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專利名稱：2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測定溫度或壓力等物理量的半導(dǎo)體傳感器裝置， 具體涉及僅用兩個(gè)外部端子與外部裝置連接的2端子型半導(dǎo)體傳感器 裝置。
背景技術(shù)：
關(guān)于傳統(tǒng)的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置，以溫度傳感器為例進(jìn)行 說明。圖6是表示傳統(tǒng)2端子型半導(dǎo)體溫度傳感器裝置的電路圖。NPN雙極型晶體管91基于溫度，使基極和發(fā)射極之間發(fā)生電壓 Vbel。此外，NPN雙極型晶體管92基于這時(shí)的溫度，使基極和發(fā)射 極之間發(fā)生電壓Vbe2。這樣就會在電阻93上發(fā)生電壓Vbe2與電壓 Vbel的差分電壓AVbe。基于差分電壓AVbe及電阻93的電阻值，電 阻93令基于這時(shí)溫度的電流流過。該電流流入PNP雙極型晶體管94 和NPN雙極型晶體管91和電阻93。此外，該電流通過由PNP雙招_ 型晶體管94 ~95構(gòu)成的電流鏡(Current Mirror)電路，還流入PNP 雙極型晶體管95及NPN雙極型晶體管92。因而，基于這時(shí)的溫度， 2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置以流入PNP雙極型晶體管94-95的電流 為輸出電流It加以輸出(例如，參照專利文獻(xiàn)1:日本特/>昭63-041013號公報(bào)(圖1))。外部裝置通過使輸出電流It流過電阻等而變換為電壓，將該電壓 作為傳感器的測定值。但是，如果接受輸出電流It的外部裝置側(cè)用于接受輸出電流It的 電阻等的精度低，在外部裝置中不會正確地變換為電壓。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明鑒于上述課題構(gòu)思而成，提供不依賴外部裝置的電路或元件的精度的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置。為了解決上述課題，本發(fā)明的用兩個(gè)端子與外部裝置連接的2端 子型半導(dǎo)體傳感器裝置，其特征在于具備與外部裝置和共同的4^地 電位連接的第一外部端子；從外部裝置^皮輸入動作電流的第二外部端 子；測定一個(gè)物理量并輸出基于物理量的電壓的傳感器電路；對第一 外部端子和第二外部端子間的電壓進(jìn)行分壓并輸出分壓電壓的分壓電路；將傳感器電路的輸出電壓和分壓電壓輸入并輸出基于其差值的 電壓的差動放大電路；以及輸出晶體管，該輸出晶體管的柵極與差動 放大電路的輸出端子連接，漏極和源極與第一外部端子和第二外部端 子連接。(發(fā)明效果)在本發(fā)明中，通過上述那樣的結(jié)構(gòu)，2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置 的輸出電壓是通過分壓電路的電阻比及基于一個(gè)物理量的電壓來確 定的。即，能夠提供不受外部裝置的輸入端子的電路或元件的精度影 響的、高精度的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置。


圖l是表示本發(fā)明的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的電路圖。 圖2是表示其它具備溫度傳感器電路的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝 置的電路圖。圖3是表示其它具備溫度傳感器電路的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝 置的電路圖。圖4是表示其它具備溫度傳感器電路的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝 置的電路圖。圖5 M于溫度的發(fā)射極電壓及發(fā)射極電流的示意圖。圖6是表示傳統(tǒng)2端子型半導(dǎo)體溫度傳感器裝置的電路圖。以下，以半導(dǎo)體溫度傳感器為例子，參照附圖就本發(fā)明的2端子 型半導(dǎo)體傳感器裝置進(jìn)行說明。圖l是表示本發(fā)明的2端子型半導(dǎo)體 傳感器裝置的電路圖。2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置具備恒流電路10、溫度檢測電路20、 電阻30~40、差動放大電路50及輸出晶體管60。此外，2端子型半 導(dǎo)體傳感器裝置具備外部端子61 ~ 62。恒流電路10具有恒流源11及PMOS晶體管12 ~ 13。溫度檢測電 路20具有PNP雙極型晶體管21 。恒流電路IO設(shè)置在外部端子62與外部端子61之間，輸出端子與 差動》文大電路50的反相輸入部端子連接。溫度檢測電路20設(shè)置在差 動放大電路50的反相輸入端子與外部端子61之間。電阻30的一端 與外部端子62連接，另一端與差動放大電路50的非反相輸入端子連 接。電阻40的一端與差動放大電路50的非反相輸入端子連接，另一 端與外部端子61連接。差動》丈大電路50設(shè)置在外部端子62與外部 端子61之間。輸出晶體管60的柵極與差動^t大電路50的輸出端子 連接，源極與外部端子61連接，漏極與外部端子62連接。外部端子 62與外部端子72連接。外部端子61與外部端子71連接。恒流源11設(shè)置在PMOS晶體管12的漏極與外部端子61之間。 PMOS晶體管12的柵極與漏極連接，源極與外部端子62連接。PMOS 晶體管13的柵極與PMOS晶體管12的漏極連接，源極與外部端子 62連接，漏極與恒流電路10的輸出端子連接。PNP雙極型晶體管21 的基極及集電極與外部端子61連接，發(fā)射極與溫度檢測電路20的輸 出端子連接。外部端子62將輸出電壓VOUT輸出。外部端子61 ^皮輸入4矣地電 壓VSS。恒流電路10供給恒流。具體地說，由PMOS晶體管12 ~ 13 構(gòu)成的電流鏡電路基于恒流源11的電流供給恒流。溫度檢測電路20 基于恒流及溫度，輸出溫度電壓Vbe。具體地說，溫度檢測電路20的PNP雙極型晶體管21具有負(fù)溫度系數(shù)，如果溫度變高，發(fā)射極電 壓就會降低，如果溫度降低，發(fā)射極電壓就會變高。由電阻30及電 阻40構(gòu)成的分壓電路^皮輸入輸出電壓VOUT而分壓，輸出分壓電壓 Vfb。差動》丈大電^各50對溫度電壓Vbe與分壓電壓Vfb進(jìn)行比較，控 制輸出晶體管60,使溫度電壓Vbe與分壓電壓Vfb相等。輸出晶體 管60將輸出電壓VOUT輸出。此外，輸出晶體管60是NMOS晶體 管。此外，PMOS晶體管12與PMOS晶體管13的驅(qū)動能力比為1: 1。 由電阻30及電阻40構(gòu)成的分壓電路的電阻比為N: 1。本發(fā)明的二端子型半導(dǎo)體傳感器裝置具有上述那樣的結(jié)構(gòu)，因此 與外部端子連接的外部裝置如下構(gòu)成。二端子型半導(dǎo)體傳感器裝置和外部裝置用外部端子61和71、外 部端子62和72來連接。外部裝置的外部端子72經(jīng)由恒流源70連接 到電源VDD，外部端子71與接地電壓VSS連接。外部裝置的外部端子72向二端子型半導(dǎo)體傳感器裝置供給動作 電流，并且輸入二端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的輸出電壓VOUT。因而， 恒流源70需要供給2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的最大動作電流以上 的電流。接著，對2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的動作進(jìn)行說明。 如果溫度變高，溫度電壓Vbe就降低。如果溫度電壓Vbe低于分 壓電壓Vfb，差動放大電路50的輸出電壓就會變高。因而，輸出晶體 管60導(dǎo)通，輸出電壓VOUT降低。這里的輸出電壓VOUT的降低與 溫度電壓Vbe的降低匹配。即，差動放大電路50的輸出電壓經(jīng)由輸 出電壓VOUT反饋到溫度電壓Vbe。此外，輸出電壓VOUT通過電 阻30及電阻40來分壓，成為分壓電壓Vfb，差動》丈大電if各50的非反 相輸入端子與反相輸入端子虛短路(imaginary short)，因此分壓電壓 Vfb與溫度電壓Vbe大致相等。因而，輸出電壓VOUT通過以下公式 算出。VOUT = N x Vbe
通過上述公式，基于溫度的輸出電壓VOUT依賴于2端子型半導(dǎo)體傳 感器裝置的由電阻30及電阻40構(gòu)成的分壓電路的電阻比及溫度電壓 Vbe，而不依賴于外部裝置的恒流源70的恒流及2端子型半導(dǎo)體傳感 器裝置的輸出晶體管60的電流。基于該溫度的輸出電壓VOUT用于 外部裝置。
如果溫度降低，溫度電壓Vbe就變高。如果溫度電壓Vbe高于分 壓電壓Vfb,差動放大電路50的輸出電壓就會降低。因而，輸出晶體 管60截止，輸出電壓VOUT變高。
這樣就基于溫度的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的輸出電壓VOUT 依賴于2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的由電阻30及電阻40構(gòu)成的分壓 電路的電阻比及溫度電壓Vbe,而不依賴于外部裝置的恒流源70的恒 流及2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的輸出晶體管60的電流。因而，接 受輸出電壓VOUT的外部裝置的恒流源70的恒流精度低也可。因此， 能夠提供不受外部裝置的電路或元件的精度影響的、高精度的2端子 型半導(dǎo)體傳感器裝置。
此外，在圖l中，溫度檢測電路20具有PNP雙極型晶體管21， 該P(yáng)NP雙極型晶體管21的基極及集電極與外部端子61連接，發(fā)射極 與溫度檢測電路20的輸出端子連接。但是，如圖2所示，溫度檢測 電路20可以具有其基極及集電極與外部端子61連接的PNP雙極型晶 體管21、其基極與PNP雙極型晶體管21的發(fā)射極連接并且其集電極 與外部端子61連接的PNP雙極型晶體管22、以及其基極與PNP雙極 型晶體管22的發(fā)射極連接并且其發(fā)射極與溫度檢測電路20的輸出端 子連接且其集電極與外部端子61連接的PNP雙極型晶體管23。這樣， PNP雙極型晶體管從1個(gè)變?yōu)?個(gè)，因此相應(yīng)地，溫度電壓Vbe變高， 輸出電壓VOUT也變高。
此外，在圖2中，恒流僅供給PNP雙極型晶體管23的發(fā)射極。 但是，如圖3所示，恒流分別供給PNP雙極型晶體管21-23的發(fā)射極也可。這樣就能夠調(diào)整流過PNP雙極型晶體管21-23的電流，例 如能夠使這些電流相等。
此外，在圖1中差動放大電路50的非反相輸入端子上^皮輸入溫度 電壓Vbe,反相輸入端子上#1輸入分壓電壓Vft，且將輸出電壓輸出 到NMOS晶體管的柵極。但是，差動放大電路50的非反相輸入端子 上被輸入分壓電壓Vft),且反相輸入端子上被輸入溫度電壓Vbe，且 將輸出電壓輸出到PMOS晶體管的柵極也可(未圖示)。
圖4是表示其它具備溫度傳感器電路的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝 置的電路圖。
圖4的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置具備溫度檢測電路20a、電阻 30~40、差動放大電路50及輸出晶體管60。溫度檢測電路20a具有 PMOS晶體管16 ~ 18、 PNP雙極型晶體管24 ~ 25 、電阻27 ~ 28及差 動;^文大電路19。
溫度檢測電路20a設(shè)置在外部端子62與外部端子61之間，輸出 端子與差動放大電路50的反相輸入端子連接。差動放大電路19設(shè)置 在外部端子62與外部端子61之間，非反相輸入端子與PMOS晶體管 16的漏極和電阻27的一端的連接點(diǎn)連接，反相輸入端子與PMOS晶 體管17的漏極和PNP雙極型晶體管25的發(fā)射極的連接點(diǎn)連接，輸出 端子與PMOS晶體管16 ~ 18的柵極連接。PMOS晶體管16 ~ 17的源 極與外部端子62連接。PMOS晶體管18的源極與外部端子62連接， 漏極與溫度檢測電路20a的輸出端子連接。電阻27設(shè)置在PMOS晶 體管16的漏極與PNP雙極型晶體管24的發(fā)射極之間。電阻28設(shè)置 在溫度檢測電路20a的輸出端子與外部端子61之間。PNP雙極型晶 體管24~25的基極及集電極與外部端子61連接。
溫度檢測電路20a基于溫度，輸出溫度電壓Vt。具體地說，溫度 才企測電路20a的PNP雙極型晶體管24 ~ 25具有負(fù)溫度系數(shù)，如果溫 度變高，發(fā)射極電壓就會降低，如果溫度降低，發(fā)射極電壓就會變高。
電阻27發(fā)生PNP雙極型晶體管24與PNP雙極型晶體管25的發(fā)射極電壓的差分電壓AVbe。電阻28基于差分電壓AVbe,發(fā)生溫度 電壓Vt。 PMOS晶體管16 ~ 18的電流鏡電路基于輸入端子的電壓(差 動放大電路19的輸出電壓)，從第一輸出端子向電阻27及PNP雙極 型晶體管24輸出電流，從第二輸出端子向PNP雙極型晶體管25輸出 電流，從第三輸出端子向電阻28輸出電流。差動放大電路19控制電 流鏡電路的輸入端子的電壓，以使電流鏡電路的第一輸出端子的電壓 與第二輸出端子的電壓(電阻27 —端的電壓V3和發(fā)射極電壓V2) 相等。
此外，PMOS晶體管16與PMOS晶體管17的驅(qū)動能力比為1:1。 PNP雙極型晶體管24與PNP雙極型晶體管25的發(fā)射極面積比為M: 1 (M>1)。因而，PNP雙極型晶體管24的溫度系數(shù)比PNP雙極型 晶體管25的溫度系數(shù)大。電阻27-28用相同種類的材料構(gòu)成，在掩 模布局上接近地配置，因此具有大致相同的制造誤差及溫度特性。
接著，就圖4的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的動作進(jìn)行說明。圖 5是基于溫度的發(fā)射極電壓及發(fā)射極電流的示意圖。
如果溫度變高，PNP雙極型晶體管24 ~ 25的發(fā)射極電壓VI ~ V2 就會降低，從它們的發(fā)射極面積比，發(fā)射極電壓V1比發(fā)射極電壓V2 更低。這樣就因差動3文大電路19的動作而電阻27 —端的電壓V3和 發(fā)射極電壓V2相等，因此在電阻27發(fā)生的差分電壓(V3-V1-V2 -Vl=AVbe)變高，流過電阻27的電流增多(后面做說明)。在這 里，如果溫度變高，差分電壓AVbe也變高，因此差分電壓AVbe具 有正溫度系數(shù)。此外，如果溫度變高，流過電阻27的電流就增多， 因此該電流具有正溫度系數(shù)。該電流因PMOS晶體管16~18的電流 鏡連接而流入電阻28。此外，電阻27 ~ 28具有大致相同的制造誤差 及溫度特性，因此流入電阻28的電流幾乎不受電阻27-28的制造誤 差及溫度特性的影響。因而，在電阻28發(fā)生基于差分電壓AVbe的溫 度電壓Vt。該溫度電壓Vt具有正溫度系數(shù)，當(dāng)溫度變高時(shí)，溫度電 壓Vt也變高。如果溫度電壓Vt高于分壓電壓Vfb，差動》文大電路50的輸出電壓就會降低。因而，輸出晶體管60截止，輸出電壓VOUT 變高。這里的輸出電壓VOUT的上升與溫度電壓Vt的上升匹配。即， 差動放大電路50的輸出電壓經(jīng)由輸出電壓VOUT反饋到溫度電壓Vt。 此外，輸出電壓VOUT通過電阻30及電阻40而分壓，成為分壓電壓 Vfb,差動放大電路50的非反相輸入端子與反相輸入端子虛短路，因 此分壓電壓Vfb與溫度電壓Vt大致相等。因而，輸出電壓VOUT由 以下公式算出。
VOUT = N x Vt
在圖5中，因電阻27而PNP雙極型晶體管24的發(fā)射極電流對電 壓V3的斜率小于PNP雙極型晶體管25的發(fā)射極電流對發(fā)射極電壓 V2的斜率。如果溫度變高，根據(jù)它們的發(fā)射極面積比而PNP雙極型 晶體管24~25的發(fā)射極電流就會增加，因此兩者的斜率變得陡峭。 此外，如果溫度變高，根據(jù)它們的發(fā)射極面積比而使這些發(fā)射極電流 容易流過，因此即使電壓V3及發(fā)射極電壓V2較低，這些發(fā)射極電流 也開始流動。
在圖5的規(guī)定溫度中，假設(shè)PNP雙極型晶體管24 ~ 25的發(fā)射極 電流成為比電流Ia少的電流Ib,假設(shè)發(fā)射極電壓V2比電壓V3高， 則差動放大電路19的輸出電壓降低，PMOS晶體管16-17的漏極電 流增多，PNP雙極型晶體管24~25的發(fā)射極電流也增多而接近電流 Ia。此外，假設(shè)PNP雙極型晶體管24~25的發(fā)射極電流成為比電流 Ia多的電流Ic,則PNP雙極型晶體管24-25的發(fā)射極電流也減少而 接近電流Ia。即，PNP雙極型晶體管24-25的發(fā)射極電流要穩(wěn)定到 發(fā)射極電壓V2和電壓V3相等時(shí)的電流Ia。即，使發(fā)射極電壓V2和 電壓V3相等。
當(dāng)溫度高于該規(guī)定溫度時(shí)，如圖5所示，即使發(fā)射極電壓V2及 電壓V3較低，PNP雙極型晶體管24 ~ 25的發(fā)射極電流也增多。即， 如果差分電壓AVbe變高，發(fā)射極電壓V2及電壓V3就會降低，PNP 雙極型晶體管24-25的發(fā)射極電流就會增多。此外，如果溫度低于該規(guī)定溫度，即使發(fā)射極電壓V2及電壓V3 4交高，PNP雙極型晶體 管24~25的發(fā)射極電流也減少。即，如果差分電壓AVbe降低，發(fā)射 極電壓V2及電壓V3就會變高，PNP雙極型晶體管24 ~ 25的發(fā)射極 電流#尤會減少。
如果溫度降低，溫度電壓Vt就會降低。如果溫度電壓Vt低于分 壓電壓Vfb,差動放大電路50的輸出電壓就會變高。因而，輸出晶體 管60導(dǎo)通，輸出電壓VOUT降低。 (符號說明)
10 恒流電路；11、 70 恒流源；20 溫度檢測電路；50 差動 放大電路；60 輸出晶體管；61~62外部端子。
權(quán)利要求
1.一種用兩個(gè)端子與外部裝置連接的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置，其特征在于具備與所述外部裝置和共同的接地電位連接的第一外部端子；從所述外部裝置被輸入動作電流的第二外部端子；測定一個(gè)物理量并輸出基于所述物理量的電壓的傳感器電路；對所述第一外部端子和所述第二外部端子間的電壓進(jìn)行分壓并輸出分壓電壓的分壓電路；將所述傳感器電路的輸出電壓和所述分壓電壓輸入并輸出基于其差值的電壓的差動放大電路；以及輸出晶體管，該輸出晶體管的柵極與所述差動放大電路的輸出端子連接，漏極和源極與所述第一外部端子和所述第二外部端子連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置，其特征在 于所述一個(gè)物理量為溫度。
3. 如權(quán)利要求2所述的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置，其特征在 于所述傳感器電路具備供給恒流的恒流電路和一皮供給所述恒流并輸 出基于溫度的電壓的溫度檢測電路。
4. 如權(quán)利要求3所述的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置，其特征在 于所述溫度檢測電路具有雙極型晶體管，該雙極型晶體管的基極及 集電極與所述第一外部端子連接，發(fā)射極與所迷傳感器電路的輸出端 子連接。
5. 如權(quán)利要求3所述的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置，其特征在 于，所述溫度^r測電路具有第 一雙極型晶體管，該第 一雙極型晶體管的基極及集電極與所述 第一外部端子連接；第二雙極型晶體管，該第二雙極型晶體管的基極與所述第 一雙極 型晶體管的發(fā)射極連接，集電極與所述第一外部端子連接；以及第三雙極型晶體管，該第三雙極型晶體管的基極與所述第二雙極 型晶體管的發(fā)射極連接，發(fā)射極與所述溫度檢測電路的輸出端子連接， 集電極與所述第 一外部端子連接。
6.如權(quán)利要求2所述的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置，其特征在 于，所述溫度檢測電路具備第 一雙極型晶體管，該第 一雙極型晶體管的基極及集電極與所述 第一外部端子連接；第二雙極型晶體管，該第二雙極型晶體管的基極及集電極與所述 第一外部端子連接；第 一 電阻，該第 一 電阻的 一個(gè)端子與所述第 一雙極型晶體管的發(fā) 射極連接；差動放大電路，該差動放大電路的輸入端子與所述第一電阻的另 一端子和所述第二雙極型晶體管的發(fā)射極連接；電流鏡電路，該電流鏡電路的多個(gè)輸出端子輸出基于所述差動放 大電路的輸出端子的電壓的電流；以及第二電阻，該第二電阻的一個(gè)端子與所述第一外部端子連接，從所述電流鏡電路的第 一輸出端子向所述第 一 電阻及所述第 一雙 極型晶體管輸出電流，從第二輸出端子向所述第二雙極型晶體管輸出 電流，從第三輸出端子向所述第二電阻輸出電流，將所述第二電阻的另一端子作為傳感器電路的輸出端子。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠降低外部裝置的電路或元件的精度的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置。基于溫度的2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的輸出電壓(VOUT)依賴于2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的由電阻(30)及電阻(40)構(gòu)成的分壓電路的電阻比及溫度電壓(Vbe)，而不依賴于外部裝置的恒流源(70)的恒流及2端子型半導(dǎo)體傳感器裝置的輸出晶體管(60)的電流。因而，接受輸出電壓(VOUT)的外部裝置的恒流源(70)的恒流精度低也可，因此在外部裝置側(cè)不需要用于接受輸出電壓(VOUT)的高精度的電路或元件。
文檔編號G01D5/12GK101660928SQ20091017206
公開日2010年3月3日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者安斎亮一 申請人:精工電子有限公司