JPS63210636A

JPS63210636A - 半導体センサの検出回路

Info

Publication number: JPS63210636A
Application number: JP4469887A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ishihara; 力石原
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-02-26
Filing date: 1987-02-26
Publication date: 1988-09-01

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、ブリッジ回路を検出手段として用いる半導体
センサを定電流駆動する場合に好適な検出回路に関する
。

（従来の技術）従来、この種の半導体センサとして、半導体ピエゾ抵抗
素子を用いた圧力センサがよく知られている。該ピエゾ
抵抗素子（一般に拡散抵抗が利用される）のピエゾ抵抗
係数（ゲージ率）の温度係数は一般に拡散層の表面不純
物濃度に応じた負の値をもつので、該ピエゾ抵抗素子を
含むブリッジ回路を定電圧駆動した場合の圧力センサの
圧力−電気変換感度は周囲温度の上昇に伴い低下する。

従来、この感度低下を補償する感度温度補償法として、
半導体ピエゾ抵抗素子の抵抗値が正の温度係数を有する
ことを利用して、拡散抵抗の表面不純物濃度をゲージ率
温度係数（負）と抵抗温度係数（正）の絶対値が等しく
なるような濃度に選び、ブリッジ回路を定電流駆動する
方法が採用されている。定電流駆動の場合、周囲温度の
上昇によるピエゾ抵抗素子の抵抗値の増大が、ブリッジ
回路に加わる電圧を増大させる（温度の上昇にともない
励起電圧が増大する）ので、ゲージ率の温度係数にもと
づく圧力感度の低下が補償される。

ところで、現在、半導体センサが使用される計測・制御
分野では、マイクロコンピュータの背反に伴い、さらに
高精度、小型、低価格の半導体センサが要求されており
、ブリッジ回路とともに駆動、増幅や、特性補償などの
ための周辺回路を一体化した検出回路の実現が望まれて
いる。

感度の温度補償を目的に、ブリッジ回路とともにこれを
定電流駆動するための定電流回路を一体化した検出回路
の従来例として、その構成を第３図に示すような圧力セ
ンサの検出回路が知られている（第３回センサシンポジ
ウム、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ　ｔｈｅ　３ｒｄ　
５ｅｎｓｏｒ　５ｙ１１ｐｏｓｉｕｉ　、　１９８３年
、　２０９−２１３頁）。図において、１００はピエゾ
抵抗素子１゜２．３．４から成るブリッジ回路、１１は
ベースとコレクタが接続された第一のバイポーラトラン
ジスタ、１２は該第−のバイポーラトランジスタ１１と
ベースが共通に接続された第二のバイポーラトランジス
タ、２１．２２．２３は抵抗素子、５は電源電圧端子、
６，７はブリッジ回路の励起端子、８，９はブリッジ回
路の検出端子である。この例では、ｎｐｎバイポーラト
ランジスタ１１．１２と抵抗２１゜２２、２３から成る
回路網が定電流回路を構成しており、バイポーラトラン
ジスタ１２のコレクタに流入する電流、すなわち、ブリ
ッジ回路１００の励起電流工。８゜を制御している。い
ま、端子５に供給される電源電圧をＶＣＣ１抵抗２１、
バイポーラトランジスタ１１および抵抗２３を流れる電
流をＩｒｅｆ、抵抗２１．２２および２３の抵抗値をそ
れぞれＲ１＋　Ｒ２およびＲ３、バイポーラトランジス
タ１１のベース−エミッタ間順方向電圧降下をＶＢεと
すると、励起電流１　ｅｘａは、概略次式で与えられる
。

Ｉ　ａｘｅ　＝Ｉ　ｒａｆ’　（Ｒ３／　Ｒ２）ここで
、Ｌｅｒ　＝　（Ｖｃｃ−Ｖａｐ）　／　（Ｒｔ　＋Ｒ１
）である、すなわち、ブリッジ回路の励起電流ＩｅＸＣ
は、基準電流Ｉ　ｒｅｒと、抵抗２３．２２の抵抗比（
Ｒ３／Ｒ２）で決定される。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、上記従来技術では、基準電流Ｉ、。ｆが
電源電圧ＶＣＣと負の温度特性をもつベース−エミッタ
間順方向電圧降下ＶＢεの差によって決定されるので、
電源電圧および温度の変動によってブリッジ励起電流ｌ
６Ｘ（！が変動するという欠点があった。電源電圧およ
び温度の変動によるブリッジ励起電流の変動は、それぞ
れ、常温での感度変動および感度温度補償効果の低下を
招き、いずれも半導体センサの高精度化にとり極めて不
都合である。

本発明は上記従来技術の問題点を解決するためになされ
たもので、その目的は、ブリッジ回路と定電流回路の一
体化に適し、かつ上記従来技術の欠点が除去された半導
体センサの検出回路を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は、少なくとも一辺に半導体検知素子を含み、一
方の励起端子が第一の直流電圧に接続されたブリッジ回
路と、ドレイン端子が該ブリッジ回路の他の励起端子に
接続されたＦＥＴと、反転側入力端子が該ＦＥＴのソー
ス端子に、非反転側入力端子が第二の直流電圧に、それ
ぞれ、接続されるとともに、出力端子が前記ＦＥＴのゲ
ート端子に接続された演算増幅器と、該演算増幅器の前
記反転側入力端子と第三の直流電圧との間に接続された
抵抗素子とを備えたことを特徴とする半導体センサの検
出回路である。

（実施例）以下、実施例を挙げ本発明を一層詳しく説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す回路図である０図
において、第３図と同一符号で表される構成要素は、そ
れぞれ、第３図の場合と同一構成要素であることを示し
ている。すなわち、１ｏｏはピエゾ抵抗素子１，２．３
．４から成るブリッジ回路、５は電源電圧端子、６．７
はブリッジ回路の励起端子、８．９はブリッジ回路の検
出端子をそれぞれ表している。また、図において、１ｏ
はＮチャンネル型ＭＯ８ＦＥＴ、２０は演算増幅器、３
゜は基準電圧発生回路、４０は抵抗素子をそれぞし表し
ている。

本実施例において、ブリッジ回路１００の一方の励起端
子６は電源電圧端子５に接続され、他方の励起端子７は
Ｎチャンネル型ＭＯ３ＦＥＴ１０のドレインに接続され
ている。そして、このＮチャンネル型ＭＯ３ＦＥＴＩＯ
のゲートには、反転側入力端子が該ＭＯ８ＦＥＴ１０の
ソースに、非反転側入力端子が基準電圧発生回路３０に
、それぞれ、接続された演算増幅器２０の出力端子が接
続されている。

そして、該演算増幅器２０の反転側入力端子は抵抗４０
を介して接地されている。

本実施例における演算増幅器２０は、その高い開放利得
と入力抵抗によって、非反転側入力端子と反転側入力端
子の間の電圧差を増幅し、結果として、反転側入力端子
の電圧が、非反転側入力端子に接続された基準電圧発生
回路３０の発生する基準電圧ｖ旺Ｆと等しくなるように
Ｎチャンネル型ＭＯ９ＦＥＴ１０のゲート端子の電圧を
制御することによって、抵抗４０を流れる電流と等しい
電流をブリッジ回路１００に供給する。すなわち、いま
、何らかの原因によりブリッジ励起電流１ｅｘｃが一時
的に減少（抵抗４０の電圧降下が減少し、演算増幅器２
０の反転側入力端子電圧が一時的に下降）したとすると
、演算増幅器２０は、これによって一時的に生じた反転
側入力端子電圧の基準電圧（非反転側入力端子電圧）か
らのずれを増幅し、該増幅器２０の出力電圧を上昇させ
る（Ｎチャンネル型ＭＯ３ＦＥＴ１０のゲート端子電圧
を上昇させる）ことより、ブリッジ励起電流ＩｅＸ。を
増大し、抵抗４０での電圧降下を元の値に復帰させるこ
とで反転側入力端子の電圧を元の値（基準電圧Ｖａｐｐ
ｐ）に戻す、ブリッジ励起電流Ｉ。Ｃが一時的に増大し
た場合にも、同様のことが起こり、この結果、ブリッジ
回路の駆動電流は、常に、抵抗４０での電圧降下が、基
準電圧ｖＲ■と等しくなるような一定の値に設定される
。すなわち、抵抗４０の抵抗値をＲとすると、ブリッジ
励起電流！　（３Ｋ。は、常に（Ｖ　ｖ＋εｐ／Ｒ）に
保持される。

本実施例の特徴は、ブリッジ励起電流Ｉ　ＱＸＣの精度
が、基準電圧発生回路３０が発生する基準電圧ｖＲεＦ
と抵抗４０の抵抗値Ｒの精度のみによって決定される点
にある。基準電圧発生回路３０としては、バンドギャッ
プ基準電圧発生回路、ツェナーダイオードを用いた基準
電圧発生回路、およびエンハンスメント型ＭＯ８ＦＥＴ
とデプリーション型ＭＯ３ＦＥＴの間のしきい値電圧の
差を利用した基準電圧発生回路など、各種製造プロセス
に適した種々の回路構成が提案されており、これらを利
用することにより、温度及び電源電圧の変動に対して安
定な基準電圧を発生する基準電圧発生回路が容易に集積
化可能である。また、抵抗４０としては、例えば、シリ
コン・クロム（ＳｉＣｒ）薄膜抵抗など、精度が良く、
温度係数の小さい抵抗素子が集積化可能である。

したがって、本実施例によれば、ブリッジ回路と定電流
回路の一体化に適し、かつ、ブリッジ駆動電流が温度お
よび電源電圧などの使用条件変動に対して安定化された
優れた半導体センサの検出回路が得られる。

上記実施例では、ブリッジ回路の励起端子に接続される
ＦＥＴ１０をＮチャンネル型としたが、これをＰチャン
ネル型のＦＥＴとすることも可能である。その場合の回
路構成の一例を第２図に示す。

すなわち、第２図は本発明の第２の実施例を示す図で、
この実施例においては、ブリッジ回路１００の一方の励
起端子７が接地され、他の一方の励起端子６がＰチャン
ネル型ＭＯ３ＦＥＴ５０のドレインに接続されている。

そして、該Ｐチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ５０のゲートに
、反転側入力端子が該ＭＯ３ＦＥＴ５０のソースに接続
された演算増幅器２０の出力端子が接続されている。該
演算増幅器２゜の反転側入力端子は抵抗４０を介して基
準電圧発生回路６０に接続されており、一方、非反転側
入力端子には基準電圧ｖ１１ｎＰが抵抗４１と抵抗４２
により分圧された直流電圧が印加されている。

いま、抵抗４１および抵抗４２の抵抗値をそれぞれＲ４
１およびＲ４２とすると、本実施例で演算増幅器２０の
非反転側入力端子に加わる電圧はＲ４２・■Ｒεｐ　／
　（Ｒ４ｔ＋　Ｒ４２）となる。演算増幅器２０の反転
側入力端子電圧は、この電圧と同じ値になるよう制御さ
れるので、基準電圧発生回路６０と演算増幅器２０の反
転側入力端子の間に接続された抵抗４０を流れる電流（
ブリッジ励起電流はこれと等しい）は、（Ｒ４１・ＶＲ
εＦ　／　（Ｒ１＋Ｒ４２）　）　／Ｒとなり、高精度
化が可能な基準電圧ＶＩＩＩ：ｌ−と抵抗値Ｒ，Ｒ４１
，Ｒ４２で決まるから、本実施例においても、上記第１
図に示した実施例と同じく、ブリッジ励起電流が電源電
圧および温度変動などの使用条件変動に対して安定化さ
れた優れた半導体センサの検出回路が得られる。

なお、上記二つの実施例では、抵抗４０の一端またはブ
リッジ励起端子の一方を接地レベルとしたが、これはイ
必ずしも接地レベルである必要はなく、例えば基準電圧
を分圧した適当な直流電圧とすることができる。

以上、ピエゾ抵抗素子を用いた圧力センサの場合を例に
本発明を説明したが、本発明は圧力センサのみならず、
検知対象の変化に応答して抵抗値変化を示す半導体検知
素子でブリッジ回路を構成し、これを定電流駆動する半
導体センサの検出回路として広く適用できる。

（発明の効果）以上のように、本発明によれば、ブリッジ回路と定電流
回路の一体化に適し、かつ、ブリッジ励起電流が温度お
よび電源電圧などの使用条件変動に対して安定化された
優れた半導体センサの検出回路が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例を示す回路図、第２図
はこの発明の第２の実施例を示す回路図、第３図は半導
体センサの検出回路の従来例を示す回路図である。１〜４・・・半導体検知素子、５・・・電源電圧端子、
６．７・・・励起端子、８，９・・・検出端子、１０．
５０・・・ＭＯＳＦＥＴ、１１．１２・・・バイポーラ
トランジスタ、２０・・・演算増幅器、２１．２２．２
３・・・抵抗素子、３０．６０・・・基準電圧発生回路
、４０．４１．４２・・・抵抗素子、１００・・・ブリ
ッジ回路。第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

少なくとも一辺に半導体検知素子を含み、一方の励起端
子が第一の直流電圧に接続されたブリッジ回路と；ドレ
イン端子が該ブリッジ回路の他の励起端子に接続された
ＦＥＴと；反転側入力端子が該ＦＥＴのソース端子に、
非反転側入力端子が第二の直流電圧にそれぞれ接続され
るとともに、出力端子が前記ＦＥＴのゲート端子に接続
された演算増幅器と；該演算増幅器の前記反転側入力端
子と第三の直流電圧との間に接続された抵抗素子とを備
えたことを特徴とする半導体センサの検出回路。