JPH04213020A - センサアセンブリおよびその製造方法 - Google Patents

センサアセンブリおよびその製造方法

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JPH04213020A
JPH04213020A JP3028115A JP2811591A JPH04213020A JP H04213020 A JPH04213020 A JP H04213020A JP 3028115 A JP3028115 A JP 3028115A JP 2811591 A JP2811591 A JP 2811591A JP H04213020 A JPH04213020 A JP H04213020A
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sensor
output
circuit
amplifier
inverting input
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Ira E Baskett
イラ・イー・バスケット
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    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
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    • G01L1/2281—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects for temperature variations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
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  • Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、一般的には電子的セ
ンサ回路に関し、かつ、より特定的には、センサ集積回
路および該センサ集積回路から区別された増幅器回路を
具備し、すべてのシステムトリム抵抗が該センサ集積回
路上に配置されているセンサ回路アセンブリに関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明は、電子的センサ回路、特に半導
体圧力センサ回路において有用性がある。圧力応答トラ
ンスデューサ回路は自動車用エンジン制御システムにお
いて広く利用されている。例えば、マニフォルド圧力セ
ンサおよび増幅器回路はエンジンのマニフォルド圧力と
ともに変化するアナログ信号を提供することができる。 アナログ−デジタルコンバータは該アナログ制御信号を
マイクロプロセッサで制御される燃料注入システムによ
り利用されるデジタル制御信号に変換する。
【０００３】大部分の半導体圧力変換器（トランスデュ
ーサ）および演算増幅器（ｏｐアンプ）の動作は温度と
ともに変化し、温度補償技術および回路を必要とする。 米国特許第４，３２６，１７１号および第４，４６３，
２７４号は圧力トランスデューサのための温度補償回路
を開示する。
【０００４】半導体トランスデューサ／増幅器回路はい
くつかの方法で実装される。例えば、それらはプリント
回路板上に実装することができる。しかしながら、顧客
が次に温度補償およびｏｐアンプのゲインを調整するた
めに必要なトリミング動作を行なう必要がある。顧客は
典型的にはそのような仕事を行なうのに熟練しておらず
あるいは動機づけられていないかもしれない。さらに、
基板レベルにおける抵抗の温度係数は十分に整合してお
らず、従ってシステムの精度を低下させる。
【０００５】他の知られた実装方法はセンサチップおよ
び温度補償のためおよび出力の較正および増幅のための
薄膜抵抗を含む第２のカスタムチップを具備する２チッ
プシステムである。しかしながら、２チップシステムの
不都合はカスタム集積回路が回路またはプロセス技術の
進歩または変更ごとに再設計されなければならないこと
である。また、２チップシステムは回路構成において必
要な柔軟性を提供することもできない。
【０００６】知られたさらに他のパッケージはハイブリ
ットモジュールであり、該ハイブリットモジュールはセ
ンサチップ、１つ以上の増幅器チップ、および金属パッ
ドに半田付けされかつ相互接続金属トレースにワイヤボ
ンドされる適切な抵抗および容量がマウントされる基板
を具備する。このようにして得られるパッケージはリー
ドを備えた封入アセンブリの形をとる。
【０００７】ハイブリットモジュールの１つの不都合は
それらが非常に労働集約的であることであるが、これは
各較正要素が個々に配置され、接続され、較正されかつ
温度補償されなければならないからである。
【０００８】また、センサ回路を単一の集積回路装置に
導入することが知られている。しかしながら、完全に集
積回路化された装置であっても、トランスデューサのオ
フセット電圧、ｏｐアンプの入力電圧オフセット、およ
び抵抗値の設定のような、種々の目的のためにチップ上
の受動素子の調整または「トリム」を行なうことが必要
である。
【０００９】完全に集積された装置の利点はすべてのト
リムがシステムワイドなベースで行なわれることである
。すなわち、ｏｐアンプの利得はセンサ素子の温度較正
ステップが行なわれるのと同時に設定される。センサお
よびｏｐアンプを含む、チップ上のすべての構成要素が
値および温度係数に関し整合されている。トリムを行な
う場合には、すべての値および温度係数が設定される。
【００１０】しかしながら、そのような集積回路装置の
不都合はそれらが比較的長い開発サイクルを有しかつ、
特に低容積の用途においては、比較的高価であることで
ある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従って、顧客に対し、
顧客またはユーザにより何らのトリミングまたは調整を
も必要としない、完全にシステムとして準備された製品
を提供する必要性が半導体トランスデューサの分野でお
おいに存在する。また、顧客により比較的低コストのセ
ンサ回路に対する強い需要がある。さらに、顧客はプロ
トタイプのセンサシステムに対し短い開発サイクルを希
望しており、従って種々の顧客の用途の必要に対処する
よう容易に変更できるセンサアセンブリを提供すること
が望ましい。
【００１２】従って、低価格であり、品質が高く、かつ
短いプロトタイプ製作サイクルおよび短い製造サイクル
に供することができる小型のセンサアセンブリを提供す
る実質的な必要性が存在する。
【００１３】
【課題を解決するための手段および作用】本発明は上述
した要求を所望のトリム抵抗を含むセンサチップおよび
増幅器（単数または複数）のみを含む別個のモジュール
を提供することにより満たす。該増幅器モジュールは基
板またはチップの形とすることができる。すべてのトリ
ム動作は集積回路／増幅器モジュールの組合せにおいて
工場で行なわれる。
【００１４】従って、本発明の目的は高い信頼性を有し
しかもなお顧客によるトリミング操作を何ら必要としな
い整合されたセンサおよび増幅器回路を提供することに
ある。
【００１５】本発明の他の目的は、比較的低価格であり
かつ比較的迅速に変更できる整合されたセンサおよび増
幅器回路を提供することにある。
【００１６】これらおよび他の目的は本発明の好ましい
実施例に従い、少なくとも１つの出力端子および温度補
償またはゲイン較正のための少なくとも１つの調整可能
なエレメントを有するセンサを具備する集積回路、前記
集積回路から区別されかつ少なくとも１つの入力および
出力を具備する増幅器回路、そして前記センサ出力端子
を前記増幅器回路の入力に結合するための手段、を具備
するセンサアセンブリを提供することにより達成される
。
【００１７】
【実施例】本発明は特に添付の請求の範囲に指摘されて
いる。しかしながら、本発明の他の特徴は図面とともに
以下の詳細な説明を参照することによりより明らかとな
りかつ本発明が最もよく理解されるであろう。
【００１８】図１は、従来技術の回路基板センサアセン
ブリを示し、該回路基板センサアセンブリはトランスデ
ューサ５０を含むセンサ集積回路４０、およびｏｐアン
プ１５およびトリム抵抗１２および１４を含む他の電気
的構成要素を具備する。抵抗１４はｏｐアンプ１５の利
得を調整するために使用され、一方抵抗１２はｏｐアン
プ１５のオフセットを調整するために使用される。さき
に述べたように、図１に示されるセンサアセンブリは顧
客またはユーザが抵抗１２および１４をトリムする必要
があるという不都合を有している。これはかなり複雑な
手順となるが、それはアセンブリを少なくとも２つの異
なる温度の各々における少なくとも２つの異なる圧力に
さらさなければならないからである。
【００１９】多くのユーザは熟練した回路設計者でない
から、彼等は困難に遭遇するかもしれず、それは従来技
術の回路基板センサアセンブリがユーザに特定の回路を
設計しかつ特性づけることを要求するからである。さら
に、ユーザは回路基板アセンブリの種々の構成要素を入
手しかつ組立なければならない。
【００２０】図２は、本発明の好ましい実施例に係わる
整合された対（ペア）のセンサおよび増幅器回路を示し
、該整合されたペアはセンサ回路１４０および増幅器回
路１６０を含む。センサ回路１４０は外部端子２０１〜
２０８を有する集積回路として実施されている。
【００２１】センサ回路１４０は正の出力１３４、負の
出力１３３、および励起端子１３２および１３５を有す
るセンサ変換器１５０を具備する。よく知られているよ
うに、変換器１５０に対する圧力の増大は出力端子１３
３および１３４の間に差分的な電圧を生成し、該差分的
な電圧は印加された圧力に比例して増大する。
【００２２】センサ回路１４０はまた抵抗１５２および
１５４のような、温度補償抵抗を具備する。抵抗１５２
および１５４はそうでなければならないものではないが
、薄膜抵抗として提供されると好都合である。任意のト
リム可能なモノリシック形式の抵抗が使用できる。
【００２３】抵抗１４１〜１４９、１５１、１５３、お
よび１５５〜１５８を含む、センサアセンブリの受動素
子はＩＣ１４０上に与えられる。抵抗１４１〜１４９、
１５１、１５３、および１５５〜１５８もまた薄膜抵抗
でよい。
【００２４】増幅器回路１６０は一対のｏｐアンプ１８
０および１９０を具備し、各々のｏｐアンプは反転入力
（１８１、１９１）、非反転入力（１８２、１９２）、
および出力（１８５、１９５）を具備する。
【００２５】センサ１５０の負の出力１３３は端子２０
６を介してｏｐアンプ１８０の非反転入力１８２に結合
されている。
【００２６】センサ１５０の正の出力１３４は端子２０
７を介してｏｐアンプ１９０の非反転入力１９２に結合
されている。
【００２７】抵抗ネットワークは抵抗１４９、１５１、
１５３、１５５、および１５６を具備する。抵抗１４９
、１５１、および１５６は抵抗分割回路網を形成し、こ
れはｏｐアンプ１８０のオフセットの温度係数を設定す
るために使用される。
【００２８】抵抗１４９は正の電源端子１３０′および
接続点１７２の間に結合されており、かつ抵抗１５１は
接続点１７２およびグランドの間に結合されている。抵
抗１５３の一方の側は出力端子２０２を介してｏｐアン
プ１９０の出力１９５に結合されており、かつ抵抗１５
３の他の側は接続点１７４に結合されている。抵抗１５
５の一方の側は接続点１７４に結合され、かつ抵抗１５
５の他方の側は接続点１７５に結合されている。
【００２９】接続点１７４は出力端子２０３を介してｏ
ｐアンプ１９０の反転入力１９１に結合されている。
【００３０】抵抗１５６の一方の側は接続点１７３に結
合されており該接続点１７３はまた接続点１７２に結合
されており、そして抵抗１５６の他の側は接続点１７５
に結合されており、該接続点１７５は出力端子２０４を
介してｏｐアンプ１８０の出力に結合されている。
【００３１】接続点１７３は出力端子２０５を介してｏ
ｐアンプ１８０の反転入力１８１に結合されている。
【００３２】正の電源が端子２０１においてＩＣ１４０
に印加される。端子２０８はグランドに結合されている
。また、回路の出力電圧は出力端子２２０に生成される
。
【００３３】増幅器回路１６０は回路基板または集積回
路のいずれによって実施してもよいことが理解されるで
あろう。
【００３４】図２の整合されたセンサ−増幅器構成は、
単一パッケージの２個のダイ（ｄｉｅ）として、２チッ
プアセンブリとして、あるいは単一エンベロープによっ
て一緒に販売される２個のパッケージとして提供するこ
とができる。
【００３５】トリム可能な受動構成要素はセンサＩＣ１
４０に配置されることも理解されるべきである。
【００３６】図２に示される回路の動作を、圧力がセン
サ１５０に印加される場合につき説明する。
【００３７】回路のトリミング動作が完了した後（後の
説明を参照）、何らの圧力も加えられない場合は端子２
０６および２０７における出力は公称上等しくかつ温度
範囲にわたりそのままである。温度が上昇すると、抵抗
１５２および１５４を具備する回路網がより多くまたは
より少なく電流を流し、正のセンサ出力１３４を負のセ
ンサ出力１３３に追跡させる。
【００３８】再び常温（室温）において、圧力が印加さ
れると、負のセンサ出力１３４が電圧において増大しｏ
ｐアンプ１９０の出力を増大させる。温度が上昇すると
、センサ１５０の入力抵抗が増大し、薄膜抵抗１４１お
よび１４６の抵抗が公称上変わらないままとなり、かつ
その結果１３２および１３５における励起電圧が増大し
、センサ１５０の電圧に対する出力の低減を補償する。
【００３９】組立後かつそれが顧客に出荷される前にセ
ンサＩＣ１４０をトリミングする場合に行なわれる種々
のステップにつき説明する。
【００４０】最初に、薄膜抵抗１４１および１４６が温
度に対するセンサの範囲（ｓｐａｎ）を補償するために
トリムされる。このスパンは、例えば、その範囲の外で
はやや精度が低下するが、摂氏−４０度から摂氏１２５
度の間の範囲にわたり、温度に対して補償できる。
【００４１】次に抵抗１４３または抵抗１４５が室温に
おいてセンサ１５０の絶対オフセットを提供するために
トリムされる。
【００４２】次に、抵抗１４９または１５１が室温にお
いて接続点１７２の電圧を接続点１７５に整合するため
にトリムされる。
【００４３】次に、温度がより高い温度に上昇される。 抵抗１５６が次に、出力２２０が室温の絶対オフセット
に戻るまでトリムされる。
【００４４】最後に、圧力がより高い圧力に増大される
。次に、抵抗１５３が２２０において正しい出力が生成
されるまでトリムされる。
【００４５】図３は、センサ回路２４０および増幅器回
路２６０を含む、本発明の別の実施例に係わるセンサお
よび増幅器回路の整合されたペアを示す。
【００４６】図２にみられる基本的な概念は図３の回路
にも適用され、図３の回路においてはトリム素子がセン
サＩＣ２４０上に配置されている。しかしながら、セン
サＩＣ２４０は前記センサＩＣ１４０とはやや異なって
おり、かつ増幅器回路２６０はこの実施例では１個のｏ
ｐアンプ２９０のみを具備する。
【００４７】センサＩＣ回路２４０は正の出力２３４、
負の出力２３３、および励起端子２３２および２３５を
有するセンサ変換器２５０を具備する。回路２４０もま
た、例えば、薄膜抵抗材料のモノリシック温度補償抵抗
２５２および２５４を具備する。
【００４８】センサ回路２４０もまたトリム可能な抵抗
２４１〜２４９、２５１、および２５３を具備する。さ
らに、温度補償抵抗２５２および２５４および調整可能
な抵抗素子２５５および２５７が含まれている。レーザ
トリム可能な薄膜抵抗が好ましいが、技術上よく知られ
た他のトリム可能な抵抗材料および他のトリミング技術
もまた使用できる。
【００４９】調整可能な抵抗素子２５５がｏｐアンプ２
９０のゲインを設定するために使用されており、かつ抵
抗素子２５７がｏｐアンプ２９０のオフセットを調整す
るために使用されている。
【００５０】ｏｐアンプ２９０の出力２７５は端子３０
２、抵抗素子２５５、接続点２７２および端子３０３を
介して反転入力２９１にフィードバックされている。ｏ
ｐアンプ２９０の非反転入力２９２は端子３０４を介し
て抵抗素子２５７の１つの接続点２７３に結合されてい
る。接続点２７３はまた接続点２６８および抵抗２４７
を通ってセンサ２５０の正の出力２３４に結合されてい
る。
【００５１】センサＩＣ２４０は外部端子３０１〜３０
５を有する。正の電源が端子３０１においてＩＣ２４０
に印加される。端子３０５はグランドに結合されている
。回路の出力電圧は増幅器回路２６０の出力端子３２０
に生成される。
【００５２】組立の後かつそれが顧客に出荷される前の
センサＩＣ２４０のトリミングにおいて行なわれるステ
ップを説明する。
【００５３】最初に、薄膜抵抗２４１および２４９が温
度に対するセンサの範囲（ｓｐａｎ）を補償するために
トリムされる。
【００５４】次に、抵抗２４４または抵抗２４８が室温
においてセンサ２５０の絶対オフセットを提供するため
にトリムされる。
【００５５】次に、温度がより高い温度に上昇され、か
つ抵抗２４５および２５１が出力３２０が室温の絶対オ
フセットに戻るまでトリムされる。最後に圧力がより高
い圧力に増大される。次に、抵抗２５５が３２０におい
て正しい出力が生成されるまでトリムされる。任意選択
的に、抵抗２５７は抵抗２４４および２４８をトリミン
グする代わりに絶対オフセットを提供するために調整で
きる。
【００５６】当業者にはまた、開示された発明は種々の
方法で変更できかつ上に特定的に述べられた好ましい形
態以外の多くの実施例を取り得ることが明らかであろう
。
【００５７】例えば、本発明は、加速度計、流量計、力
センサ、負荷セル、化学センサ、湿度センサ、ホール効
果センサ、工業用マイクロホン、その他のような、任意
の形式のトランスデューサに拡張できる。
【００５８】増幅器回路（すなわち、回路１６０または
２６０）を補足するためあるいは増幅器回路に代えて他
の信号条件づけ回路も使用できることは明らかであろう
。
【００５９】また、ダイオード、アクティブ回路、また
は他の温度補償技術のような他の温度補償手段を温度補
償抵抗に代えてセンサＩＣ上に用いることもできる。
【００６０】さらに、パルストリミングのような、他の
抵抗トリミング方法も使用できることが明らかであろう
。
【００６１】さらに、本発明は、センサＩＣ上の抵抗を
トリミングすることを含めて、センサＩＣを製造し、か
つ該センサＩＣを在庫に入れることによって実施するこ
とができる。そして、後に、１つのセンサＩＣが取出さ
れかつある増幅器回路と整合することができる。
【００６３】さらに、該整合は例えば、ｏｐアンプをパ
ルストリミングすることにより増幅器回路上のｏｐアン
プ（単数または複数）をトリミングして実施することが
できる。
【００６４】センサＩＣ上の薄膜抵抗に加えあるいは薄
膜抵抗に代えて注入（ｉｍｐｌａｎｔ）抵抗を使用でき
、かつそのような抵抗は金属マイグレーション技術を用
いてトリミングできることも明らかであろう。
【００６５】従って、添付の請求の範囲は本発明の真の
精神および範囲内にある本発明のすべての変更を含むこ
とを意図している。
【００６６】
【発明の効果】本発明は短い開発サイクル、比較的容易
な変更、短い製造サイクルに対する要求への直線的な、
低価格の解決方法を提供することが明らかであろう。７
つのマスク層のみが必要とされ、かつ何らのエピタキシ
ャルまたはアイソレーション拡散が必要とされないが、
それはセンサＩＣ上にトランジスタがないからである。
【００６７】本発明の他の利点は、増幅器回路をセンサ
チップから離すことにより、増幅器回路をセンサＩＣが
それにさらされる厳しい環境から適切な距離をおいて実
装できるが、これは例えばセンサは自動車のエンジンマ
ニフォルド上に装着されかつ増幅器は防火壁（ｆｉｒｅ
　　ｗａｌｌ）上に装着できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】センサ集積回路４０およびｏｐアンプ１５を含
む他の電気的構成要素を具備する従来技術の回路基板セ
ンサアセンブリを示す電気回路図である。
【図２】センサ回路１４０および増幅器回路１６０を含
む、本発明の好ましい実施例に係わるセンサおよび増幅
器回路の整合されたペアを示す電気回路図である。
【図３】センサ回路２４０および増幅器回路２６０を含
む、本発明の別の実施例に係わるセンサおよび増幅器回
路の整合されたペアを示す電気回路図である。
【符号の説明】
１４０，２４０　　センサ回路 １５０，２５０　　センサ変換器

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　センサアセンブリであって、（ａ）第
    １および第２の出力および第１の調整可能な抵抗手段を
    有するセンサを備えた集積回路、（ｂ）反転入力、非反
    転入力、および出力を有する第１の演算増幅器を備えた
    増幅器回路、 （ｃ）前記第１の演算増幅器の前記非反転入力に前記セ
    ンサの第１の出力を結合するための第１の手段、そして
    （ｄ）前記第１の演算増幅器の出力を前記集積回路の前
    記第１の抵抗手段を介して前記第１の演算増幅器の前記
    反転入力に結合するための第２の手段であって、前記第
    １の抵抗手段は前記センサアセンブリを所定の温度にさ
    らしながら調整されるもの、 を具備することを特徴とするセンサアセンブリ。
  2. 【請求項２】　　センサアセンブリであって、（ａ）第
    １および第２の出力、第１および第２の励起端子、およ
    び前記第１および第２の出力の間に結合された第１の調
    整可能な抵抗手段を有するセンサを備えた集積回路、 （ｂ）反転入力、非反転入力、および出力を有する演算
    増幅器を備えた増幅器回路、 （ｃ）前記センサの第１の出力を前記演算増幅器の前記
    非反転入力に結合するための第１の手段、（ｄ）前記セ
    ンサの第２の出力を前記演算増幅器の前記反転入力に結
    合するための第２の手段、そして（ｅ）前記演算増幅器
    の出力を前記演算増幅器の前記反転入力に結合するため
    の第３の手段、 を具備することを特徴とするセンサアセンブリ。
  3. 【請求項３】　　センサアセンブリを製造する方法であ
    って、該方法は、 （ａ）少なくとも１つの入力端子および温度補償または
    ゲイン較正のために少なくとも１つの調整可能な素子を
    有するセンサを備えた集積回路を提供する段階、（ｂ）
    前記集積回路から区別されかつ少なくとも１つの入力お
    よび出力を備えた増幅器回路を提供する段階、（ｃ）前
    記センサ出力端子を前記増幅器の入力端子に結合するた
    めの手段を提供する段階、そして（ｄ）前記センサアセ
    ンブリを所定の温度にさらしながら前記調整可能な素子
    を調整する段階、を具備することを特徴とするセンサア
    センブリの製造方法。
JP3028115A 1990-02-05 1991-01-29 センサアセンブリおよびその製造方法 Pending JPH04213020A (ja)

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