JPS61264212A - 抵抗式変換装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、圧力、差圧等の被測定物Ｌｌｆｆｉに応じて
抵抗値が変化するゲージ抵抗を用いた抵抗式変換装置に
関するものである。

〈従来の技術〉 一般に抵抗式変換装置においては、シリコン等の単結晶
半導体からなる受圧ダイヤフラム上に、高ｍ度の不純物
（ボロン）を拡散してゲージ抵抗を形成し、受圧ダイア
フラムの両面にかかる圧力差に基づく応力をゲージ抵抗
に作用させ、ピエゾ抵抗効果によるゲージ抵抗の抵抗値
変化を圧力差すなわち被測定物理量に対応させている。

そして、受圧ダイヤプラム上に２個もしくは４個のゲー
ジ抵抗を設け、ハーフブリッジあるいはフルブリッジを
構成し、被測定物理量を表わす信号を１ｑでいる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところで、この種の抵抗式変換装置においては、ゲージ
抵抗の温度依存性が大きいため、周囲温度の変化による
影響を受け、出力が変動する欠点がある。

よって、一般には、サーミスタ、ポジスタ、トランジス
タ等の感温素子を用い、温度変化に応じてブリッジの電
源電圧を制御して、出力変動の補償を行っている。この
方法で精度よく補償を行うには、ゲージ抵抗の温度特性
と補償用感温素子の温度特性とを一致させる必要がある
が、しかしながらこれらを一致させることは容易ではな
く、高精度な補償は困難であった。

本発明は、周囲温度の変化による影響を有効に補償し、
高精度に被測定物理量を検出できる抵抗式変換装置を実
現するにある。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は、半導体単結晶基板に形成され被測定物理量に
応じて少くともいずれか一方の抵抗値が変化する第１．
第２のゲージ抵抗と、前記半導体基板に形成され抵抗値
が前記被測定物理量には無関係な第３のゲージ抵抗と、
基準電圧と補償信号とを加算した出力電圧を得る演算回
路と、この演算回路の出力電圧に関連した電流を前記第
１．第２のゲージ抵抗に供給する回路と、前記第１．第
２のゲージ抵抗の抵抗値の差に基ずく出力信号を得る出
力回路と、前記演算回路の出力電圧に関連した電流を前
記第３のゲージ抵抗に供給して前記補償信号を得る補償
信号発生回路とを設けたことを特徴とするものである。

く作用〉 本発明は、基準電圧と補償電圧とを加算する演算回路の
出力電圧に関連して第１．第２のゲージ抵抗に電流を供
給して、第１．第２のゲージ抵抗の抵抗値の差に基ずく
出力信号を得、かつ演算回路の出力電圧に関連した電流
を第３のゲージ抵抗に供給して補償信号を得ることによ
り、補償信号の値を選択するだけで、周囲温度の影響を
有効に除去できるようにしたものである。

〈実施例〉 第１図は、本発明の一実施例を示す接続図、第２図は本
発明装置に用いる検出器の一例を示す構成説明図で１．
（イ）は断面図、（ロ）は斜視図である。両図において
、１０は検出器、２０は信号処理回路である。

検出器１０において、シリコン等の単結晶半導体基板１
１には、その中央部にエツチングで基準圧Ｐａ　（例え
ば大気圧）と被測定圧ＰＭとの差に感応する受圧ダイヤ
フラム１２が形成されている。

基板１１はその周辺の固定部１３が基台１４に接合され
ている。拡散技術やイオン注入等により受圧ダイヤフラ
ム１２には第１．第２のゲージ抵抗７５．１６が設けら
れ、固定部１３には第３のゲージ抵抗１７が設けられて
いる。第１．第２のゲージ抵抗１５．１６には被測定圧
ＰＭに応じた応力σ１．σ２が作用し、ゲージ抵抗１５
の抵抗値ＲＭＩ　とゲージ抵抗１６の抵抗値ＲＭ２はそ
れぞれ次式で与えられる。

ＲＭ＋＝Ｒｏ＋（１＋αＩｔ） ×（１＋πｉσ１　（１＋β１ｔ）） ・・・　く　１　） ＲＭ２−ＲＯ２（１＋α２ｔ） ×（１＋π２σ２　（１＋β２ｔ）） ・・・（２） ただし、 ＲＯＩＩＲＯ２：基準湯度ｔＱにおける抵抗値 α１．α２　：抵抗値ＲＯ１，ＲＯ２ の温度係数 π１．π２　二基率温度ｔｏにおける ピエゾ抵抗係数 β１．Ｒ２：ピエゾ抵抗係数π１゜ π２の温度係数 ｔ　　　：基準温度ｔｏからの温 度変化 また第３のゲージ抵抗１７には被測定圧ＰＭによる応力
は作用せず、その抵抗値ＲＭ３は次式で与えられる。

ＲＭ３＝ＲＯ３（１＋α３　ｔ　　＞　　　−−−−−
・（３）ただし、 Ｒ０３：基準温度ｔｏにおける抵抗値 α３：抵抗値ＲＯ３の温度係数 なお、ゲージ抵抗１５．１６．１７は同じ基板１１に形
成され、ｍ度係数はそれでれα言−α２−α３−α、β
１−Ｒ２−β　とみなせる捏持性をそろえることができ
る。またπ１σ１．π２σ２については、例えばシリコ
ンの（１００）面で［１１０１方向にそいゲージ抵抗１
５．１６を互いに直角に配置すれば、π１σ１−一π２
σ２−πσ　とすることができる。このようにすると、
ゲージ抵抗１５．１６は受圧ダイアフラムに作用する被
測定圧ＰＭによって、一方の抵抗値が増加し、他方の抵
抗値が減少する。

信号処理回路２０において、２１は基準電圧源、２２は
演算回路、２３は補償信号発生回路、２４は反転増幅器
、２５．２６は各々抵抗値検出回路、２７は出力回路で
ある。演算回路２２は演算増幅器ＯＰＩを有し、その帰
還回路に抵抗Ｒ３が接続され、入力端子り−）に基準電
圧源２１からの一定電圧Ｅｒが抵抗Ｒ１を介して加えら
れるとともに、補償信号発生回路２３からの補償信号Ｅ
１が抵抗Ｒ２を介して加えられており、Ｒ＋　−Ｒ２−
Ｒ３とすると、ＥＴとＥ、とを加算した電圧Ｅ２を出力
する。補償信号発生回路２３は演算増幅器ＯＰ２を有し
、その帰還回路にゲージ抵抗１７が接続され、入力端子
（−）には抵抗Ｒ４を介して演算回路２２の出力電圧Ｅ
２が加えられている。

反転増幅器２４は演算増幅器ＯＰ　３を有し、その帰還
回路に抵抗Ｒ６が接続され、入力端子（−）に演算回路
２２の出力電圧Ｅ２が抵抗Ｒ５を介して加えられている
。抵抗値検出回路２５は演算増幅器ＯＰ４を有し、その
帰還回路にはゲージ抵抗１５が接続され、入力端子（−
）には抵抗Ｒ７を介して反転増幅器２３の出力電圧Ｅ３
が加えられている。抵抗値検出回路２６は演算増幅器Ｏ
Ｐ　ｓを有し、その帰還回路にはゲージ抵抗１６が接続
され、入力端子（−）には抵抗Ｒｅを介して反転増幅器
２３の出力電圧Ｅ３が加えられている。よって、ゲージ
抵抗１５にはＲ３／Ｒ７なる電流■てが流れ、ゲージ１
６にはＥ３／Ｒ［Ｉなる電流Ｉ２が流れる。出力回路２
７は演算増幅器ＯＰ　ｓよりなり、その帰還回路に抵抗
Ｒｈｏが接続され、入力端子（−）には抵抗Ｒ３を介し
て抵抗値検出回路２５の出力電圧Ｅ４が加えられ、入力
端子（＋）には抵抗値検出回路２６の出力電圧Ｅ５が抵
抗ＲＩ１．ＲＩ２で分圧されて加えられている。

そして出力回路２７はＰ、ａ　−Ｒ＋　ｏ　−Ｒ＋　＋
　−Ｒ７２とすると、抵抗値検出回路２５．２６の出力
電圧Ｅ４　、Ｒ５の差を演算して出力する。

このように構成した本発明′３Ａ置において、抵抗値検
出回路２５．２６の出力電圧Ｅ４．Ｅ５は、Ｒ４＝Ｅ３
　・ＲＭＩ／Ｒア　　　・・・・・・（４）Ｒ５−Ｒ３
・　ＲＭ２／Ｒ日　　　　　　　　・・・　・・・　　
く　５　）となり、出力回路２７の出力電圧Ｅｏは、Ｒ
７−Ｒ８とすると、次式の如くなる。

Ｅｏ　＝−（Ｒ４Ｒ５） ＝Ｅ３　（ＲＭ　＋　−ＲＭ　２　）／Ｒｙ・・・・・
・（６） 一方ゲージ抵抗１７にも演算回路２２の出力電圧Ｅ２に
関連したＥ　２　／　Ｒａなる電流Ｉ３が流れ、補償信
号発生回路２３の出力電圧Ｅ１は次式で与えられる。

Ｅ＋　＝　　ＲＭ　３　Ｒ２／Ｒ４・・・・・・（７）
そして演算回路２２は、基準電圧源２１からの一定電圧
Ｅｒと補償信号発生回路２３の出力電圧Ｅ１とを加算し
て出力するので、次式の関係が成立する。

Ｒ２−Ｐａ　Ｅｒ　／　（ＲＭ　ｓ　　Ｒ４）・・・・
・・（８） この電圧Ｅ２は反転増幅器２４で反転増幅され、Ｒ３（
−Ｒ２Ｒ６／Ｒ５）となって抵抗値検出回路２５．２６
に印加される。したがって、出力回路２７の出力電圧Ｅ
０は、 Ｅｏ＝　　（ＲａＲｓ（Ｒｒ＋＋　　ＲＭ２）／Ｒ５Ｒ
？　　（ＲＭ　３−Ｒ４）　）　Ｅｒ・・・・・・（９
） となる。この（９）式に（１）、（２）、（３）式を代
入し、Ｒｏ　＋　＝Ｒｏ　２−ＲＯ３＝Ｒｏ　　とする
と、 Ｅｏ−２１πσＲ４Ｒｅ Ｘ（１＋（α＋β）ｔ）ＥＴ ／Ｒ１Ｉ　　Ｒｙ　　（１＋ｍ　　αｔ　　）・・・（
１０） ただし、αβｔ２（１ １−Ｒｏ／Ｒｏ　　　　　　Ｒ４ となるので、 α＋β−涌α　　　　　　　　　・・・（１１）を満足
させると、出力電圧Ｅｏは、 Ｅｏ＝２にπσＥ　ｒ　　　　　　　＝　（１２）ただ
し、ｋ　−−Ｉ　Ｒ４Ｒ６／Ｒ５Ｒ？となり、温度係数
のα、βの項を有効に除去でき、湿度変動による影響を
受けることなく、高精度に被測定圧ＰＭを表わす信号が
得ることができる。

そして、ゲージ抵抗の不純物ａ度と温度係数α。

βの関係は、不純物１１１度が１０１８〜１０２°の範
囲では、α〉０　、β＜Ｑ　　、α＋βくＯで、しかも
α＋βは小さい値であるので、（１１）式の関係は補償
信号発生回路２３の抵抗Ｒ４の抵抗値を選ぶことにより
満足させることができる。

なお、ゲージ抵抗１５．１６の初期抵抗値Ｒ。

１、ＲＯ２が等しくない場合には、抵抗Ｒ７および抵抗
Ｒｅのいずれか一方の抵抗値を調整して、Ｒ？ＲＯＩ　
　　Ｒ８ＲＯ２−０−−（１３）を満足させればよい。

すなわち、抵抗Ｒ７、Ｒｅによって零調整ができる。

また上述では、演算回路２２の出力電圧Ｅ２を反転増幅
器２４を介して抵抗値検出回路２５，２６に加える場合
を例示したが、第３図に示すように、演算回路２２の出
力電圧Ｅ２を直接抵抗値検出回路２５．２６に加えるよ
うにしてもよい。この場合抵抗値検出回路２５の出力電
圧Ｅ４が抵抗ＲＩ　Ｉ　＊　ＲＩ　２で分圧されて演算
増幅器○Ｐ６の入力端子（＋）に加えられ、抵抗値検出
回路２６の出力電圧Ｅ５が抵抗Ｒ９を介して演算増幅Ｂ
ＯＰ６の入力端子（−）に加えられる。

さらに上述では、ゲージ抵抗１５．１６が受圧ダイアフ
ラム１２に形成され共に被測定圧ＰＭに応じて抵抗値が
変化する場合を例示したが、いずれか一方（例えばゲー
ジ抵抗１６）を固定部１３に設けて、他方（例えばゲー
ジ抵抗１５）の抵抗値のみが被測定圧ＰＭに応じて変化
するようにしてもよい。この場合出力信号電圧ＥＯはＥ
ｏ　＝にπσＥτ　　　　　　・・・・・・（１４）と
なる。

さらに上述では補償信号電圧Ｅ１を抵抗Ｒ４の抵抗値で
調整する場合を例示したが、演算回路２２の出力電圧Ｅ
２を分圧抵抗器で分圧した後、抵抗Ｒ４を介して演算増
幅器ＯＰ２の入力端子（−）に加えるようして、分圧抵
抗器の分圧比でＥｌを調整するようにしていもよく、ま
た演算回路２２の演算抵抗Ｒ２の値で調整してもよい。

第４図は本発明装置の他の実施例を示す接続図である。

第４図の実施例において、第１図の実施例と異なるとこ
ろは、演算増幅器ＯＰ　７と抵抗Ｒ１３１Ｒ１１１１Ｒ
Ｉ５からなる加算回路２８と誤差増幅器２９を設け、抵
抗値検出回路２５．２６の出力Ｅ４．Ｅ５を加算回路２
８で加算した電圧Ｅ７を誤差増幅器２９の一方の入力端
子（＝）に加え、誤差増幅器２９で（Ｒ４＋Ｅ５　）が
他方の入力端子（＋）に加えられている反転増幅器２４
の出力電圧Ｅ３と等しくなるように抵抗値検出回路２５
．２６の入力電圧Ｅ６すなわちゲージ抵抗１５．１６を
流れる電流ＩＩ、Ｉ２を制御するようにした点である。

その結果１１．１２は、Ｒ７−８日　とすると、 Ｉ＋　＝　１２−Ｒ３／　（ＲＭ　＋　＋ＲＭ　２　）
＝Ｒ４ＲｇＥτ ／Ｒ５（ＲＭ　＋　＋ＲＭ　２　） Ｘ（ＲＭ３　　Ｒａ） ・・・・・・（１５） となり、ゲージ抵抗１５．１６の抵抗値の和にも関連し
て変化するようになる。したがって、出力回路２７の出
力電圧Ｅｏは、 Ｅｏ＝ＲａＲｇ（Ｒｒ＋＋　　ＲＭ２）ＥＴ／Ｒ５（Ｒ
Ｍ　＋　＋ＲＭ　２　） Ｘ　（ＲＭ　３　　Ｒ４）・・・・・・（１６）どなる
。この（１６）式に（１）、（２）、（３）式を代入し
、Ｒｏ　＋　＝ＲＯ２−ＲＯ：１　＝Ｒｏとすると、 Ｅｏ＝　　２１＋１πσＲａ　Ｒｅ　Ｅｒ　（１＋βｔ
）／Ｒ５Ｒ７（１＋餉αｔ） ・・・・・・（１７） ただし、 ＩＩ−Ｒｏ／Ｒｏ　　Ｒ４ となるので、β−１α　を満足するように、補償信号発
生回路２３の抵抗Ｒ４の抵抗値を調整すれば、温度係数
α、βの影響を有効に除去できる。

なお上述では、抵抗値検出回路２５．２６の出力電圧Ｅ
４　、Ｅ５の和が反転増幅器２４の出力電圧Ｅ３と等し
くなるように、抵抗値検出回路２５゜２６の入力電圧を
制御して、ゲージ抵抗１５，１６に流れる゛電流ＩＩ、
Ｉ２をＲＭＩ、ＲＭ２の和にも関連させる場合を例示し
たが、第５図に示すように、ゲージ抵抗１５．１６の直
列回路に反転増幅器２４の出力電圧Ｅ３を印加するよう
にして、ゲージ抵抗１５．１６に流れる電流を Ｅコ／　（ＲＭ　＋　＋ＲＭ　２　）となるようにして
もよい。第５図においては、出力回路２７として演算増
幅器ＯＰ　ｅと抵抗Ｒｓ　＋　ＲＩ　Ｏからなるものが
示されており、ＯＰｓの入力端子（−）にゲージ抵抗１
５．１６の直列回路の両端電圧（Ｅ４＋Ｅ５）が加えら
れ、ＯＦ２の入力端子（＋）にゲージ抵抗１５の両端電
圧Ｅ４が加えられている。よって出力回路２７はＲｓ　
＝Ｒ＋　ｏとすると、（ＥａＥｓ）を演算して出力する
。なお出力回路２７とし・て第１図に示す回路を用いる
場合には、第６図に示すようにゲージ抵抗１５．１６の
直列回路と並列に抵抗Ｒ＋ｓ＋Ｒ＋ｙの直列回路を接続
し、その中点の電圧Ｅｓ　　（＝ＥＥａ２）を抵抗Ｒ９
を介してＯＰ　ｅの入力端子（−）に加え、ゲージ抵抗
１５の両端電圧Ｅ、を抵抗Ｒ＋＋、Ｒ＋２で分圧して０
Ｐ６１の入力端子（＋）に加えるようにすればよい。こ
の場合抵抗Ｒ＋　ｅ　＊　Ｒ＋　７としてゲージ抵抗を
用いてもよい。

さらに第５図では反転増幅器２４の出力をゲージ抵抗１
５．１６の直列回路に直接印加しているが、第７図に示
すように反転増幅器２４の出力Ｅ３を演算増幅器○Ｐ７
の入力端子（＋）に加え、ゲージ抵抗１５．１６の直列
回路の両端電圧（Ｅａ　＋Ｅ５　）をＯＰ　７の入力端
子（−）に加えて、ＯＰ　７の出力でトランジスタＱを
駆動し、（Ｅ４→−Ｅ５）−Ｅ３どなるようにゲージ抵
抗１５，１６の直列回路を流れる電流を制御するように
してもよい。

さらに、第４図の反転増幅器２４と誤差増幅器２９の代
りに、第８図に示すように加算積分器３０を用いてもよ
い。第８図においては、加算積分器３０として演算増幅
器ＯＰａと積分コンデンサＣおよび演算抵抗Ｒ＋　ｓ　
＋　Ｒ＋　ｓからなるものが示されている。そして加算
積分器３０は入力電流Ｅ２／ＲＩ８とＥ７／ＲＩ９の和
が零になるように、ゲージ抵抗１５．１６を流れる電流
１＋、１２を制御する。

第９図は本発明装置の他の実施例を示す接続図である。

第９図の実施例において、第１図の実施例と異るところ
は、出力電圧ＥＯを分圧抵抗器３１で分圧した後演算抵
抗Ｒ＋ｅを介して演算回路２２の演算増幅器ＯＰ＋の入
力端子（−）に加えるようにした点である。この場合分
圧抵抗器３１の分圧比をｎとし、かつ　　Ｒ＋−Ｒ２−
Ｒ３＝ＲＩ８とすると、反転増幅器２４の出力Ｅａは次
式で与えられる。

Ｅ３　＝　　Ｒ４Ｒ５（Ｅｒ　＋ｎＥｏ　）／Ｒ５（Ｒ
Ｍ　３−Ｒ４） ・・・・・・（１８） よって、出力電圧Ｅｏは、 Ｅｏ−２ｂ　ｙｖａＥτ／　（１−２ｎｋπ（７）・・
・・・・（１９） ただし、ｌｌ１＝Ｒｏ／Ｒｏ　　Ｒ４ ｋ　＝−ｍ　Ｒ４Ｒ６／Ｒ５Ｒ７ Ｒｏ　＝Ｒｏ　＋　＝Ｒｏ　２−ＲＯ３Ｒｙ　　＝Ｒｅ α＋β＃ｌ　α となり、応力σ“が大きくなる程出力電圧ＥＯの増加率
が上がり、入出力関係を非直線にできる。一方被測定圧
力ＰＭと応力σとの間の非直線性はＰ、が大きくなると
びの増加率が下る傾向にあるため、分圧抵抗器３１の分
圧比ｎを調整することによって、被測定圧力ＰＭと応力
σとの非直線性の影響を補償できる。この調整は、　Ｐ
Ｈ１−（ＰＭＩ＋ＰＭ３）／２なる関係にある被測定圧
力ＰＭｌｌＰＭ２．ＰＭ３にそれぞれ対応した出力電圧
Ｅｏ　＋　＊　Ｅｏａ　＋　ＥＯ３が　Ｅｏ　２−　（
Ｅｏ　＋＋ＥＯ３）／２となるように分圧抵抗３１の分
圧比ｎを決定することによって容易に行なうことができ
る。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明においては、温度係数の項を
有効に除去できるので、温度変動による影響を受けるこ
となく、高精度に被測定物理量を測定できる抵抗式変換
装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す電気的接続図、第２図
は本発明に用いる検出器の一例を示す構成説明図、第３
図〜第９図は本発明の他の実施例を示す電気的接続図で
ある。 １０・・・・・・検出器 １１・・・・・・単結晶半導体基板 １２・・・・・・受圧ダイヤフラム部 １３・・・・・・固定部 １５．１６．１７・・・・・・ゲージ抵抗２０・・・・
・・信号処理回路 ２１・・・・・・基準電圧源 ２２・・・・・・演算回路 ２３・・・・・・補償信号発生回路 ２４・・・・・・反転増幅器 ２５．２６・・・・・・抵抗値検出回路２７・・・・・
・出力回路 ２８・・・・・−加算回路 ２９・・・・・・誤差増幅器 ３０・・・・・・加算増幅器 ３１・・・・・・分圧抵抗器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体単結晶基板に形成され被測定物理量に応じ
   て少くともいずれか一方の抵抗値が変化する第１、第２
   のゲージ抵抗と、前記半導体基板に形成され抵抗値が前
   記被測定物理量には無関係な第３のゲージ抵抗と、基準
   電圧と補償信号とを加算した出力電圧を得る演算回路と
   、この演算回路の出力電圧に関連した電流を前記第１、
   第２のゲージ抵抗に供給する回路と、前記第１、第２の
   ゲージ抵抗の抵抗値の差に基ずく出力信号を得る出力回
   路と、前記演算回路の出力電圧に関連した電流を前記第
   ３のゲージ抵抗に供給して前記補償信号を得る補償信号
   発生回路とを備えた抵抗式変換装置。
2. （２）半導体単結晶基板に形成され被測定物理量に応じ
   て少くともいずれか一方の抵抗値が変化する第１、第２
   のゲージ抵抗と、前記半導体基板に形成され抵抗値が前
   記被測定物理量には無関係な第３のゲージ抵抗と、基準
   電圧と補償信号とを加算した出力電圧を得る演算回路と
   、この演算回路の出力電圧に関連した電流を前記第１、
   第２のゲージ抵抗に供給する回路と、前記第１、第２の
   ゲージ抵抗の抵抗値の差に基ずく出力信号を得る出力回
   路と、前記演算回路の出力電圧に関連した電流を前記第
   ３のゲージ抵抗に供給して前記補償信号を得る補償信号
   発生回路と、前記出力信号に応じて前記第１、第２のゲ
   ージ抵抗を流れる電流を制御する手段とを備えた抵抗式
   変換装置。