JP4120855B2 - 圧力センサ - Google Patents
圧力センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP4120855B2 JP4120855B2 JP2001111067A JP2001111067A JP4120855B2 JP 4120855 B2 JP4120855 B2 JP 4120855B2 JP 2001111067 A JP2001111067 A JP 2001111067A JP 2001111067 A JP2001111067 A JP 2001111067A JP 4120855 B2 JP4120855 B2 JP 4120855B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure sensor
- output
- piezo
- signal
- accuracy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、応答速度が速く、かつ高精度、高安定な圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
超高精度、高安定性を実現した圧力センサとしては、レゾナント圧力センサが代表的である。図7乃至図9により、レゾナント圧力センサの概要を説明する。図7は物理的な構造の概念図であり、単結晶シリコン基板上に、やはり単結晶シリコンでミクロサイズのH形の梁が半導体マイクロマシニング技術で真空のシェルの内部に形成されている。
【0003】
シリコン基板は、中央部が薄板のダイアフラム構造となっており、このシリコンダイアフラムに圧力が加わると表面に応力が発生し梁の張力が変化し、H形梁の固有振動数が変化する。
【0004】
図8により励振原理を説明する。永久磁石を振動子に近接して配置し振動子の梁と直行する方向に磁界を作り、H形梁の一方に励振電流iを加えて電磁力により固有振動数にて振動するように制御する。固有振動数Frは、両端の張力以外は半永久的に変化しない梁の機械的特性(梁の形状および機械的物性値)のみに依存するので、安定した特性が得られる。
【0005】
図9は、信号処理の概念図である。レゾナント圧力センサ1で検出した周波数信号Fr並びに温度センサ2による周波数出力信号Ftの変化は、高精度のカウンター手段3並びに4を介してCPU手段5に取り込まれ、圧力補正信号演算手段6により、リニアリティ、温度特性等に対し高次の補正が実行され、精度±0. 01%FS程度の極めて高精度なパルス幅信号Prが得られる。この信号は更に平滑回路7でアナログ出力Pwに変換される。
【0006】
CPU手段5におけるサンプリング周期は、50ms〜250ms程度であり、CPU手段によって処理をされるため、サンプリング時に無駄時間が発生する。
また、高精度な出力を得るためにダンピング処理(出力に1次遅れのフィルター挿入)が必要で有り、下記のような演算式による出力となる。
Y=[{exp(−LS)}/(1+TS)]・X
X:入力、Y:出力、L:無駄時間、T:時定数
高性能を生かすためには、応答速度は数秒程度必要である。
【0007】
一方、汎用精度であるが、1〜5ms程度の高速な応答性が得られる圧力センサとしては、汎用ピエゾ圧力センサが代表的である。汎用ピエゾ型圧力センサは、ブリッジ接続したピエゾ素子による抵抗変化信号をアナログ増幅回路で増幅し出力する圧力センサである。
【0008】
図10及び図11により、ピエゾ圧力センサ8の概要を説明する。図10は物理的な構造の概念図であり、単結晶シリコン基板の上にピエゾ抵抗が形成されている。図7のレゾナント圧力センサと同様に薄板のダイアフラム部は圧力が加わると表面に応力が発生し、ピエゾ効果により抵抗が変化する。
【0009】
図11は信号処理の概念図である。ピエゾ効果による抵抗変化信号Piは、オペアンプA1、A2よりなるアナログ増幅回路9にて増幅、スパン調節、ゼロ点調節、温度補償等の信号処理が実行され、出力信号Pfに変換される。
【0010】
このアナログ増幅回路9による信号処理では、図9のようなCPU手段が介在しないため、1〜5ms程度の高速な応答速度が得られる反面、センサの圧力信号や温度特性のノンリニアの補正が出来ないので、レゾナント圧力センサに比較して精度が低く。また、ピエゾ素子は化学汚染に敏感で周囲に有るイオンによって経年誤差はレゾナント圧力センサに比較して大きい。
【0011】
図12は、レゾナント圧力センサと汎用ピエゾ圧力センサとを、精度、温度特性、経年変化、応答速度の各項目で比較した比較データであり、レゾナント圧力センサは精度、温度特性、経年変化特性で優れ、ピエゾ圧力センは応答速度特性で優れていることが分る。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、レゾナント圧力ンサは、超高精度、超高安定(経年変化、温度変化)出力は得られるが、高速な応答性は得られない。そのため従来は、プロセスオートメーションなどの圧力変化が小さいプロセスの測定、あるいは圧力基準器などのスタティックな圧力の測定に用途が限定される。
従って、近年需要が増加している、高精度、高速応答が要求される半導体ステッパー用エアダンパー用圧力センサ等には利用できない。
【0013】
一方、汎用ピエゾ圧力センサは、高速応答性と比較的小さい出力揺動で高速、小不感帯の測定が可能な反面、リニア誤差、温度誤差、経年変化、温度ヒステリシスなど誤差が大きく、圧力真値を高精度、高安定に出力することはできない。
【0014】
本発明は、汎用ピエゾ圧力センサに代表される高速の圧力センサ出力と、レゾナント圧力センサに代表される高精度、高安定の圧力センサの出力を有機的に合成し、高速応答かつ高精度、高安定な圧力センサを実現することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載発明の特徴は、汎用精度を有する応答速度の速い第1圧力センサ手段と、この第1圧力センサ手段より精度並びに安定度は高いが前記第1圧力センサ手段の応答に対して所定の時間遅れ特性を持つ第2圧力センサ手段と、前記第1圧力センサ手段の出力に対して所定の時間遅れ演算を実行した出力と、前記第2圧力センサ手段の出力との差を演算して前記精度の誤差を出力する差分演算手段と、前記第1圧力センサ出力に、前記差分演算手段の出力を加算して圧力信号を発信する加算手段と、を備えた点にある。
【0018】
請求項2記載発明の特徴は、前記第1圧力センサ手段として、ピエゾ圧力センサを用いる点にある。
【0022】
請求項3記載発明の特徴は、前記第2圧力センサ手段として、レゾナント圧力センサを用いる点にある。
【0026】
請求項4記載発明の特徴は、前記レゾナント圧力センサ上に前記ピエゾ圧力センサを形成したハイブリッド圧力センサを、前記1圧力センサ手段及び前記第2圧力センサ手段として用いる点にある。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下本発明実施態様を、図面を用いて説明する。図1は本発明を適用した圧力センサの実施例を示すブロック線図であり、図9、図11で説明した構成要素と同一要素には同一符号を付して示す。
【0033】
レゾナント圧力センサ1より得られる高精度信号は、CPU手段5内において、圧力補正信号演算手段6により高次のリニア補正、温度補正、静圧補正が実行され、サンプリング間隔ごとにパラメータPrとして保持される。
この信号Prは、残りのわずかな誤差を無視すると変動中の実圧力値、Pに対して、
Pr=[{exp(−LS)}/(1+TS)]・Pとなる。
L:無駄時間、T:時定数
【0034】
汎用ピエゾ圧力センサ8から、アナログ増幅回路9を介して得られる信号Pfは、汎用精度のアナログ信号である。この信号には、誤差要因として温度誤差、経年変化などの誤差出力が含まれる。ピエゾ型の応答速度が十分高速であり、過渡特性が無いものとして、実圧力値P、誤差出力をPeとすると、
Pf=P+Pe
となる。
【0035】
11は、汎用ピエゾ圧力センサ出力Pfを周波数変換するV/F変換手段であり、その周波数出力はカウンター手段11を介してCPU5手段5に取り込まれ、時間遅れ出力演算手段12に入力され、レゾナント圧力センサ出力の演算と同期したタイミングで同様の時間遅れおよびダンピング処理される。
【0036】
時間遅れ出力演算手段12の出力信号Pdは、誤差出力を含んでいるので、
Pd=[{exp(−LS)}/(1+TS)]・[P+Pe]となる。
【0037】
13は差分演算手段であり、圧力補正信号演算手段6の出力Prと時間遅れ出力演算手段12の出力Pdの差を演算し、パルス幅信号を出力する。このパルス幅信号は、平滑回路7でアナログ信号Pwに変換される。
【0038】
14はアナログ加算器であり、汎用ピエゾ圧力センサ8から、アナログ増幅回路9を介して得られる信号Pfと平滑回路7のアナログ信号Pwを加算して最終出力信号Poを発信する。Poは、上記式から、
Po=(Pr−Pd)+Pf
=P−《[{exp(−LS)}/(1+TS)]−1》・Pe
となる。
【0039】
前記の式でスタティックな状態では、
[{exp(−LS)}/(1+TS)]=1
となるので、Po=Pとなる。過渡現象がある期間は、Peの誤差が有るが、徐々に誤差は小さくなる。
【0040】
図2は、時刻t0における実圧力Pのステップ変化に対するPf、Pr、Poのステップ応答を示す。汎用ピエゾ圧力センサ出力Pfは時間遅れなく追従するが、誤差Peを含む。レゾナント圧力センサ出力Prは、t2までのむだ時間の後1次遅れ特性で追従する。
【0041】
最終出力信号Poは、レゾナント圧力センサのむだ時間の間、最大誤差としてPeを含むが、レゾナント圧力センサの応答がはじまると徐々に出力精度は上がる。なお、Peの誤差は、通常のピエゾセンサの誤差に比較して応答の遅い温度変化や経年変化分の誤差はキャンセルされるので小さくなる。
【0042】
図3は本発明の他の実施態様を示すブロック線図である。この実施例の特徴は、図1においてCPU手段5内で実行されていた、汎用ピエゾ圧力センサ出力に対する時間遅れ出力演算手段12を、CPU手段外の専用の演算手段に置き換えてCPU手段の負荷を軽くし、高速化を図った点にある。
【0043】
汎用ピエゾ圧力センサ出力Pfを周波数変換するV/F変換手段10の周波数出力を入力するカウンター手段11は、CPU5手段5よりサンプリング同期信号CPを受けて、CPU手段の信号処理と同期して、カウントとリセットが実行される。
【0044】
15は、カウンター手段11の出力をアナログ信号に変換するD/A変換手段、16は時定数の演算を実行するローパスフィルタ手段であり、演算出力Pdを発信する。この実施例において平滑回路7は、パルス幅信号で与えられる圧力補正信号演算手段6の出力Prをアナログ信号Pwに変換する。
【0045】
17はアナログ方式の加減算回路であり、Pf、Pd、Pwを入力し、
Po=Pf+(Pw−Pd)
を演算して最終出力信号Poを発信する。
【0046】
図4は本発明の更に他の実施態様を示すブロック線図である。この実施例の特徴は、ピエゾ圧力センサ8の出力PiをA/D変換手段18を介してディジタル信号Pfに変換し、すべての信号処理をディジタル化した点にある。実施例図1において用いられたアナログ方式の加算器手段14に代えて、DSPによる信号処理で加算処理を実行するディジタル式の加算器手段19が用いられる。
【0047】
図5は、本発明圧力センサの実装例を示す断面図である。筐体と、圧力Pを受けるシールダイアフラムとで囲まれたオイルが封入された室内に、汎用ピエゾ圧力センサとレゾナント圧力センサとを組み込み、両センサが封入オイルを介して圧力Pを受ける構造である。
【0048】
図6は本発明圧力センサの他の実装例を示すもので、(A)は平面図、(B)は側面図である。共通のシリコン基盤に形成されたダイヤフラム上に、汎用ピエゾ圧力センサを構成する4個のピエゾ素子とレゾナント圧力センサを構成するH型振動子を形成した構造である。
【0049】
以上説明した実施例では、汎用精度を有する応答速度の速い第1圧力センサの代表として汎用ピエゾ圧力センサを示したが、他の応答性の速いセンサ、例えばゲージ蒸着圧力センサ、差動トランス型センサ、差動容量型センサに置き換えることもできる。
【0050】
更に、この第1圧力センサより精度並びに安定度は高いが応答速度が遅い第2圧力センサの代表としてレゾナント圧力センサを示したが、他の高安定、高精度な圧力センサ、例えばディジタル処理ピエゾ圧力センサ、水晶振動式圧力センサ、差動音叉式圧力センサ等に置き換えることもできる。
【0051】
更に、図6の実装例のように、ワンチップ上に2種類のセンサを形成したハイブリッド型圧力センサでも同様に本発明を実施することができる。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、汎用ピエゾ圧力センサに代表される高速の圧力センサ出力と、レゾナント圧力センサに代表される高精度、高安定の圧力センサの出力を有機的に合成し、高速応答かつ高精度、高安定な圧力センサを実現することが可能となる。
【0053】
従って、プロセスオートメーション用に限定されることなく、近年需要が増加している、高精度、高速応答の半導体ステッパー用エアダンパー用圧力センサなどに有効に利用することができ等、適用分野を大幅に拡大することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した圧力センサの実施例を示すブロック線図である。
【図2】本発明を適用した圧力センサにおいて、実圧力Pのステップ変化に対するPf、Pr、Poのステップ応答を示す特性図である。
【図3】本発明の他の実施態様を示すブロック線図である。
【図4】本発明の更に他の実施態様を示すブロック線図である。
【図5】本発明圧力センサの実装例を示す断面図である。
【図6】本発明圧力センサの他の実装例を示す平面図及び側面図である。
【図7】レゾナント圧力センサの物理的な構造を示す概念図である。
【図8】レゾナント圧力センサの励振原理を説明する図である。
【図9】レゾナント圧力センサの信号処理の概念図である。
【図10】ピエゾ圧力センサの物理的な構造を示す概念図である。
【図11】ピエゾ圧力センサ図の信号処理の概念図である。
【図12】レゾナント圧力センサと汎用ピエゾ圧力センサとを、精度、温度特性、経年変化、応答速度の各項目で比較した表である。
【符号の説明】
1 レゾナント圧力センサ
2 温度センサ
3 カウンター手段
4 カウンター手段
5 CPU手段
6 圧力補正信号演算手段
7 平滑回路
8 ピエゾ圧力センサ
9 アナログ増幅回路
10 V/F変換手段
11 カウンター手段
12 時間遅れ出力演算手段
13 差分演算手段
14 加算器手段
Claims (4)
- 汎用精度を有する応答速度の速い第1圧力センサ手段と、
この第1圧力センサ手段より精度並びに安定度は高いが前記第1圧力センサ手段の応答に対して所定の時間遅れ特性を持つ第2圧力センサ手段と、
前記第1圧力センサ手段の出力に対して所定の時間遅れ演算を実行した出力と、前記第2圧力センサ手段の出力との差を演算して前記精度の誤差を出力する差分演算手段と、
前記第1圧力センサ出力に、前記差分演算手段の出力を加算して圧力信号を発信する加算手段と、
を備えたことを特徴とする圧力センサ。 - 前記第1圧力センサ手段として、ピエゾ圧力センサを用いることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記第2圧力センサ手段として、レゾナント圧力センサを用いることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記レゾナント圧力センサ上に前記ピエゾ圧力センサを形成したハイブリッド圧力センサを、前記1圧力センサ手段及び前記第2圧力センサ手段として用いることを特徴とする請求項2及び3に記載の圧力センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001111067A JP4120855B2 (ja) | 2001-04-10 | 2001-04-10 | 圧力センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001111067A JP4120855B2 (ja) | 2001-04-10 | 2001-04-10 | 圧力センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002310825A JP2002310825A (ja) | 2002-10-23 |
JP4120855B2 true JP4120855B2 (ja) | 2008-07-16 |
Family
ID=18962737
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001111067A Expired - Fee Related JP4120855B2 (ja) | 2001-04-10 | 2001-04-10 | 圧力センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4120855B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6687635B2 (en) * | 2002-06-13 | 2004-02-03 | Mks Instruments, Inc. | Apparatus and method for compensated sensor output |
JP2004281697A (ja) | 2003-03-14 | 2004-10-07 | Canon Inc | 露光装置及び収差補正方法 |
JP5626502B2 (ja) * | 2009-01-23 | 2014-11-19 | セイコーエプソン株式会社 | 応力検出装置 |
-
2001
- 2001-04-10 JP JP2001111067A patent/JP4120855B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002310825A (ja) | 2002-10-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Tatar et al. | Stress effects and compensation of bias drift in a MEMS vibratory-rate gyroscope | |
EP3021124B1 (en) | Accelerometer with strain compensation | |
US5969249A (en) | Resonant accelerometer with flexural lever leverage system | |
Ikeda et al. | Silicon pressure sensor integrates resonant strain gauge on diaphragm | |
JP4973718B2 (ja) | 圧力検出ユニット、及び圧力センサー | |
GB2505875A (en) | Dual and triple axis inertial sensors and methods of inertial sensing | |
Tian et al. | The novel structural design for pressure sensors | |
CN113358899B (zh) | 加速度计及加速度计的温度自补偿方法 | |
EP3218684B1 (en) | Method and apparatus for calibrating pressure sensor integrated circuit devices | |
CN106352862B (zh) | 一种数字式差动型微加速度计 | |
Cheng et al. | Design and fabrication of a resonant pressure sensor by combination of DETF quartz resonator and silicon diaphragm | |
Song et al. | Design of a MEMS piezoresistive differential pressure sensor with small thermal hysteresis for air data modules | |
Zhang et al. | A quartz resonant ultra-high pressure sensor with high precision and high stability | |
Basov et al. | Investigation of sensitive element for pressure sensor based on bipolar piezotransistor | |
JP4120855B2 (ja) | 圧力センサ | |
Zhang et al. | A high sensitivity quartz resonant pressure sensor with differential output and self-correction | |
US9477638B2 (en) | Surface acoustic wave scale that automatically updates calibration information | |
CN107976274B (zh) | 一种基于同步共振的压力检测装置及检测方法 | |
CN113740560B (zh) | 一种弱耦合谐振式加速度传感器 | |
Liang et al. | Design and Fabrication of Quartz MEMS-based Monolithic Vibrating Beam Accelerometer. | |
Dong et al. | Self-temperature-testing of the quartz resonant force sensor | |
Zhao et al. | Ailin Mu | |
Xia et al. | An on-chip thermal stress evaluation method for silicon resonant accelerometer | |
Gao et al. | Analysis of the scale factor nonlinearity of MEMS differential silicon resonant accelerometer caused by the DETF’s force-frequency nonlinear characteristic | |
Hu et al. | Quartz resonant pressure sensor based on bow-inspired rationally designed device configuration |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20040902 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20040902 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050512 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070914 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080121 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080312 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080403 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080416 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110509 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Ref document number: 4120855 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130509 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130509 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140509 Year of fee payment: 6 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |