JPS63210637A

JPS63210637A - 半導体センサの検出回路

Info

Publication number: JPS63210637A
Application number: JP4469987A
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・ｉｔ
ｉＴＩｍ分野では、マイクロコンピュータのを及に伴い
、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図に示ずような圧力セ
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、Ｐｒｏｃｅｅｄ　ｉ　ｎｇｓｏｆ　ｔｈｅ　３ｒ
ｄ　５ｅｎｓｏｒ　５ｙ１１ｐｏｓｉｕｎ　、　１９８
３年、　２０９−２１３頁）０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、１
１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１
１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ａ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。Ｘｅ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２
１、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Ｉ、。ｆ、抵抗２１．２２および２３の抵抗値
をそれぞれＲ，、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ｖａｐ
とすると、励起電流Ｉ　ｅＸＣは、概略次式で与えられ
る。

Ｉ　ｅｘｃ　＝　Ｉ　ｒｅｆ　　・（Ｒ１／　Ｒ２）こ
こで、Ｌｅｒ　＝　（Ｖｃｃ　　Ｖａｐ）　／　（Ｒ１＋Ｒ３
ンである。すなわち、ブリッジ回路の励起電流ｌ６Ｘｅ
は、基準電流Ｌｅｔ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、。ｒ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■旺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　
ｅｔｃ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
接読されたＦＥＴと、該ＦＥＴのソース端子と第二の直
流電圧との間に接続された抵抗素子と、非反転側入力端
子が第三の直流電圧に、反転側入力端子が前記ＦＥＴの
ソース端子に、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
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９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、１００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、１０
はＮチャンネル型ＭＯ３ＦＥＴ、２０は演算増幅器、３
０は基準電圧発生回路、４０は抵抗素子をそれぞれ表し
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
ソースが抵抗４０を介して接地されたＮチャンネル型Ｍ
ＯＳＦＥＴ１０のドレインに接続されている。そして、
このＭＯＳＦＥＴ１０のゲートには、反転側入力端子が
該ＭＯ９ＦＥＴＩＯ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。

本実施例では、ブリッジ回路１００を流れる励起電流が
、ＭＯＳＦＥＴ１０のソース端子において抵抗４０での
電圧降下として検出され、演算増幅器２０の反転側入力
端子にフィードバックされる。演算増幅器２０は、その
高い開放利得によって、該反転側入力端子と、基準電圧
発生回路３０の発生する基準電圧■ＲεＦが印加された
非反転側入力端子との間の電位差が零になるようにＭＯ
ＳＦＥＴ１０のゲート端子の電圧を制御する。すなわち
、いま、何らかの原因によりブリッジ励起電流Ｉｃｘｃ
が一時的に減少（抵抗４０の電圧降下が減少）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
非反転側入力端子電圧と反転側入力端子電圧と・のアン
バランスを増幅し、該増幅器２０の出力電圧を上昇させ
る（ＭＯＳＦＥＴ１０のゲート電圧を上昇させる）こと
より、ブリッジ励起電流ＩｅＸＣを増大し、抵抗４０の
電圧降下を元の値に復帰させることで非反転側入力端子
と反転側入力端子の間の電圧差を零に戻す。ブリッジ励
起電流ｘｅｘｅ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Ｖ旺Ｐ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Ｉ　ｅｘｃは
、常に（■旺ｐ　／　Ｒ）に保持される。

本実施例の特徴は、ブリッジ励起電流Ｉ　ｅｘａの精度
が、基準電圧発生回路３０が発生する基準電圧Ｖ蛙Ｐ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ＭＯ３ＦＥＴ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
適した控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＠種化
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がソース
が抵抗４０を介して電源電圧端子５に接続されたＰチャ
ンネル型ＭＯ３ＦＥＴ５０のドレインに接続されている
。そして、このＰチャンネル型ＭＯ９ＦＥＴ５０のゲー
トに、反転側入力端子が該ＭＯ８ＦＥＴ５０のソースに
、非反転側入力端子が基準電圧発生回路６０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。

本実施例における基準電圧発生回路６０は、ブリッジ励
起電流ＩｅＸＣを検出する抵抗４０がＭＯＳＦＥＴ５０
のソースと電源電圧端子５の間に接続されていることに
対応して、端子５に供給される電源電圧ＶＣＣに対して
基準電圧ｖ　ＲＥ　Ｆを発生する。この点、第１図にお
ける基準電圧発生回路３０が接地レベルを基準として基
準電圧■１１εＦを発生するのとは基本的に異なってい
る。この結果、本実施ｐ１で演算増幅器２０の非反転側
入力端子に加わる電圧は（ｖ　ｃｃ　−ｖ旺Ｆ）となる
。演算増幅器２０の反転個入力端子と結ばれたＭＯ３Ｆ
ＥＴ５０のソース電圧（Ｖｃｃ　　Ｉｅｘｃ−Ｒ）は、
この電圧（Ｖｃｃ−ｖｋεＦ）と同じ値になるよう制御
されるので、電源電圧ＶＣＣの変動は相殺され、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の専流側を示す回路図、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・・・ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ、１１．１２・・・バイポ
ーラトランジスタ、２０・・・演算増幅器、２１．２２
．２３・・・抵抗素子、３０．６０・・・基準電圧発生
回路、４０・・・抵抗素子、１００・・・ブリッジ回路
。

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；該ＦＥＴのソース端子と第二の直流電圧との
間に接続された抵抗素子と；非反転側入力端子が第三の
直流電圧に、反転側入力端子が前記ＦＥＴのソース端子
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を備えたことを
特徴とする半導体センサの検出回路。