期調整する。例えば
各抵抗の狙い値をＲ_１＝Ｒ_０Ｒ_２＝Ｒ_０Ｒ_３＝Ｒ_０Ｒ_４＝１．１Ｒ_０Ｒ_ｔ＝１１Ｒ_０ただし、Ｒ_０：所定値 … （１）としておき、常温Ｔ_０（例えば２５℃）で厚膜抵抗Ｒ_ｔ
のトリミングを行うようにすればよい。このようにする
と、点ｃから点ｄに向け電流Ｉ_０を供給することによ
り、加速度印加時に点ａと点ｂとの間に加速度を示す不
平衡電圧が発生する。なお、点ａは抵抗Ｒ_４とＲ_３の接
続点、点ｂは抵抗Ｒ_１とＲ_２の接続点、点ｃは抵抗Ｒ_１
とＲ_４の接続点、点ｄは抵抗Ｒ_２とＲ_３の接続点であ
る。

【００１３】この不平衡電圧、すなわち点ａと点ｂとの
間に発生する電圧ΔＶ_ａｂは、 ΔＶ_ａｂ＝Ｉ_ａ・Ｒ_４//Ｒ_ｔ−Ｉ_ｂ・Ｒ_１ … （２）と表すことができる。ここに、Ｉ_ａは点ｃから点ａに流
れる電流を、Ｉ_ｂは点ｃから点ｂに流れる電流を、それ
ぞれ示している。電流Ｉ_ａ及びＩ_ｂは、一般的には電流
Ｉ_０を分流する次の式で表される。

【００１４】Ｉ_ａ＝Ｉ_０・（Ｒ_１＋Ｒ_２）／（Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３＋Ｒ_４//Ｒ_ｔ）Ｉ_ｂ＝Ｉ_０・（Ｒ_３＋Ｒ_４//Ｒ_ｔ）／（Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３＋Ｒ_４//Ｒ_ｔ） … （３）抵抗Ｒ_ｔの調整が行われた時点、すなわち後述する抵抗
Ｒ_１〜Ｒ_４の経時変化や温度変化が生じていない時点で
は、加速度が加わっていなければ、Ｒ_１＝Ｒ_２＝Ｒ_３＝
Ｒ_４//Ｒ_ｔＲ１＝Ｒ_０である。これを式（３）に代入す
ると、Ｉ_ａ＝Ｉ_０・２Ｒ_０／４Ｒ_０＝０．５Ｉ_０Ｉ_ｂ＝Ｉ_０・２Ｒ０／４Ｒ０＝０．５Ｉ_０ … （４）となる。この状態における電圧ΔＶ_ａｂは、式（２）に
Ｒ_１＝Ｒ_４//Ｒ_ｔ及び式（４）を代入することにより得
られ、次のように表される。

【００１５】 ΔＶ_ａｂ＝０ … （５）従って、式（１）に示されるように各抵抗値を設計し、
抵抗Ｒｔを適宜トリミングすることにより、加速度が印
加されていない状態でブリッジ抵抗１０を平衡させるこ
とができる。逆に、加速度が印加されている状態では、
Ｒ_１＝Ｒ_２＝Ｒ_３＝Ｒ_４//Ｒ_ｔＲ１＝Ｒ_０が成り立たな
いから、式（４）が成り立たず、従って ΔＶ_ａｂ≠０ … （６）となる。

【００１６】図７に示される回路は、初期調整済みのブ
リッジ抵抗１０の他、定電流回路３０、ＤＣバイアスア
ンプ３２及び差動増幅回路３４から構成されている。定
電流回路３０は、ブリッジ抵抗１０に定電流Ｉ０を供給
する回路である。点ａは差動増幅回路３４の反転入力端
子に、点ｂは反転入力端子に、それぞれ接続されてい
る。差動増幅回路３４は、差電圧ΔＶ_ａｂ＝Ｖ_Ｉ（＋）
−Ｖ_Ｉ（−）を増幅する。ＤＣバイアスアンプ３２は、
ブリッジ抵抗１０が平衡している状態で出力Ｖ_ｏ _ｕｔが
Ｖ_ｓ＝Ｖ_ｃｃ／２となるよう差動増幅回路３４に対しＤ
Ｃバイアス値を設定する。ただし、Ｖ_ｃｃは電源電圧で
あり、当該電源電圧Ｖ_ｃｃが５［Ｖ］である場合にはＶ
_ｓは２．５［Ｖ］となる。差動増幅回路３４のゲインＡ
_ｖは、十分な感度が得られるよう設定する。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成を有する従来のセンサにおいては、拡散抵抗値
の温度依存性や経時変化により出力が変動してしまうと
いう問題点があった。

【００１８】まず、拡散抵抗値の温度変化の影響に関し
て図７及び図８の従来例を用いて説明する。常温Ｔ_０に
おいて厚膜抵抗Ｒ_ｔが初期調整されている場合、抵抗Ｒ
_１〜Ｒ_４及びＲ_ｔは次のように温度Ｔの関数で表され
る。

【００１９】Ｒ_１（Ｔ）＝Ｒ_１（Ｔ_０）・｛１＋ｋ_１（Ｔ−Ｔ_０）｝Ｒ_２（Ｔ）＝Ｒ_２（Ｔ_０）・｛１＋ｋ_２（Ｔ−Ｔ_０）｝Ｒ_３（Ｔ）＝Ｒ_３（Ｔ_０）・｛１＋ｋ_３（Ｔ−Ｔ_０）｝Ｒ_４（Ｔ）＝Ｒ_４（Ｔ_０）・｛１＋ｋ_４（Ｔ−Ｔ_０）｝Ｒ_ｔ（Ｔ）＝Ｒ_ｔ（Ｔ_０）・｛１＋ｋ_ｔ（Ｔ−Ｔ_０）｝ただし、ｋ_１〜ｋ_４：抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の温度係数ｋ_ｔ：抵抗Ｒ_ｔの温度係数 … （７）いま、同じ拡散抵抗として形成されていることから抵抗
Ｒ_１〜Ｒ_４の温度係数ｋ_１〜ｋ_４をｋ_１＝ｋ_２＝ｋ_３＝
ｋ_４＝ｋとおく。この条件及び前掲の式（１）により示
される抵抗値設計を式（７）に代入すると、次の式が得
られる。

【００２０】Ｒ_１（Ｔ）＝Ｒ_０・｛１＋ｋ（Ｔ−Ｔ_０）｝＝Ｒ_２（Ｔ）＝Ｒ_３（Ｔ）Ｒ_４（Ｔ）＝１．１Ｒ_１（Ｔ）Ｒ_ｔ（Ｔ）＝１１Ｒ_０・｛１＋ｋ_ｔ（Ｔ−Ｔ_０）｝ … （８）一般に、拡散抵抗の温度依存性は厚膜抵抗よりも顕著で
ある。例えば拡散抵抗の温度係数は２０００ｐｐｍ／℃
程度、厚膜抵抗の温度係数は１００ｐｐｍ／℃程度であ
り、拡散抵抗は厚膜抵抗に比べ温度係数が著しく大き
い。また、半導体加速度センサに要求される使用温度範
囲は、例えば−４０〜８５℃（常温２５℃）である。そ
こで、電流Ｉ_０が使用温度範囲内で一定であるとすると
ともに、ｋ＝２０００［ｐｐｍ／℃］、ｋ_ｔ＝１００
［ｐｐｍ／℃］、Ｔ_０＝２５［℃］、Ｔ＝−４０［℃］
を式（８）に代入する。すると、Ｒ_１（−４０）＝Ｒ_０・｛１＋０．００２（−４０−２５）｝＝０．８７Ｒ_０＝Ｒ_２（−４０）＝Ｒ_３（−４０）Ｒ_４（−４０）＝１．１Ｒ_１（−４０）＝０．９５７Ｒ_０Ｒ_ｔ（−４０）＝１１Ｒ_０・｛１＋０．０００１ｋ_ｔ（−４０−２５）｝＝１０．９２８５Ｒ_０ … （９）が得られ、さらにＲ_４（−４０）//Ｒ_ｔ（−４０）＝０．９５７・１０．９２８５／（０．９５７＋１０．９２８５）Ｒ_０＝０．８７９９Ｒ_０ … （１０）が得られる。式（９）及び（１０）を式（３）に代入す
ると、Ｉ_ａ（−４０）＝Ｉ_０・２・０．８７Ｒ_０／（３×０．８７Ｒ_０＋０．８７９９Ｒ_０）＝０．４９８６Ｉ_０Ｉ_ｂ（−４０）＝Ｉ_０・（０．８７Ｒ_０＋０．８７９９Ｒ_０）／（３×０．８７Ｒ_０＋０．８７９９Ｒ_０）＝０．５０１４Ｉ_０ … （１１）となる。従って、温度Ｔ＝−４０［℃］における電圧Δ
Ｖ_ａｂ（−４０）は、式（９）〜（１１）の値を式
（２）に代入することにより、次のように得られる。 ΔＶ_ａｂ（−４０）＝０．４９８６Ｉ_０・０．８７９９Ｒ_０ −０．５０１４Ｉ_０・０．８７Ｒ_０＝０．００２５Ｉ_０・Ｒ_０ … （１２）この式（１２）は、周囲温度Ｔが−４０℃になると、加
速度が加わっていなくても不平衡電圧として０．００２
５Ｉ_０×Ｒ_０が現れることを意味している。例えばＩ_０
×Ｒ_０＝４［Ｖ］であれば、 ΔＶ_ａｂ（−４０）＝０．０１［Ｖ］ … （１３）となる。

【００２１】後段に接続される差動増幅回路３４の増幅
度Ａ_ｖは、通常、十分な検出感度を得るべく１０００〜
２０００倍程度の大きな値に設定されている。そこで、
Ａ_ｖ＝１０００とすると、−４０℃における出力Ｖ
_ｏｕｔ（−４０）は、Ｖ_ｏｕｔ（−４０）＝１０００×０．０１［Ｖ］＝１０［Ｖ］ … （１４）なり、電源電圧Ｖ_ｃｃが５［Ｖ］であるような場合に
は、差動増幅回路３４が飽和してしまう。すなわち、抵
抗Ｒ_１〜Ｒ_４の温度係数が抵抗Ｒ_ｔのそれに比べ著しく
大きいため、常温時に抵抗Ｒ_ｔを調整してあっても、高
温又は低温の領域において不平衡電圧が生じ、後段の回
路の動作に支障が生じる。

【００２２】次に、従来の問題点のうち抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４
の経時変化について同様に図７及び図８の従来例を用い
て説明する。

【００２３】いま、調整時からある程度の時間が経過
し、その結果、常温での抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の値がｐ倍、抵
抗Ｒ_ｔの値がｐ_ｔ倍となったとする。経時変化後の値に
添字１を付して表すこととすると、経時変化後の抵抗Ｒ
_１〜Ｒ_４及び抵抗Ｒ_ｔ、すなわち抵抗Ｒ_１１〜Ｒ_４１及
び抵抗Ｒ_ｔ１の値は式（１）を変形して次のように表す
ことができる。ただし、下の式は、常温で加速度が加わ
っていない状態を考えている。

【００２４】Ｒ_１１＝ｐＲ_０＝Ｒ_２１＝Ｒ_３１Ｒ_４１＝１．１ｐＲ_０Ｒ_ｔ１＝１１ｐ_ｔＲ_０ … （１５）経時変化の代表的な値としてｐ＝１．１、ｐ_ｔ＝１．０
２を代入すると、Ｒ_１１＝１．１Ｒ_０＝Ｒ_２１＝Ｒ_３１Ｒ_４１＝１．２１Ｒ_０Ｒ_ｔ１＝１１．２２Ｒ_０ … （１６）となる。従って、Ｒ_４１//Ｒ_ｔ１がＲ_４１//Ｒ_ｔ１＝１．２１・１１．２２Ｒ_０／（１．２１＋１１．２２）＝１．０９２２Ｒ_０ … （１７）となるため、式（１６）及び（１７）を式（３）に代入
することにより、Ｉ_ａ１＝Ｉ_０・２・１．１Ｒ_０／（３×１．１Ｒ_０＋１．０９２２Ｒ_０）＝０．５００８８８Ｉ_０Ｉ_ｂ１＝Ｉ_０・（１．１Ｒ_０＋１．０９２２Ｒ_０）／（３×１．１Ｒ_０＋１．０９２２Ｒ_０）＝０．４９９１１２Ｉ_０ … （１８）となる。式（１６）〜（１８）を式（２）に代入する
と、 ΔＶ_ａｂ１＝０．５００８８８Ｉ_０・１．０９９２Ｒ_０ −０．４９９１１２Ｉ_０・１．１Ｒ_０＝０．００１９５Ｉ_０Ｒ_０ … （１９）となる。従って、増幅度Ａ_ｖを１０００、Ｉ_０Ｒ_０を４
［Ｖ］とすると、経時変化後の出力Ｖ_ｏｕｔ１は、Ｖ_ｏｕｔ１＝７．８［Ｖ］ … （２０）となる。これは、電源電圧Ｖ_ｃｃ＝５（Ｖ）である場
合、差動増幅回路３４は飽和することを意味する。すな
わち、経時変化により抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の値が変化する
と、常温でかつ加速度が加わっていなくても、ブリッジ
抵抗１０の出力に不平衡電圧が現れ、後段の回路の動作
に支障が生じる。

【００２５】本発明は、このような問題点を解決するこ
とを課題としてなされたものであり、温度変化や経時変
化の影響を低減することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、歪検出用抵抗とほぼ等しい温度係
数を有し、厚膜抵抗等の調整用抵抗と直列接続される温
度補償用抵抗を備えることを特徴とする。

【００２７】

【作用】本発明においては、調整用抵抗に温度補償用抵
抗が直列接続される。この温度補償用抵抗は、歪検出用
抵抗とほぼ等しい温度係数を有している。従って、温度
補償用抵抗の抵抗値を調整用抵抗の抵抗値に対し十分大
きく設定することにより、調整用抵抗と歪検出用抵抗の
温度係数の差によって生じていた不平衡電圧、すなわち
常温時や初期調整時に現れるオフセット電圧が低減する
こととなる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面に
基づき説明する。なお、図７乃至図８に示される従来例
と同様の構成には同一の符号を付し説明を省略する。

【００２９】図１には、本発明の一実施例に係るセンサ
の回路構成が示されている。本実施例の特徴とするとこ
ろは、厚膜抵抗Ｒ_ｔと抵抗Ｒ_５の直列接続体が、ブリッ
ジ抵抗３６の抵抗Ｒ_４に並列接続される点である。この
抵抗Ｒ_５は拡散抵抗であり、図２又は図４に示されるよ
うに半導体基板１２上に形成される。抵抗Ｒ_５の値は、
厚膜抵抗Ｒ_ｔの値に比べ十分大きく設定される。

【００３０】この実施例では、例えば、各抵抗値は次の
ように設計される。

【００３１】Ｒ_１＝Ｒ_０Ｒ_２＝Ｒ_０Ｒ_３＝Ｒ_０Ｒ_４＝１．１Ｒ_０Ｒ_５＝１０．５Ｒ_０Ｒ_ｔ＝０．５Ｒ_０ただし、Ｒ_０：所定値 … （２１）このような設計とした上で、常温Ｔ_０（例えば２５℃）
において抵抗Ｒ_ｔをトリミングすることにより、Ｒ_５＋Ｒ_ｔ＝１１Ｒ_０ … （２２）が常温において初期的に成り立ち、Ｒ_４//（Ｒ_５＋Ｒ_ｔ）＝Ｒ_０ … （２３）となる。

【００３２】点ａと点ｂの間に発生する不平衡電圧ΔＶ
_ａｂは、従来例における式（２）中のＲ_４//Ｒ_ｔをＲ_４
//（Ｒ_５＋Ｒ_ｔ）に置き換えることにより次のように得
られる。

【００３３】 ΔＶ_ａｂ＝Ｉ_ａ・｛Ｒ_４//（Ｒ_５＋Ｒ_ｔ）｝−Ｉ_ｂ・Ｒ_１ … （２４）ここに、Ｉ_ａは点ｃから点ａに流れる電流を、Ｉ_ｂは点
ｃから点ｂに流れる電流を、それぞれ表している。電流
Ｉ_ａ及びＩ_ｂは、従来例における式（３）中のＲ_４//Ｒ
_ｔをＲ_４//（Ｒ_５＋Ｒ_ｔ）に置き換えることにより次の
ように得られる。

【００３４】Ｉ_ａ＝Ｉ_０・（Ｒ_１＋Ｒ_２）／｛Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３＋Ｒ_４//（Ｒ_５＋Ｒ_ｔ）｝Ｉ_ｂ＝Ｉ_０・｛Ｒ_３＋Ｒ_４//（Ｒ_５＋Ｒ_ｔ）｝／｛Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３＋Ｒ_４//（Ｒ_５＋Ｒ_ｔ）｝ … （２５）抵抗Ｒ_ｔの調整が行われた時点、すなわち抵抗Ｒ_１〜Ｒ
_４の経時変化や温度変化が生じていない時点では、加速
度が加わっていなければ、Ｒ_１＝Ｒ_２＝Ｒ_３＝Ｒ_４//
（Ｒ_５＋Ｒ_ｔ）＝Ｒ_０である。これを式（２５）に代入
すると、Ｉ_ａ＝Ｉ_０・２Ｒ_０／４Ｒ_０＝０．５Ｉ_０Ｉ_ｂ＝Ｉ_０・２Ｒ_０／４Ｒ_０＝０．５Ｉ_０ … （２６）となり、電圧ΔＶ_ａｂは ΔＶ_ａｂ＝０ … （２７）となる。従って、式（２１）に示されるように各抵抗値
を設計し、抵抗Ｒ_ｔを適宜トリミングすることにより、
加速度が印加されていない状態でブリッジ抵抗を平衡さ
せることができる。逆に、加速度が印加されている状態
では、Ｒ_１＝Ｒ_２＝Ｒ_３＝Ｒ_４//（Ｒ_５＋Ｒ_ｔ）＝Ｒ_０
が成り立たないから、 ΔＶ_ａｂ≠０ … （２７）となる。他の回路構成については、従来例と同様であ
る。なお、抵抗Ｒ５は脆弱部上には設けないようにす
る。このようにすると、抵抗Ｒ５の値が加速度により変
化しないため、従来と同様の検出動作となる。

【００３５】図２には、図１の回路構成を用いて基板垂
直方向の加速度検出を行う場合のセンサの実体構成が示
されている。すなわち、図２に示される第１実施例にお
ける加速度の検出方向は、半導体基板１２に垂直な方向
（紙面貫通方向）である。この実施例においては、ブリ
ッジ抵抗３６が、従来例と同様にカンチレバー２８片側
の脆弱部に形成されている。

【００３６】図３には、この実施例における抵抗Ｒ_１〜
Ｒ_５の配置が示されている。この図に示されるように、
本実施例においては、抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４がその歪に対する
抵抗値変化が相補的となるよう、配置されている。半導
体基板１２上には、これらの抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４と接続する
よう拡散抵抗配線３８が配置形成されている。この拡散
抵抗配線３８はコンタクト４０によってチップ配線２２
に接続されており、チップ配線２２はパッド２４に接続
されている。抵抗Ｒ_５は半導体基板１２上に形成されて
いる。抵抗Ｒ_５は、チップ配線２２を介して複数のパッ
ド２４のうち１個に、チップ配線２２及び拡散抵抗配線
３８を介して抵抗Ｒ_４の一端に、接続されている。な
お、厚膜抵抗Ｒ_ｔは、従来例に比べ小さいものを使用で
きる。

【００３７】このような構成においては、抵抗Ｒ_１〜Ｒ
_４の抵抗値の温度変化や経時変化の影響が、従来例に比
べ著しく低減される。すなわち、差動増幅回路３４が飽
和することが防止される。次に、この作用が生じる原理
について説明する。

【００３８】まず、抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の抵抗値の温度変化
の影響に関して説明する。常温Ｔ_０において厚膜抵抗Ｒ
_ｔが初期調整されている場合、抵抗Ｒ_１〜Ｒ_５及びＲ_ｔ
は次のように温度Ｔの関数で表される。

【００３９】Ｒ_１（Ｔ）＝Ｒ_１（Ｔ_０）・｛１＋ｋ_１（Ｔ−Ｔ_０）｝Ｒ_２（Ｔ）＝Ｒ_２（Ｔ_０）・｛１＋ｋ_２（Ｔ−Ｔ_０）｝Ｒ_３（Ｔ）＝Ｒ_３（Ｔ_０）・｛１＋ｋ_３（Ｔ−Ｔ_０）｝Ｒ_４（Ｔ）＝Ｒ_４（Ｔ_０）・｛１＋ｋ_４（Ｔ−Ｔ_０）｝Ｒ_５（Ｔ）＝Ｒ_５（Ｔ_０）・｛１＋ｋ_５（Ｔ−Ｔ_０）｝Ｒ_ｔ（Ｔ）＝Ｒ_ｔ（Ｔ_０）・｛１＋ｋ_ｔ（Ｔ−Ｔ_０）｝ただし、ｋ_１〜ｋ_５：抵抗Ｒ_１〜Ｒ_５の温度係数ｋ_ｔ：抵抗Ｒ_ｔの温度係数 … （２８）いま、同じ拡散抵抗として形成されていることから抵抗
Ｒ_１〜Ｒ_５の温度係数ｋ_１〜ｋ_５をｋ_１＝ｋ_２＝ｋ_３＝
ｋ_４＝ｋ_５＝ｋとおく。この条件及び前掲の式（２１）
により示される抵抗値設計を式（２８）に代入すると、
次の式が得られる。

【００４０】Ｒ_１（Ｔ）＝Ｒ_０・｛１＋ｋ（Ｔ−Ｔ_０）｝＝Ｒ_２（Ｔ）＝Ｒ_３（Ｔ）Ｒ_４（Ｔ）＝１．１Ｒ_１（Ｔ）Ｒ_５（Ｔ）＝１０．５Ｒ_１（Ｔ）Ｒ_ｔ（Ｔ）＝０．５Ｒ_０・｛１＋ｋ_ｔ（Ｔ−Ｔ_０）｝ … （２９）比較のため、使用温度範囲や温度係数を従来例と同様に
設定する。すなわち、使用温度範囲を−４０〜８５℃
（常温２５℃）、ｋ＝２０００［ｐｐｍ／℃］、ｋ_ｔ＝
１００［ｐｐｍ／℃］と設定する。この設定に基づき、
Ｔ_０＝２５［℃］、Ｔ＝−４０［℃］を式（２９）に代
入する。すると、Ｒ_１（−４０）＝Ｒ_０・｛１＋０．００２（−４０−２５）｝＝０．８７Ｒ_０＝Ｒ_２（−４０）＝Ｒ_３（−４０）Ｒ_４（−４０）＝１．１Ｒ_１（−４０）＝０．９５７Ｒ_０Ｒ_５（−４０）＝１０．５Ｒ_１（−４０）＝１１．５５Ｒ_０Ｒ_ｔ（−４０）＝０．５Ｒ_０・｛１＋０．０００１ｋ_ｔ（−４０−２５）｝＝０．４９６８Ｒ_０ … （３０）が得られ、さらにＲ_４（−４０）//｛Ｒ_５（−４０）＋Ｒ_ｔ（−４０）｝＝０．９５７・（１１．５５＋０．４９６８）Ｒ_０／｛０．９５７＋１１．５５＋０．４９６８｝＝０．８７０５Ｒ_０ … （３１）が得られる。式（３０）及び（３１）を式（２５）に代
入すると、Ｉ_ａ（−４０）＝Ｉ_０・２・０．８７Ｒ_０／（３×０．８７Ｒ_０＋０．８７０５Ｒ_０）＝０．４９９９３Ｉ_０Ｉ_ｂ（−４０）＝Ｉ_０・（０．８７Ｒ_０＋０．８７０５Ｒ_０）／（３×０．８７Ｒ_０＋０．８７０５Ｒ_０）＝０．５０００７Ｉ_０ … （３２）となる。従って、温度Ｔ＝−４０［℃］における電圧Δ
Ｖ_ａｂ（−４０）は、式（２９）〜（３２）の値を式
（２４）に代入することにより、次のように得られる。

【００４１】 ΔＶ_ａｂ（−４０）＝０．４９９９３Ｉ_０・０．８７０５Ｒ_０ −０．５０００７Ｉ_０・０．８７Ｒ_０＝０．０００１３Ｉ_０・Ｒ_０ … （３３）これは、従来例に係る式（１２）に比べ著しく小さい。
従って、従来例と同様Ｉ_０×Ｒ_０＝４［Ｖ］、Ａ_ｖ＝１
０００、Ｖ_ｃｃ＝５［Ｖ］を仮定した場合にも、 ΔＶ_ａｂ（−４０）＝０．０００５２［Ｖ］Ｖ_ｏｕｔ（−４０）＝０．５２［Ｖ］ … （３４）となり、式（１３）及び（１４）の値に比べ著しく小さ
くなる。式（３４）は、差動増幅器３４の動作点が温度
にほとんど依存せず、その出力も飽和しないことを示し
ている。

【００４２】次に、抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の経時変化の影響低
減について従来例との比較により説明する。

【００４３】いま、調整時からある程度の時間が経過
し、その結果、常温での抵抗Ｒ_１〜Ｒ_５の値がｐ倍、抵
抗Ｒ_ｔの値がｐ_ｔ倍となったとする。経時変化後の値に
添字１を付して表すこととすると、経時変化後の抵抗Ｒ
_１〜Ｒ_５及び抵抗Ｒ_ｔ、すなわち抵抗Ｒ_１１〜Ｒ_５１及
び抵抗Ｒ_ｔ１の値は式（２１）を変形して次のように表
すことができる。ただし、下の式は、常温で加速度が加
わっていない状態を考えている。

【００４４】Ｒ_１１＝ｐＲ_０＝Ｒ_２１＝Ｒ_３１Ｒ_４１＝１．１ｐＲ_０Ｒ_５１＝１０．５ｐＲ_０Ｒ_ｔ１＝０．５ｐ_ｔＲ_０ … （３５）経時変化の代表的な値としてｐ＝１．１、ｐ_ｔ＝１．０
２を代入すると、Ｒ_１１＝１．１Ｒ_０＝Ｒ_２１＝Ｒ_３１Ｒ_４１＝１．２１Ｒ_０Ｒ_５１＝１１．５５Ｒ_０Ｒ_ｔ１＝０．５１Ｒ_０ … （３６）となる。従って、Ｒ_４１//｛Ｒ_５１＋Ｒ_ｔ１｝がＲ_４１//｛Ｒ_５１＋Ｒ_ｔ１｝＝１．２１・（１１．５５＋０．５１）Ｒ_０／（１．２１＋１１．５５＋０．５１）＝１．０９９６７Ｒ_０ … （３７）となるため、式（３６）及び（３７）を式（２５）に代
入することにより、Ｉ_ａ１＝Ｉ_０・２・１．１Ｒ_０／（３×１．１Ｒ_０＋１．０９９６７Ｒ_０）＝０．５０００３Ｉ_０Ｉ_ｂ１＝Ｉ_０・（１．１Ｒ_０＋１．０９９６７Ｒ_０）／（３×１．１Ｒ_０＋１．０９９６７Ｒ_０）＝０．４９９１１２Ｉ_０ … （３８）となる。式（３６）〜（３８）を式（２４）に代入する
と、 ΔＶ_ａｂ１＝０．５０００３Ｉ_０・１．０９９７Ｒ_０ −０．４９９１１２Ｉ_０・１．１Ｒ_０＝０．００００７５２Ｉ_０Ｒ_０ … （３９）となる。従って、従来例と同様に増幅度Ａ_ｖ＝１００
０、Ｉ_０Ｒ_０＝４［Ｖ］、電源電圧Ｖ_ｃｃ＝５（Ｖ）と
すると、経時変化後の出力Ｖ_ｏｕｔ１は、Ｖ_ｏｕｔ１＝０．３［Ｖ］ … （４０）となる。これは、差動増幅回路３４が飽和しないことを
意味する。すなわち、経時変化により抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の
値が変化した結果常温でかつ加速度が加わっていなくて
も現れるようになる不平衡電圧が、後段の回路の動作に
支障を与える電圧とはならなくなる。

【００４５】図４には、本発明の第２実施例に係るセン
サの実体構成が示されている。この図に示されるセンサ
の回路構成は図１に示される回路構成と同様のものであ
り、加速度の検出方向が半導体基板１２垂直方向ではな
く図の矢印方向、すなわち半導体基板１２に対して平行
な方向である点が第１実施例と異なっている。また、こ
のような検出方向設定に応じ、半導体基板１２上におけ
るカンチレバーの形状や抵抗Ｒ１〜Ｒ４の配置が、第１
実施例と異なるものとされている。

【００４６】すなわち、この実施例においては、「Ｕ」
字状のスリット４２及び４４が図中上下方向に対向形成
されている。加速度の印加により歪む脆弱部は、スリッ
ト４２と４２が最も近接している部位に薄肉部として形
成されている（図６参照）。従って、スリット４２及び
４４により囲まれる位置にあるカンチレバー４６に加速
度等が加わると、当該カンチレバ−４６を支持している
２か所の薄肉部が歪む。

【００４７】この実施例における抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４は、図
５に拡大図示するように、カンチレバー４６の支持部に
それぞれ２個ずつ形成されている。カンチレバー４６に
図４中矢印方向の加速度が加わると、抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４の
うち２個の抵抗値は加速度方向に対応する傾向で変化
し、他の２個の抵抗値はこれと相補的な傾向で変化す
る。従って、同じ傾向で抵抗値が変化する抵抗がブリッ
ジ回路３６上において対向する辺に位置するよう、図５
に示されるようにチップ配線２２及び拡散抵抗配線３８
を形成しかつコンタクト４５を設ければ、図４中矢印で
示される方向の加速度を図１に示される回路で好適に検
出することができる。

【００４８】本実施例によれば、第１実施例と同様、抵
抗Ｒ_１〜Ｒ_４の抵抗値の温度変化及び経時変化に関する
効果を得ることができる。また、図４に示される構成を
適宜２次元配置することによって加速度を２次元的に検
出することが可能となる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
拡散抵抗等の歪検出用抵抗とほぼ等しい温度係数を有す
る温度補償用抵抗を厚膜抵抗等の調整用抵抗と直列接続
したため、温度補償用抵抗及び調整用抵抗の抵抗値を適
宜設定することにより、当該調整用抵抗と歪検出用抵抗
の温度特性の差や歪検出用抵抗の抵抗値の経時変化等に
起因したブリッジ回路の出力変化を抑制することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るセンサの回路構成を示す
回路図である。

【図２】本発明の第１実施例に係るセンサの実体構成を
示す平面図である。

【図３】この実施例における抵抗Ｒ_１〜Ｒ_５の配置を示
す拡大図である。

【図４】本発明の第２実施例に係るセンサの実体構成を
示す平面図である。

【図５】この実施例における抵抗Ｒ_１〜Ｒ_５の配置を示
す拡大図である。

【図６】この実施例における半導体基板の形状、特にそ
のカンチレバーの形状を示す斜視端面図である。

【図７】一従来例に係るセンサの回路構成を示す回路図
である。

【図８】この従来例の実体構成を示す平面図である。

【符号の説明】

１２半導体基板１４ハイブリッドＩＣ基板２８，４６カンチレバー３６ブリッジ抵抗Ｒ_１〜Ｒ_４歪検出用の拡散抵抗Ｒ_５温度補償用の拡散抵抗Ｒ_ｔ厚膜抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いにほぼ等しい温度係数を有しかつ加
速度等の印加に伴う歪により抵抗値が変化する所定個数
の歪検出用抵抗と、歪検出用抵抗と異なる温度係数を有
し抵抗値の初期調整が可能な調整用抵抗と、を備え、歪
検出用抵抗がブリッジ接続されかつ当該歪検出用抵抗の
うち少なくとも１個に調整用抵抗が並列接続された回路
構成を有するブリッジ式センサにおいて、歪検出用抵抗とほぼ等しい温度係数を有し、調整用抵抗
と直列接続される温度補償用抵抗を備えることを特徴と
するブリッジ式センサ。