JPS6097230A

JPS6097230A - 圧力変換器

Info

Publication number: JPS6097230A
Application number: JP58205234A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ishihara; 力石原
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1983-11-01
Filing date: 1983-11-01
Publication date: 1985-05-31

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】本発明は圧力変換器に関し、特に半導体感圧素子を用い
た圧力変換器の温度特性の改良に関する。

従来、この種の半導体圧力変換器では、半導体ダイアフ
ラム上に形成された感圧素子を用いてホイートストンブ
リッジ回路（以下、単にブリッジ変化を、該ブリッジ回
路を定電圧あるいは定電流源で駆動することによって該
ブリッジ回路の不平衡電圧として検出し、該不平衡電圧
を差動増幅回路でさらに増幅することにより印加圧力ζ
こ比例した出力信号を取り出していた。第１図に該圧力
変換器の具体的な構成例を示す。図において、−リーシ
は感圧素子１．２．３．４で構成されるブリッジ回路、
５は該ブリッジ回路に定電圧を印加するための駆動端子
、６及び７は該ブリッジ回路の不平衡電圧検出端子をそ
れぞれ示す。感圧素子１〜４としては例えば半導体ダイ
アフラム上に選択拡散、イオン注入等により形成された
不純物拡散領域が用いられ、感圧素子１．３と感圧素子
２．４は、それぞれ同一印加圧力に対し互いに逆方向の
抵抗値変化を示すよう、その長手及び横手方向の結晶軸
が選択されて配列されている。この結果、印加圧力に対
して例えば感圧素子２．４の抵抗値が増大すると、感圧
素子１．３の抵抗値は逆に減少し、この結果、ブリッジ
回路１００の不平衡電圧検出端子６．７間には印加圧力
に比例した不平衡電圧△Ｅが得られる。該不平衡電圧△
Ｅは、３個の演算増幅器８．９．１０と抵抗１１．１２
．１３．１４．１５．１６．１７とで構成される増幅回
路、姐頂こよって増幅・シングルエンド化される。該増
幅回路２００において、抵抗１１．１２．１３及び演算
増幅器８．９から成る前段増幅回路（２０１）は、イン
ピーダンス変換（高入力抵抗−低出力抵抗）を達成する
と同時にブリッジ回路１」の不平衡電、圧△Ｅ（該前段
増幅回路にとっては差動入力）を増幅する。すなわち、
圧力が印加されない状態でのブリッジ回路上の端子６及
び７の電圧をともにＶｃｍ、印加圧力によって生じる端
子６及び７の対称な電圧変化分をそれぞれｖｚ（＝△Ｅ
／２）及びｖｌ（＝−△Ｅ／２）、抵抗１１．１２及び
１３の抵抗値をそれぞれＲ，、Ｒｓ及びＲ８とすると、
演算増幅器８及び９の出力端子１８及び１９に得られる
電圧Ｖ。１及如はそれぞ撤式で与えられる。

一方、抵抗１４〜１７及び演算増幅器１０から感゛る出
力段増幅回路（２０２）は差動入力をシングル・エンド
出力に変換する。いま、抵抗１４．１５，１６及び１７
の抵抗値をＲ４、Ｒｓ、Ｒ６及びＲ７とすると、演算増
幅器１０の出力端子２０に得られる出力電圧Ｖ。は次式
で与えられる。

ここでｖｕ　、Ｖｌｌ及びＶ、。は該出力段増幅回路（
２０２）に対する入力電圧の差動成分及び同相成分で、
前段増幅回路（２０１）の出力電圧ｖ６Ｉ及びＶｏ２と
の関係は、それぞれＶ４ｚ−Ｃ％２　Ｖ。１）／２＝Ｖ
ｌｌ。

ｖｌｃ　＝（ｖａｔ　＋　ＶＯ２）／２で定義される。

そこでいま、前段増幅回路（２０１’）における抵＄１
２と１３の抵抗値が等しく選定されていると（＆　＝Ｒ
ｓ　）、Ｖ＋□１１．及びｖｉａはそれぞれ次のように
なる。

ＶｉＩ、＝ｖｃＩｒＬ（’、゛Ｖ、　＝　−Ｖ２　）　
（５）したがって、出力段増幅回路（２０２）における
抵抗１４．１５．１６及び１７の抵抗値Ｒ４、Ｒｓ　、
　Ｒ６及びＲ７をＲｓ　／　Ｒ４＝　Ｒ７／　Ｒ４（Ｒ
４Ｒ）＝　＆　Ｒ８）に選定すれば、（３）式はとなり、同相電圧成分ＶｃｒｒＬは除去され、プリソジ
不平衡電圧△Ｅ（＝　ｖｚ　Ｖｌ　）　が増幅、シング
ルエンド化された出力電圧■。が出力端子２０に得られ
る。

しかしながら、定電、圧で駆動される上記圧力変換器で
は、ピエゾ抵抗係数の負の温度係数により温度の上昇と
ともに圧力感度が低下する欠点があった。

この感度の温度変動を補償するため、従来、出力段増幅
回路（２０２）を構成する演算増幅器１０のフィードバ
ック回路を正の温度係数をもつ拡散抵抗で構成すること
により増幅度に正の温度係数を与える第２図に示すよう
な構成の圧力変換器（特開昭５６−１４５３２７　）が
提案されている。図において、２１は感圧素子１〜４と
同一半導体基板上の　。

圧力不感部に設けられた拡散抵抗、２２は半導体基板外
の抵抗で、これらが並列接続されて演算増幅器１０のフ
ィードバンク回路（出力端子−反転入力端子間）が構成
されている。なお、同図において抵抗２３及び２４は、
駆動端子５及び２６に供給される駆動電圧を分圧し、端
子２７に得られる該分圧電圧ｖｂを抵抗１７ヲ介して演
算増幅器１０の非反転端子に導びくことにより出力端子
２０の直流レベルを調整するゼロ点調整回路を構成して
いる。拡散抵抗２１　と並列接続された抵抗２２とから
成るフィードバック回路の抵抗値をＲ，とすると、該圧
力変換器の出力電圧Ｖ。は、次式で与えられる。

上式において、同相電圧成分（第３項）を零とし、差Ｍ
Ｋｈ電圧成分（Ｖ１＊　Ｖｌ＋　）にのみ比例した出力
型、圧ｖ０を得るためにはＲ４Ｒ７−Ｒ，Ｒ，＝　Ｏな
る関係が恒等的に成立しなければならない。しかしなが
ら、上記構成の圧力変換器では、Ｒ８のみが正の温度係
数を示し、Ｒ４、Ｒ６及びＲ７は温度依存性をもたない
（またはＲ，に比び温度係数が極めて小さい）ので、上
記関係式を成立させることができるのは成る一点の温度
のみとなる。この結果、同相利得が温度とともに変化す
るので、印加圧力とは無関係な温度と同相電圧成分Ｖｉ
ｅに依存したオフセット電圧が発生し、これが温度とと
もに変動する欠点があった。また、（力式の第４項から
明らかなように、ゼロ点調整電圧■ｂに対する利得が温
度依存性をもつことになるので温度変化によりゼロバラ
ンスが崩れる欠点もあった。

以上、詳しく説明したように、従来の圧力変換器では、
感度の温度補償に伴ない、温度変動による同相利得の増
大（同相除去比の減少）ならびにゼロバランスの変動が
発生する欠点があった。

本発明は上記従来の圧力変換器の欠点を解消するために
なされたもので、その目的は圧力変換器が備えるべき諸
性能を損なうことなく感度の温度補償が可能な優れた性
能の圧力変換器を提供することにある。

本発明によれば、すくなくとも−辺に半導体タイアノラ
ム上に形成された不純物拡散領域からなる感圧素子を含
むホイートストンブリッジ回路と、非反転入力端子がそ
れぞれ前記ブリッジ回路の不平′＃電圧検出端子に導び
かれるとともに反転入力端子が第１の抵抗を介して相互
に接続された第１及び第２の演算増幅器と、該第１及び
第２の演算増幅器の反転入力端子と出力端子の間にそれ
ぞれ接続された第２及び第３の抵抗と、反転及び非反転
入力端子がそれぞれ第４及び第５の抵抗を介してｉＩＩ
記第１及び第２の演算増幅器の出力端子と接続された第
３の演算増幅器と、該第３の演算増幅器の反転入力端子
と出力端子の間に接続された第６の抵抗と、該第３の演
算増幅器の非反転入力端子とバイアス端子との間に接続
された第７の抵抗から成る圧力変換器において、すくな
くとも前記第６及び第７の抵抗が、前記第４及び第５の
抵抗よりも大きな正の抵抗温度係数を有する感温拡散抵
抗を用いて構成されたことを特徴とする圧力変換器が得
られる。

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第３図は、本発明に従う圧力変換器の一実施例を示す構
成図である。図において、１匹−は第１図及び第２図に
示したと同じく感圧素子１．２．３．４で構成されるブ
リッジ回路、２７及び２８は該ブリッジ回路１世定電圧
駆動するための駆動端子をそれぞれ示し、廷旦は、演算
増幅器ａｏａ、　３ｏｂ。

３０ｃと抵抗３１．３２．３３．３４．３６及び抵抗３
４．３６よりも大きな正の抵抗温度係数を有する感温拡
散抵抗３５．３７からなる差動増幅回路を示す。本実施
例における差動増幅回路ａＯＯは、基本的には、２個の
演算増幅器３０ａ、　３０ｂ　を用いた前段増幅回路（
３０１）でブリッジ不平衡雷、圧の増幅とインピーダン
ス変換を行ない、演算増幅器３０ｃを用（・た出力段増
幅回路（３０２）で差動−シングル・エンド変換を達成
する構成となっている。そして、本実施例の特徴とする
ところは、出力段増幅回路（３０２）の演算増幅器３０
ｃに接続された各抵抗要素３４〜３７において、３５及
び３７が抵抗３４及び３６よりも大きな正の温度係数を
有する感温拡散抵抗を用いて構成されている点にある。

本実施例における抵抗３４及び３６としては、抵抗３１
．３２．３３とともに、実用上固定抵抗と見なし得る程
度に温度係数の小さな、例えば金属皮膜抵抗等を用いる
ことができる。また、感温拡散抵抗３５及び３７として
は、例えば感圧素子１〜４と同一半導体基板上の圧力不
感部に形成された不純物拡散領域からなる拡散抵抗を用
いることができる。

以下、第３図を参照しつつ本実施例の効果を説明するが
、ここでは便宜上、第１図、第２図の説明と同様、圧力
が印加されない状態でのブリッジ回路１００〜の端子６
及び７の電圧をともにＶ眞（したがって不平衡電圧△Ｅ
＝Ｏ）、印加圧力によって生じる端子６及び７の電圧の
変化をそれぞれｖ２及びｖｌ（△Ｅ　＝　ｖ２　Ｖｌ　
）とし、　ｖ２−△Ｅ／２及びｖｌ＝−△Ｅ／２なる対
称な市、圧変化が得られるものとする。また、抵抗３１
．３２．３３．３４．３６の抵抗値は第１図の１１．１
２．１３．１４．１６と同じ＜　Ｒ，、Ｒ２Ｒ５、Ｒ４
、Ｒ６を用いて表わし、感温拡散抵抗３５及び３７はＲ
，Ｉ＋（１＋久ｔ）及びＲ０フ（１＋ｄｔ）で表わすこ
ととする。ここで、Ｒｏ、及びＲ０７は基準温度におけ
る感温拡散抵抗３５及び３７の抵抗値、σは該感温拡散
抵抗３５及び３７の抵抗温度係数、ｔは前記基準温度か
らの温度の変化を示しており、感温拡散抵抗３５及び３
７がそれぞれ同一半導体基板上に同一工程で製造された
同一表面不純物濃度を有する拡散抵抗で構成されるなら
ば、両者についてのべ及びｔはともに等しい値となる。

以上を前提にすると、本実施例の前段増幅回路（３０１
）における演算増幅器３０ａ及び３０ｂの出力端子３８
及び３９に得られる電圧Ｖｅｌ及びＶａｔは、第１図と
同じ＜（１）及び（２）式で与えられ、抵抗３２と抵抗
３３の抵抗値が等しく選定されていれば（＆＝Ｒ８）、
出力増幅回路（３０２）に対する入力電圧の差動成分ｖ
Ｕｓ　ｖｌｌ及び同相成分Ｖｌｃはそれぞれ（４）及び
（５）式で与えられる。

一方、出力段増幅回路（３０２）における演算増幅器３
０ｃの出力端子４０に得られる出カ雷圧ｖ６は、（３）
式におけるＲ５及びＲ，が、本実施例ではそれぞれＲａ
５　（１＋αｔ）及びｕ、ｔ　（１＋訊ｔ）となるよう
構成が修正されているので、端子２９に印加されるゼｐ
点調整電圧をｖｂ−０とすると次式で与えられる。

（８）したがって、出力段増幅回路（３０２）における抵抗３
４．３６の抵抗値Ｒ４、Ｒｓ及び感温拡散抵抗３５．３
７の基準温度における抵抗値Ｒａ８　、　Ｒｅ？　の間
の関係をＲ，ｓ　／Ｒ４＝　Ｒ，ｔ　／　Ｒｓ　（Ｒ４
・Ｒ，ｙ　Ｒａｓ　−Ｒｓ　）　に選定すれば、（４）
、（５）式より上式は・。＝〜逆聾す・（１＋ｋ）・（ｖ２−　ｖｌ　）Ｒ４
Ｒ＋　（９）となり、同相電圧成分ＶＯＷが完全に除去され、ブリッ
ジ回路１００の不平衡電圧△Ｅ　（＝　ｖｔ　Ｖ＋）の
みが増幅、温度補償されたシングルエンド出力が該圧力
変換器の出力端子４０に取り出される。すなわち、（９
）式から明らかなように、本実施例では、差動増幅回路
４蜆の増幅度に感温拡散抵抗３５及び３７の正の温度係
数べに基づく正の温度係数を付与することができるので
、ピエゾ抵抗係数の負の温度係数に基づく圧力感度の負
の温度係数を効果的に補償することが可能である。しか
も、本実施例の出力段増幅回路（３０２）では、第２図
に示した従来構成の如き温度変化に伴なう各抵抗間のア
ンバランスを生じない。したがって、温度変化による同
相利得の増大は抑止され、上記従来構成の欠点であった
温度と同相電圧成分Ｖ（１ｍに依存して発生する余分な
オフセット電圧を完全に除去することができる。′また
同じ理由から、端子２９にゼｐ点調整を圧Ｖ、が印加さ
れても、該電圧■、に対する保たれるので、従来構成の
欠点であったゼロバランスの温度変動も抑止される。

したがって、本実施例によれは、従来構成の欠点であっ
た温度変化による増幅回路の同相利得の増大ならびにゼ
ロバランスの変動が解消された感度の温度補償が達成さ
れ、高性能の圧力変換器が得られる。

上記本実施例において、圧力感度の温度係数を零にする
ためには、増幅回路３　（ｌ　Ｏの増幅度の温度係数、
すなわち感温拡散抵抗３５．３７の抵抗温度係数（正の
値）を、ブリッジ回路１匹を構成する感圧素子１〜４の
ピエゾ抵抗係数の温度係数（負の値）の絶対値と等しく
選べばよい。これは、一般には、感圧素子１〜４と感温
拡散抵抗３５．３７を構成する不純物拡散領域の不純物
濃度をそれぞれ適宜制御することにより達成される。

なお、ｎ形シリコン基板に形成されたｐ形不純物領域か
らなる拡散抵抗の場合、表面不純物濃度が１０”ｃｍ−
”及び１０％−”の２点において、抵抗温度係数（正の
値）とピエゾ抵抗係数温度係数（負の値）の絶体値が等
しくなる。したがって、表面不純物濃度を上記条件に選
べば、感度温度補償のだめの感温拡散抵抗３５，３７を
感圧素子１〜４と同一工程で製造することが可能となり
、きわめて効果的で、かつ製造の容易な感度温度補償が
達成できる。

上記実施例においては、増幅回路３００の前段増幅回路
（３０１）を構成する抵抗３１．３２．３３を、抵抗３
４．３６とともに実用上固定抵抗と見なし得る程度に温
度係数の小さな、例えば金属皮膜抵抗等としたが、これ
らはかならずしも温度係数の小さな抵抗である必要はな
く温度依存性をもつ抵抗であってもよい。すなわち、抵
抗３１．３２．３３の間の温度係数さえ等しく選定され
ていれば、これらの温度係数は互いにキャンセルされ、
前段増幅回路（３０１）の増幅度は温度依存性をもたな
くなるので、抵抗３１，３２．３３を例えば感温拡散抵
抗３５．３７と同一工程で形成された拡散抵抗等として
も上記実施例と全く同様な効果が得られる。この場合、
感圧素子１〜４、感温拡散抵抗３５．３７及び拡散抵抗
３１．３２．３３をすべて同一工程で製造できるので、
容易にＩＣ化し得る演算増幅器も含め、抵抗３４．３６
を除く上記実施例の構成要素が同一半導体基板上にオン
チップ可能となる。この結果、外付部品数が大幅に削減
され、組立・調整工数の大幅な削減がはかれる。

まだ、上記実施例では、抵抗３４，３６を金属皮膜抵抗
等の温度係数の小さな外付抵抗とし、抵抗３５．３７を
半導体基板上の拡散抵抗とすることにより増幅度に正の
温度係数を与えたが、抵抗３４．３６を感温拡散抵抗３
５及び３７と同一基板上に形成された比較的温度係数の
小さな拡散抵抗で構成することによっても同様に増幅度
に正の温度係数を与えることが可能である。これは、例
えば、抵抗３４．３６と抵抗３５．３７を構成する不純
物拡散領域の不純物濃度をそれぞれ異なる値に設定する
等の方法により達成され、全ＩＣ化圧力変換器の提供を
可能にする。

さらに、上記実施例では、説明の便宜上、抵抗３１〜３
３．３４．３６及び３５．３７がそれぞれ、いずれも単
一の抵抗体で構成されていたが、本発明に従う圧力変換
器では、これらが種々の抵抗値あるいは抵抗温度係数を
有する複数個の抵抗体による■直列接続■並列接続■直
並列接続で構成されたものであっても何らさしつかえな
い。

以上、詳しく説明したように、本発明によれば従来技術
の欠点が解消され、圧力変換器が備えるべき諸性能を損
なうことなく感度温度補償が可能な高性能圧力変換器が
実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧力変換器の典凰的な構成を示す図、第
２図は感度温度補償を施した圧力変換器の従来例を示す
図、第３図は本発明の一実施例を示す図である。 ■−ブリッジ回路、１．２．３．４・・・感圧素子、５
．２５．２６．２７．２８・・・ブリッジ駆動端子、２
００・・・差動増１１１ｉＡ回路、（２０１）・・・前
段増幅回路、（２０２）・・・出力段増幅回路、８．９
．１０・・・演算増幅器１１．１２．１３．１４．１５
．１６．１７・・・抵抗２０・・・出力端子、２１・・
・拡散抵抗、２２・・・抵抗、３００・・・差動増幅回
路、（３０１）・・・前段増幅回路、（３０２）・・・
出力段増幅回路、３０ａ、　３０ｂ、　３０ｃｍ演算増幅器、３１．３２
．３３．３４．３６・・・抵抗、３５．３７・・・感温
拡散抵抗、２９・・・ゼｐ点調整電圧印加端子、

Claims

【特許請求の範囲】

すくなくとも−辺に半導体ダイアクラム上に形成された
不純物拡散領域からなる感圧素子を含むホイートストン
ブリッジ回路と、非反転入力端子がそれぞれ前記ブリッ
ジ回路の不平衡電圧検出端子に導びかれるとともに反転
入力端子が第１の抵抗を介して相互に接続された第１及
び第２の演算増幅器と、該第１及び第２の演算増幅器の
反転入力端子と出力端子の間にそれぞれ接続された第２
及び第３の抵抗と、反転及び非反転入力端子がそれぞれ
第４及び第５の抵抗を介して前記第１及び第２の演算増
幅器の出力端子と接続された第３の演算増幅器と、該第
３の演算増幅器の反転入力端子と出力端子の間に接続さ
れた第６の抵抗と、該第３の演算増幅器の非反転入力端
子とバイアス端子との間に接続された第７の抵抗から成
る圧力変換器において、すくなくとも前記第６及び第７
の抵抗が、前記第４及び第５の抵抗よりも大きな正の抵
抗温度係数を有する感温拡散抵抗を用いて構成されたこ
とを特徴とする圧力変換器。