CN103308246B - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的压力传感器包括检测第一压力变动传感器(P1)（11a）和第二压力变动传感器(P2)（11b）的输出的差值的检测电路。关于第一压力变动传感器(P1)（11a）与第二压力变动传感器(P2)（11b），使相互的间隙（23）的距离（G）相同，通过使第一压力变动传感器(P1)（11a）的腔（21）的容量（V1）比第二压力变动传感器(P2)（11b）的腔（21）的容量（V2）大，从而具有互不相同的频率特性、例如互不相同的截止频率（fc1、fc2(＞fc1)）。从而，降低检测误差和扰动所导致的振动等，并且得到期望的频率特性。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及压力传感器。
背景技术
一直以来，例如已知一种差压传感器(压力传感器)，其中通过使两面受压型的2个压力传感器元件在2个对称的压力导入路径上的位置接近，且互相配置为极性相反，对2个压力传感器元件的输出进行差动放大，从而得到使压力传感器元件的温度特性所导致的检测误差和扰动所导致的振动等抵消的输出(例如参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开平4-29027号公报。
另外，在上述现有技术所涉及的压力传感器中，例如在根据感应部的材料形状等，对于压力的灵敏度的频率相关性较弱或者非相关，对于广范的频带具有大致同等的灵敏度的情况下，相对于期望的频带的信号，其他频带的信号所导致的噪声(noise)增大，担心由于期望的频带以外的信号，压力传感器的输出饱和。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能降低检测误差和扰动所导致的振动等、并且能够得到期望的频率特性的压力传感器。
为解决上述问题并达到该目的，本发明所涉及的压力传感器包括：2个压力变动传感器(例如实施方式中的第一压力变动传感器(P1)11a和第二压力变动传感器(P2)11b)；以及检测单元(例如实施方式中的检测电路12)，检测所述2个压力变动传感器的输出的差值，所述压力变动传感器包括：开口的腔(例如实施方式中的腔21)；悬臂(例如实施方式中的悬臂22)，形成为在从基端侧朝向前端侧的方向延伸的板状，具有在所述腔的开口端(例如实施方式的开口端21a)以悬臂状态被支持的基端部(例如实施方式中的基端部22a)和作为自由端的前端部(例如实施方式中的前端部22b)，根据所述腔的内部与外部的压力差而弯曲变形；间隙(例如实施方式中的间隙23)，设在所述悬臂的所述前端部与所述腔的开口端之间，将所述腔的内部与外部连通；以及变形检测单元(例如实施方式中的压电电阻24)，检测所述悬臂的弯曲变形并输出检测结果的信号，所述2个压力变动传感器具有至少根据所述腔的容量或者所述间隙的距离而互不相同的频率特性。
并且，在本发明所涉及的压力传感器中，所述频率特性是所述压力变动传感器的灵敏度为既定值以上的下限频率。
并且，在本发明所涉及的压力传感器中，所述2个压力变动传感器配置为在所述悬臂的延伸方向，使一个所述悬臂的所述前端部与另一个所述悬臂的所述基端部对置而相邻。
并且，在本发明所涉及的压力传感器中，所述2个压力变动传感器配置为在所述悬臂的延伸方向，使相互的所述悬臂的所述前端部彼此对置而相邻。
并且，在本发明所涉及的压力传感器中，所述变形检测单元在由半导体材料形成的所述悬臂的所述基端部，包括通过杂质的掺杂形成的压电电阻(例如实施方式中的压电电阻24)。
根据本发明的压力传感器，通过检测具有互不相同的频率特性的2个压力变动传感器的输出的差值，能够仅检测与不同频率特性的差值相当的、期望的频率特性的压力变动。
由此，能够防止由于期望的频率特性以外的其他频率特性的压力变动，从而相对于期望的频率特性的压力变动的噪声(noise)增大，能够防止在初级的放大电路等中信号饱和。
而且，能够利用2个压力变动传感器的输出的差值，抵消在各压力变动传感器产生的温度特性所导致的检测误差和扰动所导致的振动等，能够提高压力变动的检测精度。
并且，通过使2个压力变动传感器的互不相同的频率特性例如像截止频率等那样，为压力变动传感器的灵敏度为既定值以上的下限频率，能够仅检测与不同下限频率的差值相当的、期望的频带的压力变动。
即，通过检测2个压力变动传感器的输出的差值，能够抵消比一个下限频率与另一个下限频率之间的期望的频带高的频率和低的频率的压力变动。
由此，能够使压力传感器仅对期望频带的压力变动具有灵敏度地进行工作。
并且，2个压力变动传感器通过配置为在悬臂的延伸方向从相互的悬臂的基端侧朝向前端侧的方向成为相同方向，能够使例如风或光等扰动所导致的振动对于相互的悬臂同样进行作用，能够利用2个压力变动传感器的输出的差值，适当抵消在各压力变动传感器产生的扰动所导致的振动。
并且，2个压力变动传感器通过配置为在悬臂的延伸方向从相互的悬臂的基端侧朝向前端侧的方向成为相反方向，例如能够抑制对于声音等高频带的振动在相互的悬臂的灵敏度产生相位差，能够利用2个压力变动传感器的输出的差值，适当抵消在各压力变动传感器产生的声音等高频带的振动。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的压力传感器的压力变动传感器的俯视图和剖视图；
图2是示出本发明的实施方式所涉及的压力传感器的压力变动传感器的输出的一个例子的图；
图3是示出本发明的实施方式所涉及的压力传感器的压力变动传感器的动作的一个例子的图；
图4是本发明的实施方式所涉及的压力传感器的结构图；
图5是本发明的实施方式所涉及的压力传感器的结构图；
图6是示出本发明的实施方式所涉及的压力传感器的输出的一个例子的图；
图7是本发明的实施方式的第一变形例所涉及的压力传感器的结构图；
图8是本发明的实施方式的第二变形例所涉及的压力传感器的结构图；
图9是本发明的实施方式的第三变形例所涉及的压力传感器的结构图；
图10是本发明的实施方式的第四变形例所涉及的压力传感器的结构图。
附图标记说明
10…压力传感器；11a…第一压力变动传感器(P1)；11b…第二压力变动传感器(P2)；12…检测电路(检测单元)；21…腔；21a…开口端；22…悬臂；22a…基端部；22b…前端部；23…间隙；24…压电电阻(变形检测单元)。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的一个实施方式所涉及的压力传感器。
本实施方式所涉及的压力传感器10例如包括：2个压力变动传感器11(例如第一压力变动传感器(P1)11a和第二压力变动传感器(P2)11b)，具有互不相同的频率特性；以及检测电路12，检测2个压力变动传感器11的输出的差值，压力传感器10输出与压力(例如气压等)的变动相应的信号。
压力传感器10的压力变动传感器11例如由将硅支持层、由SiO2构成的氧化层以及硅活性层热贴合的SOI基板等形成，例如如图1(A)、(B)所示，包括腔21、悬臂22、间隙23和压电电阻24而构成。
腔21例如由SOI基板的硅支持层形成为开口的有底筒状。
悬臂22例如由SOI基板的硅活性层形成为在从基端侧朝向前端侧的方向(长边方向)延伸的板状，具有在腔21的开口端21a以悬臂状态被支持的基端部22a和作为自由端的前端部22b，根据腔21的内部与外部的压力差而弯曲变形。
间隙23设在悬臂22的前端部22b与腔21的开口端21a之间，将腔21的内部与外部连通。
压电电阻24例如由离子注入法或扩散法等各种方法，在悬臂22的基端部22a掺杂了磷等掺杂剂(杂质)而形成，从短边方向(与悬臂22的长边方向和厚度方向直交的方向)的两侧夹着在厚度方向贯穿悬臂22的基端部22a的贯穿孔22c而设置，根据悬臂22的弯曲变形的变形量(即应力的大小)使电阻值变化。
设在贯穿孔22c的两侧的一个和另一个压电电阻24连接于后述的检测电路12和布线部25，布线部25由在悬臂22的基端部22a与贯穿孔22c相比设在向前端侧偏离的位置的导电性材料构成，包含该布线部25和一个及另一个压电电阻24的整体形状形成为俯视U形。
由此，例如若在一个压电电阻24施加既定电压，则该电压施加引起的电流会绕进贯穿孔22c，从一个压电电阻24经由布线部25流过另一个压电电阻24。该电流为压力变动传感器11的输出，该输出的大小根据压电电阻24的电阻值而变化，压电电阻24的电阻值根据悬臂22的弯曲变形的变形量而变化。
而且，压力变动传感器11具有至少与腔21的容量V或者间隙23的距离G相应的固有的频率特性。
该频率特性例如是像截止频率fc等这样的、压力变动传感器11的灵敏度为既定值以上的下限频率，相对于比该下限频率低的频带的压力变动，随着频率的下降灵敏度呈下降倾向变化；相对于比下限频率高的频带的压力变动，随着频率的增大，灵敏度以从既定值向上限值饱和的方式呈增大倾向变化。
下面，说明压力变动传感器11的动作例。
在该压力变动传感器11中，例如如图2(A)、(B)所示的期间A，在腔21的外部的压力Pout(＝第一既定压力Pa)与内部的压力Pin的压力差为零的情况下，例如如图3(A)所示，悬臂22不弯曲变形，压力变动传感器11的输出(传感器输出)为零。
与之相对，例如如图2(A)、(B)所示的时刻t1以后的期间B，若腔21的外部的压力Pout以阶梯状增大(Pout←第二既定压力Pb＞Pa)，例如图3(B)所示，悬臂22开始根据腔21的外部与内部的压力差而弯曲变形，随着该变形量的增大，压力变动传感器11的输出呈增大倾向变化。
然后，若压力传递介质经由间隙23从腔21的外部向内部流动，腔21的内部的压力Pin由于比外部的压力Pout的变动缓慢的响应而逐渐增大，则随着腔21的外部与内部的压力差的减少，悬臂22的变形量呈减少倾向变化，压力变动传感器11的输出呈减少倾向变化。
然后，例如如图2(A)、(B)所示的时刻t2以后的期间C，若腔21的内部的压力Pin与外部的压力Pout成为相等(Pin＝Pout＝Pb)，则例如如图3(C)所示，悬臂22的弯曲变形消除，压力变动传感器11的输出为零。
压力传感器10的检测电路12例如如图4所示包括桥式电路31、基准电压产生电路32、差动放大电路33和输出电路34而构成。
桥式电路31由例如第一压力变动传感器(P1)11a的压电电阻24(第一压电电阻24a：电阻值RP1)和第二压力变动传感器(P2)11b的压电电阻24(第二压电电阻24b：电阻值RP2)被串联连接而成的分支，以及固定电阻41(电阻值R1)和固定电阻42(电阻值R2)被串联连接而成的分支，相对于基准电压产生电路32并联连接而构成。
在该桥式电路31中，第一压电电阻24a与第二压电电阻24b的连接点与差动放大电路33的反相输入端子连接，固定电阻41、42彼此的连接点与差动放大电路33的同相输入端子连接。
基准电压产生电路32对桥式电路31施加既定的基准电压Vcc。
差动放大电路33检测桥式电路31的2个固定电阻41、42彼此的连接点与第一压电电阻24a和第二压电电阻24b的连接点之间的电位差，以既定增益将该电位差放大并输出。
该电位差成为与第一压电电阻24a的电阻值RP1与第二压电电阻24b的电阻值RP2的差值(RP1-RP2)、即第一压力变动传感器(P1)11a的输出与第二压力变动传感器(P2)11b的输出的差值相应的值。
第一压力变动传感器(P1)11a与第二压力变动传感器(P2)11b例如如图5所示，相互的间隙23的距离G相同，通过使第一压力变动传感器(P1)11a的腔21的容量V1比第二压力变动传感器(P2)11b的腔21的容量V2大，从而具有互不相同的频率特性、例如互不相同的截止频率fc1、fc2(＞fc1)。
由此，例如如图6(A)、(B)所示，由于第一压力变动传感器(P1)11a在截止频率fc1以上的频带示出既定值以上的灵敏度，与之相对，第二压力变动传感器(P2)11b在比截止频率fc1高的截止频率fc2以上的频带示出既定值以上的灵敏度，因此第一压力变动传感器(P1)11a的输出与第二压力变动传感器(P2)11b的输出的差值将不同截止频率fc1、fc2间的频带(fc2-fc1)以外的频带的输出抵消。
所以，压力传感器10仅对所谓的期望频带(fc2-fc1)的压力变动具有灵敏度地进行工作。
输出电路34例如包括低通滤波器等，对从差动放大电路33输出的信号进行既定的滤波处理，输出处理后的信号。
如上所述，根据本实施方式所涉及的压力传感器10，作为互不相同的频率特性，通过检测具有例如像截止频率等那样的、压力变动传感器11的灵敏度为既定值以上的下限频率的2个压力变动传感器11(第一压力变动传感器(P1)11a与第二压力变动传感器(P2)11b)的输出的差值，能够仅检测与不同下限频率的差值相当的、期望的频带的压力变动。
由此，能够防止由于期望的频带以外的其他频带的压力变动，从而相对于期望的频带的压力变动的噪声(noise)增大，能够防止在初级的放大电路等中信号饱和。
而且，能够利用2个压力变动传感器11的输出的差值，抵消在各第一压力变动传感器(P1)11a和第二压力变动传感器(P2)11b产生的温度特性所导致的检测误差和扰动所导致的振动等，能够提高压力变动的检测精度。
此外，在上述的实施方式中，例如也可以如图7所示的第一变形例，关于第一压力变动传感器(P1)11a与第二压力变动传感器(P2)11b，使相互的腔21的容量V相同，通过使第一压力变动传感器(P1)11a的间隙23的距离G1比第二压力变动传感器(P2)11b的间隙23的距离G2小，从而具有互不相同的频率特性、例如互不相同的截止频率fc1、fc2(＞fc1)。
此外，在上述的实施方式中，例如也可以如图8所示的第二变形例，关于第一压力变动传感器(P1)11a与第二压力变动传感器(P2)11b，通过使第一压力变动传感器(P1)11a的间隙23的距离G1比第二压力变动传感器(P2)11b的间隙23的距离G2小，使第一压力变动传感器(P1)11a的腔21的容量V1比第二压力变动传感器(P2)11b的腔21的容量V2大，从而具有互不相同的频率特性、例如互不相同的截止频率fc1、fc2(＞fc1)。
此外，在上述的实施方式中，例如也可以如图9(A)、(B)所示的第三变形例，关于第一压力变动传感器(P1)11a与第二压力变动传感器(P2)11b，配置为在相互的悬臂22的延伸方向(长边方向)，使第一压力变动传感器(P1)11a的悬臂22的基端部22a与第二压力变动传感器(P2)11b的悬臂22的前端部22b对置而相邻。
根据该第三变形例，关于第一压力变动传感器(P1)11a与第二压力变动传感器(P2)11b，通过配置为在悬臂22的延伸方向，从相互的悬臂22的基端侧朝向前端侧的方向成为相同方向，例如能够使风或光等扰动所导致的振动对于相互的悬臂22同样进行作用，能够利用第一压力变动传感器(P1)11a和第二压力变动传感器(P2)11b的输出的差值，适当抵消在各第一压力变动传感器(P1)11a和第二压力变动传感器(P2)11b产生的扰动所导致的振动。
此外，在上述的实施方式中，例如也可以如图10(A)、(B)所示的第四变形例，关于第一压力变动传感器(P1)11a与第二压力变动传感器(P2)11b，配置为在相互的悬臂22的延伸方向(长边方向)，使相互的悬臂22的前端部22b彼此对置而相邻。
根据该第四变形例，关于第一压力变动传感器(P1)11a与第二压力变动传感器(P2)11b，通过配置为在悬臂22的延伸方向，从相互的悬臂22的基端侧朝向前端侧的方向为相反方向，能够抑制例如对于声音等高频带的振动在相互的悬臂22的灵敏度产生相位差，能够利用第一压力变动传感器(P1)11a与第二压力变动传感器(P2)11b的输出的差值，适当抵消在各第一压力变动传感器(P1)11a和第二压力变动传感器(P2)11b产生的声音等高频带的振动。
此外，上述的实施方式中，压力传感器10包括具有互不相同的频率特性的2个压力变动传感器11，但不限于此，也可以至少包括多个压力变动传感器11，检测这些压力变动传感器11中适当的2个压力变动传感器11的输出的差值。
此外，在上述的实施方式中，压力变动传感器11具有与腔21的容量V或者间隙23的距离G相应的固有的频率特性，但不限于此，也可以与其他参数、例如腔21的形状和间隙23的形状及位置等相应地具有固有的频率特性。

Claims (5)

1. 一种压力传感器，其特征在于，包括：
第一压力变动传感器和第二压力变动传感器；以及
检测部，检测所述第一压力变动传感器和所述第二压力变动传感器的输出的差值，
所述第一压力变动传感器和所述第二压力变动传感器分别具有：
腔，由开口构成；
悬臂，形成为在从基端侧朝向前端侧的方向延伸的板状，具有在所述腔的开口端以悬臂状态被支持的基端部和由自由端构成的前端部，根据所述腔的内部与外部的压力差而弯曲变形；
间隙，设在所述悬臂的所述前端部与所述腔的开口端之间，将所述腔的内部与外部连通；以及
变形检测部，检测所述悬臂的弯曲变形并输出检测结果的信号，
所述第一压力变动传感器和所述第二压力变动传感器具有至少根据所述腔的容量或者所述间隙的距离而互不相同的频率特性。
2. 如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述频率特性是所述第一压力变动传感器和所述第二压力变动传感器的灵敏度为既定值以上的下限频率的特性。
3. 如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述第一压力变动传感器和所述第二压力变动传感器配置为，在所述悬臂的延伸方向使一个所述悬臂的所述前端部与另一个所述悬臂的所述基端部对置而相邻。
4. 如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述第一压力变动传感器和所述第二压力变动传感器配置为，在所述悬臂的延伸方向使相互的所述悬臂的所述前端部彼此对置而相邻。
5. 如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述变形检测部在由半导体材料形成的所述悬臂的所述基端部，包括通过杂质的掺杂而形成的压电电阻。
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