JPS60152913A

JPS60152913A - 圧力変換器

Info

Publication number: JPS60152913A
Application number: JP59008826A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ishihara; 力石原
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1984-01-20
Filing date: 1984-01-20
Publication date: 1985-08-12

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】本発明は圧力変換器に関し、特に半導体感圧素子を用い
た圧力変換器の温度特性の改良に関する。

従来、この種の半導体圧力変換器では、半導体ダイアフ
ラム上に形成された感圧素子を用いてホイートストンブ
リッジ回路（以下、単にブリ、ジ回路と略称する）を構
成し１、印加圧力にＬるダイアフラムの歪みに応じて生
じる該感圧素子の抵抗値変化を、該ブリッジ回路を定電
圧あるいけ定電流源で駆動することにｔって該ブリッジ
回路の不平衡電圧として検出し、該不平衡電圧を差動増
幅回路でさらに増幅することによシ印加圧力に比例した
出力信号を取り出していた。第１図に該圧力変換器の具
体的な構成例を示す。図において、１００け感圧素子ｌ
、２，３．４で構成されるブリッジ回路、５は該ブリッ
ジ回路に定電圧を印加するだめの駆動端子、６及び７け
該・ブリッジ回路の不平衡電圧検出端子をそれぞれ示す
。感圧素子１〜４としては例えば半導体ダイアフラム上
に選択拡散、イオン注入等にＬＤ影形成れた不純物拡散
領域が用いられ、感圧素子１．３と感圧素子２．４け、
それぞれ同一印加圧力に対し互いに逆方向の抵抗値変化
を示すＬう、その長手及び横手方向の結晶軸が選択され
て配列されている。この結果、印加圧力に対して例えば
感圧素子２．４の抵抗値が増大すると、感圧素子１．３
の抵抗値は逆に減少し、この結果、ブリッジ回路１００
の不平衡電圧検出端子６．７間には印加圧力に比例した
不平衡電圧ΔＥが得られる。該不平衡電圧ΔＢは、３個
の演算増幅器８．９、工０　と抵抗１１，１２．１３．
１４．１５．１６．１７とで構成される増幅回路２００
　＆こよって増幅・シングルエンド化される。該増幅回
路２００において、抵抗１１．１２．１３及び演算増幅
器８．９から成る前段増幅回路（２０１）は、インピー
ダンス変換（高入力抵抗−低出力抵抗）を達成すると同
時にブリッジ回路１００の不平衡電圧△Ｅ（該前段増幅
回路にとっては差動入力）を増幅する。すなわち、圧力
が印加されない状態でのブリッジ回路部の端子６及び７
の電圧をともにｖｃｍ、印加圧力によって生じる端子６
及び７の対称な電圧変化分をそれぞれＶノ＝＝ｗ　Ｅ／
　２　）及びｖ、（＝−ΔＥ／２）、抵抗１１．１２及
び１３の抵抗値をそれぞれＲ，、）ｊ説びＲ８とすると
演算増幅器８及び９の出力端子１８及び１９に得られる
電圧Ｖ。、及びＶ。２けそれぞれ次式で与えられる。

２ｖ　０１：ｖ、　十−（Ｖｌ　−Ｖ、　）＋Ｖｃ＋ｎ（
ｔｌＲ３Ｒ８ ■０２　＝Ｖ２＋（ｖｔ　−Ｍｌ　）＋Ｖｃｔａ　（２
１１ｔ。

一方、抵抗１４〜１７及び演算増幅器１０から成る出力
段増幅回路（２０２）は差動入力をシングル・エンド出
力に変換する。め１、抵抗１４．１５．１６及び１７の
抵抗値をＲ４，Ｒ，、Ｒ６及びＲ１とすると、演算増幅
器１０の出力端子２０　Ｋ得られる出力電圧Ｖ。け次式
で与えられる。

ここでＶｉ２、Ｖｉ＋及びｖＩｃは該出力段増幅回路（
２０２）に対する入力電圧の差動成分及び同相成分で、
前段増幅回路（２０１）の出力電圧Ｖ。１及びＶ。。

との関係は、それぞれＶ　ｉ２−（Ｖ　０２　Ｖ　０１
　）／２−Ｖ　ｉｌ、Ｖ　ｉ　（−（Ｖ　６（十ｖ。、
）／２で定義される。そこでいま、前段槽１ｉｊＪ回路
（２ｏ１）Ｋ、ｉｐける抵抗７２　ト１３　ノ抵抗値が
等しく選定されていると（Ｒ２＝＝ｌ（、χＶ　Ｉｆ　
、Ｖ　ｉｌ及びＶｉｅけそれぞれ次のようになる。

ｙ４Ｃ＝＝■α（、・ｖ、　＝＝　ｙ２）　（５）した
がって、出力段増幅回路（２ｏ２）における抵抗１４．
１５．１６及び１７の抵抗値ＲいＲ５、Ｒ６及びＲ１を
Ｒ５／Ｒ４＝Ｒ７／ＩＬｓ　（Ｒ１４Ｒ７＝Ｒ，，Ｒａ
　）に選定すれば、（３）式は、となり、同相電圧成分Ｖｃｍけ除去され、ブリッジ不平
衡電圧ΔＢ　（−ｙ２Ｖｌ　）が増幅、シングルエンド
化された出力電圧Ｖ。が出力端子２ｏに得られる。

しかし、なから、定電圧で駆動される上記圧力変換器で
は、ピエゾ抵抗係数の負の温度係数にょシ温度の上昇と
ともに圧力感度が低下する欠点があった。

この感度の温度変動を補償するため、従来、出力段増幅
回路（２０２）を構成する演算増幅器１ｏのフィードバ
ック回路を正の温Ｍ係数をもつ拡散抵抗で構成すること
により増幅度に正の温度係数を与える第２図に示すよう
な構成の圧力変換器（特開昭５６−１４５３２７）が提
案されている。図において２１ｄ感圧素子１〜４と同一
半導体基板上の圧力不感部に設けられた拡散抵抗、２２
け半導体基板外の抵抗で、これらが並列接続されて演算
増幅器１θのフィードバック回路（出力端子−反転入力
端子間）が構成されている。なお、同図において抵抗２
３及び２４　Ｖｉ、駆動端子２５及び２６に供給される
駆動電圧を分圧し、端子２７に得られる該分圧電圧ｖｂ
を抵抗１７を介して演算増幅器１０の非反転端子に導び
くことにより出力端子２０の直流レベルを調整するゼロ
点調整回路を構成している。拡散抵抗２１と並列接続さ
れた抵抗２２と釆から成るフィードバック回路の抵抗値をＲ１とすると、
該圧力変換器の出力電圧Ｖ。け、次式で４上式において
、同相電圧成分（第３項）を零とし、差動電圧成分（Ｖ
ｉｚ　Ｗｉｔ）にのみ比例した出力電未圧Ｖ。を得るためにはＲ４Ｒｔ　Ｒｔ　Ｔ（６＝０　な
る関係が恒等的に成立しなければならな因。しかしなが
半ら、上記構成の圧力変換器では、Ｒ１のみが正の温度係
数を示し、ＲいＲ６及びＲ，、け温度依存性をも米たな整またはＲｔ　に比べ温度係数が極めて小さい）の
で、上記関係式を成立させることができるのは成る一点
の温度のみとなる。この結果、同相利得が温度とともに
変化するので、印加圧力とは無関係な温度と同相電圧成
分■ＩｃＶＣ依存し７たオフセット電圧が発生し、こ力
、が温度とともに変動する欠点があった。捷だ、（７）
式の第４項から明らかなように、ゼロ点ｍ＋！Ａ整電圧
ｖｂに対する利得が温度依存性をもつことになるので温
度変化にょシゼロバランスが崩れる欠点もあった。

」ゾ上、詳しく説明したように、第２図に示した構成を
もつ従来の圧力変換器では、感度の温度補償に伴ない、
温度変動による同相利得の増大（同相除去比の減少）な
らびにゼロバランスの変動が発生する欠点があった。

本発明の目的は上記従来の圧力変換器の欠点を解消する
ためになされたもので、圧力変換器が備えるべき諸性能
を損なうことｈく感度の温度補償が可能な優れた性能の
圧力変換器を提供することにある。

本発明に支れげ、少くなくとも一辺に半導体ダイアフラ
ム上に形成された不純物拡散領域からなる感圧素子を含
むホイートストンブリッジ回路と、非反転入力端子がそ
れぞれ前記ブリッジ回路の不平衡電圧検出端子に接続さ
ね反転入力端子が第１の抵抗を介して相互に接続された
第１及び第２の演算増幅器と、該第１及び第２の演算増
幅器の反転入力端子と出力端子の間にそれぞれ接続され
た第２及び第３の抵抗と、反転及び非反転入力端子がそ
れぞれ第４及び第５の抵抗を介して前記第１及び第２の
演算増幅器の出力端子と接続された第３の演算増幅器と
、該第３の演算増幅器の反転入力端子と出力端子の間に
接続された第６の抵抗と、前記第３の演算増幅器の非反
転入力端子とバイアス端子との間に接続された第７の抵
抗から成る圧力変換器であって、前記第２及び第３の抵
抗が前記第１の抵抗りりも大きな正の抵抗温度係数を有
する感温拡散抵抗を用いて構成され、かつ前記第６及び
第７の抵抗が前記第４及び第５の抵抗よりも大きな正の
抵抗温度係ｌ！ｌｌ［を有する感温拡散抵抗を用いて構
成されたことを特徴とする圧力変換器が得ら名る。

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第３図は、本発明の一実施例における圧力変換器の構成
を示す図である。図において、１００け第１図及び第２
図と同じく感圧素子１．２．３．４で構成されるブリ、
ジ回路、２７及び２８け該ブリッジ回路１００ｆ定電圧
駆動するための駆動端子をそれぞれ示し、３００け３個
の演算増幅器３０ａ、　３０ｂ。

３０ｃと抵抗３１．３４．３６ならびに該抵抗３１及び
３４．３６　ｔ９も大きな正の抵抗温度係数を有する感
温拡散抵抗３２．３３及び３５．３７とで構成される差
動増幅回路を示す。本実施例における差動増幅回路３０
０は基本的には２個の演算増幅器３０ａ、　３０ｂを用
すた前段増幅回路（３０１）でブリッジ不平衡電圧の増
幅とインピーダンス変換を行ない、演算増幅器３０ｃを
用−た出力段増幅回路（３０２）で差動−シングルエン
ド変換を達成する構成となっている。そして本実施例の
特徴とするところは、前段増幅回路（３０１）を構成す
る演算増幅器３０ａ、　３０ｂのフィードバック回路が
、抵抗３１　Ｊ：りも大きな正の温度係数を有する感温
拡散抵抗３２及び３３を用いて構成さｊｔｌ　かつ、出
力段増幅回路（３０２）の演算増幅器３０ｃに接続され
た各抵抗要素３４〜３７中、要素３５及び３７が抵抗３
４及び３６１りも大きな正の温間係数を有する感温拡散
抵抗を用いて構成されている点にこある。

本実施例における抵抗３１．３４．３６とし、ては、実
用上固定抵抗と見なし得る程度に温度係数の小さな、例
えば金搗皮膜抵抗等を用いることができる。

また、感温拡散抵抗３２．３３及び３５．３７とＥ、て
は例えば感圧素子１〜４と同一半導体基板上の圧力不感
部に形成された不純物拡散領域からなる拡散抵抗を用い
ることができる。

以下、第３図全参照しつつ本実施例の効果’に辰。

明するが、ここでは便宜上、第１図、第２図の説明と同
様、圧力が印加されない状態でのブＩＪ　ソジ回路１０
０の端子６及び７の電圧をともに■α（したがって不平
衡電圧ΔＥ＝０）、印加圧力によって生じる端子６及び
７の電圧の変化をそれぞれｖ２及びｖ、　（ΔＢ＝ｖ、
　−Ｖｌ　）とし、ｖ２−△Ｅ／２及びｖｌ−−ΔＥ／
２なる対称な電圧変化が得られるものとする。また、抵
抗３１．３４．３６の抵抗値は第１図の１１．１４．１
６と同じくＲ１、”４、Ｒ６を用いて表わし、感温拡散
抵抗３２及び３３の抵抗値けＲ８，（１＋α２１）及び
Ｒ６，（１＋αｓｔ）、３５及び３７の抵抗値けＲ８，
（１十αｓ　ｔ　）％　Ｒｏｔ　（１＋％　’）で表わ
すこととする。ここで、Ｒｏｔ　、Ｒ６ｓ　、Ｒｏｅ　
、ＴＬ６ｖ及びα７、α８、α６、の温度変化をそれぞ
れ示しておυ、感温拡散抵抗３２．３３．３５．３７が
それぞれ同一半導体基板上に同−王権で製造された同一
表面不純物濃度を有する拡散抵抗で構成されるならば、
α２−α、＝α、−α。

−αとなる。また、この場合、半導体基板中の各点は同
一温度に保たれるので各感温拡散抵抗についての電も互
いに等しい値となる。

以上の事実を前提にすると、本実施例の演算増嶋器３０
ａ及び３０ｂの出力端子３８及び３９に得られる電圧Ｖ
。、及びＶ。、け、（１）、（２）式におけるＲ、、亀
が、本実施例ではそれぞれＲ８，（１＋α’）、”０３
（１＋αｔ）となるよう構成が修正されているので、次
式で与えられる。

したがって、感温拡散抵抗３２及び３３のパターン上に
おける拡散幅Ｗと拡散長りの比（Ｗ／Ｌ　）が等しく選
ばれ、　Ｒｏ、＝ＴＬｏ、が満足されていると、出力段
増幅回路（３０２）に対する入力電圧の差動成分Ｗｉｔ
、”／ｉｌ及び同相成分Ｖｉｃはそれぞれ次のよ；Ｖｉ
、　Ｑｌ一方、出力段増幅回路（３０２）における演算増幅器３
０ｃの出力端子４０Ｖｃ得らｈ〜る出力電圧Ｖ。け、（
３）式におけるＲ３及びＲ７が、本実施例ではそれぞれ
”ａｓ（１＋α１）及びＲ８，（１＋ａｔ　）となるよ
う構成が修正されているので、端子２９に印加されるゼ
ロ点調整電圧をｖｂ＝ｏとすると次式で与えられる。

翰したがって、出力段増幅回路（３０２’）における抵抗
３４．３６の抵抗値Ｒ４、Ｒ６及び感温拡散抵抗３５．
３７０基準温度における抵抗値Ｒ８，、Ｒｏ、の間の関
係をル。ａ　／　Ｒａ　＝Ｒ（Ｂ　／Ｒａ　（ＲＩ　Ｊ
Ｒ６，−４゜６−　Ｒ６−０’）　に選定すれば、０Ｉ
ＩＪ、（１１）式より上式はとなる。さらに簡単化のた
め、（２”０２（１→ｔ））／Ｒ１）１　及びα２（１
であることを考慮すればとなり、同相Ｗｒ圧成分ＶｃＩ
ｒＬが完全に除去され、ブリッジ回路！０９の不平衡電
圧１．）シ（−ｖ２−％ｌＩ）のみが増幅、泥糺補償さ
れたシングルエンド出方カ該圧力変換器の出力端子４ｏ
に取り出される。すなわち、（１４）式から明らかなよ
うに、本実施例では、差動増幅回路３００の増幅度に感
温拡散抵抗３２．３３と３５．３７が有する正の温度係
数の和に基づく正の温度係数２αを付与することができ
るので、ピエゾ抵抗係数の負の温度係数に基づく圧力感
度の負の温度係数を効果的に補償することが可能である
。

しかも、本実施例の出力段増幅回路（３ｏ２）では、第
２図に示した従来構成の如き温度変化に伴なう各抵抗間
のアンバランス全土じない。したがって、温度変化によ
る同相利得の増大は抑止され、上記従来構成の欠点であ
った温度と同相電圧成分■αに依存して発生する余分な
オフセラ）１！圧を完全に除去することができる。また
同じ理由から、端子２９にゼロ点調整電圧ｖｂが印加さ
れても、該度に関係なく一定に保たね、るので、従来構
成の欠点であったゼロバランスの温度変動も抑止される
。

したがって、本実施例に１れば、第２図に示した従来構
成の欠点であった温度変化による増幅回路の同相利得の
増大ならびにゼロバランスの変動が解消された圧力変換
器が得られる。

上記実施例において、圧力感度の温度係数を零にするた
めには、増幅回路、迷９痩の増幅度の温度係数２αをブ
リッジ回路胆免を構成する感圧素子１〜４のピエゾ抵抗
係数の温度係数β（負の値）の絶対値と等【、＜選べば
Ｌい（１β１−２α）。これは、一般には、感圧素子１
〜４と感温拡散抵抗３２．３３３５．３７を構成する不
純物拡散領域の不純物製産金それぞれ適宜制御すること
により達成される。

なお、ｎ形シリコン基板に形成されたｐ形不純物領域か
らなる拡散抵抗の場合、表面不純物ｒ＃度が１０１９α
１近傍において抵抗温度係数α（正の値）がピエゾ抵抗
係数の縮度係数β（負の値）の絶対値の１／２（ｌβ１
−２α）となる。１またがって表面不純物象度を上記条
件に選べば、感度温度補償のための感温拡散抵抗３２．
３３．３５．３７を感圧素子１〜４と同一工程で製造す
るととが可能となυ、きわめて効果的で、かつ製造の容
易な感度温ば補償が達成される。

上記実施例においては、抵抗３１及び３４．３６’ｉ金
属皮膜抵抗等の温度係数の小さな外付抵抗とし、抵抗３
２．３３及び３５．３７１ｒ半導体基板上の拡散抵抗と
することにより前段増幅回路（３０１）及び出力段増幅
回路（３０２）の増幅度にそれぞれ正の温度係数を与え
たが、抵抗３１及び３４．３６を感温拡散抵抗３２．３
３及び３５．３７と同一基板上に形成された比較的温度
係数の小さな拡散抵抗で構成するととＫよっても同様に
増幅度に正の温度係数を与えることが可能であり、上記
実施例と同様な効果が得られる。そのような構成の例を
第４図に示す。

第４図は本発明の第２の実施例を示す構成図で、第３図
の抵抗３１及び３４．３６が拡散抵抗４１及び４４．４
６に置き換えられており、それ以外は第３図と同一の構
成要素から成っている。この場合、前段増幅回路（３０
１）及び出力段増幅回路（３０２）の増幅度の温度係数
は、それぞれ拡散抵抗４１と拡散域抗３２．３３の抵抗
値温度係数の差及び拡散抵抗４４．４６と拡散抵抗３５
．３７の抵抗値温度係数の差に依存するので、拡散抵抗
４１及び４４．４６と拡散抵抗３２．３３及び３５．３
７を構成する不純物拡散領域の不−純物濃度をそれぞれ
異なる値に制御し、前者の抵抗温度係数を後者のそれよ
シもｌトさな値に設定することにｌり増幅度に正の温度
係数を付与することができる。

本実施例では、拡散抵抗４１及び４４．４６が感圧素子
１〜４、感温拡散抵抗３２．３３及び３５．３７と同一
基板上に形成できるので、容易にＩＣ化し得る演算増幅
器も含め、全構成要素が同一半導体基板上にオンチップ
可能となる。したがって、本実施例によれば、前記第１
の実施例と同じく高性能な感度温度補償が達成された上
、小形化、せ産化、低価格化を可能にする全モノリシッ
クＩＣ化に極めて適した圧力変換器が得られる。

なお、上記２実施例では、前段増幅回路（３Ｑ１）と出
力段増幅回路（３０２）の増幅度温度係数が等しく選ば
れ、増幅回路３００全体としてはこれらの２倍の温度係
数を得ていたが、前段増幅回路（３０１）と出力段増幅
回路（ａｏ２）の増幅度温度係数を互いに異なる値とし
ても、増幅回路３００には、両者の増幅度温度係数の和
に相当する正の増幅度温度係数が与えられ、上記２実施
例と同様な効果が得られる。そのような構成の一例を本
発明の第３０実施例として第５図に示す。図から明らか
なように本実施例では、第３図の抵抗３４．３６が拡散
抵抗５４．５６に置き換えられており、他は第３図と同
一構成要素で構成されている。本実施例における前段増
幅回路（３０１）には感温拡散抵抗３２．３３の抵抗温
度係数に等しい正の増幅度温度係数、出力段増幅回路（
３０２）には感温拡散抵抗３５．３７と拡散抵抗５４．
５６の抵抗温度係数の差に等しい正の増幅度温度係数が
それぞれ得らネ２、結局増幅回路３００全体としては、
両者の増幅度温度係数の和に相当する正の増幅度温度係
数が得られる。

なお、上記各実施例では説明の匣宜上、抵抗３１〜３７
．４１．４４．４６．５４．５６　がそれぞれいずれも
単一の抵抗体で構成されていたが、本発明に従う圧力変
換器では、これらが種々の抵抗値あるいけ抵抗温度係数
を有する複数個の抵抗体による（１１直列接続（２）並
列接続（３）直並列接続で構成ざｆ″したものであって
も何らさしつかえない。

以上、実施例により、詳しく説明したように、本発明に
よれば従来技術の欠点が解消され、圧力変換器が備える
べき諸性能を損なうことなく感度温度補償が可能な高性
能圧力変換器が実現される。

なお、以上の説明は、感度が負の温度特性を有する半導
体感圧素子を用いた圧力変換器について行なったが、本
発明の概念は感度が正の温度係数を有する検知素子を用
いた場合にも同様に適用できる。すなわち、本発明に用
いられる半導体検知素子は単に感圧素子に限定されるも
のでなく、本発明は半導体検知素子を用いる棟々の半導
体変換器の感度温度補償に広く適用きれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧力変換器の典型的な構成を示す図、第
２図は感度温度補償を施した圧力変換器の従来例を示す
図、第３図は本発明の一実施例を示す図、第４図は本発
明の嬉２の実施例を示す図、第５図は本発明の第４の実
施例を示す図である。１００・・・ブリッジ回路、１，２，３．４・・・感圧
素子、　５，２５２６．２７．２８・・・ブリッジ駆動
端子、２００・・・差動増幅回路、（２０１）・・・前
段増幅回路、（２０２）・・・出力段増幅回路、８，９
，１０・・・演算増幅器、１１，１２，１３，１４゜１
５．１６，１７・・・抵抗、２ｏ・・・出力端子、２１
・・・拡散抵抗、２２・・・抵抗、３００・・・差動増
幅回路、（３０１）・・・前段増幅回路、（３０２）・
・・出力段増幅回路、３０ａ。３０ｂ、３０ｃｍ演算増幅器、３１　、３４　、３．５
　・・・抵抗、３２．３３，３６．３７・・・感温拡散
抵抗、２９・・・ゼロ点調整電圧印加端子、４０・・・
出力端子、　４１，４４，４６゜５４．５６・・・拡散
抵抗。

Claims

【特許請求の範囲】

すくなくとも−辺に半導体ダイアフラム上に形成された
不純物拡散領域からなる感圧素子を含むホイートストン
ブリッジ回路と、非反転入力端子がそれぞれ前記ブリッ
ジ回路の不平衡電圧検出端・　子に接続され、反転入力
端子が第１の抵抗を介しイ相互に接続された第１及び第
２の演算増幅器と、該第１及び第２の演算増幅器の反転
入力端子と出力端子の間にそれぞれ接続された第２及び
第３の抵抗と、反転及び非反転入力端子がそれぞれ第４
及び第５の抵抗を介して前記第１及び第２の演算増幅器
と出力端子と接続された第３の演算増幅器と、該第３の
演算増幅器の反転入力端子と出力端子の間に接続された
第６の抵抗と、前記第３の演算増幅器の非反転入力端子
とバイアス端子との間に接続された第７の抵抗から成る
圧力変換器であって、前記第２及び第３の抵抗が前記第
１の抵抗よりも大きな正の抵抗温度係数を有する感温拡
散抵抗を用いて構成され、かつ前記第６及び第７の抵抗
が前記第４及び第５の抵抗１りも大きな正の抵抗温度係
数を有する感温拡散抵抗を用いて構成されたことを特徴
とする圧力変換器。