KR100239843B1 - 반도체 센서 및 그 출력방법 - Google Patents
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Abstract
[과제] 전사용 온도 범위로 보증할 수 있는 출력 상승 시간을 단축할 수 있는 반도체 센서 및 그 출력 조정방법을 구한다.
[해결수단] 반도체 센서에 있어서 피에조 저항의 브리지 회로로 이루어지는 센서부와, 하이 패수 필터와, 하이 패스 필터의 전단에 형성되며 센서부에서의 불평형 전압을 차동 증폭하는 전단 증폭부와, 하이 패스 필터의 후단에 형성되며 하이 패스 필터를 통해 입력된 전단 증폭부의 출력 전압을 증폭하는 후단 증폭부와, 하이 패스 필터 및 후단 증폭부에 기준전압을 공급하는 기준 전압 공급부와, 센서부의 오프 세트를 조정하는 오프 세트 조정부를 구비하며 오프 세트 조정부는 오프 세트 조정을 하여 전단 증폭부의 출력 전압을 조정하여 전원 공급 개시후의 후단 증폭부의 출력 상승 시간의 최대치가 작아지도록 하였다.
Description
제1도는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 반도체 가속도 센서의 내부 구조예를 표시한 부분 단면도.
제2도는 제1도에 표시한 반도체 가속도 센서(1)의 회로구성예를 표시한 개략적인 블럭도.
제3도는 제2도에 표시한 반도체 가속도 센서(1)의 회로예를 표시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체 가속도 센서 20 : 가속도 검출회로
21 : 오프 세트 조정회로 22 : 전단 증폭회로
23 : 하이 패스 필터 24 : 후단 증폭회로
25 : 기준 전압 공급 회로 30a, 30b, 30c, 30d : 피에조 저항
31 : 오프 세트 조정용 저항 32∼40, 45 : 저항
41∼43, 47 : 연산 증폭기 44 : 컨덴사
46 : 저항회로 48 : 직류 전원
[발명에 속한 기술분야]
본 발명은 반도체 기판상 또는 반도체 기판내에 변형 검출소자를 형성하고 탄성 변화시에 발생하는 그 변형 검출소자의 저항치의 변화를 전기적 신호로 변환하여 출력하는 반도체 센서, 특히 자동차용의 ABS 또는 SRS 등에 사용되는 반도체 가속도 센서 및 자동차의 연료 분사 제어등에 사용되는 반도체 압력 센서에 관한것이다.
[종래의 기술]
진동, 가속도등을 검출하기 위해서 일반적으로 사용되고 있는 센서의 구조로서 반도체의 피에조 저항 효과를 이용한 피에조 저항 소자가 형성되는 얇게한 다이어프램부를 반도체 기판에 형성하며 그 다이어프램부를 경계로 하여 한편의 두터운부에 지지체를 고정하며 타편의 두터운부를 자유단으로 하며 피에조 저항 소자의 저항치의 변화에 응해서 피측정력을 검출하는 외팔보 구조의 반도체 가속도 센서가 알려져 있다.
반도체 가속도 센서는 세라믹 기판상에 반도체 가속도 센서의 센서칩의 일단이 대좌를 통해서 외팔보 구조가 되도록 고착된다.
센서칩의 뒷면을 에칭하여 두텁게한 다이어프램부의 표면에는 피에조 저항 효과를 이용하기 위한 4개의 저항(이하, 피에조 저항이라 칭함)이 알루미늄 배선에 의해 브리지 회로를 형성 하도록 결선 되어서 가속도 검출소자를 형성하여 피에조 저항에 응력이 집중 하도록 되어 있다.
상기 센서칩은 가속도에 의해서 응력이 가해지는 것에 의해 상기 다이어프램부를 경계로 하여 휘어저 다이어프램부에 변형이 생겨 가속도의 크기에 따라서 각 피에조 저항의 저항치가 변화하고 상기 브리지 회로에 미리 전압을 인가하여 놓는 것으로 그 브리지 회로의 출력 단자에 불평형 전압이 발생하고 그 전압(이하, 가속도 신호라고 부른다)에서 가속도를 검출할 수 있다.
그러나 그 가속도 신호는 극히 적은 신호 이기때문에 센서 칩상에 신호 증폭회로, 진단 회로, 이상 검출회로등의 신호 처리회로가 형성되어 있다.
상기 신호 처리회로는 금 또는 알루미늄의 본딩 와이어에 의해서 상기 세라믹 기판상에 하이 패스 필터 회로용 컨덴사 감도 조정용 저항 및 오프 세트 조정용 저항등을 설치한 두꺼운막 저항 기판 으로 이루어지는 혼성 집적 회로(hybrid IC)에 접속된다.
이와 같이 상기 신호 처리회로에서 증폭된 가속도 신호는 상기 혼성 집적회로로 보정된 후 상기 세라믹 기판에 접속된 리이드 단자로 부터 외부의 마이크로컴퓨터등에 출력된다.
상기와같은 구성에 있어서 상기 가속도 신호는 신호 처리회로의 차동 증폭기로 차동 증폭된후 세라믹 기판상의 저항과 컨덴사로된 하이 패스 필터를 통해서 다시 신호 처리회로의 증폭기로 증폭되어 리이드 단자로부터 출력된다.
상기 하이 패스 필터 및 신호 처리회로의 증폭기는 정전압(定電壓) VA를 기준 전압으로하고 전원 투입후의 반도체 가속도 센서의 출력 상승 시간을 단축하기 위해서 상기 차동 증폭기의 출력 전압 VB를 상기 기준 전압 VA과 같도록 상기 오프 세트 조정용 저항을 트리밍하여 조정하는 트리밍 조정을 하고 있었다.
[발명이 해결하고자 하는 과제]
그러나 상기 센서칩의 실리콘과 해당 실리콘의 산화물인 패시베이션(passivation)막과의 열 팽창율의 차이로 센서칩이 바이메탈과같이 온도에 의해서 휘어진다는 바이메탈 효과에 의해 상기 브리지 회로의 출력은 온도특성을 가지는 것으로 된다.
이것으로 상온에 있어서 VB=VA 가 되도록 상기 트리밍 조정을 하더라도 저온 및 고온시에 있어서는 상기 VB가 크게 변화한다.
예컨데 상온시에 상기 트리밍조정을 행한 상태에 있어서 반도체 가속도 센서의 사용 상한 온도에 있어서의 전원 투입후의 반도체 가속도 센서의 출력이 안정하는 시간인 출력 상승시간을 Ta로 하며 반도체 가속도 센서의 사용 하한 온도에 있어서의 전원 투입후의 반도체 가속도 센서의 출력 상승시간을 Tb로 하여 Ta＞Tb 가될 때 반도체 가속도 센서로서 보증할 수 있는 전원 투입후의 출력 상승 시간은 Ta라는 것이 된다.
이 때문에 반도체 가속도 센서를 사용하는 경우 반도체 가속도 센서의 전사용 온도 범위에 있어서 그 반도체 가속도 센서의 전원 투입후의 출력 상승 시간은 Ta이라고 하여 여러가지 설정 및 설계가 이루어지게 되는것이다. 이로부터 반도체 가속도 센서로 보증되어 있는 사용 온도 범위로 고려할 경우 반도체 가속도 센서에 있어서의 전원 투입후의 출력 상승 시간을 충분히 단축할 수 있게 되어 있지않았다.
본 발명은 상술한거와같은 문제를 해결하기위해서 이루어진 것으로 전 사용 온도 범위로 보증할 수 있는 전원 투입후의 출력 상승 시간을 단축할 수 있는 반도체 센서와 그 출력 조정방법을 얻는것을 목적으로 한다.
[과제를 해결하기위한 수단]
본 발명은 센서에 반도체를 사용한 반도체 센서에 있어서 이루어진것이다. 즉 본 발명은 상기와같은 반도체 센서에 있어서 반도체의 피에조 저항 효과를 이용한 피에조 저항이 브리지 회로를 형성하여 이룬 센서부와, 컨덴사와 저항으로 구성된 하이패스필터와, 그 하이패스필터의 전단에 형성되어 상기 센서부에서 출력된 불평형 전압을 차동 증폭하는 전단 증폭부와, 상기 하이패스 필터의 후단에 형성되어 하이 패스 필터를 통해 입력된 상기 전단 증폭부의 출력 전압을 증폭하는 후단 증폭부와, 상기 하이 패스 필터 및 해당 후단 증폭부에 기준 전압 Vr를 공급하는 기준 전압 공급부와, 상기 센서부의 오프 세트를 조정하는 오프 세트 조정부를 구비하며 상기 오프 세트 조정부는 센서부의 오프 세트를 조정하는 것에 따라서 전단 증폭부의 출력 전압 Vm 를 조정하고 전원 공급 개시후에 있어서의 후단 증폭부의 출력 상승 시간의 최대치가 작아지도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 센서를 제공하는 것이다.
구체적으로는 상기 오프세트 조정부에서 전원 공급 개시후에 있어서의 상기 후단 증폭부의 출력 상승 시간이 반도체 센서에 있어서의 사용 상한 온도시와 사용 하한 온도시와 같게 되도록 상기 전단 증폭부의 출력 전압 Vm를 조정한다.
즉 상기 전단 증폭부의 상온시에 있어서의 출력 전압 VmR 를 다음식
AvC×(VmC-Vr)=AvH×(VmH-Vr)
VmC=α×VmR
VmH=β×VmR
(단, AvC는 상기 사용 하한 온도시의 후단 증폭부의 증폭율을 AvH는 상기 사용 상한 온도시의 후단 증폭부의 증폭율을 VmC는 상기 사용 하한 온도시의 전단 증폭부의 출력전압 Vm 를 VmH는 상기 사용 상한 온도시의 전단 증폭부의 출력 전압 Vm을 표시하며 α 및 β는 비례정수이고 α＞0, β＞0이다.)가 되도록 조정한다.
또 상기 오프 세트 조정부는 프린트 기판상에 저항체를 인쇄하여 형성한 인쇄 저항으로 이루어져 그 인쇄저항을 트리밍함으로써 상기 전단 증폭부의 출력전압 Vm를 조정하는 것이다.
더욱, 본 발명은 반도체의 피에조 저항효과를 이용하여 피에조 저항으로 브리지 회로를 형성하고 그 브리지 회로에 발생한 불평형 전압을 적어도 1단의 증폭기로 된 전단 증폭부에서 차동 증폭하고 더욱 기준 전압 Vr를 가지는 하이 패스 필터를 통과시킨 후 기준 전압Vr를 가지는 적어도 1단의 증폭기로 된 후단 증폭부에서 증폭하여 출력하는 구성의, 센서에 반도체를 사용한 반도체 센서에 있어서의 출력 조정방법에서 이루어지는것이다.
즉, 본 발명은 이러한 반도체 센서의 출력 조정방법에 있어서 상기 브리지회로의 오프 세트를 조정함으로써 전단 증폭부의 출력 전압 Vm을 조정하고 전원 공급 개시후에 있어서의 후단 증폭부의 출력 상승 시간의 최대치가 작아지도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 센서의 출력 조정방법을 제공하는 것이다.
구체적으로는 전원 공급 개시후에 있어서의 상기 후단 증폭부의 출력 상승 시간 반도체 센서에 있어서의 사용 상한 온도시와 사용 하한 온도시와 같게 되도록 상기 브리지 회로의 오프 세트를 조정하여 상기 전단 증폭부의 출력전압 Vm를 조정한다.
즉, 상기 전단 증폭부의 상온시에 있어서의 출력 전압 VmR를 다음식
AvC×(VmC-Vr)=AvH×(VmH-Vr)
VmC=α×VmR
VmH=β×VmR
(단, AvC는 상기 사용 하한 온도시의 후단 증폭부의 증폭율을 AvH는 상기 사용 상한 온도시의 후단 증폭부의 증폭율을, VmC는 상기 사용 하한 온도시의 전단 증폭부의 출력 전압 Vm 를, VmH는 상기 사용 상한 온도시의 전단 증폭부의 출력 전압 Vm를 표시하며, α 및 β는 비례정수이고, α＞0, β＞0이다.)가 되도록 조정한다.
또, 상기에 있어서 프린트 기판상에 저항체를 인쇄하여 형성한 인쇄 저항을 트리밍함으로서 상기 브리지 회로의 오프 세트를 조정하여 상기 전단 증폭부의 출력 전압 Vm를 조정한다.
[발명의 실시형태]
다음에 도면에 표시하는 실시의 형태에 따라서 본 발명을 상세히 설명한다.
[실시의 형태 1]
이하 본 발명의 반도체 센서로서 반도체 가속도 센서를 예로 하여 설명한다. 제1도는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 반도체 가속도 센서의 내부 구조예를 표시한 부분 단면도이다.
제1도에 있어서 반도체 가속도 센서(1)는 세라믹 기판(2)상에 반도체 가속도 센서(1)의 센서칩(1)의 일단이 대좌(4)를 통해서 외팔보(캔틸버) 구조를 형성하도록 고착되여 고정단(固定端)이 된다.
그 센서칩(3)은 예를들면 P 형 단결정 실리콘으로 이루어져 센서(3)의 뒷면을 에칭하여 얇아진 다이어프램부(5)의 표면에는 보론등의 P 형 불순물을 열확산 또는 이온 주입하여 형성된 피에조 저항 효과를 이용하기 위한 4개의 저항(이하, 피에조저항이라고 부른다)이 P 형 불순물을 고농도로 도입하여 형성한 확산 배선 또는 증착등에 의해서 형성된 알루미늄 배선에 의해 브리지 회로를 형성하도록 결선되어 가속도 검출소자(6)를 형성하고 피에조 저항에 응력이 집중하도록 되어 있다.
상기 센서칩(3)은 가속도에 의해서 응력이 가해지는 것에 따라서 상기 다이어프램부(5)를 경계로 하여 휘어저 다이어프램부(5)에 변형이 생기며 가속도의 크기에 따라서 각 피에조 저항의 저항값이 변화하여 상기 브리지 회로에 미리 전압을 인가하여 놓는 것으로 그 브리지 회로의 출력 단자에 불평형 전압이 발생하여 가속도 신호인 그 전압으로부터 가속도를 검출할 수 있다. 그러나 그 가속도 신호는 극히 소신호이기 때문에 센서칩(3)의 상기 고정단측에 신호 증폭회로, 진단 회로, 이상 검출회로등의 신호 처리회로(7)가 형성되어 있다.
상기 신호 처리회로(7)는 금 또는 알루미늄의 본딩 와이어(8)에 의해서 상기 세라믹 기판(2)상에 하이 패스필 터용 콘덴서(9), 감도 조정용 저항(도시하지 않음) 및 오프 세트 조정용 저항(도시하지않음)등을 설치하여 두꺼운 막 저항 기판으로 이루어지는 혼성 집적 회로(10)(하이브리드)(hybrid IC)에 접속된 상기 세라믹 기판(2)상에는 더욱 각 리이드 단자(11)가 접속된다.
이와 같이 상기 신호 처리회로(7)로 증폭된 가속도 신호는 상기 혼성 집적회로(10)로 보정된 후 리이드 단자(11)로부터 외부의 마이크로컴퓨터등으로 출력된다.
이러한 구성의 상기 센서칩(3) 및 혼성 집적 회로(10)등은 상부가 개방된 상자 모양을 한 PPS 등으로 형성된 수지제조의 패키지(12)에 상기 각 리트단자(11)가 그 패키지(12)의 밖으로 돌출하도록 하여 고착 시키는동시에 더욱 상기 패키지(12)와 같은 재질로 형성된 덮개(13)를 패키지(12)의 개방부에 접착하여 패키지(12)내를 밀봉한다.
제2도는 상기 제1도에서 표시한 반도체 가속도 센서(1)의 회로 구성예를 표시한 개략적인 블럭도이다.
제2도에 있어서 반도체 가속도 센서(1)는 상기 가속도 검출소자(6)으로 구성된 가속도 검출회로(20)와, 오프 세트 조정회로(21)와, 차동 증폭을 하는 전단 증폭회로(22)와, 하이 패스 필터(23)와, 후단 증폭회로(24)와, 기준 전압 공급 회로(25)로 이루어진다.
상기 가속도 검출회로(20)는 오프 세트 조정회로(21)와 전단 증폭회로(22)와 접속된다.
전단 증폭회로(22)는 하이 패스 필터(23)에 접속되고 하이패스 필터(23)는 후단 증폭회로(24)에 접속되여 후단 증폭회로(24)의 출력이 반도체 가속도센서(1)의 출력을 한다.
더욱, 하이 패스 필터(23)와 후단 증폭회로(24)에는 기준 전압 공급 회로(25)가 접속되어 있다.
상기와 같은 구성에 있어서 반도체 가속도 센서(1)에 가속도가 가해지면 가속 검출회로(20)는 가속도 신호를 상기 전단 증폭회로(22)에 출력하여 전단 증폭회로(22)는 가속도 신호를 차동 증폭하여 하이 패스 필터(23)에 출력한다.
하이 패스 필터(23)는 기준 전압 공급 회로(25)로부터 기준 전압 Vr가 인가되어 있고 전단 증폭회로(22)로부터 출력된 가속도 신호는 하이 패스 필터(23)로 직류 신호가 컷되고 나서 후단 증폭회로(24)에 출력된다.
후단 증폭회로(24)로 증폭된 가속도 신호는 출력 단자 Vout에서 출력된다.
상기 기준 전압 공급 회로(25)는 상기 후단 증폭회로(24)에 대해서도 기준 전압 Vr를 공급한다.
여기서 상기 가속도 검출회로(20)는 피에조 저항으로 브리지 회로를 형성하여 이루고 각 피에조 저항의 저항값의 밸런스 오차등에 의해 각 피에조 저항으로 형성된 브리지 회로는 오프 세트를 가지고 있다.
오프 세트 조정회로(21)는 그 오프 세트를 조정하기 위한 회로이다.
또한 상기 가속도 검출회로(20)가 센서부를 이루고 오프 세트 조정회로(21)가 오프 세트 조정부를 이루며 전단 증폭회로(22)가 전단 증폭부를 이루며 후단 증폭회로(24)가 후단 증폭부를 이루워 기준 전압 공급 회로(25)가 기준 전압 공급부를 이룬다.
상기 제2도로 표시한 구성의 반도체 가속도 센서에 있어서 구체적인 회로예를 표시하여 본 발명의 실시의 형태 1에 관하여 상세히 설명한다.
제3도는 상기 제2도에서 표시한 반도체 가속도 센서(1)의 회로예를 표시한 도면이다.
제3도에 있어서 상기 제2도의 가속도 검출회로(20)는 피에조 저항(30a, 30b, 30c, 30d)로된 가속도 검출소자(6)로 구성되고 상기 제2도의 오프세트 조정회로(21)는 오프 세트 조정용 저항(31)로 이루어져 상기 제2도의 전단 증폭회로(22)는 저항(32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40) 및 연산 증폭기(41, 42, 43)로 이루어져 상기 제2도의 하이 패스 필터(23) 컨덴사(44) 및 저항(45)으로 이루어져 상기 제2도의 후단 증폭회로(24)는 저항회로(46) 연산 증폭기(47)로 이루어진다.
또 상기 제2도의 기준 전압 공급 회로(25)는 직류 전원(48)로 이루워저 상기 하이패스필터(23) 및 후단 증폭회로(24)의 기준 전압 공급원을 이루고 있다.
또한 엄밀히 말하면 직류 전원(48)은 하이 패스 필터(23)를 구성하는 동시에 후단 증폭회로(24)를 구성하는 것이다.
상기 가속도 검출소자(6)는 센서칩에 있어서의 다이어프램부의 표면에 형성된 4가닥의 피에조 저항(30a, 30b, 30c, 30d)에 의해 구성된 브리지 회로로 이루어져 그 브리지 회로의 입력의 한편, 즉 피에조 저항(30a)과 (30b)와의 접속부는 전원으로 부터 전원 전압 Vcc이 인가되여 다른쪽 즉 피에조 저항(30c)와 (30d)와의 접속부는 접지되어 있다.
또 상기 브리지 회로의 한편의 출력 단자 즉 피에조 저항(30b)과 (30d)의 접속부는 저항(32)을 통해 연산 증폭기(41)의 비반전 입력 단자에 접속된다. 그 연산 증폭기(41)의 반전 입력 단자는 저항(33)을 통해 연산 증폭기(41)의 출력 일 단자에 접속되어 있고 연산 증폭기(41)는 볼테이지 플로워를 형성하고 있다.
상기 저항(33)은 상기 가속도 검출소자(6)에 응력이 가해지고 있지 않은 때의 피에조 저항(30c) 및 (30d)의 합성 저항치와 같은 것이다.
상기 브리지 회로의 다른쪽의 출력 단자 즉 피에조 저항(30a)과 (30c)의 접속부는 상기 오프 세트 조정용 저항(31)를 통해 접지되는 동시에 저항(35)을 통해서 연산 증폭기(42)의 비반전 입력단자에 접속된다.
그 연산 증폭기(42)의 반전 입력 단자는 저항(36)을 통해 연산 증폭기(42)의 출력 단자에 접속되어 있고 연산 증폭기(42)는 볼테이지 플로워를 형성하고 있다.
상기 저항(36)은 상기 가속도 검출소자(6)에 응력이 가해지고 있지 않은 때의 피에조 저항(30a) 및 (30b)의 합성 저항값과 같은 것이다.
상기 연산 증폭기(41)의 출력 단자는 저항(34)를 통해서 연산 증폭기(43)의 반전 입력 단자에 접속되며 상기 연산 증폭기(42)의 출력 단자는 저항(37)을 통해 연산 증폭기(43)의 비반전 입력 단자에 접속된다.
또, 연산 증폭기(43)의 반전 입력 단자는 저항(38)을 통해서 연산 증폭기(43)의 출력 단자에 접속된다.
저항(39) 및 (40)은 직렬로 접속되어 있고 그 직렬 회로에 있어서의 저항(39)에 전원 전압 Vcc이 인가되고 저항(40)이 접지되어 있다.
상기 연산 증폭기(43)의 비반전 입력 단자는 더욱 상기 저항(39) 및 (40)의 접속부에 접속되고 연산 증폭기(43)의 출력 단자는 컨덴사(44)를 통해 연산 증폭기(47)의 반전 입력 단자에 접속되어 있다.
상기 연산 증폭기(47)의 반전 입력 단자는 저항(45)을 통해 직류 전원(48)의 +측 단자가 접속되고 그 직류 전원(48)의 -측 단자는 접지되어 있다.
또 상기 연산 증폭기(47)의 비반전입력단자는 상기 직류 전원(48)의 +측 단자에 접속되어 있다.
상기 직류 전원(48)은 상기 컨덴사(44) 및 두꺼운막 저항으로 형성된 저항(45)으로 구성되는 하이 패스 필터 및 연산 증폭기(47)의 기준 전압 공급원이 되고 있다.
연산 증폭기(47)의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에는 온도 보상용의 저항회로(46)가 접속되어 있고 연산 증폭기(47)의 출력 단자가 반도체 가속도센서(1)의 출력 단자 Vout로 되어 있다.
여기서 상기 가속도 검출소자(6)부의 온도특성을 가지고 있으며 온도가 상승하면 차동 증폭기인 연산 증폭기(43)의 양 입력 단자간의 전압차가 작아지고 연산 증폭기(43)의 출력 전압은 작아지기 때문에 연산 증폭기(47)에 접속된 상기 저항회로(46)는 1개의 저항 또는 복수의 종류의 저항으로 이루어져 연산 증폭기(47)로 형성된 후단 증폭회로(24)가 정의 온도 특성을 가지도록 그 저항회로(46)은 정의 온도특성을 가지며 상기 가속도 검출소자(6)의 온도 특성을 지워서 반도체 가속도 센서(1)의 감도 온도 보상을 한다. 또 각각 볼테이지 플로워를 형성하는 상기 연산 증폭기(41) 및 (42)는 입력 임피던스가 대단히 높고 가속도 검출소자(6)의 임피던스의 영향을 받지않으므로 가속도 검출소자(6)로부터의 불평형전압을 연산 증폭기(43)의 각 입력 단자에 저 임피던스로 전달할 수 있다.
상술과 같은 구성에 있어서 상기 각 피에조 저항(30a∼30d)의 저항값의 밸런스 오차등에 의해 각 피에조 조항(30a∼30d)에서 형성된 브리지 회로는 오프 세트를 가지고 있어 두꺼운막의 저항으로된 상기 오프 세트 조정용 저항(31)을 트리밍함으로서 오프 세트 조정을 한다.
여기서 상기 반도체 가속도 센서(1)에 가속도가 가해지면 상기 다이어프램부에 변형이 발생하여 가해진 가속도의 크기에 따라서 상기 각 피에조 저항(30a∼30d)의 저항값이 변화하고 각 피에조 저항으로 형성된 브리지 회로의 출력에 불평형 전압이 발생하여 그 불평형 전압이 가속도 신호로 된다.
상기 가속도 신호는 극히 신호 레벨이 작은 신호이기 때문에 상기 연산 증폭기(43)로 차동 증폭된다.
차동증폭된 가속도 신호는 상기 직류 전원(48)에의해 기준 전위를 가진 컨덴사(44) 및 저항(45)으로된 하이 패스 필터에 의해서 직류 신호가 커트된다.
그위에 가속도 신호는 연산 증폭기(47)로 구성된 증폭회로에서 감도 온도 보상이 행하여지는 동시에 다시 증폭되어 출력 단자 Vout에서 출력된다.
하이 패스 필터를 가지는 반도체 가속도 센서(1)는 전원 전압이 인가된 후 하이 패스 필터의 컨덴사(44)에 전하가 충전 될때 까지는 반도체 가속도 센서(1)의 출력은 정상 상태로 상승하지않으며 반도체 가속도 센서(1)의 출력이 정상 상태로 상승 할때 까지 시간이 필요했다.
그 출력 상승 시간 t은 하기(1)식으로 표시할 수 있다.
t=C × R × In [(Vm-Vr)/(k/Av)]………………………(1)
또한, 상기 (1)식에 있어서 C는 컨덴사(44)의 용량을, R는 저항(45)의 저항값을, Vm는 전단 증폭회로(22)의 상온시의 출력전압, 즉 연산 증폭기(43)의 상온시의 출력 전압을, Vr는 직류 전원(48)의 전압값을 표시하며 k는 반도체 가속도 센서(1)가 정상으로 동작하는 데 무시할수있는 레벨의 반도체 가속도 센서(1)의 출력 전압 오차를, Av는 후단 증폭회로(24)의 증폭율, 즉 연산 증폭기(47)로 구성된 증폭회로의 증폭율을 표시한다.
반도체 가속도 센서(1)의 감도는 상기 센서칩(3)을 형성하는 실리콘의 피에조 저항 계수에 의해서 결정되지만 그 피에조 저항 계수는 정의 온도특성을 가지고 있다.
그때문에 반도체 가속도 센서(1)의 감도의 온도 보상을 하는 연산 증폭기(47)로 구성된 증폭회로의 증폭율은 부의 온도특성이 있다.
따라서 반도체 가속도 센서(1)의 사용 하한 온도시(이하, 저온시라 한다)와 사용 상한 온도시(이하, 고온시라 한다)와의 상기 Vm이 동일하면 반도체 가속도 센서(1)에 전원 공급이 개시된 후에 있어서의 반도체 가속도 센서(1)의 출력 상승시간 t는 상기 (1)식보다 고온시에는 길고 저온시에서는 짧게 되는 것을 알 수 있다.
이러한 반도체 가속도 센서(1)를 사용하는 경우 상기 t는 고온시의 값을 전사용 온도 범위에서의 값으로 설계해야만 한다.
그래서 고온시의 상기 t를 tH로 하고 저온시의 상기 t를 tC로 하면 tH=tC가 되도록하면 고온시의 상기 t를 단축 할수있고 상기 반도체 가속도 센서(1)를 사용하는데 있어서 반도체 가속도 센서(1)에 전원 공급이 개시된 후의 반도체 가속도 센서(1)의 출력 상승시간을 단축시켜 설계할 수 있다.
따라서 상기 C 및 R가 온도 특성을 가지지 않는다고 한다면 상기 (1)식 에서 tH=tC 로 하면 하기 (2)식이 도출된다.
AvC×(VmC-Vr)=AvH×(VmH-Vr)…………………(2)
단 상기 (2)식에서 AvC는 저온시의 후단 증폭회로(24)의 증폭율, 즉 연산증폭기(47)로 구성된 증폭회로의 저온시의 증폭율을, AvH는 고온시의 후단증폭회로(24)의 증폭율, 즉 연산 증폭기(47)로 구성된 증폭회로의 고온시의 증폭율을, VmC는 저온시의 전단 증폭회로(22)의 출력 전압, 즉 연산 증폭기(43)의 저온시의 출력 전압Vm를, VmH는 고온시의 전단 증폭회로(22)의 출력 전압, 즉 연산 증폭기(43)의 고온시의 출력 전압Vm을 표시하고 있다. 또 상기 (1)식에 있어서 C 및 R는 온도 특성을 가지지 않은 것으로 한다.
또 상기 VmC 및 VmH는 하기(3)식 및 (4)식으로 표시할 수 있는
VmC=α×VmR………………………(3)
VmH=β×VmR………………………(4)
또한 상기 (3)식 및 (4)식 에서 VmR는 상온시에 있어서의 전단 증폭회로(22)의 출력 전압 즉 연산 증폭기(43)의 상온시의 연산 증폭기(43)의 출력전압 Vm을 표시하며 α 및 β는 비례정수이고 α＞0, β＞0이다.
이와 같이 상기 (2)식∼(4)식에서 상기 (2)식이 성립하도록 오프 세트 조정용 저항(31)을 트리밍하여 상온시의 상기 Vm을 조정함으로써 고온시의 상기 t를 단축할 수 있으며 상기 반도체 가속도 센서(1)를 사용하는데 있어서 반도체 가속도 센서(1)에 전원을 공급 개시한 후의 반도체 가속도 센서(1)의 출력이 안정 하기 까지의 시간인 출력 상승 시간을 단축시켜 설계할 수 있다.
또한 상기 실시의 형태 1에 있어서는 전단 증폭회로(22)로 1단의 차동 증폭기로 차동 증폭을 하고 있었지만 복수단의 연산 증폭기로 차동 증폭 및 증폭을 해도 좋다.
또 후단 증폭회로(24)에 있어서도 1단의 증폭기로 증폭을 하고 있지만 복수단의 증폭기로 증폭을 해도 좋다.
[실시예]
다음에 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 반도체 가속도 센서의 실시예에 관해서 설명한다.
전원 전압 Vcc이 5V인 경우,
기준 전압 Vr를 2.5V,
고온시의 Vm(VmH)을 3V,
저온시의 Vm(VmC)을 2V,
하이 패스 필터의 시정수(C×R)를 0.1,
상온시의 k/Av(k/AvR)를 100/10,
저온시의 k/Av(k/AvC)를 100/9,
고온시의 k/Av(k/AvH)를 100/11,
로하고 종래와 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 상기 t의 비교을 했다.
종래에는 VmR=Vr 가 되도록 트리밍 조정을 하고 있었기 때문에 상기(1)식에서,
상온시의 t(tR)는 0초,
저온시의 t(tC)는 4.5초,
고온시의 t(tH)는 5.5초,
이었다.
이에 대하여 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서는 상기 (2)식∼(4)식을 충족하도록 하고 예를들면 VmR를 2.45V 로 하면 상기 (1)식에서
상온시의 t(tR)가 0.05초,
저온시의 t(tC)는 4.95초,
고온시의 t(tH)는 4.95초,
로도어 반도체 가속도 센서(1)에 있어서의 전온도 사용 범위(고온)에 있어서 전원 공급이 개시된후의 반도체 가속도 센서(1)의 출력 상승 시간 t를 약 10%단축시켜서 사용할 수 있었다.
또한 상기 고온시란 85℃을 표시하며 상기 저온시란 -40℃을 표시하고 상온시란 25℃을 표시한다.
[발명의 효과]
상술한 설명에서 분명한거와같이 본 발명의 반도체 센서에 의하면 오프 세트조정부에서 센서부의 오프 세트를 조정함으로써 전단 증폭부의 출력 전압 Vm을 조정하면 전원 공급 개시후에 있어서의 상기 후단 증폭부의 출력 상승 시간의 최대치가 작아지도록 했다.
구체적으로는 전원 공급 개시후에서의 후단 증폭부의 출력 상승 시간이 반도체 센서에 있어서의 사용 상한 온도시와 사용 하한 온도시에서 같아지도록 상기 전단 증폭부의 출력 전압 Vm를 조정한다.
즉 상기 전단 증폭부의 상온시에 있어서의 출력 전압 VmR를 다음식
AvC×(VmC-Vr)=AvH×(VmH-Vr)
VmC=α×VmR
VmH=β×VmR
가 되도록 조정한다.
이들의 의해, 전원 공급 개시후의 반도체 센서에 있어서의 전사용 온도 범위로 보증할 수 있는 출력 상승 시간을 단축할 수 있으므로 반도체 센서를 사용하는데 있어서 반도체 센서에 전원 공급이 개시되고 난후의 반도체 센서의 출력 상승 시간을 단축시켜 설계할 수 있는 높은 정밀도인 반도체 센서를 얻을 수 있다.
상기 오프 세트 조정부는 프린트 기판상에 저항체를 인쇄하여 형성한 인쇄 저항으로 이루어져 그 인쇄 저항을 트리밍함으로써 상기 전단 증폭부의 출력 전압 Vm을 조정함으로써 간단한 구성으로 비용을 증가 시키는 일 없이 반도체 센서에 있어서의 전사용 온도범위로 보증할 수 있는 전원 공급개시후의 출력 상승 시간을 단축할 수 있다.
또 본 발명에 있어서의 반도체 센서의 출력 조정방법에 의하면 상기 브리지 회로의 오프 세트를 조정함으로써 전단 증폭부의 출력 전압 Vm을 조정하며 전원 공급개시후에 있어서의 상기 후단 증폭부의 출력 상승 시간의 최대치가 작아지도록 했다.
구체적으로는 전원 공급 개시후에 있어서의 상기 후단 증폭부의 출력 상승 시간이 반도체 센서에 있어서의 사용 상한 온도시와 사용 하한 온도시와 같이 되도록 브리지 회로의 오프 세트를 조정하여 상기 전단 증폭부의 출력 전압 Vm을 조정한다.
즉 전단 증폭부의 상온시에 있어서의 출력 전압 VmR를, 다음 식
AvC×(VmC-Vr)=AvH×(VmH-Vr)
VmC=α×VmR
VmH=β×VmR
가 되도록 조정한다.
이들로 부터 반도체 센서에 있어서의 전사용 온도 범위로 보증할수있는 전원 공급 개시후의 출력 상승시간을 단축할 수 있으므로 반도체 센서를 사용하는데 있어서 반도체 센서에 전원 공급이 개시된후의 반도체 센서의 출력 상승 시간을 단축시켜 설계할 수 있는 반도체 센서의 출력 조정방법을 얻을 수 있다.
프린트 기판상에 저항체를 인쇄하여 형성한 인쇄 저항을 트리밍함으로서 상기 브리지 회로의 오프 세트를 조정하여 상기 전단 증폭부의 출력 전압 Vm를 조정함으로써 간단한 방법으로 코스트의 증가 없이 반도체 센서에 있어서의 전사용 온도 범위로 보증할 수 있는 전원공급후의 출력 상승 시간을 단축할 수 있다.
Claims (3)
- 센서에 반도체를 사용한 반도체 센서에 있어서, 반도체의 피에조(piezo) 저항 효과를 이용한 피에조 저항이 브리지 회로를 형성하여 이룬 센서부와, 컨덴서와 저항으로 구성된 하이패스 필터와, 그 하이패스 필터의 전단에 형성되며 상기 센서부로 부터 불평형 전압을 차동 증폭하는 전단 증폭부와, 상기 하이 패수 필터의 후단에 형성되고 하이 패스 필터를 통해서 입력된 상기 전단 증폭부의 출력 전압을 증폭하는 후단 증폭부와, 상기 하이 패스 필터 및 그 후단 증폭부에 기준전압 Vr 를 공급하는 기준 전압 공급부와, 상기 센서부의 오프 세트를 조정하는 오프 세트 조정부를 구비하고, 상기 오프 세트 조정부는 센서부의 오프 세트를 조정함으로서 상기 전단 증폭부의 출력 전압 Vm를 조정하여 전원 공급 개시후에 있어서의 상기 후단 증폭부의 출력 상승 시간의 최대치가 작게 되도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 센서.
- 상기 오프 세트 조정부는 상기 전단 증폭부의 상온시에 있어서의 출력 전압 VmR 를 다음식AvC×(VmC-Vr)=AvH×(VmH-Vr)VmC=α×VmRVmH=β×VmR(단, AvC는 상기 사용 하한 온도시의 후단 증폭부의 증폭율을, AvH는 상기 사용 상한 온도시의 후단 증폭부의 증폭율을, VmC는 상기 사용 하한 온도시의 전단 증폭부의 출력 전압 Vm 을, VmH는 상기 사용 상한 온도시의 전단 증폭부의 출력 전압 Vm를 표시하며 α 및 β는 비례 정수이며, α＞0, β＞0 이다.)가 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 반도체 센서.
- 반도체의 피에조 저항효과를 이용한 피에조 저항으로 브리지 회로를 형성하고 그 브리지 회로에 발생한 불평형전압을 적어도 1단의 증폭기로 된 전단 증폭부에서 차동 증폭하고 더우기, 기준 전압 Vr를 가지는 하이 패스 필터를 지난한후 기준 전압 Vr를 가지는 적어도 1단의 증폭기로된 후단 증폭부에서 증폭하여 출력하는 구성의 센서에 반도체를 사용한 반도체 센서에 있어서의 출력 조정방법에 있어서, 상기 브리지 회로의 오프 세트를 조정함으로서 상기 전단 증폭부의 출력 전압 Vm를 조정하고 전원 공급 개시후에 있어서의 상기 후단 증폭부의 출력 상승 시간의 최대치가 작게 되도록 한 것을 특징으로 하는 반도체 센서의 출력 조정방법.
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