JPH0777266B2 - 半導体歪み検出装置 - Google Patents

半導体歪み検出装置

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JPH0777266B2 JP63333863A JP33386388A JPH0777266B2 JP H0777266 B2 JPH0777266 B2 JP H0777266B2 JP 63333863 A JP63333863 A JP 63333863A JP 33386388 A JP33386388 A JP 33386388A JP H0777266 B2 JPH0777266 B2 JP H0777266B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧力センサ等として用いる半導体歪み検出装
置、特にその零点または感度の温度補償に関するもので
ある。
［従来の技術］ 従来より機械的な変位量を電気的な信号に変換する装置
として、半導体歪みゲージを利用した半導体歪み検出装
置が用いられている。そして、このような半導体歪み検
出装置を用いたものとしては、例えば半導体圧力センサ
がある。そこで、半導体圧力センサを例として、半導体
歪み検出装置について説明する。
半導体圧力センサは、半導体歪みゲージを利用した圧力
検出器をシリコン単結晶上に形成し、圧力変化に応じて
生じる半導体歪みゲージの抵抗値の変化によって圧力を
測定する。
そして、このような半導体圧力センサにおいては、μｍ
オーダの微細加工技術を利用してセンサの小型化、高精
度化が実現でき、半導体製造装置によって量産が容易な
ため、大幅なコストダウンが期待できること等の理由に
より、自動車や家電分野において実用化が進んできてい
る。
ところが、半導体圧力センサにおいては、半導体が本質
的に温度依存性を有するため、温度補償を行うことが必
要である。そして、一般に半導体圧力センサの持つ温度
特性は、印加圧力に無関係な温度特性、すなわち零点の
温度特性と、圧力に関する温度特性、すなわち感度温度
特性に分けられる。
そこで、従来の半導体圧力センサにおける温度補償につ
いて零点の温度補償と感度の温度補償に分けて説明す
る。
零点温度補償 拡散歪みゲージによってブリッジ回路を構成した場合、
その零点の温度特性は、それぞれの拡散歪みゲージの温
度係数のばらつきや、シリコン単結晶基板と接合される
台座の温度係数の違いなどによって発生する。そして、
この零点の温度特性は、台座の温度係数をシリコン単結
晶基板の温度係数とほぼ等しくすれば、その変動が極め
て小さくなり、温度に対して直線的に変化するとみなす
ことができる。また、ブリッジ回路の４辺の拡散歪みゲ
ージが対称的に形成されている場合、それぞれの拡散歪
みゲージの温度係数の相違により、温度の上昇に対し零
点の変動は正になるときや負になるときがある。
このため、従来においては、第10図に示すように、拡散
歪みゲージG1,G2,G3,G4からなるブリッジ回路１の任意
の１辺に温度係数の小さい調整用の直列抵抗Rsあるいは
並列抵抗Rpを挿入し、この直列抵抗Rsあるいは並列抵抗
Rpの抵抗値を調整することによって、ブリッジ回路１全
体の温度特性を揃えることが行われていた。
感度の温度補償 拡散歪みゲージによって構成されたブリッジ回路の感度
温度特性については、シリコン単結晶に不純物を拡散し
て形成した拡散抵抗で形成された抵抗素子自身の持つ抵
抗温度特性を利用した定電流自己感度温度補償方法が用
いられている。この方法は、感度の温度特性が温度上昇
に対し低下するのを補償するために、拡散歪みゲージに
定電流を流し、その抵抗値が温度上昇に対し増加し、ブ
リッジ回路の印加電圧が上昇するのを利用している。す
なわち、感度及び抵抗の温度特性は、拡散抵抗の表面不
純物密度に依存しており、この表面不純物密度を適当に
選択することにより、出力信号における温度依存性をほ
とんど０とすることができる。
ここで、第11図に特開昭58-1443号公報に記載されてい
る感度温度補償の従来例を示す。
この例においては、ブリッジ回路１は抵抗値Rgの４つの
拡散歪みゲージＧから構成されており、このブリッジ回
路１の入力端子には、電源電圧VCCが印加されている。
そして、ブリッジ回路１の出力端子は増幅器２の一対の
入力端子に接続されるとともに、この増幅器２の出力端
子と反転入力端子の間には、抵抗値Rfの負帰還抵抗３が
配置されている。なお、増幅器２の非反転入力端子は、
抵抗値Rfの抵抗４を介しアースに接続されている。
このような回路において、ブリッジ回路１の出力は、増
幅器２によって所定の増幅を受け出力信号V0として出力
されるが、この出力信号V0は、近似的に次のように表せ
ることが知られている。
V0≒２（Rf/Rg）ｋ ｛１＋（αｆ−αｇ＋βｇ）Ｔ｝・Ｐ・VCC …（１） ここで、ｋはブリッジ回路１の感度、Ｐは印加圧力であ
り、圧力印加時におけるブリッジ回路１の対向する２辺
同士の抵抗値の変化量をΔＲとした場合、kP＝ΔR/Rgの
関係がある。また、βｇは拡散歪みゲージＧからなるブ
リッジ回路１の感度温度係数、αｇは拡散歪みゲージＧ
の抵抗の温度係数、αｆは演算増幅器２の負帰還抵抗３
の温度係数、Ｔは温度である。
そして、出力電圧V0にはこのような関係があるため、ブ
リッジ回路１の感度の温度係数βｇに対し、負帰還抵抗
３の温度係数αｆと拡散歪みゲージＧの抵抗温度係数α
ｇの差を等しくすることによって感度の温度補償を行っ
ていた。
［発明が解決しようとする課題］ 従来の半導体歪み検出装置利用した圧力センサにおける
零点温度補償、感度温度補償は上述のように行われてお
り、次のような問題点があった。
零点温度補償 第10図に示す拡散歪みゲージG1,G2,G3,G4からなるブリ
ッジ回路１において、拡散歪みゲージG1の辺に温度係数
の小さい直列抵抗Rs,並列抵抗Rpを配置し、この辺にお
ける温度係数を調整することによって、ブリッジ回路１
の出力端子（＋OUT,−OUT）における温度特性を調整し
ていた。
しかし、この温度補償のための抵抗Rs,Rpの抵抗値は、
実際にブリッジ回路１に温度変化を与え、その出力を見
ながらトライアンドエラーで決定しなければならなかっ
た。このため、調整が非常に複雑かつ困難であった。
更に、半導体圧力センサの感度は、数10mVのＶオーダで
あり、通常はオペアンプ等による増幅回路によって、ブ
リッジ回路１の出力をＶオーダに増幅して使用してい
る。このため、ブリッジ回路１の零点温度補償を行った
後、高価な温度特性のよいオペアンプで増幅回路を構成
するか、もう一度増幅回路も含めた全体の零点温度補償
をする必要があった。
なお、ブリッジ回路の温度特性を予め調べ、これをメモ
リに記憶しておき、圧力測定時においては、温度センサ
からの出力に応じブリッジ回路からの出力をマイコンに
よってデジタル的に変調することも提案されている。し
かし、このような温度補償を行うと、回路が大規模、か
つ複雑になり、他の回路とのインターフェースも問題と
なる。
感度温度補償 従来の定電流自己感度温度補償方法では、使用温度範囲
を拡げた場合に、十分な温度補償を行うことができなく
なるという問題点があった。これは、従来の方法におい
ては、温度係数の一次の項だけを補償しようとしている
ので、使用温度範囲を広くかつ高精度な温度補償を行う
場合、温度特性の曲がり（非直線性）は無視できなくな
ってくるからである。また、拡散歪みゲージＧの抵抗値
Rgが圧力によって変化するので、温度係数の二次の項ま
で考慮すると式が簡単な式で表わせなくなり、計算が複
雑で高精度の補償が困難となる。このため、従来の方法
においては、感度温度特性の一次と二次の項を同時に補
償することはできなかった。
発明の目的 本発明は上述のような問題点を解決することを課題とし
てなされたものであり、簡単な回路構成により広い温度
範囲において高精度の零点温度補償または感度温度補償
を行える半導体歪み検出装置を提供することを目的とす
る。
［解決原理］ 本発明は、次のような構成によって零点の温度補償また
は感度の温度補償を行う。
零点の温度補償においては、ブリッジ回路の出力に対
し、零点温度補償用出力を加算し、最終的な出力の零点
温度補償を行う。圧力センサの零点温度特性はほぼ直線
的であるので、直線的な変化をする零点温度補償回路が
必要となる。そこで、直線的な温度特性を有する感温素
子に定電流を流し、その電流の向き、大きさにより正負
両方向へ零点温度特性を補償する。
また、感度の温度補償については、抵抗の温度特性と感
度の温度特性に注目し、増幅回路に表面不純物密度の異
なる２種類の拡散抵抗を使用し、温度係数の二次の項ま
で考慮した感度温度補償を行う。
［課題を解決するための手段］ 請求項（１）記載の第１発明は、一部に起歪領域が形成
されたシリコン基板と、少なくともその一部が起歪領域
に位置し、起歪領域の歪みに応じて抵抗値が変化する歪
みゲージと、この歪みゲージを含むブリッジ回路と、所
定の温度特性を有する信号を出力する零点温度補償回路
と、前記ブリッジ回路と前記零点温度補償回路の出力を
加算する演算回路と、を含み、 前記零点温度補償回路は、温度によって抵抗値が変化す
る感温抵抗と、この感温抵抗に所定の向き、大きさの一
定電流を供給する定電流手段と、を有し、 零点温度補償回路の出力の温度特性によって、ブリッジ
回路の零点温度特性を相殺することを特徴とする。
このような零点補償回路は、例えば帰還路に所定の温度
特性を有する抵抗を配置したオペアンプの反転入力端子
に電流設定用の抵抗を接続し、その抵抗の他方の端子と
オペアンプの非反転入力端子に所定の電位差を与えるこ
とによって構成することができる。
次に、請求項（２）記載の第２発明は、 一部に起歪領域が形成されたシリコン基板と、少なくと
もその一部が起歪領域に位置し、起歪領域の歪みに応じ
て抵抗値が変化する歪みゲージと、この歪みゲージを含
むブリッジ回路と、ブリッジ回路の感度の温度変化を補
償する感度温度補償回路を含み、 前記感度温度補償回路は、ブリッジ回路の出力が入力さ
れこれを演算増幅する演算増幅器と、この演算増幅器の
反転入力端子に至る経路に挿入配置され、前記基板に不
純物を所定密度で拡散して形成された第１の拡散抵抗
と、演算増幅器の出力端子と前記反転入力端子を接続す
る帰還路に配置され、前記基板に前記第１の拡散抵抗と
は異なる密度で不純物を拡散して形成された第２の拡散
抵抗を有し、前記第１、第２の拡散抵抗の温度変化の相
違によって、前記歪みゲージの感度の温度変化を相殺す
ることを特徴とする。
このような第１、第２の拡散抵抗の温度特性の差は、ブ
リッジ回路の温度特性の二次の項まで考慮して設定する
ことができ、広範囲の感度温度補正を行える。
［作用］ 半導体歪みゲージはシリコン基板の起歪領域に配置され
ている。このため、シリコン基板の歪みは半導体歪みゲ
ージの歪みとなる。そして、この半導体歪みゲージはそ
の歪みに応じて抵抗値が変化する。半導体歪みゲージ
は、ブリッジ回路を構成しているため、ブリッジ回路の
出力は、歪みに応じて変化する。
ここで、ブリッジ回路の出力は半導体歪みゲージの温度
係数のばらつき等に起因して、零点が温度によって変化
する。そこで、この零点の温度補償を行わなければなら
ない。第１発明においては、所定の温度特性を有する感
温抵抗に一定の電流を流す零点温度補償回路を有してい
る。そして、この零点温度補償回路の出力をブリッジ回
路からの出力に加算する。そこで、ブリッジ回路の出力
における温度特性をこの零点温度補償回路の出力によっ
て相殺し、効果的な零点温度補償が達成される。
また、定電流手段における電流値の調整によって零点温
度補償回路の温度特性を調整できるため、ブリッジ回路
の温度特性に応じて、零点温度補償回路の温度特性を調
整することができ、効率的な零点温度補償を行うことが
できる。
次に、ブリッジ回路の出力には、半導体歪みゲージの歪
み量に関する感度の温度特性がある。このため、感度温
度補償を行う必要がある。第２発明によれば、ブリッジ
回路の出力を増幅する演算増幅器の入力経路と帰還路に
配置された第１の拡散抵抗及び第２の拡散抵抗として所
定のものを選び、ブリッジ回路の出力の一次、二次の項
と対応させることができ、感度の温度特性の二次の項ま
で補償することができる。従って、広範囲に亘って高精
度の感度温度補償を行うことができる。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の第１発明に係る半導体歪
み検出装置によれば、定電流手段における電流値の調整
によって、零点補償回路における温度特性を所定のもの
とできるため、ブリッジ回路の出力の温度特性に応じて
零点補償回路の出力を調整でき、効果的な零点温度補償
を達成することができる。また、第２発明によれば、ブ
リッジ回路の二次の温度特性まで、補償することができ
るため、広範囲の温度補償を精度よく行うことができ
る。
［実施例］ 以下、この発明の実施例について、図面に基づいて説明
する。
第１実施例 第１図に第１発明に係る零点温度補償回路を有する半導
体歪み検出装置の一実施例に係る回路を示す。図におい
て、ブリッジ回路10は、４つの拡散歪みゲージG1,G2,
G3,G4で構成する。そして、このブリッジ回路10の出力
は演算回路12を経て演算増幅器14の入力側直列抵抗RAに
接続し、直列抵抗RAの他端子は、演算増幅器14の反転入
力端子に接続している。また、演算増幅器14の負帰還抵
抗としてRBを出力端子と反転入力端子間に接続する。
ブリッジ回路10における拡散歪みゲージG1,G2,G3,G4の
歪みに対応した出力は、演算回路12によって所定の電圧
VPに変換され、演算増幅器14により所定の増幅を受けた
後、電圧VOUTとして出力される。
一方、零点温度補償回路20は電流設定用抵抗RC、演算増
幅器22及びこの演算増幅器22の負帰還抵抗REから構成す
る。そして、この零点補償回路20の出力側は抵抗RDを介
し演算増幅器14の反転入力端子に接続されているため、
ここでブリッジ回路10の出力信号と加算される。なお、
図においてVRは回路のリファレンス電圧、VINは入力電
圧、VTは零点温度補償回路の20の出力電圧である。
一方、演算増幅器22の負帰還抵抗REの温度特性は、直線
性のよい抵抗を用いれば、抵抗の二次の温度係数を無視
でき、次のような式で表すことができる。
RE（Ｔ）＝RE（０）・（１＋αＴ） …（２） ここで、RE（０）は負帰還抵抗REの基準温度（例えば０
℃）における抵抗値であり、Ｔは温度、αは負帰還抵抗
のREの温度係数である。
そして、電流設定用抵抗RCとして、温度係数の非常に小
さいものを採用すると、この電流設定用抵抗RCには、温
度変化によらず、常に入力電圧VINとリファレンス電圧V
Rの電圧差に応じた電流が流れることになる。この電流
は、入力電圧VIN及びリファレンス電圧VRが温度特性を
持たなければ、温度に対し常に一定の電流となって負帰
還抵抗REに流れることとなる。すなわち、入力電圧
VIN、リファレンス電圧VR及び電流設定用抵抗RCの値に
よって負帰還抵抗REにおける電流値を所定のものに設定
することができる。
そして、負帰還抵抗REの抵抗値及び温度特性が既知であ
れば、演算増幅器22の出力側電圧VTに所望の温度特性を
持たせることができる。すなわち、零点温度補償回路20
の出力電圧VTは次のような式で表される。
VT（Ｔ）＝−RE（Ｔ）・（VIN−VR） ／RC＋VR …（３） なお、一般的には入力電圧VINは電源電圧VCCあるいはア
ースに、リファレンス電圧VRは回路の中点の電圧に設定
されるが、VIN＜VRならば出力電圧VTの温度特性は正と
なり、VIN＞VRならば出力電圧VTの温度特性は負とな
る。
このような出力電圧VTの温度特性について第２図に示
す。このように電流設定用抵抗RC、入力電圧VIN、リフ
ァレンス電圧VRの調整により零点温度補償回路20の出力
VTに所望の温度特性を付与することができる。
そして、零点温度補償回路20の出力は抵抗RDを介し演算
増幅器14の反転入力端子に入力される。従って、ブリッ
ジ回路10からの出力である電圧VPと零点温度補償回路20
の出力VTとが足し合わされ、演算増幅器14の出力VOUTは
次式で表されることとなる。
VOUT＝GP（VP−VR）＋GT（VT−VR） ＋VR …（４） ここで、GP＝−RB／RA GT＝−RB／RD このため、ブリッジ回路10からの出力であるVTの零点温
度特性を測定し、これを補償できるような温度特性をVT
に持たせることにより、出力VOUTにおける零点の温度補
償を行うことができる。この際、零点温度補償回路20に
おける温度特性の極性は入力電圧VINの接続される電圧
で決定され、その特性の傾きは電流設定用抵抗RCの抵抗
値を調整して所定の温度依存性を有する負帰還抵抗REに
流れる電流を調整するか、あるいは抵抗RDを調整して演
算増幅器14における利得GTを変化させることによって行
うことができる。
このように、この例によれば、ブリッジ回路10を定電流
駆動するか、定電圧駆動するかに拘らず零点の温度補償
ができる。また、ブリッジ回路10における出力温度特性
に応じて零点温度補償回路20の出力VTにおける温度特性
を調整すればよいため、その調整が非常に容易となる。
第２実施例 次に、本発明の第２発明に係る感度温度補償回路を有す
る半導体歪み検出装置について説明する。
第３図に本発明に係る感度温度補償の基本的構成を示
す。拡散歪みゲージG1,G2,G3,G4で構成されたブリッジ
回路10の一方端子の出力は、演算増幅器32の非反転入力
端子に接続される。この演算増幅器32の反転入力端子と
出力端子は短絡され、いわゆるボルテージフォロアを構
成している。そして、演算増幅器32の出力は拡散抵抗RI
に接続される。拡散抵抗RIの他端子は、演算増幅器34の
反転入力端子に接続されている。また、演算増幅器34の
反転入力端子と出力端子の間には負帰還抵抗として前述
の拡散抵抗RIとは表面不純物密度の異なる拡散抵抗RJが
接続されている。
ブリッジ回路10の他方の出力は演算増幅器34の非反転入
力端子と接続されている。
このような第３図に示された拡散歪みゲージG1,G2,G3,G
4で構成されたブリッジ回路10の感度温度特性Ｓ
（Ｔ）、拡散抵抗RI,RJの温度特性RI（Ｔ），RJ（Ｔ）
は、次に示す式によって近似することができる。
Ｓ（Ｔ）＝Ｓ（０）（１＋β１Ｔ＋β２T2） …（５） RI（Ｔ）＝RI（０）（１＋αI1Ｔ＋αI2T2） …（６） RJ（Ｔ）＝RJ（０）（１＋αJ1Ｔ＋αJ2T2） …（７） ここで、Ｓ（０）はブリッジ回路10の基準温度時の出
力、RI（０），RJ（０）はそれぞれ抵抗RI,RJの基準温
度時の抵抗値であり、β１，β２はブリッジ回路10の一
次、二次の温度係数、αI1，αI2は拡散抵抗R1の一次、
二次の温度係数、αJ1，αJ2は拡散抵抗R2の一次、二次
の温度係数である。
従って、感度温度補償回路30の出力V0は次のように表す
ことができる。
V0＝−｛RJ（Ｔ）／RI（Ｔ）｝・Ｓ（Ｔ） …（８） このように、感度温度補償回路30の出力V0は、ブリッジ
回路10の出力であるＳ（Ｔ）に演算増幅器34における増
幅率であるRJ（Ｔ）／RI（Ｔ）を乗算したものとなる。
そして、この抵抗RI,RJの温度特性についての式
（６），（７）及び感度Ｓの温度特性についての式
（５）を代入すると、出力電圧V0は次のように表すこと
ができる。
V0＝−｛RJ（０）／RI（０）｝・Ｓ（０） ・｛（１＋αJ1Ｔ＋αJ2T2） ／（１＋αI1Ｔ＋αI2T2）｝ ・（１＋β１Ｔ＋β２T2） …（９） この式（９）において温度係数の結果に対する寄与の非
常に少ない三次の項以降を無視すると、次のように表す
ことができる。
V0≒−｛RJ（０）／RI（０）｝・Ｓ（０） ・｛１＋（αJ1−αI1＋β１）Ｔ ＋（αJ2−αI2＋β２）T2｝ …（10） このように、抵抗RI,RJの適当な組合せを選択すれば、
ブリッジ回路10の出力における感度の温度特性を二次の
係数まで含めて補償することが可能となる。
従って、本発明によれば、拡散歪みゲージG1,G2,G3,G4
の感度の温度上昇に伴う低下と、感度温度特性の二次項
に起因する非直線的な特性まで補償することができる。
ここで、拡散抵抗RI,RJの表面不純物密度と出力V0にお
ける感度の関係を上述の抵抗RI,RJの一次及び二次の温
度係数との関係から計算機シミュレーションし、−50〜
150℃でのV0の変化と表面不純物密度の関係を求めた。
その結果を第４図に示す。なお、計算簡略化のため、抵
抗RIと歪みゲージＧの表面不純物密度は同一とした。
これより、抵抗RI及び拡散歪みゲージG1,G2,G3,G4の表
面不純物密度が、1.4×1019cm-3、抵抗RJの不純物密度
が4.5×1017cm-3の時に最適形成条件となり、そのとき
の温度範囲−50〜150℃での出力V0の感度変化は0.2％と
なることが理解される。また、抵抗RI及び拡散歪みゲー
ジG1,G2,G3,G4の表面不純物密度が１×1019〜２×1019c
m-3、RJが3.5×1017〜５×1017cm-3の範囲では、出力V0
の温度変化は±１％以内であり、実用上問題ない程度で
の測定が行われることが理解される。
一般に、拡散歪みゲージの感度温度特性は温度と共に低
下し、温度範囲を拡げると二次の項が無視できなくな
る。これに対し、シリコン単結晶板に形成した拡散抵抗
の温度特性は温度と共に上昇し二次の温度係数も持って
いる。これらは表面不純物密度と特定の関係があり、製
造プロセスによって制御することが可能となる。そこ
で、抵抗温度特性の二次の項に注目し、演算増幅器によ
る反転増幅回路の直列抵抗RIと負帰還抵抗RJに表面不純
物密度の異なる抵抗を使用し、この抵抗の組合せによっ
て感度の一次と二次の項を同時に補償することが可能と
なった。
また、RI／RJという比の温度変化によって感度温度特性
を補償できるため、抵抗RI,RJの組合せにより非直線部
分及び直線部分において正負両方向の補償をすることも
可能である。しかも、本発明の装置によれば、シリコン
単結晶基板上で感度温度補償回路が較正できるため、小
型化、集積化を好適に行うことができる。
第３実施例 第５図に本発明の第３実施例に係る半導体歪みゲージを
用いた半導体圧力センサの一例を示す。
ブリッジ回路10はシリコン単結晶基板上に形成された拡
散歪みゲージR17,R18,R19,R20で構成されている。そし
て、このブリッジ回路10は定電流回路Isにより定電流駆
動される。そこで、印加圧力に応じて、拡散歪みゲージ
R17,R20,R18,R19の抵抗が変化し、圧力に比例した出力
電圧VGをブリッジ回路10の出力端子70,72より発生す
る。
出力端子70,72は、抵抗R1,R2,R3,R4及び演算増幅器14か
らなる増幅回路31に接続されている。すなわち、端子70
は抵抗R1を介し、演算増幅器14の反転入力端子に接続さ
れ、端子72は抵抗R3を介し演算増幅器14の非反転入力端
子に接続され、この演算増幅器14の出力端子と反転入力
端子間には負帰還抵抗R2が配置されている。また、抵抗
R4は演算増幅器14の非反転入力端子をアースに接続して
いる。このため、ブリッジ回路10の出力は、この増幅回
路20において、圧力に対する感度は数100mVに増幅さ
れ、増幅回路31の出力VPとして出力される。
一方、感温抵抗R10，電流設定用抵抗R8及び演算増幅器2
2は零点温度補償回路20を形成している。すなわち、電
流設定用抵抗R8の一端子は、スイッチ69によって電源VC
Cまたはアースに接続可能となっている。従って、電流
設定用抵抗R8の一端子の入力電圧VINは０または電源電
圧VCCに設定される。
そして、この電流設定用抵抗R8の他端子は、演算増幅器
22の反転入力端子に接続され、この反転入力端子には負
帰還抵抗R10が接続されている。また、この演算増幅器2
2の非反転入力端子にはリファレンス電圧VRが供給され
ている。
従って、第１実施例と同様に、電流設定用用抵抗R8によ
って感温抵抗R10に所望の電流を流すことができる。ま
た、スイッチ69をVCCに接続するか、アースに接続する
かを選択することによって、入力電圧VINを電源電圧VCC
とするか０とするかを選択することができる。
また、演算増幅器22の非反転入力端子に入力される基準
となる電圧であるリファレンス電圧VRは、電源電圧VCC
とアースの間に配置された分割抵抗R15,R16によって所
望の値に決定することができる。さらに、可変分割抵抗
R11,R12によって調整可能なオフセット電圧VOFFは抵抗R
13を介し演算増幅器40の反転入力端子に入力されるよう
になっており、演算増幅器40の出力VOUTにおける印加圧
力０のときのオフセット電圧を調整することができる。
一方、増幅回路31によって増幅後のブリッジ回路10から
の出力VPと零点温度補償回路20の出力VT及びオフセット
電圧VOFFは、それぞれ抵抗R5,R13,R14を介して演算増幅
器40の反転入力端子に接続され、いわゆる加算回路を形
成している。
また、演算増幅器40の反転入力端子には演算増幅器14の
出力VPが抵抗R5を介し入力され、演算増幅器40の出力端
子と反転入力端子間には負帰還抵抗R6が配置されてい
る。従って、演算増幅器40は、抵抗R5,R6の比に応じて
歪みゲージのブリッジ回路10の出力である出力VPを増幅
する。そして、零点温度補償回路20の出力VTと加算さ
れ、最終的にボルトオーダの出力VOUTが出力される。
このような第５図に示された半導体圧力センサの出力V
OUTは、次の式で表される。
VOUT＝GP（VP−VR） ＋GT（VT−VR） ＋G0（VOFF−VR）＋VR …（11） ここで、 GP＝−（R6／R5） GT＝−（R6／R14） G0＝−（R6／R13） である。
この式から明らかなように出力VP,VT,VOFFはそれぞれ独
立に出力VOUTと関係し、独立して調整が可能である。な
お、第３の項は回路全体のオフセット調整に用いられ、
温度に対して安定である。
一方、ブリッジ回路10の感度の温度に対する変動は、拡
散歪みゲージR17,R18,R19,R20の表面不純物密度を10
20(cm-3)程度にすれば、ブリッジ回路10が定電流駆動さ
れているので、拡散歪みゲージR17,R18,R19,R20自身の
持つ抵抗温度特性により自己感度補償される。
すなわち、感度補償され回路31によって増幅された出力
が電圧VPとして現われる。これは次の式で表される。
VP＝−（R2／R1）・VG …（12） （但し、R1＝R3，R2＝R4，R17＝R18＝R19＝R20＜＜R1の
とき） そして、出力VPにはブリッジ回路10の零点の温度変動が
増幅回路31により増幅されて現われる。この特性は温度
に対し、ほぼ直線的な変化として出力VPに現われる。そ
こで、この特性に対し極性を反転した特性を出力VTに持
たせ、演算増幅器40からなる加算回路によって足し合わ
せれば零点の温度補償が行うことができる。
例えば、ｎ型の不純物としてリン（Ｐ）を用い、その表
面不純物密度が1019(cm-3)以上の高濃度拡散抵抗の温度
特性は非常に直線性がよい。そこで、感温抵抗R10に
は、このｎ型高濃度拡散抵抗を用いる。そして、零点温
度補償回路20の出力VTは、R10に流れる電流をＩとする
と次の式で表される。
VT（Ｔ）＝−R10（Ｔ）・Ｉ＋VR …（13） ここで、電流Ｉは演算増幅器40の反転入力端子に流れる
バイアス電流を無視すれば、零点温度補償回路20の出力
VTに関係して抵抗R8を流れる電流と等しくなる。抵抗R8
に温度係数の非常に小さい抵抗を用いれば、温度に対し
て一定な電流を感温抵抗R10に流すことができ、抵抗R8
の抵抗値を調整することで零点温度補償回路20の出力VT
の温度に対する出力を変化できる。また入力電圧VINを
リファレンス電圧VRより大きくするか小さくするかによ
り、感温抵抗R10に流れる電流Ｉの向きが変えることが
でき、これにより正・負両方の零点温度補償が可能とな
る。
また、演算増幅器22の反転入力端子には演算増幅器の持
つ基本的性質により、リファレンス電圧VRとほぼ等しい
電圧が現われる。なお、このリファレンス電圧VRは温度
に対して安定なものとする。
スイッチ69における入力電圧VINがVRより大きい場合、
温度が上昇すると感温抵抗R10は正の温度特性を持って
いるので感温抵抗R10による電圧降下が増大し、電流は
スイッチ69より演算増幅器22の出力側の方向に流れ、演
算増幅器22の反転入力端子の電位はほぼリファレンス電
圧VRと等しく温度に対して変動しないため、零点温度補
償回路20の出力電圧VTは低下する。逆にスイッチ69にお
ける入力電圧VINがリファレンス電圧VRより小さい場
合、電流は演算増幅器22の出力側からスイッチ69に向か
って流れ、演算増幅器22の反転入力端子の電圧が一定で
感温抵抗R10による電圧降下が大きくなるため、零点温
度補償回路20の出力VTは増加する。ここで零点の変動だ
けに注目すると出力VOUTの変動ΔVOUTは次のように表さ
れる。
ΔVOUT（Ｔ）＝GPVP（Ｔ）＋GTVT（Ｔ） …（14） つまり、出力VPにおける零点の温度特性を測定し、GPと
GTの関係から ΔVOUT（Ｔ）＝０ になるようなVT（Ｔ）を選んでやることにより、零点の
温度補償が行える。
また、上述のように、スイッチ69は電源VCCまたはアー
スのどちらかに接続される。そこで、出力VPにおける零
点の温度特性が負の温度特性を持っているとすると、ス
イッチ69はアースに接続され零点温度補償回路20の出力
VTに正の温度特性を持たせることができる。そして、出
力VOUTにおける温度変動をなくすよう電流設定抵抗R8の
抵抗値を調整し、感温抵抗R10に流す電流が決定する。
このようにして零点温度補償回路20によって出力VOUTに
おける零点温度補償を達成することができる。
第４実施例 第６図及び第７図は本発明を集積化圧力センサに応用し
た例である。第６図は第４実施例の回路を示し、第７図
は第４実施例の半導体歪み検出装置の平面及び断面概念
図を示す。
第７図に示すように、拡散歪みゲージR17,R18,R19及びR
20で構成されたブリッジ回路10は、ダイヤフラム110の
主表面に形成されている。
そして、第６図における拡散歪みゲージR17,R18,R19及
びR20からなるブリッジ回路10は、定電圧で駆動されて
いる。ブリッジ回路10の一端の出力70は、演算増幅器32
の非反転入力端子に接続されており、この演算増幅器32
は、出力端子と反転入力端子が接続されて、いわゆるボ
ルテージフォロワを構成している。
演算増幅器34の直列抵抗R21および負帰還抵抗R22は表面
不純物密度の異なる拡散抵抗で形成され、上述の第２実
施例と同様に抵抗温度係数の違いによりブリッジ回路10
の感度補償を行う。
一方、ブリッジ回路10のもう一端の出力72は演算増幅器
34の非反転入力に接続される。感温抵抗R10はｎ型の高
濃度拡散抵抗で形成される。その他の抵抗は温度係数の
非常に小さいSiCr薄膜抵抗で形成される。
また、演算増幅器はバイポーラプロセスで形成される。
これらの拡散歪みゲージ、温度補償用拡散抵抗、薄膜抵
抗及び演算増幅器は同一シリコン単結晶基板上に集積化
されている。そして、特性の調整は通常基板上の薄膜抵
抗をレーザトリミングで行う。
ここで、本回路のトリミング個所は抵抗R23,R8,R5およ
びR11，あるいはR12の４個所である。抵抗R23は、プロ
セスのばらつきにより感度補償の条件からずれた時に用
いる予備的なものであり、必要なときに接続して利用す
る。抵抗R5は、演算増幅器40の出力VOUTにおけるスパン
の調整を行う。そして、抵抗R11あるいはR12はオフセッ
トの調整のため、どちらかをレーザトリミングする。電
流設定用抵抗R8は零点温度補償回路20における感温抵抗
R10に流れる電流量を調整し、零点温度補償の特性を調
整するものである。
すなわち、上述の第１、第３実施例と同様に、電流設定
用抵抗R8の調整は、感度温度補償回路30の出力電圧VPに
おける零点の温度特性を測定し、その極性によりスイッ
チ69を電流設定用抵抗R8を電源VCCかアースのどちらか
に接続するとともに、電流設定用抵抗R8をトリミングし
て出力VOUTにおいて温度の変動がなくなるように電流設
定用抵抗R8の抵抗値を調整する。そして、これによって
感温抵抗R10に流す電流を決め、零点温度補償を行う。
また、この実施例においても上述の第３実施例と同様に
演算増幅器40、抵抗R5,R6,R13及びR14からなる加算回路
により、出力VP,VT,VOFFは独立して増幅できるので、互
いに独立した調整が可能である。
拡散歪みゲージと抵抗R21の表面不純物密度を1.4×1019
cm-3、抵抗R22の表面不純物密度を4.5×1017cm-3として
集積化圧力センサを試作した、第８図に試作したセンサ
の出力及び感度温度特性を示す。図のように、−40〜15
0℃の温度範囲で±１％以内の出力温度特性を得ること
ができた。
その他の変形例 第９図に零点補償回路20の他の構成例を示す。この例に
おいては、入力電圧VINはトリミングによって抵抗値が
調整できる２つの直列抵抗R80,R90によって決定され
る。すなわち、この例では、端子数を減らすためスイッ
チを排除し、抵抗R80,R90は演算増幅器22の反転入力端
子をそれぞれ電源VCC、アースに接続している。
そして、感度温度補償回路30の出力VPの零点温度特性を
測定し、その極性によって、抵抗R80あるいはR90をレー
ザトリミングにより切除する。そして、残った一方の抵
抗により、電流設定を行う。従って、感温抵抗R10に流
れる電流量を調整でき、所望の温度特性を出力VTに付与
することができる。
また、上述の本発明の実施例は、説明を容易にするため
圧力検出を主体に説明したが、本発明は圧力検出のみな
らず、歪み検出、荷重検出、変位検出、トルク検出等あ
らゆる装置に対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による半導体歪み検出装置の第１実施例
を示す回路図、 第２図は同実施例における零点温度補償回路20の出力の
温度特性を示す特性図、 第３図は第２実施例の回路図、 第４図は計算機シミュレーションによる拡散歪みゲージ
と抵抗RI及びRJの最適な感度温度補償条件の結果を示す
特性図、 第５図は第３実施例を示す回路図、 第６図は第４実施例を示す回路図、 第７図（Ａ），（Ｂ）は第４実施例の平面及び断面概念
図、 第８図は第４実施例の試作結果による出力及び感度の温
度特性を示す特性図、 第９図は零点補償回路20の他の構成例を示す回路図、 第10図は従来技術による零点温度補償の一例を示す回路
図、 第11図は従来技術による感度温度補償の一例を示す回路
図である。 10……ブリッジ回路 2,14,32,34,40,122……演算増幅器 20……零点温度補償回路 30……感度温度補償回路 RC,R8……電流設定用抵抗 RE,R10……感温抵抗 RI,RJ,R21,R22……感度温度補償用拡散抵抗

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一部に起歪領域が形成されたシリコン基板
    と、 少なくともその一部が起歪領域に位置し、起歪領域の歪
    みに応じて抵抗値が変化する歪みゲージと、 この歪みゲージを含むブリッジ回路と、 所定の温度特性を有する信号を出力する零点温度補償回
    路と、 前記ブリッジ回路と前記零点温度補償回路の出力を加算
    する演算回路と、 を含み、 前記零点温度補償回路は、 温度によって抵抗値が変化する感温抵抗と、 この感温抵抗に所定の向き、大きさの一定電流を供給す
    る定電流手段と、 を有し、 零点温度補償回路の出力の温度特性によって、ブリッジ
    回路の零点温度特性を相殺することを特徴とする半導体
    歪み検出装置。
  2. 【請求項２】一部に起歪領域が形成されたシリコン基板
    と、 少なくともその一部が起歪領域に位置し、起歪領域の歪
    みに応じて抵抗値が変化する歪みゲージと、 この歪みゲージを含むブリッジ回路と、 ブリッジ回路の感度の温度変化を補償する感度温度補償
    回路と、 を含み、 前記感度温度補償回路は、 ブリッジ回路の出力が入力され、これを演算増幅する演
    算増幅器と、 この演算増幅器の入力端子に至る経路に挿入配置され、
    前記基板に不純物を所定密度で拡散して形成された第１
    の拡散抵抗と、 演算増幅器の出力端子と前記入力端子を接続する帰還路
    に配置され、前記基板に前記第１の拡散抵抗とは異なる
    密度で不純物を拡散して形成された第２の拡散抵抗と、 を有し、 前記第１、第２の拡散抵抗の温度変化の相違によって、
    前記歪みゲージの感度の温度変化を相殺することを特徴
    とする半導体歪み検出装置。
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