JP6837349B2 - 圧力変化測定装置、高度測定装置、及び圧力変化測定方法 - Google Patents

圧力変化測定装置、高度測定装置、及び圧力変化測定方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧力変化測定装置、高度測定装置、及び圧力変化測定方法に関する。
従来、測定対象の圧力変化を抵抗の変化として検出し、圧力変化に応じた抵抗の変化を、例えば、ホイートストンブリッジ回路などの検出回路により検出する圧力変化測定装置が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
特開2002−236070号公報
特許文献1に記載されている圧力変化測定装置では、温度ドリフト補償用の抵抗を用いて、温度変化によるオフセット電圧のドリフトを補償している。
しかしながら、圧力変化測定装置の温度変化による測定誤差は、オフセット電圧のドリフトと、感度の温度による変動とが要因として同時に発生する。そのため、測定対象の圧力変化を高精度に測定するためには、オフセット電圧とセンサ感度との両方の温度補償を高精度に行う必要があり、上述した従来の圧力変化測定装置では、測定対象の圧力変化を高精度に測定することが困難であった。
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、測定対象の圧力変化を高精度に測定することができる圧力変化測定装置、高度測定装置、及び圧力変化測定方法を提供することにある。
上記問題を解決するために、本発明の一態様は、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外に流通させる連通孔と、を有し、前記キャビティの内部圧力と前記測定対象圧力との差圧に応じた差圧検出値を検出する差圧センサと、前記差圧センサの温度に応じた検出値を検出する温度センサと、前記温度センサによって検出された前記検出値に基づいて、前記差圧センサの温度が所定の温度になるように、前記差圧センサに供給する電力を変更する供給制御部と、前記供給制御部によって前記所定の温度になるように変更された前記電力が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する演算処理部とを備え、前記供給制御部は、前記温度センサによって検出された前記検出値に対応する温度が、前記所定の温度になるように前記温度センサに供給する第1の電圧又は第1の電流を変更し、前記差圧センサに供給する第2の電圧又は第2の電流を、変更した前記第1の電圧又は前記第1の電流と等しい電圧又は電流に変更し、前記演算処理部は、変更された前記第2の電圧又は前記第2の電流が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成することを特徴とする圧力変化測定装置である。
また、本発明の一態様は、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外に流通させる連通孔と、を有し、前記キャビティの内部圧力と前記測定対象圧力との差圧に応じた差圧検出値を検出する差圧センサと、前記差圧センサの温度に応じた検出値を検出する温度センサと、前記温度センサによって検出された前記検出値に基づいて、前記差圧センサの温度が所定の温度になるように、前記差圧センサに供給する電力を変更する供給制御部と、前記供給制御部によって前記所定の温度になるように変更された前記電力が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する演算処理部とを備え、前記供給制御部は、前記温度センサによって検出された前記検出値に対応する温度が、前記所定の温度になるように前記温度センサに供給する第1の電圧又は第1の電流を変更し、変更した前記第1の電圧又は前記第1の電流を、前記温度センサの発熱特性情報と、前記差圧センサの発熱特性情報とに基づいて、補正した電圧又は電流に、前記差圧センサに供給する第2の電圧又は第2の電流を変更し、前記演算処理部は、変更された前記第2の電圧又は前記第2の電流が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成することを特徴とする圧力変化測定装置である。
また、本発明の一態様は、上記の圧力変化測定装置において、前記所定の温度は、使用温度範囲の最大値に、前記差圧センサを動作させる最小電力による発熱分を加算した温度以上に定められていることを特徴とする。
また、本発明の一態様は、上記の圧力変化測定装置において、前記差圧センサは、前記キャビティを有するセンサ本体と、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カンチレバーと、前記カンチレバーの撓み変形に応じた前記基端部の抵抗変化に基づいて、前記差圧検出値を検出する差圧検出回路部とを備えることを特徴とする。
また、本発明の一態様は、上記の圧力変化測定装置において、前記差圧センサは、前記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、撓み変形しないように固定されているレバー部を有するレファレンス部を有し、前記差圧検出回路部は、前記カンチレバーの基端部の抵抗を含む検出抵抗と、前記レバー部の基端部の抵抗を含む参照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。
また、本発明の一態様は、上記の圧力変化測定装置において、前記温度センサは、キャビティを有する本体部と、前記カンチレバーと同一材質及び同一形状になるように、且つ、前記本体部のキャビティを覆うように構成され、撓み変形しないように固定されている温度検出抵抗部と、前記温度検出抵抗部の抵抗変化に基づいて、前記検出値を検出する温度検出回路部とを備えることを特徴とする。
また、本発明の一態様は、上記の圧力変化測定装置と、前記圧力変化測定装置から得られた前記測定対象圧力の変化を高度情報に変換する高度変換部とを備えることを特徴とする高度測定装置である。
また、本発明の一態様は、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外に流通させる連通孔と、を有し、前記キャビティの内部圧力と前記測定対象圧力との差圧に応じた差圧検出値を検出する差圧センサを利用した圧力変化測定方法であって、供給制御部が、前記差圧センサの温度に応じた検出値を検出する温度センサによって検出された前記検出値に基づいて、前記差圧センサの温度が所定の温度になるように、前記差圧センサに供給する電力を変更する供給制御ステップと、演算処理部が、前記供給制御ステップによって前記所定の温度になるように変更された前記電力が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する演算処理ステップとを含み、前記供給制御ステップにおいて、前記供給制御部は、前記温度センサによって検出された前記検出値に対応する温度が、前記所定の温度になるように前記温度センサに供給する第1の電圧又は第1の電流を変更し、前記差圧センサに供給する第2の電圧又は第2の電流を、変更した前記第1の電圧又は前記第1の電流と等しい電圧又は電流に変更し、前記演算処理ステップにおいて、前記演算処理部は、変更された前記第2の電圧又は前記第2の電流が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成することを特徴とする圧力変化測定方法である。
また、本発明の一態様は、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外に流通させる連通孔と、を有し、前記キャビティの内部圧力と前記測定対象圧力との差圧に応じた差圧検出値を検出する差圧センサを利用した圧力変化測定方法であって、供給制御部が、前記差圧センサの温度に応じた検出値を検出する温度センサによって検出された前記検出値に基づいて、前記差圧センサの温度が所定の温度になるように、前記差圧センサに供給する電力を変更する供給制御ステップと、演算処理部が、前記供給制御ステップによって前記所定の温度になるように変更された前記電力が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する演算処理ステップとを含み、前記供給制御ステップにおいて、前記供給制御部は、前記温度センサによって検出された前記検出値に対応する温度が、前記所定の温度になるように前記温度センサに供給する第1の電圧又は第1の電流を変更し、変更した前記第1の電圧又は前記第1の電流を、前記温度センサの発熱特性情報と、前記差圧センサの発熱特性情報とに基づいて、補正した電圧又は電流に、前記差圧センサに供給する第2の電圧又は第2の電流を変更し、前記演算処理ステップにおいて、前記演算処理部は、変更された前記第2の電圧又は前記第2の電流が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成することを特徴とする圧力変化測定方法である。
本発明によれば、測定対象の圧力変化を高精度に測定することができる。
第1の実施形態による圧力変化測定装置の一例を示す機能ブロック図である。 第1の実施形態におけるセンサチップの一例を示す平面図である。 図2に示すA−A線に沿ったセンサチップの断面図である。 図2に示すB−B線に沿ったセンサチップの断面図である。 第1の実施形態における差圧センサの温度補償の原理を説明する図である。 第1の実施形態における差圧センサの出力信号の一例を示す図である。 第1の実施形態における差圧センサの動作の一例を示す図である。 第1の実施形態における圧力変化測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。 第2の実施形態による圧力変化測定装置の一例を示す機能ブロック図である。 第2の実施形態における差圧センサの温度補償の原理を説明する図である。 第2の実施形態における圧力変化測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。 第3の実施形態による圧力変化測定装置の一例を示す機能ブロック図である。 第3の実施形態における差圧センサの温度補償の原理を説明する図である。 第3の実施形態における圧力変化測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。 第4の実施形態におけるセンサチップの一例を示す平面図である。 図15に示すA−A線に沿ったセンサチップの断面図である。 図15に示すB−B線に沿ったセンサチップの断面図である。 第5の実施形態による圧力変化測定装置の一例を示す機能ブロック図である。 第5の実施形態におけるセンサチップの一例を示す平面図である。 図19に示すA−A線に沿ったセンサチップの断面図である。 図19に示すB−B線に沿ったセンサチップの断面図である。 第6の実施形態による高度測定装置の一例を示す機能ブロック図である。
以下、本発明の一実施形態による圧力変化測定装置、及び高度測定装置について図面を参照して説明する。
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態による圧力変化測定装置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、圧力変化測定装置1は、差圧センサ110と、温度センサ120と、基準電圧生成部30と、電圧制御部60と、演算処理部70とを備えている。
差圧センサ110は、測定対象媒体(例えば、空気などの流体)の圧力(測定対象圧力)の変化を検出するものであり、後述するキャビティ10(図3参照)の内部圧力と測定対象圧力(外部圧力)との差圧に応じた差圧検出値を検出する。差圧センサ110は、差圧検出値を検出する差圧検出回路部40を備えている。
差圧検出回路部40は、ホイートストンブリッジ回路41と、差動増幅回路42とを備えている。
ホイートストンブリッジ回路41は、後述する差圧センサ部111が有する抵抗R1(検出抵抗Rsen)と、後述するレファレンス部112が有する抵抗R2(参照抵抗Rref)と、抵抗R3と、抵抗R4とを備えている。
抵抗R1(検出抵抗Rsen)は、第1端が電圧Vb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R2(参照抵抗Rref)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、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である。
また、抵抗R3は、第1端が電圧Vbの供給線に、第2端がノードN2に接続され、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及びR2は、後述するセンサチップ100内に構成されており、抵抗R3及び抵抗R4は、センサチップ100の外部に備えられた外付け抵抗である。
差動増幅回路42は、例えば、計測アンプ(インスツルメンテーションアンプ)であり、ノードN1とノードN2との電位差を増幅して出力信号Voとして出力する。差動増幅回路42は、反転入力端子(−端子)がノードN1に接続され、非反転入力端子(+端子)がノードN2に接続されている。
温度センサ120は、例えば、差圧センサ110の温度(例えば、周辺温度)に応じた検出値を検出する。なお、温度センサ120は、差圧センサ110と温度特性が等しくなるように構成されている。温度センサ120は、検出値を検出する温度検出回路部50を備えている。
温度検出回路部50は、ホイートストンブリッジ回路51と、差動増幅回路52とを備えている。
ホイートストンブリッジ回路51は、後述する温度センサ部121が有する抵抗R5(検出抵抗Rtmp)と、抵抗R6と、抵抗R7と、抵抗R8とを備えている。
抵抗R5(検出抵抗Rtmp)は、第1端がブリッジ印加電圧Vbの供給線に、第2端がノードN3に接続されており、差圧センサ110の温度に応じて抵抗値が変化する。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。
また、抵抗R7は、第1端がブリッジ印加電圧Vbの供給線に、第2端がノードN4に接続され、抵抗R8は、第1端がノードN4に、第2端が電源線GNDに接続されている。抵抗R5は、後述するセンサチップ100内に構成されており、抵抗R6、抵抗R7、及びR8は、センサチップ100の外部に備えられた外付け抵抗である。
差動増幅回路52は、例えば、計測アンプ(インスツルメンテーションアンプ)であり、ノードN3とノードN4との電位差を増幅して出力信号Vtとして出力する。差動増幅回路52は、反転入力端子(−端子)がノードN3に接続され、非反転入力端子(+端子)がノードN4に接続されている。
なお、センサチップ100は、差圧センサ部111、レファレンス部112、及び温度センサ部121を備えており、抵抗R1、抵抗R2、及び抵抗R5は、センサチップ100内の同一の半導体基板上に構成されている。ここで、図2〜4を参照して、センサチップ100の構成の詳細について説明する。
図2は、本実施形態におけるセンサチップ100の一例を示す平面図である。また、図3は、図2に示すA−A線に沿ったセンサチップ100の断面図である。また、図4は、図2に示すB−B線に沿ったセンサチップ100の断面図である。
図2〜4に示すように、本実施形態のセンサチップ100は、SOI基板5を利用して形成された直方体状の外形を有するセンサ本体2を備え、差圧センサ部111と、レファレンス部112と、温度センサ部121とを備えている。
差圧センサ部111は、所定の周波数帯域(例えば、1Hz以下の低周波帯域)の圧力変動を検出するセンサであり、圧力伝達媒体(例えば空気等の気体)が存在する空間等に配置されて使用される。差圧センサ部111は、キャビティ10を有するセンサ本体2と、先端部3aが自由端とされ、基端部3bが片持ち支持されたカンチレバー3とを備えている。
なお、本実施形態では、センサチップ100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、センサチップ100の平面視で長手方向をX軸方向、センサチップ100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。
また、SOI基板5は、図3に示すように、シリコン支持層5a、シリコン酸化膜等の電気的絶縁性を有する絶縁層5b、及びシリコン活性層5cを熱的に張り合わせた基板とされている。
センサ本体2は、例えばSOI基板5におけるシリコン支持層5aで形成されている。
具体的には、センサ本体2は底壁部2a及び周壁部2bを有し、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として機能し、上方に開口した部分がキャビティ10の内部と外部とを連通する連通開口11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、キャビティ10の内部と外部とを連通する連通開口11を有する。
絶縁層5bは、例えば、SiO2(二酸化ケイ素)により形成された酸化層であり、センサ本体2の周壁部2bの開口端縁上に全周に亘って環状に形成されている。
シリコン活性層5cは、センサ本体2を上方から塞ぐように絶縁層5b上に形成されている。このシリコン活性層5cには、該シリコン活性層5c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G1(区画溝)が形成されている。これにより、シリコン活性層5cには、環状の枠部13とカンチレバー3とが形成されている。
ギャップG1は、平面視で連通開口11の内側に位置する領域内(キャビティ10の内部に連通する領域内)に形成され、圧力伝達媒体をキャビティ10の内外に流通させる連通孔として機能する。
カンチレバー3は、基端部3bが枠部13を介してセンサ本体2における周壁部2bの開口端の内側に一体的に接続され、且つ先端部3aが自由端とされた片持ち梁構造とされ、連通開口11を覆うように配置されている。すなわち、カンチレバー3は、ギャップG1(連通孔)を除くキャビティ10の開口面を塞ぐように基端部3bから先端部3aに向けて一方向に延びる板状であり、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する。また、カンチレバー3は、レバー本体20と、レバー本体20とセンサ本体2とを接続するとともにレバー本体20を片持ち状態で支持する複数のレバー支持部21とを有し、連通開口11を覆うように配置される。
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においてセンサチップ100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。
2つのレバー支持部21は、ギャップG2を挟んで短手方向(Y軸方向)に並ぶように配置され、レバー本体20と枠部13とを接続するとともにレバー本体20を片持ち状態で支持している。従って、カンチレバー3は、これらレバー支持部21を中心に撓み変形する。
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。
上述したカンチレバー3が形成されたシリコン活性層5cには、ピエゾ抵抗(抵抗素子)であるドープ層6(不純物半導体層)がシリコン活性層5cの全面に亘って形成されている。このドープ層6は、例えばリン等のドープ材(不純物)が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。
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(検出抵抗Rsen)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G5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(検出抵抗Rsen)の第1端として機能し、ブリッジ印加電圧Vbの供給線が接続され、電極D2は、抵抗R1(検出抵抗Rsen)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。
レファレンス部112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たレバー部4と、を有している。なお、本実施形態では、レファレンス部112は、センサチップ100の短手方向(Y軸方向)の中央線を中心に、差圧センサ部111と対称に構成されており、レバー部4と、ギャップG3と、ギャップG4と、電極(D2、D3)を有している。なお、レファレンス部112は、図3に示すように、キャビティを有していない点を除いて同一材質及び同一形状になるように構成されている。
レバー部4は、カンチレバー3と同様に、ドープ層6を備え、当該ドープ層6が、上述した抵抗R2(参照抵抗Rref)として機能するが、キャビティがない状態で固定されて生成されているため、抵抗R2の抵抗値は、測定対象圧力の変動に影響されない。
なお、レファレンス部112において、電極(D2、D3)は、ギャップG3及びギャップG5によって、電極D2と、電極D3に分離されている。なお、電極D2は、抵抗R2(参照抵抗Rref)の第1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、電極D3は、抵抗R2(参照抵抗Rref)の第2端として機能し、電源線GNDが接続される。
温度センサ部121は、図2及び図4に示すように、電極D4と、電極D5と、ピエゾ抵抗としてのドープ層6と、キャビティ10aとを有している。なお、ドープ層6は、上述した抵抗R5として機能し、ドープ層6(抵抗R5)は、ギャップG5とギャップG6との間に形成されており、長手方向(X軸方向)長い長方形として形成されている。また、ドープ層6(抵抗R5)及びシリコン活性層5cの下には、キャビティ10aが形成され、ドープ層6(抵抗R5)の熱容量が抵抗R1(検出抵抗Rsen)と等しくなるように構成されている。
なお、電極D4は、抵抗R5(検出抵抗Rtmp)の第1端として機能し、ブリッジ印加電圧Vbの供給線が接続され、電極D5は、抵抗R5(検出抵抗Rtmp)の第2端として機能し、差動増幅回路52の反転入力端子(−端子)が接続される。
図1の説明に戻り、基準電圧生成部30は、差圧センサ110及び温度センサ120に供給する電圧(ブリッジ印加電圧Vb)を生成するための基準電圧を生成する。
電圧制御部60(供給制御部の一例)は、温度センサ120によって検出された検出値Vtに基づいて、差圧センサ110の温度が所定の温度(例えば、測定温度Tsen0)になるように、差圧センサ110に供給する電力(例えば、ブリッジ印加電圧Vb)を変更する。電圧制御部60は、例えば、温度センサ120によって検出された検出値Vtに対応する温度Ttmpが、所定の温度(例えば、測定温度Tsen0)になるように温度センサ120に供給する電圧Vbtmp(第1の電圧)を変更する。
すなわち、電圧制御部60は、基準電圧生成部30が生成した基準電圧を基に、温度センサ120によって検出された温度Ttmpが予め定められた測定温度Tsen0と一致するブリッジ印加電圧Vb(=Vbtmp0)に変更する。電圧制御部60は、差圧センサ110に供給する電圧Vbsen(第2の電圧)を、変更した電圧Vbtmp0と等しい電圧に変更する。なお、本実施形態では、電圧制御部60が出力するブリッジ印加電圧Vbは、同一の電圧が差圧センサ110及び温度センサ120に供給される。そのため、電圧制御部60は、ブリッジ印加電圧Vbを電圧Vbtmp0に変更することで、差圧センサ110にも同一のブリッジ印加電圧Vb(=Vbtmp0=Vbsen0)を供給する。
ここで、図5を参照して、ブリッジ印加電圧Vbを変更することにより、差圧センサ110を温度補償する本実施形態の原理について説明する。
図5は、本実施形態における差圧センサ110の温度補償の原理を説明する図である。
図5(a)は、ブリッジ印加電圧Vbと、温度センサ120の温度との関係(温度センサの発熱特性)を示している。
図5(a)において、グラフの縦軸は、温度センサ120の温度を示し、横軸は、ブリッジ印加電圧Vbを示している。
また、波形W1は、周辺温度が圧力変化測定装置1の使用温度範囲の下限温度Taminである場合における温度センサ120の発熱特性を示し、波形W2は、周辺温度が圧力変化測定装置1の使用温度範囲の上限温度Tamaxである場合における温度センサ120の発熱特性を示している。また、波形W3は、周辺温度が温度Taである場合における温度センサ120の発熱特性を示している。
また、差圧センサ110の測定温度Tsen0は、差圧センサ110及び温度センサ120の発熱特性を考慮して、下記の式(1)のように設定されている。
Figure 0006837349
すなわち、測定温度Tsen0(所定の温度)は、使用温度範囲の最大値(上限温度Tamax)に、差圧センサ110を動作させる最小電力(例えば、最小のブリッジ印加電圧)による発熱分αを加算した温度以上に定められている。
また、周辺温度が下限温度Taminである場合に、差圧センサ110を測定温度Tsen0(=Ttmp0)にするためには、波形W1に示すように、ブリッジ印加電圧Vbを電圧Vmaxにする必要がある。また、周辺温度が上限温度Tamaxである場合に、差圧センサ110を測定温度Tsen0(=Ttmp0)にするためには、波形W2に示すように、ブリッジ印加電圧Vbを電圧Vminにする必要がある。
また、図5(b)は、温度センサ120の検出値Vtと温度Ttmpとの関係を示している。
図5(b)において、グラフの縦軸は、温度センサ120の検出値Vtを示し、横軸は、温度センサ120の温度Ttmpを示している。また、波形W4は、温度センサ120の検出値Vtと温度Ttmpとの関係(温度特性)を示している。
まず、周辺温度が温度Taである場合に、電圧制御部60は、ブリッジ印加電圧Vbを電圧Vminから電圧Vmaxの範囲を変化させて、温度センサ120の検出値Vtを取得する。ここで、図5(b)に示す温度センサ120の検出値Vtと温度Ttmpとの温度特性から、電圧制御部60は、温度センサ120の温度Ttmpを得ることが可能である。電圧制御部60は、図5(b)に示す温度センサ120の温度特性に基づいて、温度センサ120の検出値Vtに対応する温度センサ120の温度Ttmpが、測定温度Tsen0(=Ttmp0)になるブリッジ印加電圧Vb(=V0)を判定する。ここで、測定温度Tsen0と温度Taとの差分ΔTが、ブリッジ印加電圧Vbが電圧V0である場合の温度センサ120の自己発熱分の温度である。
なお、差圧センサ110と温度センサ120とは、発熱特性を含む温度特性が等しくなるように構成されており、ブリッジ印加電圧Vbが電圧V0である場合の差圧センサ110の温度Tsenは、測定温度Tsen0(=Ttmp0)となる。
そのため、電圧制御部60は、ブリッジ印加電圧Vbを電圧V0に変更することで、差圧センサ110及び温度センサ120の温度を測定温度Tsen0にすることができる。この状態で、差圧センサ110による差圧検出値ΔVを検出することにより、差圧センサ110は、常に同一の温度で差圧検出値ΔVを検出することになり、差圧センサ110の差圧検出値の温度による変化を考慮する必要がなくなる。
また、差圧センサ110による差圧検出値ΔVは、下記の式(2)で表すことができる。
Figure 0006837349
ここで、感度ΔR/Rは、測定温度Tsen0における差圧センサ110の感度を示し、アンプゲインGは、差動増幅回路42の電圧利得を示している。また、差圧値ΔPは、例えば、後述する外圧(Pout)と内圧(Pin)との差分であり、圧力変化を示している。
上述した式(2)を変形すると、下記の式(3)になり、差圧センサ110による差圧検出値ΔVから、差圧値ΔPを算出することができる。
Figure 0006837349
ここで、感度ΔR/R(Tsen0)は、測定温度Tsen0における差圧センサ110の感度を示し、電圧V0は、ブリッジ印加電圧Vbとして差圧センサ110に供給される電圧を示している。
再び、図1の説明に戻り、電圧制御部60は、温度特性記憶部61と、電圧変更部62とを備えている。
温度特性記憶部61は、ブリッジ印加電圧Vbを決定(変更)するために利用される差圧センサ110及び温度センサ120の各種温度特性情報を記憶する。温度特性記憶部61は、例えば、図5(a)に示す差圧センサ110及び温度センサ120の発熱特性情報、及び図5(b)に示す温度センサ120の温度特性情報(温度Ttmpと検出値Vtとの関係を示す特性情報)などを記憶する。
電圧変更部62は、基準電圧生成部30によって生成された基準電圧を基に、ブリッジ印加電圧Vbを電圧Vminから電圧Vmaxの範囲で変更し、温度特性記憶部61が記憶する温度センサ120の温度特性情報に基づいて、温度センサ120の温度Ttmpが、測定温度Tsen0(=Ttmp0)になる電圧V0を決定する。電圧変更部62は、決定した電圧V0をブリッジ印加電圧Vbとして、差圧センサ110及び温度センサ120に供給する。
演算処理部70は、電圧制御部60によって所定の温度(測定温度Tsen0)になるように変更された電力が供給されて、差圧センサ110によって検出された差圧検出値ΔVを取得する。演算処理部70は、取得した差圧検出値ΔVと、所定の温度における差圧センサ110の特性情報(例えば、測定温度Tsen0における差圧センサ110の感度ΔR/R)とに基づいて、測定対象圧力の変化を示す情報(例えば、外圧値Pout)を生成する。
また、演算処理部70は、センサ特性記憶部71と、内圧値記憶部72と、圧力算出部73とを備えている。
センサ特性記憶部71は、差圧センサ110の温度特性などの特性情報を記憶する。センサ特性記憶部71は、例えば、上述した式(3)における各種パラメータを記憶する。センサ特性記憶部71は、具体的に、測定温度Tsen0における差圧センサ110の感度ΔR/R、アンプゲインGなどの情報、及び式(3)に関する情報などを記憶する。
内圧値記憶部72は、次回の測定時の推定値である内圧値Pinを記憶する。
圧力算出部73は、差圧センサ110によって検出された測定温度Tsen0における差圧検出値ΔVを、センサ特性記憶部71が記憶する差圧センサ110の特性情報と、上述した式(3)とに基づいて、差圧値ΔPに変換する。そして、圧力算出部73は、内圧値記憶部72が記憶する内圧値Pinと、差圧検出値ΔVから変換した差圧値ΔPと、下記の式(4)とに基づいて、外圧値Poutを算出する。圧力算出部73は、算出した外圧値Poutを圧力変化測定装置1の外部に出力する。
Figure 0006837349
圧力算出部73は、算出した外圧値Poutを新たな内圧値Pinとして内圧値記憶部72に記憶させる。
次に、図面を参照して、本実施形態のよる圧力変化測定装置1の動作について説明する。
まず、図6及び図7を参照して、本実施形態による差圧センサ110の動作について説明する。
図6は、本実施形態による差圧センサ110の出力信号の一例を示す図である。また、図7は、本実施形態による差圧センサ110の動作の一例を示す図である。
図6(a)は、外圧(Pout)及び内圧(Pin)の経時変化を示し、図6(b)は差圧センサ110の出力信号の経時変化を示している。
まず、図6(a)における期間Aのように、外圧(Pout)と内圧(Pin)とが等しく、差圧(ΔP)がゼロである場合には、図7(a)に示すように、カンチレバー3は、撓み変形しない。ここで、図6(a)における時刻t1以降の期間Bのように、例えば、外圧(Pout)がステップ状に上昇すると、内圧(Pin)は急激に変化できず、差圧(ΔP)が生じるため、図7(b)に示すように、カンチレバー3はキャビティ10内部に向けて撓み変形する。すると、当該カンチレバー3の撓み変形に応じてドープ層6(抵抗R1)に応力が加わり、抵抗値が変化するので、図6(b)に示すように、差圧センサ110の出力信号がカンチレバー3の撓み量(変位量)に応じて増大する。
また、外圧(Pout)の上昇以降(時刻t1以降)において、ギャップG1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徐々に流動する。このため、図6(a)に示すように、内圧(Pin)は、時間の経過とともに外圧(Pout)に遅れながら、且つ、外圧(Pout)の変動よりも緩やかな応答で上昇する。
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、差圧センサ110は、図6(b)に示すように、徐々に低下する出力信号を出力する(期間C)。
そして、図6(a)に示す時刻t3以降の期間Dのように、内圧(Pin)が外圧(Pout)と同じになると、図7(c)に示すように、カンチレバー3の撓み変形が解消され、図7(a)に示す初期状態に復帰する。さらに、図6(b)に示すように、差圧センサ110の出力信号も期間Aの初期状態と同値に戻る。ここで、図6(b)の差圧センサ110の出力信号の電圧差が、差圧検出値ΔVに対応する。
なお、差圧センサ110の出力信号は、初期状態における基準電圧と、ドープ層6(抵抗R1)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(電位差)を差動増幅回路42で増幅した電圧値となる。
次に、図8を参照して、本実施形態における圧力変化測定装置1の動作について説明する。
図8は、本実施形態における圧力変化測定装置1の動作の一例を示すフローチャートである。
図8に示すように、圧力変化測定装置1は、まず、温度が測定温度Tsen0になるように、ブリッジ印加電圧Vbを変更する(ステップS101)。すなわち、電圧制御部60の電圧変更部62は、温度センサ120の温度Ttmpが、測定温度Tsen0になるブリッジ印加電圧Vb(=V0)を決定する。具体的に、電圧変更部62は、ブリッジ印加電圧Vbを上述した電圧Vminから電圧Vmaxの間で変化させて、温度センサ120の検出値Vtを取得し、温度特性記憶部61が記憶する温度センサ120の温度特性情報に基づいて、温度センサ120の温度Ttmpを算出する。電圧変更部62は、算出した温度Ttmpが測定温度Tsen0になるように、ブリッジ印加電圧Vbを変化させて、測定温度Tsen0になるブリッジ印加電圧Vb(=V0)を決定する。なお、電圧変更部62は、決定したブリッジ印加電圧Vb(=V0)を、差圧センサ110と温度センサ120との両方に供給する。これにより、差圧センサ110は、ジュール熱による自己発熱により、温度が測定温度Tsen0になる。
次に、演算処理部70は、温度が測定温度Tsen0(=Ttmp0)における差圧センサ110の差圧検出値ΔVを取得する(ステップS102)。差圧センサ110の差圧検出回路部40が、キャビティ10の内圧と外圧との差圧に応じた検出値(差圧検出値ΔV)を検出し、演算処理部70の圧力算出部73が、差圧検出値ΔVを取得する。
次に、演算処理部70の圧力算出部73は、差圧検出値ΔVと、温度が測定温度Tsen0における差圧センサ110の感度ΔR/Rとに基づいて、差圧値ΔPを生成する(ステップS103)。圧力算出部73は、差圧検出値ΔVを、センサ特性記憶部71が記憶する差圧センサ110の特性情報と、上述した式(3)とに基づいて、差圧値ΔPに変換する。
次に、圧力算出部73は、内圧値Pinと差圧値ΔPとに基づいて測定対象圧力の変化を示す情報(外圧値Pout)を算出する(ステップS104)。圧力算出部73は、例えば、内圧値記憶部72が記憶する内圧値Pinと、差圧検出値ΔVから変換した差圧値ΔPと、下記の式(4)とに基づいて、外圧値Poutを算出する。圧力算出部73は、算出した外圧値Poutを圧力変化測定装置1の外部に出力する。圧力算出部73は、算出した外圧値Poutを新たな内圧値Pinとして内圧値記憶部72に記憶させる。圧力算出部73は、ステップS104の処理後に、処理を終了する。
圧力変化測定装置1は、ステップS101からステップS104の処理を定期的に実行し、圧力変化を示す情報(外圧値Pout)を測定し、当該圧力変化を示す情報(外圧値Pout)を出力する。
なお、上述した本実施形態では、供給制御部(電圧制御部60)が、差圧センサ110及び温度センサ120に供給する電力の一例として、電圧Vbを変更する例を説明したが、これに限定されるものではい。例えば、供給制御部は、差圧センサ110及び温度センサ120に供給する電流Ib(第1の電流Ibtmp0及び第2の電流Ibsen0)を変更するようにしてもよい。
以上説明したように、本実施形態による圧力変化測定装置1は、差圧センサ110と、温度センサ120と、電圧制御部60(供給制御部)と、演算処理部70とを備える。差圧センサ110は、測定対象圧力を伝達する圧力伝達媒体(例えば、空気)が流入するキャビティ10と、圧力伝達媒体をキャビティ10の内外に流通させるギャップG1(連通孔)と、を有し、キャビティ10の内部圧力と測定対象圧力との差圧(ΔP)に応じた差圧検出値ΔVを検出する。温度センサ120は、差圧センサ110の温度に応じた検出値Vtを検出する。電圧制御部60は、温度センサ120によって検出された検出値Vtに基づいて、差圧センサ110の温度が所定の温度(測定温度Tsen0)になるように、差圧センサ110に供給する電力(例えば、ブリッジ印加電圧Vb)を変更する。演算処理部70は、電圧制御部60によって所定の温度(測定温度Tsen0)になるように変更された電力(例えば、ブリッジ印加電圧Vb)が供給されて、差圧センサ110によって検出された差圧検出値ΔVと、所定の温度(測定温度Tsen0)における差圧センサ110の特性情報(例えば、感度ΔR/R)とに基づいて、測定対象圧力の変化を示す情報(例えば、外圧値Pout)を生成する。
これにより、本実施形態による圧力変化測定装置1は、周辺温度(Ta)に関係なく、測定温度Tsen0を一定にして、測定対象圧力の変化を示す情報(例えば、外圧値Pout)を測定するため、オフセット電圧のドリフト及び感度の温度による変動を要因とした温度変化による測定誤差を低減することができる。すなわち、本実施形態による圧力変化測定装置1は、測定温度Tsen0を一定にすることで、オフセット電圧とセンサ感度との両方の温度補償を行うことができる。よって、本実施形態による圧力変化測定装置1は、測定対象の圧力変化を高精度に測定することができる。
また、本実施形態では、電圧制御部60は、温度センサ120によって検出された検出値に対応する温度が、所定の温度になるように温度センサ120に供給する第1の電圧(電圧Vbtmp)又は第1の電流(電流Ibtmp)を変更し、差圧センサ110に供給する第2の電圧(電圧Vbsen)又は第2の電流(電流Ibsen)を、変更した電圧Vbtmp(=Vbtmp0)又は電流Ibtmp(=Ibtmp0)と等しい電圧又は電流に変更する。演算処理部70は、変更された電圧Vbtmp(=Vbtmp0、第2の電圧)又は電流Ibtmp(=Ibtmp0、第2の電流)が供給されて、差圧センサ110によって検出された差圧検出値ΔVと、所定の温度(測定温度Tsen0)における差圧センサ110の特性情報(例えば、感度ΔR/R)とに基づいて、測定対象圧力の変化を示す情報(例えば、外圧値Pout)を生成する。
これにより、本実施形態による圧力変化測定装置1は、温度センサ120が測定温度Tsen0になる電圧Vbtmp0又は電流Ibtmp0を、差圧センサ110に、第2の電圧(電圧Vbsen)又は第2の電流(電流Ibsen)として供給するという簡易な手法により、差圧センサ110を一定の温度である測定温度Tsen0にすることができる。よって、本実施形態による圧力変化測定装置1は、簡易な手法により、オフセット電圧とセンサ感度との両方の温度補償を行うことができ、測定対象の圧力変化を高精度に測定することができる。
また、本実施形態では、所定の温度(測定温度Tsen0)は、使用温度範囲の最大値(上限温度Tamax)に、差圧センサ110を動作させる最小電力による発熱分αを加算した温度以上に定められている。
これにより、本実施形態による圧力変化測定装置1は、使用温度範囲に対応した所定の温度(測定温度Tsen0)を適切に設定することができる。よって、本実施形態による圧力変化測定装置1は、使用温度範囲内の測定において、測定対象の圧力変化を高精度に測定することができる。
また、本実施形態では、差圧センサ110と温度センサ120とは、温度特性が同一になるように構成されている。
これにより、本実施形態による圧力変化測定装置1は、温度センサ120に供給する電力と同一の電力を差圧センサ110に供給するという簡易な手法により、温度センサ120と差圧センサ110とを同一の温度(測定温度Tsen0)にすることができる。
また、本実施形態では、差圧センサ110は、キャビティ10を有するセンサ本体2と、ギャップG1(連通孔)を除くキャビティ10の開口面を塞ぐように基端部3bから先端部3aに向けて一方向に延びる板状であり、キャビティ10の内部と外部との圧力差(ΔP)に応じて撓み変形するカンチレバー3と、差圧検出回路部40とを備えている。差圧検出回路部40は、カンチレバー3の撓み変形に応じた基端部3bの抵抗変化(抵抗R1の抵抗変化)に基づいて、差圧検出値ΔVを検出する。
これにより、本実施形態による圧力変化測定装置1では、カンチレバー3の撓み変形に応じた抵抗変化に基づいて、差圧センサ110が、キャビティ10の内部圧力と測定対象圧力との差圧をより正確に検出することができる。なお、半導体プロセス技術によりカンチレバー3を形成できるので、本実施形態による圧力変化測定装置1では、カンチレバー3を非常に薄型化(例えば数十から数百nm厚)することができる。よって、本実施形態による圧力変化測定装置1では、微小な圧力変動の検出を精度よく行うことができる。
また、本実施形態では、差圧センサ110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たレバー部4を有するレファレンス部112を有し、差圧検出回路部40は、カンチレバー3の基端部3bの抵抗を含む検出抵抗R1と、レバー部4の基端部の抵抗を含む参照抵抗R2とを有するホイートストンブリッジ回路41を備える。
これにより、本実施形態による圧力変化測定装置1では、差圧センサ110は、抵抗R1(検出抵抗Rsen)と、抵抗R2(参照抵抗Rref)とが同一材質及び同一形状になるため、外部からの電磁ノイズ(例えば、コモンノイズ)や温度変化の影響をさらに低減することができる。よって、本実施形態による圧力変化測定装置1は、測定対象の圧力変化をさらに高精度に測定することができる。
また、本実施形態による圧力変化測定方法は、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10と、圧力伝達媒体をキャビティ10の内外に流通させるギャップG1(連通孔)と、を有し、キャビティ10の内部圧力と測定対象圧力との差圧に応じた差圧検出値を検出する差圧センサ110を利用した圧力変化測定方法であって、供給制御ステップと、演算処理ステップとを含む。供給制御ステップにおいて、電圧制御部(供給制御部)60が、差圧センサ110の温度に応じた検出値を検出する温度センサ120によって検出された検出値に基づいて、差圧センサ110の温度Tsenが所定の温度(測定温度Tsen0)になるように、差圧センサ110に供給する電力(例えば、電圧Vbsen)を変更する。演算処理ステップにおいて、演算処理部70が、供給制御ステップによって所定の温度になるように変更された電力が供給されて、差圧センサ110によって検出された差圧検出値ΔVと、所定の温度(測定温度Tsen0)における差圧センサ110の特性情報(例えば、感度ΔR/R)とに基づいて、測定対象圧力の変化を示す情報(例えば、外圧値Pout)を生成する。
これにより、本実施形態による圧力変化測定方法は、上述した圧力変化測定装置1と同様に、測定対象の圧力変化を高精度に測定することができる。
[第2の実施形態]
次に、図面を参照して、第2の実施形態による圧力変化測定装置1aについて説明する。
上述した第1の実施形態では、電圧制御部60が、差圧センサ110と温度センサ120とに同一の電圧Vbを供給する例を説明したが、本実施形態では、温度センサ120に固定の電圧Vbtmpを供給し、差圧センサ110に供給する電圧Vbsenを変更して、測定温度Tsen0にする一例を説明する。
図9は、第2の実施形態による圧力変化測定装置1aの一例を示す機能ブロック図である。
図9に示すように、圧力変化測定装置1aは、差圧センサ110と、温度センサ120と、基準電圧生成部30aと、電圧制御部60aと、演算処理部70とを備えている。
この図において、図1と同一の構成には同一の符号を付与し、その説明を省略する。また、本実施形態におけるセンサチップ100の構成は、上述した図2〜図4と同様である。
基準電圧生成部30aは、差圧センサ110に供給する電圧(ブリッジ印加電圧Vbsen)を生成するための基準電圧を生成するとともに、温度センサ120に供給する電圧(ブリッジ印加電圧Vbtmp)を生成する。基準電圧生成部30aは、固定のブリッジ印加電圧Vbtmpを温度センサ120に供給する。
電圧制御部60a(供給制御部の一例)は、温度センサ120によって検出された検出値Vtに基づいて、差圧センサ110の温度が所定の温度(測定温度Tsen0)になるように、差圧センサ110に供給する電力(例えば、ブリッジ印加電圧Vbsen)を変更する。電圧制御部60aは、例えば、予め定められたブリッジ印加電圧Vbtmp(第1の電圧)を温度センサ120に供給して検出された検出値Vtに基づいて、差圧センサ110の温度Ttmpが所定の温度(測定温度Tsen0)になるように、差圧センサ110に供給するブリッジ印加電圧Vbsen(第2の電圧)を変更する。なお、電圧制御部60aは、基準電圧生成部30aによって生成された基準電圧を基に、ブリッジ印加電圧Vbsen(第2の電圧)を生成し、差圧センサ110に供給する。
ここで、図10を参照して、ブリッジ印加電圧Vbsenを変更することにより、差圧センサ110を温度補償する本実施形態の原理について説明する。
図10は、本実施形態における差圧センサ110の温度補償の原理を説明する図である。
図10(a)は、温度センサ120の出力値Vtと、温度センサ120の温度との関係(温度センサの発熱特性)を示している。
図10(a)において、グラフの縦軸は、温度センサ120の温度Ttmpを示し、横軸は、温度センサ120の出力値Vtを示している。なお、上述したように、温度センサ120のブリッジ印加電圧Vbtmpは、固定の値である。
また、波形W5は、温度センサ120に供給する電圧がブリッジ印加電圧Vbtmpである場合における温度センサ120の温度Ttmpの温度特性を示し、波形W6は、温度センサ120に供給する電圧がブリッジ印加電圧Vbtmpである場合における自己発熱から逆算した周辺温度Taの特性を示している。
ここで、波形W5及び波形W6の特性を用いて、温度センサ120の検出値Vt1から周辺温度Ta1及び温度センサ120の温度Ttmp1を求めることが可能である。また、図10(a)に示す特性から、周辺温度Taは下記の式(5)で表すことができる。
Figure 0006837349
ここで、a及びbは、係数を示している。
また、図10(b)は、差圧センサ110のブリッジ印加電圧Vbsenと、差圧センサ110の温度Tsenとの関係(差圧センサ110の発熱特性)を示している。
図10(b)において、グラフの縦軸は、差圧センサ110の温度Tsenを示し、横軸は、差圧センサ110のブリッジ印加電圧Vbsenを示している。また、波形W7は、周辺温度Ta1である場合における差圧センサ110の発熱特性を示している。
ここで、差圧センサ110の温度Tsenと、差圧センサ110のブリッジ印加電圧Vbsenとは、下記の式(6)により表すことができる。
Figure 0006837349
ここで、a及びbは、係数を示している。
また、式(5)及び式(6)により、差圧センサ110の温度Tsenは、下記の式(7)により表すことができる。
Figure 0006837349
そして、式(7)を変形した下記の式(8)によって、温度センサ120の検出値Vt及び差圧センサ110の温度Tsenから、差圧センサ110のブリッジ印加電圧Vbsenを算出することができる。
Figure 0006837349
本実施形態では、電圧制御部60aは、図10(b)に示すように、上述した式(8)を利用して、ブリッジ印加電圧Vbtmpにより検出された温度センサ120の検出値Vtと、測定温度Tsen0とから、測定温度Tsen0になる差圧センサ110のブリッジ印加電圧Vbsen0を算出する。電圧制御部60aは、算出したブリッジ印加電圧Vbsen0を、ブリッジ印加電圧Vbsenとして、差圧センサ110に供給する。
これにより、電圧制御部60aは、ブリッジ印加電圧Vbsenを電圧Vbsen0に変更することで、差圧センサ110の温度を測定温度Tsen0にすることができる。この状態で、差圧センサ110による差圧検出値を検出することにより、差圧センサ110は、常に同一の温度で差圧検出値ΔVを検出することになり、差圧センサ110の差圧検出値ΔVの温度による変化を考慮する必要がなくなる。
再び、図9の説明に戻り、電圧制御部60aは、温度特性記憶部61aと、電圧変更部62aとを備えている。
温度特性記憶部61aは、ブリッジ印加電圧Vbsenを決定(変更)するために利用される差圧センサ110及び温度センサ120の各種温度特性情報を記憶する。温度特性記憶部61aは、例えば、図10(a)に示すブリッジ印加電圧Vbtmpにおける温度センサ120の発熱特性情報、及び図10(b)に示す差圧センサ110の発熱特性情報などを記憶する。温度特性記憶部61aは、例えば、上述した式(8)における各種パラメータを記憶する。温度特性記憶部61aは、具体的に、係数a、係数a、係数b、係数bなどの情報、及び式(8)に関する情報などを記憶する。
電圧変更部62aは、基準電圧生成部30aから温度センサ120に供給されたブリッジ印加電圧Vbtmpに対する温度センサ120の検出値Vtを取得する。電圧変更部62aは、取得した検出値Vtと、ブリッジ印加電圧Vbtmp(第1の電圧)における温度センサ120の温度特性情報と、差圧センサ110の発熱特性情報とに基づいて、差圧センサ110の温度が所定の温度(測定温度Tsen0)になるように、ブリッジ印加電圧Vbsenを変更する。すなわち、電圧変更部62aは、取得した検出値Vtと、温度特性記憶部61aが記憶する係数a、係数a、係数b、係数bなどの情報(温度センサ120の温度特性情報及び差圧センサ110の発熱特性情報)と、式(8)とに基づいて、測定温度Tsen0になるブリッジ印加電圧Vbsen0を算出する。そして、電圧変更部62aは、算出したブリッジ印加電圧Vbsen0を、ブリッジ印加電圧Vbsenとして、差圧センサ110に供給する。
次に、図面を参照して、本実施形態における圧力変化測定装置1aの動作について説明する。
なお、本実施形態による差圧センサ110の動作については、図6及び図7を参照して説明した第1の実施形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。
また、図11は、本実施形態における圧力変化測定装置1aの動作の一例を示すフローチャートである。
図11に示すように、圧力変化測定装置1aは、まず、ブリッジ印加電圧Vbtmpを供給して温度センサ120の検出値Vtを取得する(ステップS201)。圧力変化測定装置1aの基準電圧生成部30aは、温度センサ120に供給するブリッジ印加電圧Vbtmpを供給し、電圧制御部60aの電圧変更部62aは、温度センサ120の検出値Vtを取得する。
次に、電圧変更部62aは、検出値Vtと、温度センサ120の温度特性情報と、差圧センサ110の発熱特性情報とに基づいて、差圧センサ110の温度Tsenが測定温度Tsen0になる差圧センサ110のブリッジ印加電圧Vbsen0を決定する(ステップS202)。電圧変更部62aは、例えば、取得した検出値Vtと、温度特性記憶部61aが記憶する係数a、係数a、係数b、係数bなどの情報(温度センサ120の温度特性情報及び差圧センサ110の発熱特性情報)と、式(8)とに基づいて、測定温度Tsen0になるブリッジ印加電圧Vbsen0を算出し、ブリッジ印加電圧Vbsenを決定する。
次に、電圧変更部62aは、温度Tsenが測定温度Tsen0になるブリッジ印加電圧Vbsen0を差圧センサ110に供給する(ステップS203)。電圧変更部62aは、例えば、式(8)により算出したブリッジ印加電圧Vbsen0を、ブリッジ印加電圧Vbsenとして、差圧センサ110に供給する。
続く、ステップS204からステップS206の処理は、上述した図8に示すステップS102からステップS104の処理と同様であるので、その説明を省略する。
圧力変化測定装置1aは、ステップS201からステップS206の処理を定期的に実行し、圧力変化を示す情報(外圧値Pout)を測定し、当該圧力変化を示す情報(外圧値Pout)を出力する。
なお、上述した本実施形態では、供給制御部(電圧制御部60a)が、差圧センサ110及び温度センサ120に供給する電力の一例として、電圧Vbを変更する例を説明したが、これに限定されるものではい。例えば、供給制御部は、差圧センサ110及び温度センサ120に供給する電流Ib(第1の電流Ibtmp0及び第2の電流Ibsen0)を変更するようにしてもよい。
以上説明したように、本実施形態による圧力変化測定装置1aでは、電圧制御部60aは、予め定められた第1の電圧(電圧Vbtmp)又は第1の電流(電流Ibtmp)を温度センサ120に供給して検出された検出値Vtに基づいて、差圧センサ110の温度が所定の温度(測定温度Tsen0)になるように、差圧センサ110に供給する第2の電圧(電圧Vbsen)又は第2の電流(電流Ibsen)を変更する。演算処理部70は、変更された第2の電圧(電圧Vbsen)又は第2の電流(電流Ibsen)が供給されて、差圧センサ110によって検出された差圧検出値ΔVと、所定の温度(測定温度Tsen0)における差圧センサ110の特性情報(例えば、感度ΔR/R)とに基づいて、測定対象圧力の変化を示す情報(例えば、外圧値Pout)を生成する。
これにより、本実施形態による圧力変化測定装置1aは、予め定められた第1の電圧(電圧Vbtmp)又は第1の電流(電流Ibtmp)を温度センサ120に供給して検出された検出値Vtに基づいて算出した第2の電圧(電圧Vbsen)又は電流Ibsen(第2の電流)を、差圧センサ110に供給するという簡易な手法により、差圧センサ110を一定の温度である測定温度Tsen0にすることができる。よって、本実施形態による圧力変化測定装置1aは、簡易な手法により、オフセット電圧とセンサ感度との両方の温度補償を行うことができ、測定対象の圧力変化を高精度に測定することができる。
また、本実施形態では、電圧制御部60aは、検出値Vtと、第1の電圧(電圧Vbtmp)又は第1の電流(電流Ibtmp)における温度センサ120の温度特性情報と、差圧センサ110の発熱特性情報とに基づいて、差圧センサ110の温度Tsenが所定の温度(測定温度Tsen0)になるように、第2の電圧(電圧Vbsen)又は第2の電流(電流Ibsen)を変更する。
これにより、本実施形態による圧力変化測定装置1aは、簡易な手法により、測定対象の圧力変化を高精度に測定することができる。
[第3の実施形態]
次に、図面を参照して、第3の実施形態による圧力変化測定装置1bについて説明する。
上述した第1の実施形態では、電圧制御部60が、差圧センサ110と温度センサ120とに同一の電圧Vbを供給する例を説明したが、本実施形態では、温度センサ120及び差圧センサ110に供給する電圧を変更するとともに、温度センサ120と差圧センサ110とに異なる電圧を供給して、測定温度Tsen0にする一例を説明する。なお、本実施形態では、温度センサ120の温度特性と、差圧センサ110の温度特性とが一致しない場合の一例である。
図12は、第3の実施形態による圧力変化測定装置1bの一例を示す機能ブロック図である。
図12に示すように、圧力変化測定装置1bは、差圧センサ110と、温度センサ120と、基準電圧生成部30と、電圧制御部60bと、演算処理部70とを備えている。
この図において、図1と同一の構成には同一の符号を付与し、その説明を省略する。また、本実施形態におけるセンサチップ100の構成は、上述した図2〜図4と同様である。
電圧制御部60b(供給制御部の一例)は、温度センサ120によって検出された検出値Vtに対応する温度Ttmpが、所定の温度(測定温度Tsen0)になるように温度センサ120に供給するブリッジ印加電圧Vbtmp(第1の電圧)を変更する。電圧制御部60bは、変更したブリッジ印加電圧Vbtmp(=Vbtmp0)を、温度センサ120の発熱特性情報と、差圧センサ110の発熱特性情報とに基づいて、補正した電圧に、差圧センサ110に供給するブリッジ印加電圧Vbsen(第2の電圧)を変更する。
ここで、図13を参照して、ブリッジ印加電圧Vbsenを変更することにより、差圧センサ110を温度補償する本実施形態の原理について説明する。
図13は、本実施形態における差圧センサ110の温度補償の原理を説明する図である。図13は、差圧センサ110及び温度センサ120の発熱特性を示している。
図13において、グラフの縦軸は、差圧センサ110の温度Tsen(又は、温度センサ120の温度Ttmp)を示し、横軸は、差圧センサ110及び温度センサ120のブリッジ印加電圧(Vbsen、Vbtmp)を示している。なお、本実施形態では、図13に示すように、差圧センサ110の発熱特性と、温度センサ120の発熱特性とが異なる場合の一例である。
また、波形W8は、差圧センサ110の発熱特性を示しており、波形W9は、温度センサ120の発熱特性を示している。
図13に示す発熱特性により、差圧センサ110の温度Tsen及び温度センサ120の温度Ttmpは、下記の式(9)により表すことができる。
Figure 0006837349
ここで、a及びbは、差圧センサ110における係数を示し、a及びbは、温度センサ120における係数を示している。
また、式(9)から、温度Tsenと温度Ttmpが等しくなるブリッジ印加電圧Vbtmpと、ブリッジ印加電圧Vbsenとの関係は、下記の式(10)により表すことができる。
Figure 0006837349
すなわち、式(10)によって、温度センサ120のブリッジ印加電圧Vbtmpから、差圧センサ110のブリッジ印加電圧Vbsenを算出することができる。
本実施形態では、電圧制御部60bは、図13に示すように、上述した式(10)を利用して、測定温度Tsen0と等しくなる温度センサ120のブリッジ印加電圧Vbtmpから、測定温度Tsen0になる差圧センサ110のブリッジ印加電圧Vbsen0を算出する。電圧制御部60bは、算出したブリッジ印加電圧Vbsen0を、ブリッジ印加電圧Vbsenとして、差圧センサ110に供給する。
これにより、電圧制御部60bは、ブリッジ印加電圧Vbsenを電圧Vbsen0に変更することで、差圧センサ110の温度を測定温度Tsen0にすることができる。この状態で、差圧センサ110による差圧検出値を検出することにより、差圧センサ110は、常に同一の温度で差圧検出値ΔVを検出することになり、差圧センサ110の差圧検出値ΔVの温度による変化を考慮する必要がなくなる。
再び、図12の説明に戻り、電圧制御部60bは、温度特性記憶部61bと、電圧変更部62bとを備えている。
温度特性記憶部61bは、ブリッジ印加電圧Vbsenを決定(変更)するために利用される差圧センサ110及び温度センサ120の各種温度特性情報を記憶する。温度特性記憶部61bは、例えば、図13に示す差圧センサ110及び温度センサ120の発熱特性情報など、及び温度センサ120の温度特性情報(温度Ttmpと検出値Vtとの関係を示す特性情報)を記憶する。温度特性記憶部61bは、例えば、上述した式(10)における各種パラメータを記憶する。温度特性記憶部61bは、具体的に、係数a、係数a、係数b、係数bなどの情報、及び式(10)に関する情報などを記憶する。
電圧変更部62bは、基準電圧生成部30によって生成された基準電圧を基に、ブリッジ印加電圧Vbを電圧Vminから電圧Vmaxの範囲で変更し、温度特性記憶部61bが記憶する温度センサ120の温度特性情報に基づいて、温度センサ120の温度Ttmpが、測定温度Tsen0(=Ttmp0)になるブリッジ印加電圧Vbtmpを決定する。電圧変更部62bは、決定したブリッジ印加電圧Vbtmpから、差圧センサ110を測定温度Tsen0(=Ttmp0)にするためのブリッジ印加電圧Vbsenを、上述した式(10)により算出する。なお、算出されたブリッジ印加電圧Vbsenは、差圧センサ110が測定温度Tsen0になるように、補正した電圧に対応する。
具体的に、電圧変更部62bは、測定温度Tsen0(=Ttmp0)になるブリッジ印加電圧Vbtmpと、温度特性記憶部61bが記憶する係数a、係数a、係数b、係数bなどの情報(温度センサ120及び差圧センサ110の発熱特性情報)と、式(10)とに基づいて、測定温度Tsen0になるブリッジ印加電圧Vbsen0を算出する。そして、電圧変更部62bは、算出したブリッジ印加電圧Vbsen0を、ブリッジ印加電圧Vbsenとして、差圧センサ110に供給する。
次に、図面を参照して、本実施形態における圧力変化測定装置1bの動作について説明する。
なお、本実施形態による差圧センサ110の動作については、図6及び図7を参照して説明した第1の実施形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。
また、図14は、本実施形態における圧力変化測定装置1bの動作の一例を示すフローチャートである。
図14に示すように、圧力変化測定装置1bは、まず、温度が測定温度Tsen0になるように、ブリッジ印加電圧Vbtmpを変更する(ステップS301)。すなわち、電圧制御部60bの電圧変更部62bは、温度センサ120の温度Ttmpが、測定温度Tsen0になるブリッジ印加電圧Vbtmp(=Vbtmp0)を決定する。具体的に、電圧変更部62bは、ブリッジ印加電圧Vbtmpを上述した電圧Vminから電圧Vmaxの間で変化させて、温度センサ120の検出値Vtを取得し、温度特性記憶部61bが記憶する温度センサ120の温度特性情報に基づいて、温度センサ120の温度Ttmpを算出する。電圧変更部62bは、算出した温度Ttmpが測定温度Tsen0になるように、ブリッジ印加電圧Vbtmpを変化させて、測定温度Tsen0になるブリッジ印加電圧Vbtmp(=Vbtmp0)を決定する。
次に、電圧変更部62bは、変更したブリッジ印加電圧Vbtmp(=Vbtmp0)と、温度センサ120の発熱特性情報と、差圧センサ110の発熱特性情報とに基づいて、差圧センサ110が測定温度Tsen0になるように、差圧センサ110のブリッジ印加電圧Vbsenを変更する(ステップS302)。すなわち、電圧変更部62bは、決定した測定温度Tsen0になるブリッジ印加電圧Vbtmpと、温度特性記憶部61bが記憶する係数a、係数a、係数b、係数bなどの情報と、式(10)とに基づいて、測定温度Tsen0になるブリッジ印加電圧Vbsen0を算出する。電圧変更部62bは、算出したブリッジ印加電圧Vbsen0に、ブリッジ印加電圧Vbsenを変更する。
続く、ステップS302からステップS305の処理は、上述した図8に示すステップS102からステップS104の処理と同様であるので、その説明を省略する。
圧力変化測定装置1bは、ステップS301からステップS305の処理を定期的に実行し、圧力変化を示す情報(外圧値Pout)を測定し、当該圧力変化を示す情報(外圧値Pout)を出力する。
なお、上述した本実施形態では、供給制御部(電圧制御部60b)が、差圧センサ110及び温度センサ120に供給する電力の一例として、電圧Vbtmp及び電圧Vbsenを変更する例を説明したが、これに限定されるものではい。例えば、供給制御部は、差圧センサ110及び温度センサ120に供給する電流Ibtmp(第1の電流)及び電流Ibsen(第2の電流)を変更するようにしてもよい。
以上説明したように、本実施形態による圧力変化測定装置1bでは、電圧制御部60bは、温度センサ120によって検出された検出値Vtに対応する温度が、所定の温度(測定温度Tsen0)になるように、温度センサ120に供給する第1の電圧(電圧Vbstmp)又は第1の電流(電流Ibtmp)を変更する。電圧制御部60bは、変更した第1の電圧(電圧Vbtmp)又は第1の電流(電流Ibtmp)を、温度センサ120の発熱特性情報と、差圧センサ110の発熱特性情報とに基づいて、補正した電圧(電圧Vbsen0)又は電流(電流Ibsen0)を決定する。電圧制御部60bは、補正した電圧(電圧Vbsen0)又は電流(電流Ibsen0)に、差圧センサ110に供給する第2の電圧(電圧Vbsen)又は第2の電流(電流Ibsen)を変更する。演算処理部70は、変更された第2の電圧(電圧Vbsen)又は第2の電流(電流Ibsen)が供給されて、差圧センサ110によって検出された差圧検出値ΔVと、所定の温度(測定温度Tsen0)における差圧センサ110の特性情報(例えば、感度ΔR/R)とに基づいて、測定対象圧力の変化を示す情報(例えば、外圧値Pout)を生成する。
これにより、本実施形態による圧力変化測定装置1bは、温度センサ120を測定温度Tsen0になるように変更した第1の電圧(電圧Vbtmp)又は第1の電流(電流Ibtmp)から、差圧センサ110を測定温度Tsen0にする第2の電圧(電圧Vbsen)又は第2の電流(電流Ibsen)に変更する。そのため、本実施形態による圧力変化測定装置1bは、簡易な手法により、差圧センサ110を一定の温度である測定温度Tsen0にすることができる。よって、本実施形態による圧力変化測定装置1bは、簡易な手法により、オフセット電圧とセンサ感度との両方の温度補償を行うことができ、測定対象の圧力変化を高精度に測定することができる。
また、本実施形態による圧力変化測定装置1bは、差圧センサ110と温度センサ120との温度特性(発熱特性)にずれが生じた場合であっても、適切に差圧センサ110を測定温度Tsen0にすることができる。
[第4の実施形態]
次に、図面を参照して、本実施形態による圧力変化測定装置1について説明する。
本実施形態では、上述した第1の実施形態の圧力変化測定装置1が、センサチップ100の代わりに、レファレンス部112と、温度センサ部121の構造が異なるセンサチップ100aを備える変形例について説明する。
図15〜図17を参照して、センサチップ100aの構成について説明する。
図15は、本実施形態におけるセンサチップ100aの一例を示す平面図である。また、図16は、図15に示すA−A線に沿ったセンサチップ100aの断面図である。また、図17は、図15に示すB−B線に沿ったセンサチップ100aの断面図である。
図15〜図17において、図2〜図4と同一の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
図15〜図17に示すように、センサチップ100aは、差圧センサ部111と、レファレンス部112aと、温度センサ部121aとを有している。本実施形態におけるセンサチップ100aは、レファレンス部112aが差圧センサ部111と同様のキャビティ10aを備えている点と、温度センサ部121aが、差圧センサ部111及びレファレンス部112aと同一の構造で構成されている点が、第1の実施形態のセンサチップ100と異なる。
レファレンス部112aは、差圧センサ部111と同様の連通開口11bを備えており、連通開口11bによるセンサ本体2の内部空間は、キャビティ10b(空気室)として機能する。なお、レバー部4は、センサ本体2に固定されており、撓み変形が不可能な構成になっている。
温度センサ部121aは、レファレンス部112aと同一の構成であり、キャビティ10cを有するセンサ本体2(本体部)と、カンチレバー3と同一材質及び同一形状になるように、且つ、センサ本体2(本体部)のキャビティ10cを覆うように構成されたレバー部4a(温度検出抵抗部)とを備えている。レバー部4aは、抵抗R5と同様の抵抗R5a(検出抵抗Rtmp)として機能する。また、温度センサ部121aは、差圧センサ部111と同様の連通開口11cを備えており、連通開口11cによるセンサ本体2の内部空間は、キャビティ10c(空気室)として機能する。
また、温度センサ部121aにおいて、ギャップG6は、レファレンス部112aのギャップG3に対応し、ギャップG7は、レファレンス部112aのギャップG4に対応する。
なお、温度センサ部121aは、レファレンス部112a又は差圧センサ部111と平面視で90度回転された向きで配置されている。
本実施形態では、温度センサ部121aは、キャビティ10cを備えることで、熱平衡状態の温度特性だけでなく、熱容量、及び過渡状態の温度特性についても、差圧センサ部111に近づけることができる。
以上説明したように、本実施形態では、温度センサ部121aは、キャビティ10cを有するセンサ本体2(本体部)と、カンチレバー3と同一材質及び同一形状になるように、且つ、センサ本体2(本体部)のキャビティ10cを覆うように構成されたレバー部4a(温度検出抵抗部)と、レバー部4aの抵抗変化に基づいて、温度検出値を検出する温度検出回路部50とを備えている。
これにより、本実施形態による圧力変化測定装置1は、温度センサ部121aの温度特性(抵抗R5aの温度特性)を、熱平衡状態の場合だけでなく、過渡状態の場合についても、差圧センサ部111の温度特性(抵抗R1の温度特性)に近づけることができるため、測定対象の圧力変化をさらに高精度に測定することができる。
また、本実施形態では、レファレンス部112aが、差圧センサ部111と同様のキャビティ10bを有している。そのため、レファレンス部112aの抵抗R2(参照抵抗Rref)の温度特性を、差圧センサ部111の抵抗R1(検出抵抗Rsen)の温度特性にさらに近づけることができる。よって、本実施形態による圧力変化測定装置1は、差圧センサ110の温度変化による影響をさらに低減することができる。
なお、上述した本実施形態の一例では、差圧センサ部111と、レファレンス部112aと、温度センサ部121aとを異なる向きに配置する例を説明したが、差圧センサ部111と、レファレンス部112aと、温度センサ部121aと同一の向きになるように配置してもよい。例えば、差圧センサ部111と、レファレンス部112aと、温度センサ部121aとを同一の向きにして、差圧センサ部111、温度センサ部121a、及びレファレンス部112aの順に、X軸方向に並べて配置するようにしてもよい。
これにより、センサチップ100aは、製造装置の向き依存の製造バラツキによる抵抗R1、抵抗R2、及び抵抗R5aのバラツキを低減することができる。
また、上述した本実施形態の一例では、第1の実施形態の圧力変化測定装置1にセンサチップ100aを適用する例を説明したが、第2の実施形態の圧力変化測定装置1a、及び第3の実施形態の圧力変化測定装置1bに、本実施形態のセンサチップ100aを適用してもよい。
[第5の実施形態]
次に、図面を参照して、本実施形態による圧力変化測定装置1cについて説明する。
本実施形態では、上述した第1の実施形態の圧力変化測定装置1が、センサチップ100の代わりに、レファレンス部112と、温度センサ部121の構造が異なり、且つ、温度レファレンス部122を有するセンサチップ100bを備える変形例について説明する。
図18は、第5の実施形態による圧力変化測定装置1cの一例を示す機能ブロック図である。
図18に示すように、圧力変化測定装置1cは、差圧センサ110と、温度センサ120aと、基準電圧生成部30と、電圧制御部60と、演算処理部70とを備えている。
この図において、図1と同一の構成には同一の符号を付与し、その説明を省略する。
温度センサ120aは、例えば、差圧センサ110の温度(例えば、周辺温度)に応じた検出値を検出する。なお、温度センサ120aは、差圧センサ110と温度特性が等しくなるように構成されており、検出値を検出する温度検出回路部50aを備えている。
温度検出回路部50aは、ホイートストンブリッジ回路51aと、差動増幅回路52とを備えている。
ホイートストンブリッジ回路51aは、温度センサ部121bが有する抵抗R5a(検出抵抗Rtmp)と、温度レファレンス部122が有する抵抗R6aと、抵抗R7と、抵抗R8とを備えている。
抵抗R5a(検出抵抗Rtmp)は、第1端がブリッジ印加電圧Vbの供給線に、第2端がノードN3に接続されており、差圧センサ110の温度に応じて抵抗値が変化する。抵抗R6aは、第1端がノードN3に、第2端が電源線GNDに接続されており、センサチップ100bの温度レファレンス部122が有する抵抗として構成されている。
なお、本実施形態におけるセンサチップ100bは、差圧センサ部111、レファレンス部112a、温度センサ部121b、及び温度レファレンス部122を備えており、抵抗R1、抵抗R2、抵抗R5a、及び抵抗R6aは、センサチップ100b内の同一の半導体基板上に構成されている。ここで、図19〜図21を参照して、センサチップ100bの構成の詳細について説明する。
図19は、本実施形態におけるセンサチップ100bの一例を示す平面図である。また、図20は、図19に示すA−A線に沿ったセンサチップ100bの断面図である。また、図21は、図19に示すB−B線に沿ったセンサチップ100bの断面図である。
図19〜図21において、図15〜図17と同一の構成には同一の符号を付与し、その説明を省略する。
図19〜21に示すように、本実施形態のセンサチップ100bは、SOI基板5を利用して形成された直方体状の外形を有するセンサ本体2を備え、差圧センサ部111と、レファレンス部112aと、温度センサ部121bと、温度レファレンス部122とを備えている。本実施形態におけるセンサチップ100bは、温度センサ部121aを90度回転させた温度センサ部121bと、レファレンス部112aと同様の構成の温度レファレンス部122とを備える点が、第4の実施形態のセンサチップ100aと異なる。
温度センサ部121bは、レファレンス部112aと同一の構成であり、キャビティ10cを有するセンサ本体2(本体部)と、カンチレバー3と同一材質及び同一形状になるように、且つ、センサ本体2(本体部)のキャビティ10cを覆うように構成されたレバー部4a(温度検出抵抗部)とを備えている。レバー部4aは、抵抗R5と同様の抵抗R5a(検出抵抗Rtmp)として機能する。また、温度センサ部121bは、差圧センサ部111と同様の連通開口11cを備えており、連通開口11cによるセンサ本体2の内部空間は、キャビティ10c(空気室)として機能する。
また、温度センサ部121bにおいて、ギャップG6は、レファレンス部112aのギャップG3に対応し、ギャップG7は、レファレンス部112aのギャップG4に対応する。
温度レファレンス部122は、レファレンス部112aと同一の構成であり、キャビティ10dを有するセンサ本体2(本体部)と、カンチレバー3と同一材質及び同一形状になるように、且つ、センサ本体2(本体部)のキャビティ10dを覆うように構成されたレバー部4b(温度参照抵抗部)とを備えている。レバー部4bは、抵抗R6と同様の抵抗R6aとして機能する。また、温度レファレンス部122は、差圧センサ部111と同様の連通開口11dを備えており、連通開口11dによるセンサ本体2の内部空間は、キャビティ10d(空気室)として機能する。
また、温度レファレンス部122において、ギャップG8は、レファレンス部112aのギャップG3に対応し、ギャップG9は、レファレンス部112aのギャップG4に対応する。
なお、電極D4は、抵抗R5a(検出抵抗Rtmp)の第1端として機能し、電極D5は、抵抗R5a(検出抵抗Rtmp)の第2端、及び抵抗R6aの第1端として機能し、差動増幅回路52の反転入力端子(−端子)が接続される。また、電極D6は、抵抗R6aの第2端として機能し、電源線GNDに接続される。
本実施形態では、温度センサ部121及び温度レファレンス部122は、キャビティ10c及びキャビティ10dを備えることで、熱平衡状態の温度特性だけでなく、熱容量、及び過渡状態の温度特性についても、差圧センサ部111に近づけることができる。
また、上述した本実施形態の一例では、第1の実施形態の圧力変化測定装置1にセンサチップ100bを適用する例を説明したが、第2の実施形態の圧力変化測定装置1a、及び第3の実施形態の圧力変化測定装置1bに、本実施形態のセンサチップ100bを適用してもよい。
[第6の実施形態]
次に、図面を参照して、第6の実施形態による高度測定装置200について説明する。
図22は、本実施形態による高度測定装置200の一例を示す機能ブロック図である。
図22に示すように、高度測定装置200は、上述した圧力変化測定装置1(1a〜1c)と、高度変換部210とを備えている。
高度変換部210は、圧力変化測定装置1(1a〜1c)から得られた測定対象圧力の変化(例えば、外圧値Pout)を高度情報に変換する。例えば、外圧値Poutは、気圧に相当するため、高度変換部210は、気圧の変化を高度の変化に変換した高度情報を出力する。
以上説明したように、本実施形態による高度測定装置200は、圧力変化測定装置1(1a〜1c)と、圧力変化測定装置1(1a〜1c)から得られた測定対象圧力の変化(例えば、外圧値Pout)を高度情報に変換する高度変換部210とを備える。
これにより、本実施形態による高度測定装置200は、上述した測定対象の圧力変化を高精度に測定することができる圧力変化測定装置1(1a〜1c)を備えているため、圧力変化測定装置1(1a〜1c)と同様の効果を奏し、高度情報の変化を高精度に測定することができる。
なお、本発明は、上記の各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で変更可能である。
例えば、上記の各実施形態において、差圧センサ110は、レファレンス部112(112a)を備える例を説明したが、レファレンス部112(112a)を備えずに、抵抗R2を外付け抵抗により構成してもよい。
また、上記の各実施形態において、圧力変化測定装置1(1a〜1c)が、対象圧力の変化を示す情報として、外圧値Poutを出力する例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、圧力変化測定装置1(1a〜1c)は、差圧値ΔPを、対象圧力の変化を示す情報として出力するようにしてもよい。また、圧力変化測定装置1(1a〜1c)は、対象圧力の変化を示す情報を内部に順次記憶するようにしてもよい。
また、上記の各実施形態において、温度特性記憶部61(61a、61b)及びセンサ特性記憶部71は、各種変換式における各種パラメータなどの変換式に関する情報を記憶する例を説明したが、これに限定されるものではない。温度特性記憶部61(61a、61b)及びセンサ特性記憶部71は、例えば、各種変換テーブルを記憶するようにしてもよい。
なお、上述した圧力変化測定装置1(1a〜1c)が備える電圧制御部60(60a、60b)及び演算処理部70は、内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した電圧制御部60(60a、60b)及び演算処理部70が備える各構成の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより上述した電圧制御部60(60a、60b)及び演算処理部70が備える各構成における処理を行ってもよい。ここで、「記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行する」とは、コンピュータシステムにプログラムをインストールすることを含む。ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、インターネットやWAN、LAN、専用回線等の通信回線を含むネットワークを介して接続された複数のコンピュータ装置を含んでもよい。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。このように、プログラムを記憶した記録媒体は、CD−ROM等の非一過性の記録媒体であってもよい。
また、記録媒体には、当該プログラムを配信するために配信サーバからアクセス可能な内部又は外部に設けられた記録媒体も含まれる。なお、プログラムを複数に分割し、それぞれ異なるタイミングでダウンロードした後に電圧制御部60(60a、60b)及び演算処理部70が備える各構成で合体される構成や、分割されたプログラムのそれぞれを配信する配信サーバが異なっていてもよい。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、ネットワークを介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、上述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、上述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。
1、1a、1b、1c…圧力変化測定装置
2…センサ本体
2a…底壁部
2b…周壁部
3…カンチレバー
3a…先端部
3b…基端部
4、4a、4b…レバー部
5…SOI基板
5a…シリコン支持層
5b…絶縁層
5c…シリコン活性層
6‥ドープ層(ピエゾ抵抗)
10、10a、10b、10c、10d…キャビティ
11、11a、11b、11c、11d…連通開口
13…枠部
20…レバー本体
21…レバー支持部
30、30a…基準電圧生成部
40…差圧検出回路部
41、51、51a…ホイートストンブリッジ回路
42、52…差動増幅回路
50、50a…温度検出回路部
60、60a、60b…電圧制御部
61、61a、61b…温度特性記憶部
62、62a、62b…電圧変更部
70…演算処理部
71…センサ特性記憶部
72…内圧値記憶部
73…圧力算出部
100、100a、100b…センサチップ
110…差圧センサ
111…差圧センサ部
112、112a…レファレンス部
120、120a…温度センサ
121、121a、121b…温度センサ部
122…温度レファレンス部
200…高度測定装置
210…高度変換部
D1、D2、D3、D4、D5、D6…電極
R1、R2、R3、R4、R5、R5a、R6、R6a、R7、R8…抵抗
G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8、G9…ギャップ

Claims (9)

  1. 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外に流通させる連通孔と、を有し、前記キャビティの内部圧力と前記測定対象圧力との差圧に応じた差圧検出値を検出する差圧センサと、
    前記差圧センサの温度に応じた検出値を検出する温度センサと、
    前記温度センサによって検出された前記検出値に基づいて、前記差圧センサの温度が所定の温度になるように、前記差圧センサに供給する電力を変更する供給制御部と、
    前記供給制御部によって前記所定の温度になるように変更された前記電力が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する演算処理部と
    を備え
    前記供給制御部は、前記温度センサによって検出された前記検出値に対応する温度が、前記所定の温度になるように前記温度センサに供給する第1の電圧又は第1の電流を変更し、前記差圧センサに供給する第2の電圧又は第2の電流を、変更した前記第1の電圧又は前記第1の電流と等しい電圧又は電流に変更し、
    前記演算処理部は、変更された前記第2の電圧又は前記第2の電流が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する
    とを特徴とする圧力変化測定装置。
  2. 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外に流通させる連通孔と、を有し、前記キャビティの内部圧力と前記測定対象圧力との差圧に応じた差圧検出値を検出する差圧センサと、
    前記差圧センサの温度に応じた検出値を検出する温度センサと、
    前記温度センサによって検出された前記検出値に基づいて、前記差圧センサの温度が所定の温度になるように、前記差圧センサに供給する電力を変更する供給制御部と、
    前記供給制御部によって前記所定の温度になるように変更された前記電力が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する演算処理部と
    を備え、
    前記供給制御部は、前記温度センサによって検出された前記検出値に対応する温度が、前記所定の温度になるように前記温度センサに供給する第1の電圧又は第1の電流を変更し、変更した前記第1の電圧又は前記第1の電流を、前記温度センサの発熱特性情報と、前記差圧センサの発熱特性情報とに基づいて、補正した電圧又は電流に、前記差圧センサに供給する第2の電圧又は第2の電流を変更し、
    前記演算処理部は、変更された前記第2の電圧又は前記第2の電流が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する
    ことを特徴とする圧力変化測定装置。
  3. 前記所定の温度は、使用温度範囲の最大値に、前記差圧センサを動作させる最小電力による発熱分を加算した温度以上に定められている
    ことを特徴とする請求項1又は請求項に記載の圧力変化測定装置。
  4. 前記差圧センサは、
    前記キャビティを有するセンサ本体と、
    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カンチレバーと、
    前記カンチレバーの撓み変形に応じた前記基端部の抵抗変化に基づいて、前記差圧検出値を検出する差圧検出回路部と
    を備えることを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載の圧力変化測定装置。
  5. 前記差圧センサは、前記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、撓み変形しないように固定されているレバー部を有するレファレンス部を有し、
    前記差圧検出回路部は、
    前記カンチレバーの基端部の抵抗を含む検出抵抗と、前記レバー部の基端部の抵抗を含む参照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に記載の圧力変化測定装置。
  6. 前記温度センサは、
    キャビティを有する本体部と、
    前記カンチレバーと同一材質及び同一形状になるように、且つ、前記本体部のキャビティを覆うように構成され、撓み変形しないように固定されている温度検出抵抗部と、
    前記温度検出抵抗部の抵抗変化に基づいて、前記検出値を検出する温度検出回路部と
    を備えることを特徴とする請求項又は請求項に記載の圧力変化測定装置。
  7. 請求項1から請求項のいずれか一項に記載の圧力変化測定装置と、
    前記圧力変化測定装置から得られた前記測定対象圧力の変化を高度情報に変換する高度変換部と
    を備えることを特徴とする高度測定装置。
  8. 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外に流通させる連通孔と、を有し、前記キャビティの内部圧力と前記測定対象圧力との差圧に応じた差圧検出値を検出する差圧センサを利用した圧力変化測定方法であって、
    供給制御部が、前記差圧センサの温度に応じた検出値を検出する温度センサによって検出された前記検出値に基づいて、前記差圧センサの温度が所定の温度になるように、前記差圧センサに供給する電力を変更する供給制御ステップと、
    演算処理部が、前記供給制御ステップによって前記所定の温度になるように変更された前記電力が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する演算処理ステップと
    を含み、
    前記供給制御ステップにおいて、前記供給制御部は、前記温度センサによって検出された前記検出値に対応する温度が、前記所定の温度になるように前記温度センサに供給する第1の電圧又は第1の電流を変更し、前記差圧センサに供給する第2の電圧又は第2の電流を、変更した前記第1の電圧又は前記第1の電流と等しい電圧又は電流に変更し、
    前記演算処理ステップにおいて、前記演算処理部は、変更された前記第2の電圧又は前記第2の電流が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する
    とを特徴とする圧力変化測定方法。
  9. 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外に流通させる連通孔と、を有し、前記キャビティの内部圧力と前記測定対象圧力との差圧に応じた差圧検出値を検出する差圧センサを利用した圧力変化測定方法であって、
    供給制御部が、前記差圧センサの温度に応じた検出値を検出する温度センサによって検出された前記検出値に基づいて、前記差圧センサの温度が所定の温度になるように、前記差圧センサに供給する電力を変更する供給制御ステップと、
    演算処理部が、前記供給制御ステップによって前記所定の温度になるように変更された前記電力が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する演算処理ステップと
    を含み、
    前記供給制御ステップにおいて、前記供給制御部は、前記温度センサによって検出された前記検出値に対応する温度が、前記所定の温度になるように前記温度センサに供給する第1の電圧又は第1の電流を変更し、変更した前記第1の電圧又は前記第1の電流を、前記温度センサの発熱特性情報と、前記差圧センサの発熱特性情報とに基づいて、補正した電圧又は電流に、前記差圧センサに供給する第2の電圧又は第2の電流を変更し、
    前記演算処理ステップにおいて、前記演算処理部は、変更された前記第2の電圧又は前記第2の電流が供給されて、前記差圧センサによって検出された前記差圧検出値と、前記所定の温度における前記差圧センサの特性情報とに基づいて、前記測定対象圧力の変化を示す情報を生成する
    ことを特徴とする圧力変化測定方法。
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