JPH0823482B2 - 半導体歪ゲージ用温度補償回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は半導体歪ゲージを用いたブリッジ回路の零
点温度補償に関する。

［発明の技術的背景及びその問題点］ ピエゾ抵抗効果を応用した半導体歪ゲージは公知のご
とく、歪に対して極めて感度が高いばかりでなく、ヒス
テリシスがない、リニアリテイが良い、小型にできるな
どの利点のため広く利用されている。しかし、半導体で
あるため、温度変化に対して、敏感に抵抗値やピエゾ抵
抗係数が変化する。このため、零点や、出力感度が著し
い温度影響を生じ、これが半導体歪ゲージの唯一の欠点
である。

従って、半導体歪ゲージを温度変化を伴なう雰囲気中
で使用する場合は適切な温度補償を行なわないと半導体
歪ゲージの純粋な歪量を検知することができない。ここ
に、半導体歪ゲージ使用に際して温度補償の必要性があ
る。

半導体歪ゲージをブリッジに構成し、検出器として使
用する場合の温度補償としては、一般に、歪に対して、
ピエゾ抵抗効果が互に逆方向に生ずるゲージをブリッジ
の相隣る２辺に配置するとともに、感度の温度補償のた
め、半導体又は、サーミスタ等で構成する感度補償回路
をブリッジと直列に接続し、ブリッジの印加電圧が正の
温度特性となるように考慮する。

これにより感度の温度補償は十分であるが、半導体歪
ゲージの温度変化による抵抗変化が同一でなければ温度
による抵抗変化分の相互相殺の効果は十分ではなく完全
な温度補償は得られない。

しかし、実際には、拡散濃度のばらつきや抵抗パター
ンのずれなどで同一の温度抵抗特性をもった半導体歪ゲ
ージを得ることは難しく、ゲージ間の温度抵抗特性にア
ンバランスが生ずることはさけられない。

従って、より正確に半導体歪ゲージの歪による抵抗値
変化を検出するためには、前記の様なブリッジ構成にし
た後、更に、零点温度補償を行なう必要がある。

この零点温度補償は、一般に、ブリッジの相隣る２辺
に組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、
この場合、直、並列抵抗値の算出に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
辺回路の接続数が５カ所以上となる欠点があり、厚膜回
路技術等で集積化センサを製造することは困難である。

第７図は半導体歪ゲージG₁〜G₄をブリッジに構成した
ブリッジ回路２とサーミスタＲTHと固定抵抗R₁₁,R₁₂か
ら成る感度温度補償回路１を直列に接続し、感度の温度
補償を施した状態を示す。V_INは入力電源電圧であり、V
₀は出力電圧Vd−Vbである。

該ブリッジ回路の感度の温度係数は該半導体歪ゲージ
を拡散形成したときの不純物濃度で若干異なるが、約−
2000ppm/℃である。これを補償する該感度温度補償回路
のインピーダンスは、該サーミスタR_THの効果で、高温
で小さくなり、低温で大きくなる。従って、該固定抵抗
R₁₁,R₁₂を適当な値にすることで、該圧力センサの点a,c
間の電圧V_Aを＋2000ppm/℃の温度係数にでき感度の温度
補償を実現できる。

次に、該半導体歪ゲージが無歪状態で、雰囲気温度が
t₁からt₂に変化したときの該ゲージG₁〜G₄の抵抗値がそ
れぞれ、R₂₁₁からR₂₁₂に、R₂₂₁からR₂₂₂に、R₂₃₁からR
₂₃₂に、R₂₄₁からR₂₄₂に変化したとすると、それらの変
化はほぼ直接的に現われ、雰囲気温度Ｔと該半導体歪ゲ
ージの抵抗Ｒの関係は第８図の特性線g₁〜g₄によって示
される。

第７図に示す回路構成で該半導体歪ゲージを無歪状態
にしたときの出力電圧V₀が雰囲気温度の影響を受けない
ためには、当該g₁〜g₄は一致し１本の特性線となること
が必要である。しかし、これは既述のごとく困難であ
り、実際には第８図のごとく４本の異なった特性線とし
て示される。

ところで、従来の零点温度補償は、該半導体歪ゲージ
と直、並列に固定抵抗を接続し、みかけ上g₁〜g₄を一致
させんとする試みがなされてきた。

また、必ずしもg₁〜g₄を一致させなくても、該a,c間
の電圧V_Aが2000ppm/℃の温度係数であることに着目し、
圧力センサの出力点ｂあるいはｄと所定電圧点を抵抗を
介して接続することによって零点温度変化を補償する試
みがなされてきた（特開昭58−140604号公報；米国特許
3245252号公報；「電子科学」第30巻８号45〜49号,1980
年８月，産報出版）。

例えば、特開昭58−140604号公報は第９図に示すよう
な補償方法を開示する。

第９図において、感度温度補償回路1,ブリッジ回路２
は第７図と等しい。零点温度補償回路３は抵抗R₃₁〜R₃₃
で構成し、入力電源電圧をR₃₁,R₃₂で分割し、点ｅに基
準電圧を得るとともに、該ｅとブリッジ回路の一方の出
力点ｂをR₃₃を介して接続する。

ここで、零点温度補償をしない状態（R₃₃＝∞）で、
雰囲気温度がt₁からt₂に上昇し、ブリッジ回路の点a,c
間の電圧差がVa1からVa2へ増大したときに、出力電圧V0
が第10図で示すV₀₁からV₀₂へ変化するようなブリッジ回
路の特性を有している場合には、その変化はほぼ直線的
に現れる。

次に、t₁でe,b間の電圧が零になるようR₃₁あるいはR
₃₂を調整する。これで、t₁ではR₃₃の値がどの様な値で
あっても出力電圧はV₀₁である。次に、雰囲気温度がt₂
に上昇すると感度温度補償回路１の抵抗値は低下するた
め、点ｂの電圧Vbは点ｅの電圧より高くなるがR₃₃によ
り、その量が減少され出力電圧Vd−VbはV₀₂よりも正符
号方向に変化する。この量はほぼR₃₃に反比例する。従
って、t₂でV₀₂である出力電圧V0がV₀₁になるようR₃₃を
調整することによって、第10図の特性線f₂となるよう
に、零点の変化を補償できる。

しかしながら、この方法は零点の温度特性が直線的な
変化を呈する場合には有効な補償方法であるが、第11図
に示すように零点の温度特性f₃が低温側t₃〜t₁と高温側
t₁〜t₂で異なる係数に従い変化する場合には、高温側t₁
〜t₂での温度特性を補償すると、特性線f₄に示す様な特
性となって低温側t₃〜t₁での誤差が大きくなり、逆に低
温側t₃〜t₁での温度特性を補償すると、特性線f₅に示す
ように高温側t₁〜t₂での誤差が大きくなってしまうとい
う欠点を有する。また補償できる符号が決まっているの
で符号を変えるには点ｂに接続されているR₃₃を点ｄに
接続する様に接続を変更する必要がある。

［発明の目的］ この発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的
としては、高温側と低温側の補償量をおのおの独立に、
かつ、連続的に異なった値に調整でき、非直線的な零点
温度特性をも有効に補償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。

［発明の概要］ 上記目的を達成するため、半導体歪ゲージG₁〜G₄を含
むブリッジ回路２と、このブリッジ回路２を駆動してそ
の感度の温度補償を行なう感度温度補償回路１と、ブリ
ッジ回路２が所定温度にあるときブリッジ回路２の出力
端子の電位とほぼ等しい電圧を発生する零点温度補償回
路３とを具えた半導体歪ゲージ用温度補償回路におい
て、ブリッジ回路２の出力端子b,d間に２つの可変抵抗
器R₃₅a,R₃₅bを並列に接続し、温度の高低に応じて択一
的にオン動作する２つのスイッチを有するスイッチ回路
５を介して各可変抵抗器R₃₅a,R₃₅bの摺動子を択一的に
零点温度補償回路３に接続するようにした。

［発明の実施例］ 以下、図面を用いてこの発明の実施例を説明する。

第１図において、ブリッジ回路２のb,d間には可変抵
抗R₃₅a,R₃₅bが並列に接続され、可変抵抗R₃₅aの摺動子
は抵抗R₃₄a,スイッチ回路５を順次介して零点温度補償
回路３の接続点ｅに接続され、他方の可変抵抗R₃₅bの摺
動子は抵抗R₃₄b,スイッチ回路を順次介して接続点ｅに
接続されている。

スイッチ回路５はベースが互いに接続された一対のPN
P形トランジスタQ₅₃,Q₅₄を具え、ブリッジ回路２の点Ｃ
の等電位ラインL1にベースが抵抗R₅₄を介して接続し、
トランジスタQ₅₄のコレクタがラインL1に抵抗R₅₆を介し
て接続し、トランジスタQ₅₃のエミッタ，コレクタがそ
れぞれ点e,抵抗R₃₄aに接続する構成を有する。また、ス
イッチ回路５はベースが互に接続された一対のNPN形ト
ランジスタQ₅₁,Q₅₂を具え、ブリッジ回路２の点ａの等
電位ラインL2にベースが抵抗R₅₃を介して接続し、トラ
ンジスタQ₅₂のコレクタがラインL2に抵抗R₅₅を介して接
続し、トランジスタQ₅₁のエミッタ，コレクタがそれぞ
れ点e,抵抗R₃₄bに接続する構成を有する。点a,c間の電
圧は抵抗R₅₁,R₅₂により分圧され、この分圧値がトラン
ジスタQ₅₂,Q₅₄のエミッタに与えられるようになされて
いる。

以上の構成において、抵抗R₃₁,R₃₂,R₃₄a,R₃₄b,R₃₅a,R
₃₅bにより零点温度補償回路３が構成され、このように
構成することにより、正負の補償量を連続的に可変する
ことができる。

この構成は、以下に示す検討に基づき形成された。

第９図の従来回路における点ｅとブリッジ回路２の点
ｄを第２図に示す様に抵抗R₃₆を介して接続すると、点
ｂの電位に対する抵抗R₃₃による補償効果と点ｄの電位
に対する抵抗R₃₆の補償効果は共に前述の様に動作する
ため、抵抗R₃₃,R₃₆の大小により両者の補償の効果を調
整することが出来る。従って抵抗R₃₃,R₃₆の大小関係に
より正負何れの補償量を規定するかを定めることができ
る。

この第２図の回路は視点を変えれば点b,dを抵抗で接
続し、定電位点を挾んでその抵抗を分割する構成である
ので、周知のデルタ接続とスター接続の等価変換から第
３図に示す様な点b,d間を可変抵抗R₃₅で接続し、可変抵
抗R₃₅の摺動子を抵抗R₃₄を介して点ｅに接続する構成に
等価で変換することで連続的な調整を可能ならしめるこ
とができる。

第１図の実施例は第３図に示す構成を低温側の補償用
（R₃₄a,R₃₅a）と、高温側の補償用（R₃₄b,R₃₅b）とを別
個に形成したものである。

また、第１図におけるスイッチ回路５は高温側の補償
と低温側の補償とを択一的に切り換えるためのものであ
り、第１図に示す様に形成したのは以下に示す検討の結
果に基づく。

高温側の補償回路と低温側の補償回路とを切り換える
ための回路としてはスイッチング素子としてダイオード
を用いると、第４図に示す様に構成することで実現でき
る。すなわち、抵抗R₃₄aの一端にカソードを接続し、ア
ノードを点ｅに接続するように第１のダイオードD₃₁を
設け、また抵抗R₃₄bの一端にアノードを接続し、カソー
ドを点ｅに接続するように第２のダイオードD₃₂を設け
れば良い。このようにすると、ダイオードD₃₁,D₃₂が理
想的（順方向には抵抗値０で逆方向には抵抗値∞）であ
るならば高温時には点ａの電位V_Aが上昇しその結果点ｂ
及び点ｄの電位が上昇するので、ダイオードD₃₁がオ
フ、ダイオードD₃₂がオンとなり、低温時には逆にダイ
オードD₃₁がオン、ダイオードD₃₂がオフとなり、おのお
のの特性は抵抗R₃₅b,R₃₅aにて独立に調整ができる。

しかしながら、実際のダイオードは第５図に示す様に
約0.6V程度の立ち上がり電圧があり、かつこの値が温度
により変化してしまう特性を有している。温度０度の電
位V_Aを10Vと仮定すると、電位V_Aは前述の様に＋2000ppm
/℃の変化率であるから約20mV/℃で変化させることにな
るため点ｂ又はｄの電圧の温度変化は約10mV/℃とな
る。

したがって、ダイオードの立ち上がり電圧を0.6Vと仮
定すれば60℃以上の温度変化が起きないとダイオードD
₃₁又はD₃₂はオンとならず、使用する温度環境が限られ
てしまう。

そこで、第１図に示す様に、トランジスタQ₅₁〜Q₅₄及
び抵抗R₅₁〜R₅₆により、理想的なダイオードD₃₁、D₃₂を
直列に接続した回路と等価のスイッチ回路５を構成し
た。

かかるスイッチ回路５の動作に先立ち、第６図に示す
特性の等しい２つのNPNトランジスタQa,Qbとバイアス用
抵抗Raからなる回路の動作を検討する。

ここで、各トランジスタQa,Qbの特性は次式 Ic＝Io・exp（qVbe/kT） ……（１） の様に表わされる（Ic:コレクタ電流、Io:定数、q:電子
の電荷の絶対値、k:ボルツマン定数、T:絶対温度、Vbe:
ベースエミッタ間電圧）。両トランジスタQa,Qbのベー
スが共通電圧であることからコレクタ電流Ica,Icbの比I
ca/Icbの値は次式 で表わされる（但し、VT＝kT/qでVTの値は常温で約26mV
である）。

この（２）式から両コレクタ端子電圧がe_a＝e_bのとき
I_ca＝I_cbであるが、これを境にしてe_a＞e_bのときはI_ca
＞I_cbとなり、e_a＜e_bのときはI_ca＜I_cbとなる。すなわ
ち、コレクタ端子電圧の大小関係が反転するとコレクタ
電流の大小関係も反転するのである。

またPNPトランジスタの場合も符号を別にして同様で
ある。

スイッチ回路５は特性の同等なNPNトランジスタ対（Q
₅₁Q₅₂）と特性の同等なPNPトランジスタ対（Q₅₃Q₅₄）を
組み合わせ、各抵抗値をR₅₁＝R₅₂,R₅₅＝R₅₆とし、抵抗R
₃₁,R₃₂はその接続点ｅの電圧が基準となる温度（たとえ
ば25℃）でブリッジ電圧V_Aの1/2の電圧すなわち抵抗R₅₁
とR₅₂の接続点Ｓの電圧と等しくなる様に抵抗値を選定
する。

ブリッジ電圧V_Aの値が従来例と同じく常温で10Vであ
るとV_Aを約20mV/℃で変化させることとなるので、上述
のように各素子を選定するとトランジスタQ₅₁,Q₅₃と
Q₅₂,Q₅₄のエミッタ間の電圧すなわち点ｅと点ｓの電位
差は温度により約10mV/℃の割り合いで変化する。した
がって、表１の値から数℃の温度変化によりトランジス
タQ₅₁〜Q₅₄はオン／オフの状態が変化し、高温ではトラ
ンジスタQ₅₁とQ₅₄がオン、トランジスタQ₅₂とQ₅₃がオ
フ、低温では逆に、トランジスタQ₅₂とQ₅₃がオン、トラ
ンジスタQ₅₁とQ₅₄がオフとなることがわかる。また、常
温のトランジスタのQ₅₂,Q₅₄のコレクタ電流は抵抗R₅₅,R
₅₆で定まり、V_A/2R₅₅となる。他方トランジスタQ₅₁,Q₅₃
のコレクタ電流は常温ではコレクタの電位とエミッタの
電位が等しいため共に０となっている。また、高温又は
低温となった場合、オンとなる側のトランジスタのコレ
クタ電圧がトランジスタの正常動作側の符号で印加さ
れ、オフ側トランジスタのコレクタ電圧はコレクタベー
ス間が順方向となり通常のトランジスタの動作時とは逆
方向の電位が加わるがその値はオンとなっているトラン
ジスタのベースエミッタ間電圧の値であり、コレクタと
ベース間の電流は流れない。これによりスイッチ回路５
は２つの理想ダイオードと等価な動作を行なう。

従って、第４図について上述したように高温側の補償
回路（R₃₄b,R₃₅b,R₃₁,R₃₂）及び低温側の補償回路（R₃₄
a,R₃₅a,R₃₁,R₃₂）を温度に応じて自動的に切り換えるこ
とができる。

上述の第１図の実施例によれば、高温側の補償量、低
温側の補償量をおのおの独立に連続的に調整することが
でき、非直線的な零点温度特性をも有効に補償すること
ができる。

なお、スイッチ回路５としては上述の構成のものの他
種々のものを適用することができ、上述と同様な効果を
得ることができる。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明は、ブリッジ回路の出力端子間
に２つの可変抵抗器を並列に接続し、温度の高低に応じ
て択一的にオン動作する２つのスイッチを有するスイッ
チ回路を介して各可変抵抗器の摺動子を択一的に零点温
度補償回路に接続するようにしたので、温度変化に対し
て非直線的な零点温度特性を呈するものに対しても有効
に補償することができ、しかも、高温側、低温側の補償
量をおのおの独立に連続的に調整することのできる半導
体歪ゲージ用温度補償回路を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の半導体歪ゲージ用温度補償
回路を示す接続図、第２図及び第３図は第１図が適用す
る補償量を正負両方向に連続的に変化させる原理構成を
示す接続図、第４図乃至第６図は低温時と高温時で補償
回路を切り換えるための回路構成として第１図の回路が
適用した回路が適することの説明に供する略線図，第７
図は従来回路を示す接続図、第８図はその欠点の説明に
供する略線図，第９図は他の従来回路を示す接続図、第
10図及び第11図は第９図の回路の欠点の説明に供する略
線図である。 １……感度温度補償回路、２……ブリッジ回路 ３……零点温度補償回路、５……スイッチ回路 G₁〜G₄……半導体歪ゲージ R₃₅a,R₃₅b……可変抵抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体歪ゲージを含むブリッジ回路と、こ
   のブリッジ回路の感度の温度補償を行う感度温度補償回
   路とを備えた半導体歪ゲージ式検出器に用いる半導体歪
   ゲージ用温度補償回路であって、 上記ブリッジ回路の出力端子間に並列に接続された２つ
   の可変抵抗器と、 所定温度において該出力端子の一方と所定電位差となる
   よう電源電圧を分圧して設定され温度変化による変動を
   生じない固定電位点と、 当該固定電位点と前記一方の可変抵抗器の摺動子に接続
   され前記一方の出力端子の電位と前記固定電位点の電位
   との差が前記所定電位差よりも大きい場合に前記一方の
   摺動子から前記固定電位点へ電流を流す第１のスイッチ
   手段と、 前記固定電位点と前記他方の可変抵抗器の摺動子に接続
   され前記一方の出力端子の電位と前記固定電位点の電位
   との差が前記所定電位差よりも小さい場合に前記固定電
   位点から前記他方の摺動子へ電流を流す第２のスイッチ
   手段とを備えたことを特徴とする半導体歪ゲージ用温度
   補償回路。