JPS59163533A - 圧力変換器とその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は圧力変換’Ｉｊｉｉ　ｓ特に零点オフセット
とその温度変動を自動的に補償するのに好適な圧力変換
器の構成とその駆動方法に四する。

従来、圧力変換器の分野では、零圧力印加時に生じる出
力オフセット電圧の調整と該オフセット電圧の放置ドリ
フト及び周囲温度による変車ｈ（７）補償か実用化の入
電な珠薊となってきた。持１こ半導体圧力センサを用い
た圧力変換器では、検出用フリッジ回路を構成する各拡
散ノ曽ゲージ抵抗の間の寸法、不純物濃度及び残留歪応
力のほらつきにもとすくオフセット電圧ご、温度変化に
ともなう該オフセット電圧の変動が、該圧力変換器の最
大の欠点となっていた。以下、第１図及至第３図を用い
、従来の圧力変換器とその問題点について説明する。

Ｍ１図は、圧力センサとして従来広く用いられア ているダイイフラム形シリコン圧カセンサの一構成例に
おける平面図である。図の圧力センサ１００において１
〜４はゲージ抵抗を示し、これらは例えばｎｆｉンリコ
ン基板５の中央部にエツチング等によって形成され１こ
薄肉の受圧ダイアフラム（図中破線で示す）６上に不純
物ポロン等ｆ’６’を択拡散またはイオン注入すること
によってＦ配列されたｐ形拡散抵抗膚である。すた、同
図において、７はゲージ抵抗１〜４の両＠番こ接続され
た金属電極であり、各ゲージ抵抗の抵抗イ］ｎ変化は該
１゛ｔｉｉ造を介して外部（こ取り出さ第１る。なお、
第１図では、円形ダイアフラム６上の周辺部に長手方向
が半径方向の抵抗（半径ゲージという）１，３及び長手
方向か接線方向の抵抗（接線ケージという）２，４がそ
れぞイ１設けられている。これは、ｎａソリコン基板の
面方位を（］００）、各ゲージ抵抗の長手方向を＜０１
１＞結晶軸方向に選んだ場合の一例であって、この場合
、拡散抵抗側から正圧か印扉されると、半径ゲージ１，
３は抵抗値か増大し、接線ゲージ２゜４は抵抗値が減少
する。

第２図は、第１図（こ示した圧力センサ１．００を用い
て差圧膨圧力変換器を構成する場合の典や的なパッケー
ジ構造の一例を示Ｔ断面図である。図において、圧カセ
ンサ用立は導圧路を設けた適当な台座８ｉこ接合され、
該台座８（ま、圧力導入管９とハーメチックシールされ
たリードＨ１０ｆ　１ｌｉｉえたステム１１に接着され
ている。そして該ステム１１の上面に圧力導入管１２を
俯１えたキャップ１３が接着されて圧力センサパッケー
ジ２００が構成されている。

図の構成において、圧力導入管１２及び９にそれぞれ圧
力Ａ及びＢが印加されたと下ると、ａ）１図に示したセ
ンサ１００の受圧ダイアフラム６には圧力ＡとＢの差圧
（Ａ−Ｂ）１こ応じた歪が生じ、この歪応力ｌこよって
ゲージ抵抗１〜４の抵抗値が変化する。ゲージ抵抗１〜
４の両端部は金属電極７とリード線１０の間を配線材１
４で結ぶことにより外部に取り出されており、各ゲージ
抵抗の抵抗値の変化は第３図に示すような駆動、検出及
び増幅回路によって゛電圧に変換され、増幅される。

第３図は圧力変換器の駆動及び検出回路として従来よく
用いられている回路構成例である。図において、」世は
ゲージ抵抗１〜４を用いて構成したホイートストーンブ
リッジ回路（以後、単ζこブリッジ回路と略称する）１
．５　、１．６は該ブリッジ回路に定電圧あるいは定電
流を印加する１こめの励起’Ｉ’Ｊａ子、１７　、１８
は該ブリッジ回路の不平衡７１１′圧棟出端子をそれぞ
れ示す。該フリッジ回路ヱ曳ζこおいては、半径ゲージ
１と３、接線ゲージ２と４がそれぞれブリッジの対向す
る辺となるように接続されているので、印加圧力に対し
て例えは半径ゲージ１．３の抵抗１［ａが増大すると、
接線ゲージ２，４の抵抗値は逆に減少し、この結果、ブ
リッジ回路−３００の検出端子１７　、１８間には印加
圧力に比例した不平衡電圧△Ｅが得られる。欠番こ該不
平衡電圧△Ｅは差動増幅回路細見によって増幅・シング
ルエンド化される。該差動増幅回路４００としては、例
えば図ζこ示したような３個の演算増幅器１９．２０．
２１と抵抗２２．２３．２４．２５．２６．２７．２８
から成る周知の回路が用いられ、不平衡電圧△Ｅは増１
席及びインピーダンス変妨されたンングルエンド出力と
して圧力変換器の出力端子２９１こ取り出される。なお
、図ζこおいて、端子３０は零点設定のための電圧印加
端子であり、零点及び圧力感度の調整は、抵抗２７及び
抵抗２４のトリミングにこまって行なわれるのが一役的
である。

以上、従来の圧力変換器の１ざ圧索子、受圧部構造、駆
動及び検出回路について詳しく説明しブー。

しかしながら、丑記圧力変換器ｔこは、圧力か加わって
いない状１項で周囲温度が変化すると、ブリッジ回路３
００のオフ上２．ト電圧が変動−「る欠点がある。この
現象は零点の温ｊ及変動と呼はれ、１）ケージ抵抗製造
時における不純物濃度のアンバランス、２）ダイアフラ
ムに作用している残留応力、３）ソリコン基板と台座の
間の熱膨張係数の相違Ｏこよりチップ取付時に生じた熱
ひずみ応力及び４）取付条件などの要因で発生する。

この零点温度変動の補償方法として、従来、ゲージ抵抗
と直列及び並列に非常に温度係数の小さい補償用抵抗を
接続する方法が用いられている。

゛これを第４図に示す。図において、ゲージ抵抗１〜４
、励起端子１５．１６及び検出端子１７．１８は第３図
と同−構成要素であり、この例では、ゲージ抵抗１ζこ
直列補償抵抗３１が直列接続され、これらに並列ζこ並
列補償抵抗３２が接続されてブリッジ回路の一辺を構成
している。ここで直列及び並列′＠償低抵抗１及び３２
の抵抗値は２点の温度（こおける４辺のゲージ抵抗の抵
抗値から求められる。才た、２点の温度における未：＠
償のブリッジ回路のオフセット電圧とゲージ抵抗値から
補償抵抗値を算出する方法も提案されている。なお、補
償抵抗３１及び３２としては金属皮膜抵抗等の外付は抵
抗素子か使用される。しかしながら、上記零点補償方法
には１）補償抵抗値を決定するための個別のセンサにつ
いての測定が非常に煩わしく、多大の時間を要する、２
）外付は抵抗素子を必要とするので補償回路がゲージ抵
抗と同一基板上にオンチップ一体化できない等の問題が
あり、量産性、モノリシックＩＣ化による小形化に不向
きで製造コストが高価になる欠点があった。また、上記
２点間の零点の温度特性が直線的な変化を示さない場合
には補償ができないという欠点もあった。

本発明は上記従来技術の欠点を解消するためになされた
もので、その目的は、零点の温度変動を自動的（こ補償
し得る構成を備えた圧力変換器とその駆動方法を提供す
ることにある。

本発明によれは、印加圧力に応答して抵抗値変化を示す
感圧素子と、該素子の抵ｖｃ値変化そ電圧信号として取
り出すための駆動及び検出回路と、前記感圧素子に２糸
絖の圧力を交互ζこ供給するために設けられた適当な開
閉手段を有する圧力導入手続を備え、かつ一端が前記検
出回路の出力に接ｆＪすれたコンデンサと該コンデンサ
の他端と基準電圧との間に接続されたスイッチとを備え
たことを特徴とする圧力変換器が得られる。

さらに、本発明によれば、上記圧力変換器において、前
記圧力導入手続における開閉手段の開閉を、前記コンデ
ンサと基準電圧との間に接続さイまたスイッチの開閉と
同期させ、かつ、これを）Ｎ期的に繰り返すようにした
ことを特徴とする圧力変換器の駆動方法が得られる。

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

舅５図は本発明（こ従う圧力変換器における圧力導入手
続の一実施例を示す構造図である。図において１匹は、
第２図と全く同一の構成要免から成る圧力センサパッケ
ージ、３３．３４．３５は導圧路、３６及び３７は導圧
１洛開［４」手続τゐり、４＜ブイ７、・Ｌｌり１ｊて
（ハパ、ケージ二のステム１］に設（・ブら和、１こ圧
力尋人型９に接続きれた導圧路３３とキ４ｙブ１；３（
こ設けられた圧力箸、入・ｉ１２に接Ｈ，−，ぎれｆこ
）４？圧路３４が岸支導圧路３５によっで結はれている
。そして、導圧路間１１′ツ手段３６は圧力的１人口３
８と分１：１２点３９の間の導圧路３４甲に、導圧路１
−Ｉｉ′、１（７）手段３７は分欣点３９と４０の同の
導圧路３５中にそれそイ１泪己設されている。

第６図は本発明（こ従う圧力変換器における１、Ｖ動及
び検出回路の一実施例を示す図である。同図において、
３００及び剣狙は第３図と全く同一の構成侠素から成る
ブリッジ回路及び差動増幅回路、４２は電圧印加端子、
４３は一端が差動増幅回路ｙ度の出力４４ｉこ接続され
たコンデンサ、４５は該コンデンサ４３の他端と電圧印
加端子４２の間ζこ設けられたスイッチ、４６はコンデ
ンサ４３とスイッチ４５との接続点、４７は入力端子か
該接続点４６に接続され１こボルテージフォロワ構成の
／〈７フア用瞑鼻増１而器で、４８は該増−１’Ｍｔ器
４７の出力、諸子すなわち圧力変換器の出力端子である
。

第７図（、町、本発明に従う圧力変換器の駆動方法を第
５図及び第６図（こ示した構造及び回路射成４こ１！４
！用した場合における一例を示す不尖施例の動作説明図
である。同図（こ２いて４９及び５０は第５図にボした
実施例における導圧路開閉手段３６及び３７の開閉状態
を、５１は第６図ζこおけるスイッチ４５の開閉状態を
ボしている。また、５２は印加圧カ一定時に第３図の端
子４４に得られる電圧波形の一例を、５３はこのとき端
子４６に得られる電圧波形をそれぞれ示している。なお
、４９゜５０及び５１において、実線区間は導圧路開閉
手段及びスイッチが開いた期間、破線区間は閉じた期間
をそれぞれ表わしている。

第５図、第６図及び第７図を用いて本実施例を説明する
。

ます、第７図のＴ１時間においては、第５図の導圧路開
閉手段（以下、単に開閉手段という）３６が閉状態、３
７が開状態となるので、圧カセンサ郵のダイアフラム６
の表側と裏１ＩＩＩζこは共に圧力導入口４１から供給
される圧力Ｂが加わる。この場合、差圧は零となりダイ
アフラム６は変形しないので、第６図の端子４４（こは
零点に対応する電圧が得られる。次Ｏこ、Ｔｒ２期間で
は、開閉手段３（５が開状態、３７は閉状態となるので
、ダイアフラム６の表側には圧力導入口３８から供給さ
れる圧力Ａが、裏側には圧力導入口４１から供給される
圧力Ｂがそれぞれ加わり、第６図の端子４４にけ圧力Ａ
とＢの差圧（Ａ−Ｂ）に対応した電圧が得られる。した
かって、以上の手続を周期的ζこ繰り返すことにより端
子４４には例えは第７図に示すようなパルス状の電圧波
形５２が得ら、れる。なお、５２は周囲温度の変化ある
いは放置ドリフトにより零点オフセットが時間とともＱ
こ正方向にシフトしてゆく場合の波形例を示しており、
この場合、入力差圧（Ａ−Ｂ）か一定であっても出力電
圧が時間ととも番こあたかも上夕＋してゆくかのような
応答を示す。しかしなから、該電圧波形５２は、コンデ
ンサ４３とスイッチ４５から成る回路をこまって接続点
４６では第７図の５３で示されるような波形に修正され
る。Ｔなわぢ、本実施例では、開閉手段３６が閉状態（
３７が回状；族）のとき（・こスイッチ４５を閉じ、入
力差圧が零になる毎に後続点４６を端子４２ｉこ印加さ
れる面圧で初期設定するので、零点に対応する出力電圧
は常に一定値（この例ではＯ■）となる。そして、スイ
ッチ４５を開いた後、開閉手段３６を開状態（３７そ閉
状態）とし、差圧（Ａ−Ｂ）に対応した電圧でコンデン
サ４３を充電するので、接続点４６ては零圧力と被測定
圧力の差ζこ対応した出力電圧Ｖｐが得られることにな
り、ブリッジの零点変動を除去することができる。該接
続点４６の電圧波形５３は、高入力インピーダンスのバ
ッファ回路４７によりインピータンス変換されて出力端
子４８ζこ導ひか１１、る。

以上のように、本実施例では、コンデンサ４３を圧力が
印加されない状態での零点オフセット電圧で充電してお
き、次にこれを圧力が１：［Ｊ加された状態での出力電
圧で充電することにより零圧力時と圧力印加時の出力電
圧の差を検出するので、ブリ、ジ回路の零点温度変動を
自ｂす的にｉ４二去し得る優れた圧力変換器が得られる
。

なお、上記実施例では出力端子４８（こパルス振幅変調
（ＰＡＭ）された出力信号が得られる。多くの場合、出
力信号はＰＡＭ　　されていても問題はないか、連続し
た出力１１号が要求される場合ζこは、第８図に示した
ような回路構成を用いれはよい。

同図Ｏこおいて、電圧印加端子４２、コンデンサ４３、
スイッチ４５、接続点４６は第６図と同一構成要素、５
４はスイッチ、５５はコンデンサ、５６はボルテージフ
ォロワ、接続さイまた演算増幅器である。第９図は第８
図に示した回路の動作説明図で、５１及び５３は・耳７
図にも示したスイッチ４５の開閉状態及び接続点４６の
電圧波形、５９はスイッチ５４の開閉状態、６０は演算
増幅器５６の出力端子５８に得られる電圧波形をそれぞ
れ示１−０なお、この例ではコンデンサ５５の容量１μ
がコンデンサ４３に比べ十分小さく遊定されているもの
とする。この場合、第９図Ｇこ示したように、スイッチ
４５が開状態のとき（こスイッチ５４を閉じると、コン
デンサ５５は接続点４６と同重圧に充電され、該電圧は
スイッチ５４を開いた後も直流回圧の印加される端子５
７との電位差ａしてコンデンサ５５に保持される。した
がってこれを周期的に繰り返すことにより出力！７ｉ１
ｉｉ子５８には連続な出力′重圧Ｖｐが得られる。

なお、上記実施例は、差圧形圧力変換器について説明し
たが、本発明ζこよれはゲージ圧形圧カ変換器も同隨に
構成できる。すなわち、舅５１ヌＩにおける導圧路開閉
手段３７と）９圧路分岐点４０の間を大気中（こ開放し
、かつ導圧路３３と圧力導入管９を取り除けは、ゲージ
正形圧力変換器が得られる。

以上詳しく説明したように、本発明は圧力変換器の零点
温度補償に効果があり、さらζこ補償回路はゲージ抵抗
とのオンチップ一体化に虐しているため、差圧及びケー
ジ圧形圧力変換器の特性向上ζこ与える効果は著しい。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は圧力変換器の従来例を示す図、第４
図は従来の圧力変換器における素点温度補償回路を示す
図、第５図乃至第９図は本発明に従う圧力変換器の構成
と駆動方法の失施例を７Ｆ、す図である。 １、２．３．４．・・・・・・ゲージ抵抗　５・・・・
・・シリコン基板６・・・・・・ダイアフラム　　　７
・・・・・・１ｆ極８・−・・・・台座　　　　　　　
９，１２・・・圧力導入′ぎ］０・・・・・・リード線
１１・・・・・・ステム１３・・・・・・キャップ　　
　　　１４−・・・・・門己線４才１５　、１６・・・
・・・励起端子　　　１７　、１８・・・・・・検出端
子１９．２０．２０　・・・・・・演算増幅器２２　、
２３　、２４　、２５　、２６　、２７　、２８・・・
・・・抵抗２９．３０，４２，４８，５７．５８・・・
・・・端子３１．３２・・・・・・補償抵抗　　３３，
３４．３５・・°゛°°導圧路３６．３７・・・・・導
圧路開閉手段３８．４１・・・・・圧力導入口３９．４
０・−・・・・導圧路分岐点４３　、５５・・・・・・
コンデンサ４５．５４・・・・・・スイッチ　　４４　
、４６・・・・・・回路接続点４７・・・・・・バッフ
ァ回路　　　４９　、５０・・・導圧路の開閉状態５１
．５’９・・・スイッチの開閉状態５２．５３．６０・
・・・・・電圧波形１００−−　・−・圧力センサ ２００　＝・−・−圧力センサパノケージ３００・・・
・−・ブリッジ回路 ４００−　・−・差動増幅回路。 括　ノ　Ｌシ≧コ つ 二 粥２図 ００ 括　７　図 ４ｑ　　←−−−←−−−←−−−←−−−←−−一←
！５０　　　１−−−１−一一一一一←−−−−−＋　
−−−ｓ−←−−−←−→−−−ＩＳ／　　　←−−−
−←−−−−←−〜−−→−−−−←←−−−−−−箒
　β　旧 ４／　　　　　　Ｖ５′／

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、印加圧力（こ応答して抵抗値変化を示す感圧素子と
   、該素子の抵抗値変化そ゛に圧４１ぎ号として取り出す
   ための駆動及び検出回路と、前記感圧素子に２系統の圧
   力を交互（こ供給するため（こ設けらＩｌ、た１魯当な
   開閉手段を有する圧力導入手Ｋｆ抽え、かつ一端が前記
   検出１回路の出力に接続されたコンデンサと該コンデン
   サの他端と基準市：圧との間に接続されたスイッチとを
   備えたことを特徴とする圧力変換器。 ２、印加圧力に応答して抵抗値変化を示Ｔ感圧素子と、
   該素子の抵抗値変化を電圧信号として取り出すための駆
   動及び検出回路と前記感圧素子に２系統の圧力を交互に
   供給するために設けられた過当な開閉手段を有する圧力
   導入手続を備え、かつ一端が前記検出回路の出力に接続
   されたコンデンサと該コンデンサの他端と基準電圧との
   間に接続されたスイッチとを備えた圧力変換器番こおい
   て、前記圧力［有］入手続ζこおりる開閉手段の開閉を
   、前記コンデンサと基準電圧との間ｌこ接続されたスイ
   ッチの開閉と同期させ、かつ、これ７！：周期的に繰り
   返すようにしたことを特徴とする圧力変換器の駆動方法
   。