JP5867820B2

JP5867820B2 - 圧力センサ

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Publication number: JP5867820B2
Application number: JP2012051471A
Authority: JP
Inventors: 内山　武; 武内山; 新荻　正隆; 正隆新荻
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: CN103308246B; CN103308246A; US20130247677A1; JP2013185970A

Description

この発明は、圧力センサに関する。

従来、例えば、両面受圧型の２つの圧力センサ素子を、２つの対称な圧力導入経路上の位置に近接して、かつ互いに逆極性に配置し、２つの圧力センサ素子の出力を差動増幅することによって、圧力センサ素子の温度特性による検出誤差および外乱による振動などを相殺した出力を得る差圧センサ（圧力センサ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−２９０２７号公報

ところで、上記従来技術に係る圧力センサにおいて、例えば、感応部の材料形状などに応じて、圧力に対する感度の周波数依存性が緩やか又は非依存的であって、広範な周波数帯域に対してほぼ同等の感度を有している場合には、所望の周波数帯域の信号に対して他の周波数帯域の信号によるノイズ（雑音）が増大してしまい、所望の周波数帯域以外の信号によって圧力センサの出力が飽和してしまう虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、検出誤差および外乱による振動などを低減しつつ、所望の周波数特性を得ることが可能な圧力センサを提供することを目的としている。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の請求項１に係る圧力センサは、２つの圧力変動センサ（例えば、実施の形態での第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａおよび第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂ）と、前記２つの圧力変動センサの出力の差分を検出する検出手段（例えば、実施の形態での検出回路１２）と、を備え、前記圧力変動センサは、開口するキャビティ（例えば、実施の形態でのキャビティ２１）と、基端側から先端側に向かう方向に延びる板状に形成され、前記キャビティの開口端（例えば、実施の形態での開口端２１ａ）において片持ち状態で支持された基端部（例えば、実施の形態での基端部２２ａ）および自由端とされた先端部（例えば、実施の形態での先端部２２ｂ）を有し、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバー（例えば、実施の形態でのカンチレバー２２）と、前記カンチレバーの前記先端部と前記キャビティの開口端との間に設けられ、前記キャビティの内部と外部とを連通するギャップ（例えば、実施の形態でのギャップ２３）と、前記カンチレバーの撓み変形を検出して、検出結果の信号を出力する変形検出手段（例えば、実施の形態でのピエゾ抵抗２４）と、を備え、前記２つの圧力変動センサは、少なくとも前記キャビティの容量または前記ギャップの距離に応じて互いに異なる周波数特性を有する。

さらに、本発明の請求項２に係る圧力センサでは、前記周波数特性は、前記圧力変動センサの感度が所定値以上となる下限周波数である。

さらに、本発明の請求項３に係る圧力センサでは、前記２つの圧力変動センサは、前記カンチレバーの延在方向において一方の前記カンチレバーの前記先端部と他方の前記カンチレバーの前記基端部とを対向させて、隣り合うように配置されている。

さらに、本発明の請求項４に係る圧力センサでは、前記２つの圧力変動センサは、前記カンチレバーの延在方向において互いの前記カンチレバーの前記先端部同士を対向させて、隣り合うように配置されている。

さらに、本発明の請求項５に係る圧力センサでは、前記変形検出手段は、半導体材料によって形成された前記カンチレバーの前記基端部において不純物のドーピングによって形成されたピエゾ抵抗（例えば、実施の形態でのピエゾ抵抗２４）を備える。

本発明の圧力センサによれば、互いに異なる周波数特性を有する２つの圧力変動センサの出力の差分を検出することによって、異なる周波数特性の差分に相当する所望の周波数特性の圧力変動のみを検出することができる。
これにより、所望の周波数特性以外の他の周波数特性の圧力変動によって所望の周波数特性の圧力変動に対するノイズ（雑音）が増大することを防止し、初段の増幅回路などにおいて信号が飽和してしまうことを防止することができる。

しかも、２つの圧力変動センサの出力の差分によって、各圧力変動センサに生じる温度特性による検出誤差および外乱による振動などを相殺することができ、圧力変動の検出精度を向上させることができる。

さらに、２つの圧力変動センサの互いに異なる周波数特性を、例えば遮断周波数などのように圧力変動センサの感度が所定値以上となる下限周波数とすることによって、異なる下限周波数の差分に相当する所望の周波数帯域の圧力変動のみを検出することができる。

つまり、２つの圧力変動センサの出力の差分を検出することによって、一方の下限周波数と他方の下限周波数との間の所望の周波数帯域よりも高い周波数および低い周波数の圧力変動を相殺することができる。
これにより、圧力センサを所望の周波数帯域の圧力変動のみに対して感度を有するように作動させることができる。

さらに、２つの圧力変動センサは、カンチレバーの延在方向において互いのカンチレバーの基端側から先端側に向かう方向が同一方向となるように配置されていることによって、例えば風や光などの外乱による振動を互いのカンチレバーに対して同様に作用させることができ、２つの圧力変動センサの出力の差分によって、各圧力変動センサに生じる外乱による振動を適切に相殺することができる。

さらに、２つの圧力変動センサは、カンチレバーの延在方向において互いのカンチレバーの基端側から先端側に向かう方向が反対方向となるように配置されていることによって、例えば音などの高い周波数帯域の振動に対して互いのカンチレバーの感度に位相差が生じることを抑制することができ、２つの圧力変動センサの出力の差分によって、各圧力変動センサに生じる音などの高い周波数帯域の振動を適切に相殺することができる。

本発明の実施の形態に係る圧力センサの圧力変動センサの平面図および断面図である。本発明の実施の形態に係る圧力センサの圧力変動センサの出力の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る圧力センサの圧力変動センサの動作の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る圧力センサの構成図である。本発明の実施の形態に係る圧力センサの構成図である。本発明の実施の形態に係る圧力センサの出力の一例を示す図である。本発明の実施の形態の第１変形例に係る圧力センサの構成図である。本発明の実施の形態の第２変形例に係る圧力センサの構成図である。本発明の実施の形態の第３変形例に係る圧力センサの構成図である。本発明の実施の形態の第４変形例に係る圧力センサの構成図である。

以下、本発明の一実施形態に係る圧力センサについて添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による圧力センサ１０は、例えば、互いに異なる周波数特性を有する２つの圧力変動センサ１１（例えば、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａおよび第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂ）と、２つの圧力変動センサ１１の出力の差分を検出する検出回路１２と、を備え、圧力（例えば、気圧など）の変動に応じた信号を出力する。

圧力センサ１０の圧力変動センサ１１は、例えばシリコン支持層とＳｉＯ_２からなる酸化層とシリコン活性層とを熱的に貼り合わせたＳＯＩ基板などから形成され、例えば図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、キャビティ２１と、カンチレバー２２と、ギャップ２３と、ピエゾ抵抗２４と、を備えて構成されている。

キャビティ２１は、例えば、ＳＯＩ基板のシリコン支持層によって、開口する有底筒状に形成されている。

カンチレバー２２は、例えば、ＳＯＩ基板のシリコン活性層によって、基端側から先端側に向かう方向（長手方向）に延びる板状に形成され、キャビティ２１の開口端２１ａにおいて片持ち状態で支持された基端部２２ａおよび自由端とされた先端部２２ｂを有し、キャビティ２１の内部と外部との圧力差に応じて撓み変形する。

ギャップ２３は、カンチレバー２２の先端部２２ｂとキャビティ２１の開口端２１ａとの間に設けられ、キャビティ２１の内部と外部とを連通する。

ピエゾ抵抗２４は、例えば、イオン注入法や拡散法などの各種の方法によってカンチレバー２２の基端部２２ａにリンなどのドープ剤（不純物）がドーピングされて形成され、カンチレバー２２の基端部２２ａを厚さ方向に貫通する貫通孔２２ｃを短手方向（カンチレバー２２の長手方向および厚さ方向に直交する方向）の両側から挟み込むように設けられ、カンチレバー２２の撓み変形の変形量（つまり応力の大きさ）に応じて抵抗値を変化させる。

貫通孔２２ｃの両側に設けられた一方および他方のピエゾ抵抗２４は、後述する検出回路１２と、カンチレバー２２の基端部２２ａにおいて貫通孔２２ｃよりも先端側にずれた位置に設けられた導電性材料からなる配線部２５とに接続され、この配線部２５と一方および他方のピエゾ抵抗２４とを含む全体的な形状は平面視Ｕ字状に形成されている。

これにより、例えば、一方のピエゾ抵抗２４に所定電圧が印加されると、この電圧印加に起因する電流は、貫通孔２２ｃを回り込むようにして、一方のピエゾ抵抗２４から配線部２５を経由して他方のピエゾ抵抗２４に流れる。この電流は、カンチレバー２２の撓み変形の変形量に応じて変化するピエゾ抵抗２４の抵抗値に応じて大きさが変化する圧力変動センサ１１の出力となる。

そして、圧力変動センサ１１は、少なくともキャビティ２１の容量Ｖまたはギャップ２３の距離Ｇに応じた固有の周波数特性を有している。
この周波数特性は、例えば遮断周波数ｆｃなどのように圧力変動センサ１１の感度が所定値以上となる下限周波数であって、この下限周波数より低い周波数帯域の圧力変動に対しては周波数の低下に伴い感度は低下傾向に変化し、下限周波数より高い周波数帯域の圧力変動に対しては周波数の増大に伴い感度は所定値から上限値に飽和するように増大傾向に変化する。

以下に、圧力変動センサ１１の動作例について説明する。
この圧力変動センサ１１において、例えば図２（Ａ），（Ｂ）に示す期間Ａのようにキャビティ２１の外部の圧力Ｐｏｕｔ（＝第１所定圧力Ｐａ）と内部の圧力Ｐｉｎとの圧力差がゼロである場合には、例えば図３（Ａ）に示すようにカンチレバー２２は撓み変形せず、圧力変動センサ１１の出力（センサ出力）はゼロである。

これに対して、例えば図２（Ａ），（Ｂ）に示す時刻ｔ１以降の期間Ｂのように、キャビティ２１の外部の圧力Ｐｏｕｔがステップ状に増大すると（Ｐｏｕｔ←第２所定圧力Ｐｂ＞Ｐａ）、例えば図３（Ｂ）に示すようにキャビティ２１の外部と内部との圧力差に応じてカンチレバー２２は撓み変形を開始し、この変形量の増大に伴い、圧力変動センサ１１の出力は増大傾向に変化する。

そして、ギャップ２３を介してキャビティ２１の外部から内部へと圧力伝達媒体が流動して、キャビティ２１の内部の圧力Ｐｉｎが外部の圧力Ｐｏｕｔの変動よりも緩やかな応答によって徐々に増大すると、キャビティ２１の外部と内部との圧力差の減少に伴ってカンチレバー２２の変形量は減少傾向に変化し、圧力変動センサ１１の出力は減少傾向に変化する。
そして、例えば図２（Ａ），（Ｂ）に示す時刻ｔ２以降の期間Ｃのように、キャビティ２１の内部の圧力Ｐｉｎが外部の圧力Ｐｏｕｔに等しくなると（Ｐｉｎ＝Ｐｏｕｔ＝Ｐｂ）、例えば図３（Ｃ）に示すようにカンチレバー２２の撓み変形は解消され、圧力変動センサ１１の出力はゼロになる。

圧力センサ１０の検出回路１２は、例えば図４に示すように、ブリッジ回路３１と、基準電圧発生回路３２と、差動増幅回路３３と、出力回路３４と、を備えて構成されている。

ブリッジ回路３１は、例えば、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａのピエゾ抵抗２４（第１ピエゾ抵抗２４ａ：抵抗値ＲＰ１）および第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂのピエゾ抵抗２４（第２ピエゾ抵抗２４ｂ：抵抗値ＲＰ２）が直列接続されてなる枝辺と、固定抵抗４１（抵抗値Ｒ１）と固定抵抗４２（抵抗値Ｒ２）とが直列接続されてなる枝辺とが、基準電圧発生回路３２に対して並列に接続されて構成されている。
このブリッジ回路３１において、第１ピエゾ抵抗２４ａと第２ピエゾ抵抗２４ｂとの接続点は差動増幅回路３３の反転入力端子に接続され、固定抵抗４１，４２同士の接続点は差動増幅回路３３の非反転入力端子に接続されている。

基準電圧発生回路３２は、ブリッジ回路３１に所定の基準電圧Ｖｃｃを印加する。

差動増幅回路３３は、ブリッジ回路３１の２つの固定抵抗４１，４２同士の接続点と、第１ピエゾ抵抗２４ａと第２ピエゾ抵抗２４ｂとの接続点との間の電位差を検出し、この電位差を所定増幅率にて増幅して出力する。
この電位差は、第１ピエゾ抵抗２４ａの抵抗値ＲＰ１と第２ピエゾ抵抗２４ｂの抵抗値ＲＰ２との差分（ＲＰ１−ＲＰ２）、つまり第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａの出力と第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂの出力との差分に応じた値となる。

第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａと第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂとは、例えば図５に示すように、互いのギャップ２３の距離Ｇを同一とし、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａのキャビティ２１の容量Ｖ１を第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂのキャビティ２１の容量Ｖ２よりも大きくすることによって、互いに異なる周波数特性、例えば互いに異なる遮断周波数ｆｃ１，ｆｃ２（＞ｆｃ１）を有している。

これにより、例えば図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａは遮断周波数ｆｃ１以上の周波数帯域において所定値以上の感度を示すことに対して、第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂは遮断周波数ｆｃ１よりも高い遮断周波数ｆｃ２以上の周波数帯域において所定値以上の感度を示すことから、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａの出力と第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂの出力との差分は、異なる遮断周波数ｆｃ１，ｆｃ２間の周波数帯域（ｆｃ２−ｆｃ１）以外の周波数帯域の出力を相殺する。
したがって、圧力センサ１０は、いわば所望の周波数帯域（ｆｃ２−ｆｃ１）の圧力変動のみに対して感度を有するように作動する。

出力回路３４は、例えば低域通過フィルタなどを備え、差動増幅回路３３から出力された信号に所定のフィルタ処理を行ない、処理後の信号を出力する。

上述したように、本実施の形態による圧力センサ１０によれば、互いに異なる周波数特性として、例えば遮断周波数などのように圧力変動センサ１１の感度が所定値以上となる下限周波数を有する２つの圧力変動センサ１１（第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａおよび第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂ）の出力の差分を検出することによって、異なる下限周波数の差分に相当する所望の周波数帯域の圧力変動のみを検出することができる。
これにより、所望の周波数帯域以外の他の周波数帯域の圧力変動によって所望の周波数帯域の圧力変動に対するノイズ（雑音）が増大することを防止し、初段の増幅回路などにおいて信号が飽和してしまうことを防止することができる。

しかも、２つの圧力変動センサ１１の出力の差分によって、各第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａおよび第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂに生じる温度特性による検出誤差および外乱による振動などを相殺することができ、圧力変動の検出精度を向上させることができる。

なお、上述した実施の形態においては、例えば図７に示す第１変形例のように、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａと第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂとは、互いのキャビティ２１の容量Ｖを同一とし、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａのギャップ２３の距離Ｇ１を第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂのギャップ２３の距離Ｇ２よりも小さくすることによって、互いに異なる周波数特性、例えば互いに異なる遮断周波数ｆｃ１，ｆｃ２（＞ｆｃ１）を有していてもよい。

なお、上述した実施の形態においては、例えば図８に示す第２変形例のように、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａと第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂとは、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａのギャップ２３の距離Ｇ１を第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂのギャップ２３の距離Ｇ２よりも小さくし、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａのキャビティ２１の容量Ｖ１を第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂのキャビティ２１の容量Ｖ２よりも大きくすることによって、互いに異なる周波数特性、例えば互いに異なる遮断周波数ｆｃ１，ｆｃ２（＞ｆｃ１）を有していてもよい。

なお、上述した実施の形態においては、例えば図９（Ａ），（Ｂ）に示す第３変形例のように、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａと第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂとは、互いのカンチレバー２２の延在方向（長手方向）において第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａのカンチレバー２２の基端部２２ａと第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂのカンチレバー２２の先端部２２ｂとを対向させて、隣り合うように配置されてもよい。

この第３変形例によれば、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａと第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂとは、カンチレバー２２の延在方向において互いのカンチレバー２２の基端側から先端側に向かう方向が同一方向となるように配置されていることによって、例えば風や光などの外乱による振動を互いのカンチレバー２２に対して同様に作用させることができ、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａおよび第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂの出力の差分によって、各第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａおよび第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂに生じる外乱による振動を適切に相殺することができる。

なお、上述した実施の形態においては、例えば図１０（Ａ），（Ｂ）に示す第４変形例のように、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａと第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂとは、互いのカンチレバー２２の延在方向（長手方向）において互いのカンチレバー２２の先端部２２ｂ同士を対向させて、隣り合うように配置されてもよい。

この第４変形例によれば、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａと第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂとは、カンチレバー２２の延在方向において互いのカンチレバー２２の基端側から先端側に向かう方向が反対方向となるように配置されていることによって、例えば音などの高い周波数帯域の振動に対して互いのカンチレバー２２の感度に位相差が生じることを抑制することができ、第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａおよび第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂの出力の差分によって、各第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ａおよび第２圧力変動センサ（Ｐ２）１１ｂに生じる音などの高い周波数帯域の振動を適切に相殺することができる。

なお、上述した実施の形態において、圧力センサ１０は互いに異なる周波数特性を有する２つの圧力変動センサ１１を備えるとしたが、これに限定されず、少なくとも複数の圧力変動センサ１１を備え、これらの圧力変動センサ１１のうち適宜の２つの圧力変動センサ１１の出力の差分を検出してもよい。

なお、上述した実施の形態において、圧力変動センサ１１は、キャビティ２１の容量Ｖまたはギャップ２３の距離Ｇに応じた固有の周波数特性を有するとしたが、これに限定されず、他のパラメータ、例えばキャビティ２１の形状やギャップ２３の形状および位置などに応じて固有の周波数特性を有していてもよい。

１０…圧力センサ１１ａ…第１圧力変動センサ（Ｐ１）１１ｂ…第２圧力変動センサ（Ｐ２）１２…検出回路（検出手段）２１…キャビティ２１ａ…開口端２２…カンチレバー２２ａ…基端部２２ｂ…先端部２３…ギャップ２４…ピエゾ抵抗（変形検出手段）

Claims

２つの圧力変動センサと、
前記２つの圧力変動センサの出力の差分を検出する検出手段と、を備え、
前記圧力変動センサは、
開口するキャビティと、
基端側から先端側に向かう方向に延びる板状に形成され、前記キャビティの開口端において片持ち状態で支持された基端部および自由端とされた先端部を有し、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、
前記カンチレバーの前記先端部と前記キャビティの開口端との間に設けられ、前記キャビティの内部と外部とを連通するギャップと、
前記カンチレバーの撓み変形を検出して、検出結果の信号を出力する変形検出手段と、を備え、
前記２つの圧力変動センサは、少なくとも前記キャビティの容量または前記ギャップの距離に応じて互いに異なる周波数特性を有することを特徴とする圧力センサ。
前記周波数特性は、前記圧力変動センサの感度が所定値以上となる下限周波数であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記２つの圧力変動センサは、前記カンチレバーの延在方向において一方の前記カンチレバーの前記先端部と他方の前記カンチレバーの前記基端部とを対向させて、隣り合うように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサ。
前記２つの圧力変動センサは、前記カンチレバーの延在方向において互いの前記カンチレバーの前記先端部同士を対向させて、隣り合うように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサ。
前記変形検出手段は、
半導体材料によって形成された前記カンチレバーの前記基端部において不純物のドーピングによって形成されたピエゾ抵抗を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１つに記載の圧力センサ。