JPH08510549A - 統合的な温度信号を出力する歪みゲージセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 歪みゲージ圧力センサ（１２）は抵抗ブリッジ回路（７６，７８，８０，８２）を有し、該回路では加えられた圧力および該圧力センサ（１２）の温度の双方が測定される。一定電圧（Ｖ_BRIDGE）がブリッジ回路（７６，７８，８０，８２）に加えられ、ブリッジ回路（７６，７８，８０，８２）の抵抗を変化させるどのような温度もブリッジ回路（７６，７８，８０，８２）を通るブリッジ電流（Ｉ_BRIDGE）に反映される。感知抵抗（３６）がブリッジ回路（７６，７８，８０，８２）に接続され、ブリッジ電流（Ｉ_BRIDGE）のあらゆる変化が感知抵抗（３６）の電圧降下の変化を生じさせる。前記電圧降下および圧力出力信号はデジタル化されて適当に処理され、適当な圧力機器に使用するための高精度の補正圧力出力となる。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 統合的な温度信号を出力する歪みゲージセンサ 発明の背景 本発明は抵抗歪みゲージ圧力センサに関し、特に、該センサの温度補償に関す る。 抵抗圧力センサの動作環境における温度変化は、このようなセンサの圧力出力 信号に重大な誤差を生じさせる。抵抗ブリッジセンサの抵抗温度係数のわずかな 変化がオフセット誤差およびダイヤフラムの可撓性の明らかな減少を引き起こし 、その結果、感度誤差を生じる。したがって、圧力センサの温度を測定し、かつ 圧力出力信号を補正することによって、温度変化の補償をすることがしばしば必 要となる。 抵抗圧力センサにおいて温度に起因する誤差を部分的に補正する方法は存在す る。多くのアプローチでは、例えば、熱電対、サーミスタまたはダイオード等の 個別の温度応答素子を使用している。これらの素子は圧力センサ近傍の温度を測 定し、該センサの周囲条件に対応した補正信号を発生する。他のアプローチには 、ブリッジ回路および抵抗等の温度補償素子の温度係数を選択して統合的にブリ ッジ回路の平衡をと っているものが含まれる。 前記従来技術のアプローチでは、例えばウォームアップのような動的な条件下 において、少しの温度変位または他の遷移温度状態が発生し、これらは往々にし て圧力信号および温度信号間の相遅延を生じさせるという問題がある。このよう な相遅延は、例えば、同時には到達せず、しかも温度抵抗素子および圧力センサ に影響を与える温度変動等の、時間的変化を伴う刺激を同時に受ける２つの独立 した電気素子間に本来的に存在する不完全な熱的結合に起因する。こうして、圧 力出力信号の補正において誤差が発生する。 発明の概要 本発明は、ブリッジ回路を通して流れる電流を利用して温度変化を測定し、温 度補正信号を提供する抵抗ブリッジ回路を具備する歪みゲージ圧力センサを提供 する。本発明は比較的少ない電気的素子を使用し、かつブリッジにかかる圧力に 関するアナログ出力信号およびブリッジの温度に関するアナログ出力信号の双方 を単一のブリッジ回路から同時に発生する。 本発明に係る電気的素子は、抵抗圧力センサならびに、感知抵抗および三つの 増幅器からなる信号処理回路を含み、前 記増幅器のうちの２つはさらに利得設定抵抗を使用しているブリッジ回路にかか る定電位は、ブリッジ回路抵抗の温度による変化が、ブリッジ回路を通る電流に 変化を起こさせるのを確実にする。感知抵抗は、ブリッジ回路を通る電流が該感 知抵抗を通して流れるように、ブリッジ回路に接続される。温度および圧力出力 信号の本来的な結合は、温度および圧力感知素子の双方として機能するブリッジ 回路によって生じる。 感知抵抗の両端に生ずる電位降下の測定および増幅が、温度変化によって生じ る圧力出力信号の誤差を補正するために使用される温度信号を提供する。さらに 、周知の信号調整技術の適用により、広い温度範囲にわたって高度に正確な圧力 測定を可能にする。 一実施例において、ブリッジ回路の抵抗と同じ材料でかつこれと同時に、圧力 センサの基板上に形成された２つの抵抗は、センサ感度の温度誘導変化だけでな く、時間的変化の補償をも可能にする。これら２つの利得設定抵抗はブリッジ回 路増幅器に接続され、これら抵抗の共通の製造条件の結果もたらされる、温度に よっては変化しない増幅器の利得設定比率を決定する。さらに、センサ基板のバ ッチ生産技術の変化も本発明の圧力出力信号の精度を害しない。このアプローチ は、センサの故障やその後で交換した際の外部信号処理回路の再較正または改造 を必要としない、高度に互換性のあるセンサの設計を可能にし、時間および費用 の実際の節約をもたらす。 多くの異なった圧力感知アプリケーションは、特に、本譲渡人に譲渡されてこ こに参照によって本明細書に統合される米国特許第４，７７７，８２６号に開示 されたような薄膜歪みゲージセンサを含む本発明のアプリケーションから利益を 得るであろう。 図面の簡単な説明 図１は本発明による圧力感知および温度補償の設計に係る機能ブロック図であ る。 図２は本発明に係る温度補償回路に接続された圧力センサの回路図である。 図３は本発明に使用できる圧力センサの平面図である。 好ましい実施例の詳細な説明 図１に図示された本発明の圧力感知回路１０は、符号“Ｐ”で示された圧力に 応答する第１の回路基板１１を有する。前記第１の回路基板１１は信号処理回路 １４に接続された圧力センサ１２を有し、該信号処理回路１４はさらに、マイク ロ コンピュータシステム１８を含む第２の回路基板１５に接続される。マイクロコ ンピュータシステム１８は予め設定された負荷圧力／温度補正係数を不揮発性メ モリ２０からアクセスし、実際に適用された圧力を代表するデジタル出力信号Ｐ_Corr を発生する。実施例に示すように、圧力感知回路１０は適当なＥＭＩフィル タ２２によって非所望の電磁干渉から保護されている。航空宇宙産業への適用で はこの実施例のようにＥＭＩフィルタ２２の使用が規定されている。しかし、本 発明の他の適用においては、例えばファラデー・ケージのような他の適当な遮蔽 でも十分であろう。 図２において、前記信号処理回路１４は第１の増幅器３０、第２の増幅器３２ 、第３の増幅器３４および感知抵抗３６からなる。第１の増幅器３０の非反転入 力３８は基準電圧装置４５に接続され、一方、第１の増幅器３０の反転入力４２ は感知抵抗３６の第１端部４４に接続される。電源４０は圧力感知回路１０へ安 定した電気エネルギを供給する。図示の実施例において、前記基準電圧装置４５ はさらに圧力感知回路１０へ供給する２．５ボルトの安定電位を作り出す。第１ の増幅器３０の出力４６は感知抵抗３６の第２端部４８に接続される。増幅器３ ０および感知抵抗３６は基準電圧装置４５ の精密さおよび正確さと相俟って、極めて安定した電圧調整器回路を形成するよ うに接続される。第２の増幅器３２つまり差動増幅器は、感知抵抗３６の第１端 部４４に接続された反転入力５０および感知抵抗３６の第２端部４８に接続され た非反転入力５２を有する。増幅器３２は抵抗５３の値で決定される予定の利得 率を有する。 第３の増幅器３４つまり差動増幅器は、ブリッジ回路の第１の節点５６に接続 された非反転入力５４およびブリッジ回路の第２の節点６０に接続された反転入 力５８を有する。第３の増幅器３４はアナログ・デバイス社（Analog Device,In c.）の部品番号AMP01/883またはこれと同等の機器品質を有する適当な増幅器で あって、２つの利得設定抵抗の比率の倍数で増幅利得を設定するための該２つの 利得設定抵抗を有するものが好ましい。第１の利得設定抵抗６２および第２の利 得設定抵抗６４の双方は第３の増幅器３４に接続され、次式に従って利得を設定 する。 利得＝２０（Ｒ₆₂／Ｒ₆₄）。 前記第２の増幅器３２の出力６６および第３の増幅器３４ の出力６８は、図１に示す信号処理回路１４内に収められたアナログ／デジタル 変換器に接続され、さらにマイクロコンピュータシステム１８に接続される。さ らに、メモリ２０および電源４０の双方はマイクロコンピュータシステム１８に 接続される。 均質で、実質的に平坦な半導体基板７０は、図３に詳細に示すように、撓むこ とができてブリッジ回路を支持する部分７２、およびあまり撓むことができない 、つまり比較的堅固な部分７４の双方を含んでいる。図３において、前記圧力セ ンサ１２は、一般的なホイート・ストーン・ブリッジ回路として接続され、モノ リシック・シリコン基板７０上に支持された４つの感圧抵抗つまり第１の抵抗７ ６、第２の抵抗７８、第３の抵抗８０、および第４の抵抗８２からなる。感圧抵 抗は、圧力センサ１２に及ぼされた圧力の増大につれて第１の抵抗７６および第 ３の抵抗８０の双方の抵抗値が増大する一方、第２の抵抗７８および第４の抵抗 ８２の双方の抵抗値は圧力センサ１２に及ぼされた圧力の増大につれて低減する ように周知の方法で形作られる。圧力センサ１２に圧力が及ぼされていない時は 、それぞれの感圧抵抗の抵抗値はほぼ同等である。 シリコン基板７０は、第３の増幅器３４の利得を以下に詳細を説明するように 設定するため、前記第１および第２の利得設定抵抗６２，６４を該基板７０の比 較的撓むことができない部分７４の上にさらに支持する。撓むことができない部 分７４が利得設定抵抗６２，６４を支持しているため、使用に際して、撓むこと ができる部分７２の動きによって該利得設定抵抗６２，６４が比較的影響を受け ず、したがって圧力に鈍感となる。もちろん、図３は単なる例示であり、本発明 において搭載されている素子について他の配置を用いることができる。圧力セン サ１２のすべての抵抗はポリシリコンで作られた薄膜抵抗素子であるのが好まし い。 動作時に、基準電圧装置４５は第１の増幅器３０の非反転入力３８に基準電圧 Ｖ_Refを与え、第１の増幅器３０の出力４６に駆動電位Ｖ_Driveを発生させる。前 記駆動電位は感知抵抗３６を通って流れるブリッジ電流Ｉ_Bridgeおよびブリッジ 回路の第３の節点８６にかかる一定の駆動電位Ｖ_Bridgeを発生させる。感知抵抗 ３６を流れる電流の流れは、Ｖ_BridgeがＶ_Refと等しくなって第１の増幅器３０ の出力４６が安定する点まで増大する。第１の増幅器３０の高い開ループ利得 は、Ｖ_Bridgeを一定値Ｖ_Refに保持するのを確実にする。ブリッジ電流は、第３ の節点８６からブリッジ回路を通り、基準電位節点に接続された第４の節点８８ へ流れるであろう。図示の実施例では、電気的接地は、航空機の金属外殻および 支持構造への標準的なシャーシ基準接続によってなされている。Ｖ_Bridgeは一定 に保持され、Ｉ_Bridgeは実際のブリッジ抵抗Ｒ_Bridgeに伴って変化し、該Ｒ_{Brid ge} は温度依存性があり、おおよそ次の通りである。 Ｒ_Bridge＝（Ｒ₇₆＋Ｒ₇₈）（Ｒ₈₀＋Ｒ₈₂）／ （Ｒ₇₆＋Ｒ₇₈＋Ｒ₈₀＋Ｒ₈₂） 感知抵抗３６はＩ_Bridgeに比例する第２の増幅器３２の入力５０，５２間に電 圧降下を与える。第２の増幅器３２は該電圧降下を増幅し、その出力６６に実際 のブリッジ抵抗Ｒ_Bridgeに反比例する温度信号ＶＴ_Tempを発生する。 以上のように、感圧抵抗７６，７８，８０，８２は代表的にはおおよそ１２０ ０ｐｐｍ／°Ｃの抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する。したがって、感知抵抗３６ はブリッジを通して流 れる電流Ｉ_Bridgeを感知抵抗３６が正確に反映するのを確実にするために、感圧 抵抗と比べて比較的低いＴＣＲを有していることだけが必要である。 したがって、感圧抵抗のＴＣＲを１２００ｐｐｍ／°Ｃ、感知抵抗３６のＴＣ Ｒを３０ｐｐｍ／°Ｃに想定したとしても、本発明の図示した実施例の性能に不 利には作用しないであろう。結果的に、Ｖ_Tempは感圧抵抗７６，７８，８０，８ ２の平均温度の正確な指示を与える。 上述のように、圧力センサ１２にかかる圧力の増大は第１および第３の抵抗７ ６，８０の電気抵抗値を増大させ、第２および第４の抵抗７８，８２の電気抵抗 値を低減させる。このような抵抗値の変化は第１の節点５６および第２の節点６ ０に等しい値で、反対方向の電位変化を誘導する。これらの電位変化は、利得の 等式：利得＝２０（Ｒ₆₂／Ｒ₆₄）：に従って電圧差を増幅する第３の増幅器３４ に接続される。第３の増幅器３４は結果としての圧力信号Ｖ_Pressをその出力６ ８に発生させる。 信号処理回路１４に含まれるアナログ／デジタル変換器に前記アナログ信号Ｖ_Temp およびＶ_Pressが供給され、該信号処理回路１４は、マトリックス表示によ る次の等式を使用し て補正圧力信号Ｐ_Corrを計算するマイクロコンピュータシステム１８にデジタル 信号を供給する。 なお、Ｖ_p＝Ｖ_Press／Ｖ_Ref' Ｖ_t＝Ｖ_Temp／Ｖ_Ref マトリックスＭを構成する係数は圧力感知回路１０の最終アセンブリで計算さ れ、マイクロコンピュータ１８によるアクセスおよび使用のために不揮発性メモ リ２０内に格納される。これらの係数は、当技術分野で知られているように、温 度および圧力の階段状変化の間の圧力センサ１２の監視によって発生される。デ ジタル回路はだいたいフルスケール時の圧力誤差を１〜２％から０．１％までく らいのオーダー（order）で圧力測定精度を改善ずるように動作する。 図示された実施例において、感圧抵抗はそれぞれ１０キロ オームの抵抗値を有し、第１の利得設定抵抗６２はおおよそ１０キロオームの値 を有し、第２の利得設定抵抗６４はおおよそ３キロオームの値を有し、さらに感 知抵抗は１キロオームの値を有する。したがって、好ましい実施例において、第 ３の増幅器３４はおおよそ６０の利得を有し、直流の出力電圧信号Ｖ_Tempは１． ８から２ボルトまで変化し、かつＶ_Pressは０．２５から２．２５ボルトまで変 化する。 全ブリッジ電流が感知抵抗３６を通過するように図示されているが、信号処理 回路１４は、ブリッジを通って流れる電流のうちの固定部分または選択された一 部分のみが感知抵抗３６を流れるように設計することが可能である。 図３において、第２の利得設定抵抗６４は、複数の圧力センサ間における圧力 感度差の粗補正のためのトリミング・ラダー（trimming ladder）９０を含むこ とができる。通常は製造中のウエハ段階で行われるこの調節の結果、所与の圧力 センサのバッチつまりグループに影響する同じ圧力変化に対しては、実質的に同 じ処理出力がもたらされる。選択された圧力の下でのゼロ調節と組み合わせた、 この利得調節方法は、信号処理回路１４の再較正の必要がない圧力センサの互換 性をもたらす。図示のように、圧力センサ１２のゼロ調節は、 圧力のかかっていない状態でブリッジ回路が平衡するように、二つの入力抵抗９ ２，９４をトリミングすることによって行われる。 ここで使用する「圧力感度比（presuure sensitivity ratio）」という用語は 、所与の基準電圧における圧力の変化に対する圧力センサ１２の出力の振幅変化 の比率を意味する。第３の増幅器３４への第１および第２の利得設定抵抗６２， ６４の接続は広い、温度範囲にわたり、工場設定された圧力感度比の安定をもた らす。前記第１および第２の利得設定抵抗６２，６４は、例えば、薄膜沈積、ド ーピングまたはその他一般的な技術により形成され、また同じシリコン基板の上 に感圧抵抗７６，７８，８０，８２と同時に形成されるのが好ましい。これら回 路部品の同時製造は、すべての抵抗において、特に、温度と時効（エージング） および長期間に及ぶ使用との関連でほぼ同一の温度追従挙動を提供する。さらに 、図示はしていないが、利得設定抵抗６２，６４は第３の増幅器３４の直線性利 得を最適化するため相互に接近して沈積してもよい。 ブリッジ回路を流れる電流の変化を感知してブリッジ回路に影響を与える温度 変化を測定することにより、例えばサー ミスタのような別個の温度検知器を必要としなくなる。動的条件下でのこのよう な検知器の本来的な相遅延から生じるエラーをも無くすることができる。さらに 、本発明では、動的温度条件下でさえも、温度変化と圧力とを同時測定でき、説 明した実施例は−５５°Ｃから８５°Ｃの間でしかも絶えず変化する加速力の下 で設計どおりに動作する。図示はしなかったが、単一の５ボルト電源で圧力セン サ回路１０を付勢することができ、さらに本発明のコストおよび複雑さを低減す ることができた。 本発明は好ましい実施例を参照して説明されたが、当業者は本発明の精神およ び範囲から逸脱することなく外観や詳細の変更ができることを認識できるであろ う。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 圧力出力信号を発生する抵抗ブリッジ回路と、 前記抵抗ブリッジ回路に電力を提供する電力供給手段と、 前記ブリッジ回路に接続された第１端部を有し、かつ前記電源に接続された第 ２端部を有していて、前記ブリッジ回路を通る電流の少なくとも既知部分を通す 抵抗素子と、 前記抵抗素子に接続され、前記抵抗素子での電圧降下を増幅して温度出力信号 を提供する第１の増幅器とを具備したことを特徴とする圧力センサ。 ２． 前記抵抗ブリッジ回路が、接続されてホイート・ストーン・ブリッジを形 成する４つの感圧抵抗からなる請求項１の装置。 ３． 前記感圧抵抗が、半導体基板上に沈積されている請求項２の装置。 ４． 前記第１の増幅器が、前記抵抗素子の第１端部に接続された反転入力と前 記抵抗素子の第２端部に接続された非反転入力とを有する請求項２の装置。 ５． 前記電源に接続された非反転入力と、前記抵抗素子の第１端部に接続され た反転入力と、前記抵抗素子の第２端部に接続された出力とを有する第２の増幅 器を含む請求項４の 装置。 ６． 前記抵抗ブリッジ回路に接続された非反転入力および反転入力の双方を有 し、圧力出力信号を増幅する第３の増幅器を含む請求項５の装置。 ７． 前記第３の増幅器に接続されて利得を設定するための、第１の非感圧抵抗 および第２の非感圧抵抗を含む請求項６の装置。 ８． 圧力出力信号を発生する抵抗ブリッジ回路を有し、かつ前記ブリッジ回路 を流れる電流を供給するための電源を有する圧力センサの温度測定方法において 、 前記電源および抵抗ブリッジ回路間に接続され、該ブリッジ回路を流れる電流 のうち少なくとも既知の部分を通す抵抗素子を配する段階と、 温度に起因する前記ブリッジ回路の抵抗の変化が前記抵抗ブリッジ回路を通し て流れる電流に反映されるように、前記ブリッジ回路にかかる電圧を実質的に一 定に維持する段階と、 前記抵抗素子での電圧降下を測定する段階とからなる測定方法。 ９． 前記抵抗素子での電圧降下を増幅して温度出力信号を形成する段階をさら に具備する請求項８の測定方法。 １０． 前記温度出力信号を利用して、圧力センサの温度変化に対応する圧力出 力信号を補正する段階をさらに具備した請求項９の測定方法。 １１． 圧力出力信号を発生する出力端子および電源を受け入れる電源端子を有 する抵抗ブリッジ回路と、 温度に起因する前記ブリッジ回路の抵抗の変化が前記抵抗ブリッジ回路を通し て流れる電流に反映されるように、前記抵抗ブリッジ回路に対して、前記電源端 子間において実質的に一定の電圧を供給する電源供給手段と、 前記ブリッジ回路に接続された第１端部を有し、かつ前記電源に接続された第 ２端部を有し、前記ブリッジ回路を通して流れる電流のうち少なくとも既知の部 分を通す抵抗素子と、 前記抵抗素子での電圧降下を増幅して温度出力信号を発生するように前記抵抗 素子に接続された第１の増幅器とを具備した圧力センサ。