JPH10332504A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 定置された基板に対し規定の小さい間隔で振
動構造体が設けられており、圧力に依存する振動周波数
変化を捕捉する手段が設けられている圧力センサにおい
て、過負荷に強くなるよう構成する。 【解決手段】 振動構造体１２と基板２０との間の間隔
ｄが振動中、一定に保持されるように構成されている。
振動構造体１２は線形振動子または回転振動子である。
そしてこの振動構造体１２は振動質量体１４を有してお
り、この振動質量体１４は、ばね１６を介して基板２０
と結合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、共振により振動す
る振動構造体が設けられており、該振動構造体は、定置
された基板に対し規定の小さい間隔を有しており、前記
振動構造体を励起する手段と、圧力に依存する振動周波
数変化を捕捉する手段が設けられている圧力センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】上述の形式の圧力センサは知られてい
る。Buser, AMA-Seminar "Mikromechanik", 19.10.198
9, Heidelberg, ACS-Organisations GmbH 1989, p.231-
246 によれば、共振により振動する振動構造体をもつ圧
力センサが公知であり、この場合、圧力に依存する振動
変化が捕捉されて評価される。この種の圧力センサの感
度については、検出すべき圧力領域に関する振動品質Ｑ
が重要となる。公知の圧力センサにおける欠点は、この
振動品質Ｑが圧力に依存するエネルギー放射（音響伝
播）に起因することである。この作用は広い範囲で変化
する可能性があり、たとえば振動構造体と定置された基
板との間隔が変化すると、変わってしまう可能性があ
る。冒頭で述べた形式の圧力センサはたとえば荒々しい
環境で用いられ、実例としては車両に組み込まれるの
で、ほんの僅かな変化だけで感度が損なわれてしまう。
しかも、圧力センサ近傍に吸音性部材または減衰部材を
設けて鈍らせるようにすると、測定感度も損なわれてし
まうことになる。

【０００３】DE 43 008 93 A1 によれば、共振により振
動する振動構造体がセンサ素子として用いられるように
構成された別の圧力センサが公知である。この場合、振
動構造体は互いに対向する定置された基板の間で振動
し、したがって距離の変化が生じることになる。圧力の
変化に起因して共振周波数がずれることになり、このこ
とは適切な評価手段によって検出可能である。振動構造
体と基板との間の間隔が変わることで、圧力センサの感
度が損なわれることになる。それというのも、振動構造
体と基板との間における流れの状態は間隔が変化するこ
とでやはり変化し、したがって測定結果が誤ったものと
なるからである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の課
題は、過負荷に強い圧力センサを提供することである。

【発明を解決するための手段】本発明によればこの課題
は、振動構造体と基板との間の間隔は振動中、一定に保
持されることにより解決される。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明による圧力センサにより得
られる利点は、過負荷に強い圧力センサが提供されるこ
とであり、その機械的振動品質Ｑの圧力に依存する変化
を精確に予測することができ、このことで広い動作範囲
において著しく高い感度が得られることである。振動構
造体と基板との間の間隔が振動中、一定に保たれている
ことから、きわめて有利なことにこの間隔を、圧力変化
に起因して振動構造体振動の減衰が生じたとき、評価に
際して考慮できる。したがって、間隔の変化に起因する
測定エラーによって測定結果に影響が及ぼされることは
起こり得ない。殊に有利であるのは、振動構造体の機械
的振動品質Ｑは指数関数的に圧力が降下するとともに指
数関数的に上昇することであり、その結果、圧力センサ
の感度は殊に広い圧力動作範囲において被測定圧力が著
しく低いとき高められることになる。しかも、測定結果
に対し無視することのできる著しく小さい温度依存性し
か生じず、これは被測定ガス（ガスの圧力測定）の理論
的ガス理論によってしか決まらないものである。

【０００６】本発明の有利な実施形態によれば、振動構
造体は線形振動子または回転振動子である。このような
振動構造体によれば、表面マイクロメカニックにおける
既知の手法により、たとえば犠牲層エッチングまたは付
加的集積技術により実現できる。そのような方式によれ
ば、僅かな寸法において高精度な構造を達成できる。し
たがってμｍ領域のサイズの圧力センサを製造すること
ができ、サイズが小さがゆえにコストをかけることなく
このセンサを多種多様に利用することができる。

【０００７】さらに本発明の有利な実施形態によれば、
圧力センサは、基板に対しそれぞれ異なる大きさの一定
間隔をもつ複数の振動構造体を有するように構成されて
いる。振動構造体と基板との間隔がそれぞれ異なる２つ
の圧力センサをこのように組み合わせること自体で、圧
力測定のほかにも、ガスが種々の分子直径のガス成分を
有するときにガスの混合比を推定できる。

【０００８】本発明のさらに別の有利な実施形態によれ
ば、圧力センサはその動作圧力の自己監視機能をもつ旋
回レートセンサとして使用される。これにより、たとえ
ば加速度捕捉検出のために車両に組み込まれるような旋
回レートセンサの機能を継続的に監視することができ
る。本発明による圧力センサの測定範囲は旋回レートセ
ンサの動作圧力範囲と一致しており、したがって旋回レ
ートセンサ製造中の品質管理を行えるとともに、旋回レ
ートセンサの規定どおりの使用中に常時、監視を行うこ
とができる。

【０００９】従属請求項には、本発明の有利な実施形態
が示されている。

【００１０】次に、図面を参照しながら本発明の実施例
について詳細に説明する。

【００１１】

【実施例】図１には圧力センサの平面図が示されてい
る。圧力センサ１０は振動構造体１２を有しており、振
動構造体１２は質量体１４から成り、この質量体１４は
ばね１６を介して基板２０の取り付け位置１８と接続さ
れている。この振動構造体は、平面図に示されているよ
うに、基板２０が紙面平面により形成され、振動構造体
１２殊に質量体１４が基板２０に対し間隔ｄを有するよ
うに配置される（この図では紙面平面へ向かって見てい
るためこの間隔は描かれていない）。

【００１２】振動構造体１２の製造は、たとえば表面マ
イクロメカニカル手法により行うことができ、この場
合、間隔ｄを生じさせる犠牲層が質量体１４とばね１６
の下において除去され、たとえばエッチングにより除去
される。別の手法として挙げられるのは、振動構造体１
２を付加的に基板２０上に付け足すことである。さらに
別の実施例によれば、振動構造体１２が複数の個別質量
体から成るように構成することもできる。

【００１３】それ自体周知の適切な手段を介して、振動
構造体１２は共振による振動状態におかれる。この目的
で第１の変形実施例によれば振動励起は静電的に行わ
れ、この場合、静電的なくし形駆動部２２が設けられて
おり、そこにおいて位置固定されたすなわち基板２０と
結合されたくし２４が、質量体１４と結合されたくし２
６に指のように入り込んでいる。くし形駆動部２２に対
しパルス化された電圧が印加され、その結果、くし２４
と２６との間で静電的な吸引力がはたらき、この力によ
って振動構造体１２の振動が引き起こされることにな
る。

【００１４】振動励起の別の構成として挙げられるの
は、ばね１６を介して取り付け位置１８と質量体１４と
の間に流れるパルス化電流を振動構造体１２へ印加する
ことである。これと同時に、電流の流れる方向に対し垂
直に均質な磁界を印加し、その結果、ローレンツ力によ
り振動が励起される。

【００１５】さらに振動励起の別のやり方として、パル
ス化された熱源を用いることでばね１６を局所的に加熱
することもできる。このことにより、ばね１６の膨張特
性をバイメタル効果に従って振動励起に利用することが
できる。

【００１６】図２には、別の変形実施例による別の圧力
センサ１０が示されている。この場合、部分的に構造が
異なるけれども、図１と同じ部材には同じ参照符号が付
されており、それらについてはここでは繰り返して説明
しない。図１による圧力センサと図２による圧力センサ
との根本的な相違点は、図１では直線的に振動する振動
構造体であったが図２ではその代わりに回転振動を実行
する振動構造体１２が設けられている点である。振動質
量体１４はここではばね１６によって基板２０上の取り
付け位置１８のところに懸架されており、くし形駆動部
２２によって共振による回転振動状態におくことができ
る。ここでも振動構造体１２は基板表面に対し規定の間
隔ｄを有している。

【００１７】既述の圧力センサ１０の検出原理は、圧力
に依存する振動構造体１２の減衰に基づくものである。
この場合、共振する振動構造体１２（以下では共振器１
２とも称する）のＱは、所定の圧力範囲内では圧力によ
り著しく強く変化し、このことは共振周波数付近の周波
数の発生状態に基づき検出できる。この圧力依存性は、
狭い空隙ここでは振動構造体１２と基板２０との間の間
隔ｄにおいてガス粒子により減衰が引き起こされること
に起因するものである。機械的な可動部材が定置された
基板に対し所定の狭い間隔をおいて設けられている場
合、間隙中に存在するガスにおいて、直線的に上昇する
とみなせる流動特性が生じる。固定された基板２０のと
ころにじかに存在するガス分子は、振動質量体１４によ
っても影響を受けないのに対し、振動構造体１２のすぐ
周囲に存在するガス粒子は、振動構造体１２の速度に巻
き込まれて流される。そしてそれらのガス分子の摩擦に
より速度に比例する反力が発生し、これは振動構造体１
２の運動とは逆方向のものであってつまりそれを減衰さ
せる（クエット(Couette)減衰）。

【００１８】図４には、周囲圧力ｐとＱとの間の関係が
実例として空気中における５００Ｈｚの振動構造体１２
に関して示されている。この場合、特性曲線の経過につ
いて特徴的であるのは、２つの非安定個所が存在するこ
とである。

【００１９】１０００ｍＢａｒ（大気圧）〜（この場合
には）１０ｍＢａｒの圧力範囲では、圧力が下がっても
Ｑは僅かにしか上昇していない。このような上昇の仕方
は、理想的なガスとは異なり空気の粘性は圧力に依存し
ていないことに因る。この場合、理想的なガスに対して
は次式が成り立つ：

【００２０】

【数１】

【００２１】

【数２】

【００２２】ここでＱは機械的振動品質であり、ｄは基
板２０と振動構造体１２との間隔、μ_Gas はガスの粘
性、Ａは振動構造体１２の面積、ｍはその質量、ｈはそ
の高さ、ρはその密度、w₀ はその固有周波数、そして
ｃは懸架部（ばね１６）の剛性である。１０ｍＢａｒ〜
５μＢａｒの圧力範囲では、機械的振動特性は圧力が下
がるにつれて上昇する。詳細には、側方で区切られた構
造体におけるガスの粘性にとって決定的であるのは、平
均自由行程である。この平均自由行程が、固定された基
板２０と振動構造体１２との間の最小間隔よりも大きけ
れば、その運動はガスによって抑圧され、この場合、ガ
ス分子と振動構造体１２とが衝突する確率は、２つのガ
ス分子が衝突する確率よりも高い。

【００２３】ガス分子の平均自由行程ｌ_ｃとガスの粘性
μとの関係は以下のように表される：

【００２４】

【数３】

【００２５】

【数４】

【００２６】

【数５】

【００２７】

【数６】

【００２８】ここでｌ_ｃは平均自由行程であり、ｋはボ
ルツマン定数、Ｔは温度、ｒはガス分子の直径、ｖはガ
ス分子の平均速度、ｍ_Gas はその重量、そしてｐは圧力
である。

【００２９】平均自由行程ｌ_ｃが最小間隔ｄよりも大き
ければ、式（４）においてｌ_ｃはｄと置き換えられる。
式（２）に代入すると、ｌ_ｃ＞ｄの範囲では機械的振動
品質Ｑと圧力との間で以下の関係が成り立つ：

【００３０】

【数７】

【００３１】

【数８】

【００３２】

【数９】

【００３３】

【数１０】

【００３４】臨界的な圧力ｐ* とは、それを超えると機
械的振動特性に対する圧力依存性が著しく高まるような
圧力のことであるが、これは実質的に最小間隔ｄに左右
される。

【００３５】たとえば５μＢａｒの圧力を超えると、Ｑ
のそれ以上の増加はもはや不可能である。なぜならば、
そこからは内在的な材料減衰が優勢になるからである。
その値は材料に依存する。文献によれば、多結晶シリコ
ンに関して２０μＢａｒ〜５μＢａｒの値が知られてい
る。単結晶シリコンについては、ほぼ理想的な結晶状態
ゆえにそれよりも著しく低い圧力を期待できる。

【００３６】したがって、ここで説明している圧力セン
サ１０の測定範囲は、構造的に最小間隔ｄにより決まる
臨界的な圧力ｐ* と、内在的な材料減衰により規定され
る上方のブレークポイントとの間に位置することにあ
る。

【００３７】振動構造体１２は、その振動モードにおけ
る個々の環境に対して理想的なばね−質量系のように振
る舞う。線形振動子の実例として以下が成り立つ：

【００３８】

【数１１】

【００３９】

【数１２】

【００４０】ここでｋは減衰であり、ｘは振動構造体１
２の変位、Ｆは（たとえば静電的なくし形駆動部２２に
よる）駆動力、そしてｗは駆動力の角周波数である。同
じ関係は、等価式を留意することで回転形のシステムに
ついてもあてはまる。式（１２）には、調波の励起に対
するシステムの応答が示されている。この場合、第１項
は過渡成分を表しており、他方、項Ｂsin(wt - v) によ
り一定の応答が与えられる。角度ｖは励起の角周波数お
よび系の固有周波数に依存する。

【００４１】周波数ｗ＜＜ｗ₀ のときはｖ≒０である。
励起の角周波数が高くなると、ｖはｗ＝ｗ₀ のときに値
−９０゜になる。周波数ｗ＞＞ｗ₀ のとき、ｖは値−１
８０゜に近づく。

【００４２】その際に特徴的であるのは、ｖ＝−４５゜
とｖ＝−１３５゜になるときの周波数である。この場合
には系の振幅は、共振振幅の半分の対応する値をとる。
この周波数は共振に対するその角度関係ゆえに４５゜周
波数と称する。両方の周波数の比から、系のＱを算出す
ることができる：

【００４３】

【数１３】

【００４４】次に、発生する振動状態の評価について図
３に示されたブロック図を参照しながら説明する。この
ブロック図には、変位の容量式捕捉検出の行われる静電
的に励起される振動構造体が示されている。

【００４５】マイクロコントローラ２８により周波数発
生器３０が制御され、その際、この周波数発生器の周波
数が所定の周波数範囲内において一定の振幅で変化する
（揺動する）よう制御される。周波数発生器３０は正弦
波信号を供給し、この信号は直流電圧成分ＤＣ１ととも
に共振器12の駆動信号として用いられ、共振器１０を周
波数発生器３０により定められた周波数で振動させるよ
うにする。マイクロメカニカルな共振器１２は、式（１
２）に従って運動する。そしてこの機械的な運動は、直
流電圧源ＤＣ２により充電された第２のくし形構造体２
２を介して読み出される。その際、運動により引き起こ
された充／放電電流は、電流／電圧変換器３２（抵抗Ｒ
と接続された演算増幅器Ｏｐ−Ａｍｐ）によって、運動
に比例する正弦波電圧に変換される。電流／電圧変換器
（＋９０のシフト）に基づいて、位相角が０゜のときに
は共振周波数が発生し、±４５゜のときには４５゜周波
数が発生する。

【００４６】移相器３４，３６により、４５゜周波数の
ときのこのシフトが均等化される。さらに、位相弁別器
３８，４０により、マイクロメカニカルな振動構造体１
２の機械的運動に比例するものであり移相器３４，３６
から到来する正弦波電圧が、周波数発生器３０から到来
する信号と比較され、位相が一致したときにマイクロコ
ントローラ２８へパルスを供給する。位相弁別器３８
は、発生器の周波数が系の＋４５゜周波数と一致すると
き（つまり機械的運動に比例する信号が駆動信号に対し
精確に４５゜位相シフトしているとき）、信号を正確に
供給し、他方、位相弁別器４０は系の−４５゜周波数の
とき、マイクロコントローラ２８へパルスを供給する。
マイクロコントローラ２８はこのパルスに基づき、対応
する周波数を周波数発生器３０の制御テーブルから識別
し、式（１３）に従って対応するＱを求め、そのＱに対
しマイクロコントローラは較正テーブルから圧力を対応
づける。

【００４７】このセンサの評価の別の形態によれば、セ
ンサエレメントが周波数を規定する機械的な素子として
発振器回路に組み込まれるように構成することもでき
る。この目的で、センサエレメントの機械的な運動がく
し形構造体を介して測定され、この運動に比例する電圧
が増幅されてセンサへ再び供給される。このようなフィ
ードバックの形態の場合、発振器回路はセンサエレメン
トの機械的な共振周波数で振動する。この場合、連続的
な振動励起に必要とされる増幅回路により、式（８）の
ように圧力に依存する減衰損失が均等化される。つま
り、圧力の上昇により減衰が大きくなればなるほどＱが
小さくなり、構造体を引き続き連続的に振動させたまま
にするには増幅係数をいっそう大きくする必要がある。
増幅係数が調整部により追従制御されると、制御量とし
てのコントローラの出力電圧は式（８）に従って減衰つ
まりは圧力に比例したものとなる。このようなセンサを
旋回レートセンサの動作圧力モニタとして使用すれば、
この方式はきわめて有利となる。それというのも、旋回
レートセンサはその動作原理ゆえに運動発生のための調
整部を備えた回路コンセプトを利用しているからであ
る。旋回レートセンサの場合、回転速度によってセンサ
エレメント内にコリオリ力が引き起こされるよう、機械
的な運動が必要とされるのである。

【００４８】圧力センサ１０を絶対圧力センサとして使
用することのほかに、これを動作圧力の自己監視機能を
備えた旋回レートセンサとして用いることもできる。表
面マイクロメカニックにおける旋回レートセンサは約
０．５〜１ｍＢａｒの動作圧力を必要とし、これは約
０．１〜２０ｍＢａｒである圧力センサ１０の感応圧力
範囲に入る。このことから、旋回レートセンサは自身の
動作圧力を監視することができ、あるいは付加的に動作
圧力を測定することができる。

【００４９】さらにたとえばこのことを、旋回レートセ
ンサ製造における品質管理に利用できる。たとえばこの
場合、ケーシングの真空排気後にケーシング内部圧力を
測定するとき、旋回レートセンサのＱを測定することが
できる。また、圧力センサの内部空間における圧力変動
により、漏れを検出することもできる。

【００５０】製造時の品質管理のほかに、規定どおり使
用されているときに旋回レートセンサの自己監視を行う
こともできる。たとえばこの場合、旋回レートセンサの
サイズモ質量体のためにそれ自体必要とされる印加され
た動作電圧との依存性により、センサにおける所要振動
振幅を得るのにそれが十分であるか否かについて、検査
することができる。これに対する尺度基準は、機械的振
動品質Ｑと許容範囲内の動作圧力である。付加的な圧力
測定によりこの範囲を監視し、この範囲を超えたときに
は旋回レートセンサにおけるエラーが発生したと判定す
ることができる。そしてこのようにして発せられた信号
により、検査を行わせたりあるいは交換を行わせたりす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態による圧力センサの平面図であ
る。

【図２】第２の実施形態による圧力センサの平面図であ
る。

【図３】測定結果を評価するための回路を示すブロック
図である。

【図４】本発明による圧力センサの機械的振動品質を表
す特性曲線図である。

【符号の説明】

１０ 圧力センサ １２ 振動構造体 １４ 質量体 １６ ばね １８ 取り付け位置 ２０ 基板 ２２ くし形駆動部 ２４，２６ くし ２８ マイクロコントローラ ３０ 周波数発生器 ３２ 電流／電圧変換器 ３４，３６ 移相器 ３８，４０ 位相弁別器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランツ レルマー ドイツ連邦共和国 シュツツトガルト ヴ ィティコヴェーク ９ (72)発明者 アンドレア シルプ ドイツ連邦共和国 シュヴェービッシュ グミュント ゼーレンバッハヴェーク 15 (72)発明者 ベルンハルト エルスナー ドイツ連邦共和国 コルンヴェストハイム カール−ヨース−シュトラーセ 52 (72)発明者 ヴィルヘルム フライ ドイツ連邦共和国 シュツツトガルト カ レー−シュトラーセ ６

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共振により振動する振動構造体が設けら
   れており、該振動構造体は、定置された基板に対し規定
   の小さい間隔を有しており、前記振動構造体を励起する
   手段と、圧力に依存する振動周波数変化を捕捉する手段
   が設けられている圧力センサにおいて、 振動構造体（１２）と基板（２０）との間の間隔（ｄ）
   は振動中、一定に保持されることを特徴とする圧力セン
   サ。
2. 【請求項２】 前記振動構造体（１２）は線形振動子で
   ある、請求項１記載の圧力センサ。
3. 【請求項３】 前記振動構造体（１２）は回転振動子で
   ある、請求項１記載の圧力センサ。
4. 【請求項４】 前記振動構造体（１２）は少なくとも１
   つの振動質量体（１４）を有しており、該振動質量体
   （１４）は、少なくとも１つのばね（１６）を介して基
   板（２０）と結合されている、請求項１〜３のいずれか
   １項記載の圧力センサ。
5. 【請求項５】 前記振動構造体（１２）の振動励起は静
   電的に行われる、請求項１〜４のいずれか１項記載の圧
   力センサ。
6. 【請求項６】 前記振動構造体（１２）の振動励起は電
   磁的に行われる、請求項１〜４のいずれか１項記載の圧
   力センサ。
7. 【請求項７】 前記振動構造体（１２）の振動励起は熱
   力学的に行われる、請求項１〜４のいずれか１項記載の
   圧力センサ。
8. 【請求項８】 圧力に依存する振動周波数変化の捕捉は
   容量的に行われる、請求項１〜７のいずれか１項記載の
   圧力センサ。
9. 【請求項９】 基板（２０）に対しそれぞれ異なる大き
   さの一定の間隔（ｄ）をもつ複数の振動構造体（１２）
   が設けられている、請求項１〜８のいずれか１項記載の
   圧力センサ。
10. 【請求項１０】 動作圧力の自己監視を伴う旋回レート
    センサとして用いられる、請求項１〜９のいずれか１項
    記載の圧力センサ。