JPH0619070Y2 - 半導体圧力センサの直線性補償回路 - Google Patents
半導体圧力センサの直線性補償回路Info
- Publication number
- JPH0619070Y2 JPH0619070Y2 JP1988050921U JP5092188U JPH0619070Y2 JP H0619070 Y2 JPH0619070 Y2 JP H0619070Y2 JP 1988050921 U JP1988050921 U JP 1988050921U JP 5092188 U JP5092188 U JP 5092188U JP H0619070 Y2 JPH0619070 Y2 JP H0619070Y2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure sensor
- semiconductor pressure
- circuit
- current
- pressure
- Prior art date
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- Indication And Recording Devices For Special Purposes And Tariff Metering Devices (AREA)
Description
【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は、半導体歪ケージに印加された圧力を検出す
る、半導体圧力センサの検出出力を直線化する際に有用
な補償回路に関するものである。
る、半導体圧力センサの検出出力を直線化する際に有用
な補償回路に関するものである。
半導体の歪を電気信号に変換して圧力を測定する半導体
圧力センサは、優れた検出感度を備えており、各種工業
分野において計測，プロセス制御等に欠くことができな
いものとされている。
圧力センサは、優れた検出感度を備えており、各種工業
分野において計測，プロセス制御等に欠くことができな
いものとされている。
第３図はかかる半導体圧力センサの一例を示したもの
で、Ｎ形単結晶のシリコン基板Ｃの上には、拡散技術に
よって４辺のＰ形歪ゲージＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が形
成され、このうちＲ１，Ｒ３は比較的中心部付近に、Ｒ
２，Ｒ４は外側部に配置されている。そして、これらは
ホイートストンブリッジ回路に接続されている。
で、Ｎ形単結晶のシリコン基板Ｃの上には、拡散技術に
よって４辺のＰ形歪ゲージＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が形
成され、このうちＲ１，Ｒ３は比較的中心部付近に、Ｒ
２，Ｒ４は外側部に配置されている。そして、これらは
ホイートストンブリッジ回路に接続されている。
この半導体圧力センサは、シリコン基板Ｃの周辺を固定
し、表面または裏面側から直接，または、ダイヤフラム
Ｄを介して圧力が加えられると、中央部と外側部の変位
の差によって歪が生じ、この歪力がＰ形歪ゲージＲ１〜
Ｒ４の抵抗変化となり、ブリッジ回路の平衡条件がくず
れる。
し、表面または裏面側から直接，または、ダイヤフラム
Ｄを介して圧力が加えられると、中央部と外側部の変位
の差によって歪が生じ、この歪力がＰ形歪ゲージＲ１〜
Ｒ４の抵抗変化となり、ブリッジ回路の平衡条件がくず
れる。
そこで、体４図に示すように歪ゲージＲ１，Ｒ２，
Ｒ３，Ｒ４の対向する２点Ａ，Ｂから電流Ｉを供給し、
他の対向する２点Ｃ，Ｄを出力端子とすれば、圧力Ｐに
比例した出力電圧Ｅoutが得られることになる。
Ｒ３，Ｒ４の対向する２点Ａ，Ｂから電流Ｉを供給し、
他の対向する２点Ｃ，Ｄを出力端子とすれば、圧力Ｐに
比例した出力電圧Ｅoutが得られることになる。
出力電圧Ｅoutは圧力Ｐが印加されたときの各歪ゲージ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値をｒ１，ｒ２，ｒ３，
ｒ４とすると、 ここで、ＲＢはセンサの合成抵抗であり、 となり、圧力Ｐが印加された時の理想等価抵抗変化をＲ
(P)とすれば、 Ｅout＝Ｒ(P)・Ｉｏ・ＲＢ……(2) となる。
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値をｒ１，ｒ２，ｒ３，
ｒ４とすると、 ここで、ＲＢはセンサの合成抵抗であり、 となり、圧力Ｐが印加された時の理想等価抵抗変化をＲ
(P)とすれば、 Ｅout＝Ｒ(P)・Ｉｏ・ＲＢ……(2) となる。
Ｒ(P)が印加された圧力に対して正比例して変化すれば
出力電圧もまた正比例して変化するものである。また、
ブリッジ抵抗を示すＲＢもｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４の合
成抵抗である以上Ｒ(P)が理想的な変化をしない場合、
変動することになるが、変化率そのものが小さいので、
この原象は無視することができる。
出力電圧もまた正比例して変化するものである。また、
ブリッジ抵抗を示すＲＢもｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４の合
成抵抗である以上Ｒ(P)が理想的な変化をしない場合、
変動することになるが、変化率そのものが小さいので、
この原象は無視することができる。
ところで、実際の半導体圧力センサの場合は、圧力Ｐが
加えられたとき抵抗値が増加する歪ゲージＲ１，Ｒ３の
抵抗増加率と、同じく圧力が加えられたときに抵抗値が
現象する歪ゲージＲ２，Ｒ４の抵抗減少率が異なってお
り、また、歪の大きさも場所も異なるため、実際上、印
加された圧力Ｐに対して出力電圧Ｅoutが完全に比例し
ない。
加えられたとき抵抗値が増加する歪ゲージＲ１，Ｒ３の
抵抗増加率と、同じく圧力が加えられたときに抵抗値が
現象する歪ゲージＲ２，Ｒ４の抵抗減少率が異なってお
り、また、歪の大きさも場所も異なるため、実際上、印
加された圧力Ｐに対して出力電圧Ｅoutが完全に比例し
ない。
すなわち、第５図に示すように、半導体圧力センサの定
格出力Ｅout(max)と０点の間(Vspan)を結ぶ基準線Ｌに
対して出力電圧の特性曲線は、一般に曲線Ｃで示すよう
に変化し、ΔＥout／ΔＰが一定値にならない。
格出力Ｅout(max)と０点の間(Vspan)を結ぶ基準線Ｌに
対して出力電圧の特性曲線は、一般に曲線Ｃで示すよう
に変化し、ΔＥout／ΔＰが一定値にならない。
本考案は、かかる問題点を低減することを目的としてな
されたもので、出力電圧を所定の割合で電流値に変換す
る電圧−電流変換手段と，この電圧−電流変換手段から
出力される電流を半導体圧力センサに供給される電流の
一部分としてフィードバックする回路手段を設けること
により、印加圧力変化に対する出力電圧の変化がリニア
ライズされるようにしたものである。
されたもので、出力電圧を所定の割合で電流値に変換す
る電圧−電流変換手段と，この電圧−電流変換手段から
出力される電流を半導体圧力センサに供給される電流の
一部分としてフィードバックする回路手段を設けること
により、印加圧力変化に対する出力電圧の変化がリニア
ライズされるようにしたものである。
〔作用〕 圧力を加えたときに検出される出力電圧は、半導体圧力
センサに供給されている電流値に比例するから、出力電
圧を所定の割合で電流値に変換し、この電流を電流側に
フィードバックすることによって出力特性をリニアライ
ズさせることができる。
センサに供給されている電流値に比例するから、出力電
圧を所定の割合で電流値に変換し、この電流を電流側に
フィードバックすることによって出力特性をリニアライ
ズさせることができる。
第１図は本考案の一実施例を示す半導体圧力センサの直
線性補償回路を示すものである。
線性補償回路を示すものである。
この図において、ｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４は前述したホ
イートストンブリッジ回路に接続した歪ゲージＲ１，Ｒ
２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値を示す。
イートストンブリッジ回路に接続した歪ゲージＲ１，Ｒ
２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値を示す。
Ａ１及びＡ２は出力端子Ｃ，及びＤに正相入力端子が接
続され、その逆相入力端子に１００％の負帰還がかけら
れている演算増幅器であって、電圧ホロワー回路とて動
作している。
続され、その逆相入力端子に１００％の負帰還がかけら
れている演算増幅器であって、電圧ホロワー回路とて動
作している。
一方の演算増幅器Ａ１の出力にはドライブ用のトランジ
スタＱのベース電極が接続され、このドライブ用のトラ
ンジスタのエミッタ電極には補償抵抗Ｒｓが接続されて
いる。
スタＱのベース電極が接続され、このドライブ用のトラ
ンジスタのエミッタ電極には補償抵抗Ｒｓが接続されて
いる。
そして、ブリッジ回路のＡ点には定電流源Ｓが接続さ
れ、電流Ｉｏが供給されると共に、ブリッジ回路のＣ
点，Ｄ点には、圧力Ｐが印加されたときの出力電圧Ｅ
outが取り出されるようになされている。
れ、電流Ｉｏが供給されると共に、ブリッジ回路のＣ
点，Ｄ点には、圧力Ｐが印加されたときの出力電圧Ｅ
outが取り出されるようになされている。
本考案の直線性補償回路は上記のように構成されること
によって、以下に説明するように出力電圧Ｅoutの直線
性が改善される。
によって、以下に説明するように出力電圧Ｅoutの直線
性が改善される。
前記したように歪ゲージが形成されており、シリコン基
板に圧力Ｐが印加されると、この回路の場合は、前記第
(2)式から、 Ｅout＝Ｒ(P)・（Ｉｏ−Ｉｓ）・ＲＢ……(3) となる出力電圧が得られる。
板に圧力Ｐが印加されると、この回路の場合は、前記第
(2)式から、 Ｅout＝Ｒ(P)・（Ｉｏ−Ｉｓ）・ＲＢ……(3) となる出力電圧が得られる。
実際の出力電圧は第５図に示したような曲線となってお
り、これらの曲線は次式の近似式によって表わすことが
できる。
り、これらの曲線は次式の近似式によって表わすことが
できる。
Ｅout′＝Ｒ(P)′・Ｉ・ＲＢ……(4) ここで、Ａは誤差の大きさを示すものであり、個々のセ
ンサによってその大きさが異なる。補償抵抗Ｒｓに流れ
る電流Ｉｓは、Ｉｓ＝Ｅout′／ｒｓとなり、Ｉ＝（Ｉ
ｏ−Ｉｓ）であるから前記第(4)式は Ｅout′＝Ｒ(P)′・（Ｉｏ＝Ｅout′／ｒｓ）・ＲＢ…
…(6) したがってｒｓ＝Ａとなるように設定すると、 Ｅout′＝Ｒ(P)・Ｉｏ・ＲＢ となり、誤差をキャンセルすることができる。
ンサによってその大きさが異なる。補償抵抗Ｒｓに流れ
る電流Ｉｓは、Ｉｓ＝Ｅout′／ｒｓとなり、Ｉ＝（Ｉ
ｏ−Ｉｓ）であるから前記第(4)式は Ｅout′＝Ｒ(P)′・（Ｉｏ＝Ｅout′／ｒｓ）・ＲＢ…
…(6) したがってｒｓ＝Ａとなるように設定すると、 Ｅout′＝Ｒ(P)・Ｉｏ・ＲＢ となり、誤差をキャンセルすることができる。
下表は圧力定格出力を１００（Kgf/cm2）としたときの
出力信号Ｅoutと、この出力電圧Ｅoutが基準線からずれ
ている量をエラー（％）として調査したデータで、補償
回路がある場合とない場合を対比したものである。
出力信号Ｅoutと、この出力電圧Ｅoutが基準線からずれ
ている量をエラー（％）として調査したデータで、補償
回路がある場合とない場合を対比したものである。
また、第２図（ａ），及び第２図（ｂ）は上記表のエラ
ー％と圧力Ｐの関係を示すグラフ化したものである。
ー％と圧力Ｐの関係を示すグラフ化したものである。
これらの表，及びグラフから理解できるように、本考案
の直線性補償回路を付加した半導体圧力センサは、エラ
ー（％）が補償回路を付加していないものに比較して１
桁以上改善されており、実際上、エラー（％）を測定す
ることがきわめて困難な小さい値にすることができた。
の直線性補償回路を付加した半導体圧力センサは、エラ
ー（％）が補償回路を付加していないものに比較して１
桁以上改善されており、実際上、エラー（％）を測定す
ることがきわめて困難な小さい値にすることができた。
なお、補償電流Ｉｓを形成するトランジスタＱは、例え
ば電界効果トランジスタを使用してもよく、演算増幅器
Ａ１，Ａ２で十分な電流を引き出すことができるときは
省略することもできる。
ば電界効果トランジスタを使用してもよく、演算増幅器
Ａ１，Ａ２で十分な電流を引き出すことができるときは
省略することもできる。
以上説明したように、本考案の半導体圧力センサは、出
力信号に対応する電流値を形成する高インピーダンス出
力の電圧−電流変換手段と、この電圧−電流変換手段に
よって出力される電流をブリッジ回路の電流源にフィー
ドバックする回路手段を備えることによって、半導体歪
ゲージに印加される歪の不均一，または抵抗変化のバラ
ツキ等にかかわる出力信号の非直線を著しく改善するこ
とができるという効果を奏する。
力信号に対応する電流値を形成する高インピーダンス出
力の電圧−電流変換手段と、この電圧−電流変換手段に
よって出力される電流をブリッジ回路の電流源にフィー
ドバックする回路手段を備えることによって、半導体歪
ゲージに印加される歪の不均一，または抵抗変化のバラ
ツキ等にかかわる出力信号の非直線を著しく改善するこ
とができるという効果を奏する。
また、帰還回路は簡単な回路で構成することができるた
めセンサ内に配置することが容易であり、また、帰還電
流はきわめて少ない値に設定しても大きな効果が得られ
るため、センサの特性に与える影響を少なくすることが
でき、高精度の圧力検出を行うことができるという利点
がある。
めセンサ内に配置することが容易であり、また、帰還電
流はきわめて少ない値に設定しても大きな効果が得られ
るため、センサの特性に与える影響を少なくすることが
でき、高精度の圧力検出を行うことができるという利点
がある。
第１図は本考案の一実施例を示す半導体圧力センサの直
線性補償回路図、第２図（ａ），（ｂ）は圧力とエラー
（％）の対比を示すグラフ、第３図は半導体圧力センサ
の模式図、第４図は圧力検出の原理を示す回路図、第５
図は従来の圧力−出力電圧の関係を示すグラフである。 図中、Ａ１，Ａ２は演算増幅器、Ｒｓは補償抵抗、Ｓは
定電流源を示す。
線性補償回路図、第２図（ａ），（ｂ）は圧力とエラー
（％）の対比を示すグラフ、第３図は半導体圧力センサ
の模式図、第４図は圧力検出の原理を示す回路図、第５
図は従来の圧力−出力電圧の関係を示すグラフである。 図中、Ａ１，Ａ２は演算増幅器、Ｒｓは補償抵抗、Ｓは
定電流源を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】ホイートストンブリッジ回路に接続された
４個の半導体歪ケージの対向する第１，及び第２の接続
点から一定電流を供給する定電流源（Ｓ）と、このホイ
ートストンブリッジ回路の第３，及び第４の接続点から
出力信号を検出する半導体圧力センサとを備え、前記出
力信号を高インピーダンス入力アンプで電流値に変換
し、補償抵抗（Ｒｓ）に供給する電圧−電流変換手段
と、前記補償抵抗に流れる電流が前記定電流源（Ｓ）か
ら引き出されるようにする帰還回路とを設けたことを特
徴とする半導体圧力センサの直線性補償回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1988050921U JPH0619070Y2 (ja) | 1988-04-18 | 1988-04-18 | 半導体圧力センサの直線性補償回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1988050921U JPH0619070Y2 (ja) | 1988-04-18 | 1988-04-18 | 半導体圧力センサの直線性補償回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01154441U JPH01154441U (ja) | 1989-10-24 |
| JPH0619070Y2 true JPH0619070Y2 (ja) | 1994-05-18 |
Family
ID=31276947
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1988050921U Expired - Lifetime JPH0619070Y2 (ja) | 1988-04-18 | 1988-04-18 | 半導体圧力センサの直線性補償回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0619070Y2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5044423B2 (ja) * | 2008-01-16 | 2012-10-10 | トヨタ自動車株式会社 | 圧力検出装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58169044A (ja) * | 1982-03-31 | 1983-10-05 | Tokuda Seisakusho Ltd | 定温度形ピラニ−真空計 |
| JPS60111936A (ja) * | 1983-11-22 | 1985-06-18 | Suzuki Motor Co Ltd | 圧力センサの補正装置 |
-
1988
- 1988-04-18 JP JP1988050921U patent/JPH0619070Y2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01154441U (ja) | 1989-10-24 |
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