JPH0797010B2 - 半導体歪ゲ−ジブリツジ回路 - Google Patents

半導体歪ゲ−ジブリツジ回路

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JPH0797010B2
JPH0797010B2 JP61065713A JP6571386A JPH0797010B2 JP H0797010 B2 JPH0797010 B2 JP H0797010B2 JP 61065713 A JP61065713 A JP 61065713A JP 6571386 A JP6571386 A JP 6571386A JP H0797010 B2 JPH0797010 B2 JP H0797010B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体歪ゲージを用いたブリツジ回路に係り、
特にブリツジ回路の零点温度補償に好適な温度補償回路
を有する半導体歪ゲージブリツジ回路に係る。
〔従来の技術〕
ピエゾ抵抗効果を利用した圧力トランスデューサは既に
広く用いられている。しかし、半導体歪ゲージの欠点
は、温度変化に対し抵抗値やピエゾ抵抗係数の変化が敏
感なため、出力感度や零点が著しく影響を受けることで
ある。従つて、半導体歪ゲージの純粋な歪量を検知する
には適当な温度補償が必要となる。
零点の温度補償に関しては、一般にブリツジの相隣る2
辺に組み込んだ半導体歪ゲージの一方に半導体歪ゲージ
の温度抵抗特性を他のゲージと一致させるに必要な固定
抵抗を直並列に接続することが知られている。しかし、
この直並列抵抗の抵抗値の算出決定には複雑な計算を必
要とし、更に直列抵抗を接続するため、圧力センサ部と
周辺回路との間の接続点数が多数(例えば、5個所以
上)となる欠点があつた。
かかる従来技術における問題点を解決するためのものと
して、例えば特開昭58−140604号公報によれば、所定温
度において歪ゲージの中点に発生する中点電圧と同一の
電圧を発生する手段を設け、この電圧を抵抗を介してブ
リツジ脚の一方の中点に接続するものが知られている。
即ち、所定温度(t1)と他の温度(t2)でのブリツジ零
点出力が等しくなるように調整することで半導体歪ゲー
ジの零点温度補償を行うものである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら上記の従来技術には、所定温度(t1)と他
の温度(t2)間での零点温度補償を行い得るものではあ
るが、上記以外の温度、即ちt1以外又はt2以上の温度範
囲では十分な温度補償が行われないという欠点を有す
る。何故ならば、上記の温度補償は、上記特開昭58−14
0604号公報の第4図にも示されるように、ブリツジの温
度特性そのものを変化させて補償するものではなく、基
準点V01を中心として回転する形で温度特性を平坦にし
ようとするからである。このため、このブリツジ自体の
温度特性が上記所定の温度範囲外においてうねりを生じ
ている場合、このうねりまで補償しきれず、そのためブ
リツジの零点出力にうねりを生じ、広い温度範囲での高
精度な温度補償をすることができなくなるのである。
本発明は、上記従来技術に鑑み、広い温度範囲において
高精度な温度補償をすることのできる半導体歪ゲージ用
温度補償回路を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記本発明の目的は、所定温度におけるブリツジ中点電
圧を発生する手段が接続されているブリツジ出力端子と
は反対側の出力端子に、半導体歪ゲージと並列に、上記
半導体盃ゲージブリツジ出力のうねりと同様の温度特性
を有するサーミスタ等の感温素子と抵抗を組み合せた補
償回路を接続した半導体歪ゲージブリツジ回路により達
成される。
〔作用〕
上記補償回路を構成するサーミスタと抵抗により、半導
体歪ゲージブリツジの出力のうねりと同特性の温度特性
でブリツジ中点の一方の電圧又は電流を引き抜き、これ
によりブリツジの有する零点温度特性を広い温度範囲に
わたつて補償する。
〔実施例〕
以下、本発明による半導体歪ゲージブリツジ回路の実施
例を図を用いて説明する。
第1図において、ブリツジ回路2は複数の半導体歪ゲー
ジG1〜G4により構成されており、その入力端子aには、
サーミスタRTH、固定抵抗SS1とRS2とから成る、いわゆ
る感度温度補償回路1が直列に接続され、半導体歪ゲー
ジブリツジの感度の温度補償を行つている。また、図に
おいてV1Nは入力電源電圧を示している。また、ブリツ
ジ回路2の出力端子bには、抵抗RZ1〜RZ3により構成さ
れ、入力電圧VINをRZ1とRZ2で分割し、その接点eに所
定の基準温度(例えば室温である20℃)におけるブリツ
ジ中点と同一の出力電圧を発生する零点温度補償回路3
が抵抗RZ3を介して接続されている。
さらに、ブリツジ回路2の出力端子bとは反対側の出力
端子dと他の入力端子cの間には、本発明の特徴とな
る、即ち半導体歪ゲージブリツジ出力の無負荷時におけ
る出力のうねりを補償するためのうねり補償回路4がそ
う入され、ブリツジ出力V0は、出力端子b及びdから取
り出される。このうねり補償回路4は、サーミスタRZTH
と固定抵抗Rz5の直列接続により構成されている。後に
詳細に説明するが、このうねり補償回路4のサーミスタ
RZTHと抵抗RZ5はそれらの組み合せにより、上記ブリツ
ジ出力のうねり特性と同様の温度特性を有するように設
定されている。
第2図(a)は、以上の回路構成において、ブリツジ回
路2への駆動電圧である電源電圧V1Nが一定のとき、さ
らに圧力が60kPa変化したときのブリツジ出力(感度出
力)の温度変化に伴う変化の状況を示したものである。
この感度温度特性は、第2図(b)に示す様な温度出力
特性を持つ回路、具体的には第1図に示した感度温度補
償回路1により相殺され、これにより得られる補償され
た感度出力が第2図(c)に示される。
次に、半導体歪ゲージG1〜G4が無歪状態における温度変
化に対する半導体歪ゲージの出力特性を第3図(a)に
示す。この零点出力は、ブリツジを構成する半導体歪ゲ
ージG1〜G4の形成時に生じる個々のゲージのパターンず
れ、拡散不純物濃度の差等により生じる抵抗率の不均
一、さらにはゲージの形成されるシリコンチツプとその
固定台座であるガラス基板との間の熱膨張率の差により
生じる歪等の起因とし、ゲージG1〜G4に圧力が印加され
ていない状態にもかかわらず、ブリツジ出力として発生
されるものである。このような半導体歪ゲージの出力温
度特性が第3図(a)に示される。またこのような半導
体歪ゲージG1〜G4により構成されるブリツジ回路2の零
点出力が第2図(b)に波線によつて示されている。
上記ブリツジ回路2の零点温度出力特性は、第1図に示
される零点温度補償回路3により、例えば室温である20
℃を基準温度(t0)として、これを回転するような形で
補償が行われる。この零点温度補償回路2により補償さ
れたブリツジ出力が第2図(b)に実線で示されてい
る。この図から明らかなように、基準温度T0におけるブ
リツジの中点出力と同一の出力電圧を入力電源V1Nを分
圧してブリツジ回路の一方の出力端子bに印加する補償
方式では、ブリツジ回路2の出力温度特性自体を補正、
即ち曲がつた特性を直線状に補正するものではなく、特
性曲線を基準温度T0時の値を中心に回転する形で補正す
るものである。そのため、上記基準点から離れた点での
ブリツジ出力特性の非直線性に基づく、即ち特性曲線の
うねり、特に低温側でのうねりによる出力誤差まで補償
することは不可能である。
本発明による半導体歪ゲージブリツジ回路では、さらに
上記ブリツジ出力のうねりを取り除くためのうねり補償
回路4がそう入されており、この補償回路によりブリツ
ジ出力は第2図(c)に示すように、広い温度範囲にお
いて零点温度特性が平坦にされている。
一般的に、サーミスタは第4図に示すような負の非線形
温度特性を有している。また、図からも明らかなよう
に、このサーミスタの特性は半導体歪ゲージ抵抗の持つ
温度特性も類似したものである。それ故、サーミスタR
ZTHと固定抵抗RZ6を直列に組み合せ、これをブリツジ回
路の中点(具体的には端子d)及び入力端子(端子c)
にそう入することによりブリツジ出力に生じるうねり特
性を補償する。
第1図に示される実施例では、うねり補償回路4はサー
ミスタRZTHと固定抵抗RZ5の直列接続により構成されて
いるが、このうねり補償回路4の他の変形例を第5図
(a)及び(b)に示す。第5図(a)の回路では、サ
ーミスタRZTHと固定抵抗RZ5の直列接続に、さらにサー
ミスタRZTHと並列に固定抵抗RZ6を追加しており、これ
により、より最適の組合せを得ることができ、より高精
度にブリツジの零点出力のうねりを補償するものであ
る。さらに、第5図(b)の回路では、サーミスタRZTH
と直列にさらに固定抵抗RZ7をそう入したものである。
これらの変形例は、半導体歪ゲージブリツジが本来有す
る零点出力温度特性のうねり特性に、上記うねり補償回
路の温度特性をなるべく近づけるためのものである。
第6図には、第1図に示す半導体歪ゲージブリツジ回路
の出力端に増幅回路5を直結して構成した定電圧駆動型
圧力センサとした場合の回路構成が示されている。そし
て、この回路ではブリツジ回路2の出力端子b及びdが
それぞれ抵抗R1,R2を介してオペレーシヨナルアンプ
(アペアンプ)51の正極及び負極入力端に接続されてい
る。また、オペアンプ51の出力端には出力電圧V0が出力
されるとともに、帰還抵抗R3を介して正極入力端に帰還
され、電圧増幅器を構成している。
このような回路の実際の出力の零点誤差が第7図に示さ
れている。図から明らかなように、従来の零点温度補償
回路による補償だけでは、特に低温側(例えば0℃から
−40℃の間)において、ブリツジ出力温度特性曲線のう
ねりにより零点誤差が大きく、ある限定された温度範囲
でしか十分に補償ができず、十分な検出精度を確保する
ことができなかつた。一方、うねり補償回路4により、
このうねりによる零点誤差を補償できることとなり、こ
れにより広い温度範囲(例えば−40℃〜120℃)にわた
つて±数%の精度で圧力の精密な測定が可能となつた。
第8図には、第1図の半導体歪ゲージブリツジ回路の出
力端に増幅回路5を直結した定電流駆動型の圧力センサ
が示されている。この回路では、オペアンプ15により定
電流をブリツジ回路2の入力端子aより供給している。
そして、ブリツジ回路2の他の入力端子cには抵抗RI2
が接続され、この抵抗RI2に表われる電圧信号が感度温
度補償回路を構成するオペアンプ15の負極端子に入力さ
れている。この感度温度補償回路11は、半導体歪ゲージ
ブリツジの感度の温度変化を補償するものであり、温度
に応じてその供給する電流を制御するものである。この
回路は、サーミスタRTHと固定抵抗RS1の直列接続と、こ
れに並列に接続された固定抵抗RS2を持ち、これらにさ
らに直列に接続された固定抵抗RI1を有しており、サー
ミスタRTH,抵抗RS1,RS2の直並列回路と抵抗RS1との中点
がオペアンプ15の正極入力端に入力されている。このよ
うな回路構成により、ブリツジ回路2に供給される電流
に対応した電圧と温度により変化する中点の電圧を比較
しながら、その供給電流を制御することにより感度温度
補償を行うものである。
上述の定電流駆動型圧力センサにより得られる温度とセ
ンサ出力の零点誤差との関係が第9図に示されている。
この実施例でも、他と同様、うねり補償回路4のそう入
により、広い温度範囲にわたつて零点出力誤差を所定値
に低減することができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、従来の零点温度補償回路では補償不能
であつたブリツジの零点出力の所定温度範囲外、特に低
温側でのうねりを補償することがができるため、広い温
度範囲において高精度な零点温度補償を施した圧力セン
サが得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明になる半導体歪ゲージブリツジ回路を示
す回路図、第2図(a),(b)及び(c)は第1図の
回路における感度温度特性の補償を説明するための図、
第3図(a)(b)及び(c)は、本発明になるうねり
補償回路による零点温度特性の補償を説明するための
図、第4図はうねり補償回路を構成するサーミスタの温
度抵抗特性を示す図、第5図(a)及び(b)は第1図
のうねり補償回路の変形例を示す図、第6図は第1図の
半導体歪ゲージブリツジ回路を適用した定電圧駆動型圧
力センサの回路を示す図、第7図は第6図の実施例にお
ける温度零点誤差特性を示す図、第8図は第1図の半導
体歪ゲージブリツジ回路を適用した定電流駆動型圧力セ
ンサの回路を示す図、そして第9図は第8図のセンサの
温度零点誤差特性を示す図。 1……感度温度補償回路、2……ブリツジ回路、3……
零点温度補償回路、4……うねり補償回路、5……増幅
器。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体歪ゲージにより構成される閉ブリツ
    ジ回路と、該ブリツジ回路の一対の入力端に接続されか
    つ該ブリツジ回路の感度温度特性を補償するための回路
    手段を有する駆動回路と、該ブリツジ回路の一対の出力
    端の一方に接続された零点温度補償を行うための回路と
    を有するものにおいて、前記ブリツジ回路の一対の出力
    端のうち前記零点温度補償回路が接続された一端とは反
    対の他端に、負性温度抵抗特性を有する素子を含むうね
    り補償回路を接続したことを特徴とする半導体歪ゲージ
    ブリツジ回路。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、該うねり
    補償回路は、サーミスタを含むことを特徴とする半導体
    歪ゲージブリツジ回路。
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