(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗素子を組み合わせて構成され被検出物理量に応じた電圧値の検出信号を発生するセンシング用ブリッジ回路と、
抵抗素子を組み合わせて構成され前記センシング用ブリッジ回路の温度に応じた電圧値の温度信号を発生する温度検出用ブリッジ回路と、
前記被検出物理量及び前記センシング用ブリッジ回路の温度と無関係に一定の電圧値となる基準信号を出力する基準電圧発生回路と、
前記検出信号、温度信号及び基準信号を選択的に出力するアナログマルチプレクサと、
オペアンプにより構成され前記アナログマルチプレクサから順次出力される信号を増幅する差動増幅回路と、
前記センシング用ブリッジ回路及び温度検出用ブリッジ回路の双方に設けられ、各ブリッジ回路から出力される前記検出信号及び温度信号の電位レベルを前記基準信号の電位レベルと等しくなる状態に調整可能なトリミング用抵抗と、
前記差動増幅回路により増幅された前記検出信号、温度信号及び基準信号に基づいた演算処理により当該検出信号に対応した物理量検出値を前記温度信号及び基準信号により補正した状態で算出する信号処理手段とを備えたことを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記差動増幅回路により増幅された前記検出信号、温度信号及び基準信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路を備え、
前記信号処理手段は、前記Ａ／Ｄ変換回路からのデジタルデータに基づいたデジタル演算処理により前記検出信号に対応した物理量検出値を前記温度信号及び基準信号により補正した状態で算出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記Ａ／Ｄ変換回路は、反転動作時間が電源電圧に応じて変化する複数個の反転回路をリング状に連結して成るリングゲート遅延回路を含んで成り、前記検出信号、温度信号及び基準信号が前記リングゲート遅延回路に電源電圧として与えられた各状態で当該リングゲート遅延回路にパルス信号が入力されたときのパルス信号周回数に基づいて前記検出信号、温度信号及び基準信号をデジタルデータに変換する構成のものであることを特徴とする請求項２記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記差動増幅回路は、増幅出力電圧を持ち上げるための定電圧電源を有して構成されていることを特徴とする請求項３記載のセンサ装置。
【請求項５】
抵抗素子を組み合わせて構成され被検出物理量に応じた電圧値の検出信号を発生するセンシング用ブリッジ回路と、
抵抗素子を組み合わせて構成され前記センシング用ブリッジ回路の温度に応じた電圧値の温度信号を発生する温度検出用ブリッジ回路と、
前記被検出物理量及び前記センシング用ブリッジ回路の温度と無関係に一定の電圧値となる基準信号を出力する基準電圧発生回路と、
前記検出信号、温度信号及び基準信号を選択的に出力するアナログマルチプレクサと、
オペアンプにより構成され前記アナログマルチプレクサから順次出力される信号を増幅する差動増幅回路と、
前記差動増幅回路により増幅された前記検出信号、温度信号及び基準信号に基づいた演算処理により当該検出信号に対応した物理量検出値を上記温度信号及び基準信号により補正した状態で算出する信号処理手段とを備えたセンサ装置の調整方法であって、
前記基準信号の電位レベルを測定し、当該測定結果を記憶する工程の後、
前記検出信号の電位レベルを測定しながら前記センシング用ブリッジ回路に設けられたトリミング用抵抗のレーザトリミングを開始し、前記検出信号の測定電位レベルが前記測定結果と所定の許容誤差範囲内まで近くなった時点で当該レーザトリミングを終了する工程と、
前記温度信号の電位レベルを測定しながら前記センシング用ブリッジ回路に設けられたトリミング用抵抗のレーザトリミングを開始し、前記温度信号の測定電位レベルが前記測定結果と所定の許容誤差範囲内まで近くなった時点で当該レーザトリミングを終了する工程とを行うことを特徴とするセンサ装置の調整方法。
【請求項６】
前記センサ装置には、反転動作時間が電源電圧に応じて変化する複数個の反転回路をリング状に連結して成るリングゲート遅延回路を含んで成り、前記差動増幅回路により増幅された前記検出信号、温度信号及び基準信号が前記リングゲート遅延回路に電源電圧として与えられた各状態で当該リングゲート遅延回路にパルス信号が入力されたときのパルス信号周回数に基づいて前記検出信号、温度信号及び基準信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路が備えられ、
前記信号処理手段は、前記Ａ／Ｄ変換回路からのデジタルデータに基づいたデジタル演算処理により前記検出信号に対応した物理量検出値を前記温度信号及び基準信号により補正した状態で算出することを特徴とする請求項５記載のセンサ装置の調整方法。
【請求項７】
前記差動増幅回路は、増幅出力電圧を持ち上げるための定電圧電源を有していることを特徴とする請求項６記載のセンサ装置の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センシング用ブリッジ回路からの検出信号を、そのセンシング用ブリッジ回路の温度特性に応じて補正した状態で信号処理することにより物理量を検出するようにしたセンサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体チップ上に作り込まれる圧力センサ装置の一例として、以下のような構成のものが考えられている。即ち、この圧力センサ装置は、ピエゾ抵抗係数が大きな半導体より成るセンサチップ上に、被検出圧力に応じた電圧値の検出信号を発生する圧力検出用ブリッジ回路と、このブリッジ回路の温度に応じた電圧値の温度信号を発生する温度検出用ブリッジ回路とが拡散抵抗を利用して形成され、また、上記センサチップ若しくはこれと異なる半導体チップ上に、上記圧力検出用ブリッジ回路に作用する圧力及びそのブリッジ回路の温度と無関係に一定の電圧値となる基準信号を発生する基準電圧発生回路が拡散抵抗を利用して形成される。さらに、前記検出信号、温度信号及び基準信号を選択的に出力するアナログマルチプレクサと、このアナログマルチプレクサから順次出力される信号を増幅する差動増幅回路と、この差動増幅回路により増幅された前記検出信号、温度信号及び基準信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路と、このＡ／Ｄ変換回路からのデジタルデータに基づいた演算処理により前記検出信号に応じた圧力検出値を前記温度信号及び基準信号により補正しながら算出する補正演算回路とが設けられる。
【０００３】
このような構成により、検出信号、温度信号及び基準信号をアナログマルチプレクサを通じて時分割処理すると共に、それらの信号に対応した複数種類のデジタルデータを同一の差動増幅回路及びＡ／Ｄ変換回路を用いて採取し、斯様に採取したデジタルデータに基づいたデジタル的な補正演算により、感度やオフセットなどに対する温度補償を施した精度の高い圧力検出値を得るようにしている。この場合、最終的にデジタルデータに変換される検出信号、温度信号及び基準信号は、全て同じアナログ回路（アナログマルチプレクサ、差動増幅回路、Ａ／Ｄ変換回路）を通過する構成であるから、その信号伝送系統での回路定数の変動に起因した各信号のドリフト成分が互いにキャンセルされることになり、結果的に、圧力検出値の精度を長期間に渡って良好な状態に維持できるようになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような圧力センサ装置内の差動増幅回路は、オペアンプを利用して構成されるのが一般的である。ところが、理想オペアンプにあっては、差動入力電圧が同じであれば常に同じ出力電圧が得られるのに対して、実際のオペアンプにあっては、入力電位レベルの高低に応じてオフセット値などの温度特性が異なるという特性があるため、差動入力電圧が同じであっても入力電位レベルが相違する場合には出力電圧が変化するという事情が存在する。このため、前記圧力センサ装置においては、検出信号、温度信号及び基準信号の増幅に同一の差動増幅回路を利用することによって、当該差動増幅回路の温度特性などに起因した信号レベルの変動をキャンセルする構成としているにも拘らず、それら各信号の電位レベルが異なる場合には、上述した特性に起因した出力電圧の変動分をキャンセルできなくなる。従って、このような場合には、補正演算回路において、検出信号に応じた圧力検出値を温度信号及び基準信号により補正する際に、その補正が不正確になることが避けられず、結果的に感度やオフセットに対する温度補償が不十分になって、検出誤差が拡大するという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検出物理量を示す検出信号の増幅及びその検出信号を温度補償するための温度信号の増幅に同一のオペアンプを利用する構成とすることにより物理量の検出精度の向上を図る場合に、最終的に得られる物理量検出値の誤差を十分に小さくできるようになるセンサ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載した手段を採用することができる。この手段によれば、センシング用ブリッジ回路から被検出物理量に応じた電圧値の検出信号が出力されると共に、温度検出用ブリッジ回路から上記センシング用ブリッジ回路の温度に応じた電圧値の温度信号が出力される。アナログマルチプレクサは、センシング用ブリッジ回路からの検出信号、温度検出用ブリッジからの温度信号を選択的に通過させるようになり、その通過信号が、オペアンプにより構成された差動増幅回路によって増幅されて出力されるようになる。このように、検出信号及び温度信号が同じ差動増幅回路により増幅される構成であるから、その差動増幅回路の回路定数の変動に起因した各信号のドリフト成分を互いにキャンセルできることになり、結果的に、当該差動増幅回路からの出力信号に基づいて得られる物理量検出値の精度を長期間に渡って良好な状態に維持できるようになる。また、アナログマルチプレクサが設けられているから、多数のオペアンプを必要としないものであり、以て全体の小型化を実現できるようになる。しかも、比較的大きな面積を占有することになる差動増幅回路を、検出信号及び温度信号の増幅用に兼用する構成となっているから、多数の差動増幅回路を設ける必要がなくなって、この面からも全体の小型化を実現できるようになる。
【０００７】
この場合、抵抗素子を組み合わせて構成されたセンシング用ブリッジ回路及び温度検出用ブリッジ回路にあっては、それらの少なくとも一方に設けられたトリミング用抵抗によって、それぞれから出力される検出信号及び温度信号の電位レベルが互いに等しくなる状態に調整することができる。このように調整された状態では、前記差動増幅回路を構成するオペアンプの特性、具体的には、入力電位レベルの高低に応じて温度特性が異なるという特性が存在するという状況下にあっても、その特性が差動増幅回路からの出力電圧に悪影響を及ぼす事態を未然に防止できるようになり、結果的に最終的に得られる物理量検出値の誤差を十分に小さくできるようになる。
【０００８】
アナログマルチプレクサは、センシング用ブリッジ回路からの検出信号及び温度検出用ブリッジ回路からの温度信号の他に、基準電圧発生回路からの基準信号を選択的に通過させるようになり、その通過信号が差動増幅回路によって増幅されて出力されるようになる。この場合、信号処理手段は、上記差動増幅回路により増幅された前記検出信号、温度信号及び基準信号に基づいた演算処理により当該検出信号に対応した物理量検出値を上記温度信号及び基準信号により補正した状態で算出するようになる。つまり、検出信号、温度信号及び基準信号をアナログマルチプレクサを通じて時分割処理すると共に、それらの信号を同一の差動増幅回路を通じて増幅し、斯様に増幅した信号に基づいた補正演算により、感度などに対する温度補償を施した精度の高い物理量検出値を得るようにしている。
【０００９】
この場合、センシング用ブリッジ回路及び温度検出用ブリッジ回路の双方にトリミング用抵抗が設けられているから、それらトリミング抵抗によって、各ブリッジ回路から出力される検出信号及び温度信号の電位レベルを前記基準信号と等しくなる状態に調整することができる。このように調整された状態では、前記差動増幅回路を構成するオペアンプの特性、具体的には、入力電位レベルの高低に応じて温度特性が異なるという特性が存在するという状況下にあっても、その特性が差動増幅回路からの出力電圧に悪影響を及ぼす事態を未然に防止できるようになり、結果的に、信号処理手段での演算処理により算出される物理量検出値の誤差を十分に小さくできるようになる。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、アナログマルチプレクサを選択的に通過した後に差動増幅回路により増幅された検出信号、温度信号及び基準信号がＡ／Ｄ変換回路によりデジタルデータに変換されると共に、信号処理手段が当該デジタルデータに基づいたデジタル演算処理を行うことにより、前記検出信号に応じた物理量検出値を前記温度信号及び基準信号により補正した状態で算出するようになる。つまり、検出信号、温度信号及び基準信号をアナログマルチプレクサを通じて時分割処理すると共に、それらの信号に対応した複数種類のデジタルデータを同一の差動増幅回路及びＡ／Ｄ変換回路を用いて採取し、斯様に採取したデジタルデータなどに基づいた補正演算（デジタル演算）により、感度などに対する温度補償を施した精度の高い物理量検出値を得るようにしている。このように、信号処理手段での演算をデジタル的に行う構成によれば、センサ感度に対し安定した温度補償機能が得られるようになる。
【００１１】
請求項３記載の手段によれば、センシング用ブリッジ回路からの検出信号、温度検出用ブリッジ回路からの温度信号、基準電圧発生回路からの基準信号を、Ａ／Ｄ変換回路内のリングゲート遅延回路に電源電圧として与えると、当該Ａ／Ｄ変換回路は、このように電源電圧が与えられた各状態でリングゲート遅延回路にパルス信号が入力されたときのパルス信号周回数に基づいて上記検出信号、温度信号及び基準信号をデジタルデータに変換するようになる。
【００１２】
このようなリングゲート遅延回路を利用したＡ／Ｄ変換回路にあっては、変換速度の大幅な向上を実現できるという利点があるため、物理量検出値の算出のために必要な時間の大幅な短縮を実現できるようになる。
請求項４記載の手段によれば、差動増幅回路は、増幅出力電圧を持ち上げるための定電圧電源を有して構成されている。
請求項５〜７記載の手段によれば、上述したセンサ装置の調整方法であって、基準信号の電位レベルを測定し、この測定結果を記憶する工程の後、検出信号の電位レベルを測定しながらセンシング用ブリッジ回路に設けられたトリミング用抵抗のレーザトリミングを開始し、検出信号の測定電位レベルが前記測定結果と所定の許容誤差範囲内まで近くなった時点でレーザトリミングを終了する工程、並びに温度信号の電位レベルを測定しながらセンシング用ブリッジ回路に設けられたトリミング用抵抗のレーザトリミングを開始し、温度信号の測定電位レベルが前記測定結果と所定の許容誤差範囲内まで近くなった時点でレーザトリミングを終了する工程を行うことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を半導体圧力センサ装置に適用した一実施例について図面を参照しながら説明する。
全体の電気的構成を示す図１において、本実施例による半導体圧力センサ装置は、圧力検出用のセンサ部１と、このセンサ部１からの出力を処理するための信号処理部２とを備えた構成となっており、これらセンサ部１及び信号処理部２は、異なる半導体チップ上に分離した状態で形成されている。
【００１４】
センサ部１は、ピエゾ抵抗係数が大きな半導体チップ（例えばシリコン単結晶基板）を利用して形成されたもので、圧力検出用ブリッジ回路３（本発明でいうセンシング用ブリッジ回路に相当）と、この圧力検出用ブリッジ回路３の温度を検出するための温度検出用ブリッジ回路４とにより構成されている。
【００１５】
これらのうち、圧力検出用ブリッジ回路３は、基本的には、半導体チップに設けたダイヤフラム上に拡散抵抗により形成した抵抗素子Ｒd1、Ｒd2、Ｒd3、Ｒd4をフルブリッジ接続して構成されるものであるが、本実施例では、上記半導体チップ上に薄膜抵抗により形成されたトリミング抵抗Ｒw1及びＲw2を当該フルブリッジ回路中に挿入した構成となっている。
【００１６】
具体的には、一対の入力端子Ｐ１及びＰ２間に、抵抗素子Ｒd1、Ｒd2及びトリミング抵抗Ｒw1の直列回路、並びに抵抗素子Ｒd3、Ｒd4及びトリミング抵抗Ｒw2の直列回路を接続した状態となっており、抵抗素子Ｒd1、Ｒd2の共通接続点が出力端子Ｑ１、抵抗素子Ｒd3、Ｒd4の共通接続点が出力端子Ｑ２となるように構成される。この場合、圧力検出用ブリッジ回路３においては、印加圧力の増大に応じて各抵抗素子Ｒd1、Ｒd2、Ｒd3、Ｒd4の抵抗値が図１に矢印で示す態様（上向きの矢印は抵抗値が増加することを示し、下向きの矢印は抵抗値が減少することを示す）で変化する構成となっている。また、圧力検出用ブリッジ回路３の入力端子Ｐ１は定電圧電源端子＋Ｖccに接続され、入力端子Ｐ２はグランド端子に接続されている。
【００１７】
従って、圧力検出用ブリッジ回路３の一方の出力端子Ｑ１の電位は印加圧力の増大に応じて上昇し、他方の出力端子Ｑ２の電位は印加圧力の増大に応じて低下するものであり、出力端子Ｑ１及びＱ２間からは、印加圧力に応じた電圧値の検出信号Ｓｄが出力されることになる。また、この検出信号Ｓｄの電位レベルは、トリミング抵抗Ｒw1及びＲw2の抵抗値を変化させることにより調整できることになる。尚、上記検出信号Ｓｄは、圧力検出用ブリッジ回路３の温度にも依存して変動するものであり、斯様な温度ドリフト除去用のデータを得るために前記温度検出用ブリッジ回路４が設けられている。
【００１８】
この温度検出用ブリッジ回路４は、基本的には、拡散抵抗（温度係数は１５００〜１７００ppm/℃程度）により形成された感温抵抗素子Ｒt1、Ｒt2と、温度係数が零に近い材料である例えばＣｒＳｉにより形成された抵抗素子Ｒc1、Ｒc2とをフルブリッジ接続して構成されるものであるが、本実施例では、半導体チップ上に薄膜抵抗により形成されたトリミング抵抗Ｒw3及びＲw4を当該フルブリッジ回路中に挿入した構成となっている。
【００１９】
具体的には、一対の入力端子Ｐ３及びＰ４間に、抵抗素子Ｒc1、感温抵抗素子Ｒt1及びトリミング抵抗Ｒw3の直列回路、並びに感温抵抗素子Ｒt2、抵抗素子Ｒc2及びトリミング抵抗Ｒw4の直列回路を接続した状態となっており、抵抗素子Ｒc1及び感温抵抗素子Ｒt1の共通接続点が出力端子Ｑ３、感温抵抗素子Ｒt2及び抵抗素子Ｒc2の共通接続点が出力端子Ｑ４となるように構成される。また、温度検出用ブリッジ回路４の入力端子Ｐ３は定電圧電源端子＋Ｖccに接続され、入力端子Ｐ４はグランド端子に接続されている。
【００２０】
従って、温度検出用ブリッジ回路４の一方の出力端子Ｑ３の電位は検出温度の上昇に応じて上昇し、他方の出力端子Ｑ４の電位は検出温度の低下に応じて低下するものであり、出力端子Ｑ３及びＱ４間からは、圧力検出用ブリッジ回路３の温度に応じた電圧値の温度信号Ｓｔが出力されることになる。また、この温度信号Ｓｔの電位レベルは、トリミング抵抗Ｒw3及びＲw4の抵抗値を変化させることにより調整できることになる。
【００２１】
一方、前記信号処理部２は、半導体チップ上に以下に述べるような各回路要素を形成した構成となっている。
基準電圧発生回路５は、拡散抵抗により形成した抵抗素子Ｒa1及びＲa2を備えたもので、それら抵抗素子Ｒa1及びＲa2の直列回路を定電圧電源端子＋Ｖcc及びグランド端子間に接続した構成となっている。この場合、抵抗素子Ｒa1及びＲa2の温度係数は厳密に一致するものであり、従って、基準電圧発生回路５の出力端子Ｑ５（抵抗素子Ｒa1及びＲa2の共通接続点）からは、前記圧力検出用ブリッジ回路３に作用する圧力（被検出圧力）及び当該圧力検出用ブリッジ回路３の温度と無関係に一定の電圧値となる基準信号Ｓａが出力されることになる。尚、この基準電圧発生回路５は、前記センサ部１側の半導体チップ上に形成することも可能である。
【００２２】
アナログマルチプレクサ６は、上記圧力検出用ブリッジ回路３からの検出信号Ｓｄ、温度検出用ブリッジ回路４からの温度信号Ｓｔ、基準電圧発生回路５からの基準信号Ｓａを、後述する制御ブロック７から与えられるセレクト信号に基づいて選択出力するためのものである。
【００２３】
高入力インピーダンス差動増幅回路８は、ＣＭＯＳオペアンプ８ａ、８ｂ及び抵抗８ｃ、８ｄ、８ｅを組み合わせて成る周知構成のもので、前記アナログマルチプレクサ６から順次出力される信号を増幅してＡ／Ｄ変換回路９に与えるようになっている。この場合、差動増幅回路８には、その増幅出力電圧を持ち上げるための定電圧電源８ｆ及び抵抗８ｇが付随して設けられている。尚、差動増幅回路８の電源は、前記定電圧電源端子＋Ｖccから与えられるようになっている。
【００２４】
上記Ａ／Ｄ変換回路９は、基本的には特開平５−２５９９０７号公報に記載されたＡ／Ｄ変換回路と同様構成のものであり、詳細には図示しないが、反転動作時間が電源電圧に応じて変化するＮＡＮＤゲート１０ａ（本発明でいう反転回路に相当）と、同じく反転動作時間が電源電圧に応じて変化する偶数個のインバータ１０ｂ（本発明でいう反転回路に相当）とをリング状に連結して成るリングゲート遅延回路１０（以下の説明では、リングゲート遅延回路をＲＧＤ（Ring Gate Delay ）と略称する）、このＲＧＤ１０内でのパルス信号の周回数をカウントするための周回数カウンタ１１、この周回数カウンタ１１の計数値を上位ビットとし、且つＲＧＤ１０内の各インバータ１０ｂの出力を下位ビットとして格納するためのスタックメモリ１２などを含んで構成されている。
【００２５】
このような構成のＡ／Ｄ変換回路９による変換原理の大略は以下の通りである。即ち、ＲＧＤ１０内のＮＡＮＤゲート１０ａに対し、図２に示すようなパルス信号ＰＡを与えると、ＮＡＮＤゲート１０ａ及び各インバータ１０ｂがその電源電圧に応じた速度で逐次的に反転動作を開始して、そのパルス信号ＰＡの入力期間中は信号周回動作が継続して行われるものであり、斯様なパルス信号周回数を示す二進数のデジタルデータが、スタックメモリ１２に対しリアルタイムで与えられることになる。この後、図２に示すように、一定のサンプリング周期Δｔ（例えば〜１００μ秒）を得るためのパルス信号ＰＢの立上がり毎にスタックメモリ１２をラッチすれば、そのスタックメモリ１２内の各ラッチデータの差に基づいて、インバータ１０ｂに与えられている電源電圧を二進数のデジタルデータに変換した値が得られるようになる。
【００２６】
この場合、ＲＧＤ１０内のＮＡＮＤゲート１０ａ及びインバータ１０ｂには、前記差動増幅回路８から電源電圧が与えられる構成となっている。従って、Ａ／Ｄ変換回路９にあっては、差動増幅回路８からの出力信号、つまり、アナログマルチプレクサ６を通じて選択出力される検出信号Ｓｄ、温度信号Ｓｔ及び基準信号Ｓａをデジタルデータに変換することになる。
【００２７】
尚、以下においては、Ａ／Ｄ変換回路９による変換データのうち、検出信号Ｓｄに対応したデジタルデータを圧力情報Ｄ、温度信号Ｓｔに対応したデジタルデータを温度情報Ｔ、基準信号Ｓａに対応したデジタルデータを基準情報Ａと呼ぶことにする。
【００２８】
ここで、圧力情報Ｄと圧力検出用ブリッジ回路３に対する印加圧力Ｐとの間には次式▲１▼のような関係がある。
Ｄ＝｛（ｃｔ＋ｄ）×Ｐ＋ｅｔ＋ｆ｝×β（ｔ）          ……▲１▼
但し、ｔ：圧力検出用ブリッジ回路３の温度
ｃ：圧力検出用ブリッジ回路３の感度の温度係数
ｄ：圧力検出用ブリッジ回路３の室温感度
ｅ：圧力検出値のオフセットの温度係数
ｆ：圧力検出値の室温オフセット値
また、β（ｔ）は、差動増幅回路８の温度特性やＲＧＤ１０の遅延時間の温度特性などに依存した非線形項であり、これが圧力検出値の精度劣化の要因となるものである。
【００２９】
上記▲１▼式からＰの解を得るためには、ｔが必要であり、また、非線形の係数であるβ（ｔ）を除去する必要がある。このため、温度検出用ブリッジ回路４を通じて温度情報Ｔを得ると共に、基準電圧発生回路５を通じて基準情報Ａを得るようにしている。
【００３０】
この場合、温度情報Ｔと圧力検出用ブリッジ回路３の温度ｔとの間には次式▲２▼のような関係が存在するものである。
Ｔ＝（ａｔ＋ｂ）×β（ｔ）          ……▲２▼
但し、ａ：温度検出値の温度係数
ｂ：温度検出値の室温オフセット値
【００３１】
また、基準情報Ａは、圧力検出用ブリッジ回路３に作用する圧力及び温度と無関係に一定の電圧値となる基準信号Ｓａを、差動増幅回路８により増幅し且つＡ／Ｄ変換回路９によりデジタル変換したデータであるから、次式▲３▼が成立することになる。
Ａ＝β（ｔ）          ……▲３▼
【００３２】
従って、▲１▼、▲２▼、▲３▼式から、非線形項β（ｔ）が削除された状態の次式▲６▼が得られる。
Ｔ／Ａ＝ａｔ＋ｂ          ……▲４▼
Ｄ／Ａ＝（ｃｔ＋ｄ）×Ｐ＋ｅｔ＋ｆ          ……▲５▼
【００３３】
上記▲４▼、▲５▼の式を用いてＰについて解くと次式▲６▼が得られる。
0003985366.tif 000002
ＥＰＲＯＭ１３には、▲６▼式に基づいた圧力Ｐの演算に必要な係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆが補正係数として予め記憶されている。
【００３４】
補正演算回路１４（本発明でいう信号処理手段に相当）は、前記▲６▼式を利用した圧力Ｐの演算を、制御ブロック７からの指令を受けて行うものであり、その演算時には、スタックメモリ１２から読み出した圧力情報Ｄ、温度情報Ｔ及び基準情報Ａ、並びにＥＰＲＯＭ１３から読み出した補正係数（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ）を使用する構成となっている。そして、この補正演算回路１４による演算結果は、センサ部１による検出圧力を示す圧力データとしてＩ／Ｏブロック１５から出力される。
【００３５】
さて、図３には、制御ブロック７による制御内容が概略的に示されており、以下これについて関連した作用と共に説明する。
即ち、制御ブロック７は、まず、アナログマルチプレクサ６に対して、基準電圧発生回路５からの基準信号Ｓａを選択するためのセレクト信号を出力する（ステップＳ１）。すると、差動増幅回路８から上記基準信号Ｓａを増幅した電圧信号が出力されるようになり、この電圧信号がＡ／Ｄ変換回路９内のＲＧＤ１０に対しＡ／Ｄ変換対象信号として印加されるようになる。
【００３６】
この後、制御ブロック７は、パルス信号ＰＡ及びＰＢの出力制御ルーチンＳ２を実行する。このルーチンＳ２では、図２に示す時刻ｔ１〜ｔ２の期間中においてパルス信号ＰＡを出力すると共に、その時刻ｔ１後においてパルス信号ＰＢを図２に示すようなタイミング（具体的には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において４回立ち上がる状態）で出力する。
【００３７】
これにより、パルス信号ＰＡの出力期間中において、ＲＧＤ１０内で信号周回動作が継続して行われると共に、パルス信号ＰＢの立上がり毎にスタックメモリ１２がラッチされるものであり、そのラッチデータの差（例えば３回目の立ち上がりと４回目の立ち上がりにおける各ラッチデータの差）に基づいて、差動増幅回路８からの電圧信号（基準信号Ｓａを増幅した電圧信号）に応じたデジタルデータが基準情報Ａとして得られるようになる。
【００３８】
制御ブロック７は、上記出力制御ルーチンＳ２の実行に応じて基準情報Ａを取り込んだ後には、アナログマルチプレクサ６に対して、基準電圧発生回路５からの温度信号Ｓｔを選択するためのセレクト信号を出力する（ステップＳ３）。すると、差動増幅回路８から上記温度信号Ｓｔを増幅した電圧信号が出力されるようになり、この電圧信号が、Ａ／Ｄ変換回路９内のＲＧＤ１０に対しＡ／Ｄ変換対象信号として印加されるようになる。
【００３９】
この後、制御ブロック７は、パルス信号ＰＡ及びＰＢの出力制御ルーチンＳ４を実行する。このルーチンＳ４では、図２に示す時刻ｔ３〜ｔ４の期間中においてパルス信号ＰＡを出力すると共に、その時刻ｔ３後においてパルス信号ＰＢを図２に示すようなタイミングで出力する。
【００４０】
これにより、パルス信号ＰＡの出力期間中において、ＲＧＤ１０内で信号周回動作が継続して行われると共に、パルス信号ＰＢの立上がり毎にスタックメモリ１２がラッチされるものであり、そのラッチデータの差に基づいて、差動増幅回路８からの電圧信号（温度信号Ｓｔを増幅した電圧信号）に応じたデジタルデータが温度情報Ｔとして得られるようになる。
【００４１】
制御ブロック７は、上記出力制御ルーチンＳ４の実行に応じて温度情報Ｔを取り込んだ後には、アナログマルチプレクサ６に対して、基準電圧発生回路５からの検出信号Ｓｄを選択するためのセレクト信号を出力する（ステップＳ５）。すると、差動増幅回路８から上記検出信号Ｓｄを増幅した電圧信号が出力されるようになり、この電圧信号が、Ａ／Ｄ変換回路９内のＲＧＤ１０に対しＡ／Ｄ変換対象信号として印加されるようになる。
【００４２】
この後、制御ブロック７は、パルス信号ＰＡ及びＰＢの出力制御ルーチンＳ６を実行する。このルーチンＳ６では、図２に示す時刻ｔ５〜ｔ６の期間中においてパルス信号ＰＡを出力すると共に、その時刻ｔ５後においてパルス信号ＰＢを図２に示すようなタイミングで出力する。
【００４３】
これにより、パルス信号ＰＡの出力期間中において、ＲＧＤ１０内で信号周回動作が継続して行われると共に、パルス信号ＰＢの立上がり毎にスタックメモリ１２がラッチされるものであり、そのラッチデータの差に基づいて、差動増幅回路８からの電圧信号（検出信号Ｓｄを増幅した電圧信号）に応じたデジタルデータが圧力情報Ｄとして得られるようになる。
【００４４】
尚、本実施例の場合、上述した出力制御ルーチンＳ２、Ｓ４、Ｓ６の実行時において、スタックメモリ１２からラッチデータの差に基づいたデジタルデータを３回取り込むことができるから、それらを平均化した値をデジタルデータ（基準情報Ａ、温度情報Ｔ及び圧力情報Ｄ）として得る構成とすることもできる。
【００４５】
制御ブロック７は、上記出力制御ルーチンＳ６の実行後には、補正演算回路１４に対して演算指令を出力する（ステップＳ７）。すると、補正演算回路１４にあっては、スタックメモリ１２から読み出した圧力情報Ｄ、温度情報Ｔ及び基準情報Ａ、並びにＥＰＲＯＭ１３から読み出した補正係数（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ）を使用して、前記▲６▼式の演算を行うものであり、その演算結果を、センサ部１による検出圧力を示す圧力データとしてＩ／Ｏブロック１５から出力するようになる。
【００４６】
この後、制御ブロック７は、所定の待機時間が経過するまで待機し（ステップＳ８）、当該待機時間が経過したときにステップＳ１へ戻るようになる。従って、一連の圧力検出動作（Ｓ１〜Ｓ７）は、上記待機時間が経過する毎に周期的に行われることになる。
【００４７】
しかして、上記構成の半導体圧力センサ装置においては、その製造途中の段階（例えば、センサ部１のための半導体チップがウェハ状態にある段階、或いは当該半導体チップをウェハから切り出した後の段階）にて、トリミング抵抗Ｒw1〜Ｒw4をレーザトリミングすることによって、圧力検出用ブリッジ回路３からの検出信号Ｓｄの電位レベル並びに温度検出用ブリッジ回路４からの温度信号Ｓｔの電位レベルを調整する工程が行われるようになっている。具体的には、上記検出信号Ｓｄ及び温度信号Ｓｔの各電位レベルが、基準電圧発生回路５からの基準信号Ｓａの電位レベルと等しくなるようにトリミング抵抗Ｒw1〜Ｒw4をレーザトリミングするものである。このレーザトリミングの手順は以下の通りである。
【００４８】
即ち、まず、基準信号Ｓａの電位レベルを測定し、その測定結果をレーザトリミング装置に記憶する。その後、例えば検出信号Ｓｄの電位レベルを測定しながらトリミング抵抗Ｒw1、Ｒw2のレーザトリミングを開始し、その検出信号Ｓｄの測定電位レベルが上記記憶電位レベルと等しくなった時点で当該レーザトリミングを終了する。さらに、この後に、温度信号Ｓｔの電位レベルを測定しながらトリミング抵抗Ｒw3、Ｒw4のレーザトリミングを開始し、その温度信号Ｓｔの測定電位レベルが前記記憶電位レベルと等しくなった時点で当該レーザトリミングを終了する。尚、レーザトリミングの順序は逆でも良い。また、上記のようなレーザトリミングを行った場合には、検出信号Ｓｄ及び温度信号Ｓｔの電位レベルが上昇することになるから、センサ部１を形成する半導体チップのパターンレイアウト時において、上記検出信号Ｓｄ及び温度信号Ｓｔの電位レベルが基準信号Ｓａの電位レベルより小さくなるように設計する必要がある。
【００４９】
要するに上記した本実施例によれば、検出信号Ｓｄ、温度信号Ｓｔ及び基準信号Ｓａをアナログマルチプレクサ６を通じて時分割処理すると共に、それらの信号Ｓｄ、Ｓｔ及びＳａに対応した各デジタルデータ（圧力情報Ｄ、温度情報Ｔ、基準情報Ａ）を同一の差動増幅回路８及びＡ／Ｄ変換回路９を用いて採取し、斯様に採取したデジタルデータを利用した▲６▼式の補正演算（デジタル演算）を行う構成としており、これによって、感度やオフセットなどに対する温度補償を施した精度の高い圧力検出値を得ることができるものである。
【００５０】
この場合、本実施例では、▲６▼式の演算に供するために最終的に圧力情報Ｄ、温度情報Ｔ及び基準情報Ａに変換される検出信号Ｓｄ、温度信号Ｓｔ及び基準信号Ｓａは、全て同じアナログ回路（アナログマルチプレクサ６、差動増幅回路８、Ａ／Ｄ変換回路９）を通過する構成であるから、その信号伝送系統での回路定数の変動に起因した各信号のドリフト成分が互いにキャンセルされることになって、上記Ｔ／Ａ及びＤ／Ａが経時変化することがなくなる。この結果、最終的に得られる圧力検出値の精度を長期間に渡って良好な状態に維持できるようになる。
【００５１】
本実施例の大きな特徴は、圧力検出用ブリッジ回路３及び温度検出用ブリッジ回路４に設けたトリミング抵抗Ｒw1〜Ｒw4をレーザトリミングすることによって、それらブリッジ回路３及び４からの検出信号Ｓｄ及び温度信号Ｓｔの電位レベルと、基準電圧発生回路５からの基準信号Ｓａの電位レベルとが等しくなるように調整した構成にある。即ち、このような調整状態では、差動増幅回路８を構成するオペアンプ８ａ、８ｂの特性、具体的には、オペアンプ８ａ、８ｂにおいては、図４に一例を示すように、入力電位レベルの高低に応じてオフセット値の温度特性が異なるという特性があるが、このような特性が存在する状況下であっても、その特性が差動増幅回路８からの出力電圧（検出信号Ｓｄ、温度信号Ｓｔ、基準信号Ｓａを増幅した電圧）に悪影響を及ぼす事態を未然に防止できるようになり、結果的に、その出力電圧をデジタルデータに変換した後に行われる補正演算回路１４での演算処理により算出される圧力検出値の誤差を十分に小さくできるようになる。
【００５２】
尚、上記検出信号Ｓｄ、温度信号Ｓｔ及び基準信号Ｓａの各電位レベルは厳密に一致させる必要はなく、例えば図４の縦軸において、温度特性の曲がりに１目盛り分程度の誤差が許容される場合には、その許容誤差範囲内に収まる電位レベルに設定すれば良いものである。
【００５３】
また、本実施例においては、アナログマルチプレクサ６が設けられているから、多数のオペアンプを必要としないものであり、以て全体の小型化を実現できるようになる。しかも、比較的大きな面積を占有することになる差動増幅回路８を、検出信号Ｓｄ、温度信号Ｓｔ及び基準信号Ｓａの増幅用に兼用する構成となっているから、多数の差動増幅回路を設ける必要がなくなって、この面からも全体の小型化を実現できるようになる。
【００５４】
さらに、本実施例のように、ＲＧＤ１０を利用したＡ／Ｄ変換回路９にあっては、変換速度の大幅な向上（つまりサンプリング時間の大幅な短縮）を実現できるという利点があるため、圧力検出値の算出に必要な時間を短縮できるようになる。
【００５５】
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
半導体圧力センサ装置に適用した例を説明したが、加速度、磁束、湿度などの他の物理量を検出するためのセンサ装置に広く適用することができる。Ａ／Ｄ変換回路９内のＲＧＤ１０は、基本的な構成例を示したものであり、これと異なる構成のＲＧＤを設けることもできる。感度やオフセットに対する温度補償をアナログ的な補正演算により行うようにしたセンサ装置にも適用範囲を広げることができる。基準電圧発生回路５からの基準電圧Ｓａの電位レベルを調整するためのトリミング抵抗を設ける構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す全体の電気的構成図
【図２】作用説明用のタイミングチャート
【図３】制御ブロックによる制御内容を示すフローチャート
【図４】オペアンプの温度特性例を示す図
【符号の説明】
１はセンサ部、２は信号処理部、３は圧力検出用ブリッジ回路（センシング用ブリッジ回路）、Ｒd1、Ｒd2、Ｒd3、Ｒd4は抵抗素子、４は温度検出用ブリッジ回路、Ｒt1、Ｒt2は感温抵抗素子、Ｒc1、Ｒc2は抵抗素子、Ｒw1、Ｒw2、Ｒw3、Ｒw4はトリミング抵抗、５は基準電圧発生回路、６はアナログマルチプレクサ、７は制御ブロック、８は差動増幅回路、８ａ、８ｂはオペアンプ、９はＡ／Ｄ変換回路、１０はリングゲート遅延回路、１０ａはＮＡＮＤゲート（反転回路）、１０ｂはインバータ（反転回路）、１１は周回数カウンタ、１２はスタックメモリ、１３はＥＰＲＯＭ（記憶手段）、１４は補正演算回路（信号処理手段）を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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