JPH06229861A - 温度特性補正付圧力センサ - Google Patents

温度特性補正付圧力センサ

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JPH06229861A
JPH06229861A JP3242093A JP3242093A JPH06229861A JP H06229861 A JPH06229861 A JP H06229861A JP 3242093 A JP3242093 A JP 3242093A JP 3242093 A JP3242093 A JP 3242093A JP H06229861 A JPH06229861 A JP H06229861A
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康秀 吉川
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誉 増田
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貴 簗田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体圧力センサーの内部あるいは外部に温
度センサーを付けることなく、その温度補正ができ、か
つ追従性が良好な半導体圧力センサーを得る。 【構成】 ピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサ
ー素子のブリッジ抵抗が有する温度特性を利用し、それ
を圧力とともに測定することにより、圧力情報および温
度情報を得、さらにこれをディジタル変換し、演算する
ことにより温度補正をし、真の圧力を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ピエゾ抵抗効果を利
用した半導体圧力センサ素子を用いた圧力センサにおい
て、周囲の温度変化により圧力センサ素子の特性が変化
することを補正する温度特性補正付圧力センサに関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】一般に半導体圧力センサは図8に示す構
成を有している。すなわち電子回路基板1には半導体圧
力センサ素子Eが取付けられる。この圧力センサ素子を
収容する圧力検出室2と外部圧力を受けるダイアフラム
3内にはオイル4が満たされる。また電子回路基板1に
は温度補正用のサーミスタセンサ5が設けられる。な
お、符号6は圧力センサを大気と連通させる通気管であ
る。
【0003】一方、半導体圧力センサ素子は大きな温度
特性をもっており、従来、外部やチップ内部にサーミス
タ等の温度センサを設けることにより補正していた。こ
の従来の方法においては外部に温度センサを付けた場合
は温度センサ分のコストアップおよび半導体圧力センサ
とは別の場所の温度を測定しているために温度差による
誤差等の問題があり、温度補正の追従性が非常に遅い欠
点があった。また半導体圧力センサのチップ内部に温度
センサを付けた場合には形状が大きくなったり、圧力セ
ンサ素子のピン数が増え、いきおいコストアップになる
等の問題があった。
【0004】また従来から圧力センサのブリッジ抵抗に
は温度特性があることがわかっており、そこから温度情
報を得る方法は考えられていた。ところがブリッジ抵抗
には温度特性のみでなく、圧力に対する依存性もあり、
温度情報のみを得ようとするとその情報に誤差が含まれ
てしまうので実用的ではなかった。よって半導体圧力セ
ンサとは別に温度センサを設けることにより、温度情報
を得ていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
技術においては外部に温度センサを付けた場合は温度セ
ンサ分のコストアップおよび半導体圧力センサとは別の
場所の温度を測定しているために温度差による誤差等の
問題があり、温度補正の追従性が非常に遅い欠点があっ
た。また半導体圧力センサのチップ内部に温度センサを
付けた場合には形状が大きくなったり、圧力センサ素子
のピン数が増え、いきおいコストアップになる。また圧
力センサのブリッジ抵抗には圧力依存性があり、その圧
力センサの出力からは温度補正ができなかった。この発
明は上記のような問題点を解消するためになされたもの
で、半導体圧力センサの内部あるいは外部に温度センサ
を付けることなく、その温度補正ができ、かつ温度補正
の追従性が良好な半導体圧力センサを得ることを目的と
するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】ピエゾ抵抗効果を利用し
た半導体圧力センサ素子のブリッジ抵抗には温度特性お
よび圧力特性があるので、そのブリッジ抵抗の両対角を
信号とする2つの信号を取り出し、さらにこれらをディ
ジタル変換し、演算することにより圧力情報および温度
情報を得て、その値より温度補正をし、真の圧力を得
る。
【0007】
【実施例】以下図によってこの発明の一実施例を説明す
る。すなわち図1において、ピエゾ抵抗効果を利用した
半導体圧力センサ素子Eは、圧力に比例して変化する抵
抗値を有する抵抗R1,R2,R3およびR4のブリッ
ジ回路Aにより構成される。このブリッジ回路の給電端
子Q1,Q2間には定電流源I0が接続される。一方出
力端子Q3,Q4間には第1の差動増幅器B1が接続さ
れ、この差動増幅器の出力端はアナログ−ディジタル変
換器Cの一方の入力端に接続される。また給電端子Q
1,Q2間には第2の差動増幅器B2が接続される。そ
してこの差動増幅器の出力端はアナログ−ディジタル変
換器Cの他方の入力端に接続される。さらにアナログ−
ディジタル変換器Cの出力端にはマイクロコンピュータ
Mが接続される。
【0008】ブリッジ回路Aの出力信号V0は従来の圧
力センサの圧力信号に相当するものである。この信号は
圧力のみでなく、温度にも影響されるため、温度変化に
よりその値が変動するものである。すなわちこの値その
ものは誤差の要因を含んでいる。一方、ブリッジ回路A
の給電端子Q1,Q2におけるVT信号はブリッジ回路
Aの抵抗値の信号であり、ここから温度情報を得る。こ
の信号は温度のみでなく、圧力にも影響されるため、上
述のように、従来は温度センサとして使用不可能であっ
たものである。
【0009】図1において圧力センサ素子Eが圧力を検
出すると、ブリッジ回路Aの出力信号V0は第1の差動
増幅器B1によって増幅された後、アナログ−ディジタ
ル変換器Cの一方の入力端に供給され、ここでディジタ
ル信号に変換される。またブリッジ回路Aの給電端子Q
1,Q2におけるVT信号は第2の差動増幅器B2によ
って増幅された後、アナログ−ディジタル変換器Cの他
方の入力端に供給され、ここでディジタル信号に変換さ
れる。そしてアナログ−ディジタル変換器Cの出力はマ
イクロコンピュータMに供給される。このコンピュータ
はディジタル変換された2つの信号V0およびVTから
圧力値および温度を演算し、これを出力する。
【0010】ブリッジ回路Aの出力信号V0およびブリ
ッジ回路Aの給電端子における信号VTを式で表すと、
次のようになる。 V0=f(P,t)・・・・・(1) VT=g(P,t)・・・・・(2) ここでPは圧力、tは温度である。つまりV0およびV
T信号はともに圧力と温度の両方のパラメータに依存す
る。そこで、従来使用しているキャラクタラリゼーショ
ンの手法を用いて(1),(2)式を下記の(3),
(4)式に変換することにより真の圧力値および温度を
求めることができる。 P=H(V0,Vt)・・・・・(3) t=J(V0,Vt)・・・・・(4) なお、これによって温度も求められるが、この発明と直
接関係しないのでその説明は省略する。ここで問題とな
るのが(1)式と(2)式が従属である場合、また重根
を持つような場合である。
【0011】まず、関数の独立性について説明する。
(1),(2),(3),(4)から状態関数を図式的
に表現すると図4のようになる。V0,Vtという、と
もに圧力および温度に感度がある信号から状態関数によ
り真の圧力および温度を求めることを検討する。そのた
めにはV0とVtが独立関数であることを証明すること
が必要である。独立であることの証明はヤコビ行列式が
0でないことにより証明することができる。
【0012】
【数1】
【0013】
【数2】 ここで
【0014】∂V0/∂P・・・・・(7) はV0の圧力感度を、また
【0015】∂Vt/∂T・・・・・(8) はVtの温度感度を、また
【0016】∂V0/∂T・・・・・(9) はV0の温度感度を、さらに
【0017】∂Vt/∂P・・・・・(10) はVtの圧力感度を表している。
【0018】次に関数の独立の証明について説明する。
ここで各ピエゾ抵抗を圧力および温度に依存する簡単な
1次式すなわち式(11)〜(14)で表し、ヤコビ行
列式を求める。 Z1=R1×(1+aT+bP)・・・・・(11) Z2=R2×(1+aT−bP)・・・・・(12) Z3=R3×(1+aT+bP)・・・・・(13) Z4=R4×(1+aT−bP)・・・・・(14) ここで、Znは各抵抗値、Rnは基準圧力および基準温
度における各抵抗値、aは各抵抗の温度係数(各抵抗と
も同じ値とした)、bは各抵抗の圧力係数(各抵抗とも
同じ値とした)、Tは基準温度からの変化温度、Pは基
準圧力からの変化圧力である。これからV0,Vtを求
めると式(15),(16)となる。
【0019】
【数3】
【0020】
【数4】
【0021】V0,Vtは式(15),(16)で表せ
るので、それに式(11)〜(14)を代入すると式
(17),(18)となる。
【0022】
【数5】
【0023】
【数6】
【0024】式(17)および(18)から求められる
ヤコビ行列式が0でなければ独立が証明できる。実際の
データよりV0,VtのそれぞれPおよびTの感度は2
次式項以上は小さいので、1次の項を抽出しヤコビ行列
式を求める。以下にヤコビ行列式の結果を示す。
【0025】
【数7】
【0026】
【数8】
【0027】
【数9】
【0028】
【数10】
【0029】
【数11】
【0030】式19〜式22はヤコビ行列式の各要素
で、それから求められるヤコビ行列式の各要素で、それ
らから求められるヤコビ行列式の結果が式23となる。
この式23は減算が含まれていないので、0にはならな
い。よって式(1)と(2)は独立であることが証明で
きる。
【0031】重根については図2に示すような入力に対
して答えが2つ以上出てくるものが問題となる。しか
し、図3に示すような同じ答えをもつ入力が2つ以上あ
る場合には問題とはならない。ここで(1),(2)式
はともに物性上、単調増加もしくは単調現象である。そ
のため図2のような重根を持つことはない。よって
(3),(4)式から真の圧力および温度が求められる
ことがわかる。
【0032】図5は圧力センサがハーフブリッジの場合
を示す。その他の構成は図1と同一である。
【0033】図6は図7と同様に圧力センサがハーフブ
リッジの場合を示すものであるが、圧力センサ素子の可
変抵抗R2とR3との接続点が第2の作動増幅器の一方
の入力端に接続されている点が異なる。
【0034】図7は圧力センサを定電圧電源により、定
電圧駆動するもので、その他は図1と同様の構成を有す
る。
【0035】
【発明の効果】上述のようにこの発明はピエゾ抵抗効果
を利用した半導体圧力センサ素子を用いた圧力センサに
おいて、そのブリッジ抵抗の両対角を信号とする2つの
信号を取り出し、さらにこれらをディジタル変換し、演
算することにより圧力情報および温度情報を得てその値
より温度補正をし、真の圧力を得るため、圧力センサ素
子の外部およびチップ内部等に温度センサを付ける必要
がない。したがって圧力センサの外形が大きくなること
はなく、さらに圧力センサ素子のピン数の増加を防ぐこ
とができる。しかも圧力センサ素子自体の温度情報を取
り入れられるため、温度差による誤差等の問題が解決さ
れ、より高精度に圧力値を求めることができ、かつ温度
補正の追従性が非常に良くなる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明における圧力センサの温度特性補正方
法の一実施例を示す回路図である。
【図2】この発明における圧力センサの温度特性補正方
法の重根の例を示す説明図である。
【図3】この発明における圧力センサの温度特性補正方
法の重根の他の例を示す説明図である。
【図4】状態関数を図式的に表現した状態関数図であ
る。
【図5】この発明の温度特性補正付圧力センサの第2の
実施例を示すブロック回路図である。
【図6】この発明の温度特性補正付圧力センサの第3の
実施例を示すブロック回路図である。
【図7】この発明の温度特性補正付圧力センサの第4の
実施例を示すブロック回路図である。
【図8】一般の圧力センサの構成を示す概要図である。
【符号の説明】
E 半導体圧力センサ素子 A ブリッジ回路 R1 抵抗 R2 抵抗 R3 抵抗 R4 抵抗 Q1 給電端子 Q2 給電端子 I0 定電流源 B1 第1の差動増幅器 C アナログ−ディジタル変換器 B2 第2の差動増幅器 M マイクロコンピュータ E 定電圧電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市田 俊司 神奈川県藤沢市川名1丁目12番2号 山武 ハネウエル株式会社藤沢工場内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力セ
    ンサ素子を用いた圧力センサにおいて、上記センサ素子
    を構成する抵抗ブリッジの両対角間(Q3,Q4間とQ
    1,Q2間)の2つの信号を取り出し、これをディジタ
    ル量に変換し、信号処理することにより真の圧力および
    温度を得ることを特徴とする温度特性補正付圧力セン
    サ。
JP3242093A 1993-01-29 1993-01-29 温度特性補正付圧力センサ Expired - Lifetime JP2898500B2 (ja)

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