JPH07110276A - 半導体圧力・差圧センサの励起方法 - Google Patents

半導体圧力・差圧センサの励起方法

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JPH07110276A
JPH07110276A JP5252788A JP25278893A JPH07110276A JP H07110276 A JPH07110276 A JP H07110276A JP 5252788 A JP5252788 A JP 5252788A JP 25278893 A JP25278893 A JP 25278893A JP H07110276 A JPH07110276 A JP H07110276A
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sensor
temperature
pressure
differential pressure
circuit
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JP5252788A
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Teruo Kobayashi
照雄 小林
Noritoshi Okabe
典利 岡部
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】圧力,差圧を検出して電気信号とする伝送器に
おいて、その圧力検出手段に半導体上に形成されたピエ
ゾ抵抗を用いた場合の圧力信号出力の温度影響を簡単な
アナログ回路で補正する。これにより、後段の増幅器,
信号処理の負担を軽減する。 【構成】半導体複合センサの温度信号VRt、および基準
電圧Vref を加減算回路10に入力し、係数をかけ加減
算を実施する。そして、励起電圧Vexex=aVref+bVRt を得る。ここで、Vexが半導体複合センサあるいは、受
圧部機構全体の温度影響特性の逆特性をもつように、
a,bを調整することにより差圧,圧力信号の温度補正
を行うことができる。 【効果】簡単なアナログ回路の追加により、半導体複合
センサの温度影響を補正することができ、回路の簡素
化,高信頼化,低価格化に効果がある。また定数を変更
することにより、受圧部機構も含めた全体の温度補正を
行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン等の半導体結
晶の持つエピゾ抵抗効果を利用して、圧力・差圧センサ
を形成するピエゾ抵抗ブリッジの温度影響を補正する手
段に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の圧力・差圧伝送器に使用されてい
る複合機能形センサは図2に示したように、半導体複合
センサチップ上に、差圧センサ,静圧センサ,温度セン
サを設けたものであり、これらのセンサのうち特に差圧
センサ,静圧センサを図3に示したセンサブリッジで構
成することにより、外部から定電圧信号を加えることに
より、それぞれのセンサから温度,静圧,差圧を示す信
号を取り出すようになっている。しかし、圧力歪を抵抗
値変換として検出するゲージ抵抗のピエゾ抵抗係数は約
−2500ppm/℃ の温度係数をもつ。そのため、従来
のようにこのゲージ抵抗を用いたセンサブリッジを定電
圧で励起すると、前記温度係数−2500ppm/℃ がそ
のまま出力として現われてしまっていた。このためビエ
ゾ抵抗の温度係数による温度影響は、出力信号を処理す
る増幅部のゲインの段数を増やすことにより吸収してい
た。
【0003】また、ゲージ抵抗は拡散抵抗としての温度
係数も持ち、その値は、不純物拡散濃度により変化する
が、2000〜3000ppm/℃ の値を持っているた
め、この抵抗温度係数を2500ppm/℃ にコントロー
ルし、センサブリッジを定電流駆動する方法も考えられ
る。これによればピエゾ抵抗の温度係数が拡散抵抗の温
度係数により相殺され、ブリッジ出力の温度影響を極め
て小さくすることができる。しかし、半導体複合センサ
は、差圧,圧力,温度の3つのセンサを持ち、温度セン
サは別として、2つの励起回路を必要とする。この従来
例による方法を図14に示すこれを定電流駆動とする場
合、独立に定電流源を作ると回路が必要となり結果的に
消費電流が増大する。定電流源を1つとしてシリーズに
駆動することも可能であるが、電源電圧が高くなるこ
と、同相電圧に差が生じ、増幅回路で信号取込みが複雑
になるなどの問題が生じてしまっていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、半導
体複合センサのピエゾ抵抗の温度係数による温度影響を
低く押え、以後の増幅段の負担の軽減,補正演算処理の
負担の軽減を目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の要点は、温度セ
ンサとして半導体複合センサ上に形成された拡散抵抗の
温度影響を利用し、センサ温度により励起電源電圧をコ
ントロールした点にある。
【0006】本発明の方法は、ピエゾ抵抗の温度影響特
性の逆特性を持つ励起電源を作ることにある。この励起
電源を作るため、センサ温度検出信号を利用している。
センサ温度検出は、拡散抵抗を使用しているが、これは
2000〜3000ppm/℃の抵抗温度係数を持ち、こ
の抵抗温度係数を利用して温度検出を行っている。した
がって、このセンサ温度検出信号に係数をかけて、定電
圧に加減算することにより、ピエゾ抵抗の温度影響特性
の逆特性をもつ励起電源を得ることができる。
【0007】
【作用】これにより半導体複合センサの差圧,圧力信号
のピエゾ抵抗の温度係数による温度影響を簡単な回路に
より、極めて小さくすることができ、後段の増幅段の簡
素化,高信頼化が図れる。
【0008】
【実施例】本発明の一実施例を図1を用いて説明する。
【0009】定電圧電源108からの電圧信号Vref
温度センサ106に入力されると共に加減算回路110
にも入力される。そして温度センサ106からの出力信
号VRtは加減算回路110に入力される。これにより加
減算回路110の出力信号Vexは、加減算回路の信号処
理内容を前もって設定しておくことにより、それ以降の
差圧センサ102,静圧センサ 104の温度影響の逆
特性になるように出力することが可能であり、差圧セン
サ出力端子112,静圧センサ出力端子114からは、温
度影響がない出力信号を得ることができるようになる。
【0010】また、これらの温度,差圧,静圧センサは
伝送器内の場所であれば任意の場所に置くことが可能で
あるが、それぞれのセンサを製作容易にするため、また
検出精度を高めるため図4に示したように、単一の半導
体センサチップ101上に形成することが可能である。
【0011】次に、本発明のセンサ検出回路の詳細な実
施例を図5に示す。
【0012】半導体複合センサチップ301上に、差圧
を検出するための差圧検出ブリッジ,静圧を検出する静
圧検出ブリッジ、そして温度を検出する温度検出抵抗が
形成されている。基準電圧源311からの電圧Vref
抵抗器309を介して温度検出抵抗に印加されている。
そして温度検出抵抗4からの検出温度を示す出力信号V
Rtは温度信号出力端子を介して加減算回路310に入力
している。そして加減算回路310からの励起電圧Vex
により、差圧静圧検出ブリッジが駆動するようになって
おり、差圧信号出力端子306、そして静圧信号出力端
子307からはそれぞれのセンサ出力信号が取り出せる
ようになっている。
【0013】このような回路において、加減算回路31
0には基準電圧Vref と温度検出抵抗304からは温度
にほぼ比例した電圧VRtが入力されるので、この回路か
ら出力される励起電圧Vexは以下の式のようになる。
【0014】Vex=aVref+bVRt となる。ここで、a,bを適正な値に選び励起電圧Vex
が、センサブリッジのピエゾ係数の温度影響特性の逆特
性になるようにすれば、差圧,圧力信号の温度影響を相
殺することが可能である。
【0015】尚、本実施例では4本抵抗体のゲージ構成
となっているが、本発明はこれらに限定されるものでは
なく、2本,1本の抵抗体によるセンサにも適用可能で
ある。
【0016】次に図6は図5で示した加減算回路の基本
的な構成を示した一実施例である。増幅器351に温度
検出抵抗からの電圧VRtと、基準電圧源311からの電
圧信号Vref が入力され、増幅器351まわりの第1,
第2,第3抵抗352,354,356により加減算増
幅された励起信号Vexが出力されるようになっている。
【0017】このような回路において、増幅器351ま
わりの抵抗352,354,356の値を、励起電圧V
exがセンサブリッジのピエゾ抵抗係数の温度影響の逆特
性になるようにすれば、差圧,静圧出力信号には温度影
響の要素が出なくなり、上述した式 Vex=aVref+bVRt に示したa,bの値を設定することが可能になる。
【0018】図7は本発明の一実施例の各部信号を示し
たものである横軸は温度Tを示し、定電圧駆動時の差
圧,静圧センサの出力は温度により(d)のように変化
する。これを、本発明による励起電圧Vex=aVref
bVRt のa,bの値を(d)の逆特性になるように設
定することによって、差圧,静圧センサを励起すると、
その出力には(e)のように温度影響が打ち消された出
力が得られる。
【0019】尚、この実施例では、増幅器が1個、抵抗
体が3個の例が示されているが、本発明の効果を達成す
るためには、増幅器の種類,抵抗体の数、又は増幅段数
は適宜変更可能である。
【0020】図8は本発明の半導体複合センサ駆動回路
を備えた差圧伝送器の一実施例を示したものであり、こ
の差圧伝送器は主に、圧力受圧部材20,センサ部組
2,シールダイアフラム6,7,過負荷保護ダイアフラ
ム4,第一,第二の圧力室81,82、第一,第二の隔
離室83,84で構成されている。
【0021】また、単一の部材からなる圧力受圧部材2
0の中心軸上には、過負荷保護ダイアフラム4,センサ
部組2を収納するための段付穴部23が、シールダイア
フラム6,7と直角方向に設けてある。段付穴23の小
径側には、増幅器と取り付けるための穴9が、また大径
側には過負荷保護ダイアフラム4を固定するための固定
金具10を取り付けるための穴10が設けてある。
【0022】そして、シールダイアフラム6,7,過負
荷保護ダイアフラム4,センサ部組2の間を導通路2
4,25,26で接続している。
【0023】本発明の一実施例の差圧伝送器における第
一の受圧室201,第二の受圧室202,第一の隔離室
203,第二の隔離室204の構造を図8を用いて説明
する。
【0024】本実施例の差圧伝送器においては、圧力受
圧部材20の穴部21,22からシールダイアフラム
6,7を組み込み、シールダイアフラム6,7の面が平
行となるように溶接して第一,第二の受圧室201,2
02を形成する。
【0025】次に栓35,36を段付穴37,38に組
み込み、栓35,36と段付穴37,38によって形成
された溝にメタル11,12を挿入し、メタルフロー
(塑性加工)接合を行い、測定流体受圧室17,18を
形成する。
【0026】圧力受圧部材20の中心段付穴部23に
は、径の大きな方向よりセンサ部組2を挿入し、センサ
部組2の導通路60と圧力受圧部材20の導通路25が
導通するように組み込み、センサ部組2の両端を溶接す
る。
【0027】その後、センタ金具5をセンタ金具5の導
通路61と圧力受圧部材20の導通路24が導通するよ
うな位置に、また過負荷保護ダイアフラム4の波形状と
同一に加工した面を過負荷保護ダイアフラム4側に向け
て取り付け、さらに過不過保護ダイアフラム4を圧力受
圧部材20に溶接し、第一の隔離室83を形成する。セ
ンタ金具5の中心には過負荷保護ダイアフラム4から半
導体センサ44へ圧力を伝達するための導通路63が設
けてある。固定金具取り付け穴10に固定金具8を固定
金具8に導通路62と圧力受圧部材20の導通路26が
導通するように、また過負荷保護ダイアフラム4の波形
状と同一に加工した面を過負荷保護ダイアフラム4側に
向けて取り付け、固定金具8と圧力受圧部材20によっ
て形成された溝にメタル13を挿入し、メタルフロー接
合を行い、第二の隔離室84を形成する。
【0028】過負荷保護ダイアフラム4は半導体センサ
101の保護用のダイアフラムで、シールダイアフラム
6、または7に過大圧力が印加したときセンサを保護す
る役目を果す。シールダイアフラム6,7は過大圧力を
印加したとき、シールダイアフラム6,7の形状と同一
の波形に加工した圧力受圧部材20に着差し封入液16
の内圧上昇を防止する。過負荷保護ダイアフラム4は、
シールダイアフラム6,7が着座するまでの移動液量を
第一,第二の隔離室83,84で吸収し、内圧上昇を半
導体センサ101の耐圧以下に押さえることによって半
導体センサ101を保護する。
【0029】図9は本発明で使用される複合機能形セン
サの一実施例を示す断面図であり、図11は図9のセン
サのみの平面図であり、図10はその回路図である。
【0030】図9において101は単結晶シリコンから
なる複合機能形センサチップである。複合機能形センサ
チップ101は中空の第1の固定台802,中空の第2
の固定台803を介してハウジング2に取付けられる。
第1の固定台802は複合機能形センサチップ101の
ハウジング2からの電気絶縁およびハウジング2からの
線膨張係数の相違による熱歪の低減を考慮し、シリコン
と線膨張係数の近似した硼珪酸塩ガラス又はその接合面
のみに酸化膜を付けたシリコンが好ましい。また、第2
の固定台803は固定台802と同様に、線膨張係数お
よびハウジング2への溶接接合等の取付けを考慮し、シ
リコンと線膨張係数の近似したFe−Ni合金、あるい
はFe−Ni−Co合金が好ましい。第1の固定台80
2を硼珪酸塩ガラス、又は接合面に酸化膜を付したシリ
コン、第2の固定台803をFe−Ni合金又はFe−
Ni−Co合金とすると、複合機能形センサチップ10
1と第1の固定台802、および第2の固定台803は
陽極接合法により容易に接合できる。さらに、第2の固
定台803とハウジング2は通常の溶接接合(例えばT
IG溶接2はプラズマ溶接)により容易に接合される。
【0031】複合機能形センサチップ1からの差圧又は
圧力差信号,静圧信号,温度信号の各信号はリード線8
17、および配線板805を介して、ハウジング2に設
けられたハーメチックシール部841の端子45により
それぞれ取出される。
【0032】複合機能形センサチップ101は(10
0)面のn形単結晶シリコンであり、その一方の面のほ
ぼ中央にほぼ円形又は環状の薄肉部811を有する。一
方、チップ101の他方の面は、中央に孔を有する第1
の固定台802により凹部813を形成する。この凹部8
13に検出すべき圧力の一方を中央に孔を有する第2の
固定台803より圧力を導入する。これにより、前記薄
肉部811は差圧又は圧力差に感応する起歪体となり、
差圧感応ダイアフラムとして動作する。
【0033】差圧感圧ダイアフラム811の上面には、
(100)面におけるピエゾ抵抗係数が最大となる〈1
10〉軸方向に、p形ゲージ抵抗611〜614の差圧
又は圧力差抵抗がそれぞれ平行に、又は直角方向に拡散
法あるいはイオン注入法により4個形成される。前記各
抵抗611〜614の位置は差圧又は圧力差印加時に差
圧感圧ダイアフラム811上に発生する半径方向と周方
向の応力が最大になる固定部近傍に形成される。またそ
れらの抵抗の方向として、611,613を半径方向と
し、612と614を接線方向としている。これらの抵
抗群は図15に示すようなブリッジに結線される。差圧
感圧ダイアフラム811の形状と肉厚は感応する差圧又
は圧力差により所望の形状と肉厚に設定されている。
【0034】差圧感圧ダイアフラム811上の抵抗群6
11〜614はダイアフラムの上面と凹部13の圧力差
により発生する応力を受けることにより、ピエゾ抵抗効
果にてその抵抗値が変化するため、図10の回路におけ
る504〜507の端子より差動にて取出せる。しかし
ながら、この出力は差圧感圧ダイアフラム811の両面
にかかる圧力が等しいときでさえ、あるいは温度が変化
したときでも感応してしまう。これらの主要因としては
第1には、611,614の抵抗値は温度の関数で変化
してしまうということである。第2には複合機能形セン
サチップ101は図9に示すように材質の相違する接合
を有した連続の構造体としてその機能を発揮するため、
圧力印加時には何らかの応力が必然的に発生してしまう
ということである。
【0035】このため、本発明の一実施例では、圧力と
温度に感応する補助センサを複合機能形センサチップ1
01上に設け、それらの信号にて差圧又は圧力差信号を
高精度に補正するようにしてある。
【0036】図9,図11において、複合機能形センサ
チップ101の前記差圧感応ダイアフラム811以外の
厚肉部812に少なくとも1個の感温抵抗655が形成
される。この感温抵抗は(100)面におけるピエゾ抵
抗係数の最小感度を示す〈100〉軸方向に配置された
p形の感温抵抗であり、圧力には感応しない。この抵抗
は差圧抵抗群611,614と同様に拡散又はイオン注
入法により所定の出力が得られる抵抗値で形成される。
【0037】一方、もう1つの補助センサである静圧セ
ンサは、前記感温抵抗655と同様に、センサチップ1
01の厚肉部812に前記差圧抵抗群と同じ結晶軸方向
に、それぞれ平行に又は直角方向に4個の静圧抵抗群6
51〜654が形成される。静圧抵抗群651〜654
のうち、651と654は前記チップ101の厚肉部8
12の一部に薄肉部815を有する面上に形成される。
この薄肉部815のもう一方の面は前記第1の固定台8
02の一方の面と凹部821を形成する。この凹部82
1は接合時に完全に封止されるので、静圧と完全に分離
され、所定の圧力を有した基準圧室として動作する。一
般には、この基準圧室の圧力としては真空〜大気圧間の
所定の圧力に保持されている。これにより、厚肉部81
2上の薄肉部815は静圧に感応する起歪体となり、基
準圧室の圧力と静圧との圧力差に感応する静圧感応ダイ
アフラムとして動作する。この静圧感圧ダイアフラム81
5には前記差圧感圧ダイアフラム811に比して数百倍
の差圧に耐える必要があるため、前記凹部821の形状
設定に十分注意する必要がある。
【0038】図12に本発明の複合機能形センサの駆動
回路を備えた差圧伝送器の信号処理回路の一実施例を示
す。複合センサ101は差圧と静圧と温度によるゲージ
抵抗の変化を図15で示したように電気信号として出力
し、マルチプレクサー(MPX)731に選択的に取り込
まれる。
【0039】マルチプレクサー731に取り込まれた各
種の信号はプログラマブルゲインアンプ(PGA)73
3で増幅され、次にA/D変換器734でディジタル信
号に変換され、マイクロプロセッサー(MPU)730
に送信される。メモリ739(EPROM)には差圧,
静圧,温度センサの各特性(圧力伝送器の場合は圧力と
温度センサの各特性)が予め記憶されており、これらの
データを用いて前記マイクロプロセッサー730にて補
正演算することにより、高精度の差圧信号値と、静圧,
温度信号値を演算するようになっているが、この本発明
の一実施例によれば差圧,静圧センサの出力には、温度
影響が取り除かれるので、差圧,静圧,温度の各センサ
の出力を求める補正演算が簡単になる。そしてこの演算
結果は、D/A変換器737とV/I変換器738を介
して通常のアナログ信号に変換され、DC4〜20mA
の信号となって上位の制御装置であるコンピュータ74
0差圧,静圧,温度信号が送出される構成となってい
る。
【0040】また、以上の本発明の一実施例では、セン
サ励起増幅回路をアナログ回路で構成したが、本発明の
内容はこれらに限定されるものではなく、デジタル的に
励起増幅回路を構成することも可能である。図16にこ
の本発明の一実施例を示す。差圧,静圧センサの励起電
圧の変調を可変に設定できるように温度センサからの信
号をA/D変換し、MPUでその変調の程度を演算す
る。そして、この結果をセンサ励起回路にフィードバッ
クすることによって、増幅度をコントロールして、差
圧,静圧センサの出力に温度影響が現われないようにし
ている。
【0041】そして、本実施例の装置では、複合機能形
センサ101により求めたプロセス状態に関する情報
を、直流電流(例えばDC4〜20mA)に変換して信
号処理回路の近くに設けた表示部(図示していない)に
送ること、直流電流に情報のデジタル信号を重畳して送
ること、さらに図では示していないが信号処理回路から
直接にデジタル信号を送ることによりプロセス情報を出
力することが可能である。
【0042】また、デジタルI/O回路740により直
流電流信号にデジタル信号を重畳して、外部に設けられ
た監視制御装置と通信を行い、この装置によりプロセス
状態に関する情報を表示し、そしてこの装置から測定レ
ンジなどパラメータの設定,変更,出力調整,入出力モ
ニタ,自己診断などを行うことができる。
【0043】図12に本発明の複合機能形センサの駆動
回路を備えた差圧伝送器を、プロセス状態を監視,制御
する上位機器に接続した場合のプロセス制御システムの
一実施例を示す。
【0044】2線式伝送路950に接続された差圧伝送
器930および940のプロセス状態を検出した信号は
シグナルコンパレータ910を介してオペレータコンソ
ール740に接続することにより、プロセス現場から離
れた場所でも知ることができるようになる。またオペレ
ータコンソール740以外でも、2線式伝送路に接続さ
れたハンドルヘルドタイプ通信器920においてもプロ
セス状態検出器の経時変化状態を検出することが可能に
なる。
【0045】
【発明の効果】本発明は、半導体複合センサの差圧,圧
力信号のピエゾ抵抗の温度係数による温度影響を簡単な
回路により、極めて小さくすることができ、後段の増幅
段の簡素化,高信頼化,低価格化に効果がある。
【0046】また、センサの温度影響は、ピエゾ抵抗の
温度係数だけでなく、受圧機構部によるものも存在す
る。この場合においては、この影響が加算、あるいは減
算されることになる。本発明によれば上記のような複数
の要因による温度影響も図1の加減算回路の定数を変え
ることにより対応可能であり、大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセンサ励起回路の一実施例。
【図2】従来例の励起回路。
【図3】センサ抵抗体の一実施例。
【図4】本発明の変形例。
【図5】本発明の具体的な回路。
【図6】本発明に使用される加減算回路の一実施例。
【図7】本発明の各センサの出力図。
【図8】差圧伝送器の一実施例。
【図9】複合センサの実施例。
【図10】複合センサの回路例。
【図11】複合センサの平面図。
【図12】本発明の差圧伝送器の回路構成例。
【図13】本発明の差圧伝送器のプラント使用例。
【図14】センサ回路の従来例。
【図15】複合センサの出力取り出し例。
【図16】本発明の差圧伝送器の回路の一変形例。
【符号の説明】
2…シール金具部組、4…過負荷保護ダイアフラム、5
…センタ金具、6,7…シールダイアフラム、8…固定
金具、9…増幅器取付穴、10…固定金具取付穴、1
1,12,13,14,66…メタル、15,16…封
入液、17,18…測定流体受圧室、20…圧力受圧部
材、21,22…シールダイアフラム取付け穴部、23
…センサ部組収納穴部、24,25,26,27,6
0,61,62,63…導通路、35,36…栓、3
7,38…段付穴、44…半導体差圧センサ、45…ハ
ーメチックシールピン、46…FPC、47…増幅器ケ
ース、51,52…シールピン、53,54…液封口、
201…第一の受圧室、202…第二の受圧室、203
…第一の隔離室、204…第二の隔離室、301…複合
機能形センサ、302…差圧センサ、303…静圧セン
サ、304…温度センサ、309…外部抵抗、903…
プロセス情報、733,743…プログラマブルゲイン
アンプ。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】歪により抵抗値の変化するゲージ抵抗と温
    度により抵抗値の変化する温度検出用抵抗を有する半導
    体圧力・差圧センサの前記ゲージ抵抗で抵抗ブリッジを
    形成し励起電圧源を接続し圧力または差圧を電気信号に
    変換し、前記温度検出用抵抗に電流を流し温度を電気信
    号に変換するセンサ励起方法において、前記励起電圧源
    の電圧を電気信号に変換された温度により変調させるよ
    うに成し、前記圧力・差圧検出用の抵抗ブリッジの温度
    影響を補正する手段を有することを特徴とする半導体圧
    力・差圧センサの励起方法。
  2. 【請求項2】請求項1の半導体圧力・差圧センサの励起
    方法において、前記励起電圧を前記温度検出用抵抗から
    の信号をA/D変換し、マイクロプロセッサで変調を演
    算し、前記励起電圧をコントロールする半導体圧力・差
    圧センサの励起方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017207462A (ja) * 2016-05-17 2017-11-24 エーエーシー テクノロジーズ ピーティーイー リミテッドAac Technologies Pte.Ltd. 圧力センサー
JP2021139758A (ja) * 2020-03-05 2021-09-16 Tdk株式会社 圧力センサ

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