JP2000046670A - 静電容量型圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧力センサのコンデンサ部にかかわる寄生容
量をとり除き、広い温度範囲にわたって正確に圧力を測
定する 【解決手段】 圧力に応じて変位するダイアフラムと固
定電極とによって形成される圧力検出用コンデンサの静
電容量値に基づいて該ダイアフラムの変位量を求め、求
めた変位量によって該ダイアフラムに印加された圧力を
検出する静電容量型圧力検出装置において、定電流供給
部によって抵抗を介して該圧力検出用コンデンサおよび
該固定コンデンサに定電流を供給し、該定電流供給手段
から該圧力検出用コンデンサおよび該固定コンデンサへ
の電流供給に基づいてそれぞれ検出信号および補正信号
を発生させ、該補正信号に基づいて該検出信号を補正
し、補正した信号によって該ダイアフラムの変位量およ
び該圧力を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ダイアフラムに
印加された圧力あるいは圧力差によって生じるダイアフ
ラムの変位を、ダイアフラムとそれに対向する対向電極
とによって形成されるコンデンサの静電容量値として検
出し、その検出値から圧力を算出する静電容量型圧カ検
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来の静電容量型圧力検出装置
で用いられる圧力センサの一例を表している。

【０００３】この圧力センサ１００は、シリコンからな
るダイアフラム８０と、第１の導電性板８１ａ及び８１
ｂと、絶縁板８２ａ及び８２ｂと、支持体８３ａ及び８
３ｂと、ガラス接合部８４ａ及び８４ｂと、第２の導電
性板８５ａ及び８５ｂとによって構成される。第１の導
電性板８１ａ及び８１ｂは、ダイアフラム８０から一定
の間隔だけ離して対向設置されており、絶縁板８２ａ及
び８２ｂは、それぞれ第１の導電性板８１ａ及び８１ｂ
と支持体８３ａ及び８３ｂを第２の導電性板８５ａ及び
８５ｂから絶縁して保持している。また、ダイアフラム
８０はガラス接合部８４ａ及び８４ｂを介して支持体８
３ａ及び８３ｂに固定されている。

【０００４】圧力センサ１００の中央部分には、図６に
示すように、第１の導電性板８１ａ及び８１ｂと絶縁板
８２ａ及び８２ｂと第２の導電性板８５ａ及び８５ｂを
貫通する導圧孔８６ａ及び８６ｂが形成されている。こ
の導圧孔８６ａ及び８６ｂはそれぞれ圧力Ｐ１とＰ２を
ダイアフラム８０へと導入するためのものである。導圧
孔８６ａ及び８６ｂの内面には導体膜８７ａ及び８７ｂ
が形成されており、この導体膜８７ａ及び８７ｂを介し
て、第２の導電性板８５ａ及び８５ｂはそれぞれ第１の
導電性板８１ａ及び８１ｂと電気的に接続される。この
ような構成をもつ圧力センサ１００において、ダイアフ
ラム８０の左右の部分はそれぞれ静電容量Ｃ１とＣ２を
もつコンデンサとして機能する。

【０００５】図７は、この圧力センサ１００とその支持
部を含む圧力検出部の構成例を表している。この圧力検
出部１０１内部の９０と９１に示す部分には、シリコン
オイル等の圧力伝達媒体（非圧縮性流体）が封入されて
おり、この圧力伝達媒体の中で圧力センサ１００は導圧
孔８６ａ側で支持部に固定されている。この圧力検出部
１０１において、導圧孔８６ａおよび８６ｂからそれぞ
れ圧力Ｐ１およびＰ２が圧力伝達媒体を介してダイアフ
ラム８０に伝達され、圧力Ｐ１とＰ２の差によって生じ
るダイアフラムの変位が静電容量値として検出される。

【０００６】このような圧力センサ１００を用いて圧力
を計測する場合、ダイアフラム８０に加わる圧力差によ
って生じるコンデンサの静電容量値は１０ｐＦから１０
０ｐＦ程度といった小さい値であるため、圧力計測に対
するコンデンサの寄生容量や装置の浮遊容量の影響が大
きく、その影響により出力特性が非直線的になったり、
測定誤差が生じるという問題がある。

【０００７】これらの問題を解決するための従来技術と
して、例えば特開昭６４−７１２１１号公報に示すもの
がある。この特開昭６４−７１２１１号公報には、２つ
の静電容量（Ｃ１及びＣ２）の組み合わせ結果に基づい
て寄生容量の影響をキャンセルする方法が開示されてい
る。図８は特開昭６４−７１２１１号公報に開示された
方法を概略的に示すものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６４−７１２１１号公報に開示された方法では、寄生容
量の影響をキャンセルするには、２つの静電容量Ｃ１、
Ｃ２を用いて得られる４つの発振周波数（ｆ１〜ｆ４）
それぞれに対して、関連する寄生容量の値は常に等しく
なければならない。つまり、静電容量Ｃ１とＣ２の電極
間に介在する寄生容量は零でなければならない。

【０００９】ここで、静電容量Ｃ１、Ｃ２の電極間で発
生する寄生容量を零にすることは原理的に不可能であ
り、もし仮に、ある一定温度で寄生容量をキャンセルす
るように調整が行えたとしても、静電容量Ｃ１、Ｃ２そ
れぞれの寄生容量の温度特性の差により出力誤差を生じ
ることになる。

【００１０】寄生容量と等価な固定コンデンサを用いて
寄生容量をキャンセルする方法も考えらる。しかしなが
ら、このような固定コンデンサは通常プリント基板上な
どの圧カセンサから離れた場所に配置されるので、固定
コンデンサと圧カセンサの熱勾配の差により補正誤差を
生じるという問題があった。

【００１１】また、本願の発明者らは、圧力検出用の静
電容量と同−の封液で満たされ、圧力に対してコンデン
サのギャップが変化しない基準容量を形成し、この基準
容量により寄生容量を補正する方法を発明しているが、
封液として一般的に用いられているシリコンオイルの場
合は、比誘電率が温度及び静圧依存性をもつので、静圧
のみを検出するセンサが必要となり、コストアップする
という問題がある。

【００１２】また、特開昭６４−７１２１１号公報に開
示された方法は、２つの静電容量Ｃ１、Ｃ２に供給する
電流を抵抗で制限し、トランジスタスイッチで切換える
方式をとっているが、それぞれのトランジスタスイッチ
のオン抵抗差及び温度依存性の差により静電容量Ｃ１、
Ｃ２に供給される電流が変化するので、出力誤差を生じ
ることになる。

【００１３】従って、本発明は上述のような欠点を解消
すべきなされたもので、その課題は温度による寄生容量
の影響を高精度にキャンセルすることのできる低コスト
で汎用性のある静電容量型圧カ検出装置を提供すること
にある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の静電容量型圧力検出装置は、圧力に応じ
て変位するダイアフラムと固定電極とによって形成され
る圧力検出用コンデンサの静電容量値に基づいて該ダイ
アフラムの変位量を求め、求めた変位量によって該ダイ
アフラムに印加された圧力を検出する静電容量型圧力検
出装置であって、固定コンデンサと、抵抗を介して該圧
力検出用コンデンサおよび該固定コンデンサに定電流を
供給する定電流供給手段と、該定電流供給手段から該圧
力検出用コンデンサへの電流供給に基づいて該抵抗の抵
抗値と該圧力検出用コンデンサの静電容量に応じた検出
信号を発生させ、また、該定電流供給手段から該固定コ
ンデンサへの電流供給に基づいて該抵抗の抵抗値と該固
定コンデンサの静電容量に応じた補正信号を発生させる
信号発生手段と、該検出信号と該補正信号とに基づいて
該ダイアフラムの変位量を検出する演算・制御手段とを
備えている（請求項１に対応）。

【００１５】この演算・制御手段は、前記検出信号を前
記補正信号を使って所定の演算式に基づいて補正し、こ
れにより前記圧力検出用コンデンサに影響を及ぼす寄生
容量をキャンセルして、極めて正確なダイアフラムの変
位量を求めることができる。そして、この変位量からダ
イアフラムに加わる圧力が正確に算出される。

【００１６】本発明の静電容量型圧力検出装置は、さら
に、前記定電流供給手段からの前記圧力検出用コンデン
サへの接続と前記固定コンデンサへの接続とを切り換え
るスイッチ手段を備えていてもよい（請求項２に対
応）。このスイッチ手段を用いれば、定電流供給手段は
１つしか必要でなくなり、装置を小型軽量化することが
できる。さらに圧力検出用コンデンサと固定コンデンサ
に同一の回路から電流が供給されるので、供給電流量が
一定となり、誤差の極めて少ない補正が可能となる。

【００１７】前記圧力検出用コンデンサは、前記ダイア
フラムの第１の面と該第１の面に対向する第１の固定電
極とによって形成される第１のコンデンサと、前記ダイ
アフラムの第２の面と該第２の面に対向する第２の固定
電極とによって形成される第２のコンデンサとによって
形成されてもよく、この場合、前記スイッチ手段は、前
記定電流供給手段からの該第１のコンデンサへの接続
と、該第２のコンデンサへの接続と、前記固定コンデン
サへの接続とを切り換える（請求項３に対応）。このよ
うに２つのコンデンサを使用して、ダイアフラムの変位
をより正確に測定することができる。また、この場合、
スイッチ手段によって各コンデンサへの電流供給が切り
換えられるので、装置は小型・軽量に制作される。

【００１８】前記定電流供給手段は基準電圧発生手段を
備えており、前記圧力検出用コンデンサおよび前記固定
コンデンサに供給される電流の値は、該基準電圧発生手
段が発生する電圧と前記抵抗とによって決定される（請
求項４に対応）。また、さらに前記抵抗は第１の抵抗と
第２の抵抗とからなるものであってもよく、この場合、
前記圧力検出用コンデンサに供給される電流の値は、該
基準電圧発生手段が発生する電圧と該第１の抵抗とによ
って決定され、前記固定コンデンサに供給される電流の
値は、該基準電圧発生手段が発生する電圧と該第２の抵
抗とによって決定される（請求項５に対応）。また、こ
の場合、前記スイッチ手段は、前記定電流供給手段から
前記圧力検出用コンデンサに電流を供給する場合前記第
１の抵抗を選択し、前記定電流供給手段から前記固定コ
ンデンサに電流を供給する場合前記第２の抵抗を選択す
る（請求項６に対応）。

【００１９】前記第１の抵抗は、前記圧力検出用コンデ
ンサの温度係数を打ち消すような温度係数をもっていて
もよい（請求項７に対応）。これにより、圧力検出用コ
ンデンサの静電容量の検出信号に関して、その温度依存
性をほぼ零にすることができ、温度による静電容量検出
値の変化を極めて抑えることができる。また、前記第２
の抵抗は前記固定コンデンサの温度係数よりも大きな温
度係数をもっていてもよい（請求項８に対応）。これに
より、前記固定コンデンサの静電容量の温度依存性が前
記第２の抵抗の抵抗値の温度依存性よりも高くなるの
で、前記固定コンデンサの静電容量を用いてより正確な
温度補正が可能となる。

【００２０】前記演算・制御手段は、前記第１のコンデ
ンサと前記第2のコンデンサと前記固定コンデンサの静
電容量に応じた出力信号を用いて、下記（１）式の演算
により前記ダイアフラムの変位量を求める（請求項９に
対応）。 （Ｔ１−Ｔ２−Ａ×ｆ（Ｔｒｅｆ））／（Ｔ１＋Ｔ２−Ｂ×ｆ（Ｔｒｅｆ）） ＝ Δｄ１／ｄ１ ・・・（１） Ｔ１：前記第１のコンデンサの静電容量に応じた出力信
号 Ｔ２：前記第２のコンデンサの静電容量に応じた出力信
号 Ｔｒｅｆ：前記固定コンデンサの静電容量に応じた出力
信号 ｆ：Ｔｒｅｆを変数とする所定の関数 Ａ、Ｂ：係数 Δｄ１：前記ダイアフラムの変位量 ｄ１：前記ダイアフラムの前記第１の面と前記第１の固
定電極との間の距離または前記ダイアフラムの前記第２
の面と前記第２の固定電極との間の距離 前記固定コンデンサは前記圧力検出用コンデンサと実質
的に同じ温度環境の下に設置されている（請求項１０に
対応）。これにより前記圧力検出用コンデンサに関して
発生する寄生容量を前記固定コンデンサからの信号によ
って表すことができるので、圧力検出用コンデンサから
の信号を固定コンデンサからの信号を用いて補正して、
圧力検出用コンデンサからの信号に含まれるその寄生容
量をキャンセルすることができる。これにより、圧力セ
ンサの温度変化の影響を受けない、極めて正確な圧力検
出が可能となる。

【００２１】また、前記検出信号は前記圧力検出用コン
デンサの静電容量に比例する周期をもつパルス信号とし
て出力され、前記補正信号は前記固定コンデンサの静電
容量に比例する周期をもつパルス信号として出力されう
る（請求項１１に対応）。これにより、圧力検出用コン
デンサや固定コンデンサに電流を供給する定電流供給手
段のなかで使用されるトランジスタ等のオン抵抗などに
よる検出信号および補正信号への悪影響を除去すること
ができる。

【００２２】また、本発明の圧力検出方法は、圧力に応
じて変位するダイアフラムと固定電極とによって形成さ
れる圧力検出用コンデンサの静電容量値に基づいて該ダ
イアフラムの変位量を求め、求めた変位量によって該ダ
イアフラムに印加された圧力を検出する圧力検出方法で
あって、該圧力検出用コンデンサと固定コンデンサに定
電流を供給するステップと、該圧力検出用コンデンサへ
の電流供給に基づいて所定の抵抗と該圧力検出用コンデ
ンサの静電容量に応じた検出信号を発生させるステップ
と、該固定コンデンサへの電流供給に基づいて該所定の
抵抗と該固定コンデンサの静電容量に応じた補正信号を
発生させるステップと、該検出信号と該補正信号とに基
づいて該ダイアフラムの変位量を検出するステップとを
含んでいる（請求項１２に対応）。

【００２３】この圧力検出方法は、さらに、上記静電容
量型圧力検出装置において実行される処理の一部あるい
はすべてを含みうる。前記検出信号は前記補正信号を使
って所定の演算式に基づいて補正され、これにより前記
圧力検出用コンデンサに影響を及ぼす寄生容量をキャン
セルして、極めて正確なダイアフラムの変位量を求める
ことができる。そして、この変位量からダイアフラムに
加わる圧力が正確に算出される。前記固定コンデンサは
前記圧力検出用コンデンサと実質的に同じ温度環境の下
に設置されている。よって、前記圧力検出用コンデンサ
に関して発生する寄生容量を前記固定コンデンサからの
信号によって表すことができる。したがって本方法を用
いて、圧力検出用コンデンサからの信号を固定コンデン
サからの信号を使って補正して、圧力検出用コンデンサ
からの信号に含まれるその寄生容量をキャンセルするこ
とができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による静電容量型
圧力検出装置（以下、単に圧力検出装置と呼ぶ）の実施
形態の概略構成を表したブロック図である。

【００２５】本実施形態の圧力検出装置は、圧カセンサ
１、検出部２、計数部３、演算・制御部４などを備えて
おり、圧力センサ１は複数のコンデンサ部Ｃ１〜Ｃｎ
（本明細書では、圧力センサ１において静電容量をもち
うる部分をコンデンサ部と呼ぶことにする）を有し、検
出部２は圧力センサ１のコンデンサ部Ｃ１〜Ｃｎからの
信号を切り換えるスイッチ部１１や、選択したコンデン
サ部の静電容量を周波数信号に変換する静電容量−周波
数変換部（単に変換部とも呼ぶ）１２などを有してい
る。計数部３は、検出部２の出カパルスをカウンタ回路
等によってディジタル値に変換し、演算・制御部４は、
計数部３による計数結果に基づいて圧力センサ１のダイ
アフラムの変位量を求め、求めた変位量に応じた出力、
あるいは求めた変位量に対応する圧力を表す信号を出力
する。なお、演算・制御部４は、計数部３による計数結
果に基づいて、求めた圧力値の補正やスイッチ部１１の
制御をも行う。

【００２６】図２は、圧力センサ１の構造を示す断面図
である。この圧力センサ１は、例えば図６に示すような
圧力検出器１０１において、圧力センサ１００の代わり
に用いられる。

【００２７】図２に示すように、この圧力センサ１は、
シリコン基板２０と、シリコン基板２０を両側から挟ん
で固定する絶縁基板２１ａ及び２１ｂとを備えている。
シリコン基板２０の中央部には、シリコン基板２０の両
面からプラズマエッチング等を施すことによってダイア
フラム２２が形成されている。このダイアフラム２２
は、周囲のシリコン基板２０よりも若干薄く平坦に作成
された平坦部２３と、平坦部２３の周囲にさらに薄く円
環状に形成された肉薄部２４とにより構成される。

【００２８】導電性基板としてのシリコン基板２０は、
適当な電気伝導度（例えば、約０.１Ωｃｍ）をもち、
〔１００〕面を結晶面方位とするｐ型のシリコンウェハ
である。このようなシリコン基板２０に、空隙２５ａ及
び２５ｂに相当する円形の凹みと、その外側のリング状
の肉薄部２４を形成するためのリング溝とが、両面に２
回以上のプラズマエッチングを施すことによって形成さ
れている。リング状の肉薄部２４の内側は平坦部２３と
なっており、この平坦部２３と肉薄部２４とによって圧
力差により変位するダイアフラム２２が構成される。こ
のとき、ダイアフラム２２の平坦部２３が圧力センサ１
の可動電極となる。なお、シリコン基板２０及び肉薄部
２３の厚さは測定対象となる圧力あるいは圧力差の大き
さによって決定される。

【００２９】絶縁基板２１ａ及び２１ｂは、ムライト−
コージェライト系のセラミックのような絶縁部材ででき
ており、静電接合等によってシリコン基板２０の周辺部
分と気密に接合されている。絶縁基板２１ａ及び２１ｂ
としてムライト−コージェライト系のセラミックを使用
しているのは、シリコンの熱膨張係数に極めて近い熱膨
張係数をもち、しかも剛性の高いセラミックを得ること
ができるからである。

【００３０】絶縁基板２１ａ及び２１ｂには、それぞれ
の固定電極２６ａ及び２６ｂ、並びに電極２７ａ及び２
７ｂが、クロム、白金、金の３層のマスクスパッタリン
グによって形成されており、圧力が導入されるそれぞれ
の導圧口２８ａ及び２８ｂの内壁を通して固定電極が電
極に接続されている。なお、図示していないが、絶縁基
板２１ａ及び２１ｂのそれぞれの静電接合面には、厚さ
１．６μｍのパイレックスガラスのスパッタ膜が形成さ
れており、このパイレックスガラス膜によって静電接合
が可能となる。

【００３１】上述のような構造により、シリコン基板２
０の可動電極である平坦部２３と２つの固定電極２６ａ
及び２６ｂとで、変位により静電容量値が変化する１対
のコンデンサＣ１及びＣ２（これらの静電容量もＣ１、
Ｃ２と表す）が形成される。

【００３２】圧力センサ１の内部の空隙２５ａと２５ｂ
および導圧口２８ａと２８ｂは、シリコンオイル等の圧
力伝達媒体（非圧縮性流体）で満たされており、導圧口
２８ａ及び２８ｂからそれぞれ圧力Ｐ１およびＰ２が圧
力伝達媒体を介してダイアフラム２２に伝達され、圧力
Ｐ１とＰ２の差によって生じるダイアフラムの変位がコ
ンデンサ部Ｃ１およびＣ２の静電容量値として検出され
る。

【００３３】絶縁基板２１ａの下面には、導圧口２８ａ
に導通する状態に位置決めされて、中央に貫通孔を有す
るムライト−コージェライト系のセラミックからなる絶
縁部材２９が、金−錫共晶半田によって接合されてい
る。この絶縁部材２９の上下面には、半田付けのための
クロム、白金、金の３層のスバッタ膜が形成されてい
る。絶縁部材２９の下面には、同様に、導圧口２８ａに
導通する状態に位置決めされて、中央に貫通孔を有する
ステンレスからなる基台３０が、金−錫共晶半田によっ
て接合されている。この基台８の半田付け部にも、クロ
ム、白金、金の３層のスパッタ膜が形成されている。こ
のようにして、圧力センサ１は圧力伝達媒体の中で、導
圧口２８ａ側で絶縁部材２９と基台３０を介して例えば
図６に示したような圧力検出器１０１の中に固定されて
いる。

【００３４】絶縁基板２１ｂには、シリコン基板２０と
の接合部の片隅に貫通孔３１が形成されており、両基板
を接合した後、電極３２がアルミのマスクスパッタリン
グによって形成されている。この電極３２はシリコン基
板２０からの引出し電極となっている。更に、シリコン
基板２０との接合面ではない側の表面で、シリンコ基板
２０と接合されている領域に対応する領域内に、ベアチ
ップを用いた検出回路４０が配置されており、この検出
回路４０には、電極２８ａ、２８ｂ及び電極３２からア
ルミ線による配線が接続されている。検出回路４０が配
置されている領域は、圧カセンサ１００の中で最も剛牲
の高い領域であり、しかも、コンデンサＣ１及びＣ２に
近く、配線による浮遊容量が少なくて済む領域である。

【００３５】ダイアフラムの両面にかかる圧力Ｐ１と圧
力Ｐ２との差によって肉薄部２４が変形し、平坦部２３
が電極２６ａ及び２６ｂに垂直に変位し、可動電極であ
る平坦部２３と固定電極２６ａとの間の静電容量値Ｃ１
と、平坦部２３と固定電極２６ｂとの問の静電容量値Ｃ
２とが相対的に変化し、その値を測定することによって
Ｐ１とＰ２との差が検出される。この圧カセンサにおい
て、一方の圧力を大気圧にすればゲージ圧センサとな
り、一方を真空にすれば絶対圧センサとなる。なお、検
出回路４０は、固定コンデンサＣｃを含む図１の検出部
２の一部あるいは全ての回路に相当し、単一のＩＣで作
成され圧力センサ１の上部に設置されている。

【００３６】圧力の測定において、この圧力センサ１の
ダイアフラム２２には圧力Ｐ１とＰ２が両側（上下）か
ら加わる。圧力Ｐ１とＰ２の大きさは任意であるが、こ
こではＰ２＞Ｐ１である場合を例にとって説明する。

【００３７】ダイアフラム２２の両側から圧力Ｐ１とＰ
２（Ｐ２＞Ｐ１）が加わると、その差圧に応じてダイア
フラム２２は矢印の方向に変位する。その変位量は、コ
ンデンサ部Ｃ１とＣ２の静電容量を検出部２及び計数部
３によって検出し、演算・制御部４で下記（２）式の如
き演算を行うことにより求められる（ここではコンデン
サ部Ｃ１とＣ２の静電容量もＣ１とＣ２で表すことにす
る）。 ［Ｃ１−Ｃ２−（Ｃｓ１−Ｃｓ２）〕／［Ｃ１＋Ｃ２−（Ｃｓ１＋Ｃｓ２）〕 ＝ △ｄ１／ｄ１ ・・・（２） △ｄ１：ダイアフラム２２の変位量 ｄ１：ダイアフラム２２と固定電極２６ａ又は２６ｂと
の間隔（本実施形態ではどちらの間隔もともにｄ１とす
る） Ｃｓ１：静電容量Ｃ１の寄生容量 Ｃｓ２：静電容量Ｃ２の寄生容量 ここで、圧力センサ１の使用温度範囲にわたって固定コ
ンデンサＣｃの検出信号Ｔｒｅｆが下記の（３）と
（４）式を満たすように、係数ＡとＢおよび検出信号Ｔ
ｒｅｆの関数が予め設定されている。 （Ｃｓ１−Ｃｓ２）＝ Ａ×ｆ（Ｔｒｅｆ） ・・・（３） （Ｃｓ１＋Ｃｓ２）＝ Ｂ×ｆ（Ｔｒｅｆ） ・・・（４） ｆ（Ｔｒｅｆ）：固定コンデンサＣｃに応じた出力信号
の関数 Ａ、Ｂ：係数 よって、上記式（３）と（４）を式（２）に代入し、静
電容量Ｃ１及びＣ２に応じた出力信号Ｔ１及びＴ２を用
いれば次式（５）が得られ、この式（５）を使って演算
・制御部４は、寄生容量およびその温度変化を考慮した
上で正確にダイアフラム２２の変位量を求める。 （Ｔ１−Ｔ２−Ａ×ｆ（Ｔｒｅｆ））／（Ｔ１＋Ｔ２−Ｂ×ｆ（Ｔｒｅｆ）） ＝△ｄ１／ｄ１ ・・・（５） Ｔ１：静電容量Ｃ１に応じた出力信号 Ｔ２：静電容量Ｃ２に応じた出力信号 図３は、本実施形態の圧力検出装置の具体的構成を表し
た図である。この図に示すように、圧力センサ１はコン
デンサ部Ｃ１とＣ２を含んでおり、静電容量−周波数変
換を行う検出部２は、定電流回路部１０と、スイッチ部
１１と、カレントミラー回路１３と、コンパレータ部１
４と、モノマルチ部１５と、固定コンデンサＣｃによっ
て構成される。以下に各部の動作について説明する。

【００３８】スイッチ部１１はコンデンサ部Ｃ１とＣ２
及び固定コンデンサＣｃの切換えを行うべく、例えばＭ
ＯＳ型のトランジスタによるスイッチ５１、５２、５
３、及びスイッチ選択回路５４により構成される。

【００３９】定電流回路部１０は、基準電圧発生回路５
５、オペアンプ５６、電界効果トランジスタ５７、抵抗
５８（この抵抗値をＲ５８とする）により構成され、基
準電圧発生回路５５による設定電圧Ｖｒｅｆと、抵抗５
８を流れる電流ＩＬにより生じる電圧（Ａ）とが等しく
なるようにオペアンプ５６が電界効果トランジスタ５７
を制御する。従って電流ＩＬはＶｒｅｆ／Ｒ５８とな
る。

【００４０】カレントミラー回路１３は、定電流回路部
１２による発生電流ＩＬと等しい電流Ｉｃを出力するも
ので、ＭＯＳトランジスタにより構成される。カレント
ミラー回路１３の出力電流Ｉｃによってスイッチ部１１
が選択したコンデンサ部に充電を行うと、充電電圧
（Ｂ）が上昇する。この充電電圧（Ｂ）がコンパレータ
部１４の基準電圧発生回路５９の設定電圧Ｖｔｈに達す
ると、コンパレータ６０は“Ｌ"レベルから“Ｈ"レベル
へとターンオンする。

【００４１】例えば、コンデンサ部Ｃ１に充電を行なっ
た場合の充電時間ｔｃ１は次の式（６）のようになる。 ｔｃ１＝Ｃ１×Ｖｔｈ／Ｉｃ ＝Ｃ１×Ｒ５８×Ｖｔｈ／Ｖｒｅｆ ・・・（６） ここで、仮にＶｔｈ＝２×Ｖｒｅｆとすると、ｔｃ１は
次式（７）に示すように静電容量Ｃ１と抵抗Ｒ５８のみ
の関数となる。 ｔｃ１＝２×Ｃ１×Ｒ５８ ・・・（７） モノマルチ部１５は、コンパレータ部１４の出力が
“Ｈ"レベルになった瞬間から、リセット時間ｔｒ後に
“Ｌ"レベルとなる信号を出力し、その信号によりトラ
ンジスタによるスイッチ６１を“ＯＮ"する。これによ
り、コンデンサ部Ｃ１の電荷が放電するので電圧（Ｂ）
は“Ｌ"レベルに達し、再びコンデンサ部Ｃ１は電流Ｉ
ｃにより充電される。このような充放電動作を繰り返す
ことにより、検出部２からはコンデンサ部Ｃ１の静電容
量に比例した周期ｔ１をもつパルス信号（周波数信号）
が出力される。このパルス信号の周期ｔ１は次式（８）
で表される。 ｔ１＝ｔｃ１＋ｔｒ＝２×Ｃ１×Ｒ５８＋ｔｒ ・・・（８） このときの、充電時間ｔｃ１とリセット時間ｔｒと周期
ｔ１との関係を図４に示す。なお、リセット時間ｔｒは
数１００ｎｓｅｃ程度であるので、信号変換における直
線性及び分解能への影響はほとんどない。

【００４２】同様にして、コンデンサ部Ｃ２及び固定コ
ンデンサＣｃに比例した周波数信号も求められ、これら
は下記（９）、（１０）式でそれぞれ表わされる。な
お、ｔ２およびｔｒｅｆは、それぞれコンデンサ部Ｃ２
および固定コンデンサＣｃを選択した場合に出力される
パルス信号の周期を表している。 ｔ２＝ｔｃ２＋ｔｒ＝２×Ｃ２×Ｒ５８＋ｔｒ ・・・（９） ｔｒｅｆ＝ｔｃｒｅｆ＋ｔｒ＝２×Ｃｃ×Ｒ５８＋ｔｒ ・・（１０） 上記のようにして求められた周波数信号のパルス数は計
数部３によって計数され、その計数結果（パルス間隔
Ｔ、すなわちｔｃに比例した信号）は下記（１１）、
（１２）、（１３）式となる。 Ｔ１＝ｎ×ｔｃ１×ｆｃｌｋ ・・・（１１） Ｔ２＝ｎ×ｔｃ２×ｆｃｌｋ ・・・（１２） Ｔｒｅｆ＝ｎ×ｔｒｅｆＸｆｃｌｋ ・・・（１３） ｎ：係数 ｆｃｌｋ：計数クロック周波数 この計数結果をもとに演算・制御部４は、前述の式
（２）から（５）に基づいて出力補正演算を行い、寄生
容量の影響とその温度変化の影響が取り除かれた、静電
容量型センサのダイアフラム変位に比例した信号を出力
する。

【００４３】但し、この方式の場合は、静電容量Ｃ１、
Ｃ２に比例した出力信号Ｔ１、Ｔ２の温度依存性を小さ
くするために抵抗（Ｒ）５８の温度係数を小さくする
と、固定コンデンサＣｃの温度係数は抵抗に比べて−般
的に小さいので、固定コンデンサＣｃに比例した信号Ｔ
ｒｅｆの温度感度が小さくなる。この点を改良した例を
第２実施形態として以下に示す。

【００４４】図５は、本発明による圧力検出装置の第２
実施形態を示す構成図である。なお、第１実施形態の構
成要素と同じ要素には同じ参照番号を付けその具体的説
明は省略する。

【００４５】第２実施形態の圧力検出装置では、検出部
２の定電流回路部１０が電流ＩＬを設定するための抵抗
を２つ（２つ以上でもよい）内臓し、この２つの抵抗を
スイッチで切換えられるようにしたものであり、その他
の構成及び動作は第１の実施例と同様である。すなわ
ち、この圧力検出装置の検出部２は、抵抗７０および７
１を備えており、スイッチ部１１のスイッチ選択回路５
４'はスイッチ７２および７３を用いて抵抗７０と抵抗
７１を切り換える。ここで、スイッチ選択回路５４'が
スイッチ５１あるいはスイッチ５２をオンとしてコンデ
ンサ部Ｃ１やＣ２を選択した場合は、スイッチ７２がオ
ンとなって抵抗７０が選択される。また、スイッチ選択
回路５４'がスイッチ５３をオンとして固定コンデンサ
部Ｃｃを選択した場合は、スイッチ７３がオンとなって
抵抗７１が選択される。

【００４６】抵抗７０には圧力検出用のコンデンサ部
（Ｃ１とＣ２）の静電容量に関する温度係数を打ち消す
ような温度係数が与えられており、抵抗７１にはほぼ零
の温度係数が与えられている。したがって、スイッチ選
択回路５４'によってコンデンサ部Ｃ１およびＣ２と抵
抗７０が組み合せられた場合、出力信号に対する温度変
化の影響は極めて小さく抑えられる。また固定コンデン
サＣｃと抵抗７１が組み合せられた場合、出力信号には
固定コンデンサの温度変化の影響が大きく現われること
となる。言い換えれば、検出部２の出力周波数は、圧力
センサ１に加えられる圧力による静電容量の変化に対し
ては温度依存性がほぼ零で、温度検出における静電容量
（固定コンデンサＣｃの静電容量）の変化に対しては温
度依存性が大きくなるので、寄生容量の温度補正精度の
向上が可能となる。

【００４７】温度係数に関する、定電流回路１０の２つ
の抵抗７０と７１、コンデンサ部Ｃ１とＣ２及び固定コ
ンデンサＣｃの関係は以下の通りである。 コンデンサ部Ｃ１ − 抵抗７０（静電容量Ｃ１の温度
依存性を打ち消す温度係数をもつ） コンデンサ部Ｃ２ − 抵抗７０（静電容量Ｃ２の温度
依存性を打ち消す温度係数をもつ） 固定コンデンサＣｃ − 抵抗７１（静電容量Ｃｃの温
度依存性に比べて大きな温度依存性をもつ） なお、以上では２つのコンデンサ部を一体化したものに
ついて説明したが、圧力検出用のコンデンサ部は１つで
も３つ以上あってもよい。また、コンデンサ部Ｃ１とＣ
２に対して上記のように１つの抵抗７０を組み合せるの
ではなく、それぞれに対して別の抵抗を組み合せてもよ
い。

【００４８】

【発明の効果】この発明によれば、固定コンデンサ（補
正用コンデンサ）から得られる信号を用いて、センサの
コンデンサ部（ダイアフラムとその対向電極で構成され
るコンデンサ）に関する寄生容量を、温度等による寄生
容量の変化を考慮した上でとり除くことができるので、
簡単な構成の装置で広い温度範囲にわたって正確に圧力
を測定することができる。また、コンデンサ部からの検
出信号と固定コンデンサからの信号を切り換えて、どち
らか一方を選択するスイッチを有えているので、装置は
さらに小型化される。更に、各コンデンサからの信号
は、各コンデンサの静電容量に応じた周期をもつパルス
信号に置き換えられるので、定電流回路部で使用される
トランジスタのスイッチのオン抵抗による検出信号への
影響がなくなり、より正確な圧力検出が可能となる。こ
れにより、低コストな装置による高精度な圧力測定が可
能となる。

【００４９】また、スイッチを使って、センサのコンデ
ンサ部と固定コンデンサに対して抵抗値の温度係数の異
なる少なくとも２つの抵抗が対応させて用いられる。こ
のばあい、コンデンサ部に対しては、コンデンサ部の静
電容量の温度変化を打ち消すような温度依存性をもつ抵
抗が対応づけられ、また固定コンデンサに対しては、そ
の静電容量の温度依存性よりも大きな温度依存性をもつ
抵抗値の抵抗が対応づけられる。これにより、検出部か
ら出力される検出信号（出力周波数）が圧力検出用コン
デンサ部の静電容量に対応する場合、その検出信号の温
度依存性はほぼ零となり、検出信号が補正用（温度検出
用）の固定コンデンサの静電容量に対応する場合、その
検出信号は固定コンデンサの静電容量の温度変化の影響
を強く受けることになる。よって、広い温度範囲にわた
り寄生容量の補正精度の向上が可能となり、より正確な
高精度な圧力測定が達成される。

【００５０】また、固定コンデンサは圧力センサに隣接
させて設置され、これにより両者は実質的に同一温度環
境下に置かれることになる。したがって、固定コンデン
サと圧カセンサ（特にそのコンデンサ部）の熱勾配の差
による補正誤差が生じることがないので、低コストな構
成で温度による寄生容量の影響を高精度にキャンセルす
ることができ、その結果高精度な圧力測定が可能とな
る。なお、前記静電容量−周波数変換部、あるいはその
なかの固定コンデンサを含む一部を一つのＩＣで形成し
てセンサと同一環境下に配置し、前記抵抗のうち少なく
とも一つを拡散抵抗で形成してもよく、これによってよ
り正確な温度補正をおこうことができ、高精度な圧力測
定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による静電容量型圧力検出装置の実施形
態の概略構成を表す図である。

【図２】実施形態の静電容量型圧力検出装置における圧
力センサの構成を示す図である。

【図３】実施形態の静電容量型圧力検出装置の具体的構
成を示す図である。

【図４】実施形態の静電容量型圧力検出装置における信
号の形態を表す図である。

【図５】実施形態の静電容量型圧力検出装置の第２の具
体的構成を示す図である。

【図６】従来の圧力センサの構成を示す図である。

【図７】従来の圧力検出装置の構成を示す図である。

【図８】コンデンサの寄生容量を取り除くための従来の
方法を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 圧力センサ ２ 検出部 ３ 計数部 ４ 演算・制御装部 １０ 定電流回路部 １１ スイッチ部 １２ 静電容量−周波数変換部 １３ カレントミラー回路 １４ コンパレータ部 １５ モノマルチ部１５ ２０ シリコン基板 ２１ａ、２１Ｂ 絶縁基板 ２２ ダイアフラム ２３ 平坦部 ２４ 肉薄部 ２５ａ、２５ｂ 空隙 ２６ａ、２６ｂ 固定電極 ２７ａ、２７ｂ 電極 ２８ａ、２８ｂ 導圧口 ２９ 絶縁部材 ３０ 基台 ３１ 貫通孔 ３２ 電極 ４０ 検出回路 ５１、５２、５３ スイッチ ５４、５４' スイッチ選択回路 ５５ 基準電圧発生回路 ５６ オペアンプ ５７ 電界効果トランジスタ ５８、７０、７１ 抵抗 ５９ 基準電圧発生回路 ６０ コンパレータ ６１、７０、７１ スイッチ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力に応じて変位するダイアフラムと固定
   電極とによって形成される圧力検出用コンデンサの静電
   容量値に基づいて該ダイアフラムの変位量を求め、求め
   た変位量によって該ダイアフラムに印加された圧力を検
   出する静電容量型圧力検出装置であって、 固定コンデンサと、 抵抗を介して該圧力検出用コンデンサおよび該固定コン
   デンサに定電流を供給する定電流供給手段と、 該定電流供給手段から該圧力検出用コンデンサへの電流
   供給に基づいて該抵抗の抵抗値と該圧力検出用コンデン
   サの静電容量に応じた検出信号を発生させ、また、該定
   電流供給手段から該固定コンデンサへの電流供給に基づ
   いて該抵抗の抵抗値と該固定コンデンサの静電容量に応
   じた補正信号を発生させる信号発生手段と、 該検出信号と該補正信号とに基づいて該ダイアフラムの
   変位量を検出する演算・制御手段と、 を備えた静電容量型圧力検出装置。
2. 【請求項２】 さらに、前記定電流供給手段からの前記
   圧力検出用コンデンサへの接続と前記固定コンデンサへ
   の接続とを切り換えるスイッチ手段を備えた、請求項１
   に記載の静電容量型圧力検出装置。
3. 【請求項３】 前記圧力検出用コンデンサは、前記ダイ
   アフラムの第１の面と該第１の面に対向する第１の固定
   電極とによって形成される第１のコンデンサと、前記ダ
   イアフラムの第２の面と該第２の面に対向する第２の固
   定電極とによって形成される第２のコンデンサとによっ
   て形成され、 前記スイッチ手段は、前記定電流供給手段からの該第１
   のコンデンサへの接続と、該第２のコンデンサへの接続
   と、前記固定コンデンサへの接続とを切り換える、請求
   項２に記載の静電容量型圧力検出装置。
4. 【請求項４】 前記定電流供給手段は基準電圧発生手段
   を備えており、 前記圧力検出用コンデンサおよび前記固定コンデンサに
   供給される電流の値は、該基準電圧発生手段が発生する
   電圧と前記抵抗とによって決定される、請求項１から３
   のいずれかに記載の静電容量型圧力検出装置。
5. 【請求項５】 前記定電流供給手段は基準電圧発生手段
   を備えており、前記抵抗は第１の抵抗と第２の抵抗とか
   らなり、 前記圧力検出用コンデンサに供給される電流の値は、該
   基準電圧発生手段が発生する電圧と該第１の抵抗とによ
   って決定され、前記固定コンデンサに供給される電流の
   値は、該基準電圧発生手段が発生する電圧と該第２の抵
   抗とによって決定される、請求項１から３のいずれかに
   記載の静電容量型圧力検出装置。
6. 【請求項６】 前記スイッチ手段は、前記定電流供給手
   段から前記圧力検出用コンデンサに電流を供給する場合
   前記第１の抵抗を選択し、前記定電流供給手段から前記
   固定コンデンサに電流を供給する場合前記第２の抵抗を
   選択する、請求項５に記載の静電容量型圧力検出装置。
7. 【請求項７】 前記第１の抵抗は、前記圧力検出用コン
   デンサの温度係数を打ち消すような温度係数をもってい
   る、請求項５または６に記載の静電容量型圧力検出装
   置。
8. 【請求項８】 前記第２の抵抗は、前記固定コンデンサ
   の温度係数よりも大きな温度係数をもっている、請求項
   ５または６に記載の静電容量型圧力検出装置。
9. 【請求項９】 前記演算・制御手段は、前記第１のコン
   デンサと前記第2のコンデンサと前記固定コンデンサの
   静電容量に応じた出力信号を用いて、下記（１）式の演
   算により前記ダイアフラムの変位量を求める、請求項３
   に記載の静電容量型圧力検出装置。 （Ｔ１−Ｔ２−Ａ×ｆ（Ｔｒｅｆ））／（Ｔ１＋Ｔ２−Ｂ×ｆ（Ｔｒｅｆ）） ＝ Δｄ１／ｄ１ ・・・（１） Ｔ１：前記第１のコンデンサの静電容量に応じた出力信
   号 Ｔ２：前記第２のコンデンサの静電容量に応じた出力信
   号 Ｔｒｅｆ：前記固定コンデンサの静電容量に応じた出力
   信号 ｆ：Ｔｒｅｆを変数とする所定の関数 Ａ、Ｂ：係数 Δｄ１：前記ダイアフラムの変位量 ｄ１：前記ダイアフラムの前記第１の面と前記第１の固
   定電極との間の距離または前記ダイアフラムの前記第２
   の面と前記第２の固定電極との間の距離
10. 【請求項１０】 前記固定コンデンサは前記圧力検出用
    コンデンサと実質的に同じ温度環境の下に設置されてい
    る、請求項１から９に記載の静電容量型圧力検出装置。
11. 【請求項１１】 前記検出信号は、前記圧力検出用コン
    デンサの静電容量に比例する周期をもつパルス信号とし
    て出力され、前記補正信号は、前記固定コンデンサの静
    電容量に比例する周期をもつパルス信号として出力され
    る、請求項１から１０のうちのいずれかに記載の静電容
    量型圧力検出装置。
12. 【請求項１２】 圧力に応じて変位するダイアフラムと
    固定電極とによって形成される圧力検出用コンデンサの
    静電容量値に基づいて該ダイアフラムの変位量を求め、
    求めた変位量によって該ダイアフラムに印加された圧力
    を検出する圧力検出方法であって、 該圧力検出用コンデンサと固定コンデンサに定電流を供
    給するステップと、 該圧力検出用コンデンサへの電流供給に基づいて所定の
    抵抗と該圧力検出用コンデンサの静電容量に応じた検出
    信号を発生させるステップと、 該固定コンデンサへの電流供給に基づいて該所定の抵抗
    と該固定コンデンサの静電容量に応じた補正信号を発生
    させるステップと、 該検出信号と該補正信号とに基づいて該ダイアフラムの
    変位量を検出するステップと、を含む圧力検出方法。