JP4131990B2 - 超低温での零シフト非線形性を補償する圧力センサ - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、ホイートストンブリッジのそれぞれのアームに取り付けられた歪ゲージを有する種類の圧力センサに関する。
発明が特に関係する分野は、超低温、特に窒素の沸点以下の温度で、できれば数ケルビンまで低下した温度で使用可能な圧力センサの分野である。
発明の背景
ホイートストンブリッジとして接続された歪ゲージ圧力センサによく知られた問題は、温度の関数としてのブリッジドリフトの零点の問題である。
この問題を解決するために、ブリッジの入力及び／又は出力に接続された補償ネットワークが一般に使用されている。歪ゲージブリッジの温度ドリフトが通常の温度範囲にわたって実質的に線形である場合には、少なくとも一つの感温素子を有するネットワークが線形補償のために設計されるのが一般的である。
圧力センサが超低温で使用される場合、別の問題が発生する。歪ゲージブリッジの温度ドリフトは非線形となり、非線形性は温度が下がるにつれて増大する。このことが図１に示されていて、シリコン基板上の薄膜ニッケル−クロム層からなる歪ゲージブリッジからの出力電圧は温度の関数として変化し、ブリッジは２２℃の温度で平衡状態（０の出力電圧）にある。
一般的に使用されるサーミスタは、温度が−４０℃あるいは−５０℃以下に低下すると、非常に高く、実質的に無限大になる抵抗を持っていることから、通常の補償ネットワークは役に立たなくなる。
本発明が解決しようとする問題は、温度ドリフトの非線形性の問題であり、超低温、特に窒素の沸点すなわち約−１９６℃以下の温度でそのようなドリフトを「線形化する」問題である。
発明の概要
この問題は、ブリッジのアームの少なくとも一つの歪ゲージを、歪ゲージよりも抵抗がかなり小さく補償回路と並列に接続された抵抗器と直列に配設し、補償回路は、超低温域においてそれと並列に接続された抵抗器の抵抗に影響を及ぼし、温度が低下するにつれて増大するように温度の関数として抵抗が変化する抵抗素子を有する圧力センサにより解決される。
並列に接続された補償回路を有する抵抗器は、ブリッジの作動範囲及び感度に不利な影響を与えないように歪ゲージよりもかなり小さい抵抗を有している。本願明細書において、別の抵抗より「かなり小さい」抵抗とは、歪ゲージの抵抗の１／２０あるいは１／１００あるいはそれより小さいことを意味している。
本発明の圧力センサの特徴は、補償回路が、歪ゲージをブリッジのコーナーの一つに接続する接続リードにより形成された抵抗器と並列に接続されていることである。
したがって、補償回路を接続するためにブリッジを修正する必要がなく、この目的のためにブリッジを開放した場合に発生する不安定さを解消することができる。
さらに、非線形性を補償する回路は、ブリッジにかなり接近して配置することができ、ブリッジと全く同じ温度状態にすることができる。
歪ゲージと、歪ゲージをブリッジのコーナーに接続する接続リードとは、好ましくは、基板上の金属の付着層により構成される。
超低温域、例えば−１９６℃以下で非線形性を補償するために、補償回路の抵抗素子は、並列に接続された抵抗器の抵抗に影響を与え、温度低下とともに増大するような抵抗を有している。この目的のため、抵抗素子が並列に接続された抵抗器の抵抗に対する抵抗素子の抵抗の割合が、温度が−１９６℃以下に低下すると、１００よりも小さく、その後温度の低下とともに減少するのがよい。例えば、そのような抵抗素子は、プラチナプローブにより構成することができる。
【図面の簡単な説明】
添付図面において、
図１は、歪ゲージブリッジにより構成される圧力センサの零ドリフトが、ドリフト補償がない場合、温度の関数としてどのように変化するかを示している。
図２は、本発明の圧力センサの実施例の電気回路図である。
図３は、本発明に基づいて非線形温度ドリフトを補償する回路が取り付けられた図１の圧力センサの零ドリフトが温度の関数としてどのように変化するかを示している。
好ましい実施例の詳細説明
図２は、ホイートストンブリッジ１０の四つのアームのそれぞれに挿入された四つの歪ゲージＪ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４を有する圧力センサの回路図である。歪ゲージＪ１〜Ｊ４の各々は、ブリッジの隣接する二つのコーナーに接続リードｃにより接続されている。
歪ゲージＪ１〜Ｊ４及び接続リードｃは、センサの感知素子の一部を形成する基板、例えばシリコン基板上の金属層によりすべて形成される。周知の方法では、ブリッジの反対側の二つのアームの二つの歪ゲージは、基板が計測時に圧力を受けると伸びるように基板上に設けられる一方、他の二つの歪ゲージは圧縮するように設けられる。
一例として、歪ゲージＪ１〜Ｊ４は、できるだけ同一のニッケル−クロム層により構成される一方、接続リードｃは、例えば同様にできるだけ同一の金の付着層によって構成される。
付着層は、例えば真空スパッタリングにより薄膜として形成され、ブリッジは形成された付着層により閉止される。
ブリッジの反対側の二つのコーナー＋ａ、−ａは給電端子＋Ａ、−Ａに接続される一方、他の二つのコーナー＋ｍ、−ｍは、計測用端子＋Ｍ、−Ｍに接続される。介装された補償ネットワーク１２は、その片側でコーナー＋ａ、−ａ、＋ｍ、−ｍに接続され、その反対側で端子＋Ａ、−Ａ、＋Ｍ、−Ｍに接続されている。補償ネットワーク１２は、圧力センサの線形ドリフトを温度の関数として補償するためのものである。これは、例えば公報ＦＲ−Ａ２６１３８３３に記載のような従来型の抵抗ネットワークにより構成されている。
ブリッジの非線形零ドリフトを補償する回路２０は、ブリッジの歪ゲージの一つ、例えば歪ゲージＪ２を、歪ゲージを含むアームの端部に位置するブリッジの二つのコーナーの一つ、例えばコーナー＋ｍに接続する接続リードｃの一つと並列に接続されている。
補償回路２０は、特に超低温の範囲、例えば窒素の沸点（−１９６℃）より低い温度において、抵抗が温度の関数として変化する抵抗素子Ｐを備えている。補償回路内で、調整可能な抵抗器Ｒを抵抗素子Ｐと直列に接続することもでき、結果として補償を調整することができる。
ブリッジのアームの一つの全抵抗の一部と抵抗素子を並列に接続することにより、ブリッジの挙動に非線形の影響を与えることができ、その非線形ドリフトを補償することができる。この非線形性が温度の低下とともに増大すると、抵抗素子Ｐの影響は増大、すなわち、その抵抗は減少する必要があり、温度が−１９６℃以下に低下すると、その抵抗の接続リードｃの抵抗に対する割合は１００よりも小さくなり、温度が−１９６℃以下に下がり続けるにつれて減少する。このような状況では、温度係数が正の抵抗素子Ｐが使用され、例えばプラチナプローブを使用することができる。
ニッケル−クロムの薄膜を付着させることにより形成され、各歪ゲージの抵抗が周囲温度（２２℃）で１０００Ωである歪ゲージを使用して、図２に示されるような圧力センサを作製した。接続リードｃは、金の線形薄膜付着層で、各々２２℃で０．６Ωの抵抗を有している。
図１は、センサにどんな応力も加わらず、補償ネットワーク１２及び補償回路２０がない場合に、ブリッジのコーナー＋ｍ、−ｍ間に生じた電圧がどのように変化するかを示しており、ブリッジは２２℃で平衡状態（０の出力電圧）にある。
歪ゲージに主に起因するブリッジの零ドリフトは、温度が下がるにつれてますます顕著になることがわかる。約−１４０℃までは、ドリフトは実質的に線形である。より低い温度では、ドリフトの非線形性はますます明確になる。
調整可能な抵抗器Ｒと直列に接続され、０℃で１００Ωに等しい抵抗のプラチナプローブＰにより構成される補償回路は、歪ゲージＪ２をブリッジのコーナー＋ｍに接続する金の接続リードに並列に接続される。
下の表１は、接続リードｃとプローブＰの抵抗を示しており、調整可能な抵抗器Ｒは０である。これはまた、様々な異なる温度において、Ｐ及びｃにより形成される並列回路の等価抵抗を示している。プローブＰの抵抗の接続リードｃの抵抗に対する割合は、−１９６℃から−２４６℃の範囲で約４７から約７．９まで変化する。

補償回路２０を設けることで、ブリッジの零点が補償され、温度が低下するにつれて補償量は増加する。下の表２は、ブリッジの出力電圧として計測された補償量ΔＺの値を示しており、歪ゲージは応力を受けていない（８００Ωの歪ゲージの場合、ブリッジに１０Ｖで給電すると、いずれか一つの歪ゲージにおける６．４Ωの補償量により２０ｍＶの出力電圧が発生する）。表２に示される様々な補償量ΔＺは、補償回路の異なる値と異なる温度に対応している。表の横の欄は、補償量が抵抗Ｒを増加することにより減少し、抵抗Ｐを減少することにより（例えば、１００Ωの二つのプローブを並列に配置することにより）増大することを示している。したがって、選択すべき特定の補償回路は、補正すべき非線形性の量に依存している。

図３は、表１と同じ条件、すなわち、センサに応力が加わらず、ブリッジは２２℃で平衡状態にあり、線形補償がなされない場合のブリッジのコーナー＋ｍ、−ｍ間に生じた電圧がどのように変化するかを示しているが、様々の異なる補償回路２０は並列の二つのプローブＰに直列の抵抗器Ｒを有しており、各プローブＰは０℃で１００Ωの抵抗のプラチナプローブである。
補償回路２０がない場合の零ドリフトの変化を示す曲線Ｉに比べて、非線形補正は、抵抗器Ｒの抵抗が減少するとともに、ますます強調されている。この例では、Ｒ＝４Ωで、二つのプローブＰが並列の場合、ブリッジの零ドリフトは、超低温（約−２５０℃）まで線形化されている。線形補償ネットワーク１２の作用により、周囲温度から超低温（数ケルビン）までの全域にわたって、ブリッジの温度ドリフトを零に完全に補償することができる。
上記において、非線形ドリフトを補償する回路は、ブリッジのアームの一つにある歪ゲージをブリッジのコーナーに接続する接続リードの一つに並列に接続されていると記載したが、同じ効果が、ブリッジのこのアームの接続リードの一つ及び／又は両方と並列に、及び／又は、反対側のアームの接続リードの一つ及び／又は両方に並列に非線形ドリフト補償回路を接続することにより達成される。
図１において、非線形性は、ドリフトの線形成分と同じ方向で悪化するように変化しているが、非線形性は反対方向に変化することもある。この変化の方向により、補償回路は、ブリッジの反対側のアームの第１の対の一つあるいは両方に、あるいは、ブリッジの反対側の他の二つのアームの一つ及び／又は両方に接続すべきである。

Claims (5)

1. ホイートストンブリッジ（１０）のそれぞれのアームに取り付けられた歪ゲージ（J１〜J４）と、上記ホイートストンブリッジ（１０）の隣接する二つのコーナーに各歪ゲージを接続する接続リード（ｃ）とを備え、上記歪ゲージ（J１〜J４）及び接続リード（ｃ）が基板上の金属層により形成され、−１９６℃以下の温度域で使用される圧力センサであって、
   上記温度域において上記ホイートストンブリッジ（１０）の非線形零ドリフトを補償する補償回路をさらに備え、該補償回路は、上記ホイートストンブリッジ（１０）の一つのコーナーと上記歪ゲージ（J１〜J４）の一つの間の上記接続リード（ｃ）と並列に接続された抵抗素子（Ｐ）を有し、該抵抗素子（Ｐ）の抵抗は上記歪ゲージ（J１〜J４）の抵抗の１／２０より小さく、上記温度域において、並列に接続された上記接続リード（ｃ）の抵抗に影響を及ぼすように温度の関数として変化し、その影響力は温度が低下するにつれて増大することを特徴とする圧力センサ。
2. 上記接続リード（ｃ）が金で作製されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 上記抵抗素子（Ｐ）が並列に接続された上記接続リード（ｃ）の抵抗に対する上記抵抗素子（Ｐ）の抵抗の割合が、温度が−１９６℃以下に低下すると、１００よりも小さく、その後温度の低下とともに減少することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の圧力センサ。
4. 上記抵抗素子（Ｐ）が、少なくとも一つのプラチナ素子により構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
5. 上記補償回路（２０）が、上記抵抗素子（Ｐ）と直列に接続された調整可能な抵抗器（Ｒ）を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサ。

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