JPS62168030A - 半導体圧力センサの温度補償回路 - 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、半導体圧力センサの温度補償回路に係り、特
に、零点の温度ドリフトを簡単な回路構成で補償する温
度補償回路に関する。

〔従来技術とその問題点〕

半導体圧力センサは、拡散抵抗のピエゾ抵抗効果を利用
して作られており、シリコンチップ上に形成された拡散
抵抗は、歪に対してゲージ率の正負の両方が得られるた
め、これらの抵抗でホイートストンブリッジ回路を構成
することにより圧力を電気信号に変換するものである。

このような半導体圧力センサは、センサを構成する拡散
抵抗とそのピエゾ抵抗係数に温度の依存性があるため、
温度補償を施すことが不可欠となる。

そこで、第４−１図と第４−２図を用いて半導体センサ
の温度補償の従来技術について説明する。

半導体圧力センサは、シリコンのダイヤフラム上に拡散
技術を用いて第４−１図に示すようなホイートストンブ
リッジ回路を構成する。ここで拡散抵抗Ｒ１とＲ４はダ
イヤフラム周辺部に形成されその抵抗値は圧力とともに
増加し、拡散抵抗Ｒ２とＲ３はダイヤフラム中央部に形
成されその抵抗値は圧力とともに減少する。このブリッ
ジの出力ＶＯｕアは、ブリッジへの印加電流の大きさを
■で表わすと、よく知られているように、 となる。

拡散抵抗の温度係数は、小さなワンチップに形成されて
いることからほぼ等しいどみなせるので、これをαで表
わし、基準温度をｔｏで表わすと、温度りにおける各拡
散抵抗値Ｒｉ（ｔ）は、Ｒｉ（ｔ）　＝Ｒｉ（ｔｏ）　
（１＋α（ｔｔｏ））となる。これを（１）式に代入す
ると、Ｘ（１＋α（ｔ−ｔｏ））　・■　・・・式（２
）％式％ この式（２）から明らかなように、拡散抵抗が均一で温
度係数が等しいとみなせる場合では、半導体圧力センサ
に圧力の印加されていない無歪状態でブリッジバランス
がとれるならば零点の温度ドリフトを零にできることに
なる。

そこで従来技術は零点の温度補償をとるべく、第４−２
図に示すように、金属皮膜抵抗等の温度特性の小さな抵
抗ｒ３．ｒ４を外付けで拡散抵抗Ｒ３、Ｒ４に並列に接
続してブリッジバランスをとっている。このように従来
技術が外付けの抵抗でブリッジバランスをとるのは、拡
散抵抗の細かな抵抗値コントロールが拡散技術では難し
いからである。

しかし、いかに温度特性の小さな抵抗ｒ３．ｒ４を外付
けにしてブリッジバランスをとっても、拡散抵抗Ｒ３，
Ｒ４の温度特性を完全に消すことはできないことから、
温度が変化すればブリッジバランスがずれてきて零点の
温度補償がとれなくなってしまう。そこで、従来技術で
は、実際に、半導体圧力センサに温度変化を与えて各拡
散抵抗を測定し、シュミュレーション手法により使用温
度範囲にて最も最良にブリッジバランスに近い状態を実
現して零点の温度補償を与えるような外付は抵抗を決定
するようにしている。

しかしながら、このような従来技術では、コンピュータ
と組合わせてトライアンドエラーで外付けの抵抗の抵抗
値を決めていくために、非常に手間を要してしまうとい
う欠点がある。

また、零点の温度補償のための他の従来技術としては、
ブリッジバランスをあえてとらずに、シリコンチップ上
に圧力の影響を受けないような温度センサを拡散抵抗で
同時に形成し、予め温度変化と圧力変化を与えてブリッ
ジバランスの出力電圧と温度センサの検出温度値をサン
プリングして、マイクロコンピュータによりこれらのデ
ータを信号処理により補間して零点の温度補償を実現し
ようとするものである。

しかしながら、このような従来技術も、予めデータ収集
のためのステップを必要として非常な手間を要するとと
もに、マイクロコンピュータによる信号処理機能を用い
るためインターフェース等を必要として、いきおい装置
構成が複雑とならざるを得なかった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、温
度補償を実現するために、外付は抵抗の付加、あるいは
実際に半導体センサに温度変化及び圧力変化を与えると
いうような予めのステップを全く必要とせず、極めて簡
単な回路構成により半導体圧力センサの零点の温度補償
を実現することを目的とするものである。

〔発明の構成〕

この発明は上記目的を達成するための手段として、第１
図に示す如く、圧力変化で抵抗値が変化する複数の拡散
抵抗により形成された圧力検出用ブリッジ回路１ａを有
し、該圧力検出用プリソジ回路１ａの不平衡状態を検出
することにより圧力を検出する半導体圧力センサ１と、
上記ブリッジ回路に定電流の印加を行う第１の定電流回
路２と、上記圧力検出用ブリフジ回路１ａの出力を増幅
する増幅回路３と、上記第１の定電流回路２と上記半導
体圧力センサ１のブリッジ回路１ａとの接続点の電位を
検出し、該電位の検出により上記半導体圧力センサ１に
関する温度変化を検出する温度検出回路４と、上記温度
検出回路４の温度検出値に応じた出力信号を定電流化す
る第２の定電流回路５と、可変抵抗を含む複数の抵抗に
より形成され且つ上記第２の定電流回路５からの出力信
号を入力する温度変化検出用ブリッジ回路６ａ、及び該
温度変化検出用ブリッジ回路６ａの出力を上記半導体圧
力センサ１のオフセット量が相殺可能な迄に増幅する増
幅手段６ｂを有するオフセット量調節回路６と、上記増
幅回路３からの出力を一方の入力端子に入力すると共に
、上記オフセット量調節回路６からの出力を他方の入力
端子に入力する差動増幅演算器を有する差動回路７とか
ら成る構成としである。

かかる構成における作用を説明すると、圧力検出用ブリ
・７ジ回路１ａを形成する拡散抵抗には、その性質上、
圧力変動に伴なって抵抗値が増幅するものと、抵抗値が
減少するものの双方が必ず存在する。

したがって、このような性質に着目して、第１の定電流
回路２とブリッジ回路１ａとの接続点の電位を検出する
こととすれば、圧力が印加された場合の抵抗値の増加と
減少とが互いに相殺されるため、この電位は圧力変動と
は無関係となり、温度変化のみに基づいて変化すること
になる。

そこで、この温度特性を定量化して、圧力が一定の場合
の半導体圧力センサに関するオフセ・ノド量を相殺する
ことにより、温度補償を容易に行うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第２図及び第３図に基づき説明
する。

第２図において、１は半導体圧力センサであり、圧力の
印加によって抵抗値の変化する４個の拡散抵抗ｒｌ、ｒ
？、、ｒ３．ｒ４によりホイートストンブリッジ回路１
ａを構成している。

２は半導体圧力センサ１に定電流Ｉを印加するートスト
ンブリフジ回路への印加電流Ｉに基づく電圧降下Ｒ３ｘ
Ｉと等しくなるように（オペアンプＵ１の子端子と一端
子はイマジナリショートだから）、すなわち となるように動作して、印加電流Ｉを定電流化する。

３は半導体圧力センサ１のブリフジのオンバランスに基
づく出力電圧■。ＬＩＴをオペアンプＵ２により増幅す
るための増幅回路である。

４は温度検出回路である。温度検出回路４を構成するオ
ペアンプＵ３は、その非反転入力端子（＋端子）に入力
される第１の定電流回路２のオペアンプＵ１の出力電圧
■、を増幅する。オペアンプＵ１の出力電圧■、は、半
導体圧力センサ１の拡散抵抗ｒ１とｒ３の直列接続に基
づく電圧降下と、抵抗Ｒ３に基づく電圧降下の合計値に
等しい。

第４−１図の説明で前述したように、拡散抵抗ｒ１の抵
抗値は圧力の印加とともに増大し、拡散抵抗ｒ３の抵抗
値は圧力の印加とともに減少する。従って拡散抵抗ｒ１
とｒ３の直列接続の等価抵抗は圧力に依存せず、拡散抵
抗固有の性質に基づく温度特性のみに従って変化するこ
とになる。

この拡散抵抗の温度係数は１５００　ｐｐｍ／　”Ｃ程
度のオーダーであり、抵抗値は温度上昇とともに上昇す
ることになる。これからＶＡは、半導体圧力センサ１の
使用状態での温度に対応した値となり、従って温度検出
回路４のオペアンプＵ３の出力は半導体圧力センサ１の
使用温度に比例した電圧に対応するため、温度検出回路
４は、温度検出回路を構成することになる。

５は温度検出回路４に接続される第２の定電流回路であ
る。第２の定電流回路５を構成するオペアンプＵ４は、
第１の定電流回路２のオペアンプＵ１と同様に、その出
力段に接続される、後述するオフセット量調節回路のブ
リッジ回路に印加する出力電流■′を で定電流化する。ここで、ｉ１２は抵抗Ｒ１２に流れる
電流であり、抵抗Ｒ１１とＲ１２の直列接続に印加され
るオペアンプＵ３の出力電圧がｖＡに比例すＲ１１＋Ｒ
１２ となり、従って ■′ｏｃｖＡ となって、Ｉ′も■、に比例することになる。

すなわち、半導体圧力センサ１の使用温度が高くなれば
、それに応じて第２の定電流回路５の送出する定電流■
′の値も大きくなってくる。但し、第２の定電流回路５
は定電流回路を構成していることから、Ｉ′は、温度が
一定の条件の下では、すなわちｖＡが一定の条件の下で
は、Ｉ′は安定した定電流となっている。

６はオフセット量調節回路であり、Ｒ１４，Ｒ１５゜Ｒ
１６，Ｒ１７からなるホイートストンブリッジ回路６ａ
と、そのブリッジのアンバランスに基づく出力電圧■。

ＵＴ′を増幅手段６ｂとしてのオペアンプＵ５から構成
される。

７は差動回路であり、増幅回路３の出力値と、オフセッ
ト量調節回路６の出力値との差をオペアンプＵ６により
増幅して出力する。

８はこの差動回路７に接続される出力回路であり、例え
ば電圧／電流変換回路の如きものである。

次に、このように構成される本発明の実施例の動作につ
いて説明する。

式（２）で説明したように、半導体圧力センサ１のブリ
ッジのアンバランスの出力■。ＵＴハ、印加圧力が一定
のときには、 〆〔１＋α（ｔｔｏ））　　・Ｉ となる。

これから、１＝１０のとき、すなわち基準温度における
ＶＯＬＩＴの値Ｖｏｕｔ（ｔｏ）は、になる。この値は
、拡散抵抗ｒＨｔｏ）１ｒ２（ｔｏ）、ｒ３（ｔｏ）。

ｒ４（ｔｏ）の値で正の値をとることもあるし、負の値
をとることもある。

しかし、いずれにしろ、第３図に示すように、半導体圧
力センサ１に印加される圧力が一定の場合においては、
温度上昇に伴って■。ＬＩＴの絶対値１■ｏｕｒｌは太
き（なっていくことになる。すなわち、Ｖｏｕｒ（ｔｏ
）が正のものはＶ。ｏｌは温度上昇に伴って正側に、Ｖ
ｏｌｔｌ（ｔｏ）が負のものは■。ＵＴは温度上昇に伴
って負側に、広がるように動作する。

このようなＶ。ＵＴの温度依存性は、半導体圧力センサ
１がそれ自身に印加される圧力の大きさに伴って変化す
る■。ＬＩＴの大きさをもって圧力を測定する原理のも
のであることから、大きな誤差となることになる。

しかるに本発明の構成においては、第２の定電流回路５
の出力電流１′は温度上昇に伴って比例的に増加するの
で、オフセット量調節回路６のホイーストンブリフジ回
路の可変抵抗Ｒ１４で、そのブリッジのアンバランスの
出力Ｖ。ＬＩＴ　’　（ｔｏ）を■。ＬＩＴ（ｔｏ）が
正のときは正に、Ｖｏｕｔ（ｔｏ）が負のときは負にな
るように調整すれば、第３図の破線で示すように圧力が
一定の条件の下でのＶ。ＵＴ′の温度上昇特性をＶ。ｕ
ｏのそれと一致させることができ、これにより差動回路
７で温度特性をキャンセルすることができる。つまり、
このような方法によれば、恒温槽などにおいて、半導体
圧力センサの温度特性を測定する必要はなくなり、初期
特性のオフセット調整を可変抵抗Ｒ１４により行うこと
だけで、自動的に温度補償ができることになる。

なお前述したように、Ｖヶは印加される圧力に依存しな
いことから、■′も圧力に依存せず温度の関数にのみな
るので、温度が一定の条件の下で半導体圧力センサ１に
圧力が印加されて、それに基づいて■。、Ｔの値が変化
しても■。０７′に変化は起こらず、従って差動回路７
があっても圧力の印加に伴う■。１１〒の変化は正しく
測定でき、圧力の測定に何ら支障はない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は半導体圧力センサの圧力
検出用ブリッジ回路を形成する拡散抵抗の性質に着目し
、定電流を流しておくことにより温度変化を電圧変化と
してとらえ、これによりオフセット量を相殺しようとす
るものである。

したがって、従来技術の如く、外付は抵抗の付加あるい
は予めのステップを全（必要とせず、橿めて簡単な回路
構成により半導体の温度補償を正確に行うことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成を示すクレーム対応図、第２図
はこの発明の一実施例を示す回路構成図、第３図は第２
図の回路におけるオフセット特性を示す特性図、第４−
１図及び第４−２図は従来技術を説明するための回路図
である。 １・・・圧力センサ、１ａ・・・圧力検出用ブリ・ノジ
回路、２・・・第１の定電流回路、３・・・増幅回路、
４・・・温度検出回路、５・・・第２の定電流回路、６
・・・オフセット量調節回路、６ａ・・・温度変化検出
用ブリッジ回路、６ｂ・・・増幅手段、７・・・差動回
路。 （外２名）“−−− 第３図 Ｊ−力　　　　　　　　天Ｅフゴ＝−づＣ二第４−１図 第４−２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧力変化で抵抗値が変化する複数の拡散抵抗により形成
   された圧力検出用ブリッジ回路を有し、該圧力検出用ブ
   リッジ回路の不平衡状態を検出する半導体圧力センサと
   、上記ブリッジ回路に定電流を流す第１の定電流回路と
   、上記圧力検出用ブリッジ回路の出力を増幅する増幅回
   路と、上記第１の定電流回路と上記半導体圧力センサの
   ブリッジ回路との接続点の電位を検出し、該電位の検出
   により上記半導体圧力センサに関する温度変化を検出す
   る温度検出回路と、上記温度検出回路の温度検出値に応
   じた出力信号を定電流化する第２の定電流回路と、可変
   抵抗を含む複数の抵抗により形成され且つ上記第２の定
   電流回路からの出力信号を入力する温度変化検出用ブリ
   ッジ回路及び該温度変化検出ブリッジ回路の出力を上記
   半導体圧力センサのオフセット量が相殺可能な迄に増幅
   する増幅手段を有するオフセット量調節回路と、上記増
   幅回路からの出力を一方の入力端子に入力すると共に、
   上記オフセット量調節回路からの出力を他方の入力端子
   に入力する差動増幅演算器を有する差動回路とから成る
   半導体圧力センサの温度補償回路。