JPH0542608B2 - - Google Patents
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- JPH0542608B2 JPH0542608B2 JP59058769A JP5876984A JPH0542608B2 JP H0542608 B2 JPH0542608 B2 JP H0542608B2 JP 59058769 A JP59058769 A JP 59058769A JP 5876984 A JP5876984 A JP 5876984A JP H0542608 B2 JPH0542608 B2 JP H0542608B2
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- Japan
- Prior art keywords
- gauge
- cantilever
- pressure
- resistance
- temperature
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- 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
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
- G01L9/0054—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
＜発明の属する技術分野＞
本発明は、半導体のピエゾ抵抗効果を利用した
圧力センサに関するものである。
圧力センサに関するものである。
＜従来技術＞
一般に半導体のピエゾ抵抗効果を利用した圧力
センサは、例えばシリコンからなる単結晶半導体
基板にエツチングで受圧ダイヤフラムを形成し、
かつ受圧ダイヤフラム上に拡散技術等によりゲー
ジ抵抗を設け、受圧ダイヤフラムの両面にかかる
圧力差に基づく応力をゲージ抵抗に作用させ、ゲ
ージ抵抗の抵抗値の変化から圧力差を検出するも
のである。通常は、受圧ダイヤフラム上に２個も
しくは４個のゲージ抵抗を設け、ハーフブリツジ
あるいはフルブリツジを構成し、ダイヤフラムに
かかる圧力差を表わす信号を得ている。ところ
で、この種の圧力センサにおいては、ゲージ抵抗
の温度依存性が大きいため、周囲温度の変化によ
る影響を受け、出力が変動する欠点がある。
センサは、例えばシリコンからなる単結晶半導体
基板にエツチングで受圧ダイヤフラムを形成し、
かつ受圧ダイヤフラム上に拡散技術等によりゲー
ジ抵抗を設け、受圧ダイヤフラムの両面にかかる
圧力差に基づく応力をゲージ抵抗に作用させ、ゲ
ージ抵抗の抵抗値の変化から圧力差を検出するも
のである。通常は、受圧ダイヤフラム上に２個も
しくは４個のゲージ抵抗を設け、ハーフブリツジ
あるいはフルブリツジを構成し、ダイヤフラムに
かかる圧力差を表わす信号を得ている。ところ
で、この種の圧力センサにおいては、ゲージ抵抗
の温度依存性が大きいため、周囲温度の変化によ
る影響を受け、出力が変動する欠点がある。
よつて一般には、サーミスタ，ポジスタ，トラ
ンジスタ等の感温素子を用い、温度変化に応じて
ブリツジの電源電圧を制御することによつて、出
力変動の補償を行つている。この方法で精度よく
補償を行うには、ゲージ抵抗の温度特性と補償用
感温素子の温度特性を一致させる必要があるが、
しかしながらこれらを一致させることは容易でな
く、高精度な補償は困難であつた。しかもこのよ
うな補償のための調整工数は、恒温槽を使用し、
ゲージ抵抗の温度特性および補償用感温素子の温
度特性をいちいち測定して行わなければならない
等、圧力センサの全組立工数の半分近くを占めて
いる。
ンジスタ等の感温素子を用い、温度変化に応じて
ブリツジの電源電圧を制御することによつて、出
力変動の補償を行つている。この方法で精度よく
補償を行うには、ゲージ抵抗の温度特性と補償用
感温素子の温度特性を一致させる必要があるが、
しかしながらこれらを一致させることは容易でな
く、高精度な補償は困難であつた。しかもこのよ
うな補償のための調整工数は、恒温槽を使用し、
ゲージ抵抗の温度特性および補償用感温素子の温
度特性をいちいち測定して行わなければならない
等、圧力センサの全組立工数の半分近くを占めて
いる。
また、基板の固定部に温度補償用ゲージ抵抗を
設けて、測定値の温度補償を行う事が行われてい
るが、ゲージ抵抗のピエゾ抵抗係数の温度係数β
まではキヤンセルできない。
設けて、測定値の温度補償を行う事が行われてい
るが、ゲージ抵抗のピエゾ抵抗係数の温度係数β
まではキヤンセルできない。
此のため、供給電源電圧に−βの温度係数を持
たせる等の工夫が必要となる。
たせる等の工夫が必要となる。
＜発明の目的＞
本発明は、周囲温度の変化による影響を有効に
補償できる構造の圧力センサを実現するにある。
補償できる構造の圧力センサを実現するにある。
＜問題を解決するための手段＞
この目的を達成するために、本発明は、単結晶
半導体基板に設けられた受圧ダイアフラムとカン
チレバーと、該受圧ダイアフラムとカンチレバー
とにそれぞれ設けられ該受圧ダイアフラムとカン
チレバーのいずれか一方には少なくとも２個設け
られたゲージ抵抗と、前記カンチレバーに所定応
力を生ずるように該カンチレバーにあらかじめ所
定変位が与えられて前記単結晶半導体基板が固定
される基台と、前記これらの３個のゲージ抵抗の
抵抗値から得られる測定圧とゲージ抵抗の温度係
数とピエゾ抵抗係数の温度係数に関係する３個の
関係式からゲージ抵抗の温度係数とピエゾ抵抗係
数の温度係数が演算消去され測定圧を演算する演
算部とを具備する圧力センサを構成したものであ
る。
半導体基板に設けられた受圧ダイアフラムとカン
チレバーと、該受圧ダイアフラムとカンチレバー
とにそれぞれ設けられ該受圧ダイアフラムとカン
チレバーのいずれか一方には少なくとも２個設け
られたゲージ抵抗と、前記カンチレバーに所定応
力を生ずるように該カンチレバーにあらかじめ所
定変位が与えられて前記単結晶半導体基板が固定
される基台と、前記これらの３個のゲージ抵抗の
抵抗値から得られる測定圧とゲージ抵抗の温度係
数とピエゾ抵抗係数の温度係数に関係する３個の
関係式からゲージ抵抗の温度係数とピエゾ抵抗係
数の温度係数が演算消去され測定圧を演算する演
算部とを具備する圧力センサを構成したものであ
る。
＜実施例＞
第１図は本発明圧力センサの一実施例を示す斜
視図、第２図は第１図の断面図である。両図にお
いて、１０は面方位が（100）のシリコン等の単
結晶半導体基板、１１は基板１０に異方性エツチ
ングで形成された矩形の受圧ダイヤフラム、１２
は基板１０に異方性エツチングで形成されたカン
チレバー、１３は基板１０の固定部である。そし
て第３図に示すようにカンチレバー１２の先端部
１２aと固定部１３との間にはわずかな初期段差
δ（例えば4000Å）が設けられている。２１，２
２，２３，２４は各々拡散抵抗等のゲージ抵抗
で、２１，２２は受圧ダイヤフラム１１の表面に
その長手方向（電流方向）が直交し、かつ近接し
て形成されており、２３，２４はカンチレバー１
２の表面にその長手方向が直交し、かつ近接して
形成されている。３０はシリコンあるいはガラス
等の基台で、単結晶半導体基板１０の固定部１３
の裏面が陽極接合あるいは低融点ガラス接合など
により固定されている。この基板１０と基台３０
の接合により、カンチレバー１２には初期段差に
基づく一定変位δがあらかじめ与えられる。また
基台３０には受圧ダイヤフラム１１の裏面に基準
圧P0（例えば大気圧）を与えるための開口３１が
設けられている。これにより受圧ダイヤフラム１
１は、その表面に加わる被測定圧PM（基準圧P0か
らの差）に感応する。なおカンチレバー１２は被
測定圧PMに対して釣り合つており、またその先
端部１２aは基台３０とは接合されていない。
視図、第２図は第１図の断面図である。両図にお
いて、１０は面方位が（100）のシリコン等の単
結晶半導体基板、１１は基板１０に異方性エツチ
ングで形成された矩形の受圧ダイヤフラム、１２
は基板１０に異方性エツチングで形成されたカン
チレバー、１３は基板１０の固定部である。そし
て第３図に示すようにカンチレバー１２の先端部
１２aと固定部１３との間にはわずかな初期段差
δ（例えば4000Å）が設けられている。２１，２
２，２３，２４は各々拡散抵抗等のゲージ抵抗
で、２１，２２は受圧ダイヤフラム１１の表面に
その長手方向（電流方向）が直交し、かつ近接し
て形成されており、２３，２４はカンチレバー１
２の表面にその長手方向が直交し、かつ近接して
形成されている。３０はシリコンあるいはガラス
等の基台で、単結晶半導体基板１０の固定部１３
の裏面が陽極接合あるいは低融点ガラス接合など
により固定されている。この基板１０と基台３０
の接合により、カンチレバー１２には初期段差に
基づく一定変位δがあらかじめ与えられる。また
基台３０には受圧ダイヤフラム１１の裏面に基準
圧P0（例えば大気圧）を与えるための開口３１が
設けられている。これにより受圧ダイヤフラム１
１は、その表面に加わる被測定圧PM（基準圧P0か
らの差）に感応する。なおカンチレバー１２は被
測定圧PMに対して釣り合つており、またその先
端部１２aは基台３０とは接合されていない。
このように構成した本発明圧力センサにおい
て、まず受圧ダイヤフラム１１に設けたゲージ抵
抗２１，２２には、被測定圧PMに応じてゲージ
抵抗２１の長手方向に応力σMXが作用し、直角方
向に応力σMYが作用する。ゲージ抵抗２１，２２
の抵抗値RM1，RM2は、基準温度t0のときの初期
抵抗をR0，R0の抵抗温度係数をα、基準温度t0
のときの長手方向および直角方向のピエゾ抵抗係
数をπl0，πt0、ピエゾ抵抗係数の温度係数数をβ、
基準温度t0からの温度変化をｔとするとそれぞれ
次式で与えられる。
て、まず受圧ダイヤフラム１１に設けたゲージ抵
抗２１，２２には、被測定圧PMに応じてゲージ
抵抗２１の長手方向に応力σMXが作用し、直角方
向に応力σMYが作用する。ゲージ抵抗２１，２２
の抵抗値RM1，RM2は、基準温度t0のときの初期
抵抗をR0，R0の抵抗温度係数をα、基準温度t0
のときの長手方向および直角方向のピエゾ抵抗係
数をπl0，πt0、ピエゾ抵抗係数の温度係数数をβ、
基準温度t0からの温度変化をｔとするとそれぞれ
次式で与えられる。
RM1＝R0（１＋αt）
｛１＋（πl0σMX＋πt0σMY）（１＋βt）｝(1)
RM2＝R0（１＋αt）
｛１＋（πl0σMY＋πt0σMX）（１＋βt）｝(2)
そして、受圧ダイヤフラム１１の構造やゲージ抵
抗２１，２２の配置位置で決まる定数をk1，k2と
すると、次式の関係が成立する。
抗２１，２２の配置位置で決まる定数をk1，k2と
すると、次式の関係が成立する。
πl0σMX＋πt0σMY＝k1PM (3)
πl0σMY＋πt0σMX＝k2PM (4)
次にカンチレバー１２の表面に先端からの距離
l1に設けたゲージ抵抗２３，２４には、初期段差
に基づく一定変位δによつて次式に示す如き応力
σSが作用する。
l1に設けたゲージ抵抗２３，２４には、初期段差
に基づく一定変位δによつて次式に示す如き応力
σSが作用する。
σS＝３／２・dE／l3・δ・l1 (4)
ここで、ｄ：カンチレバーの厚さ
ｌ：カンチレバーの有効長
Ｅ：ヤング率
この応σSの温度係数は、単結晶半導体基板１０
のヤング率の温度係数でほぼ決まり、基板１０が
シリコンの場合約43×10-6／℃と充分に小さく、
σSは周囲温度の変化の影響をほとんど受けない。
またカンチレバー１２は被測定圧PMに対して釣
り合つており、σSはPMによつても変化しない。
すなわち、σSは周囲温度の変化や被測定圧の変化
による影響を受けない基準応力となる。したがつ
てゲージ抵抗２３，２４の抵抗値RS1，RS2は基準
応力σSに基づいた値となり、次式で与えられる。
のヤング率の温度係数でほぼ決まり、基板１０が
シリコンの場合約43×10-6／℃と充分に小さく、
σSは周囲温度の変化の影響をほとんど受けない。
またカンチレバー１２は被測定圧PMに対して釣
り合つており、σSはPMによつても変化しない。
すなわち、σSは周囲温度の変化や被測定圧の変化
による影響を受けない基準応力となる。したがつ
てゲージ抵抗２３，２４の抵抗値RS1，RS2は基準
応力σSに基づいた値となり、次式で与えられる。
RS1＝R0（１＋αt）｛１＋πl0σS（１＋βt）｝ (6)
RS2＝R0（１＋αt）｛１＋πt0σS（１＋βt）｝ (7)
よつて、ゲージ抵抗２１，２２，２３，２４の
抵抗値RM1，RM2，RS1，RS2に基づいて次式の演
算を行えば、 RM1−RM2／RS1−RS2＝kPM (8) ここで、ｋ＝k1−k2／（πl0−πt0）σS となり、温度係数αとβの項を除去できる。すな
わち、周囲温度の変化による影響を受けることな
く、高精度に被測定圧PMを表わす信号を得るこ
とができる。しかも恒温槽の使用によるゲージ抵
抗の温度特性の測定も不要となり、単に基準応力
σSのチエツクだけでよいため圧力センサの組立工
数の削減もできる。
抵抗値RM1，RM2，RS1，RS2に基づいて次式の演
算を行えば、 RM1−RM2／RS1−RS2＝kPM (8) ここで、ｋ＝k1−k2／（πl0−πt0）σS となり、温度係数αとβの項を除去できる。すな
わち、周囲温度の変化による影響を受けることな
く、高精度に被測定圧PMを表わす信号を得るこ
とができる。しかも恒温槽の使用によるゲージ抵
抗の温度特性の測定も不要となり、単に基準応力
σSのチエツクだけでよいため圧力センサの組立工
数の削減もできる。
また、単結晶半導体基板１０と基台３０との接
合で生ずる残留応力などの外乱力については、通
常基板１０の厚さや接合幅を大きくしてその影響
を小さくしている。しかも外乱力による応力はゲ
ージ抵抗２１と２２および２３と２４にはそれぞ
れ同じように作用するため、これによるゲージ抵
抗２１と２２および２３と２４の抵抗値変化はそ
れぞれ等しく、(8)式の演算を行うことによつて外
乱力による影響も打ち消すことができる。
合で生ずる残留応力などの外乱力については、通
常基板１０の厚さや接合幅を大きくしてその影響
を小さくしている。しかも外乱力による応力はゲ
ージ抵抗２１と２２および２３と２４にはそれぞ
れ同じように作用するため、これによるゲージ抵
抗２１と２２および２３と２４の抵抗値変化はそ
れぞれ等しく、(8)式の演算を行うことによつて外
乱力による影響も打ち消すことができる。
第４図は第１図および第２図の圧力センサとと
もに用いる信号処理回路の一例を示す接続図であ
る。第４図の信号処理回路４０において、４１a，
４１b，４１c，４１dは各々センサアンプで、セ
ンサアンプ４１aの帰還回路にゲージ抵抗２１が、
センサアンプ４１bの帰還回路にゲージ抵抗２２
が、センサアンプ４１cの帰還回路にゲージ抵抗
２３が、センサアンプ４１dの帰還回路にゲージ
抵抗２４がそれぞれ接続されている。４２は誤差
増幅器で、その出力ECが抵抗値の等しい抵抗４
３a，４３b，４３c，４３dをそれぞれ介してセン
サアンプ４１a，４１b，４１c，４１dの入力に加
えられている。４４，４５は各々減算回路であ
る。減算回路４４は演算増幅器４４aと抵抗値の
等しい４個の演算抵抗４４b，４４c，４４d，４
４eからなり、センサアンプ４１cの出力ES1とセ
ンサアンプ４１dの出力ES2との差ES1−ES2）を演
算して、誤差増幅器４２の入力端子（−）に抵抗
４２aを介して加える。減算回路４５は演算増幅
器４５aと抵抗値の等しい４個の演算抵抗４５b，
４５c，４５d，４５eからなり、センサアンプ４
１aの出力EM1とセンサアンプ４１bの出力EM2との
差（EM1−EM2）を演算して、出力端子OUTに出
力電圧EOとして与える。４６は基準電圧源で、
一定電圧ERを誤差増幅器４２の入力端子（＋）
に与える。このような構成の信号処理回路におい
ては、抵抗４３a，４３b，４３c，４３dの抵抗値
を等しく選び、その値をRCとすると各センサア
ンプ４１a，４１b，４１c，４１dの出力EM1，
EM2，ES1，ES2はそれぞれ次式で与えられる。
もに用いる信号処理回路の一例を示す接続図であ
る。第４図の信号処理回路４０において、４１a，
４１b，４１c，４１dは各々センサアンプで、セ
ンサアンプ４１aの帰還回路にゲージ抵抗２１が、
センサアンプ４１bの帰還回路にゲージ抵抗２２
が、センサアンプ４１cの帰還回路にゲージ抵抗
２３が、センサアンプ４１dの帰還回路にゲージ
抵抗２４がそれぞれ接続されている。４２は誤差
増幅器で、その出力ECが抵抗値の等しい抵抗４
３a，４３b，４３c，４３dをそれぞれ介してセン
サアンプ４１a，４１b，４１c，４１dの入力に加
えられている。４４，４５は各々減算回路であ
る。減算回路４４は演算増幅器４４aと抵抗値の
等しい４個の演算抵抗４４b，４４c，４４d，４
４eからなり、センサアンプ４１cの出力ES1とセ
ンサアンプ４１dの出力ES2との差ES1−ES2）を演
算して、誤差増幅器４２の入力端子（−）に抵抗
４２aを介して加える。減算回路４５は演算増幅
器４５aと抵抗値の等しい４個の演算抵抗４５b，
４５c，４５d，４５eからなり、センサアンプ４
１aの出力EM1とセンサアンプ４１bの出力EM2との
差（EM1−EM2）を演算して、出力端子OUTに出
力電圧EOとして与える。４６は基準電圧源で、
一定電圧ERを誤差増幅器４２の入力端子（＋）
に与える。このような構成の信号処理回路におい
ては、抵抗４３a，４３b，４３c，４３dの抵抗値
を等しく選び、その値をRCとすると各センサア
ンプ４１a，４１b，４１c，４１dの出力EM1，
EM2，ES1，ES2はそれぞれ次式で与えられる。
EM1＝−RM1／RCEC
EM2＝−RM2／RCEC
ES1＝−RS1／RCEC
ES2＝−RS2／RCEC (9)
そして、誤差増幅器４２により減算回路４４の
出力（ES1−ES2）が基準電圧ERと等しくなるよう
に、センサアンプ４１a，４１b，４１c，４１dの
入力電圧ECが制御されるので、次式の関係が成
立する。
出力（ES1−ES2）が基準電圧ERと等しくなるよう
に、センサアンプ４１a，４１b，４１c，４１dの
入力電圧ECが制御されるので、次式の関係が成
立する。
１／RC（RS1−RS2）EC＝ER (10)
よつて、減算回路４５の出力端に得られる出力電
圧EO（＝EM1−EM2）は、 EO＝RM1−RM2／RS1−RS2ER (11) となり、(8)式の演算を実行でき、周囲温度の変化
の影響を受けることなく、被測定圧PMを表わす
信号電圧EOを得ることができる。なお信号処理
回路としては、各ゲージ抵抗２１，２２，２３，
２４に一定電流を流し、各ゲージ抵抗の電圧降下
をそれぞれＡ／Ｄ変換器でデイジタル量に変換後
マイクロコンピユータで、(8)式に相当するデイジ
タル演算を行う等種々の構成のものを用いること
ができる。さらに信号処理回路４０を単結晶半導
体基板１０上に形成すれば、Ｓ／Ｎ向上、小形化
を図ることができる。
圧EO（＝EM1−EM2）は、 EO＝RM1−RM2／RS1−RS2ER (11) となり、(8)式の演算を実行でき、周囲温度の変化
の影響を受けることなく、被測定圧PMを表わす
信号電圧EOを得ることができる。なお信号処理
回路としては、各ゲージ抵抗２１，２２，２３，
２４に一定電流を流し、各ゲージ抵抗の電圧降下
をそれぞれＡ／Ｄ変換器でデイジタル量に変換後
マイクロコンピユータで、(8)式に相当するデイジ
タル演算を行う等種々の構成のものを用いること
ができる。さらに信号処理回路４０を単結晶半導
体基板１０上に形成すれば、Ｓ／Ｎ向上、小形化
を図ることができる。
なお、外乱力による各ゲージ抵抗２１〜２４の
抵抗値変化が等しい場合には、ゲージ抵抗２２お
よびゲージ抵抗２４のいずれか一方を省略して次
式により被測定圧PMを算出するようにしてもよ
い。
抵抗値変化が等しい場合には、ゲージ抵抗２２お
よびゲージ抵抗２４のいずれか一方を省略して次
式により被測定圧PMを算出するようにしてもよ
い。
（RM1−RS2）＋k3（RS1−RS2）／k1／k1−k2（RS1−R
S2）＝kPM(12) （RM1−RM2）（１＋k3）／（RS1−RM2）＋k2／k1−k2
（RM1−RM2）＝kPM(13) ここで、k3＝πt0／πl0−πt0 第５図および第６図は本発明圧力センサの他の
実施例の断面図である。第５図および第６図にお
いて第２図の実施例と異るところは、カンチレバ
ー１２の先端部１２aの長さｈを短かくした点で
ある。これはカンチレバー１２の先端部１２aと
基台３０との接触部には、通常マサツが作用しな
いように両者の材料の選択、製作を行つている
が、しかしマサツが存在すると両者の熱膨脹係数
の差により温度に基づくマサツ力Ｆが発生し、カ
ンチレバー１２の先端に一定モーメントＭ（＝
Fh）が生ずる。その結果この一定モーメントＭ
による応力がゲージ抵抗２３，２４に作用し、ゲ
ージ抵抗２３，２４の抵抗値RS1，RS2を変動させ
る。そこで、カンチレバー１２の先端部１２aの
長さｈを短かくして、接触部にマサツが存在して
も一定モーメントＭを小さくおさえ、RS1，RS2の
変動を充分に小さくしたものである。なおカンチ
レバー１２の先端部１２aと基台３０とを接合し
て、マサツ力による影響を受けないようにしても
よい。
S2）＝kPM(12) （RM1−RM2）（１＋k3）／（RS1−RM2）＋k2／k1−k2
（RM1−RM2）＝kPM(13) ここで、k3＝πt0／πl0−πt0 第５図および第６図は本発明圧力センサの他の
実施例の断面図である。第５図および第６図にお
いて第２図の実施例と異るところは、カンチレバ
ー１２の先端部１２aの長さｈを短かくした点で
ある。これはカンチレバー１２の先端部１２aと
基台３０との接触部には、通常マサツが作用しな
いように両者の材料の選択、製作を行つている
が、しかしマサツが存在すると両者の熱膨脹係数
の差により温度に基づくマサツ力Ｆが発生し、カ
ンチレバー１２の先端に一定モーメントＭ（＝
Fh）が生ずる。その結果この一定モーメントＭ
による応力がゲージ抵抗２３，２４に作用し、ゲ
ージ抵抗２３，２４の抵抗値RS1，RS2を変動させ
る。そこで、カンチレバー１２の先端部１２aの
長さｈを短かくして、接触部にマサツが存在して
も一定モーメントＭを小さくおさえ、RS1，RS2の
変動を充分に小さくしたものである。なおカンチ
レバー１２の先端部１２aと基台３０とを接合し
て、マサツ力による影響を受けないようにしても
よい。
第７図は本発明圧力センサの他の実施例の斜視
図である。第７図において、第１図の実施例と異
るところは、カンチレバー１２の先端から距離l2
の位置（先端部１２a附近）に長手方向が直交し、
かつ近接して形成されたゲージ抵抗２５，２６を
設けて、演算により、カンチレバー１２の先端部
１２aと基台３０との接触部のマサツによる一定
モーメントＭの影響を除去できるようにした点で
ある。すなわちゲージ抵抗２３，２４，２５，２
６の抵抗値RS1，RS2，RS3，RS4は、カンチレバー
１２の先端に作用する一定モーメントＭによる応
力をσN（＝6M／bd2）とすると、それぞれ次式で
与えられる。
図である。第７図において、第１図の実施例と異
るところは、カンチレバー１２の先端から距離l2
の位置（先端部１２a附近）に長手方向が直交し、
かつ近接して形成されたゲージ抵抗２５，２６を
設けて、演算により、カンチレバー１２の先端部
１２aと基台３０との接触部のマサツによる一定
モーメントＭの影響を除去できるようにした点で
ある。すなわちゲージ抵抗２３，２４，２５，２
６の抵抗値RS1，RS2，RS3，RS4は、カンチレバー
１２の先端に作用する一定モーメントＭによる応
力をσN（＝6M／bd2）とすると、それぞれ次式で
与えられる。
RS1＝R0（１＋αt）
｛１＋πl0（σS1＋σN）（１＋βt）｝(14)
RS2＝R0（１＋αt）
｛１＋πt0（σS1＋σN）（１＋βt）｝(15)
RS3＝R0（１＋αt）
｛１＋πl0（σS2＋σN）（１＋βt）｝(16)
RS4＝R0（１＋αt）
｛１＋πt0（σS2＋σN）（１＋βt）｝(17)
ここで、σS1＝３／２・dE／l3・δ・l1
σS2＝３／２・dE／l3・δ・l2
よつて、ゲージ抵抗２１，２２，２３，２４，２
５，２６の抵抗値RM1，RM2，RS1，RS2，RS3，
RS4に基づいて次式の演算を行えば、 RM1−RM2／（RS1−RS2）−（RS3−RS4）＝kPM (18) ここで、ｋ＝k1−k2／（πl0−πt0）σS，σS＝σS1
−σS2 となり、一定モーメントＭによる影響を除去でき
る。なお、外乱力によるゲージ抵抗２３，２４，
２５，２６の抵抗値変化が等しい場合には、ゲー
ジ抵抗２４と２６を省略することもできる。また
カンチレバー１２の先端部１２aと基台３０とを
接合してもよい。
５，２６の抵抗値RM1，RM2，RS1，RS2，RS3，
RS4に基づいて次式の演算を行えば、 RM1−RM2／（RS1−RS2）−（RS3−RS4）＝kPM (18) ここで、ｋ＝k1−k2／（πl0−πt0）σS，σS＝σS1
−σS2 となり、一定モーメントＭによる影響を除去でき
る。なお、外乱力によるゲージ抵抗２３，２４，
２５，２６の抵抗値変化が等しい場合には、ゲー
ジ抵抗２４と２６を省略することもできる。また
カンチレバー１２の先端部１２aと基台３０とを
接合してもよい。
なお上述では、単結晶半導体基板１０として面
方位が（100）のものを用いる場合を例示したが、
面方位（110）のものでも、（111）のものでもよ
い。また受圧ダイヤフラム１１の形状として矩形
のものを例示したが、円形のものであつてもよい
ことは言うまでもない。また、カンチレバー１２
の形状としては、第８図の斜視図に示すように、
その幅ｂが小さいものであつてもよい。さらにゲ
ージ抵抗２１，２２（および２３，２４）とし
て、第９図に示すように一体的に形成したものを
用いれば、より特性を揃えることができ、補償精
度を上げ得る。さらにゲージ抵抗２１と２２を被
測定圧PMに基づく応力が差動的に変化する受圧
ダイヤフラムの２点に別々に設ける場合には、必
らずしも直交させる必要はない。
方位が（100）のものを用いる場合を例示したが、
面方位（110）のものでも、（111）のものでもよ
い。また受圧ダイヤフラム１１の形状として矩形
のものを例示したが、円形のものであつてもよい
ことは言うまでもない。また、カンチレバー１２
の形状としては、第８図の斜視図に示すように、
その幅ｂが小さいものであつてもよい。さらにゲ
ージ抵抗２１，２２（および２３，２４）とし
て、第９図に示すように一体的に形成したものを
用いれば、より特性を揃えることができ、補償精
度を上げ得る。さらにゲージ抵抗２１と２２を被
測定圧PMに基づく応力が差動的に変化する受圧
ダイヤフラムの２点に別々に設ける場合には、必
らずしも直交させる必要はない。
＜発明の効果＞
本発明においては、
(1) 受圧ダイアフラムとカンチレバーのいずれか
一方には少なくとも２個のゲージ抵抗が設けら
れたので、これら少なくとも３個のゲージ抵抗
値から、測定圧PMと、ゲージ抵抗の温度係数
αと、ピエゾ抵抗係数の温度係数βに関係する
３個の関係式が得られるので、ゲージ抵抗の温
度係数αと、ピエゾ抵抗係数の温度係数βが、
演算部により演算消去でき、周囲温度の変化に
よる影響を受けることなく、高精度に測定圧を
測定することができる。
一方には少なくとも２個のゲージ抵抗が設けら
れたので、これら少なくとも３個のゲージ抵抗
値から、測定圧PMと、ゲージ抵抗の温度係数
αと、ピエゾ抵抗係数の温度係数βに関係する
３個の関係式が得られるので、ゲージ抵抗の温
度係数αと、ピエゾ抵抗係数の温度係数βが、
演算部により演算消去でき、周囲温度の変化に
よる影響を受けることなく、高精度に測定圧を
測定することができる。
(2) 周囲温度の変化による影響を受けることがな
いため、ゲージ抵抗の温度特性を、恒温槽を使
用していちいち測定する必要もなく、組み立て
工数の大幅な削減ができる。
いため、ゲージ抵抗の温度特性を、恒温槽を使
用していちいち測定する必要もなく、組み立て
工数の大幅な削減ができる。
(3) 受圧ダイアフラムの変位の影響をどうしても
受けやすい単結晶半導体基板の固定部に、補償
用感温度素子のゲージ抵抗を配置しないように
したので、より高精度に測定圧を測定すること
ができる。
受けやすい単結晶半導体基板の固定部に、補償
用感温度素子のゲージ抵抗を配置しないように
したので、より高精度に測定圧を測定すること
ができる。
第１図は本発明圧力センサの一実施例を示す斜
視図、第２図はその断面図、第３図は本発明圧力
センサの要部の断面図、第４図は本発明圧力セン
サの信号処理部の一実施例を示す接続図、第５図
および第６図は本発明圧力センサの他の実施例を
示す断面図、第７図および第８図は本発明圧力セ
ンサの他の実施例を示す斜視図、第９図は本発明
圧力センサに用いるゲージ抵抗の一例を示す平面
図である。 １０……単結晶半導体基板、１１……受圧ダイ
ヤフラム、１２……カンチレバー、１３……固定
部、２１，２２，２３，２４，２５，２６……ゲ
ージ抵抗、３０……基台、４０……信号処理回
路。
視図、第２図はその断面図、第３図は本発明圧力
センサの要部の断面図、第４図は本発明圧力セン
サの信号処理部の一実施例を示す接続図、第５図
および第６図は本発明圧力センサの他の実施例を
示す断面図、第７図および第８図は本発明圧力セ
ンサの他の実施例を示す斜視図、第９図は本発明
圧力センサに用いるゲージ抵抗の一例を示す平面
図である。 １０……単結晶半導体基板、１１……受圧ダイ
ヤフラム、１２……カンチレバー、１３……固定
部、２１，２２，２３，２４，２５，２６……ゲ
ージ抵抗、３０……基台、４０……信号処理回
路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 単結晶半導体基板に設けられた受圧ダイアフ
ラムとカンチレバーと、 該受圧ダイアフラムとカンチレバーとにそれぞ
れ設けられ該受圧ダイアフラムとカンチレバーの
いずれか一方には少なくとも２個設けられたゲー
ジ抵抗と、 前記カンチレバーに所定応力を生ずるように該
カンチレバーにあらかじめ所定変位が与えられて
前記単結晶半導体基板が固定される基台と、 前記これらの３個のゲージ抵抗の抵抗値から得
られる測定圧とゲージ抵抗の温度係数とピエゾ抵
抗係数の温度係数に関係する３個の関係式からゲ
ージ抵抗の温度係数とピエゾ抵抗係数の温度係数
が演算消去され測定圧を演算する演算部と を具備する圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5876984A JPS60201226A (ja) | 1984-03-27 | 1984-03-27 | 圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5876984A JPS60201226A (ja) | 1984-03-27 | 1984-03-27 | 圧力センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60201226A JPS60201226A (ja) | 1985-10-11 |
| JPH0542608B2 true JPH0542608B2 (ja) | 1993-06-29 |
Family
ID=13093751
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5876984A Granted JPS60201226A (ja) | 1984-03-27 | 1984-03-27 | 圧力センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60201226A (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55106331A (en) * | 1979-02-09 | 1980-08-15 | Hitachi Ltd | Pressure sensor of semiconductor strain gauge |
| JPS5782730A (en) * | 1980-11-10 | 1982-05-24 | Mitsubishi Electric Corp | Pressure sensor |
| JPS5826237A (ja) * | 1981-08-07 | 1983-02-16 | Mitsubishi Electric Corp | 圧力センサ |
-
1984
- 1984-03-27 JP JP5876984A patent/JPS60201226A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60201226A (ja) | 1985-10-11 |
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