JPH01314904A - 半導体歪検出器の感度温度補償回路 - 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］ この発明は、半導体歪ゲージを用いた半導体歪検出器の
感度温度補償回路に関するものである。

［従来技術］ 多結晶シリコンを歪ゲージとして用いた場合そのゲージ
の感度温度係数と抵抗温度係数がともに負となる。この
ような歪ゲージにてブリッジ回路を形成した半導体歪検
出器の感度温度補償回路としては、本出願人による特開
昭６３−２３３７１号公報にて開示されている。この回
路はブリッジ回路の出力用増幅回路に対し利得決定抵抗
である入力抵抗（多結晶シリコン感温抵抗）の抵抗温度
係数が歪ゲージの感度温度係数に実質的に等しくさせた
ものである。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、この回路においては、歪ゲージの抵抗値が大
きい場合には多結晶シリコン感温抵抗の抵抗値が相当大
きくなり、扱う電流もｎＡのオーダーになるためＳＮ比
が悪くなる。又、歪ゲージの温度と感温抵抗の温度に不
一致が生じると特性が悪化するという問題があった。

この発明の目的は、歪ゲージの抵抗値が大ぎい場合にも
ＳＮ比を悪化さμることなく、安定した感度温度補償を
行なうことができる半導体歪検出器の感度温度補償回路
を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は、第１図に示すように、感度温度係数と抵抗
温度係数がともに負である歪ゲージ１にてブリッジ回路
２を形成した半導体歪検出器において、前記ブリッジ回
路２の入力端子に印加される電圧ｖ８若しくは電流Ｉ８
を検出するブリッジ印加状態検出手段３と、前記ブリッ
ジ印加状態検出手段３により検出された前記ブリッジ回
路２の印加電圧Ｖ３若しくは印加電流ＩＢに基づいて、
前記ブリッジ回路２の電圧・電流の特性関係に対しその
傾きが大ぎな特性関係によりブリッジ回路２への印加電
圧ＶＢと印加電流Ｔ、を関係づけ当該ブリッジ回路に電
流・電圧を印加する補償手段４とを設けた半導体歪検出
器の感度温度補償回路をその要旨とする。

［作用コ ブリッジ回路２での抵抗（ブリッジ抵抗）をＲ、ブリッ
ジ回路２の入力端子間の電位差（ブリッジ電圧）をＶ３
、ブリッジ回路２を流れる電流（ブリッジ電流）を１．
とすると、第２図に示す■−■グラフにおける動作点は
、ブリッジ回路自身のオームの法則によるＩＢ＝■Ｂ／
Ｒのライン（ブリッジ回路の電圧・電流の特性線）と、
外部からの電圧・電流の印加条件のライン（印加電圧・
印加電流の特性線）、即ち、ブリッジ回路２の電圧・電
流の特性線と、その傾きが大きなブリッジ回路２の入力
端子への印加電圧・印加電流の特性線の交点ｐｎとなる
。

そして、ブリッジ回路２の出力電圧ｖ□υ■はゲージの
感度とブリッジ電圧Ｖ、に比例するので、ブリッジ抵抗
の温度係数が負である多結晶シリコンにおいて、ブリッ
ジ抵抗の温度変化にてオームの法則によるＩＢ＝ｖＢ　
／Ｒのラインの傾きが変り動作点Ｐが変更されブリッジ
電圧ＶＢが増減され、そのブリッジ電圧ＶＢの増減にて
ゲージの感度とブリッジ電圧Ｖ３に比例するブリッジ回
路２の出力電圧Ｖ。Ｕ□が安定する方向に補正される。

例えば、第２図において、温度上昇に伴う歪感度の減少
がブリッジ電圧Ｖ、の増加によって補償されるとともに
、温度低下に伴う歪感度の増加がブリッジ電圧ＶＢの減
少によって補償される。

［実施例］ 以下、この発明を具体化した一実施例を図面に従って説
明する。

第３図に示すように、シリコン基板のダイヤフラム上に
形成された４つの多結晶シリコン歪ゲージ１０によりブ
リッジ回路１１が構成されている。

そのブリッジ回路１１の一方の入力端子１１ａは、抵抗
１２（抵抗値Ｒ１２）を介して電源端子と接続されてい
るとともに、その途中の接続点ａは直列に接続された抵
抗１３（抵抗値Ｒ１３）、抵抗１４（抵抗値Ｒ１４）を
介して接地されている。その直列抵抗１３．１４の間の
接続点Ｃと、前記ブリッジ回路１１の入力端子１１ａと
抵抗１２との間の接続点ｄとは、オペアンプＯＰ１の非
反転入力端子及び反転入力端子にそれぞれ接続されてい
る。

そのオペアンプＯＰ１の出力端子はブリッジ回路１１の
もう一方の入力端子１１ｂと接続されている。

そして、抵抗１３．１４により電源電圧■を分圧して、
接続点Ｃで定電圧Ｖ。を作るための定電圧回路が形成さ
れるとともに、オペアンプＯＰ１と抵抗１２により抵抗
１２を流れる電流を定電流Ｉ。（＝　（Ｖ−Ｖｏ＞／Ｒ
１２）とするための定電流印加回路が形成されている。

又、ブリッジ回路１１の入力端子１１ｂとオペアンプＯ
ＰＩの間の接続点ｅは、オペアンプＯＰ２の非反転入力
端子に接続されている。オペアンプＯＰ２の出力端子は
そのコレクタ端子が前記接続点ｄに接続されたトランジ
スタＴｒのベース端子に接続され、その１〜ランジスタ
Ｔｒのエミッタ端子は前記オペアンプＯＰ２の反転入力
端子に接続されている。又、１−ランジスタＴｒのエミ
ッタ端子は抵抗１５（抵抗値Ｒ１５）を介して接地され
ている。

そして、このオペアンプＯＰ２と抵抗１５と１〜ランジ
スタＴｒによりブリッジ印加状態検出手段及び補償手段
としての電圧電流変換回路が形成され、この電圧電流変
換回路によりブリッジ回路１１の一方の入力端子１１ｂ
の電位Ｖ１１ｂが検出され、その検出電位が補償に必要
な電流に変換される。この際、抵抗１５を流れる電流１
１５は、ブリッジ回路１１の入力端子１１ｂの電位ｖ　
ｉｉｂと抵抗１５の抵抗値Ｒ１５とから １１５”’Ｖ１１ｂ　／Ｒ１５ で表される。

よって、接続点ｄにおいてブリッジ回路１１に印加され
る電流■８は ＩＢ＝（Ｖ　　ＶＣ）／Ｒ１２Ｖ１１ｂ／Ｒ１５・　・
　・　（１） となる。

この式（１）から明らかなように、ブリッジ回路１１の
入力端子１１ｂでの電位ｖ　’ｉ　ｉ　ｂが低下すれば
、ブリッジ回路１１への印加電流Ｉ８が増加し、Ｖｌｌ
ｂが上昇すれば、ブリッジ回路１１への印加電流■８が
減少する。

ここで、ブリッジ回路１１の入力端子１１ａ。

１１ｂ間の電位差（ブリッジ電圧）ＶＩ３は、ｖＢ　＝
ｖｃ−Ｖｉｉｂ　　　　　−−−（２）で表される。

又、ブリッジ回路１１の出力端子１１Ｇ、１１ｄは増幅
回路１６に接続され、ブリッジ回路１１の出力端子１１
ｃ、１１ｄ間の電圧は増幅回路１６から出力電圧Ｖ　Ｏ
ＵＴとして出力されるようになっている。

ここで、ブリッジ回路１１の周辺の構成による外部から
のブリッジ回路１１への入力電流Ｉ３及び入力電圧ＶＢ
は、上記（１）、（２）式よりｒＢ　＝　（Ｖ−Ｖ。）
／Ｒ１２ −（ｖｏ−ｖＢ）／Ｒ１５ ＝　（１／Ｒ１５）　−ｖＢ ＋　（Ｖ　　Ｖ　　）　／Ｒ１２Ｖｃ／Ｒ１５・・　・
　（３） で示される。

よって、前記第２図に示すＶ−１グラフにおける外部か
らの電圧・電流の印加条件のラインは上式（３）にて示
される。即ち、傾きが１／Ｒ１５、切片が（Ｖ−Ｖｏ）
／Ｒ１２−Ｖｏ／Ｒ１５の一次直線となり、このとき、
Ｒ１５はブリッジ回路１１自身の抵抗値Ｒより小さく　
（Ｒ１５＜Ｒ）設定されており、ブリッジ回路１１の入
力端子１１ａ、１１ｂへの印加電圧・印加電流の特性線
の傾き１／Ｒ１５をブリッジ回路自身が持つ電圧・電流
の特性線の傾き１／Ｒより大きく　（１／Ｒ１５＞１／
Ｒ）することができる。

そして、ブリッジ抵抗の温度係数が負である多結晶シリ
コンに対してはブリッジ抵抗の温度変化に伴ってブリッ
ジ電圧ｖ８を増減さＶ、出力電圧Ｖ　ＯＵＴを安定化さ
せる。即ら、温度上昇に伴う歪感度の減少をブリッジ電
圧Ｖ、の増加によって、ゲージの感度とブリッジ電圧Ｖ
３に比例するブリッジ回路の出力電圧ｖ　ｏｕ丁を補償
するとともに（第２図中、Ｐ１→Ｐ２）、温度低下に伴
う歪感度の増加をブリッジ電圧ＶＢの減少によってブリ
ッジ回路の出力電圧Ｖ。、Ｔを補償することができる（
Ｐ２→Ｐｉ）。

尚、第４図には、従来から使用されている中結晶シリコ
ンよりなり感度温度係数と抵抗温度係数がともに正で必
る歪ゲージにてブリッジ回路を形成した半導体歪検出器
における定電流Ｉｏにて自己補供を行なう場合を示し、
この定電流自己補償による方法を多結晶シリコンよりな
り感度温度係数と抵抗温度係数がともに負である歪ゲー
ジに使用する場合は、例えば温度上昇の際にブリッジ電
圧ＶＢが減少してしまうのでこの定電流自己補償を採用
することができない。

第５図は本実施例での抵抗、感度の温度変化を直線とし
て計算した例を示す。同図に示すにうに、−３０℃〜１
２０℃の範囲内でも誤差は±０．３％以内とすることが
できる。尚、この計算は次の条件にて行なった。

ＶｏＵ、＝に−Ｐ−Ｔ−Ｒ ただし、Ｖ　　；出力電圧 ｕｒ Ｋ：圧力感度 Ｐ；印加圧ノｊ Ｒ：半導体歪ゲージの抵抗値 Ｒ＝Ｒ（１−５００Ｘ１０’（Ｔ−Ｔ　　＞）ただし、
Ｔ；温度（℃） 王ｏ；基準温度（＝　Ｏ’Ｃ） Ｒｏ；基準温度での抵抗値 に＝Ｋ　　（１−１５００ｘｌＯ−６（Ｔ−Ｔ　　））
ＯＯ ただし、Ｋｏ；基準温度での圧力感度 Ｒ１５／Ｒ８＝０．７４０３ このように本実施例においては、そのオペアンプＯＰ２
とトランジスタＴｒと抵抗１５にてブリッジ回路１１の
一方の入力端子１１ｂの電位Ｖ１１ｂを検出するととも
に接続点ｄにおいてブリッジ回路１１に印加される電流
ＩＢを上式（１）に示すように補償に必要な電流に変換
して当該ブリッジ回路１１の入力端子１１ａ、１１ｂへ
の印加電圧・印加電流の特性線をブリッジ回路の電圧・
電流の特性線よりその傾きを大きく（１／Ｒ１５〉１／
Ｒ）することができる。即ち、検出されたブリッジ回路
１１の印加電圧に基づいて、ブリッジ回路１１の電圧・
電流の特性関係に対しその傾きが大ぎな特性関係により
ブリッジ回路１１への印加電圧と印加電流を関係づける
ようにしたので、温度が変るとブリッジ電圧ＶＢの増減
にてゲージの感度とブリッジ電圧ＶＢに比例するブリッ
ジ回路の出力電圧Ｖ。ＩＴが安定する方向に補正される
。

又、従来の特開昭６３−２３３７’ｌ公報にて示された
ブリッジ回路の出力用増幅回路に対し利得決定抵抗を所
定に設定することにより補償するのとは異なり、印加側
の電流・電圧条件を所望のものにする本実施例では、歪
ゲージ抵抗値が大ぎい場合にもＳＮ比を悪化させること
を防止することができる。

尚、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、
例えば、第６図に示すように実施してもよい。

即ち、ブリッジ回路１１に定電流■。を流す定電流回路
２１を接続するとと：ｂに、定電流回路２１とブリッジ
回路１１の入力端子１１ａとの間の接続点ずにボルテー
ジフォロワーとしてのオペ□アンプＯＰ３とゲインがＮ
Ｊの反転アンプＯＰ／４とからなるブリッジ印加状態検
出手段手段としてのブリッジ電圧検出回路２２を接続す
る。尚、２３は出力電圧が負にならないように持上げる
ための電源（その電圧値ＶＲ）であり、２４．２５はそ
の抵抗値が等しい抵抗である。ざらに、反転アンプＯＰ
４にオペアンプＯＰ５とトランジスタＴｒと抵抗２６（
抵抗値Ｒ２６）とからなる補償手段としての電圧電流変
換回路２７に接続される。

この回路構成においては、抵抗２６に流れる電流１２６
は １２６＝（ＶＨＶＢ＞／Ｒ２６ となり、トランジスタＴｒのコレクタ端子と、前記定電
流回路２１と接続点ｆとの間の接続点ｑにおいては、 ＩＢ＝Ｉｏ＝（ＶＲ−Ｖ３　＞／Ｒ２６＝　（１／Ｒ２
６）ｖ８−ｖＲ／Ｒ２６＋Ｉ。

・・・（４） となる。

従って、この（４）式は前記（３）式に示したと同様に
ブリッジ回路１１の入力端子１１ａ、１１ｂへの印加電
圧・印加電流の特性線をブリッジ回路１１の電圧・電流
の特性線よりその傾きを大きくさせることができる。即
ち、Ｒ２Ｂはブリッジ回路１１自身の抵抗値Ｒより小さ
く設定され、ブリッジ回路１１の入力端子１１８．１１
ｂへの印加電圧・印加電流の特性線の傾き１／Ｒ２６を
ブリッジ回路自身が持つ電圧・電流の特性線の傾き］／
ＲＪＩり大きく　（１／Ｒ２６＞１／Ｒ）することがで
きる。

又、上記各実施例ではブリッジ回路１１の入力端子に印
加された電圧Ｖ８を検出し印加する電流Ｉ、を補償する
ようにしたが、電流Ｖ８を検出し電圧ＶＢを補償するこ
とにＪ：リブリッジ回路１１の電圧・電流の特性関係に
対しその傾きが大きな特性関係によりブリッジ回路１１
への印加電圧Ｖ、と印加電流１３を関係づけるようにし
てもよい。

Ｌ発明の効果］ 以上詳述したようにこの発明によれば、歪ゲージの抵抗
値が大きい場合にもＳＮ比を悪化させることなく、安定
した感度温度補償を行なうことができる優れた効果を発
揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成を示す図、第２図は電流と電圧
の関係を示す図、第３図は実施例の半導体歪検出器の感
度温度補償回路の回路図、第４図は実施例と比較するた
めの電流と電圧の関係を示す図、第５図は実施例を説明
するための温度に対する出力電圧誤差を示す図、第６図
は削剥の回路図である。 １は歪ゲージ、２はブリッジ回路、３はブリッジ印加状
態検出手段、４は補償手段。 特許出願人　　　　　日本電装　　株式会社代　理　人
　　　　　弁理士　　恩１）博宣第１図 玉Ｒ冒出鴇棚Ｓ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、感度温度係数と抵抗温度係数がともに負である歪ゲ
   ージにてブリッジ回路を形成した半導体歪検出器におい
   て、 前記ブリッジ回路の入力端子に印加される電圧若しくは
   電流を検出するブリッジ印加状態検出手段と、 前記ブリッジ印加状態検出手段により検出された前記ブ
   リッジ回路の印加電圧若しくは印加電流に基づいて、前
   記ブリッジ回路の電圧・電流の特性関係に対しその傾き
   が大きな特性関係によりブリッジ回路への印加電圧と印
   加電流を関係づけ当該ブリッジ回路に電流・電圧を印加
   する補償手段と を設けたことを特徴とする半導体歪検出器の感度温度補
   償回路。