JP4898984B2 - センサのドリフトを修正する装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は、一般に、感知装置に係る。より詳細には、本発明は、センサのドリフトを修正する技術に係る。
【０００２】
【背景技術】
圧電抵抗性センサ又は容量性センサは、それに付与された物理的な力に比例して電気抵抗又はキャパシタンスの変化を生じる。このようなセンサは、一般に、シリコンメンブレーンに配置され、シリコンメンブレーンの撓みを測定する。
このようなセンサのパッケージングに関連して多数の問題が発生する。例えば、シリコンをベースとする圧電抵抗性圧力センサは、残留ストレス又は力がパッケージからセンサに伝達されないように、非常に柔軟で従順な接着剤によりパッケージ又は基板に取り付けられる。センサにストレスが伝達されると、センサのメンブレーンが撓んで、感知素子に測定抵抗値を発生し、測定圧力の変化を誤って指示する。圧力で誘起されるメンブレーンの撓みの方向及び大きさに基づいて取付プロセスによるストレスがこの抵抗変化に追加されたりそこから差し引かれたりする。通常、最も一般的に受け入れられている校正技術は、製造のばらつきや、堅牢なベースにセンサを取り付ける必要性により生じる圧力センサの非理想的な振舞いを充分に補償する。
【０００３】
既存の校正技術に伴う問題は、取付プロセスによるストレスが取付材料のストレス緩和のために経時変化したときに発生する。このストレス緩和は、センサの露出状態、センサ周囲の変化、取付材料の変化、及び／又は圧力及び／又は温度の変化に対するベースの変化によって生じ得る。ベース、センサ及び取付材料の熱膨張が厳密に一致しない場合には、温度変動があると、熱膨張の差及び温度差に比例して材料にストレス差が発生する。ダイ取付材料が粘弾性物質である場合には、それが、ストレスを減少する形態で時間と共に流動する。これは、明らかに、圧電抵抗メンブレーンに影響を及ぼし、時間と共に抵抗値も変化させる。
典型的な校正方法は、上記のように抵抗値が変化する性質を考慮することができない。ほとんどのセンサの抵抗値は、温度及び圧量の両方の関数である。この物理的なアクティビティをモデリングする１つの解決策は、次の多項式を使用することである。
Ｐ＝Ｍo＋Ｍ1＊Ｔ＋Ｍ2＊Ｔ2＋Ｍ3＊Ｔ3＋（Ｍ4＋Ｍ5＊Ｔ＋Ｍ6＊Ｔ2＋
Ｍ7＊Ｔ3）＊Ｖ＋（Ｍ8＋Ｍ9＊Ｔ＋Ｍ10＊Ｔ2＋Ｍ11＊Ｔ3）＊Ｖ2
＋（Ｍ12＋Ｍ13＊Ｔ＋Ｍ14＊Ｔ2＋Ｍ15＊Ｔ3）＊Ｖ3 （式Ｉ）
ここで、Ｐは、メンブレーンにまたがって付与される差圧力である。各Ｍ項は、導出された係数である。Ｔは、センサメンブレーンの温度である。Ｖは、センサ構造体の抵抗の尺度である。例えば、Ｖは、圧電抵抗素子にまたがって流れる一定電流により発生する電圧である。
【０００４】
特定の圧力センサに適合するのに必要な多項式の次数は、個々の製造プロセス、取付技術、及び必要な精度に依存する。温度及び圧力に関しては、二次適合で一般に充分であるが、圧力に関して二次適合が、そして温度に関して三次適合が必要とされることもある。
非堅牢なダイ取付材料が使用されるときには、式ＩのＭ０項は、通常、時間及び温度と共に変化する。この項は、通常、「オフセット」と称し、これは、ほとんどのセンサにおいて、圧力が「ゼロ」であるときに、メンブレーンに撓みはないが、依然、非ゼロ信号が存在することを指すものである。これは、ゼロ信号を与えるように理想的に設計できるが、製造公差のために小さな信号を発生するホイートストンブリッジ抵抗構成を使用するセンサについても言えることである。
【０００５】
このエージング減少は、約０．５ｐｓｉの信号レベルシフトを発生し得る。このシフト又はドリフトは、当該圧力範囲全体にわたって比較的一定である。４０ｐｓｉの圧力レベルでは、これが１．２５％のエラーに達し、一方、５ｐｓｉでは、これが１０％のエラーとなる。このようなエラーは、ほとんどの用途で受け入れられない。
顧客にとって、ドリフトした圧力センサを再校正することは、実用的でなく、受け入れられない。従って、ドリフトを修正する能力をもつ改良された感知装置を提供することが強く要望される。理想的には、このようなセンサは、現場において顧客により呼び出された比較的簡単な１組の条件に応答してドリフトを自動的に自己修正する。完全な技術は、センサのエージングのようなドリフトファクタを、電圧及び温度条件の関数として補償する。
【０００６】
【発明の開示】
センサのドリフトを修正する方法は、校正コマンドを識別する段階を含む。公称ゼロ圧力条件で確保される測定電圧値及び測定温度値に基づいてセンサに対する公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタが識別される。その後に、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタに基づいてセンサ出力が調整される。
本発明の装置は、公称ゼロ圧力条件で確保される測定電圧値及び測定温度値に応答してセンサに対する公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタを確立するように構成されたマイクロコントローラ及びそれに関連した電子装置を含む。その後、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタに基づいてマイクロコントローラによりセンサ出力が調整される。
本発明は、圧電抵抗及び容量性センサにおけるドリフトを修正するための改良された技術を提供する。この技術は、比較的簡単な１組の外部条件に応答してドリフトを自動的に自己修正する。好都合なことに、この技術は、センサのエージングのようなドリフトファクタを、公称ゼロ圧力条件で測定された電圧及び温度状態の関数として補償する。次いで、センサドリフトの修正を達成するために、ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタが他の圧力条件に適用される。
【０００７】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明を良く理解するために、対応部分が全体にわたって同じ参照番号で示された添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に基づくセンサドリフト修正装置２０を示す図である。この装置２０は、センサパッケージ２２を備えている。本発明は、センサドリフトに対する修正を確立するので、センサパッケージ２２は、非ハーメチックパッケージでよい。
パッケージ２２は、流体が通過するコンジット２４を備えている。コンジット２４は、通過流体を監視又は制御するための１つ以上の機能的装置を有する。例えば、パッケージ２２は、比例式コントローラ２６と、温度センサ２８と、第１圧力センサ３０と、積分コントローラ３２と、第２圧力センサ３４とを含むように実施される。本発明は、第１圧力センサ３０及び第２圧力センサ３４のような圧力センサの動作に向けられる。各圧力センサは、図１に示す形式の機能的装置に関連して動作されてもよいし、或いは質量流量コントローラ、圧力コントローラ、質量メーター又は圧力メーターのような装置を形成するように機能的装置の他の組み合わせで動作されてもよい。
【０００８】
パッケージ２２内に配置される個々の機能的ユニットからの信号は、個々のライン又はバス３６を経てマイクロコントローラ３８（必要に応じて関連電子装置を含む）へルート指定される。マイクロコントローラ３８は、それに関連した内部又は外部メモリ４０を有する。マイクロコントローラ３８は、メモリ４０に記憶された１組のプログラムを実行する。或いは又、マイクロコントローラ３８及びメモリ４０は、アプリケーション特有の集積回路（ＡＳＩＣ）であってもよいし、現場でプログラム可能なロジックデバイス（ＦＰＬＤ）であってもよいし、又は当業者に知られた他の同等の装置であってもよい。実施の仕方に関わりなく、１組の命令が本発明に基づいて実行される。
図１に示すように、１組の命令は、一般に、初期パラメータ指定モジュール４２と、標準モード制御モジュール４４と、校正条件識別モジュール４６と、センサドリフト計算モジュール４８と、センサドリフト調整モード動作モジュール５０とを含むことを特徴とする。これら各モジュールの機能は、以下に述べる。
【０００９】
図２は、本発明により使用される圧力センサ３０（又は３４）の拡大側面図である。センサ３０は、可撓性メンブレーン６１を伴うマイクロ加工されたゲージセンサ６０を備えている。このゲージセンサ６０は、非堅牢な接着剤６３を経て基板６２に取り付けられる。矢印６４で示されたように、コンジット２４内の流体により形成される圧力は、メンブレーン６１を撓ませるように動作する。矢印６５で示されたように、周囲圧力は、流体からの圧力に反作用する。以下の説明上、周囲圧力は、既知の定数であると仮定する。理想的には、周囲圧力は存在せず、即ちゲージセンサ６０の外部は真空である。圧電抵抗性又は容量性素子６６は、メンブレーン６１の撓みに応答して抵抗値を変化させる。素子６６から発生された信号は、ゲージセンサ６０からリード６８を経て送出される。
図３は、センサ３０の上面図である。この図は、ゲージセンサ６０の上部と、そこに配置された圧電抵抗性又は容量性素子６６（１つ又は複数）とを示している。圧電抵抗性センサ６６は、既知のブリッジ回路６９の一部分を形成する抵抗器として動作する。ブリッジ回路６９は、抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４を含む。ブリッジ回路６９は、センサ６０に配置されたメンブレーンに形成することができる。出力信号＋Ｖｏｕｔ及び−Ｖｏｕｔは、マイクロコントローラ３８へルート指定される。ブリッジ回路６９及びそれに関連したゲージセンサ６０を使用して抵抗変化を表わす信号を得ることは、公知である。又、抵抗変化を、コンジット２４内の流体の圧力に対応する圧力値へいかにマッピングするかも公知である。本発明は、これらの公知技術に向けられるのではなく、ゲージセンサ６０のようなセンサに関連したドリフトを補償及び修正するように信号を処理することに向けられる。
【００１０】
図４を参照して、本発明に関連した処理段階を説明する。図４に示された最初の処理段階は、公称ゼロ圧力条件に基づいて初期パラメータを確立することである（ステップ７０）。この動作は、初期パラメータ指定モジュール４２によって整合される。この動作は、図５に示されたことを特徴とする。
図５を参照すれば、初期パラメータを確立する最初の段階は、監視されたコンジットにおいて公称ゼロ圧力条件を形成することである（ステップ７２）。即ち、パッケージ２２のコンジット２４に低又はゼロ圧力条件が適用される。次いで、測定電圧及び温度値が公称ゼロ圧力条件において確保される（ステップ７４）。即ち、ブリッジ回路６９を使用して測定電圧信号が得られ、そして温度センサ２８を使用して、温度値が得られる。これらの各信号は、バス３６を経てマイクロコントローラ３８に供給される。
【００１１】
ゼロ圧力値、測定電圧値及び測定温度値は、次いで、式Ｉのような圧力定義多項式に挿入される（ステップ７６）。多項式に必要とされる係数の数は、必要とされる圧力及び温度の組合せの数を定義する。例えば、Ｖ3ＸＴ3は、１６個のデータポイントを必要とする。これは、通常、４つの各温度において４つの圧力を測定することにより達成される。４つの温度は、動作温度範囲を網羅しそしてそれを若干越えるのが好ましい。同様に、４つの圧力は、動作圧力範囲を網羅しそしてそれを若干越える。圧力ポイントの１つは、「ゼロ」でなければならず、これは、ここでは、約１０ｔｏｒｒ低い圧力（＜０．２ｐｓｉａ）として定義される。従って、ステップ７６は、ゼロ圧力項、ゼロ圧力における測定電圧値及びゼロ圧力における温度値と、多項式に対する充分な適合を得るのに必要とされる付加的な非ゼロ圧力の電圧及び温度値とを挿入することを意図している。以下、測定圧力又は電圧値を参照するときには、必要に応じて多数の測定圧力及び電圧値を含む。
【００１２】
その後、マイクロコントローラ３８は、初期パラメータ指定モジュール４２の制御のもとで、ゼロ圧力値、１つ以上の測定電圧値及び１つ以上の測定温度値に基づいて圧力定義多項式の係数を計算する（ステップ７８）。その結果、完全に表わされた圧力定義多項式が得られ、メモリ４０に記憶される。或いは又、個別のコンピュータを使用して、完全に表わされた圧力定義多項式の係数をメモリ４０にダウンロードしながら、この計算が実行されてもよい。
係数Ｍ０−Ｍ１５をもつ式Ｉの多項式を一例として取り上げる。他の多項式を使用してもよいし、いかなる数の技術を使用して、測定値に対する多項式係数を適合させてもよい。
再び図４を参照すると、次の処理段階は、センサを標準的なモードで動作することである（ステップ８０）。標準モード制御モジュール４４により制御される標準モードでは、測定電圧及び温度値が、圧力定義多項式、例えば、式Ｉに挿入され、そして圧力（Ｐ）がマイクロコントローラ３８により計算される。
【００１３】
圧力センサ３０は、このモードでは、延長時間周期にわたって動作することができる。しかしながら、最終的に、センサ３０の精度がドリフトし始める。従って、装置の修正が必要となる。本発明によれば、マイクロコントローラ３８は、校正コマンドを識別するように構成される（ステップ８２）。例えば、マイクロコントローラ３８の校正条件識別モジュール４６は、１０Ｔｏｒｒ未満の圧力信号の形態の校正コマンドと、３０秒より長い周期にわたって比例式コントローラ２６及び積分コントローラ３６に与えられた５ボルトフルスケールコマンドとを識別するように構成される。当業者に明らかなように、センサに関連した機能的素子に適用される他の外部条件を使用してもよい。このような条件に応答して、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタが確立される（ステップ８４）。この動作に関連した処理は、図６を参照して説明する。
図６に示された最初の段階は、監視されたコンジットにおいて公称ゼロ圧力条件を形成することである（ステップ７２）。これは、図５を参照して述べた同じ段階である。次いで、測定電圧及び温度値が公称ゼロ圧力条件において確保される（ステップ７４）。この段階は、図５を参照して述べた段階と同様であるが、この場合には、測定電圧値が、おそらく、センサ６０のドリフトを反映して最初の読みとは異なるものとなる。次いで、センサドリフト計算モジュール４８に関連して動作するマイクロコントローラ３８は、ゼロ圧力条件（Ｐ＝０）、時間ｊ（ｔ＝ｊ）及び温度ｋ（Ｔ＝ｋ）における電圧値Ｖを指示する電圧項Ｖ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）のような公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタを出力する（ステップ８６）。或いは又、圧力項は、ゼロ圧力条件（Ｐ＝０）、時間ｊ（ｔ＝ｊ）及び温度ｋ（Ｔ＝ｋ）における圧力値Ｐを指示する圧力項Ｐ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）のような出力として使用されてもよい。
【００１４】
図４に戻ると、図示された最終的な処理段階は、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタに基づいてセンサ出力を調整することである（ステップ８８）。この段階は、センサドリフト調整モード動作モジュール５０で実施される。上述したように、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタは、電圧項Ｖ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）であるか又は圧力項Ｐ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）である。電圧項の場合には、特定の圧力定義多項式に新たな変数Ｖ＊が挿入される。新たな変数Ｖ＊は、次のように表わされる。
Ｖ＊(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)＝Ｖ(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)−
Ｖ(Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ) （式ＩＩ）
従って、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタＶ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）は、現在測定された測定信号Ｖ（Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）から減算され、その差が、特定の圧力定義多項式の電圧項として挿入される。更に、圧力定義多項式の第１係数Ｍ0は、式Ｉにおいてゼロにセットされる。初期校正ポイント（ｔ＝０）において、Ｖ＊（Ｐ＝０、ｔ＝０、Ｔ＝ｋ）＝０であることを観察しなければならない。
【００１５】
ゼロ圧力における抵抗器の温度依存性を考慮するために、次の多項式が解かれる。
Ｖ(Ｐ＝０、ｔ＝０、Ｔ＝ｋ)＝Ｎ(Ｐ＝０、ｔ＝０)＋Ｎ1＊Ｔk＋Ｎ2Ｔk 2
（式ＩＩＩ）ある時間の後に（ｔ＝ｊ）、Ｖ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）が測定される。次いで、式ＩＩＩのＶ（Ｐ＝０、ｔ＝０、Ｔ＝ｋ）に置き換わるようにＶ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）を用いてＮ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ）が解かれる。従って、次のようになる。
Ｖ＊(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)＝Ｖ(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)−
（Ｎ(Ｐ＝０、ｔ＝ｊ)＋Ｎ1＊Ｔk＋Ｎ2Ｔk 2）
（式ＩＶ）
次いで、式ＩＶから得られたＶ＊を式Ｉからの最初の係数と共に使用して、時間ｊ（ｔ＝ｊ）及び温度ｋ（Ｔ＝ｊ）における圧力（Ｐ）を解く。
特定の圧力定義多項式は、元のゼロ圧力条件により定義された係数を有することを想起されたい。このとき処理される電圧項（Ｖ＊）は、項Ｖ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝Ｋ）で反映されるように、特定の温度におけるセンサドリフトを考慮したものとなる。
【００１６】
公称ゼロ圧力条件（Ｐ＝０）の場合には、１０Ｔｏｒｒ未満の圧力を使用すべきであることが実験で示された。高い「ゼロ」圧力を使用する場合には、校正の精度が低下する。その後の校正については、「ゼロ」圧力を最初の圧力以下にしなければならず、さもなくば、精度が低下する。
センサドリフト修正ファクタとしての電圧項の使用について以下に説明する。圧力定義多項式に対する初期の１組の係数は、Ｖ＊項を使用して計算できることが当業者に明らかである。より詳細には、初期の校正ポイントにおけるＶ＊の値（Ｖ＊＝０）が式Ｉに挿入される。Ｍ0項はゼロにセットされ、そしてゼロ圧力項と、ゼロ圧力における測定温度と、適合を確立するのに必要とされる付加的な温度及び圧力値とに基づいて係数値が計算される。
【００１７】
センサドリフト修正ファクタとしての電圧項の使用について述べた。上述したように、圧力項もセンサドリフト修正ファクタとして使用することができる。特に、校正後の時間に、最初の係数を使用して、そのときの「ゼロ」圧力信号に基づく圧力の読みが計算される。この圧力Ｐ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）が、その後に計算される全ての圧力から減算される。数学的には、Ｘ＞０の場合の全ての値に対し、調整される圧力は、次のように計算される。
Ｐ＊(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)＝Ｐ(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)−
Ｐ(Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ) （式Ｖ）
Ｐ（Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）及びＰ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）は、特定の圧力定義多項式（例えば、式Ｉのような多項式）を用いて計算される。Ｐ＊は、式Ｖを使用してマイクロコントローラ３８によって計算される。次いで、Ｐ＊は、感知された実際の圧力として使用される。この手順は、周期的に繰り返される。即ち、Ｐ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）が得られ、そしてそれに応じてアルゴリズムが更新される。この手順は、式ＩＶによる処理が使用される場合にも同様に繰り返される。
【００１８】
以上、本発明を完全に理解するために特定の用語を使用して説明した。しかしながら、当業者であれば、本発明を実施するために特定の細部は必要とされないことが明らかであろう。他の点では、基本的な発明から不必要に注意をそらさないために、良く知られた回路及び装置は、ブロック図の形態で示した。従って、本発明の特定の実施形態についての上記説明は、例示に過ぎない。本発明は、ここに開示された詳細な形態に限定されるものではなく、上記技術に鑑み、多数の変更や修正がなされ得ることが明らかである。本発明の原理及びその実際の応用を最良に説明するために実施形態を選択して説明した。これにより、当業者であれば、本発明を最良に利用し、そして意図された特定の用途に適するように種々の変更を伴う種々の実施形態を最良に利用することができよう。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその等効物のみによって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態により形成されたセンサドリフト校正及び修正装置を示す図である。
【図２】 本発明により使用できるゲージセンサを示す図である。
【図３】 本発明の実施形態に基づいて使用されるセンサ及びそれに付随するブリッジ回路を示す図である。
【図４】 本発明の実施形態に基づいて実行されるセンサドリフト校正及び修正処理段階を示す図である。
【図５】 図４のプロセスの第１段階に関連した処理段階を示す図である。
【図６】 図４のプロセスの最後から２番目の段階に関連した処理段階を示す図である。
【技術分野】
本発明は、一般に、感知装置に係る。より詳細には、本発明は、センサのドリフトを修正する技術に係る。
【０００２】
【背景技術】
圧電抵抗性センサ又は容量性センサは、それに付与された物理的な力に比例して電気抵抗又はキャパシタンスの変化を生じる。このようなセンサは、一般に、シリコンメンブレーンに配置され、シリコンメンブレーンの撓みを測定する。
このようなセンサのパッケージングに関連して多数の問題が発生する。例えば、シリコンをベースとする圧電抵抗性圧力センサは、残留ストレス又は力がパッケージからセンサに伝達されないように、非常に柔軟で従順な接着剤によりパッケージ又は基板に取り付けられる。センサにストレスが伝達されると、センサのメンブレーンが撓んで、感知素子に測定抵抗値を発生し、測定圧力の変化を誤って指示する。圧力で誘起されるメンブレーンの撓みの方向及び大きさに基づいて取付プロセスによるストレスがこの抵抗変化に追加されたりそこから差し引かれたりする。通常、最も一般的に受け入れられている校正技術は、製造のばらつきや、堅牢なベースにセンサを取り付ける必要性により生じる圧力センサの非理想的な振舞いを充分に補償する。
【０００３】
既存の校正技術に伴う問題は、取付プロセスによるストレスが取付材料のストレス緩和のために経時変化したときに発生する。このストレス緩和は、センサの露出状態、センサ周囲の変化、取付材料の変化、及び／又は圧力及び／又は温度の変化に対するベースの変化によって生じ得る。ベース、センサ及び取付材料の熱膨張が厳密に一致しない場合には、温度変動があると、熱膨張の差及び温度差に比例して材料にストレス差が発生する。ダイ取付材料が粘弾性物質である場合には、それが、ストレスを減少する形態で時間と共に流動する。これは、明らかに、圧電抵抗メンブレーンに影響を及ぼし、時間と共に抵抗値も変化させる。
典型的な校正方法は、上記のように抵抗値が変化する性質を考慮することができない。ほとんどのセンサの抵抗値は、温度及び圧量の両方の関数である。この物理的なアクティビティをモデリングする１つの解決策は、次の多項式を使用することである。
Ｐ＝Ｍo＋Ｍ1＊Ｔ＋Ｍ2＊Ｔ2＋Ｍ3＊Ｔ3＋（Ｍ4＋Ｍ5＊Ｔ＋Ｍ6＊Ｔ2＋
Ｍ7＊Ｔ3）＊Ｖ＋（Ｍ8＋Ｍ9＊Ｔ＋Ｍ10＊Ｔ2＋Ｍ11＊Ｔ3）＊Ｖ2
＋（Ｍ12＋Ｍ13＊Ｔ＋Ｍ14＊Ｔ2＋Ｍ15＊Ｔ3）＊Ｖ3 （式Ｉ）
ここで、Ｐは、メンブレーンにまたがって付与される差圧力である。各Ｍ項は、導出された係数である。Ｔは、センサメンブレーンの温度である。Ｖは、センサ構造体の抵抗の尺度である。例えば、Ｖは、圧電抵抗素子にまたがって流れる一定電流により発生する電圧である。
【０００４】
特定の圧力センサに適合するのに必要な多項式の次数は、個々の製造プロセス、取付技術、及び必要な精度に依存する。温度及び圧力に関しては、二次適合で一般に充分であるが、圧力に関して二次適合が、そして温度に関して三次適合が必要とされることもある。
非堅牢なダイ取付材料が使用されるときには、式ＩのＭ０項は、通常、時間及び温度と共に変化する。この項は、通常、「オフセット」と称し、これは、ほとんどのセンサにおいて、圧力が「ゼロ」であるときに、メンブレーンに撓みはないが、依然、非ゼロ信号が存在することを指すものである。これは、ゼロ信号を与えるように理想的に設計できるが、製造公差のために小さな信号を発生するホイートストンブリッジ抵抗構成を使用するセンサについても言えることである。
【０００５】
このエージング減少は、約０．５ｐｓｉの信号レベルシフトを発生し得る。このシフト又はドリフトは、当該圧力範囲全体にわたって比較的一定である。４０ｐｓｉの圧力レベルでは、これが１．２５％のエラーに達し、一方、５ｐｓｉでは、これが１０％のエラーとなる。このようなエラーは、ほとんどの用途で受け入れられない。
顧客にとって、ドリフトした圧力センサを再校正することは、実用的でなく、受け入れられない。従って、ドリフトを修正する能力をもつ改良された感知装置を提供することが強く要望される。理想的には、このようなセンサは、現場において顧客により呼び出された比較的簡単な１組の条件に応答してドリフトを自動的に自己修正する。完全な技術は、センサのエージングのようなドリフトファクタを、電圧及び温度条件の関数として補償する。
【０００６】
【発明の開示】
センサのドリフトを修正する方法は、校正コマンドを識別する段階を含む。公称ゼロ圧力条件で確保される測定電圧値及び測定温度値に基づいてセンサに対する公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタが識別される。その後に、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタに基づいてセンサ出力が調整される。
本発明の装置は、公称ゼロ圧力条件で確保される測定電圧値及び測定温度値に応答してセンサに対する公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタを確立するように構成されたマイクロコントローラ及びそれに関連した電子装置を含む。その後、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタに基づいてマイクロコントローラによりセンサ出力が調整される。
本発明は、圧電抵抗及び容量性センサにおけるドリフトを修正するための改良された技術を提供する。この技術は、比較的簡単な１組の外部条件に応答してドリフトを自動的に自己修正する。好都合なことに、この技術は、センサのエージングのようなドリフトファクタを、公称ゼロ圧力条件で測定された電圧及び温度状態の関数として補償する。次いで、センサドリフトの修正を達成するために、ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタが他の圧力条件に適用される。
【０００７】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明を良く理解するために、対応部分が全体にわたって同じ参照番号で示された添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に基づくセンサドリフト修正装置２０を示す図である。この装置２０は、センサパッケージ２２を備えている。本発明は、センサドリフトに対する修正を確立するので、センサパッケージ２２は、非ハーメチックパッケージでよい。
パッケージ２２は、流体が通過するコンジット２４を備えている。コンジット２４は、通過流体を監視又は制御するための１つ以上の機能的装置を有する。例えば、パッケージ２２は、比例式コントローラ２６と、温度センサ２８と、第１圧力センサ３０と、積分コントローラ３２と、第２圧力センサ３４とを含むように実施される。本発明は、第１圧力センサ３０及び第２圧力センサ３４のような圧力センサの動作に向けられる。各圧力センサは、図１に示す形式の機能的装置に関連して動作されてもよいし、或いは質量流量コントローラ、圧力コントローラ、質量メーター又は圧力メーターのような装置を形成するように機能的装置の他の組み合わせで動作されてもよい。
【０００８】
パッケージ２２内に配置される個々の機能的ユニットからの信号は、個々のライン又はバス３６を経てマイクロコントローラ３８（必要に応じて関連電子装置を含む）へルート指定される。マイクロコントローラ３８は、それに関連した内部又は外部メモリ４０を有する。マイクロコントローラ３８は、メモリ４０に記憶された１組のプログラムを実行する。或いは又、マイクロコントローラ３８及びメモリ４０は、アプリケーション特有の集積回路（ＡＳＩＣ）であってもよいし、現場でプログラム可能なロジックデバイス（ＦＰＬＤ）であってもよいし、又は当業者に知られた他の同等の装置であってもよい。実施の仕方に関わりなく、１組の命令が本発明に基づいて実行される。
図１に示すように、１組の命令は、一般に、初期パラメータ指定モジュール４２と、標準モード制御モジュール４４と、校正条件識別モジュール４６と、センサドリフト計算モジュール４８と、センサドリフト調整モード動作モジュール５０とを含むことを特徴とする。これら各モジュールの機能は、以下に述べる。
【０００９】
図２は、本発明により使用される圧力センサ３０（又は３４）の拡大側面図である。センサ３０は、可撓性メンブレーン６１を伴うマイクロ加工されたゲージセンサ６０を備えている。このゲージセンサ６０は、非堅牢な接着剤６３を経て基板６２に取り付けられる。矢印６４で示されたように、コンジット２４内の流体により形成される圧力は、メンブレーン６１を撓ませるように動作する。矢印６５で示されたように、周囲圧力は、流体からの圧力に反作用する。以下の説明上、周囲圧力は、既知の定数であると仮定する。理想的には、周囲圧力は存在せず、即ちゲージセンサ６０の外部は真空である。圧電抵抗性又は容量性素子６６は、メンブレーン６１の撓みに応答して抵抗値を変化させる。素子６６から発生された信号は、ゲージセンサ６０からリード６８を経て送出される。
図３は、センサ３０の上面図である。この図は、ゲージセンサ６０の上部と、そこに配置された圧電抵抗性又は容量性素子６６（１つ又は複数）とを示している。圧電抵抗性センサ６６は、既知のブリッジ回路６９の一部分を形成する抵抗器として動作する。ブリッジ回路６９は、抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４を含む。ブリッジ回路６９は、センサ６０に配置されたメンブレーンに形成することができる。出力信号＋Ｖｏｕｔ及び−Ｖｏｕｔは、マイクロコントローラ３８へルート指定される。ブリッジ回路６９及びそれに関連したゲージセンサ６０を使用して抵抗変化を表わす信号を得ることは、公知である。又、抵抗変化を、コンジット２４内の流体の圧力に対応する圧力値へいかにマッピングするかも公知である。本発明は、これらの公知技術に向けられるのではなく、ゲージセンサ６０のようなセンサに関連したドリフトを補償及び修正するように信号を処理することに向けられる。
【００１０】
図４を参照して、本発明に関連した処理段階を説明する。図４に示された最初の処理段階は、公称ゼロ圧力条件に基づいて初期パラメータを確立することである（ステップ７０）。この動作は、初期パラメータ指定モジュール４２によって整合される。この動作は、図５に示されたことを特徴とする。
図５を参照すれば、初期パラメータを確立する最初の段階は、監視されたコンジットにおいて公称ゼロ圧力条件を形成することである（ステップ７２）。即ち、パッケージ２２のコンジット２４に低又はゼロ圧力条件が適用される。次いで、測定電圧及び温度値が公称ゼロ圧力条件において確保される（ステップ７４）。即ち、ブリッジ回路６９を使用して測定電圧信号が得られ、そして温度センサ２８を使用して、温度値が得られる。これらの各信号は、バス３６を経てマイクロコントローラ３８に供給される。
【００１１】
ゼロ圧力値、測定電圧値及び測定温度値は、次いで、式Ｉのような圧力定義多項式に挿入される（ステップ７６）。多項式に必要とされる係数の数は、必要とされる圧力及び温度の組合せの数を定義する。例えば、Ｖ3ＸＴ3は、１６個のデータポイントを必要とする。これは、通常、４つの各温度において４つの圧力を測定することにより達成される。４つの温度は、動作温度範囲を網羅しそしてそれを若干越えるのが好ましい。同様に、４つの圧力は、動作圧力範囲を網羅しそしてそれを若干越える。圧力ポイントの１つは、「ゼロ」でなければならず、これは、ここでは、約１０ｔｏｒｒ低い圧力（＜０．２ｐｓｉａ）として定義される。従って、ステップ７６は、ゼロ圧力項、ゼロ圧力における測定電圧値及びゼロ圧力における温度値と、多項式に対する充分な適合を得るのに必要とされる付加的な非ゼロ圧力の電圧及び温度値とを挿入することを意図している。以下、測定圧力又は電圧値を参照するときには、必要に応じて多数の測定圧力及び電圧値を含む。
【００１２】
その後、マイクロコントローラ３８は、初期パラメータ指定モジュール４２の制御のもとで、ゼロ圧力値、１つ以上の測定電圧値及び１つ以上の測定温度値に基づいて圧力定義多項式の係数を計算する（ステップ７８）。その結果、完全に表わされた圧力定義多項式が得られ、メモリ４０に記憶される。或いは又、個別のコンピュータを使用して、完全に表わされた圧力定義多項式の係数をメモリ４０にダウンロードしながら、この計算が実行されてもよい。
係数Ｍ０−Ｍ１５をもつ式Ｉの多項式を一例として取り上げる。他の多項式を使用してもよいし、いかなる数の技術を使用して、測定値に対する多項式係数を適合させてもよい。
再び図４を参照すると、次の処理段階は、センサを標準的なモードで動作することである（ステップ８０）。標準モード制御モジュール４４により制御される標準モードでは、測定電圧及び温度値が、圧力定義多項式、例えば、式Ｉに挿入され、そして圧力（Ｐ）がマイクロコントローラ３８により計算される。
【００１３】
圧力センサ３０は、このモードでは、延長時間周期にわたって動作することができる。しかしながら、最終的に、センサ３０の精度がドリフトし始める。従って、装置の修正が必要となる。本発明によれば、マイクロコントローラ３８は、校正コマンドを識別するように構成される（ステップ８２）。例えば、マイクロコントローラ３８の校正条件識別モジュール４６は、１０Ｔｏｒｒ未満の圧力信号の形態の校正コマンドと、３０秒より長い周期にわたって比例式コントローラ２６及び積分コントローラ３６に与えられた５ボルトフルスケールコマンドとを識別するように構成される。当業者に明らかなように、センサに関連した機能的素子に適用される他の外部条件を使用してもよい。このような条件に応答して、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタが確立される（ステップ８４）。この動作に関連した処理は、図６を参照して説明する。
図６に示された最初の段階は、監視されたコンジットにおいて公称ゼロ圧力条件を形成することである（ステップ７２）。これは、図５を参照して述べた同じ段階である。次いで、測定電圧及び温度値が公称ゼロ圧力条件において確保される（ステップ７４）。この段階は、図５を参照して述べた段階と同様であるが、この場合には、測定電圧値が、おそらく、センサ６０のドリフトを反映して最初の読みとは異なるものとなる。次いで、センサドリフト計算モジュール４８に関連して動作するマイクロコントローラ３８は、ゼロ圧力条件（Ｐ＝０）、時間ｊ（ｔ＝ｊ）及び温度ｋ（Ｔ＝ｋ）における電圧値Ｖを指示する電圧項Ｖ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）のような公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタを出力する（ステップ８６）。或いは又、圧力項は、ゼロ圧力条件（Ｐ＝０）、時間ｊ（ｔ＝ｊ）及び温度ｋ（Ｔ＝ｋ）における圧力値Ｐを指示する圧力項Ｐ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）のような出力として使用されてもよい。
【００１４】
図４に戻ると、図示された最終的な処理段階は、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタに基づいてセンサ出力を調整することである（ステップ８８）。この段階は、センサドリフト調整モード動作モジュール５０で実施される。上述したように、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタは、電圧項Ｖ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）であるか又は圧力項Ｐ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）である。電圧項の場合には、特定の圧力定義多項式に新たな変数Ｖ＊が挿入される。新たな変数Ｖ＊は、次のように表わされる。
Ｖ＊(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)＝Ｖ(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)−
Ｖ(Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ) （式ＩＩ）
従って、公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタＶ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）は、現在測定された測定信号Ｖ（Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）から減算され、その差が、特定の圧力定義多項式の電圧項として挿入される。更に、圧力定義多項式の第１係数Ｍ0は、式Ｉにおいてゼロにセットされる。初期校正ポイント（ｔ＝０）において、Ｖ＊（Ｐ＝０、ｔ＝０、Ｔ＝ｋ）＝０であることを観察しなければならない。
【００１５】
ゼロ圧力における抵抗器の温度依存性を考慮するために、次の多項式が解かれる。
Ｖ(Ｐ＝０、ｔ＝０、Ｔ＝ｋ)＝Ｎ(Ｐ＝０、ｔ＝０)＋Ｎ1＊Ｔk＋Ｎ2Ｔk 2
（式ＩＩＩ）ある時間の後に（ｔ＝ｊ）、Ｖ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）が測定される。次いで、式ＩＩＩのＶ（Ｐ＝０、ｔ＝０、Ｔ＝ｋ）に置き換わるようにＶ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）を用いてＮ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ）が解かれる。従って、次のようになる。
Ｖ＊(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)＝Ｖ(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)−
（Ｎ(Ｐ＝０、ｔ＝ｊ)＋Ｎ1＊Ｔk＋Ｎ2Ｔk 2）
（式ＩＶ）
次いで、式ＩＶから得られたＶ＊を式Ｉからの最初の係数と共に使用して、時間ｊ（ｔ＝ｊ）及び温度ｋ（Ｔ＝ｊ）における圧力（Ｐ）を解く。
特定の圧力定義多項式は、元のゼロ圧力条件により定義された係数を有することを想起されたい。このとき処理される電圧項（Ｖ＊）は、項Ｖ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝Ｋ）で反映されるように、特定の温度におけるセンサドリフトを考慮したものとなる。
【００１６】
公称ゼロ圧力条件（Ｐ＝０）の場合には、１０Ｔｏｒｒ未満の圧力を使用すべきであることが実験で示された。高い「ゼロ」圧力を使用する場合には、校正の精度が低下する。その後の校正については、「ゼロ」圧力を最初の圧力以下にしなければならず、さもなくば、精度が低下する。
センサドリフト修正ファクタとしての電圧項の使用について以下に説明する。圧力定義多項式に対する初期の１組の係数は、Ｖ＊項を使用して計算できることが当業者に明らかである。より詳細には、初期の校正ポイントにおけるＶ＊の値（Ｖ＊＝０）が式Ｉに挿入される。Ｍ0項はゼロにセットされ、そしてゼロ圧力項と、ゼロ圧力における測定温度と、適合を確立するのに必要とされる付加的な温度及び圧力値とに基づいて係数値が計算される。
【００１７】
センサドリフト修正ファクタとしての電圧項の使用について述べた。上述したように、圧力項もセンサドリフト修正ファクタとして使用することができる。特に、校正後の時間に、最初の係数を使用して、そのときの「ゼロ」圧力信号に基づく圧力の読みが計算される。この圧力Ｐ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）が、その後に計算される全ての圧力から減算される。数学的には、Ｘ＞０の場合の全ての値に対し、調整される圧力は、次のように計算される。
Ｐ＊(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)＝Ｐ(Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ)−
Ｐ(Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ) （式Ｖ）
Ｐ（Ｐ＝ｘ、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）及びＰ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）は、特定の圧力定義多項式（例えば、式Ｉのような多項式）を用いて計算される。Ｐ＊は、式Ｖを使用してマイクロコントローラ３８によって計算される。次いで、Ｐ＊は、感知された実際の圧力として使用される。この手順は、周期的に繰り返される。即ち、Ｐ（Ｐ＝０、ｔ＝ｊ、Ｔ＝ｋ）が得られ、そしてそれに応じてアルゴリズムが更新される。この手順は、式ＩＶによる処理が使用される場合にも同様に繰り返される。
【００１８】
以上、本発明を完全に理解するために特定の用語を使用して説明した。しかしながら、当業者であれば、本発明を実施するために特定の細部は必要とされないことが明らかであろう。他の点では、基本的な発明から不必要に注意をそらさないために、良く知られた回路及び装置は、ブロック図の形態で示した。従って、本発明の特定の実施形態についての上記説明は、例示に過ぎない。本発明は、ここに開示された詳細な形態に限定されるものではなく、上記技術に鑑み、多数の変更や修正がなされ得ることが明らかである。本発明の原理及びその実際の応用を最良に説明するために実施形態を選択して説明した。これにより、当業者であれば、本発明を最良に利用し、そして意図された特定の用途に適するように種々の変更を伴う種々の実施形態を最良に利用することができよう。本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその等効物のみによって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態により形成されたセンサドリフト校正及び修正装置を示す図である。
【図２】 本発明により使用できるゲージセンサを示す図である。
【図３】 本発明の実施形態に基づいて使用されるセンサ及びそれに付随するブリッジ回路を示す図である。
【図４】 本発明の実施形態に基づいて実行されるセンサドリフト校正及び修正処理段階を示す図である。
【図５】 図４のプロセスの第１段階に関連した処理段階を示す図である。
【図６】 図４のプロセスの最後から２番目の段階に関連した処理段階を示す図である。
Claims (7)
- センサのドリフトを修正する方法において、
上記センサに関連したコンジットに公称ゼロ圧力条件を形成し、
上記公称ゼロ圧力条件において測定電圧値及び測定温度値を確保し、
ゼロ圧力項、上記測定電圧値及び上記測定温度値を圧力定義多項式に挿入し、
特定の圧力定義多項式を確立するように上記圧力定義多項式の係数を計算し、
上記センサに関連した機能的素子に適用される所定の１組の条件に応答して校正コマンドを識別し、
上記公称ゼロ圧力条件で確保される測定電圧値及び測定温度値に基づいて上記センサに対する公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタを確立し、そして
上記公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタに基づいてセンサ出力を調整するという段階を含み、
上記調整段階は、前記センサ出力を上記公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタで調整して、補償された電圧信号を確立する段階、あるいは、前記センサ出力に基づく測定圧力信号を上記公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタで調整する段階を含むことを特徴とする方法。 - 上記補償された電圧信号を上記特定の圧力定義多項式に挿入する段階を更に含む請求項１に記載の方法。
- センサのドリフトを修正する装置であって、
上記センサに関連したコンジットに公称ゼロ圧力条件を形成し、
上記公称ゼロ圧力条件において測定電圧値及び測定温度値を確保し、
ゼロ圧力項、上記測定電圧値及び上記測定温度値を圧力定義多項式に挿入し、
特定の圧力定義多項式を確立するように上記圧力定義多項式の係数を計算し、
上記センサに関連した機能的素子に適用される所定の１組の条件に応答して校正コマンドを識別し、
上記公称ゼロ圧力条件で確保される測定電圧値及び測定温度値に応答して上記センサに対する公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタを確立し、そして
上記公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタに基づいてセンサ出力を調整するように構成されたマイクロコントローラを備え、
上記マイクロコントローラは、前記センサ出力を上記公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタで調整して、補償された電圧信号を確立するか、あるいは、前記センサ出力に基づく測定圧力信号を上記公称ゼロ圧力センサドリフト修正ファクタで調整することにより前記センサ出力を調整することを特徴とするセンサのドリフトを修正する装置。 - 上記マイクロコントローラは、上記補償された電圧信号を上記特定の圧力定義多項式に挿入する請求項３に記載の装置。
- 上記マイクロコントローラは、質量流量コントローラ、圧力コントローラ、質量メーター及び圧力メーターより成る群から選択された機能的素子に接続される請求項３に記載の装置。
- 上記センサは、ゲージセンサを含む請求項３に記載の装置。
- 上記ゲージセンサを包囲する非ハーメチックパッケージを更に含む請求項６に記載の装置。
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