JP3448060B2 - 補償手段付き容量センサ - Google Patents
補償手段付き容量センサInfo
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2605—Measuring capacitance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
- G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
- G01D5/2417—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying separation
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
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Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は圧力センサに関する。特に本発明は、浮遊容
量の影響を低減する回路を備えた容量圧力センサに関す
る。
量の影響を低減する回路を備えた容量圧力センサに関す
る。
従来技術は、圧力感知のために偏向可能なダイアフラ
ムを備えた種々の固体圧力センサを開示している。それ
らの幾つかはバッチ処理で製造されることができる。固
体圧力センサを半導体材料などの比較的強固な材料で製
造することは望ましいことである。
ムを備えた種々の固体圧力センサを開示している。それ
らの幾つかはバッチ処理で製造されることができる。固
体圧力センサを半導体材料などの比較的強固な材料で製
造することは望ましいことである。
容量式圧力センサは２つのコンデンサ電極間の容量を
測定することによって圧力を測定する。圧力変化は容量
の変化として現れる。半導体で作られた圧力センサにお
いては、浮遊容量が容量測定に影響するので測定結果に
誤差を生じさせる。このような浮遊容量は、コンデンサ
の電極とコンデンサ電極として機能する近傍の半導体材
料との間に生ずる。
測定することによって圧力を測定する。圧力変化は容量
の変化として現れる。半導体で作られた圧力センサにお
いては、浮遊容量が容量測定に影響するので測定結果に
誤差を生じさせる。このような浮遊容量は、コンデンサ
の電極とコンデンサ電極として機能する近傍の半導体材
料との間に生ずる。
1986年９月16日に発行された米国特許第4612599号
「容量圧力センサ」には、シリコンで作られた圧力セン
サが開示されている。1989年１月３日に発行された「堅
固な取り付けのための応力分離を備えた圧力変換器」と
題する米国特許第4800758号には応力分離を備えたバッ
チ製造の圧力センサが開示されている。
「容量圧力センサ」には、シリコンで作られた圧力セン
サが開示されている。1989年１月３日に発行された「堅
固な取り付けのための応力分離を備えた圧力変換器」と
題する米国特許第4800758号には応力分離を備えたバッ
チ製造の圧力センサが開示されている。
発明の概要
本発明は、容量に基づく圧力センサに使用される回路
を提供する。この回路は、プロセス流体の圧力を決定す
るのに用いられる容量測定の際の浮遊容量の影響を低減
する。回路は、第１および第２のコンデンサ電極を有
し、両電極間の容量が被感知パラメータの関数として変
化する感知用可変コンデンサを含む。それぞれのコンデ
ンサ電極は、第１および第２コンデンサ電極の周りに配
置されたガード電極に対する浮遊容量を有する。基準の
電圧源が準備され、基準電圧に対して相対的に変化する
駆動電圧を、駆動回路が第１のコンデンサ電極に与え
る。基準電圧に接続された感知回路は、基準電圧と実質
的に等しい仮想的な基準電圧を発生する。第２のコンデ
ンサ電極に接続された電荷感知回路が、第２のコンデン
サ電極上の電荷を感知するので、電荷の移送が完了した
ときには、第２コンデンサ電極とガードとの間には電位
差は存在しなくなる。
を提供する。この回路は、プロセス流体の圧力を決定す
るのに用いられる容量測定の際の浮遊容量の影響を低減
する。回路は、第１および第２のコンデンサ電極を有
し、両電極間の容量が被感知パラメータの関数として変
化する感知用可変コンデンサを含む。それぞれのコンデ
ンサ電極は、第１および第２コンデンサ電極の周りに配
置されたガード電極に対する浮遊容量を有する。基準の
電圧源が準備され、基準電圧に対して相対的に変化する
駆動電圧を、駆動回路が第１のコンデンサ電極に与え
る。基準電圧に接続された感知回路は、基準電圧と実質
的に等しい仮想的な基準電圧を発生する。第２のコンデ
ンサ電極に接続された電荷感知回路が、第２のコンデン
サ電極上の電荷を感知するので、電荷の移送が完了した
ときには、第２コンデンサ電極とガードとの間には電位
差は存在しなくなる。
図面の簡単な説明
図１は本発明による懸架式ダイアフラム圧力センサの
一部破断斜視図である。
一部破断斜視図である。
図２は図１の２−２線に沿った断面図である。
図３は図１の３−３線に沿った断面図である。
図４は本発明にしたがった差圧センサの断面斜視図で
ある。
ある。
図５は本発明にしたがったダイアフラム対よりなるコ
ンデンサ装置の断面図である。
ンデンサ装置の断面図である。
図６はガードコンデンサ回路の概略図である。
図７は圧力測定に使用されるコンデンサ電極を示す差
圧センサの断面図である。
圧センサの断面図である。
図８は、本発明にしたがって、浮遊容量の影響を低減
する回路の概略図である。
する回路の概略図である。
好ましい実施例の詳細な説明
本発明の圧力センサ層はバッチ製造技術で作られる。
シリコンウエーファすなわちシリコン層が通常の方法で
エッチングされて所望の形状に整形され、さらに適当な
材質の他の層とサンドイッチ状に組合わされてセンサが
構成される。このようなセンサは、1993年９月20日に出
願され、本出願と同じ譲受人に譲渡された「懸架式ダイ
アフラム圧力センサ」と題する米国特許出願に開示され
ており、参照によって本明細書に統合される。
シリコンウエーファすなわちシリコン層が通常の方法で
エッチングされて所望の形状に整形され、さらに適当な
材質の他の層とサンドイッチ状に組合わされてセンサが
構成される。このようなセンサは、1993年９月20日に出
願され、本出願と同じ譲受人に譲渡された「懸架式ダイ
アフラム圧力センサ」と題する米国特許出願に開示され
ており、参照によって本明細書に統合される。
半導体材料を用いて圧力センサを製造するとしばしば
浮遊容量が発生し、圧力測定に誤差がもたらされる。こ
の浮遊容量は、半導体が半導電体の性質を有し、コンデ
ンサの電極として作用することによって生ずる。それ故
に、浮遊容量は圧力測定に用いられるコンデンサ電極と
その周囲の半導体（ガード電極）との間に発生する。
浮遊容量が発生し、圧力測定に誤差がもたらされる。こ
の浮遊容量は、半導体が半導電体の性質を有し、コンデ
ンサの電極として作用することによって生ずる。それ故
に、浮遊容量は圧力測定に用いられるコンデンサ電極と
その周囲の半導体（ガード電極）との間に発生する。
図１は懸架式ダイアフラム圧力センサ10の一部破断斜
視図である。懸架式ダイアフラム圧力センサ10は下部基
板12および上部基板14を有する。下部ダイアフラム基板
16は下部基板12に接合され、上部ダイアフラム基板18は
上部基板14に接合される。下部ダイアフラム基板16と上
部ダイアフラム基板18とは相互に一体に接合される。下
部ダイアフラム基板16は溝（チャネル）20および電気接
点22、24を有する。圧力導入口26は上部基板14を貫通し
て伸びている。上部ダイアフラム基板18は支持タブ30に
よって支持された上部ダイアフラム28を含む。
視図である。懸架式ダイアフラム圧力センサ10は下部基
板12および上部基板14を有する。下部ダイアフラム基板
16は下部基板12に接合され、上部ダイアフラム基板18は
上部基板14に接合される。下部ダイアフラム基板16と上
部ダイアフラム基板18とは相互に一体に接合される。下
部ダイアフラム基板16は溝（チャネル）20および電気接
点22、24を有する。圧力導入口26は上部基板14を貫通し
て伸びている。上部ダイアフラム基板18は支持タブ30に
よって支持された上部ダイアフラム28を含む。
図２は図１の２−２線に沿う懸架ダイアフラム式圧力
センサ10の断面図である。図３は図１の３−３線に沿う
懸架ダイアフラム式圧力センサ10の断面図である。図２
および３は、上部ダイアフラム28に結合された下部ダイ
アフラム32を示す。上部ダイアフラム28および下部ダイ
アフラム32はダイアフラム空所34を有するダイアフラム
組立体を構成し、通常このダイアフラム空所34は溝20を
介して供給される基準圧力を含む。上部ダイアフラム28
と下部ダイアフラム32はそれらのリムに沿って互いに接
合されている。上部ダイアフラム28と下部ダイアフラム
32とは、圧力導入口26に連通している内部圧力空所36内
に懸架されている。
センサ10の断面図である。図３は図１の３−３線に沿う
懸架ダイアフラム式圧力センサ10の断面図である。図２
および３は、上部ダイアフラム28に結合された下部ダイ
アフラム32を示す。上部ダイアフラム28および下部ダイ
アフラム32はダイアフラム空所34を有するダイアフラム
組立体を構成し、通常このダイアフラム空所34は溝20を
介して供給される基準圧力を含む。上部ダイアフラム28
と下部ダイアフラム32はそれらのリムに沿って互いに接
合されている。上部ダイアフラム28と下部ダイアフラム
32とは、圧力導入口26に連通している内部圧力空所36内
に懸架されている。
動作時には、懸架式ダイアフラム圧力センサはダイア
フラム空所34と内部圧力空所36との間の圧力差を感知す
るのに使用される。ダイアフラム空所34は圧力導入口26
を介して供給される圧力に応答し、内部圧力空所36内で
膨脹したり、収縮したりする。この結果、上部ダイアフ
ラム28と下部ダイアフラム32とがダイアフラム空所34の
内側に向かって湾曲するか、あるいは、ダイアフラム空
所34から外向きに偏向する。流体は、支持タブ30を通し
て延びる溝20を介してダイアフラム空所34に流れ込む
か、あるいはダイアフラム空所34から流出する。上部ダ
イアフラム28および下部ダイアフラム32の偏向（したが
って、印加された圧力）は電気接点22および24を用いて
検知される。これらの接点は上部および下部ダイアフラ
ム28、32に形成されたセンサに接続されている。
フラム空所34と内部圧力空所36との間の圧力差を感知す
るのに使用される。ダイアフラム空所34は圧力導入口26
を介して供給される圧力に応答し、内部圧力空所36内で
膨脹したり、収縮したりする。この結果、上部ダイアフ
ラム28と下部ダイアフラム32とがダイアフラム空所34の
内側に向かって湾曲するか、あるいは、ダイアフラム空
所34から外向きに偏向する。流体は、支持タブ30を通し
て延びる溝20を介してダイアフラム空所34に流れ込む
か、あるいはダイアフラム空所34から流出する。上部ダ
イアフラム28および下部ダイアフラム32の偏向（したが
って、印加された圧力）は電気接点22および24を用いて
検知される。これらの接点は上部および下部ダイアフラ
ム28、32に形成されたセンサに接続されている。
ある実施例においては、これらのセンサはコンデンサ
電極すなわちメタライズ層である。上部ダイアフラム28
は１つのコンデンサ電極を有し、下部ダイアフラム32も
別のコンデンサ電極を有する。圧力導入口26を介して供
給される圧力にしたがってこれら２つの電極が変位し、
両者間の静電容量が変化する。他の実施例においては、
ダイアフラム上に設けられ、ダイアフラム28および32と
の変形につれてその抵抗値が変化する歪み計に、前記電
気接点22および24が接続される。
電極すなわちメタライズ層である。上部ダイアフラム28
は１つのコンデンサ電極を有し、下部ダイアフラム32も
別のコンデンサ電極を有する。圧力導入口26を介して供
給される圧力にしたがってこれら２つの電極が変位し、
両者間の静電容量が変化する。他の実施例においては、
ダイアフラム上に設けられ、ダイアフラム28および32と
の変形につれてその抵抗値が変化する歪み計に、前記電
気接点22および24が接続される。
好ましい実施例においては、懸架ダイアフラム式圧力
センサ10は単結晶シリコンやサファイヤ材のような脆弱
材料で、バッチ処理工程で製造される。これらの材料は
非常に僅かなヒステリシス特性と良好な寸法上の安定性
を備えているので、精密性の改善に役立つ。さらにシリ
コン、セラミック、ガラスなどの物質は、既知の製造技
術を用いて容易にバッチ製造できる。
センサ10は単結晶シリコンやサファイヤ材のような脆弱
材料で、バッチ処理工程で製造される。これらの材料は
非常に僅かなヒステリシス特性と良好な寸法上の安定性
を備えているので、精密性の改善に役立つ。さらにシリ
コン、セラミック、ガラスなどの物質は、既知の製造技
術を用いて容易にバッチ製造できる。
図４は本発明にしたがって製造された懸架ダイアフラ
ム式差圧センサ40の断面斜視図である。センサ40は、図
１に示した懸架ダイアフラム式圧力センサ10と同様の、
ダイアフラム組立体の間に延在する溝20（図１）のよう
な溝（図４では、図示を省略している）を有する１対の
圧力センサを一体的に配置して形成される。
ム式差圧センサ40の断面斜視図である。センサ40は、図
１に示した懸架ダイアフラム式圧力センサ10と同様の、
ダイアフラム組立体の間に延在する溝20（図１）のよう
な溝（図４では、図示を省略している）を有する１対の
圧力センサを一体的に配置して形成される。
差圧センサ40は下部基板42、上部基板44、下部ダイア
フラム基板46、上部ダイアフラム基板48を含む。差圧は
圧力導入口50A、50Bを介して供給される。圧力導入口50
A、50Bはそれぞれダイアフラム組立体54A、54Bに連通さ
れる。ダイアフラム組立体54Aはダイアフラム空所62Aを
構成する上部ダイアフラム58Aおよび下部ダイアフラム6
0Aを含む。ダイアフラム空所62Aは、圧力導入口50Aに連
通される圧力導入空所64A内に保持される。ダイアフラ
ム組立体54Bの構造はダイアフラム組立体54Aのそれと類
似している。
フラム基板46、上部ダイアフラム基板48を含む。差圧は
圧力導入口50A、50Bを介して供給される。圧力導入口50
A、50Bはそれぞれダイアフラム組立体54A、54Bに連通さ
れる。ダイアフラム組立体54Aはダイアフラム空所62Aを
構成する上部ダイアフラム58Aおよび下部ダイアフラム6
0Aを含む。ダイアフラム空所62Aは、圧力導入口50Aに連
通される圧力導入空所64A内に保持される。ダイアフラ
ム組立体54Bの構造はダイアフラム組立体54Aのそれと類
似している。
差圧センサ40では、ダイアフラム空所62Aは図４では
図示されていないが、図１に示した溝20と類似である溝
を通してダイアフラム空所62Bに連通される。ダイアフ
ラム空所62Aおよび62Bを連通する溝は、ダイアフラム組
立体54Aおよび54Bを圧力導入空所64A、64B内にそれぞれ
支持するタブを介して延在している。ダイアフラム空所
62A、62Bは、ある封入量の比較的非圧縮性の流体で充満
されているから、１つの空所が供給圧力によって膨脹さ
れると他方の空所は収縮する。
図示されていないが、図１に示した溝20と類似である溝
を通してダイアフラム空所62Bに連通される。ダイアフ
ラム空所62Aおよび62Bを連通する溝は、ダイアフラム組
立体54Aおよび54Bを圧力導入空所64A、64B内にそれぞれ
支持するタブを介して延在している。ダイアフラム空所
62A、62Bは、ある封入量の比較的非圧縮性の流体で充満
されているから、１つの空所が供給圧力によって膨脹さ
れると他方の空所は収縮する。
本発明の懸架式ダイアフラムの偏向は、差圧であれ、
絶対圧であれ、印加される圧力に関係する。この偏向
（変形）を検知することによって圧力を決定することが
できる。この検知はどのような適当な手法でも測定でき
る。好ましい実施例では、ダイアフラムの変形は、各ダ
イアフラムの上にそれぞれ保持された２つのコンデンサ
電極間の容量の変化を測定することによって検知でき
る。
絶対圧であれ、印加される圧力に関係する。この偏向
（変形）を検知することによって圧力を決定することが
できる。この検知はどのような適当な手法でも測定でき
る。好ましい実施例では、ダイアフラムの変形は、各ダ
イアフラムの上にそれぞれ保持された２つのコンデンサ
電極間の容量の変化を測定することによって検知でき
る。
図５は、それぞれ上部コンデンサ電極114および下部
コンデンサ電極116を有する上部および下部ダイアフラ
ム110、112を含む懸架式ダイアフラム108の断面図であ
る。電極114、116が絶縁層118、120をそれぞれ介してダ
イアフラム110、112上に形成されている。ダイアフラム
110と112との間の領域が空所122を形成し、なるべくは
そこに油が充填される。
コンデンサ電極116を有する上部および下部ダイアフラ
ム110、112を含む懸架式ダイアフラム108の断面図であ
る。電極114、116が絶縁層118、120をそれぞれ介してダ
イアフラム110、112上に形成されている。ダイアフラム
110と112との間の領域が空所122を形成し、なるべくは
そこに油が充填される。
図５には、電極114と116との間の容量である静電容量
CAが示されている。容量CAの値は懸架式ダイアフラム10
8に加わる圧力に関係する。故に、この容量を測ること
によって圧力が決定できる。しかし、浮遊容量CS1、CS2
がこの測定の妨害になる。この容量は電極114とダイア
フラム110との間、ならびに電極116とダイアフラム112
との間の各容量に依存する。この容量は、絶縁層118、1
20が電極114、116をそれぞれダイアフラム110、112から
電気的に絶縁することによって発生する。それ故に、容
量CSの測定から浮遊容量を除去することが望ましい。
CAが示されている。容量CAの値は懸架式ダイアフラム10
8に加わる圧力に関係する。故に、この容量を測ること
によって圧力が決定できる。しかし、浮遊容量CS1、CS2
がこの測定の妨害になる。この容量は電極114とダイア
フラム110との間、ならびに電極116とダイアフラム112
との間の各容量に依存する。この容量は、絶縁層118、1
20が電極114、116をそれぞれダイアフラム110、112から
電気的に絶縁することによって発生する。それ故に、容
量CSの測定から浮遊容量を除去することが望ましい。
図６は、容量CAの測定に対する容量CS1、CS2の妨害を
除去するための回路124を示す。回路124はコンデンサCA
の被駆動側に接続された方形波ドライバ130を含む。コ
ンデンサCS1の１極（すなわち、基板110）が、CS2の１
極（すなわち、基板112）と同じように電気的接地に接
続される。コンデンサCAの感知側は演算増幅器132の負
入力に接続される。演算増幅器132は積分コンデンサ134
を介して負帰還接続される。演算増幅器132の非反転入
力は仮想接地を提供する。演算増幅器132の出力は容量
測定回路に与えられ、圧力の演算に用いられる。
除去するための回路124を示す。回路124はコンデンサCA
の被駆動側に接続された方形波ドライバ130を含む。コ
ンデンサCS1の１極（すなわち、基板110）が、CS2の１
極（すなわち、基板112）と同じように電気的接地に接
続される。コンデンサCAの感知側は演算増幅器132の負
入力に接続される。演算増幅器132は積分コンデンサ134
を介して負帰還接続される。演算増幅器132の非反転入
力は仮想接地を提供する。演算増幅器132の出力は容量
測定回路に与えられ、圧力の演算に用いられる。
回路124は基板110、112を感知電極116と「同電位」に
保持する。なぜならば、感知電極116が負帰還付き演算
増幅器132によって仮想接地に保持されるからである。
これにより、電極116に接続された回路によっては容量C
S2が測定されなくなるので、浮遊容量による圧力測定に
含まれる誤差が減少される。
保持する。なぜならば、感知電極116が負帰還付き演算
増幅器132によって仮想接地に保持されるからである。
これにより、電極116に接続された回路によっては容量C
S2が測定されなくなるので、浮遊容量による圧力測定に
含まれる誤差が減少される。
図７はダイアフラム組立体54A、54Bの断面図であり、
圧力測定に用いられるコンデンサ電極を示す。コンデン
サ電極は接点Ａ、Ｂ、ＣおよびＤにそれぞれ接続され
る。ダイアフラム組立体54A、54Bは電気接点Ｅに接続さ
れる。
圧力測定に用いられるコンデンサ電極を示す。コンデン
サ電極は接点Ａ、Ｂ、ＣおよびＤにそれぞれ接続され
る。ダイアフラム組立体54A、54Bは電気接点Ｅに接続さ
れる。
図８は浮遊容量の影響を低減するための、本発明によ
る回路の概略図である。回路140はコンデンサC1、C2を
含み、それらの容量はダイアフラム組立体54Aと54Bとの
間の差圧に応答して変化する。コンデンサC1に関連して
は浮遊容量CS11、CS12が存在し、コンデンサC2に関連し
ては浮遊容量CS21、CS22が存在する。これらのコンデン
サは周囲の半導体材料によって発生する。図８には、図
７にも示されている電極Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥが示さ
れる。電極ＡとＤとは相互に接続される。この接続は、
外部でされても良いし、圧力センサ40への電気接点の数
を減らすために圧力センサ上で直接されても良い。
る回路の概略図である。回路140はコンデンサC1、C2を
含み、それらの容量はダイアフラム組立体54Aと54Bとの
間の差圧に応答して変化する。コンデンサC1に関連して
は浮遊容量CS11、CS12が存在し、コンデンサC2に関連し
ては浮遊容量CS21、CS22が存在する。これらのコンデン
サは周囲の半導体材料によって発生する。図８には、図
７にも示されている電極Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥが示さ
れる。電極ＡとＤとは相互に接続される。この接続は、
外部でされても良いし、圧力センサ40への電気接点の数
を減らすために圧力センサ上で直接されても良い。
回路140はシュミットトリガ回路144に接続された演算
増幅器142を含む。演算増幅器142は積分コンデンサCIに
よる負帰還回路を有する。シュミットトリガ回路144の
出力はデジタル論理146に接続される。電源＋VR、−VR
はそれぞれ、スイッチSW6およびSW5を介して電極Ｅ、な
らびに電極Ａ、Ｄに接続される。電極ＢはスイッチSW1
を介して演算増幅器142に接続され、電極ＣはスイッチS
W4を介して演算増幅器142に接続される。電極Ｅは演算
増幅器142の非反転入力に接続され、電極ＢおよびＣは
それぞれスイッチSW2、SW3を介して電極Ｅに接続され
る。スイッチSW1〜SW6は、これらを制御するデジタル論
理146に接続される。
増幅器142を含む。演算増幅器142は積分コンデンサCIに
よる負帰還回路を有する。シュミットトリガ回路144の
出力はデジタル論理146に接続される。電源＋VR、−VR
はそれぞれ、スイッチSW6およびSW5を介して電極Ｅ、な
らびに電極Ａ、Ｄに接続される。電極ＢはスイッチSW1
を介して演算増幅器142に接続され、電極ＣはスイッチS
W4を介して演算増幅器142に接続される。電極Ｅは演算
増幅器142の非反転入力に接続され、電極ＢおよびＣは
それぞれスイッチSW2、SW3を介して電極Ｅに接続され
る。スイッチSW1〜SW6は、これらを制御するデジタル論
理146に接続される。
動作時には、センサ40によって感知された差圧に関連
するコンデンサC1とC2との容量差に応じた出力を、演算
増幅器142が発生する。このような容量測定技術は、
「電荷平衡式帰還測定回路」と題するフリック（Fric
k）等の米国特許第5083091号に記載されている。
するコンデンサC1とC2との容量差に応じた出力を、演算
増幅器142が発生する。このような容量測定技術は、
「電荷平衡式帰還測定回路」と題するフリック（Fric
k）等の米国特許第5083091号に記載されている。
演算増幅器142はコンデンサC1、C2上の感知電極を仮
想電位（ある実施例では、仮想接地電位）に保持する。
電荷が分配され終わると、電荷はCS11、CS12、CS21、ま
たはCS22から流れなくなり、これらの容量は測定に関与
しなくなる。回路は電源＋VR、−VRからCS11、CS22を駆
動しなければならない。
想電位（ある実施例では、仮想接地電位）に保持する。
電荷が分配され終わると、電荷はCS11、CS12、CS21、ま
たはCS22から流れなくなり、これらの容量は測定に関与
しなくなる。回路は電源＋VR、−VRからCS11、CS22を駆
動しなければならない。
充電電流は次式で表わされる。
Ｉ（充電）＝Ｆ（励起）×｛VR−（−VR）｝
×（CS11＋CS22）
この電流の典型的値は0.07maのオーダである（CS11、CS
22は200×10-12ファラッドのオーダである）。充電電流
は可能な最小電流4maよりも小さいから、上記の電流は
４−20maの電流ループに好適である。
22は200×10-12ファラッドのオーダである）。充電電流
は可能な最小電流4maよりも小さいから、上記の電流は
４−20maの電流ループに好適である。
電荷移送が完了して容量測定が行なわれるときには、
電極ＢおよびＣは電極Ｅと同電位に保持されている。以
上のことが、演算増幅器142で構成された積分器の出力
が、電荷の移送が完了したときにサンプリングされる理
由である。
電極ＢおよびＣは電極Ｅと同電位に保持されている。以
上のことが、演算増幅器142で構成された積分器の出力
が、電荷の移送が完了したときにサンプリングされる理
由である。
本発明は好ましい実施例に関して説明されたが、本発
明の精神および範囲から逸脱することなしに形式および
詳細において変更が可能であることは、当該技術の熟達
者には理解されるであろう。例えば、本発明は浮遊容量
が問題となるような他の形式のセンサやセンサ設計に利
用することができる。
明の精神および範囲から逸脱することなしに形式および
詳細において変更が可能であることは、当該技術の熟達
者には理解されるであろう。例えば、本発明は浮遊容量
が問題となるような他の形式のセンサやセンサ設計に利
用することができる。
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01D 5/24
G01L 9/12
Claims (7)
- 【請求項１】第１および第２のコンデンサ電極を有し、
両電極間の容量が被感知パラメータの関数として変化
し、かつ各コンデンサ電極が前記第１および第２のコン
デンサ電極の回りに配置されたガード電極に関して浮遊
容量を持つような感知用可変コンデンサと、 基準電位源と、 基準電位に対して交互に変化する駆動電位を、第１のコ
ンデンサ電極に供給する駆動回路と、 基準電位に接続され、該基準電位に実質的に等しい仮想
基準電位を発生する感知手段と、 第２のコンデンサ電極を基準電位および仮想基準電位に
交互に接続し、第２コンデンサ電極と基準電位を有する
ガード電極との間に実質的な電位差が存在しないように
する、第２のコンデンサ電極に接続された切り替え回路
とを具備した感知回路。 - 【請求項２】ガード電極が半導体材料で構成された請求
項１記載の感知回路。 - 【請求項３】仮想基準電位は、積分コンデンサを介する
負帰還回路を有する演算増幅器により発生される請求項
１記載の感知回路。 - 【請求項４】感知されるパラメータは圧力である請求項
１記載の感知回路。 - 【請求項５】被駆動電極および感知電極を有し、両電極
間の容量が圧力の関数として変化する感知用コンデンサ
と、 感知電極および浮遊容量電極間の浮遊容量と、 浮遊容量電極に接続された基準電位と、 基準電位と感知コンデンサとに接続され、該基準電位に
実質上等しい仮想基準電位を発生し、その出力が感知コ
ンデンサの容量に関係する仮想基準回路と、 感知電極が浮遊容量電極と実質上等しい電位に保持され
るように、感知電極と前記仮想基準回路との間に接続さ
れた切り替え回路を制御することにより、浮遊容量が感
知された容量の測定から実質上除去されるようにする切
り替え制御回路と、 感知された電荷に基づいて測定された圧力出力を与える
出力回路とを具備し、 測定出力を圧力の関数として提供する圧力測定回路。 - 【請求項６】浮遊容量電極が半導体材料で作られた請求
項５記載の圧力測定回路。 - 【請求項７】仮想基準電位は、積分コンデンサを介する
負帰還回路を具備した演算増幅器により発生される請求
項５記載の圧力測定回路。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/126,364 US5424650A (en) | 1993-09-24 | 1993-09-24 | Capacitive pressure sensor having circuitry for eliminating stray capacitance |
| US08/126,364 | 1993-09-24 | ||
| PCT/US1994/009295 WO1995008752A2 (en) | 1993-09-24 | 1994-08-15 | Screened capacitive sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09503294A JPH09503294A (ja) | 1997-03-31 |
| JP3448060B2 true JP3448060B2 (ja) | 2003-09-16 |
Family
ID=22424428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50975695A Expired - Fee Related JP3448060B2 (ja) | 1993-09-24 | 1994-08-15 | 補償手段付き容量センサ |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5424650A (ja) |
| EP (1) | EP0740777B1 (ja) |
| JP (1) | JP3448060B2 (ja) |
| CN (1) | CN1131983A (ja) |
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| DE (1) | DE69423004T2 (ja) |
| RU (1) | RU2144680C1 (ja) |
| SG (1) | SG67884A1 (ja) |
| WO (1) | WO1995008752A2 (ja) |
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