JPH061227B2 - 半導体圧力センサの回路構成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】

本発明は圧力検出用の半導体ダイヤフラム上に形成され
た歪ゲージ抵抗を含むブリッジ回路の出力電圧を差動増
幅してセンサ出力電圧とする半導体圧力センサの回路構
成方法に関するもので、 特に前記センサ出力電圧内における圧力検出成分を除く
バイアス電圧成分を負とし、前記ダイヤフラムに加わる
圧力が所定値に増加するまでは前記センサ検出電圧がほ
ぼ０となるようにすることができるような半導体圧力セ
ンサの回路構成方法に関する。 なお以下各図において同一の符号は同一もしくは相当部
分を示す。

【従来の技術】

第２図はこの種の半導体圧力センサにおける、１個の演
算増幅器ＯＰ１を用いたごく一般的な差動増幅回路の例
である。同図においてＶccは直流電源、ＳＧ１〜ＳＧ４
はそれぞれシリコンダイヤフラム上に形成された半導体
歪ゲージで、この各歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ４は順次環状
に接続されてブリッジ回路を構成している。ここでダイ
ヤフラムに圧力を加えたときの歪ゲージの抵抗変化量は
例えばＳＧ１とＳＧ３が等しく、またＳＧ２とＳＧ４が
等しくなるように、ダイヤフラム上の歪ゲージＳＧ１〜
ＳＧ４の位置が決められている。 このブロック回路の対向する２つの各接続端子Ｔ５，Ｔ
６はそれぞれ前記直流電源Ｖcc間に接続され、前記ブロ
ック回路の対向する他の２つの接続端子Ｔ２，Ｔ１から
ブリッジ出力電圧Ｖｉが出力されている。 演算増幅器ＯＰ１と２つの抵抗Ｒ１および２つの抵抗Ｒ
２とは周知の差動増幅回路を構成しており、前記ブリッ
ジ出力電圧Ｖｉは前記の各抵抗Ｒ２を介して演算増幅器
ＯＰ１の反転入力端子Ｔ−と非反転入力端子Ｔ＋との間
に入力されている。また演算増幅器ＯＰ１の非反転入力
端子Ｔ＋には前記抵抗Ｒ１を介し、直流電源Ｖccを抵抗
Ｒ５およびＲ６によって分圧してなる基準電圧Ｖｄが入
力されている。なおここで抵抗Ｒ５，Ｒ６は抵抗Ｒ１よ
りも充分小さにものとする。 通常ブリッジ出力電圧Ｖｉはシリコンダイヤフラムに圧
力を加えない状態ではほぼ零に等しく、この例では簡単
のためこれを零とする。この差動増幅器ＯＰ１の出力端
子Ｔ４の電圧（センサ出力電圧）Ｖｏは近似的に次式
(1)で表される。 即ちセンサ出力電圧Ｖｏはブリッジ出力電圧ＶｉをＲ１
／Ｒ２倍に増幅した圧力検出成分と、バイアス電圧成分
としての前記基準電圧Ｖｄとの和になる。 但し前記基準電圧Ｖｄは直流電源Ｖccの分割電圧であ
り、下記式(2)で表される。 またダイヤフラムに加わる圧力をｐとするとブリッジ出
力電圧Ｖｉは Ｖｉ＝ａ・ｐ …………………………………………(3) で表される。ただしａはダイヤフラムの形状等によって
定まる比例定数である。従って式(1)を式(2)，(3)で書
換えると、次式(4)のようになる。 このセンサ出力電圧Ｖｏと圧力ｐとの関係をグラフで表
すと第４図のようになる。 第３図は従来の半導体圧力センサの他の回路例である。
この例では式(1)のセンサ出力電位Ｖｏ中の基準電圧Ｖ
ｄを、演算増幅器ＯＰ２と抵抗Ｒ７〜Ｒ12を用いて発生
したものであり、この場合のセンサ出力電圧Ｖｏも第４
図の特性と同様な傾向を示す。

【発明が解決しようとする問題点】

前記第２図の圧力センサ回路は簡単に構成できるが、圧
力ｐが零のときのセンサ出力電圧Ｖｏは基準電圧（バイ
アス電圧）Ｖｄ＝（Ｒ６／（Ｒ５＋Ｒ６））Ｖccであ
り、第４図のようにセンサ出力電圧Ｖｏの動作電圧範
囲が基準電圧Ｖｄ以上，かつ直流電源電圧Ｖcc以下の範
囲に限られる。従って第４図の特性のように圧力ｐの
変化レンジが零よりも高いところにあり、の特性の延
長線が圧力ｐ＝０の軸（Ｙ軸）と交わる点ＡのＶｏ値が
負になるような特性、換言すれば圧力ｐが所定の圧力ｐ
ｏに増加するまではセンサ出力電圧Ｖｏがほぼ０であ
り、圧力がｐｏ以上に増加するとセンサ出力電圧Ｖｏが
直線的に増大するような特性の圧力センサ、例えば大気
圧付近をフルレンジとした大気圧センサを従来と同一の
回路パターンで（つまり抵抗Ｒ１〜Ｒ６の総数を変える
ことなく）実現することは不可能であった。また第３図
の回路においても、基準電圧Ｖｄは演算増幅器ＯＰ２の
出力であるため正の電圧に限られ、第２図と同様、第４
図のような特性を実現することは不可能であった。 本発明の目的は半導体圧力センサ内の圧力検出電圧を出
力する演算増幅器ＯＰ１と組合されて差動増幅回路を構
成する抵抗の値が新たな所定の条件を満たすような回路
構成方法を提供することにより、従来回路のパターンを
変えることなく、第４図ののような特性を得るように
する点にある。

【問題点を解決するための手段】

前記の目的を達成するために本発明の方法は、『半導体
のダイヤフラム上に形成された歪ゲージとしての抵抗
（ＳＧ１〜ＳＧ４など）が少なくとも１つの抵抗辺に含
まれ、かつ順次環状に接続された４つの抵抗辺からなる
ブリッジ回路を備え、 前記の４つの抵抗辺の接続点のうち、対向する２つの接
続点（端子Ｔ５，Ｔ６など）をそれぞれ直流電源（Ｖcc
などの）間に接続し、同じく対向する他の２つの接続点
（端子Ｔ１，Ｔ２など）を、または該接続点間の電圧を
増幅する差動入力・差動出力方式の増幅器（図外）の２
つの出力端子をそれぞれ第１および第２のブリッジ出力
端子とすると共に、さらに 演算増幅器（ＯＰ１など）と、 この演算増幅器の反転入力端子（Ｔ−など）と該演算増
幅器の出力端子（Ｔ４など）との間に設けられた第１の
抵抗（Ｒ１など）と、 前記第１のブリッジ出力端子（Ｔ２など）と前記反転入
力端子との間に設けられた第２の抵抗（Ｒ２など）と、 前記第２のブリッジ出力端子（Ｔ１など）と前記演算増
幅器の非反転入力端子との間に設けられた第３の抵抗
（Ｒ３など）と、 前記直流電源を所定の分圧比で分圧してなる基準電圧
（Ｖｄなど）の出力端子（Ｔ３など）と前記非反転入力
端子との間に設けられた第４の抵抗（Ｒ４など）と、を
備え、 前記ダイヤフラムに加わる圧力の前記演算増幅器の前記
出力端子に発生する電圧（Ｖｏなど、以下センサ出力電
圧という）によって検出する半導体圧力センサにおい
て、 前記第１および第３の抵抗の抵抗値の積（Ｒ１・Ｒ３な
ど）と、前記第２および第４の抵抗の抵抗値の積（Ｒ２
・Ｒ４など）とを（例えばＲ１・Ｒ３＞Ｒ２・Ｒ４とい
うように）異ならせ、前記ダイヤフラムに加わる圧力が
所定値（ｐｏなど）に増加するまでは前記センサ出力電
圧がほぼ零となるように』するものとする。

【作 用】

本発明では半導体圧力センサの回路のパターンを従来と
変えることなく、前記抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値につい
て、Ｒ１・Ｒ３＞Ｒ２・Ｒ４の関係となるようにし、演
算増幅器ＯＰ１の出力電圧（センサ出力電圧）Ｖｏ中の
圧力検出成分を除く成分、即ち直流電源電圧Ｖccに比例
した固定のバイアス電圧成分を小に、さらには負の値と
するものである。

【実施例】

第１図は本発明を適用した半導体圧力センサ回路の一実
施例で、第２図に対応するものである。第１図が第２図
と異なるところは、演算増幅器ＯＰ１と組合され差動増
幅回路を構成する抵抗、即ちブリッジ出力端子Ｔ１と増
幅器ＯＰ１の非反転入力端子Ｔ＋間の抵抗がＲ２からＲ
３に変わり、また直流電源電圧Ｖccの分割電圧（従来の
基準電圧）Ｖｄを得る端子Ｔ３と前記非反転入力端子Ｔ
＋間の抵抗がＲ１からＲ４に変わった点である。 なおここでは簡単のためＲ５，Ｒ６《Ｒ４、Ｒ２，Ｒ３
《Ｒ１，Ｒ４とする。また歪ゲージブリッジの出力抵抗
はＲ２，Ｒ３よりも十分小さいとする。更に第２図と同
様、ブリッジ出力電圧Ｖｉはシリコンダイヤフラムに圧
力を加えない状態では零になるものとする。そして本発
明では後述のように前記抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は Ｒ１・Ｒ３＞Ｒ２・Ｒ４ の関係となるように選択されるものである。 即ち第１図においては演算増幅器ＯＰ１の出力電圧（セ
ンサ出力電圧）Ｖｏは次式(5)で表される。 ここでＶｄは基準電圧、即ち抵抗Ｒ５とＲ６の接続点Ｔ
３の電圧である。またＶｓはブリッジ出力電圧Ｖｉの対
アース同相電圧である。通常Ｖｄ＜ＶｓになるようにＶ
ｄが決められ本例もこれに従うものとする。 式(5)において、Ｒ１・Ｒ３＝Ｒ２・Ｒ４の場合、式(5)
の右辺第３項は零となり、式(5)は式(1)と等しくなる。 さらにＲ１・Ｒ３＞Ｒ２・Ｒ４の場合、式(5)の右辺第
３項は負になり、式(1)で表される従来方式の差動増幅
器出力電圧に負の電圧を加え合わせることが可能であ
る。式(5)を書き換えると次式(6)のようになる。ここで
ａｐ＝Ｖｉ（ｐは圧力）である。 ここでさらに (R2・R4-R1・R3)Vs+R3(R1+R2)Vd＜０…………(7) すなわち になるようにＲ１〜Ｒ４，Ｖｄの値を選ぶことにより、
式(6)の右辺第２項は負の値になり、第４図のような
圧力検出電圧成分に負のバイアス電圧成分を加え合わせ
た特性を得ることができる。 ただし演算増幅器ＯＰ１の駆動用電源は直流電源Ｖccで
あるため、この増幅器ＯＰ１の出力電圧Ｖｏが現実に負
になることはなく、第４図の特性はセンサ出力電圧Ｖ
ｏの正の領域、つまり同特性の実線部分が有効である。 次に第１図において、ブリッジ出力電圧Ｖｉを一旦図外
の差動入力・差動出力の増幅器で増幅したうえ、この出
力電圧を第１図の電圧Ｖｉと同様に抵抗Ｒ２，Ｒ３を介
して演算増幅器ＯＰ１に与えるようにしても本発明の適
用が可能である。また直流電源Ｖccの電圧に比例する基
準電圧Ｖｄを第３図のように演算増幅器ＯＰ２を含んだ
回路で発生させた場合にも同様に本発明が適用できる。

【発明の効果】

本発明によれば、半導体のダイヤフラム上に形成された
歪ゲージとしての抵抗ＳＧ１〜ＳＧ４からなるブリッジ
回路を備え、 前記ブリッジ回路の４つの抵抗辺の接続点のうち、対向
する２つの接続点（端子）Ｔ５，Ｔ６をそれぞれ直流電
源Ｖcc間に接続し、同じく対向する他の２つの接続点
（端子）Ｔ１，Ｔ２を、または該接続点間の電圧を増幅
する差動入力・差動出力方式の増幅器（図外）の２つの
出力端子をそれぞれ第１および第２のブリッジ出力端子
とすると共に、さらに 演算増幅器ＯＰ１と、 この演算増幅器の反転入力端子Ｔ−と該演算増幅器の出
力端子Ｔ４との間に設けられた抵抗Ｒ１と、 前記第１のブリッジ出力端子Ｔ２と前記反転入力端子と
の間に設けられた抵抗Ｒ２と、 前記第２のブリッジ出力端子Ｔ１と前記演算増幅器の非
反転入力端子との間に設けられた抵抗Ｒ３と、 前記直流電源を所定の分圧比で分圧してなる基準電圧Ｖ
ｄの出力端子Ｔ３と前記比反転入力端子との間に設けら
れた抵抗Ｒ４と、を備え、 前記ダイヤフラムに加わる圧力を前記演算増幅器の前記
出力端子に発生する電圧（Ｖｏ、以下センサ出力電圧と
いう）によって検出する半導体圧力センサにおいて、 前記抵抗Ｒ１およびＲ３の抵抗値の積Ｒ１・Ｒ３と、前
記抵抗Ｒ２およびＲ４の抵抗値の積Ｒ２・Ｒ４とがＲ１
・Ｒ３＞Ｒ２・Ｒ４となるようにすることとしたので、
従来の半導体圧力センサの回路パターンを変えることな
く、演算増幅器ＯＰ１の出力電圧（センサ出力電圧）Ｖ
ｏ内における圧力検出成分を除く成分、即ち直流電源電
圧に比例した固定のバイアス電圧成分を小に、さらには
負の値とすることができるようになる。 従って従来における第４図の特性をセンサ出力電圧Ｖ
ｏのレベルが下がる方向に移動させ、センサ出力電圧Ｖ
ｏの動作電圧範囲を広くとることができる。さらに抵抗
Ｒ１〜Ｒ４と基準電圧Ｖｄを選び、式(8)の条件を満足
するようにすることにより、第４図のような特性にな
るまでセンサ出力電圧Ｖｏのレベルを下げることが可能
であり、例えば大気圧付近のみを検出するセンサのよう
に圧力のフルレンジが零よりも高い特性を、広い電圧レ
ンジで検出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての回路図、第２図，第
３図は第１図に対応する従来の回路図、第４図は第１図
ないう第３図の動作説明用の特性図である。 Ｖcc：直流電源（電圧）、ＳＧ１〜ＳＧ４：半導体歪ゲ
ージ、Ｒ１〜Ｒ６：抵抗、ＯＰ１：演算増幅器、Ｖｉ：
ブリッジ出力電圧、Ｖｄ：基準電圧、Ｖｏ：センサ出力
電圧、Ｔ１〜Ｔ６：端子、Ｔ−：反転入力端子、Ｔ＋：
非反転入力端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体のダイヤフラム上に形成された歪ゲ
   ージとしての抵抗が少なくとも１つの抵抗辺に含まれ、
   かつ順次環状に接続された４つの抵抗辺からなるブリッ
   ジ回路を備え、 前記の４つの抵抗辺の接続点のうち、対向する２つの接
   続点をそれぞれ直流電源間に接続し、同じく対向する他
   の２つの接続点を、または該接続点間の電圧を増幅する
   差動入力・差動出力方式の増幅器の２つの出力端子をそ
   れぞれ第１および第２のブリッジ出力端子とすると共
   に、さらに 演算増幅器と、 この演算増幅器の反転入力端子と該演算増幅器の出力端
   子との間に設けられた第１の抵抗と、 前記第１のブリッジ出力端子と前記反転入力端子との間
   に設けられた第２の抵抗と、 前記第２のブリッジ出力端子と前記演算増幅器の非反転
   入力端子との間に設けられた第３の抵抗と、 前記直流電源を所定の分圧比で分圧しななる基準電圧の
   出力端子と前記非反転入力端子との間に設けられた第４
   の抵抗と、を備え、 前記ダイヤフラムに加わる圧力を前記演算増幅器の前記
   出力端子に発生する電圧（以下センサ出力電圧という）
   によって検出する半導体圧力センサにおいて、 前記第１および第３の抵抗の抵抗値の積と、前記第２お
   よび第４の抵抗の抵抗値の積とを異ならせ、前記ダイヤ
   フラムに加わる圧力が所定値に増加するまでは前記セン
   サ出力電圧がほぼ零となるようにしたことを特徴とする
   半導体圧力センサの回路構成方法。