JPH10111200A - センサにおける膜応力を補償する回路および方法 - Google Patents
センサにおける膜応力を補償する回路および方法Info
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- JPH10111200A JPH10111200A JP9279406A JP27940697A JPH10111200A JP H10111200 A JPH10111200 A JP H10111200A JP 9279406 A JP9279406 A JP 9279406A JP 27940697 A JP27940697 A JP 27940697A JP H10111200 A JPH10111200 A JP H10111200A
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- G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
- G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
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- G01L1/2275—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects for non linearity
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
- G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm
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- G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
- G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 センサ（１００）の検出信号を補正する回路
および方法を提供する。 【解決手段】 センサ（１００）の検出信号は、膜応力
によってセンサ構造（１０１）内に混入される負の非線
形誤差成分によって減少する。大きな曲げ応力を有する
位置（２０３）に第１変換器（１０３）を配置して、線
形成分および非線形誤差成分を有する検出信号を発生す
る。曲げ応力がほぼゼロの位置（２０２）に第２変換器
（１０２）を配置して、非線形誤差成分を有するが線形
成分がほぼゼロの検出信号を発生する。第２変換器（１
０２）からの検出信号を、第１変換器（１０３）からの
検出信号に加算して非線形誤差を補正し、物理状態を表
わすセンサ（１００）の線形出力検出信号（ＶOUT ）を
発生する。
および方法を提供する。 【解決手段】 センサ（１００）の検出信号は、膜応力
によってセンサ構造（１０１）内に混入される負の非線
形誤差成分によって減少する。大きな曲げ応力を有する
位置（２０３）に第１変換器（１０３）を配置して、線
形成分および非線形誤差成分を有する検出信号を発生す
る。曲げ応力がほぼゼロの位置（２０２）に第２変換器
（１０２）を配置して、非線形誤差成分を有するが線形
成分がほぼゼロの検出信号を発生する。第２変換器（１
０２）からの検出信号を、第１変換器（１０３）からの
検出信号に加算して非線形誤差を補正し、物理状態を表
わすセンサ（１００）の線形出力検出信号（ＶOUT ）を
発生する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にセンサ回
路に関し、更に特定すればセンサ信号における非線形を
補正する回路に関するものである。
路に関し、更に特定すればセンサ信号における非線形を
補正する回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】センサは、温度，圧力，加速度のような
物理状態を電気センサ信号に変換し、更に処理を加える
ために、一般的に用いられている。圧力センサのような
典型的なセンサは、圧力を応力に変換するためのダイア
フラムを含む。変換器は、応力をセンサ信号に変換し、
典型的に、これに増幅および濾波を行い、センサ出力信
号を供給する。
物理状態を電気センサ信号に変換し、更に処理を加える
ために、一般的に用いられている。圧力センサのような
典型的なセンサは、圧力を応力に変換するためのダイア
フラムを含む。変換器は、応力をセンサ信号に変換し、
典型的に、これに増幅および濾波を行い、センサ出力信
号を供給する。
【０００３】理想的なのは、物理状態およびセンサ信号
間の関係が線形となることである。しかしながら、全て
のセンサではないにしても、ほとんどの場合、センサ信
号は、ダイアフラムの撓みが招く非線形のために、高い
精度で物理状態を表わしていない。圧力センサの場合、
加えられた圧力は、ダイアフラム上において複数の応力
成分を含む。例えば、ダイアフラムの撓みに対して線形
な関係である曲げ応力は、加えられた圧力を表わす線形
出力信号を発生する。
間の関係が線形となることである。しかしながら、全て
のセンサではないにしても、ほとんどの場合、センサ信
号は、ダイアフラムの撓みが招く非線形のために、高い
精度で物理状態を表わしていない。圧力センサの場合、
加えられた圧力は、ダイアフラム上において複数の応力
成分を含む。例えば、ダイアフラムの撓みに対して線形
な関係である曲げ応力は、加えられた圧力を表わす線形
出力信号を発生する。
【０００４】ダイアフラムにおける複数の応力成分の別
のものに膜応力(membrane stress)がある。膜応力は、
ダイアフラムの厚さおよび物理的寸法に関係し、ダイア
フラムが伸張するときに発生する。膜応力は、センサ信
号に対して望ましくない非線形成分に寄与し、加えられ
る圧力が増大するに連れて増加する。非線形成分は誤差
項の原因となり、センサ出力信号が、加えられた圧力を
正確に表わすのを阻害してしまう。非線形成分の大きさ
は、５または１０パーセントにも達する可能性があり、
有害環境において用いるために設計されたセンサでは更
に高い場合もある。
のものに膜応力(membrane stress)がある。膜応力は、
ダイアフラムの厚さおよび物理的寸法に関係し、ダイア
フラムが伸張するときに発生する。膜応力は、センサ信
号に対して望ましくない非線形成分に寄与し、加えられ
る圧力が増大するに連れて増加する。非線形成分は誤差
項の原因となり、センサ出力信号が、加えられた圧力を
正確に表わすのを阻害してしまう。非線形成分の大きさ
は、５または１０パーセントにも達する可能性があり、
有害環境において用いるために設計されたセンサでは更
に高い場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】自動車両における燃料
噴射システム，血圧測定機器のような医療用途，および
環境制御システムを含む多くの用途では、高い感度およ
び１パーセントよりも高い精度が要求される。従来技術
の圧力センサは、典型的に、誤差を減らすためにボスの
ような物理構造を用いていた。ボスは、ダイアフラム内
に配される厚い構造であり、剛性の増大，およびダイア
フラムの変形制限を図るものである。しかしながら、ボ
スは感度を低下させるため、低圧の用途には適していな
い。更に、ボスは、ダイの大型化およびダイアフラムの
複雑化を招き、センサの製造コストが上昇する。
噴射システム，血圧測定機器のような医療用途，および
環境制御システムを含む多くの用途では、高い感度およ
び１パーセントよりも高い精度が要求される。従来技術
の圧力センサは、典型的に、誤差を減らすためにボスの
ような物理構造を用いていた。ボスは、ダイアフラム内
に配される厚い構造であり、剛性の増大，およびダイア
フラムの変形制限を図るものである。しかしながら、ボ
スは感度を低下させるため、低圧の用途には適していな
い。更に、ボスは、ダイの大型化およびダイアフラムの
複雑化を招き、センサの製造コストが上昇する。
【０００６】したがって、検出した物理状態を精度高く
表わす、ほぼ線形な出力信号を有するセンサが必要とさ
れている。
表わす、ほぼ線形な出力信号を有するセンサが必要とさ
れている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、センサの検出
信号を補正する回路および方法を提供する。センサの検
出信号は、膜応力によってセンサ構造内に混入される負
の非線形誤差成分によって減少する。このために、大き
な曲げ応力を有する位置に第１変換器を配置して、線形
成分および非線形誤差成分を有する検出信号を発生す
る。曲げ応力がほぼゼロの位置に第２変換器を配置し
て、非線形誤差成分を有するが線形成分がほぼゼロの検
出信号を発生する。第２変換器からの検出信号を、第１
変換器からの検出信号に加算して非線形誤差を補正し、
物理状態を表わすセンサの線形出力検出信号を発生す
る。
信号を補正する回路および方法を提供する。センサの検
出信号は、膜応力によってセンサ構造内に混入される負
の非線形誤差成分によって減少する。このために、大き
な曲げ応力を有する位置に第１変換器を配置して、線形
成分および非線形誤差成分を有する検出信号を発生す
る。曲げ応力がほぼゼロの位置に第２変換器を配置し
て、非線形誤差成分を有するが線形成分がほぼゼロの検
出信号を発生する。第２変換器からの検出信号を、第１
変換器からの検出信号に加算して非線形誤差を補正し、
物理状態を表わすセンサの線形出力検出信号を発生す
る。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、従来のＩＣプ
ロセスを用いて集積回路（ＩＣ）として製造するのに適
したセンサ１００が示されている。以下の説明は圧力セ
ンサを対象とするが、本発明は、例えば加速度や温度の
ような物理状態を電気信号に変換する、他のタイプのセ
ンサにも同等に適用可能である。センサ・ダイアフラム
１０１は、基板１１０から物質をエッチングで除去する
ことによって形成される。基板１１０は、ダイアフラム
１０１に対して、機械的ベースを与える。変換器１０
２，変換器１０３，および誤差補償回路１０４が、圧力
センサ１００の上面上に形成されている。変換器１０
２，１０３は各々センサ信号を発生し、それを誤差補償
回路１０４に結合する。
ロセスを用いて集積回路（ＩＣ）として製造するのに適
したセンサ１００が示されている。以下の説明は圧力セ
ンサを対象とするが、本発明は、例えば加速度や温度の
ような物理状態を電気信号に変換する、他のタイプのセ
ンサにも同等に適用可能である。センサ・ダイアフラム
１０１は、基板１１０から物質をエッチングで除去する
ことによって形成される。基板１１０は、ダイアフラム
１０１に対して、機械的ベースを与える。変換器１０
２，変換器１０３，および誤差補償回路１０４が、圧力
センサ１００の上面上に形成されている。変換器１０
２，１０３は各々センサ信号を発生し、それを誤差補償
回路１０４に結合する。
【０００９】ダイアフラム１０１を形成するエッチング
・プロセスは、異方性エッチングとし、物質を基板１１
０の予測可能な面１１１に沿って除去することが好まし
い。異方性エッチングは、センサ１００の上面から、ダ
イアフラムの縁部１１２の位置を容易に識別させ、変換
器１０２，１０３および誤差補償回路１０４を配置する
際の基準を与える。基板１１０上にエピタキシャル層１
０８を形成し、異方性エッチング・プロセスの間のエッ
チ・ストップ(etch stop) を設ける。エピタキシャル層
１０８は、更に、センサ１００上に変換器１０２，１０
３および誤差補償回路１０４を形成するための良質なベ
ースも与えるものである。典型的に、エピタキシャル層
１０８は、約１５ミクロンの厚さに形成する。ダイアフ
ラム１０１は、典型的に、１５ないし１８ミクロンの厚
さ，および１，０００ないし２，０００ミクロンの幅を
有する。
・プロセスは、異方性エッチングとし、物質を基板１１
０の予測可能な面１１１に沿って除去することが好まし
い。異方性エッチングは、センサ１００の上面から、ダ
イアフラムの縁部１１２の位置を容易に識別させ、変換
器１０２，１０３および誤差補償回路１０４を配置する
際の基準を与える。基板１１０上にエピタキシャル層１
０８を形成し、異方性エッチング・プロセスの間のエッ
チ・ストップ(etch stop) を設ける。エピタキシャル層
１０８は、更に、センサ１００上に変換器１０２，１０
３および誤差補償回路１０４を形成するための良質なベ
ースも与えるものである。典型的に、エピタキシャル層
１０８は、約１５ミクロンの厚さに形成する。ダイアフ
ラム１０１は、典型的に、１５ないし１８ミクロンの厚
さ，および１，０００ないし２，０００ミクロンの幅を
有する。
【００１０】変換器１０２および変換器１０３は、エピ
タキシャル層１０８内またはエピタキシャル層１０８上
に形成され、圧力が加えられた場合のダイアフラム１０
１の変形を検出する。変換器１０２，１０３は各々、典
型的に、ホイートストーン・ブリッジまたは圧力検出抵
抗のような圧電抵抗素子から成る。変換器１０３の他の
例が米国特許番号第４，３１７，１２６号に開示されて
おり、その内容は本願でも使用可能である。変換器１０
３の更に他の例が、Brian D. Meyer et al. によって１
９９５年２月２７日に出願され、Motorola, Inc.に譲渡
された米国特許出願番号第０８／３９５，２２８号に開
示されている。変換器１０２，１０３は、ダイアフラム
１０１の変位の関数として、変換器出力電圧を供給す
る。
タキシャル層１０８内またはエピタキシャル層１０８上
に形成され、圧力が加えられた場合のダイアフラム１０
１の変形を検出する。変換器１０２，１０３は各々、典
型的に、ホイートストーン・ブリッジまたは圧力検出抵
抗のような圧電抵抗素子から成る。変換器１０３の他の
例が米国特許番号第４，３１７，１２６号に開示されて
おり、その内容は本願でも使用可能である。変換器１０
３の更に他の例が、Brian D. Meyer et al. によって１
９９５年２月２７日に出願され、Motorola, Inc.に譲渡
された米国特許出願番号第０８／３９５，２２８号に開
示されている。変換器１０２，１０３は、ダイアフラム
１０１の変位の関数として、変換器出力電圧を供給す
る。
【００１１】図２を参照すると、基板１１０，ダイアフ
ラム１０１，およびその上に形成されたエピタキシャル
層１０８から成るセンサ１００の側断面図（一定の拡縮
比で描いたものではない）が示されている。図１におい
て用いたのと同一参照番号を割り当てられている素子
は、同様の機能を与えるものである。センサ１００に加
えられる圧力は、ダイアフラム１０１の撓みを生じる。
変換器１０２はダイアフラム１０１上の位置２０２に配
置され、一方変換器１０３はダイアフラム１０１上の位
置２０３に配置されている。誤差補償回路１０４は、ダ
イアフラム１０１において圧力によって誘発される応力
が誤差補償回路１０４の動作に影響を及ぼさない基板１
１０上の位置に形成される。例えば、図２に示す誤差補
償回路１０４は、基板１１０の上方で、ダイアフラム１
０１の辺まで５０ミクロンの位置に配置されている。位
置２０６は、ダイアフラム１０１が最大の撓みを有する
対称点を規定する。圧力分布が一定であると仮定する
と、位置２０６は、典型的に、ダイアフラム１０１の中
点となる。
ラム１０１，およびその上に形成されたエピタキシャル
層１０８から成るセンサ１００の側断面図（一定の拡縮
比で描いたものではない）が示されている。図１におい
て用いたのと同一参照番号を割り当てられている素子
は、同様の機能を与えるものである。センサ１００に加
えられる圧力は、ダイアフラム１０１の撓みを生じる。
変換器１０２はダイアフラム１０１上の位置２０２に配
置され、一方変換器１０３はダイアフラム１０１上の位
置２０３に配置されている。誤差補償回路１０４は、ダ
イアフラム１０１において圧力によって誘発される応力
が誤差補償回路１０４の動作に影響を及ぼさない基板１
１０上の位置に形成される。例えば、図２に示す誤差補
償回路１０４は、基板１１０の上方で、ダイアフラム１
０１の辺まで５０ミクロンの位置に配置されている。位
置２０６は、ダイアフラム１０１が最大の撓みを有する
対称点を規定する。圧力分布が一定であると仮定する
と、位置２０６は、典型的に、ダイアフラム１０１の中
点となる。
【００１２】加えられた圧力に応答してダイアフラム１
０１が撓む場合、ダイアフラム１０１には複数の応力機
構が誘発される。これら応力機能のうち、曲げ応力とし
て知られているものは、撓みに比例し、圧力が加えられ
た際のダイアフラム１０１の曲げの結果として生ずる。
曲げ応力は、ダイアフラム１０１に沿ったいずれの点に
おいても、曲げの大きさに比例する。センサ出力信号
は、曲げ応力に対して線形に変化する。したがって、曲
げ応力は、加えられた圧力の正確なインディケータとな
る。
０１が撓む場合、ダイアフラム１０１には複数の応力機
構が誘発される。これら応力機能のうち、曲げ応力とし
て知られているものは、撓みに比例し、圧力が加えられ
た際のダイアフラム１０１の曲げの結果として生ずる。
曲げ応力は、ダイアフラム１０１に沿ったいずれの点に
おいても、曲げの大きさに比例する。センサ出力信号
は、曲げ応力に対して線形に変化する。したがって、曲
げ応力は、加えられた圧力の正確なインディケータとな
る。
【００１３】曲げの大きさは、ダイアフラム１０１上の
異なる点ではばらつきがある。曲げ応力は、ダイアフラ
ムの縁部１１２および位置２０２間の領域では、ダイア
フラム１０１の上面上の引っ張り応力として現われ、位
置２０２および位置２０３間の領域ではダイアフラム１
０１の上面上の圧縮応力として現れる。引っ張り応力に
よる曲げ応力は、ダイアフラムの縁部１１２において発
生しはじめ、位置２０３において最大値まで増大する。
位置２０３および位置２０２間の領域では、引っ張り応
力はゼロに減少する。位置２０２から位置２０６までの
領域では、ダイアフラム１０１は、増大する圧縮応力を
受ける。圧縮応力は、位置２０６において最大に達す
る。したがって、位置２０２は、ダイアフラム１０１に
おいて、引っ張り応力減少領域から圧縮応力増大領域へ
の遷移点となる。その結果、位置２０２における曲げ応
力はほぼゼロとなる。
異なる点ではばらつきがある。曲げ応力は、ダイアフラ
ムの縁部１１２および位置２０２間の領域では、ダイア
フラム１０１の上面上の引っ張り応力として現われ、位
置２０２および位置２０３間の領域ではダイアフラム１
０１の上面上の圧縮応力として現れる。引っ張り応力に
よる曲げ応力は、ダイアフラムの縁部１１２において発
生しはじめ、位置２０３において最大値まで増大する。
位置２０３および位置２０２間の領域では、引っ張り応
力はゼロに減少する。位置２０２から位置２０６までの
領域では、ダイアフラム１０１は、増大する圧縮応力を
受ける。圧縮応力は、位置２０６において最大に達す
る。したがって、位置２０２は、ダイアフラム１０１に
おいて、引っ張り応力減少領域から圧縮応力増大領域へ
の遷移点となる。その結果、位置２０２における曲げ応
力はほぼゼロとなる。
【００１４】位置２０３は、引っ張り応力領域におい
て、曲げ応力が局所的に最大となるダイアフラム１０１
の上面上の点である。最大曲げ応力点、即ち、位置２０
３は、加えられる圧力の関数として大きく変化すること
はない。したがって、最大の圧電変化を生成し、変換器
１０３から最大の検出信号を発生するために、変換器１
０３は典型的に位置２０３に配置される。ダイアフラム
１０１の位置２０３における大きな曲げ応力によって、
変換器１０３の検出信号線形成分が発生する。したがっ
て、これは加えられた圧力を表わす。
て、曲げ応力が局所的に最大となるダイアフラム１０１
の上面上の点である。最大曲げ応力点、即ち、位置２０
３は、加えられる圧力の関数として大きく変化すること
はない。したがって、最大の圧電変化を生成し、変換器
１０３から最大の検出信号を発生するために、変換器１
０３は典型的に位置２０３に配置される。ダイアフラム
１０１の位置２０３における大きな曲げ応力によって、
変換器１０３の検出信号線形成分が発生する。したがっ
て、これは加えられた圧力を表わす。
【００１５】膜応力は、加えられた圧力によってダイア
フラム１０１が伸張する際に、ダイアフラム１０１に誘
発される他のタイプの応力である。膜応力は、本質的
に、ダイアフラム１０１に沿って一定である。したがっ
て、位置２０２に発生する膜応力は、位置２０３におい
て発生する膜応力に等しい。膜応力は負の非線形誤差成
分を発生し、これが変換器１０３からのセンサ信号の大
きさを減少させる。膜応力がダイアフラム１０１に作用
すると、変換器１０３からのセンサ信号は、加えられた
圧力信号を正確に表わすものではなくなる。ダイアフラ
ム１０１の厚さが例えば１６ミクロンであり、幅が例え
ば１，２００ミクロンである場合、加えられた圧力がダ
イアフラム１０１を約６ミクロン撓ませるとすると、非
線形誤差成分は重大となる。
フラム１０１が伸張する際に、ダイアフラム１０１に誘
発される他のタイプの応力である。膜応力は、本質的
に、ダイアフラム１０１に沿って一定である。したがっ
て、位置２０２に発生する膜応力は、位置２０３におい
て発生する膜応力に等しい。膜応力は負の非線形誤差成
分を発生し、これが変換器１０３からのセンサ信号の大
きさを減少させる。膜応力がダイアフラム１０１に作用
すると、変換器１０３からのセンサ信号は、加えられた
圧力信号を正確に表わすものではなくなる。ダイアフラ
ム１０１の厚さが例えば１６ミクロンであり、幅が例え
ば１，２００ミクロンである場合、加えられた圧力がダ
イアフラム１０１を約６ミクロン撓ませるとすると、非
線形誤差成分は重大となる。
【００１６】変換器１０２は、ダイアフラム１０１上の
位置２０２、即ち、曲げがほぼゼロであり、曲げ応力が
ほぼゼロである位置に配置されている。変換器１０２が
発生する検出信号は、線形成分がほぼゼロである。変換
器１０２が発生する検出信号は、ダイアフラム１０１に
おける膜応力が発生する非線形誤差信号である。曲げ圧
力は位置２０２には存在しないので、変換器１０２から
のセンサ信号には現れない。ダイアフラム１０１におい
て膜応力が均一であれば、位置２０２において生成され
る膜応力は位置２０３における膜応力に等しくなるの
で、変換器１０２が発生する非線形誤差信号は、変換器
１０３が発生する検出信号の非線形誤差成分と等しくな
る。変換器１０２，１０３が発生する検出信号は、それ
ぞれ、誤差補償回路１０４に結合され、誤差補償回路１
０４は変換器１０２の検出信号を変換器１０３の検出信
号と加算し、センサ１００の出力検出信号を発生する。
この信号の非線形成分はほぼゼロである。
位置２０２、即ち、曲げがほぼゼロであり、曲げ応力が
ほぼゼロである位置に配置されている。変換器１０２が
発生する検出信号は、線形成分がほぼゼロである。変換
器１０２が発生する検出信号は、ダイアフラム１０１に
おける膜応力が発生する非線形誤差信号である。曲げ圧
力は位置２０２には存在しないので、変換器１０２から
のセンサ信号には現れない。ダイアフラム１０１におい
て膜応力が均一であれば、位置２０２において生成され
る膜応力は位置２０３における膜応力に等しくなるの
で、変換器１０２が発生する非線形誤差信号は、変換器
１０３が発生する検出信号の非線形誤差成分と等しくな
る。変換器１０２，１０３が発生する検出信号は、それ
ぞれ、誤差補償回路１０４に結合され、誤差補償回路１
０４は変換器１０２の検出信号を変換器１０３の検出信
号と加算し、センサ１００の出力検出信号を発生する。
この信号の非線形成分はほぼゼロである。
【００１７】位置２０２，２０３、即ち、変換器１０
２，１０３を配置するための最適な部位は、典型的に、
既知の有限素子分析(finite element analysis) を用い
てセンサ１００のモデリングを行うことにより、センサ
１００の設計段階の間に決定される。有限素子分析を行
うのは、センサ１００の大量生産に先だって、圧力が加
えられた場合のダイアフラムの挙動を予測し、ダイアフ
ラム１０１内に誘発される局所的な応力を分析するため
である。センサ１００のモデリングは、構造上の幾何学
的形状およびセンサ１００を構成する物質を記述する入
力データに基づく。この入力データは、センサ１００の
物理的寸法，センサ１００が動作する加えられる圧力の
範囲，およびヤング率やポアソン率のような物理パラメ
ータ等の情報を含み、センサ１００を構成する半導体物
質を特徴付けるものである。有限素子分析では、加えら
れる圧力の関数として、ダイアフラム１０１に沿った各
点における応力の大きさを計算する。出力データは、輪
郭プロットとしてグラフィック状に与えられるか、ある
いは表形式で与えられる。表または輪郭プロットから、
位置２０２および位置２０３、即ち、曲げ応力の最大点
および最小点を容易に知ることができる。位置２０２，
２０３の各々は、加えられた圧力がダイアフラム１０１
の撓みを変化させる場合にも変化しない固定位置として
示すことができる。
２，１０３を配置するための最適な部位は、典型的に、
既知の有限素子分析(finite element analysis) を用い
てセンサ１００のモデリングを行うことにより、センサ
１００の設計段階の間に決定される。有限素子分析を行
うのは、センサ１００の大量生産に先だって、圧力が加
えられた場合のダイアフラムの挙動を予測し、ダイアフ
ラム１０１内に誘発される局所的な応力を分析するため
である。センサ１００のモデリングは、構造上の幾何学
的形状およびセンサ１００を構成する物質を記述する入
力データに基づく。この入力データは、センサ１００の
物理的寸法，センサ１００が動作する加えられる圧力の
範囲，およびヤング率やポアソン率のような物理パラメ
ータ等の情報を含み、センサ１００を構成する半導体物
質を特徴付けるものである。有限素子分析では、加えら
れる圧力の関数として、ダイアフラム１０１に沿った各
点における応力の大きさを計算する。出力データは、輪
郭プロットとしてグラフィック状に与えられるか、ある
いは表形式で与えられる。表または輪郭プロットから、
位置２０２および位置２０３、即ち、曲げ応力の最大点
および最小点を容易に知ることができる。位置２０２，
２０３の各々は、加えられた圧力がダイアフラム１０１
の撓みを変化させる場合にも変化しない固定位置として
示すことができる。
【００１８】検出構造は、物理状態に応答して応力を生
成するセンサの部分として規定される。変換器がこの応
力を電気検出信号に変換する。図２に示すセンサ１００
は、センサ１００の一実施例であり、ダイアフラム１０
１を検出構造として有する圧力センサである。尚、同様
の原理を用いて、加速度センサや温度センサのような、
センサ１００の別の実施例の生産も可能であることは理
解されよう。加速度センサの場合、検出構造は加えられ
る加速度に応答して撓むビームであり、温度センサの場
合、検出構造は温度変化に応答して撓むバイメタル素子
である。
成するセンサの部分として規定される。変換器がこの応
力を電気検出信号に変換する。図２に示すセンサ１００
は、センサ１００の一実施例であり、ダイアフラム１０
１を検出構造として有する圧力センサである。尚、同様
の原理を用いて、加速度センサや温度センサのような、
センサ１００の別の実施例の生産も可能であることは理
解されよう。加速度センサの場合、検出構造は加えられ
る加速度に応答して撓むビームであり、温度センサの場
合、検出構造は温度変化に応答して撓むバイメタル素子
である。
【００１９】図３を参照すると、誤差補償回路１０４，
変換器１０２，および変換器１０３の回路構成図が示さ
れている。変換器１０３は、従来のホイートストーン・
ブリッジとして示されており、ノード３６０において抵
抗３０２に結合され、ノード３６２において抵抗３０４
に結合されている。抵抗３０２は、更に、ＶCC＝５．Ｏ
ボルトで動作する電源導体３５２に結合されている。抵
抗３０４は、接地電位で動作する電源導体３５０に結合
されている。変換器１０３は、増幅器３３０の非反転入
力に結合された出力端子３５６、および増幅器３３２の
非反転入力に結合された出力端子３５４を有する。
変換器１０２，および変換器１０３の回路構成図が示さ
れている。変換器１０３は、従来のホイートストーン・
ブリッジとして示されており、ノード３６０において抵
抗３０２に結合され、ノード３６２において抵抗３０４
に結合されている。抵抗３０２は、更に、ＶCC＝５．Ｏ
ボルトで動作する電源導体３５２に結合されている。抵
抗３０４は、接地電位で動作する電源導体３５０に結合
されている。変換器１０３は、増幅器３３０の非反転入
力に結合された出力端子３５６、および増幅器３３２の
非反転入力に結合された出力端子３５４を有する。
【００２０】変換器１０３は、正の温度係数を有する圧
電抵抗で構成されている。抵抗３０２，３０４の温度係
数はゼロであることが好ましく、その場合、ノード３６
０，３６２間の電位は、温度上昇と共に増大し、出力端
子３５４，３５６間に供給する検出信号は更に一定とな
る。変換器１０３の出力に供給される信号が、線形曲げ
応力成分および非線形膜応力成分を有するように、変換
器１０３はダイアフラム１０１の位置２０３に配置され
ている。
電抵抗で構成されている。抵抗３０２，３０４の温度係
数はゼロであることが好ましく、その場合、ノード３６
０，３６２間の電位は、温度上昇と共に増大し、出力端
子３５４，３５６間に供給する検出信号は更に一定とな
る。変換器１０３の出力に供給される信号が、線形曲げ
応力成分および非線形膜応力成分を有するように、変換
器１０３はダイアフラム１０１の位置２０３に配置され
ている。
【００２１】変換器１０２は、ノード３６０，３６２間
に直列に結合されている抵抗３２２，３２４を含む。抵
抗３２２，３２４は、変換器１０２の出力端子３６６に
共通接続されている。典型的に、抵抗３２２は圧電素子
であり、その抵抗が、加えられた圧力と共に変動し、変
換器１０２の出力端子３６６において検出信号を発生す
る。抵抗３２４は圧電素子とすることができ、その抵抗
はセンサ１００に加えられる圧力に応答して変化する。
に直列に結合されている抵抗３２２，３２４を含む。抵
抗３２２，３２４は、変換器１０２の出力端子３６６に
共通接続されている。典型的に、抵抗３２２は圧電素子
であり、その抵抗が、加えられた圧力と共に変動し、変
換器１０２の出力端子３６６において検出信号を発生す
る。抵抗３２４は圧電素子とすることができ、その抵抗
はセンサ１００に加えられる圧力に応答して変化する。
【００２２】変換器１０２は、ダイアフラム１０１上の
位置２０２、即ち、ダイアフラム１０１の上面上におい
て曲げがほぼゼロとなる点に配置されている。したがっ
て、変換器１０２の出力端子３６６に供給される検出信
号は、ダイアフラム１０１における膜応力の結果生ずる
非線形誤差信号であり、線形成分はほぼゼロである。変
換器１０２の出力端子３６６において発生される検出信
号は、シングル・エンド検出信号として示されている。
本発明の原理によれば、当業者は異なる出力信号を供給
するような変換器１０２の変更が可能であることは理解
されよう。
位置２０２、即ち、ダイアフラム１０１の上面上におい
て曲げがほぼゼロとなる点に配置されている。したがっ
て、変換器１０２の出力端子３６６に供給される検出信
号は、ダイアフラム１０１における膜応力の結果生ずる
非線形誤差信号であり、線形成分はほぼゼロである。変
換器１０２の出力端子３６６において発生される検出信
号は、シングル・エンド検出信号として示されている。
本発明の原理によれば、当業者は異なる出力信号を供給
するような変換器１０２の変更が可能であることは理解
されよう。
【００２３】基本動作において、誤差補償回路１０４
は、変換器１０２からの検出信号を変換器１０３の検出
信号に加算することによって、変換器１０３からのセン
サ信号における負の非線形誤差を補正する。増幅器３３
０，抵抗３０６，抵抗３０８，および抵抗３１０から成
る増幅段が、端子３５６において変換器１０３の検出信
号を受信し、バッファおよび増幅を行う。増幅器３３
４，抵抗３２０，および抵抗３１２から成る増幅段は、
端子３５４に供給される、変換器１０３の検出信号をバ
ッファし増幅する。抵抗３０６，３０８は、増幅器３３
０の反転入力においてバイアス電圧を発生し、センサ１
００のゼロ圧力オフセットの温度係数を調節する。変換
器１０３からの共通モード信号を最小に抑えるために、
抵抗３１０は抵抗３１２に等しいことが好ましく、抵抗
３２０は、抵抗３０６，３０８の等価並列抵抗に等しい
ことが好ましい。抵抗３１４，３１８は、増幅器３３４
のゼロ圧力動作点を設定する。
は、変換器１０２からの検出信号を変換器１０３の検出
信号に加算することによって、変換器１０３からのセン
サ信号における負の非線形誤差を補正する。増幅器３３
０，抵抗３０６，抵抗３０８，および抵抗３１０から成
る増幅段が、端子３５６において変換器１０３の検出信
号を受信し、バッファおよび増幅を行う。増幅器３３
４，抵抗３２０，および抵抗３１２から成る増幅段は、
端子３５４に供給される、変換器１０３の検出信号をバ
ッファし増幅する。抵抗３０６，３０８は、増幅器３３
０の反転入力においてバイアス電圧を発生し、センサ１
００のゼロ圧力オフセットの温度係数を調節する。変換
器１０３からの共通モード信号を最小に抑えるために、
抵抗３１０は抵抗３１２に等しいことが好ましく、抵抗
３２０は、抵抗３０６，３０８の等価並列抵抗に等しい
ことが好ましい。抵抗３１４，３１８は、増幅器３３４
のゼロ圧力動作点を設定する。
【００２４】増幅器３３２は、変換器１０３の出力に結
合されている非反転入力を有する。増幅器３３２は、利
得が１の増幅器として構成され、バッファ段を設けて変
換器１０２への負荷を避ける。抵抗３１６，３１２は加
算回路を構成し、増幅器３３４の非反転入力において、
増幅器３３２，３３０の各出力を加算する。変換器１０
３の出力端子３５４が増幅器３３４の非反転入力に結合
され、一方増幅器３３０の出力が増幅器３３４の反転入
力に結合されていることを思い出されたい。増幅器３３
４は、変換器１０２の検出信号を変換器１０３の検出信
号に加算することにより、変換器１０３からの検出信号
の負の非線形成分を相殺する。誤差補正出力検出信号Ｖ
OUT は、センサ１００の物理状態を表わす線形出力信号
である。抵抗３２０は、増幅器３３４の電圧利得を設定
し、センサ１００の出力検出信号ＶOUT の所望の振幅を
生成する。
合されている非反転入力を有する。増幅器３３２は、利
得が１の増幅器として構成され、バッファ段を設けて変
換器１０２への負荷を避ける。抵抗３１６，３１２は加
算回路を構成し、増幅器３３４の非反転入力において、
増幅器３３２，３３０の各出力を加算する。変換器１０
３の出力端子３５４が増幅器３３４の非反転入力に結合
され、一方増幅器３３０の出力が増幅器３３４の反転入
力に結合されていることを思い出されたい。増幅器３３
４は、変換器１０２の検出信号を変換器１０３の検出信
号に加算することにより、変換器１０３からの検出信号
の負の非線形成分を相殺する。誤差補正出力検出信号Ｖ
OUT は、センサ１００の物理状態を表わす線形出力信号
である。抵抗３２０は、増幅器３３４の電圧利得を設定
し、センサ１００の出力検出信号ＶOUT の所望の振幅を
生成する。
【００２５】本発明の別の実施例では、変換器１０２の
ホイートストーン・ブリッジ構成は、膜応力による非線
形誤差信号を、曲げ応力によるセンサ信号の線形成分に
加算するように方向付けてもよい。その場合、変換器１
０２からの非線形誤差信号を変換器１０３からのセンサ
信号から減算し、センサ１００の物理状態を表わす、線
形誤差補正出力検出信号ＶOUT を発生する。
ホイートストーン・ブリッジ構成は、膜応力による非線
形誤差信号を、曲げ応力によるセンサ信号の線形成分に
加算するように方向付けてもよい。その場合、変換器１
０２からの非線形誤差信号を変換器１０３からのセンサ
信号から減算し、センサ１００の物理状態を表わす、線
形誤差補正出力検出信号ＶOUT を発生する。
【００２６】以上の説明から、本発明は、曲げ応力およ
び膜応力を受けるセンサの検出信号における誤差を補正
する回路および方法を提供することが認められよう。曲
げ応力はセンサの物理状態を線形的に表わし、膜応力は
非線形誤差成分をセンサ信号に混入させる。検出構造に
おいて、曲げ応力が最大の位置に一方の変換器を配置
し、最大の線形成分および非線形誤差成分を有する検出
信号を発生する。また、曲げ応力が最小の位置に他方の
変換器を配置し、非線形誤差成分を有するが線形成分が
ぼほゼロの信号を発生する。２つの変換器からの検出信
号を組み合わせて、非線形誤差成分を相殺する。結果的
に得られるセンサの出力信号はほぼ線形であり、したが
って検出した物理状態を表わすものとなる。
び膜応力を受けるセンサの検出信号における誤差を補正
する回路および方法を提供することが認められよう。曲
げ応力はセンサの物理状態を線形的に表わし、膜応力は
非線形誤差成分をセンサ信号に混入させる。検出構造に
おいて、曲げ応力が最大の位置に一方の変換器を配置
し、最大の線形成分および非線形誤差成分を有する検出
信号を発生する。また、曲げ応力が最小の位置に他方の
変換器を配置し、非線形誤差成分を有するが線形成分が
ぼほゼロの信号を発生する。２つの変換器からの検出信
号を組み合わせて、非線形誤差成分を相殺する。結果的
に得られるセンサの出力信号はほぼ線形であり、したが
って検出した物理状態を表わすものとなる。
【００２７】以上、本発明の特定実施例について示しか
つ説明したが、更に別の変更や改良も当業者には想起さ
れよう。したがって、本発明はここに示した特定形態に
限定される訳ではなく、本発明の精神および範囲から逸
脱しない全ての変更は、特許請求の範囲に含まれること
を意図するものである。
つ説明したが、更に別の変更や改良も当業者には想起さ
れよう。したがって、本発明はここに示した特定形態に
限定される訳ではなく、本発明の精神および範囲から逸
脱しない全ての変更は、特許請求の範囲に含まれること
を意図するものである。
【図１】センサの等幅図。
【図２】圧力が加えられた場合のセンサを示す側面図。
【図３】誤差補償回路の構成図。
１００ 圧力センサ １０１ センサ・ダイアフラム １０２，１０３ 変換器 １０４ 誤差補償回路 １０８ エピタキシャル層 １１０ 基板 １１２ ダイアフラムの縁部 ２０２，２０３，２０６ 位置 ３０２，３０４，３０６，３０８，３１２，３１６，３
１８，３２０ 抵抗 ３２２，３２４ 抵抗 ３３０，３３２，３３４ 増幅器 ３５０，３５２ 電源導体
１８，３２０ 抵抗 ３２２，３２４ 抵抗 ３３０，３３２，３３４ 増幅器 ３５０，３５２ 電源導体
Claims (5)
- 【請求項１】センサであって：物理状態に応答し、曲げ
がほぼゼロの第１位置（２０２）を有する検出構造（１
０１，１０８）；および前記第１位置（２０２）に配置
され、前記検出構造における膜応力を第１検出信号に変
換する第１変換器（１０２）；から成ることを特徴とす
るセンサ。 - 【請求項２】前記ほぼゼロの曲げは、前記物理状態に応
答し、前記検出構造の表面において、引っ張り応力およ
び圧縮応力間の遷移点において発生することを特徴とす
る請求項１記載のセンサ。 - 【請求項３】物理状態を検出する方法であって：物理状
態に応答して屈曲し、ほぼゼロの曲げを有する第１位置
（２０２）に、膜応力を発生する検出構造（１０１，１
０８）を設ける段階；および前記第１位置において前記
膜応力を検出し、第１検出信号を供給する段階；から成
ることを特徴とする方法。 - 【請求項４】第２位置（２０３）において膜応力および
曲げ応力を検出し、誤差成分を有する第２検出信号を供
給する段階；および前記第１および第２検出信号（回路
１０４において）を組み合わせ、前記第２検出信号の誤
差成分を除去する段階；を更に含むことを特徴とする請
求項３記載の方法。 - 【請求項５】センサであって：曲げがほぼゼロの第１位
置と、物理状態に応答して曲げを生ずる第２位置とを有
する検出構造；前記検出構造の前記第１位置に配置さ
れ、前記物理状態に応答して前記検出構造内に膜応力に
よって混入される誤差成分を表わす第１検出信号を供給
する第１変換器；前記第２位置に配置され、前記物理状
態を、前記誤差成分を有する第２検出信号に変換する第
２変換器；および前記第１検出信号を受信するように結
合された第１入力と、前記第２検出信号を受信するよう
に結合された第２入力と、誤差補正出力検出信号を供給
する出力とを有する誤差補償回路；から成ることを特徴
とするセンサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US722384 | 1996-09-30 | ||
| US08/722,384 US6308577B1 (en) | 1996-09-30 | 1996-09-30 | Circuit and method of compensating for membrane stress in a sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10111200A true JPH10111200A (ja) | 1998-04-28 |
Family
ID=24901612
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9279406A Pending JPH10111200A (ja) | 1996-09-30 | 1997-09-29 | センサにおける膜応力を補償する回路および方法 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6308577B1 (ja) |
| EP (1) | EP0833137A3 (ja) |
| JP (1) | JPH10111200A (ja) |
| KR (1) | KR19980025190A (ja) |
| CN (1) | CN1089161C (ja) |
| TW (1) | TW345748B (ja) |
Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2000340805A (ja) * | 1999-04-19 | 2000-12-08 | Motorola Inc | 電子部品および製造方法 |
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| US10553843B2 (en) | 2016-03-28 | 2020-02-04 | Transform Sr Brands Llc | Portable power tool, battery pack, and cell configurations for same |
| JP6663314B2 (ja) * | 2016-07-08 | 2020-03-11 | アズビル株式会社 | 圧力センサ |
| CN107192556B (zh) * | 2017-05-12 | 2019-07-02 | 重庆交通大学 | 微型定容燃烧空间测试装置 |
| CN114152369A (zh) * | 2020-09-07 | 2022-03-08 | 中国科学院微电子研究所 | 一种mems压阻式压力传感器及压阻排布方法 |
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