JPH09503294A - 補償手段付き容量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 圧力センサ（１０）は２つのコンデンサ電極（１１４、１１６）間の容量を測定することによってっ圧力を測定する。圧力の変化は容量の変化として現われる。浮遊容量がこの測定の障害になる。浮遊容量はコンデンサ電極（１１４、１１６）とその回りの材料との間に発生する。回路（１４０）が、コンデンサ電極（１１４、１１６）および、その回りの浮遊容量の原因となる材料間に電位差を生じないようにすることによって浮遊容量を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 補償手段付き容量センサ 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。 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。 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。 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。 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 ド電極に対する浮游容量を有する。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。 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。 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。 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 。 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 。 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。 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。 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１ ８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）２ ０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。 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３ ２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２ ０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。 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。 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。 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５０Ａ、５０Ｂはそれぞれダイアフラム組立体５４Ａ、５ ４Ｂ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６０Ａ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。 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。 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。 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 １０８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１ １２との間の各容量に依存する。この容量は、絶縁層１１８、１２０が電極１１ ４、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。 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ＣＳ２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。 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Ｃ Ｓ２１、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Ｃ_I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＋Ｖ_R、 −Ｖ_R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ＳＷ４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（Frick）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、ＣＳ ２１、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＋Ｖ_R、−Ｖ_R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）×｛Ｖ_R−（−Ｖ_R）｝ ×（ＣＳ１１＋ＣＳ２２） この電流の典型的値は０．０７ｍａのオーダである（ＣＳ１１、ＣＳ２２は２０ ０×１０^-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。 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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、 基準電圧原と、 基準電圧に対して交互に変化する駆動電圧を、第１のコンデンサ電極に洪給す る駆動回路と、 基準電位に接続されて基準電圧に実質的に等しい仮想の基準電圧を発生する感 知回路と、 第２のコンデンサ電極に接続されて第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切り替え回路とを具備した感知回路。 ２．ガードが半導体材料で構成された請求項１記載の感知回路。 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 である請求項１記載の感知回路。 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。 ５．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、 感知電極および浮游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、 基準電位に接続されて基準電位に実質上等しい仮想基準電位出力を有し、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、 感知電極に接続されて感知電極上に保持された電荷を感知し、感知電極を浮遊 容量電極と実質上等しい電位に保持する電荷感知回路と、 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、 前記浮遊容量が感知されたコンデンサの測定から実質上除去されるようにした 、圧力の関数としての測定出力を発生する圧力測定回路。 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。 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 器である請求項５記載の圧力測定回路。