JPS6097231A

JPS6097231A - 圧力変換器

Info

Publication number: JPS6097231A
Application number: JP58205235A
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、単にブリッジ回路と略称する）を構
成１２、印加圧力によるダイアフラムの歪みｌこ応して
生じる該感圧素子の抵抗値変化を、該ブリッジ回路を定
電圧あるいは定常流源でＭＫ動することによって該プ１
ノシジ回路の不平＃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に比
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、」刈は感圧素
子１．２．３．４で構成されるプリッジ回路、５は該ブ
リッジ回路に定電圧を印加するだめの駆動端子、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Ｕ副
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２０
０によって増幅・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１０．旦の不平衡電圧△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出の端子６及び７
の電圧をともにＶ（ｍ、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ｖｔ（＝△Ｅ／２
）及びｖｌ（＝−△Ｅ／２）、抵抗１１．１２及び１３
の抵抗値をそれぞれＲ＋　Ｒｔ及びＲ３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
Ｖｅｌ及びｖ、ｚはそれぞれ次式で与えられる。

■。＋　＝■、十＝　（Ｖｌ　−Ｖｌ　）　＋Ｖｃｍ　
（１）Ｉ１ｖ、、＝ｖ２＋（ｖｇ−ｖｔ）＋Ｖｃｍ　（２）Ｒｏ一方、抵抗１４〜１７及び演算増幅器１０から成る出力
段増１腐回路（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、”、、Ｒ＠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４は次式で
与えられる。

ここでＶｌｌ、Ｖｌｌ及びＶｌｃ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ＶａＩ及びｖ、２
　との関係は、それぞれＶ＋ａ＝（Ｖａｔ　Ｖａ＋　）
／２＝＝＋ｙ、、、％Ｑｃ＝（ｖｓ＋＋’／ａｔｙ２で
定義される。そこでいま、前段増幅回路（２０１）にお
ける抵抗１２と１３の抵抗値が等しく選定されていると
（Ｒｔ＝Ｒｓ　）、ｖａｔ　、’％’ｌｌ及びＶｉｇは
それぞれ次のようになる。

ｖＩａ＝Ｖｔｘ　（′、’　ｖ＋＝　ｖｔ）　（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、鳥、Ｒ６及びＲ７
をＲＡａ　＝　Ｒ７／ｉｔｓ　（Ｒ４Ｒｔ　＝　Ｒ５Ｒ
５）に選定すれば、（３）式となり、同相電圧成分ｖｃ
ＩＩＬは除去され、ズリツジ不平衡電圧△Ｅ　（＝＝ｙ
、ｖｔ）が増幅、シングルエンド化された出力型、圧ｖ
０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つた。

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
にエリ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、２
２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のフィードバック回路（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２５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■、を
抵抗１７を介して演算増幅器ｌＯ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ｐ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踏の抵ＩＸ値を
８７とすると、該圧力変換器の出力電圧ｖ０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、差動
電圧成分（ＶＨ−Ｖｌｌ　）にのみ比例した出力電圧Ｖ
。を得るためにはＲ４Ｒ７１６ｓ　＝Ｏなる関係が恒等
的に成立しなげればならない。しかしながら、上記構成
の圧力変換器では、ｋのみが正の温度係数を示し、Ｒ４
，Ｒ，及びＲ７は温度依存性をもたない（またはＲｙに
比べ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ｖｌ、に依存したオフセク
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、（７）式の第４項から明らかなように、ゼ
ｐ点調整電圧Ｖ、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（ＰＩ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−辺に半導体ダイアフラ
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
むホイートストンプリンジ回路と、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ひか
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ｈ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２及び第３の抵抗が、前記第１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、１００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は該ブリッジ回路堕Ａ−を定
電圧駆動するだめの駆動端子をそれぞれ示し、所は３個
の演算増幅器３０ａ、３０ｂ。

３０ｃと抵抗３１．３４．３５．３６．３７及び抵抗３
１よりも大きな正の抵抗温度係数を有する感温拡散抵抗
３２．３３とで構成される差動増幅回路を示す。本実施
例における差動増幅回路３００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（３
０１）でブリッジ不平衡電圧の増幅とインピーダンス変
換を行ない、演算増幅器３０ｅを用いた出力段増幅回路
（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、前段増幅１ｇｌ路（３０１）を構成する演算増幅器
３０ａ、　３０ｂのフィードバック回路が、抵抗３１よ
りも大きな正の温度係数を有する感温拡散抵抗３２及び
３３で構成されている点にある。

本実施例における抵抗３１としては、抵抗３４〜３７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３２及び３３　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、圧力が印加されない状態でのブリッ
ジ回路ＩＱＯの端子６及び７の嘗圧をともにＶの（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Ｖ！及びｖｌ（△
Ｅ　＝＝　Ｉ／２ｖｌ　）とし、ｖ２＝△Ｅ／２及びｖ
ｌ−一ΔＥ／２なる対称な電圧変化が得られるものとす
る。また、抵抗３１．３４．３５．３６．３７の抵抗値
は、第１図の１１．１４．１５．１６．１７と同じ＜　
Ｒｔ　、］七４　、Ｒｓ　、　Ｒ６、Ｒｔを用いて表わ
し、感温拡散抵抗３２及び３３の抵抗値はＲ，２（１＋
αｔ）及びＲ０３（１＋ｇｔ　）で表わすこととする。

ここで、Ｒ０２及びＲ０３は基準温度における感温拡散
抵抗３２及び３３の抵抗値、ηは該感温拡散抵抗３２及
び３３の抵抗温度係数、ｔは前記基準温度からの温度の
変化をそれぞれ示しており、感温拡散抵抗３２及び３３
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
、両者についてのへ及びｔはともに等しい値となる。

以上を前提として、本実施例の演算増幅器３０ａ及び３
０ｂの出力端子３８及び３９に得られる雷、圧Ｖａｌ及
びｖｅ２は（１）及び（２）式と同様にしてそれぞれ次
式で１ｔ０２（１＋　ａｔ　ｔ　）Ｖｏｌ　＝＝　’Ｖｌ　十−−−（ｖｌ　Ｖｌ　）　＋
　Ｖσ　（８）１Ｒ，ａ　（１＋ｃｔｔ　）ｖｏｘ　＝　Ｖｌ　＋　−（Ｖｌ　Ｖｌ　）　＋　Ｖ鑵
　（９）１したがって、感温拡散抵抗３２及び３３のパターン上に
おける拡散幅Ｗと拡散長しの比（Ｗ／Ｌ）が等しく選ば
れ％　Ｒ０２”’　Ｒ６３が満足されているとすると、
出力増幅回路（３０２）に対する入力電圧の差動成分ｖ
Ｉ２、ｖｌｌ及び同相成分Ｖｌｃはそれぞれ次のように
なる。

’Ｖ６２　Ｖ６！　２Ｒｏｚ（Ｉ軸ｔ）　ｖｚ　ＶＩＶ
ｉ２　、、　−（”’−Ｒ，ｌ”　ｚ−−’ｕ　（１ｄ
ｖｏ２　＋ｖ６＋ｖ、Ｃ＝　−−＝　Ｖ　ｃｍ　（’、°Ｖ２　＝　１ｔ
　）　（１１）いま、端子２９に印加されるゼｐ点Ｎ、
１１圧をＶ、＝Ｏとすると、出力段増幅回路（３０２）
の演算増幅器３０ｃの出力端子４０に得られる出力電圧
Ｖ、は前述のように（３）式で与えられるから、いま抵
抗３４，３５．３６．３７の抵抗値を等しく選ぶと、（
３）式はとなり、同相電圧成分■σが完全に除去され、
ブリッジ回路す隻の不平衡電圧△Ｅ　（＝　ｖ２−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
、（１２＞式から明らかなように、本実施例では、差動
増幅回路功ｌの増幅度に感温拡散抵抗３２及び３３の正
の温度係数■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、本実施例では出力段増幅回路（３０２）の
各抵抗要素３４〜３７かいずれも実用上固定抵抗と見な
し得る程度に温度係数の小さな抵抗で構成されているの
で第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７ンバランスは生じない。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Ｖα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にゼロ点調整電圧Ｖ、が印
加されても、該電一定に保たれるので、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、本実施例によれば、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４ｐＡの増幅度の温度係数、すなわ
ち感温拡散抵抗３２及び３３の抵抗温度係数（正の値）
を、ブリッジ回路ｊ　ＯＯ−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
く選べはよい。これは、一般には、感圧素子１〜４と感
温拡散抵抗３２．３３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　”ｃｒ
ａＪ’　”及び１０”　’ｃｎＶ　”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）の絶対愉が等しくなる。したがって表面不純物濃
度を上記条件に選べば、感度温度補償のための感温拡散
抵抗３２．３３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３−匹の出力段増幅回
路（３０２）を構成する抵抗３４〜３７を、抵抗３１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、抵抗３４
〜３７間で温度係数が等しく選ばれているならばこれら
を温度依存性をもつ抵抗で構成しても上記実施例と同様
な効果が得られる。そのような構成の例を第４図に示す
。

第４図は本発明の第２の実施例を示す構成図で、ブリッ
ジ回路！ｉ９．及び差動増幅回路３００の前段増幅回路
（３０１’）は第３図と全く同一の構成要素から成って
おり、出力増幅回路（３０２）の演算増幅器３０ｃに拡
散抵抗４４．４５．４６．４７が接続されている。該拡
散抵抗４４〜４７としては例えば感温拡散抵抗３２．３
３と同一工程で形成さねたものを用いることができる。

その場合、基準温度における該拡散抵抗４４．４５．４
６．４７の各抵抗値をそれぞれＲａ４　％　Ｒ６５、Ｒ
６ｓ　、　Ｒ０？とすると、演算増幅器３０ｃの出力端
子４０に得られる出力電圧ｖ０は（３）式のＲ４ｔ　Ｒ
０４（１＋ｇｔ　）　に、　Ｆｔｓ　ｆｃＲ，、ｓ　（
１＋ｍｔ　）　に、Ｒ６をＲ，ａ　（１＋ｏｃｔ　）に
、Ｒ７をＲａ７　（１＋Ｏ（ｔ　）にそれぞれ置き換え
ることにより与えられる。ここに〆は該拡散抵抗の抵抗
温度係数、ｔは前記基準温度からの温度の変化であるが
、拡散抵抗４４〜４７は同一基板上に同一工程で形成さ
れているため、各抵９ンについての区及びｔはともに等
しい値となる。この結果、（３）式から容易に推察され
る如く、（１＋ぴｔ）項はすべてキャンセルされるので
、拡散抵抗４４〜４７のパターン上の寸法を等しく選定
すれば（Ｒ０４＝　Ｒ０５＝　Ｒ６＝Ｒ０７）、前記第
１の実施例と全く同様に（１，１式に従う出力電圧Ｖ、
が得られる。

本実施例に工れば、感圧素子１〜４、感温拡散抵抗３２
．３３及び拡散抵抗４４〜４７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３１を除くすべての構成要素を同一基板上にオンチッ
プＩＣ化することができる。

そして、差動増幅回路３０ｆｉの基準温度における増幅
度の調整すなわち圧力感度の調整は抵抗３１の抵くシ′ 抗値のみより行なうことができる。したがって、本実施
例ζこよれば、前記第１の実施例と同じく高性能な感度
湿度補償が達成された上、ＩＣ化による量産性に適し、
かつ調整の簡便な優れた圧力変換器が得られる。

なお、上記２実施例では、抵抗３］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３２及び３３　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３１を感温拡散抵抗３２及び
３３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３１と抵抗３２．３３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で達
成され、全ＩＣ化圧力変換器の提供を可能にする。

また、上記２実施例では、説明の便宜上抵抗３１．３２
．３３．３４〜３７．４４〜４７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、２実施例を挙げて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型的な構成を示す図、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、第４図は本発
明の第２の実施例を示す図でめる。１０ｊＪ、−・・・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、ζ００・・・差動増幅回路、（２０１）・
・・前段増幅回路、（２０２）・・・出力段増幅回路、
８．９．１０・・・演算増幅器、１１．１２．１３．１
４．１５．１６．１７・・・抵抗、２０・・・出力端子
、２１・・・拡散抵抗、２２・・・抵抗、部用・・・差
動増幅回路、（３０１）・・・前段増幅回路、（３０２
）・・・出力段増幅回路、３０　ａ、　３０　ｂ、　３０　ｃ−−−演算増幅器、
３１．３４．３５．３６．３７・・・抵抗、３２．３３
・・・感温拡散抵抗、２９・・・ゼ、Ａ調整電圧印加端子、４０・・・出力端
子、４４．４５．４６．４７・・・拡散抵抗代理人弁理
士内原　晋

Claims

【特許請求の範囲】

すくすくとも−辺に半導体ダイアフ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
ジ回路の不平衡型、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２及び第
３の抵抗が、前記第１の抵抗エリ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％
ｑ欺とする圧力変換器。