JP2018534574A - 圧力センサのためのセンサ素子 - Google Patents

Abstract

圧力センサのためのセンサ素子（１００）において、センサ素子（１００）は、センサ膜（１０）であって、センサ膜（１０）に所定数のピエゾ抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）が配置されており、ピエゾ抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）が、圧力変化が生じた場合に電圧変化が誘起されるように回路に配置されているセンサ膜（１０）と、少なくとも２つの温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）であって、温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）によってピエゾ抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）の位置においてセンサ膜（１０）の温度が測定可能となるようにセンサ膜（１０）に対して配置されており、測定された温度を用いた計算により、温度勾配に基づいてピエゾ抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）の回路に生じた電圧が補正可能である、温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）とを備える。

Description

本発明は、圧力センサのためのセンサ素子に関する。本発明は、さらに圧力センサのためのセンサ素子を製造する方法に関する。

ピエゾ抵抗式の圧力センサは一般に膜を備えるセンサ素子（英語では「センサ・ダイ」）からなる。この膜には、例えば電気ブリッジ回路として接続された感圧性の４つのピエゾ抵抗器が設けられている。

センサ素子に温度勾配が生じた場合、ピエゾ抵抗器が異なる温度に基づいて異なる抵抗値を備えることを意味する。このようなことは、温度勾配に基づいたブリッジ電圧の変化をもたらす場合もあり、このような変化は、加えられた圧力に基づいたブリッジ電圧の変化と区別することができない。この場合、既に数ミリケルビンが数パスカルの圧力変化に相当するブリッジ電圧の誤差をもたらすこともある。

本発明の課題は、温度変化に対して改善された圧力センサのためのセンサ素子を提供することである。

第１態様によれば、この課題は、圧力センサのためのセンサ素子において：
センサ膜であって、センサ膜に所定数のピエゾ抵抗器が配置されており、ピエゾ抵抗器が、圧力変化が生じた場合に電圧変化が誘起されるように回路に配置されているセンサ膜と；
少なくとも２つの温度測定素子であって、温度測定素子によってピエゾ抵抗器の位置においてセンサ膜の温度が測定可能となるようにセンサ膜に対して配置されており、測定された温度を用いた計算により、温度勾配に基づいてピエゾ抵抗器の回路に生じた電圧が補正可能である温度測定素子とを備える圧力センサのためのセンサ素子によって解決される。

このようにして、好ましくは、気圧センサを備える装置（例えば携帯電話）において圧力センサへの温度勾配の影響を補正することが可能である。結果として、これにより好ましくは正確な圧力測定が支援される。

第２態様によれば、上記課題は、圧力センサのためのセンサ素子を製造する方法であって、
センサ膜を設けるステップ；
所定数のピエゾ抵抗器を設け、圧力変化が生じた場合に電圧変化が誘起されるように回路のセンサ膜にピエゾ抵抗器を配置するステップ；及び
少なくとも２つの温度測定素子を設け、温度測定素子によってピエゾ抵抗器の位置においてセンサ膜の温度が測定可能となるように少なくとも２つの温度測定素子をセンサ膜に対して配置し、測定された温度を用いた計算により、温度勾配に基づいてピエゾ抵抗器の回路に生じた電圧を補正するステップを備える方法によって解決される。

センサ素子の好ましい実施形態が従属請求項の対象である。

センサ素子の好ましい実施形態は、少なくとも１つの温度測定素子がセンサ膜に配置されていることにより優れている。

センサ素子の別の好ましい実施形態は、少なくとも１つの温度測定素子がセンサ膜に隣接して配置されていることにより優れている。

センサ素子の別の好ましい実施形態は、温度測定素子がセンサ膜のそれぞれのコーナ範囲に配置されていることを特徴とする。

センサ素子の別の好ましい実施形態は、それぞれのピエゾ抵抗器に、所定の間隔をおいてそれぞれ１つの温度測定素子が配置されていることを特徴とする。

センサ素子の別の好ましい実施形態は、２つの温度測定素子が実質的にセンサ膜の温度勾配に沿って配置されていることにより優れている。

温度測定素子のための上述のような種々異なる配置基準又は数基準は適切に組み合わせることもでき、特定用途に合わせて温度測定素子をセンサ素子に配置することができ、このような配置は、特にセンサ膜に広がる温度勾配が少なくとも部分的にわかっているかどうかに依存して行われる。これは、例えばセンサ素子に電子評価回路が設けられており、評価回路の加熱特性が一般にわかっている場合である。このようにして、ピエゾ抵抗器の位置においてセンサ膜の温度値を検出することが可能であり、これにより良好な補正作用が支援されている。

センサ素子の他の好ましい実施形態は、温度測定素子がダイオード又は非圧電式の抵抗器であることを特徴とする。これにより、異なる種類の温度測定素子が設けられ、これらの温度測定素子は、好ましくはピエゾ抵抗器と共通の処理ステップで製造することができる。好ましくは、このようにしてセンサ素子の製造プロセスを最適化することができる。

次に本発明の他の特徴及び利点を複数の図面に基づいて詳細に説明する。この場合に、開示された全ての特徴は、特許請求項における従属関係ならびに明細書及び図面の説明とは無関係に本発明の対象をなす。同じ又は機能が同じ要素には同じ符号を付す。図面は、特に本発明に重要な原理を明確にするためのものであり、必ずしも実寸大で示されていない。

開示された方法の特徴は、対応して開示された装置の特徴からも同様に得られ、またその逆もいえる。このことは、特にセンサ素子を製造するための方法に関する特徴、技術的利点、及び実施形態は、センサ素子の対応する実施形態、特徴及び利点からも同様に得られ、またその逆もいえることを意味する。

従来のピエゾ抵抗式のセンサ素子を示す原理図である。 本発明によるセンサ素子の第１実施形態を示す原理図である。 本発明によるセンサ素子の別の実施形態を示す原理図である。 温度測定素子によって達成可能な補正効果を示す原理図である。 センサ素子を備えるセンサ装置を示す原理図である。 本発明による方法の一実施形態を示す原理的なフロー図である。

本発明の基本思想は、センサ素子のセンサ膜に広がる温度勾配の作用に基づいてピエゾ抵抗センサ素子のピエゾ抵抗器に生じる異なる抵抗値を補正することである。センサ膜における数ｍＫの温度勾配が数Ｐａに相当するブリッジ電圧の誤差ももたらすこともあり、これにより不正確な電圧測定がもたらされる。

温度を測定するための少なくとも２つの素子（例えば感温性のダイオード、感温性の抵抗器など）によって、センサ膜もしくはセンサ素子における温度勾配を決定することができる。このような温度勾配がわかっていれば、既知の方法によりブリッジ電圧の誤差を計算により補正することが可能である。

図１は、センサ膜１０を備える従来のセンサ素子１００を概略的に示す。センサ膜１０には４つのピエゾ感応式の抵抗器もしくはピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４が配置されており、それぞれのピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４はセンサ膜１０のそれぞれ１つの側方部分に配置されており、ピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４はブリッジ回路（図示しない）として互いに電気的に接続されている。センサ膜１０に加えられる（例えば海抜の変化に基づいた）圧力の変化によって、センサ膜１０は変位し、これによりピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の場所に機械的な応力が生じる。これにより、ピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値に変化が生じ、ピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４がセンサ膜１０に適切に配向もしくは配置されている場合には、圧力に依存して出力電圧が生成され、この出力電圧は評価することができ、センサ膜１０に作用する圧力のための基準となる。

しかしながら、従来のピエゾ抵抗器は、機械的な応力に依存している（「ピエゾ感度」）だけでなく、温度にも依存している。不都合な抵抗変化として現れるこのように不都合な温度への依存性を補正するために、ピエゾ抵抗式の圧力センサでは、センサ素子に温度センサもしくは温度測定素子Ｔが設けられる。図１の装置では、このような温度センサＴは、センサ素子１００の温度を検出するために用いられるダイオードとして形成されている。

図２は、本発明によるセンサ素子１００の第１実施形態の原理図を示す。４つのピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４がセンサ膜１０に配置されており、それぞれのピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４はセンサ膜１０の側方部分に配置されていることがわかる。ピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４はブリッジ回路として互いに電気的に接続されている。種々異なる斜線によって、センサ膜１０において上方から下方へ広がる温度勾配が示されている。２つの温度測定素子Ｔ１，Ｔ２がダイオード又は実質的に非圧電式もしくは非感圧性の抵抗器として形成されており、センサ膜１０に隣接して配置されており、センサ膜１０の温度勾配を実質的に完全に捕捉する。両方の温度測定素子Ｔ１，Ｔ２によって、両方の温度測定素子Ｔ１，Ｔ２の間の温度差が測定される。

温度測定素子もしくは温度測定センサＴ１，Ｔ２は、センサ膜１０の外部の場所もしくはセンサ膜１０にかろうじて隣接した場所に配置されており、これらの場所ではセンサ膜１０全体に広がる温度勾配と同様の温度勾配が生じる。他の用途では、センサ膜１０のピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の位置における温度をできるだけ正確に測定することができるように、温度測定素子Ｔ１，Ｔ２をピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４のできるだけ近傍に配置することが有意義な場合もある。

使用時に４つの全てのピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の間に温度勾配が生じる場合には、一実施形態では、４つ以上の温度測定素子Ｔ１〜Ｔｎをセンサ素子１００に配置してもよい。これらの温度測定素子Ｔ１〜Ｔｎは、センサ膜１０に隣接して配置する代わりに、図３に示したピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４及び温度測定素子Ｔ１〜Ｔ４を備えるセンサ素子１００の場合のように、例えば感圧性を最小限にするためにセンサ膜１０の側方部分に対して４５°の向きでセンサ膜１０に配置してもよい。

温度素子Ｔ１〜Ｔｎの間の温度勾配がわかっている場合には、このようにして、ピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の間の温度勾配によって引き起こされる電気信号を補正することができる。補正は、例えば検出された熱応力をピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒｎの電圧と比較して処理する電子式の評価回路（例えば図示しないＡＳＩＣ）によって行うことができる。例えば二次回帰によって、ピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の間の実際の温度差を計算することができる。

図４は、ピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の間に実際に生じる温度差について、種々異なるプロセスにおいて生じる残余誤差を示す。ｘ軸には補正前の温度勾配がｍＫで示されており、ｙ軸には補正後の温度勾配が示されている。残余誤差が約±５ｍＫから約±１に低減されることがわかる。

図５は、本発明によるセンサ素子１００を備えるセンサ装置２００の原理的なブロック図を示す。センサ装置２００は、例えば温度、気圧、湿度、大気質など環境の種々異なるパラメータを検出可能なセンサモジュールを代表するいわゆる「環境センサ」として形成されていてもよい。好ましくは、センサ素子１００の配置によって、圧力測定素子への温度の影響を広範囲にわたって除去することが可能である。

図６は、本発明による方法の一実施形態の原理的なフロー図を示す。

ステップ３００ではセンサ膜１０が設けられる。

ステップ３１０では所定数のピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒｎが設けられ、これらのピエゾ抵抗器は、圧力変化が生じた場合に電圧変化が誘起されるように回路のセンサ膜１０に配置される。

最後に、ステップ３２０では少なくとも２つの温度測定素子Ｔ１〜Ｔｎが設けられ、少なくとも２つの温度測定素子Ｔ１〜Ｔｎは、温度測定素子Ｔ１〜Ｔ２によってセンサ膜１０の温度がピエゾ抵抗器の位置において測定可能となるようにセンサ膜１０に対して配置され、ピエゾ抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の回路に温度勾配に基づいて生じた電圧は、測定された温度を用いて計算により補正可能である。

センサ素子１００を製造する方法ステップは他の順序で実施されてもよいことに言及しておく。

要約すれば、本発明によって、圧力センサのためのセンサ素子及びこのようなセンサ素子を製造する方法が提案され、この方法により、ピエゾ抵抗式の圧力センサへの温度の影響が広範囲にわたって除去されるか、もしくは最小限に抑えられる。好ましくは、提案されたセンサ素子によって、温度勾配による温度の影響を広範囲に補正し、これにより、圧力測定精度を著しく高めることができる。

結果として、センサ素子を備える圧力センサによって、圧力の正確な測定が可能となる。好ましくは、温度勾配が十分にわかっている場合（例えば加熱する電子素子がセンサに配置されている場合）にも、温度勾配がわかっていない場合にも温度補正を行うことが可能である。

適切な数の温度測定素子を適切に位置決めすることにより、特定用途に合わせて温度勾配の影響を除去することができる。この場合、センサ膜における温度勾配の不均質性に依存して温度測定素子の数を変更することもできる。

同様に構成された他のセンサ素子にも本発明が適用可能であることは自明である。

具体的な使用例に基づいて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の核心から逸脱することなしに、開示されていない実施形態又は部分的にのみ開示された実施形態を実現することもできる。

Claims (13)

1. 圧力センサのためのセンサ素子（１００）において：
   センサ膜（１０）であって、該センサ膜（１０）に所定数の圧電抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）が配置されており、該圧電抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）が、圧力変化が生じた場合に電圧変化が誘起されるようにブリッジ回路（特に６頁１７〜２２行）に配置されているセンサ膜（１０）と；
   少なくとも２つの温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）であって、該温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）によって前記圧電抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）の位置において前記センサ膜（１０）の温度が測定可能となるようにセンサ膜（１０）に対して配置されており、
   前記温度測定素子によって前記センサ膜における温度勾配が決定され、（５頁２０〜２３行）前記圧電抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）のブリッジ回路に温度勾配に基づいて生じたブリッジ回路のブリッジ電圧の誤差が、決定された温度勾配を用いて計算により補正される（特に５頁１２〜２５行、７頁１６〜１９行）
   圧力センサのためのセンサ素子（１００）。
2. 請求項１に記載のセンサ素子（１００）において、
   少なくとも１つの前記温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）が前記センサ膜（１０）に配置されているセンサ素子（１００）。
3. 請求項１に記載のセンサ素子（１００）において、
   少なくとも１つの前記温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）が前記センサ膜（１０）に隣接して配置されているセンサ素子（１００）。
4. 請求項１または２に記載のセンサ素子（１００）において、
   前記温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）が前記センサ膜（１０）のそれぞれのコーナ範囲に配置されているセンサ素子（１００）。
5. 請求項４に記載のセンサ素子（１００）において、
   それぞれの前記圧電抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）に、所定の間隔をおいてそれぞれ１つの前記温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）が配置されているセンサ素子（１００）。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載のセンサ素子（１００）において、
   ２つの前記温度測定素子（Ｔ１，Ｔ２）が前記センサ膜（１０）の温度勾配に沿って配置されているセンサ素子（１００）。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載のセンサ素子（１００）において、
   前記温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）が感温性のダイオードであるセンサ素子（１００）。（６頁２０，２１行）
8. 請求項１から６までのいずれか一項に記載のセンサ素子（１００）において、
   前記温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）が感温性の抵抗器であるセンサ素子（１００）。（６頁２０，２１行）
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載のセンサ素子（１００）を備えるセンサ装置（２００）。
10. 圧力センサのためのセンサ素子（１００）を製造する方法であって、次のステップ：
    センサ膜（１０）を設けるステップ；
    所定数の圧電抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）を設け、圧力変化が生じた場合に電圧変化が誘起されるように前記圧電抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）をブリッジ回路（特に６頁１７〜２２行）のセンサ膜（１０）に配置するステップ；および
    少なくとも２つの温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）を設け、該温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）によって前記圧電抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）の位置において前記センサ膜（１０）の温度が測定可能となるように少なくとも２つの温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）をセンサ膜（１０）に対して配置し、前記温度測定素子によって前記センサ膜における温度勾配を決定し、（５頁２０〜２３行）前記圧電抵抗器（Ｒ１〜Ｒｎ）のブリッジ回路に、温度勾配に基づいて生じたブリッジ電圧の誤差を、決定された温度勾配を用いて計算により補正するステップを備える（５頁１２〜２５行〜７ページ１６〜１９行）圧力センサのためのセンサ素子（１００）を製造する方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、
    前記温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）として感温性のダイオードまたは感温性の抵抗器を用いる方法。（５頁２０，２１行）
12. 請求項１０または１１に記載の方法において、
    前記温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）によって前記圧電抵抗器（Ｒ１〜Ｒ４）の位置において温度が測定可能となるように、前記温度測定素子（Ｔ１〜Ｔｎ）を前記センサ膜（１０）に配置するか、またはセンサ膜（１０）に隣接して配置する方法。
13. 圧力センサを備えるセンサ装置（２００）において請求項１から８までのいずれか一項に記載のセンサ素子（１００）を使用する使用法。

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