(57)【要約】      （修正有）【課題】縦続接続することが可能な感圧性増幅段を提供する。【解決手段】感圧性増幅段１０は、第１及び第２のユニポーラ型の圧力センサ用トランジスタ１２，１４，１６、１８を２組備えており、それぞれ圧電抵抗性の電流経路１２ｄ、１４ｄ、１６ｄ、１８ｄを有し、２つのブリッジ部２２，２４を有する圧力測定ブリッジとして接続されている。該電流経路１２ｄ、１４ｄ、１６ｄ、１８ｄは直列に接続されている。２つのユニポーラ型の制御トランジスタ２６，２８を更に備えられており、制御端子２６ａ，２８ａと第１の端子２６ｂ，２８ｂ及び第２の端子２６ｃ，２８ｃの間に配置された電流経路２６ｄ，２８ｄとを有し、第１の端子２６ｂ，２８ｂ同士及び第２の端子２６ｃ，２８ｃ同士は互いに接続されており、制御端子２６ａ，２８ａは、２つのブリッジ部における第１及び第２の圧力センサ用トランジスタの間の接続点２２ａ，２４ａに夫々接続されている。【選択図】図１
2012163565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  ２つのブリッジ部を有する圧力測定ブリッジを備えており、各ブリッジ部には第１及び第２のユニポーラ型の圧力センサ用トランジスタが設けられており、
−  前記第１及び第２の圧力センサ用トランジスタ夫々は、制御端子と、第１の端子及び第２の端子の間に配置された電流経路とを有しており、該電流経路は夫々機械的張力に感応性を有し、各ブリッジ部における前記第１及び第２の圧力センサ用トランジスタの電流経路は直列に接続されており、
−  ２つのユニポーラ型の制御トランジスタを更に備えており、該２つの制御トランジスタは、制御端子と第１の端子及び第２の端子の間に配置された電流経路とを夫々有しており、
−  前記２つの制御トランジスタの前記第１の端子同士及び第２の端子同士は互いに夫々接続されており、前記制御トランジスタの制御端子は、前記２つのブリッジ部における第１及び第２の圧力センサ用トランジスタの間の接続点に夫々接続されており、
−  前記２つの並列接続された制御トランジスタの相互接続された第２の端子は、前記２つの第２の圧力センサ用トランジスタの制御端子に夫々接続されており、
−  第１の供給電圧端子と、前記２つの第１の圧力センサ用トランジスタの第１の端子及び前記制御トランジスタの相互接続された第１の端子との間に接続された第１の電流源を更に備えており、該第１の電流源は、第１の電流を発生させるために設けられており、
−  第２の供給電圧端子と、前記制御トランジスタの相互接続された第２の端子及び前記２つの第２の圧力センサ用トランジスタの制御端子との間に接続された第２の電流源を更に備えており、該第２の電流源は、第２の電流を発生させるために設けられており、
−  前記２つの第１の圧力センサ用トランジスタの制御端子は、夫々の作動入力電圧を印加するための入力端子に接続可能であり、測定出力電圧が、各ブリッジ部における第１及び第２の圧力センサ用トランジスタの間で検知可能であり、
−  前記圧力測定ブリッジの前記測定出力電圧を出力するための出力端子が、更なる圧力測定ブリッジを縦続接続するために、該更なる圧力測定ブリッジの２つの第１の圧力センサ用トランジスタの制御端子に接続され得ることを特徴とする感圧性増幅段。
【請求項２】
前記圧力センサ用トランジスタ及び前記制御トランジスタは略同一の性能であり、前記第１の電流の量は、前記第２の電流の量の略２倍であることを特徴とする請求項１に記載の感圧性増幅段。
【請求項３】
前記第１の電流及び前記第２の電流の差と前記第２の電流との割合が、前記２つの制御トランジスタの各々に対する前記２つの第１の圧力センサ用トランジスタの各々の性能に対応して選択されていることを特徴とする請求項１に記載の感圧性増幅段。
【請求項４】
前記圧力測定ブリッジの振動を防止又は減衰するために、キャパシタンスが、前記２つの第２の圧力センサ用トランジスタの制御端子と前記第２の供給電圧端子との間に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の感圧性増幅段。
【請求項５】
前記第１及び第２の圧力センサ用トランジスタは、PMOSトランジスタとして夫々設計されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の感圧性増幅段。
【請求項６】
前記２つの制御トランジスタは、PMOSトランジスタとして夫々設計されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の感圧性増幅段。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、修正されたホイートストンブリッジを備えた感圧性増幅段に関する。
【背景技術】
【０００２】
MOS 型トランジスタを接続することによって、マイクロメカニカル圧力センサをホイートストンブリッジのように接続することが知られている。このようなブリッジ回路が、例えば、欧州特許出願公開第0006740 号明細書、欧州特許第1152232 号明細書（独国特許出願公開第69917943号明細書）、米国特許出願公開第4275406 号明細書、米国特許出願公開第4459856 号明細書、米国特許出願公開第4522072 号明細書、独国特許発明第4311298 号明細書、独国特許出願公開第4444808 号明細書及び独国実用新案出願公開第7828255 号明細書に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第0006740 号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
MOS 型トランジスタをマイクロメカニカルセンサ内の圧力センサとして使用するとき、例えば、筐体に関連した機械的張力が測定量に影響を及ぼすことを低減するか又は抑えるために、ホイートストンブリッジのように接続された複数の圧力センサの出力信号を組み合わせることが通常必要である。このために、ホイートストンブリッジのように接続された複数の圧力センサは、直列回路及び並列回路の組み合わせで通常接続されている。複数のホイートストンブリッジの出力信号をこのように組み合わせることにより、所望の極性に応じて、ブリッジが並列の構成又は逆並列の構成に切り替えられる。このような配置には、前記複数のホイートストンブリッジの組み合わされた有用な信号全体が、個々の圧力センサ又は個々のホイートストンブリッジの有用な信号ほど強くないという不利点がある。従って、言い換えれば、信号の強度の加算が望ましいにも関わらず、信号の強度を加算せず信号の強度を平均している。
【０００５】
本発明は、縦続接続することが可能な感圧性増幅段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明は、
−  ２つのブリッジ部を有する圧力測定ブリッジを備えており、各ブリッジ部には第１及び第２のユニポーラ型の圧力センサ用トランジスタが設けられており、
−  前記第１及び第２の圧力センサ用トランジスタ夫々は、制御端子と、第１の端子及び第２の端子の間に配置された電流経路とを有しており、該電流経路は夫々（機械的応力とも呼ばれる）機械的張力に感応性を有し、各ブリッジ部における前記第１及び第２の圧力センサ用トランジスタの電流経路は直列に接続されており、
−  ２つのユニポーラ型の制御トランジスタを更に備えており、該２つの制御トランジスタは、制御端子と第１の端子及び第２の端子の間に配置された電流経路とを夫々有しており、
−  前記２つの制御トランジスタの前記第１の端子同士及び第２の端子同士は互いに夫々接続されており、前記制御トランジスタの制御端子は、前記２つのブリッジ部における第１及び第２の圧力センサ用トランジスタの間の接続点に夫々接続されており、
−  前記２つの並列接続された制御トランジスタの相互接続された第２の端子は、前記２つの第２の圧力センサ用トランジスタの制御端子に夫々接続されており、
−  第１の供給電圧端子と、前記２つの第１の圧力センサ用トランジスタの第１の端子及び前記制御トランジスタの相互接続された第１の端子との間に接続された第１の電流源を更に備えており、該第１の電流源は、第１の電流を発生させるために設けられており、
−  第２の供給電圧端子と、前記制御トランジスタの相互接続された第２の端子及び前記２つの第２の圧力センサ用トランジスタの制御端子との間に接続された第２の電流源を更に備えており、該第２の電流源は、第２の電流を発生させるために設けられており、
−  前記２つの第１の圧力センサ用トランジスタの制御端子は、夫々の作動入力電圧を印加するための入力端子に接続可能であり、測定出力電圧が、各ブリッジ部における第１及び第２の圧力センサ用トランジスタの間で検知可能であり、
−  前記圧力測定ブリッジの前記測定出力電圧を出力するための出力端子が、更なる圧力測定ブリッジを縦続接続するために、該更なる圧力測定ブリッジの２つの第１の圧力センサ用トランジスタの制御端子に接続され得る
ことを特徴とする縦続接続可能な感圧性増幅段を提供する。
【０００７】
本発明に係る感圧性増幅段は、通常のホイートストンブリッジの場合のようにユニポーラ型の圧力センサ用トランジスタの形態で実現された４つの圧力センサを備えている。従って、これらのトランジスタは、PMOSトランジスタ、NMOSトランジスタ又はJFETトランジスタとして設計された電界効果トランジスタである。
【０００８】
本発明に係る圧力センサ用トランジスタは、機械的張力（歪み）に感応性を有し（以下、感圧性とも呼ぶ）、例えば、圧電抵抗性動作又は容量性動作のために設計されている。前記圧力センサ用トランジスタは夫々、制御端子と第１の端子及び第２の端子とを有しており、第１の端子及び第２の端子の間に、前記制御端子への作動入力電圧の印加によって作動する感圧性の電流経路が延びている。４つの圧力センサ用トランジスタは、２つのブリッジ部を有する圧力測定ブリッジとして接続されている。
【０００９】
前記２つのブリッジ部の間に、２つのユニポーラ型の制御トランジスタが接続されており、各制御トランジスタは、制御端子と第１の端子及び第２の端子の間に延びる電流経路とを有している。前記２つの制御トランジスタの第１の端子同士は互いに接続されている。同様に、前記２つの制御トランジスタの第２の端子同士も互いに接続されている。２つの制御トランジスタの制御端子は、ブリッジ部における第１及び第２の圧力センサ用トランジスタの間の２つの接続点の内の夫々異なる一方に接続されている。従って、２つの制御トランジスタは２つのブリッジ部における接続点での電位によって制御される。
【００１０】
電流経路が並列に接続されている２つの制御トランジスタの相互接続された第２の端子は、２つの第２の圧力センサ用トランジスタの制御端子に接続されている一方、２つの並列接続された制御トランジスタの相互接続された第１の端子は、２つの第１の圧力センサ用トランジスタの相互接続された第１の端子に接続されている。２つの第１の圧力センサ用トランジスタの第１の端子同士が接続された第１の接続点、及び２つの第２の圧力センサ用トランジスタの制御端子同士が接続された第２の接続点は、第１の電流源及び第２の電流源に夫々接続されており、言い換えれば、前記第１の電流源及び第２の電流源は、第１の供給電圧及び第２の供給電圧を第１の接続点及び第２の接続点に夫々印加する。
【００１１】
第１の電流源から、例えば電流がブリッジ回路に供給され、電流は、２つの第１の圧力センサ用トランジスタと２つの並列接続された制御トランジスタとに分けられる。２つの制御トランジスタの下流側の第２の接続点で、電流は、第２の供給電圧端子に向かって第２の電流源に流される。作動入力電圧が２つの第１の圧力センサ用トランジスタの制御端子に夫々印加される場合、測定出力電圧である出力電圧が、２つのブリッジ部における接続点で検知され得る。本発明に係る複数の感圧性増幅段を縦続接続するために、この測定出力電圧は、更なる感圧性増幅段の第１の圧力センサ用トランジスタの制御端子に印加され得る。
【００１２】
上述された構成に、４つの圧力センサ用トランジスタを有するホイートストン測定ブリッジを備えており、２つの制御トランジスタ及び複数の電流源を更に備えている回路構成の発明概念によって、縦続接続にも関わらず、各感圧性増幅段のホイートストン測定ブリッジの２つの第１の圧力センサ用トランジスタに同一の作動入力電圧が印加されることが可能になる。従って、測定信号が弱められない。このようにして、有用な信号の加算（及び減算）が達成されるため、測定範囲を拡げることができ、信号対雑音比を改善することが可能になる。
【００１３】
本発明の更なる有利な実施形態によれば、圧力センサ用トランジスタ及び制御トランジスタの性能が略同一であり、第１の電流の量は第２の電流の量の略２倍である。従って、例えば第１の電流源によって発生する電流は、２つの第１の圧力センサ用トランジスタと２つの並列接続された制御トランジスタとに均一に分配される。従って、各第１の圧力センサ用トランジスタは、印加される電流の内の４分の１を伝える一方、２つの並列接続された制御トランジスタは、印加される電流の２分の１を伝える。言うまでもなく、本発明は、トランジスタのこのような性能に制限されない。上述された性能とは異なる性能の回路素子の場合には、第１の電流源によって発生する電流は異なる割合で分配される。このような構成については、第２の電流源によって発生する電流の量を適合する必要がある。
【００１４】
本発明の更なる有利な実施形態では、第１及び第２の電流の差と第２の電流との割合が、２つの制御トランジスタの各々に対する２つの第１の圧力センサ用トランジスタの各々の性能に対応して選択されている。
【００１５】
最後に、圧力測定ブリッジの振動を防止又は減衰するために、キャパシタンスが、２つの第２の圧力センサ用トランジスタの制御端子と第２の供給電圧端子との間に接続され得る。
【００１６】
本発明に係る感圧性増幅段は、機械的張力に感応性を有する４つのトランジスタ、すなわち、複数の圧力センサ用トランジスタと、２つの非感圧性トランジスタ、つまり制御トランジスタとを備えている。制御トランジスタは、コモンモード電位を維持すべく機能しており、つまり、縦続接続された各感圧性増幅段の２つの第１の圧力センサ用トランジスタの制御端子に同一の作動入力電圧が印加される。
【００１７】
適切には、前記４つの圧力センサ用トランジスタはPMOSトランジスタである。更に２つの制御トランジスタは、PMOSトランジスタとして適切に実現される。第１の電流源もPMOSトランジスタを有することが可能である一方、第２の電流源はNMOSトランジスタを有する。これら２つの第１及び第２の電流源に関して、一般的には、一方の電流源がブリッジ回路に電流を印加し、他方の電流源がブリッジ回路から流出した電流を受けるので、２つの第１及び第２の電流源は異なる極性のユニポーラ型のトランジスタを有することが可能である。
【００１８】
上記の用語「圧力センサ用トランジスタ」は、例えば水圧、静水圧、空気圧又は機械的圧力がトランジスタに作用する場合に発生するような機械的張力に、制御可能な電流経路が感応性を有するトランジスタを意味するとして理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る単一の感圧性増幅段の接続部分を示す図である。
【図２】図１による２つの感圧性増幅段を直列接続することにより得られる２つの感圧性増幅段の縦続接続部分を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
当業者が本発明を実施可能であるようにし、本発明の最良の態様を含めて、本発明を完全に実施可能にする開示を、添付図面を参照して以下に更に詳細に述べる。
【００２１】
図１には、感圧性増幅段10の全体的構造が図示されている。感圧性増幅段10は、４つの感圧性トランジスタ（圧力センサ用トランジスタ）12,14,16,18 を備えており、圧力センサ用トランジスタ12,14,16,18 は、２つのブリッジ部22,24 を有するホイートストンブリッジ20（圧力測定ブリッジ）として接続されている。つまり、ブリッジ部22には第１及び第２のユニポーラ型の圧力センサ用トランジスタ12,16 が設けられており、ブリッジ部24には第１及び第２のユニポーラ型の圧力センサ用トランジスタ14,18 が設けられている。圧力センサ用トランジスタ12,14,16,18 は、制御端子12a,14a,16a,18a と２つの第１の端子12b,14b,16b,18b 及び第２の端子12c,14c,16c,18c とを夫々有しており、第１の端子12b,14b,16b,18b と第２の端子12c,14c,16c,18c との間に、本実施形態では圧電抵抗性電流経路である電流経路12d,14d,16d,18d が延びている。４つの圧力センサ用トランジスタ12,14,16,18 は、例えばPMOSトランジスタとして設計されている。
【００２２】
２つの制御トランジスタ26,28 が２つのブリッジ部22,24 における接続点22a,24a の間に接続されており、制御トランジスタ26,28の非感圧性の電流経路26d,28d が並列に接続されている。２つの制御トランジスタ26,28 の制御端子26a,28a が、夫々の異なるブリッジ部22,24 における接続点22a,24a に接続されている。２つの制御トランジスタ26,28 の第１の端子26b,28b 同士が互いに接続されており、同様に、２つの制御トランジスタ26,28 の第２の端子26c,28c 同士が互いに接続されている。２つの第１の端子26b,28b は、２つの第１の圧力センサ用トランジスタ12,14 の第１の端子12b,14b に更に夫々接続されている。２つの制御トランジスタ26,28 の第２の端子26c,28c は、２つの第２の圧力センサ用トランジスタ16,18 の制御端子16a,18a に夫々接続されている。
【００２３】
第１の供給電圧端子VDD と圧力測定ブリッジ20の２つの第１の圧力センサ用トランジスタ12,14との間に、第１の電流源30が第１の電流I を発生させるために接続されている一方、制御トランジスタ26,28 の第２の端子26c,28c の間に、第２の電流源32が接続されており、第２の電流源32は第２の供給電圧端子VSS から供給される。更に、図１に示されているように、圧力測定ブリッジ20はキャパシタンス34を介して第２の供給電圧端子VSS に接続されている。
【００２４】
２つの第１及び第２の電流源30,32 は、例えば反対の伝導性型のMOSFETトランジスタによって実現されている。
【００２５】
第１及び第２の電流源30,32 の性能と圧力センサ用トランジスタ12,14,16,18及び制御トランジスタ26,28 の性能とは、第１の電流源30によって印加される第１の電流I の２分の１が制御トランジスタ26,28 の電流経路26d,28d を通って流れ、第１の電流I の４分の１が２つの第１の圧力センサ用トランジスタ12,14 を夫々通って流れるように選択されている。
【００２６】
作動入力電圧IN P, IN N（例えば夫々0.5 ボルト）が、２つの第１の圧力センサ用トランジスタ12,14 の制御端子12a,14a に印加される場合、電圧が、局所的な有効圧力にも基づき２つの第１の圧力センサ用トランジスタ12,14 で低下し、特には出力端子OUT N, OUT Pで平均して同一の電圧（例えば出力端子OUT Nで0.4 ボルト及び出力端子OUT Pで0.6 ボルト）が再度印加されるように、２つの第１の圧力センサ用トランジスタ12,14 の下流側の電位が、２つの制御トランジスタ26,28 を制御するために接続点22a,24a を介して使用される。従って、出力電圧は、平均して入力電圧と同じ大きさである。作動入力電圧IN P, IN Nと出力端子OUT N, OUT Pでの電圧との差が、圧力測定ブリッジ20に作用する測定された圧力であって測定された機械的張力を表す。
【００２７】
従って、上記に説明したように、感圧性増幅段10は、（入力端子IN P, IN Nでの）入力から（出力端子OUT N,OUT Pでの）出力に不変のコモンモード電位を伝える。このため、図１に図示された感圧性増幅段10を複数、例えば図２に図示されているように縦続接続することが可能になる。図２には、第２の感圧性増幅段10' の出力端子で電圧差を更に大きくすることが可能な一例が図示されている（出力端子OUT Nでは例えば0.3 ボルトであり、出力端子OUT Pでは例えば0.7 ボルトである）。ここでも、コモンモード電位（出力端子OUT N及び出力端子OUT Pでの電圧の平均値）が同一のままであることが明らかである。
【００２８】
本発明の感圧性増幅段では、有用な信号を増幅するために圧力センサ用トランジスタ12,14,16,18 が使用されており、そのため、複数の感圧性増幅段を縦続接続することができ、有用な信号を合算する。更に、実際のホイートストンブリッジ（圧力測定ブリッジ20）は不変のままである。単に、４つの圧力センサ用トランジスタ12,14,16,18 の制御端子12a,14a,16a,18a を異なる方法で配線するだけでよく、複数の更なる非感圧性トランジスタ、つまり２つの制御トランジスタ26,28 （及び、第１及び第２の電流源30,32 のためにトランジスタを使用する場合、更にこれらのトランジスタ）を追加するだけでよい。
【００２９】
本発明に係る回路を、図１及び２を参照して実施形態により上記に説明した。本実施形態に関して、４つの圧力センサ用トランジスタ12,14,16,18 が、同一の性能を有しながら、差動増幅を夫々実現する組立体が示されている。制御トランジスタ26,28 は第１及び第２の電流源30,32 と共に、出力コモンモード電位（VOUT N−VOUT P）／２が入力コモンモード電位（VIN N ＋VIN P ）／２に相当するように、２つの第２の圧力センサ用トランジスタ16,18 の制御端子を制御する。そのため、様々な段階が、入力端子IN N, IN Pを出力端子OUT N, OUT P及び出力端子OUT P, OUT Nに接続することにより縦続接続され得る一方、圧力に基づく信号を加算することが可能になる。
【００３０】
夫々の用途に応じて、上述された複数の縦続接続された感圧性増幅段10の組み合わせが、例えば感圧性演算増幅器の入力段として機能し得る。代替例として、合算信号も、最終段で検知され、（任意には更なる中間増幅の後に）ADC に与えられ得る。
【００３１】
本発明は、本発明の特定の例示的な実施形態を参照して説明され図示されているが、本発明をこれらの例示的な実施形態に制限することを意図していない。当業者は、添付の特許請求の範囲に定義されているような本発明の真の範囲から逸脱せずに変更及び調整がなされ得ることを認識する。従って、添付の特許請求の範囲及びこれらの等価物の範囲内に含めるように、このような全ての変更及び調整を本発明の範囲内に含めることを意図している。
【００３２】
本発明は、2011年２月７日付で出願された欧州特許出願第11153549.8号明細書の優先権を主張しており、その内容全体が参照してここに組み込まれる。
【符号の説明】
【００３３】
10  感圧性増幅段
10' 縦続接続された感圧性増幅段
12  圧力センサ用トランジスタ
12a 圧力センサ用トランジスタの制御（ゲート）端子
12b 圧力センサ用トランジスタの第１の（ドレイン）端子
12c 圧力センサ用トランジスタの第２の（ソース）端子
12d 圧力センサ用トランジスタの電流経路
14  圧力センサ用トランジスタ
14a 圧力センサ用トランジスタの制御（ゲート）端子
14b 圧力センサ用トランジスタの第１の（ドレイン）端子
14c 圧力センサ用トランジスタの第２の（ソース）端子
16  圧力センサ用トランジスタ
16a 圧力センサ用トランジスタの制御（ゲート）端子
16b 圧力センサ用トランジスタの第１の（ドレイン）端子 
16c 圧力センサ用トランジスタの第２の（ソース）端子
16d 圧力センサ用トランジスタの電流経路
18  圧力センサ用トランジスタ
18a 圧力センサ用トランジスタの制御（ゲート）端子
18b 圧力センサ用トランジスタの第１の（ドレイン）端子
18c 圧力センサ用トランジスタの第２の（ソース）端子
18d 圧力センサ用トランジスタの電流経路
20  圧力測定ブリッジ
22  圧力測定ブリッジのブリッジ部
22a ブリッジ部における接続点
24  圧力測定ブリッジのブリッジ部
24a ブリッジ部における接続点
26  制御トランジスタ
26a 制御トランジスタの制御（ゲート）端子
26b 制御トランジスタの第１の（ドレイン）端子
26c 制御トランジスタの第２の（ソース）端子
26d 制御トランジスタの電流経路
28  制御トランジスタ
28a 制御トランジスタの制御（ゲート）端子
28b 制御トランジスタの第１の（ドレイン）端子
28c 制御トランジスタの第２の（ソース）端子
28d 制御トランジスタの電流経路
30  第１の電流源
32  第２の電流源
34  キャパシタンス
【図１】
2012163565.tif 000003
【図２】
2012163565.tif 000004