KR101697932B1 - Semiconductor Sensor Device Measuring Both Pressure and Temperature Using Single Sensor - Google Patents

Semiconductor Sensor Device Measuring Both Pressure and Temperature Using Single Sensor Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a semiconductor sensor device, capable of measuring a pressure and a temperature by using a single sensor. The semiconductor sensor device of the present invention comprises: a bridge sensor which includes four detection resistance elements; a differential amplifier which amplifies a difference between an anode sensor output signal and a cathode sensor output signal of the bridge sensor; an A/D converter which includes a first input channel and a second input channel, and converts an input signal into a digital signal, wherein in the first input channel, an output signal of the differential amplifier is inputted and in the second input channel, any one between the anode sensor output signal and the cathode sensor output signal of the bridge sensor is inputted; and an MCU which measures a pressure value and a temperature value based on the output signal of the A/D converter. According to the present invention, it is possible to miniaturize the semiconductor sensor device and accurately compensate the temperature, thereby achieving the miniaturization and accuracy of the sensor device.

Description

단일 센서를 이용하여 온도측정과 압력측정이 가능한 반도체 센서장치 {Semiconductor Sensor Device Measuring Both Pressure and Temperature Using Single Sensor}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a semiconductor sensor device capable of measuring temperature and pressure using a single sensor,

본 발명은 압력센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압력센서의 출력값을 이용하여 온도를 측정할 수 있도록 함으로써 온도 보정을 위해 별도의 온도센서가 요구되지 않도록 하는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly, to a technique for preventing a separate temperature sensor from being required for temperature correction by allowing a temperature to be measured using an output value of a pressure sensor.

압력 변환기는 크게 압력센서부와 온도보상을 수행하는 보상회로부로 구분된다. 온도에 민감하게 동작하는 압력센서의 특성상 보정이 반드시 필요하므로 온도 측정이 매우 중요한 요소이다.The pressure transducer is largely divided into a pressure sensor section and a compensation circuit section that performs temperature compensation. Temperature measurement is very important because it is necessary to compensate for the characteristics of the temperature sensitive pressure sensor.

그러나, 압력변환기의 압력센서와 온도센서는 서로 다른 격실로 분리되어 있어 압력센서의 위치와 온도센서의 위치에서 온도값의 차이가 발생하게 되고 이에 따라 측정된 압력값에 오차가 발생하는 문제가 있다.However, since the pressure sensor and the temperature sensor of the pressure transducer are separated into different compartments, there is a difference in the temperature value between the position of the pressure sensor and the position of the temperature sensor, thereby causing an error in the measured pressure value .

이러한 문제점을 해결하기 위해 압력센서의 위치에 온도센서를 배치하는 것을 고려해볼 수 있으나 이러한 경우 장치의 복잡도가 높아져 제품의 크기가 커질 뿐 아니라 상용화된 제품으로 구현하기 곤란한 문제점이 있다.In order to solve such a problem, it is possible to consider arranging the temperature sensor at the position of the pressure sensor. However, in this case, the complexity of the apparatus is increased and the size of the product is increased.

이에 단일 압력센서로 압력과 온도를 모두 측정하고자 하는 시도가 있어왔다. Therefore, attempts have been made to measure both pressure and temperature with a single pressure sensor.

도 1에는 종래 단일 센서를 이용하여 온도측정과 압력측정이 가능한 반도체 센서장치가 도시되어 있다.FIG. 1 shows a semiconductor sensor device capable of temperature measurement and pressure measurement using a single conventional sensor.

상기 종래기술은 브리지 회로(10)가 압력 변화뿐만 아니라 온도 변화에 따라 출력값이 가변하는 특성을 이용한 것으로서, 브리지 압력센서의 출력을 차동 증폭기(20)에서 차동 증폭하여 압력정보로 수집하는 한편, 브리지 압력센서의 2 단자의 출력신호를 각각 A/D 변환한다. A/D 변환된 2개의 출력신호의 조합을 통해 온도를 결정할 수 있다. 온도 결정을 위해서는 사전에 온도에 따른 2개의 출력신호의 값들을 미리 측정하여 룩업테이블 형태로 저장해두어야 한다.In the conventional technique, the output of the bridge pressure sensor is differentially amplified by the differential amplifier 20 and collected as pressure information, while the bridge circuit 10 uses the characteristic that the output value varies according to the temperature change as well as the pressure change. And A / D-converts the output signals of the two terminals of the pressure sensor. The temperature can be determined through a combination of two A / D-converted output signals. In order to determine the temperature, the values of the two output signals according to the temperature should be measured in advance and stored in the form of a look-up table.

이러한 종래기술에 따르면 A/D 변환기(30)가 3개의 채널이 필요하게 되어 소형 반도체 센서장치의 개발의 장애요인이 될 수 있다.According to this conventional technique, the A / D converter 30 requires three channels, which may be a hindrance to the development of a small-sized semiconductor sensor device.

또한, 종래기술은 차동 증폭을 이용하는 압력측정과 달리 온도 측정은 3개의 센서 출력을 A/D 변환하여 이루어지므로 노이즈에 의한 측정 에러가 발생할 가능성이 높다.Unlike the pressure measurement using differential amplification in the prior art, the temperature measurement is performed by A / D conversion of three sensor outputs, so that a measurement error due to noise is likely to occur.

따라서, 소형 반도체 센서장치에 최적화된 온도측정과 압력측정이 가능한 반도체 센서장치의 개발이 요구되고 있다.Therefore, development of a semiconductor sensor device capable of temperature measurement and pressure measurement optimized for a small-sized semiconductor sensor device is required.

일본공개특허 2006-78310 : 반도체 센서 장치Japanese Patent Laid-Open No. 2006-78310: Semiconductor sensor device

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 압력과 온도 측정이 모두 가능하면서도 A/D 변환기의 채널 수를 감소시켜 소형으로 구현이 용이하고 노이즈에 강인한 반도체 센서장치를 제공하는 것이다.The present invention has been proposed in order to solve the problems of the related art as described above, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor sensor device capable of both pressure and temperature measurement while reducing the number of channels of an A / .

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 4개의 감지저항을 포함하는 브릿지 센서, 상기 브릿지 센서의 양극 센서 출력 신호와 음극 센서 출력 신호 간의 차를 증폭시키는 차동 증폭기, 상기 차동 증폭기의 출력신호가 입력되는 제 1 입력채널과 상기 브릿지 센서의 양극 센서 출력 신호 또는 음극 센서 출력 신호 중 어느 하나의 신호가 입력되는 제 2 입력채널을 갖고, 입력신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기 및 상기 A/D 변환기의 출력신호에 기초하여 압력값 및 온도값을 산출하는 MCU를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 센서를 이용하여 온도측정과 압력측정이 가능한 반도체 센서장치가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a differential amplifier comprising: a bridge sensor including four sense resistors; a differential amplifier for amplifying a difference between a positive electrode sensor output signal and a negative electrode sensor output signal of the bridge sensor; And a second input channel to which one of a first input channel to which an output signal of the bridge sensor is inputted and a positive sensor output signal or a negative electrode sensor output signal of the bridge sensor is inputted, And an MCU for calculating a pressure value and a temperature value based on an output signal of the A / D converter. The semiconductor sensor device is capable of performing temperature measurement and pressure measurement using a single sensor.

여기서, 상기 MCU는 상기 차동 증폭기의 출력 신호와 상기 브릿지 센서의 양극 센서 출력 신호 또는 음극 센서 출력 신호 중 어느 하나의 신호를 이용하여 온도값을 산출하는 것이 바람직하다.Here, the MCU preferably calculates a temperature value by using either the output signal of the differential amplifier or the positive sensor output signal or the negative sensor output signal of the bridge sensor.

그리고, 상기 온도값은 하기 수학식을 이용하여 산출된다.The temperature value is calculated using the following equation.

Figure 112016045070995-pat00001
Figure 112016045070995-pat00001

여기서, Vout -은 센서 출력 신호, Vampout 은 센서 차동 증폭 신호, GAIN은 차동증폭기의 증폭도임Here, V out - is the sensor output signal, V ampout sensor is a differential amplifier signal, GAIN is the amplification degree of the differential amplifier being

본 발명에 따르면, 반도체 센서장치의 소형화가 가능하고 정확한 온도보상이 가능하여 센서장치의 소형화와 정밀도를 동시에 제공할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, a semiconductor sensor device can be downsized and accurate temperature compensation is possible, thereby providing a sensor device with both miniaturization and precision.

도 1은 종래 단일 센서를 이용하여 온도측정과 압력측정이 가능한 반도체 센서장치의 구성 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 단일 센서를 이용하여 온도측정과 압력측정이 가능한 반도체 센서장치의 구성 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 센서장치와 상용 온도센서의 온도 측정값 비교시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 센서장치의 온도 계측오차를 분석한 그래프이다.1 is a block diagram of a semiconductor sensor device capable of measuring temperature and pressure using a single conventional sensor.
2 is a block diagram of a semiconductor sensor device capable of temperature measurement and pressure measurement using a single sensor according to the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a result of a temperature measurement comparison test between the semiconductor sensor device and the commercial temperature sensor according to the present invention.
4 is a graph illustrating an error in temperature measurement of the semiconductor sensor device according to the present invention.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명에 따른 단일 센서를 이용하여 온도측정과 압력측정이 가능한 반도체 센서장치의 구성 블럭도이다.2 is a block diagram of a semiconductor sensor device capable of temperature measurement and pressure measurement using a single sensor according to the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 센서장치는 브릿지 센서(10), 차동 증폭기(20), A/D 변환기(30), MCU(40) 및 직렬 인터페이스(50)를 포함하여 구성된다.2, the semiconductor sensor device according to the present invention includes a bridge sensor 10, a differential amplifier 20, an A / D converter 30, an MCU 40, and a serial interface 50 .

브릿지 센서(10)는 4개의 감지저항(R1 ~ R4)이 휘트스톤 브릿지 형태로 구성되는 공지의 센서소자로서, 각 저항은 압력 변화에 따라 저항이 가변되는 소자로서, 예컨대 압전 저항성 저항소자들로 이루어질 수 있다. 브릿지 센서(10)는 저항 R1과 R2사이의 양극 센서출력 단자와 저항 R3과 저항 R4 사이의 음극 센서출력 단자의 2개의 출력신호가 압력측정을 위해 사용된다. The bridge sensor 10 is a known sensor element in which four sensing resistors R 1 to R 4 are formed in the shape of a Wheatstone bridge. Each resistance is an element whose resistance varies with a change in pressure. For example, . ≪ / RTI > The bridge sensor 10 uses two output signals of a positive sensor output terminal between the resistors R 1 and R 2 and a negative sensor output terminal between the resistors R 3 and R 4 for pressure measurement.

차동 증폭기(20)는 양극 센서 출력단자와 음극 센서 출력단자의 출력신호를 입력받아 이들의 차를 증폭하여 출력하는 것으로서, 양극 센서 출력단자와 음극 센서 출력단자의 출력신호를 바로 압력측정을 위한 신호로 사용하는 경우 노이즈에 의한 측정 오차가 발생할 수 있으므로 2개의 신호를 차동증폭하여 노이즈에 의한 측정 오차를 방지하는 것이 일반적이다.The differential amplifier 20 receives the output signals of the positive electrode sensor output terminal and the negative electrode sensor output terminal and amplifies the difference signals to output the output signals of the positive electrode sensor output terminal and the negative electrode sensor output terminal to a signal A measurement error due to noise may occur. Therefore, it is general that two signals are differentially amplified to prevent a measurement error due to noise.

A/D 변환기(30)는 차동 증폭기(20)의 후단에 배치되고 종래와 달리 2개의 입력채널을 갖도록 구비된다. 1개의 입력채널에는 차동 증폭기(20)의 출력신호가 입력되고 나머지 1개의 입력채널에는 양극 센서 출력단자 또는 음극 센서 출력단자 중 어느 하나의 출력신호가 입력된다. 도 2에는 A/D 변환기(30)에 음극 센서 출력단자의 출력신호가 입력되는 경우가 도시되어 있으며, 이하에서는 이 신호를 이용하여 온도를 측정하는 방법을 설명하기로 한다.The A / D converter 30 is disposed at the rear end of the differential amplifier 20 and is provided to have two input channels unlike the prior art. The output signal of the differential amplifier 20 is input to one input channel and the output signal of either the positive electrode sensor output terminal or the negative electrode sensor output terminal is input to the remaining one input channel. FIG. 2 shows a case where the output signal of the negative electrode sensor output terminal is input to the A / D converter 30. Hereinafter, a method of measuring the temperature using this signal will be described.

MCU(40)는 A/D 변환기(30)의 출력신호를 이용하여 압력값 및 온도값을 산출한다. 차동 증폭기(30)의 출력신호를 이용하여 압력값을 산출하는 방법은 주지의 기술로서 본 발명에서도 동일한 방식을 이용하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.The MCU 40 calculates the pressure value and the temperature value using the output signal of the A / D converter 30. [ A method of calculating the pressure value using the output signal of the differential amplifier 30 is well known in the art, and the same method is used in the present invention, and thus a detailed description thereof will be omitted.

MCU(40)는 양극 센서 출력단자와 음극 센서 출력단자의 출력신호의 차동 증폭 신호와 센서 출력단자의 출력신호를 이용하여 온도값을 산출한다. 본 발명에서는 종래기술과 달리 압력측정을 위해 사용되는 센서 차동 증폭신호와 1개의 센서 출력단자의 출력신호만을 이용하여 온도를 측정하게 되므로 A/D 변환기(30)의 입력채널 수를 감소시킬 수 있고, 센서 차동 증폭 신호를 온도 측정에 이용하게 되므로 노이즈를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.The MCU 40 calculates the temperature value by using the differential amplification signal of the output signals of the anode sensor output terminal and the cathode sensor output terminal and the output signal of the sensor output terminal. In the present invention, the temperature is measured using only the sensor differential amplification signal used for pressure measurement and the output signal of one sensor output terminal, so that the number of input channels of the A / D converter 30 can be reduced , Since the sensor differential amplified signal is used for temperature measurement, there is an advantage that the noise can be reduced.

MCU(40)는 양극 센서 출력단자와 음극 센서 출력단자의 출력신호의 차동 증폭 신호와 센서 출력단자의 출력신호를 이용하여 온도값을 산출하는 방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.  A method of calculating the temperature value using the differential amplification signal of the output signals of the positive electrode sensor output terminal and the negative electrode sensor output terminal and the output signal of the sensor output terminal of the MCU 40 will be described in detail as follows.

우선, 양극 센서 출력단자와 음극 센서 출력단자의 출력전압(Vout - , Vout +)은 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, i는 정전류를 나타낸다.First, the output voltages (V out - , V out + ) of the positive electrode sensor output terminal and the negative electrode sensor output terminal can be expressed by the following Equation (1). Here, i represents a constant current.

Figure 112016045070995-pat00002
Figure 112016045070995-pat00002

Figure 112016045070995-pat00003
Figure 112016045070995-pat00003

상기 2개의 센서 출력신호가 차동 증폭기(20)로 입력될 때, 차동 증폭기(20)의 출력전압(Vampout)은 수학식 2와 같이 나타난다. 여기서, GAIN은 차동 증폭기의 증폭도이다.When the two sensor output signals are input to the differential amplifier 20, the output voltage V ampout of the differential amplifier 20 is expressed by Equation (2). Where GAIN is the gain of the differential amplifier.

Figure 112016045070995-pat00004
Figure 112016045070995-pat00004

차동 증폭기의 증폭도는 차동 증폭기의 특성에 따라 R5 저항값으로 산출된다. 여기서, CGAIN은 차동증폭기의 저항 상수로서 IC 제조환경마다 조금씩 달라지는데 통상 49.4KΩ의 값을 갖는다.The gain of the differential amplifier is calculated as the resistance value of R5 according to the characteristics of the differential amplifier. Here, C GAIN is the resistance constant of the differential amplifier, which varies slightly depending on the IC manufacturing environment, and usually has a value of 49.4 KΩ.

Figure 112016045070995-pat00005
Figure 112016045070995-pat00005

수학식 2와 수학식 3을 이용하면, 온도 데이터(VTEMP)는 수학식 4에 의해 계산된다. Using Equations (2) and (3), the temperature data (V TEMP ) is calculated by Equation (4).

Figure 112016045070995-pat00006
Figure 112016045070995-pat00006

이와 같이 본 발명에서는 차동 증폭기의 출력신호(Vampout)와 1개의 센서 출력신호(Vout - 또는 Vout +)만을 이용하여 온도를 계산할 수 있게 된다.As described above, in the present invention, the temperature can be calculated using only the output signal V ampout of the differential amplifier and one sensor output signal V out - or V out + .

MCU(40)에서 계산된 압력값과 온도값은 직렬 인터페이스(50)를 통해 외부로 출력된다.The pressure value and the temperature value calculated by the MCU 40 are output to the outside through the serial interface 50.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 센서장치와 상용 온도센서의 온도 측정값 비교시험 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing a result of a temperature measurement comparison test between the semiconductor sensor device and the commercial temperature sensor according to the present invention.

도 3에서 청색은 압전 실리콘 저항 차압센서인 1230 시리즈를 이용하여 본 발명에 따른 방식으로 온도값을 측정한 경우에 있어 온도 대비 출력평균값을 나타낸 것이고, 적색은 상용온도센서인 TMP36 모델의 온도 대비 출력평균값을 나타낸 것이다.In FIG. 3, the blue color represents the average output value versus temperature when the temperature value is measured by the method of the present invention using the piezoelectric silicon resistance differential pressure sensor 1230 series, and the red color represents the temperature-to-output And the average value.

2개의 그래프를 비교하면 차압센서인 1230을 이용하는 경우 상용 온도센서인 TMP36 모델에 비해 감도는 낮은 편이지만 일정한 선형성이 유지되어 보상에 적합한 온도 데이터를 계측할 수 있는 것을 알 수 있다.Comparing the two graphs, it can be seen that the sensitivity is lower than that of the commercial temperature sensor TMP36 when using the differential pressure sensor 1230, but the constant linearity is maintained and the temperature data suitable for the compensation can be measured.

도 4는 본 발명에 따른 반도체 센서장치의 온도 계측오차를 분석한 그래프이다.4 is a graph illustrating an error in temperature measurement of the semiconductor sensor device according to the present invention.

본 발명에 따른 방식으로 수집된 온도 데이터를 상용온도센서를 이용하여 측정한 온도 데이터와의 차이를 분석한 결과 온도 계측 오차가 ℃로써 교정을 위한 온도 계측이 충분히 가능한 것으로 분석되었다.As a result of analyzing the difference between the temperature data collected by the method according to the present invention and the temperature data measured using the commercial temperature sensor, it was analyzed that the temperature measurement for calibration can be sufficiently performed with the temperature measurement error of ° C.

Claims (3)

4개의 감지저항을 포함하는 브릿지 센서;
상기 브릿지 센서의 양극 센서 출력 신호와 음극 센서 출력 신호 간의 차를 증폭시키는 차동 증폭기;
상기 차동 증폭기의 출력신호가 입력되는 제 1 입력채널과 상기 브릿지 센서의 양극 센서 출력 신호 또는 음극 센서 출력 신호 중 어느 하나의 신호가 입력되는 제 2 입력채널을 갖고, 입력신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기; 및
상기 A/D 변환기의 출력신호에 기초하여 압력값 및 온도값을 산출하는 MCU를 포함하되,
상기 MCU는 상기 차동 증폭기의 출력 신호와 상기 브릿지 센서의 양극 센서 출력 신호 또는 음극 센서 출력 신호 중 어느 하나의 신호를 이용하여 하기 수학식에 의해 온도값을 산출하는 것을 특징으로 하는 단일 센서를 이용하여 온도측정과 압력측정이 가능한 반도체 센서장치.
Figure 112016126529477-pat00012

여기서, Vout-은 센서 출력 신호, Vampout 은 센서 차동 증폭 신호, GAIN은 차동증폭기의 증폭도임A bridge sensor including four sense resistors;
A differential amplifier for amplifying a difference between a positive electrode sensor output signal and a negative electrode sensor output signal of the bridge sensor;
And a second input channel to which a signal of either the positive input signal of the differential amplifier or the negative electrode output signal of the bridge sensor or the negative electrode sensor output signal of the bridge sensor is inputted and converts the input signal into a digital signal A / D converter; And
And an MCU for calculating a pressure value and a temperature value based on an output signal of the A / D converter,
Wherein the MCU calculates a temperature value using one of an output signal of the differential amplifier and an anode sensor output signal or a cathode sensor output signal of the bridge sensor according to the following equation: Semiconductor sensor device capable of temperature measurement and pressure measurement.
Figure 112016126529477-pat00012

Where V out- is the sensor output signal, V ampout is the sensor differential amplification signal, GAIN is the amplification of the differential amplifier 삭제delete 삭제delete
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