JP6815900B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態による圧力センサ1の一例を示す機能ブロック図である。
図1に示すように、圧力センサ1は、圧力検出回路部40と、風検出回路部50と、圧力検出部60とを備えている。
抵抗R1(差圧検出抵抗Rsen1)は、第1端が電圧Vccの供給線に、第2端がノードN1に接続されており、キャビティ10内外の差圧に応じて抵抗が変化する。抵抗R1は、例えば、ピエゾ抵抗(後述するドープ層6)である。また、抵抗R2は、第1端がノードN1に、第2端が電源線GNDに接続されている。
抵抗R5(誤差検出抵抗Rsen2)は、第1端が電圧Vccの供給線に、第2端がノードN3に接続されており、キャビティ10の外部における風に応じて抵抗が変化する。抵抗R5は、例えば、ピエゾ抵抗である。また、抵抗R6は、第1端がノードN3に、第2端が電源線GNDに接続されている。
図2は、本実施形態による圧力センサ部110及び風センサ部120の構成例を示す断面図である。また、図3は、本実施形態による圧力センサ部110の構成例を示す図である。
なお、図2及び図3において、本実施形態では、圧力センサ部110の厚み方向(Z軸方向)に沿ったカンチレバー3側を上方、その反対側を下方といい、カンチレバー3の平面視で長手方向をX軸方向、カンチレバー3の平面視で長手方向(X軸方向)に直交する短手方向をY軸方向として説明する。図2に示す断面図は、XZ軸平面の断面図を示している。また、図3に示す平面図は、図2における領域RRのXY軸平面の平面図を示している。
センサ本体2は、例えば、SOI基板などの基板であり、キャビティ筐体2aを備え、当該キャビティ筐体2aにより、上方に開口する中空の有底筒状に形成されている。センサ本体2の内部空間は、キャビティ(空気室)10として機能する。すなわち、中空のセンサ本体2は、内部にキャビティ10が形成されている。
カンチレバー3の基端部3bには、該カンチレバー3を厚さ方向(Z軸方向)に貫通する平面視コ形状(C形状)のギャップG2(区画溝)が形成されている。このギャップG2は、カンチレバー3の基端部3bにおいて圧力センサ部110の短手方向(Y軸方向)の中央部に配置されている。これにより、カンチレバー3は基端部3bを中心として撓み変形し易い構造とされている。
なお、2つのレバー支持部21の短手方向(Y軸方向)に沿った支持幅は、同等とされている。従って、カンチレバー3が撓み変形した際、一方のレバー支持部21に作用する単位面積当たりの応力と、他方のレバー支持部21に作用する単位面積当たりの応力とは同等とされている。
ドープ層6のうち、カンチレバー3が形成された部分(レバー支持部21に形成されている部分を含む)は、上述した抵抗R1(差圧検出抵抗Rsen1)として機能する。抵抗R1は、レバー支持部21の撓み量に応じて抵抗値が変化する。
また、ドープ層6の上面には、ドープ層6よりも電気抵抗率が小さい導電性材料(例えば、Au(金)等)からなる電極(D1、D2)が形成されている。この電極(D1、D2)は、平面視でカンチレバー3を囲む枠状に形成され、ギャップG1及びギャップG3によって、電極D1と、電極D2に分離されている。なお、電極D1は、抵抗R1(差圧検出抵抗Rsen1)の第1端として機能し、電圧Vccの供給線が接続され、電極D2は、抵抗R1(差圧検出抵抗Rsen1)の第2端として機能し、差動増幅回路42の反転入力端子(−端子)が接続される。
カンチレバー4(第2のカンチレバーの一例)は、キャビティ10の外部に片持ち状態で支持され、キャビティ10の外部における流体の流れ(例えば、風)に応じて撓み変形する。カンチレバー4は、カンチレバー3と同一材質及び同一形状になるように構成されている。カンチレバー4は、キャビティ10の外部における圧力変動に影響を与えないように、カンチレバー3の近傍に配置されている。なお、本実施形態において、カンチレバー4は、無風の状態において、カンチレバー3の平面と垂直になるように(XZ平面に平行になるように)配置されている。
=(圧力変動分+風起因変動分)−風起因変動分
=圧力変動分 ・・・ (1)
まず、図4及び図5を参照して、本実施形態における圧力センサ部110及び圧力検出回路部40の動作について説明する。ここでは、圧力伝達媒体(例えば、空気)の圧力が変化した場合のカンチレバー3の動作と、その時の圧力検出回路部40の出力特性について説明する。
なお、以下の説明において、空気の圧力は、外圧Poutと表記することとする。外圧Poutは、カンチレバー3のキャビティ筐体2aへの配設面と対向する面(すなわち、図2における下面)側の圧力である。また、キャビティ10内部の内圧を内圧Pinと定義し、外圧Poutとする。
ここで、図4(a)は、外圧Pout及び内圧Pinの経時変化を示しており、図4(b)は、圧力検出回路部40の出力信号の経時変化を示している。
また、図5は、実施形態における圧力センサ部110の動作の一例を示す図であり、図2及び図3に示すカンチレバー3の動作の一例を模式的に示す断面図である。
ここで、図5(a)は、初期状態のカンチレバー3の断面図を示し、図5(b)は、外圧Poutが内圧Pinより高い状態のカンチレバー3の断面図を示している。また、図5(c)は、キャビティ10内外の圧力が同じに戻った状態のカンチレバー3の断面図を示している。
その結果、内圧Pinが外圧Poutに徐々に近づくので、カンチレバー3の撓みが徐々に小さくなり、時刻t2以降において、図4(b)に示すように、上述の出力信号が、徐々に低下する(期間C)。
なお、圧力検出回路部40の出力信号は、初期状態における基準電圧と、抵抗R1(ドープ層6)の抵抗変化に基づいて増幅された信号との加算となる。初期状態における基準電圧は、カンチレバー3に加わる差圧ΔPがゼロの場合の、図1に図示したホイートストンブリッジ回路41のノードN1とノードN2との電圧差を差動増幅回路42で増幅した電圧値となる。
さらに、圧力センサ部110では、外圧Poutが非常に緩やかに変化する場合、ギャップG1による空気の流動制限機能が作用せず、内圧Pinは外圧Poutに対して時間遅れせず、ほぼ同じ圧力値となり、差圧ΔPが発生しない。圧力センサ部110では、これを逆に利用し、外圧Poutが非常に遅い変化速度の場合(例えば、気象変化のような気圧変化の場合)、外圧Poutの変化を無視することが可能となる。よって、圧力センサ部110は、気象変化のような気圧変化をノイズとして除去することが可能になる。
風センサ部120の構成は、キャビティ10を備えない点を除いて、圧力センサ部110と同様の構成である。風センサ部120では、キャビティ10を備えないため、カンチレバー4は、外圧Poutが変化しても撓み変形しない。風センサ部120では、圧力センサ部110の近傍に風がある場合に、カンチレバー4が風に応じて撓み変形する。
風検出回路部50は、圧力センサ部110の近傍の風を起因とする誤差成分(風起因変動分)を出力信号に出力する。
圧力検出部60は、圧力検出回路部40から出力される圧力変動分と風起因変動分とが含まれる出力信号の電圧変化を、差圧検出値として取得する。また、圧力検出部60は、風検出回路部50から出力される出力信号の電圧変化を風起因変動分(誤差成分)として取得する。圧力検出部60は、取得した差圧検出値と風起因変動分(誤差成分)との差分により、差圧変動情報を生成する。圧力検出部60は、例えば、上述した式(1)を用いて、差圧変動情報を生成する。そして、圧力検出部60は、生成した当該差圧変動情報を外部に出力する。
これにより、本実施形態による圧力センサ1は、誤差成分(例えば、風起因変動分)を除外することができるため、圧力変動を高精度に検出することができる。
これにより、本実施形態による圧力センサ1は、ホイートストンブリッジ回路という簡易な構成を利用して、さらに高精度に圧力変動を検出することができる。
これにより、本実施形態による圧力センサ1は、圧力変動に影響を与えないように、カンチレバー4を配置することで、例えば、カンチレバー4を配置したことにより、圧力変動の検出精度が低下することを低減することができる。また、カンチレバー4をカンチレバー3の近傍に配置することにより、本実施形態による圧力センサ1は、カンチレバー3における風起因変動分を正確に検出して、当該風起因変動分による検出誤差を低減することができる。
これにより、カンチレバー4とカンチレバー3との特性(例えば、撓み変形による抵抗変化特性、温度特性など)を合せることができるため、本実施形態による圧力センサ1は、カンチレバー3における風起因変動分を正確に検出して、当該風起因変動分による検出誤差をさらに低減することができる。
次に、図面を参照して、第2の実施形態による圧力センサ1aについて説明する。
本実施形態では、圧力センサ1aが、風センサ部120とは配置の異なる風センサ部120aを備える場合の一例について説明する。
図6に示すように、本実施形態による圧力センサ1aは、圧力センサ部110と、風センサ部120aを備えている。なお、本実施形態のおける圧力検出回路部40、風検出回路部50、及び圧力検出部60は、第1の実施形態と同様であるため、ここではその説明省略する。また、図6において、図2と同一の構成には同一の符号を付与してその説明を省略する。
本実施形態において、圧力センサ部110と風センサ部120aとは、同一の向きに配置されており、風センサ部120aにおける圧力センサ部110との違いは、風センサ部120aが、キャビティ筐体2aを備えずに、キャビティ10がない点である。風センサ部120aにおけるその他の構成は、圧力センサ部110と同様である。
これにより、本実施形態による圧力センサ1aは、カンチレバー3における風起因変動分と、カンチレバー4における風起因変動分とを近づけることができる。よって、本実施形態による圧力センサ1aは、さらに高精度に圧力変動を検出することができる。
次に、図面を参照して、第3の実施形態による圧力センサ1bについて説明する。
本実施形態では、圧力センサ1bが、風センサ部120とは配置の異なる風センサ部120bを備える場合の一例について説明する。
図7に示すように、本実施形態による圧力センサ1bは、圧力センサ部110と、風センサ部120bを備えている。なお、本実施形態のおける圧力検出回路部40、風検出回路部50、及び圧力検出部60は、第1の実施形態と同様であるため、ここではその説明省略する。また、図7において、図2と同一の構成には同一の符号を付与してその説明を省略する。
また、本実施形態において、風センサ部120bにおけるその他の構成は、圧力センサ部110と同様である。
これにより、本実施形態による圧力センサ1bは、カンチレバー4とカンチレバー3とを同一の向きに配置するとともに、第2の実施形態に比べて、カンチレバー4が、カンチレバー3により近い位置に配置されているため、カンチレバー3における風起因変動分と、カンチレバー4における風起因変動分とをさらに近づけることができる。
次に、図面を参照して、第4の実施形態による圧力センサ1cについて説明する。
本実施形態では、圧力センサ1cが、風センサ部120とは配置の異なる風センサ部120cを備える場合の一例について説明する。
図8に示すように、本実施形態による圧力センサ1cは、圧力センサ部110と、風センサ部120cを備えている。なお、本実施形態のおける圧力検出回路部40、風検出回路部50、及び圧力検出部60は、第1の実施形態と同様であるため、ここではその説明省略する。また、図8において、図2及び図7と同一の構成には同一の符号を付与してその説明を省略する。
また、本実施形態において、風センサ部120cにおけるその他の構成は、圧力センサ部110と同様である。
これにより、本実施形態による圧力センサ1cは、カンチレバー4とカンチレバー3とを同一の向きに配置するとともに、第3の実施形態に比べて、カンチレバー4が、カンチレバー3により近い位置に配置されているため、カンチレバー3における風起因変動分と、カンチレバー4における風起因変動分とをさらに近づけることができる。
次に、図面を参照して、第5の実施形態による圧力センサ1dについて説明する。
本実施形態では、第1の実施形態の圧力検出部60の変形例について説明する。本実施形態による圧力センサ1dは、圧力検出部60の代わりに、1つのホイートストンブリッジ回路を利用して圧力変動情報を生成する圧力検出部60aを備える場合の一例である。
図9に示すように、圧力センサ1dは、圧力検出部60aを備えており、圧力検出部60aは、圧力検出回路部40aと、出力処理部61とを備えている。
また、図9において、図1と同一の構成には同一の符号を付与してその説明を省略する。
また、抵抗R2(誤差検出抵抗Rsen2)は、第1端がノードN1に、第2端が電源線GNDに接続されており、風に応じて抵抗が変化する。抵抗R2は、例えば、カンチレバー4のピエゾ抵抗(ドープ層)である。なお、抵抗R2は、風起因変動分を検出するための抵抗として機能するとともに、抵抗R1(差圧検出抵抗Rsen1)を温度補償するためのレファレンス抵抗としても機能する。
ここで、ホイートストンブリッジ回路41aにおいて、抵抗R1(差圧検出抵抗Rsen1)と、抵抗R2(誤差検出抵抗Rsen2)とが直列に接続されている。
なお、圧力センサ部110及び風センサ部120の構成は、図2及び図3に示す第1の実施形態の構成と同様である。
また、出力処理部61は、差動増幅回路42の出力信号を、圧力変動情報に変換して、外部に出力する。
これにより、本実施形態による圧力センサ1dは、1つのホイートストンブリッジ回路41aを利用して、上述したように、風起因変動分が除外した圧力変動情報を生成することができる。すなわち、本実施形態による圧力センサ1dは、1つのホイートストンブリッジ回路41aを備えるという簡易な構成により、圧力変動を高精度に検出することができる。
これにより、抵抗R2(誤差検出抵抗Rsen2)は、風起因変動分が除外するとともに、差圧検出値の温度依存及び抵抗値バラツキによる検出誤差を低減するための参照抵抗としても機能する。よって、本実施形態による圧力センサ1dは、風起因変動分の影響を低減するとともに、温度変化の影響を低減して、さらに高精度に圧力変動を検出することができる。
次に、図面を参照して、第6の実施形態による圧力センサ1eについて説明する。
本実施形態では、第5の実施形態の圧力検出部60aの変形例について説明する。本実施形態による圧力センサ1eは、1つのホイートストンブリッジ回路を利用して圧力変動情報を生成する場合の別の一例である。
図10に示すように、圧力センサ1eは、圧力検出部60bを備えており、圧力検出部60bは、圧力検出回路部40bと、出力処理部61とを備えている。
また、図10において、図9と同一の構成には同一の符号を付与してその説明を省略する。
また、抵抗R4は、第1端がノードN2に、第2端が電源線GNDに接続されている。抵抗R1は、圧力センサ部110内に構成されており、抵抗R3は、風センサ部120内に構成されている。また、抵抗R2及び抵抗R4は、圧力センサ部110及び風センサ部120の外部に備えられた外付け抵抗である。
なお、圧力センサ部110及び風センサ部120の構成は、図2及び図3に示す第1の実施形態の構成と同様である。
これにより、本実施形態による圧力センサ1eは、1つのホイートストンブリッジ回路41bを利用して、上述したように、風起因変動分が除外した圧力変動情報を生成することができる。すなわち、本実施形態による圧力センサ1eは、1つのホイートストンブリッジ回路41bを備えるという簡易な構成により、圧力変動を高精度に検出することができる。
これにより、抵抗R2(誤差検出抵抗Rsen2)は、風起因変動分が除外するとともに、差圧検出値の温度依存及び抵抗値バラツキによる検出誤差を低減するための参照抵抗としても機能する。よって、本実施形態による圧力センサ1eは、風起因変動分の影響を低減するとともに、温度変化の影響を低減して、さらに高精度に圧力変動を検出することができる。
例えば、上記の第1の実施形態において、圧力検出部60に圧力検出回路部40及び風検出回路部50が含まれない例を説明したが、圧力検出回路部40及び風検出回路部50が、圧力検出部60に含まれるようにしてもよい。
2 センサ本体
2a キャビティ筐体
3、4 カンチレバー
3a 先端部
3b 基端部
6 ドープ層(ピエゾ抵抗)
10 キャビティ
13 枠部
20 レバー本体
21 レバー支持部
40、40a、40b 圧力検出回路部
41、41a、41b、51 ホイートストンブリッジ回路
42、52 差動増幅回路
50 風検出回路部
60、60a、60b 圧力検出部
61 出力処理部
110 圧力センサ部
120、120a、120b、120c 風センサ部
D1、D2 電極
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8 抵抗
G1、G2、G3、G4 ギャップ
Claims (8)
- 内部にキャビティが形成され、前記キャビティの内部と外部とを連通する連通孔を有する中空のセンサ本体と、
前記連通孔を除く前記キャビティの開口面を塞ぐように基端部から先端部に向けて一方向に延びる板状であり、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形する第1のカンチレバーと、
前記キャビティの外部に片持ち状態で支持され、前記キャビティの外部における流体の流れに応じて撓み変形する第2のカンチレバーと、
前記第1のカンチレバーの撓み変形に応じた前記第1のカンチレバーの抵抗変化と、前記第2のカンチレバーの撓み変形に応じた前記第2のカンチレバーの抵抗変化とに基づいて、前記流体の圧力変動を検出する圧力検出部と
備え、
前記圧力検出部は、前記第1のカンチレバーの抵抗変化に基づいて検出された差圧検出値から、前記第2のカンチレバーの抵抗変化に基づいて検出された前記流体の流れに起因する誤差成分を除外して、前記流体の圧力変動を検出する
ことを特徴とする圧力センサ。 - 前記第1のカンチレバーの抵抗を有する第1のホイートストンブリッジ回路と、
前記第2のカンチレバーの抵抗を有する第2のホイートストンブリッジ回路と
を備え、
前記圧力検出部は、前記第1のホイートストンブリッジ回路の出力と、前記第2のホイートストンブリッジ回路の出力とに基づいて、前記流体の圧力変動を検出する
ことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。 - 前記圧力検出部は、
前記第1のカンチレバーの抵抗と、前記第2のカンチレバーの抵抗とを有するホイートストンブリッジ回路を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。 - 前記ホイートストンブリッジ回路において、前記第1のカンチレバーの抵抗と、前記第2のカンチレバーの抵抗とが直列に接続されている
ことを特徴とする請求項3に記載の圧力センサ。 - 前記ホイートストンブリッジ回路において、前記第1のカンチレバーの抵抗の第1端子と、前記第2のカンチレバーの抵抗の第1端子とが、検出電圧の供給線に接続されており、
前記圧力検出部は、前記第1のカンチレバーの抵抗の第2端子の電圧と、前記第2のカンチレバーの抵抗の第2端子の電圧とに基づいて、前記流体の圧力変動を検出する
ことを特徴とする請求項3に記載の圧力センサ。 - 前記第2のカンチレバーは、前記キャビティの外部における圧力変動に影響を与えないように、前記第1のカンチレバーの近傍に配置されている
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の圧力センサ。 - 前記第2のカンチレバーは、前記第1のカンチレバーと同一材質及び同一形状になるように構成されている
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の圧力センサ。 - 前記第2のカンチレバーは、前記第1のカンチレバーと同一の向きに配置されている
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の圧力センサ。
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