JP6815910B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
また、本発明の圧力センサの第五の特徴は、前記圧力制御部は、キャビティ内部の圧力伝達媒体の温度を可変する制御機構を有し、前記キャビティ内部の前記圧力伝達媒体の膨張もしくは収縮させることにより前記キャビティ内の圧力を可変することを要旨とする。
また、本発明の圧力センサの第六の特徴は、
前記演算処理部に接続された絶対圧センサを備え、前記絶対圧センサからの出力信号に基づいて取得された初期圧力に対する圧力変動を算出することを要旨とする。
また、本発明の圧力センサの第七の特徴は、前記演算処理部は、所定の圧力変動における圧力制御部からの出力信号により算出された補正値に基づいて、演算した結果を出力することを要旨とする。
(第1の実施形態)
(全体構成)
図1は本発明の圧力センサ1の構成を示す平面図である。図2は、図1中に示すA−A線での断面図である。
図1及び図2に示すように、本実施形態の圧力センサ1は、所定の周波数帯域の圧力変動を検出するセンサである。圧力センサ1は、センサ本体3とカンチレバー4、変位測定部5、演算処理部6、圧力制御部7を備えている。
センサ本体3は、上方に開口する凹形状に形成された構造であり、例えば樹脂やセラミック、金属等で形成される。
カンチレバー4は、例えば、シリコン支持層2a、シリコン酸化膜等の酸化層2b、およびシリコン活性層2cを熱的に張り合わせたSOI基板2を利用して形成されている。カンチレバー4は、SOI基板2におけるシリコン活性層2cからなり、シリコン活性層2cを、平面視コ字状に形成されたギャップ13で切り出すことで形成されている。これにより、基端部4aを固定端とし、先端部4bを自由端とした片持ち梁構造を形成している。
変位測定部5は、カンチレバー4に設けられたピエゾ抵抗20、ピエゾ抵抗20に接続された配線部21および検出回路22から構成される。
演算処理部6は、圧力制御部7と変位測定部5の各々に接続された集積処理回路と、必要なプログラムや計算に必要な数値を記憶するメモリとから構成される。
圧力制御部7は、センサ本体3に設けられた駆動機構71と駆動回路72とから構成される。ここでは、例えば、駆動機構71はバイモルフ型圧電アクチュエータ、駆動回路72は、圧電アクチュエータに接続された可変電圧回路で構成する。
ここで、上記カンチレバー4を形成したSOI基板2と、センサ本体3とを一体的に固定する。このとき、カンチレバー4をセンサ本体3に形成された凹内部に囲うよう配置する。カンチレバー4は凹部開口を略閉塞するため、センサ本体3の凹内部は、キャビティ(空気室)10として機能する。また、カンチレバー4周囲に設けられたギャップ13により、圧力伝達媒体はキャビティ10の内部と外部とを移動することが可能となる。このため、ギャップ13は連通開口として機能する。
さらに、カンチレバー4は、基端部4aを介してセンサ本体3における周壁部3aの一部の上面に一体的に固定されることで、片持ち支持される。これにより、カンチレバー4は、基端部4aを中心としてキャビティ10の内部と外部との圧力差に応じて撓み変形可能とされる。
カンチレバー4の基端部4aには、平面視コ字状の貫通孔15が形成されており、該カンチレバー4が撓み変形しやすい設計としている。ただし、この貫通孔15の形状は、上記形状に限定されるものではない。
さらに、カンチレバー4の基端部4aには、該カンチレバー4の撓み量(変位量)に応じて電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗20が、貫通孔15を挟み込むように形成されている。これらピエゾ抵抗20には、導電性材料からなる配線部21が接続されており、この配線部21およびピエゾ抵抗20を含む全体的な形状が平面視U字状とされている。また、ピエゾ抵抗20には、該ピエゾ抵抗20の電気抵抗値変化に基づいてカンチレバー4の変位を測定する検出回路22が接続されている。
上記構成により、検出回路22を通じてピエゾ抵抗20に所定電圧が印加されると、この電圧印加に起因する電流は、貫通孔15を回り込むようにして、一方のピエゾ抵抗20から配線部21を経由して他方のピエゾ抵抗20に流れる。そのため、検出回路22は、カンチレバー4の変位(撓み変形)に応じて変化するピエゾ抵抗20の電気抵抗値変化を電気的な出力信号として取り出すことが可能である。したがって、この出力信号(センサ出力)に基づいて、カンチレバー4の変位を測定でき、キャビティ内部と外部との差圧を検出することが可能となる。このため、カンチレバー4と変位測定部5は差圧センサとして機能する。
なお、上記ピエゾ抵抗20は、例えばリン等のドープ剤(不純物)をイオン注入法や拡散法等の各種の方法によりドーピングされることで形成されている。また、双方のピエゾ抵抗20は配線部21のみで電気的導通するよう形成している。そのため、図示していないが、配線部21以外でピエゾ抵抗20双方が導通しないよう、カンチレバー4周囲のシリコン活性層2cをエッチングしている。
また、上記ピエゾ抵抗20は、圧電薄膜であってもよい。この場合、カンチレバー4の基端部4bに加わる応力に応じて、起電力が発生する。この起電力を検出することで、カンチレバー4の変位を検出することが可能である。
さらに、圧力制御部7の駆動機構71は、その外周部をセンサ本体3に固定されており、駆動回路72からの信号により、駆動機構71はキャビティ10内部に向かって凸状もしくは凹状に変形する。このため、駆動機構71の変形によってキャビティ10の容積および圧力を変化させることが可能である。
また、演算処理部6は、圧力制御部7からの出力信号に基づいて所定の演算処理を行い、最終的に圧力センサ1の出力信号を生成し、出力する機能を有する。
(圧力センサの動作)
まず、圧力制御部7を駆動しない場合の圧力センサ1の動作について、図3及び図4を用いて説明する。
初めに、図3に示す期間Aのように、キャビティ10の外部の圧力(以下、外圧Pout)と、キャビティ10内部の圧力(以下、内圧Pin)との圧力差がゼロである場合には、図4(A)に示すように、カンチレバー4は撓み変形しない。
ここで、図3(A)に示す時刻t1以降の期間Bのように、例えば外圧Poutがステップ上に上昇すると、キャビティ10の外部と内部との間に差圧が生じるので、図4(B)に示すようにカンチレバー4はキャビティ10内部に向けて撓み変形する。
すると、カンチレバー4の撓み変形に応じてピエゾ抵抗20に歪が生じ、電気抵抗値が変化するので、図3(B)に示すように変位測定部5の出力が増大する。
また、外圧Poutの上昇以降、ギャップ13を介してキャビティ10の外部から内部へと圧力伝達媒体が流動するので、図3(A)に示すように、内圧Pinが時間の経過とともに外圧Poutよりも遅れながら、かつ外圧Poutの変動よりも緩やかな応答で上昇する。
これにより、内圧Pinが外圧Poutに徐々に近づくので、キャビティ10の外部と内部との圧力が均衡状態になり始め、カンチレバー4の撓みが徐々に小さくなり、図3(B)に示すように変位測定部5の出力が徐々に低下する。
そして、図3(A)に示す時刻t2以降の期間Cのように、内圧Pinが外圧Poutに等しくなると、図4(C)に示すように、カンチレバー4の撓み変形が解消されて元の状態に復帰し、図3(B)に示すように、変位測定部5の出力が再びゼロになる。
このように、カンチレバー4の変位に基づいた変位測定部5の出力信号の変動をモニタすることで、キャビティ内部と外部の差圧変化を検出することができる。
特に、SOI基板2のシリコン活性層2cを利用して半導体プロセス技術によりカンチレバー4を形成できるので、従来の圧電素子に比べて薄型化(例えば、数十〜数百nm)し易い。したがって、カンチレバー4を非常に低剛性で構成できるため、微小な差圧の変動を精度よく検出することができる。
次に、圧力制御部7を駆動させた場合の圧力センサ1の動作について、図5及び図6を用いて説明する。
前述同様に、図5の期間Aのように外圧Poutと内圧Pinとの圧力差がゼロである場合は、カンチレバー4は変形せず、圧力制御部7の駆動機構71も変形しない(図6(A)参照)。
ここで、図5の時刻t1以降の期間Bのように、外圧Poutがステップ状に上昇したとする。ここで、カンチレバー4は外圧Poutと内圧Pinの差圧によりキャビティ10内部に撓み変形を始める。この時、カンチレバー4に接続された変位測定部5と演算処理部6(図示省略)を経て生成された信号に基づいて、圧力制御部7はカンチレバー4の変形をできるかぎり小さくするよう制御する。具体的には、変位機構71がキャビティ10内部へと変形することで、内圧Pinを上昇させ、外圧Poutとの差圧を発生させないようにする(図6(B)参照)。このとき、圧力制御部の出力は、外圧Poutの上昇に合わせて差圧Pinを上昇させようとするので、時刻t1から大きく上昇することとなる。そして、外圧Poutの上昇に差圧Pinが追い付くと、そのまま維持しようとすることになり(図6(C)参照)、圧力制御部の出力はほぼ平坦な出力となる。
なお、この時の変位機構71の変形量の制御は、カンチレバー4の変形量(すなわち変位測定部5の出力信号)に基づいて行う。つまり、カンチレバー4の変形が発生しないよう、変位機構71を変形させることとなる。
このため、変位測定部5の出力信号と異なり、圧力制御部7の出力は外圧Poutの動きと非常に類似した動きとなる。したがって、圧力制御部7の出力信号を検出することで、外圧Poutの変動を検出することが可能となる。
また、カンチレバー4はほとんど撓み変形することがなく、ギャップ13の形状が大きく変化することがない。つまり、外圧Poutと内圧Pinとの差圧が発生せず、キャビティ10内外を移動する圧力伝達媒体の流量がほぼゼロとなる。これにより、圧力制御部7の出力と外圧Poutとは線形性を有するため、圧力検出感度の線形性を向上することが可能となる。
(演算処理部の動作)
次に、演算処理部6の動作について、説明する。
このため、求めたV(t)とメモリ内に格納されたPout(t=0)とV(t=0)を読み出し、各時刻tにおける外圧Pout(t)を求めることができる。
なお、駆動機構71の可動範囲を超えて、外圧Poutが変化した場合、演算処理部6からエラー信号を出力して、駆動機構71を原点復帰させた後、前述同様に圧力制御部7の制御を開始することとする。これにより、エラー信号出力前後での、外圧Poutの変動は連続的に測定できないものの、エラー信号前とエラー信号後各々の期間において、外圧Poutの圧力変動を時系列で測定することが可能となる。また、非常に急激な圧力変化が圧力センサ1に加わった場合に、圧力制御部7の動作によってカンチレバー4に急激な差圧が加わることを抑制することができる。これによりカンチレバー4の破損を防止することも可能となる。
上述したように、本実施形態の圧力センサ1によれば、圧力変動の検出を精度よく行うことができるとともに、検出感度の線形性向上することが可能となる。
(変形例1)
本発明に係る第一の実施形態の圧力センサ1では、圧力制御部7の構成にバイモルフ型圧電アクチュエータを利用したが、それ以外の構成でも圧力センサ1を構成可能である。
Pin(t)はPout(t)とほぼ同じであるため、温度制御と計測によって外圧Poutの圧力変動を測定することができる。
(変形例2)
本発明に係る第一の実施形態の圧力センサ1では、差圧センサとして薄膜のカンチレバー4を用いたが、それ以外の構成でも圧力センサ1を構成可能である。
(第2の実施形態)
以下、本発明に係る第2の実施形態の圧力センサ1について説明する。第1の実施形態と同一箇所については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
(第3の実施形態)
以下、本発明に係る第3の実施形態の圧力センサ1について、図11を用いて説明する。第1及び第2の実施形態と同一箇所については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。また、上述した各実施形態を適宜組み合わせて採用することも可能である。
2 SOI基板
3 センサ本体
4 カンチレバー
4b カンチレバーの先端部
4a カンチレバーの基端部
5 変位測定部
6 演算処理部
7 圧力制御部
8 絶対圧センサ
9 熱式差圧センサ
10 キャビティ
20 ピエゾ抵抗
22 検出回路
50 補正値測定装置
51 圧力容器
52 ポンプ
53 補正用圧力センサ
54 補正値演算処理回路
71 駆動機構
72 駆動回路
73 ペルチエ素子
74 温度センサ
91 流路
92 ヒーター
93 温度センサ
Claims (6)
- 測定対象圧力を伝達する圧力伝達媒体が流入するキャビティと、前記圧力伝達媒体を前記キャビティの内部と外部に流通させる連通開口と、が形成されたセンサ本体と、
前記センサ本体の一部に設置され、前記キャビティの内部圧力と前記外部の圧力との差圧を測定する差圧センサと、
前記センサ本体の一側面に設置され、かつ前記差圧センサの出力に基づいて前記キャビティの内部の圧力を可変する圧力制御部と、
前記圧力制御部からの信号を処理する演算処理部と、
を備える圧力センサであって、
前記演算処理部に接続された絶対圧センサをさらに備え、
前記絶対圧センサからの出力信号に基づいて取得された初期圧力に対する圧力変動を算出することを特徴とする圧力センサ。 - 測定対象圧力を伝達する圧力伝達媒体が流入するキャビティと、前記圧力伝達媒体を前記キャビティの内部と外部に流通させる連通開口と、が形成されたセンサ本体と、
前記センサ本体の一部に設置され、前記キャビティの内部圧力と前記外部の圧力との差圧を測定する差圧センサと、
前記センサ本体の一側面に設置され、かつ前記差圧センサの出力に基づいて前記キャビティの内部の圧力を可変する圧力制御部と、
前記圧力制御部からの信号を処理する演算処理部と、
を備える圧力センサであって、
前記演算処理部は、所定の圧力変動における圧力制御部からの出力信号により算出された補正値に基づいて、演算した結果を出力することを特徴とする圧力センサ。 - 前記差圧センサは、基端部から先端部に向けて一方向に延びる板状であり、かつ、前記基端部が前記センサ本体に片持ち状に支持され、前記先端部が前記連通開口に沿って配設された構造を有し、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カンチレバーと、
前記カンチレバーの撓み変形を測定する変位測定部と、を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の圧力センサ。 - 前記圧力制御部は、前記キャビティと前記外部との差圧がゼロに近づくよう制御されることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の圧力センサ。
- 前記圧力制御部は、屈曲変形する駆動機構を有し、前記屈曲変形することにより前記キャビティの容積を可変することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の圧力センサ。
- 前記圧力制御部は、キャビティ内部の圧力伝達媒体の温度を可変する制御機構を有し、前記キャビティ内部の前記圧力伝達媒体の膨張もしくは収縮させることにより前記キャビティ内の圧力を可変することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の圧力センサ。
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