JPH0640042B2 - 圧力検出装置 - Google Patents
圧力検出装置Info
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- JPH0640042B2 JPH0640042B2 JP60081124A JP8112485A JPH0640042B2 JP H0640042 B2 JPH0640042 B2 JP H0640042B2 JP 60081124 A JP60081124 A JP 60081124A JP 8112485 A JP8112485 A JP 8112485A JP H0640042 B2 JPH0640042 B2 JP H0640042B2
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- temperature
- semiconductor
- signal
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
- G01L9/0002—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using variations in ohmic resistance
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 イ．「発明の目的」 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体を使用した圧力検出装置の感度の向上
と温度補償手段の改善に関するものである。
と温度補償手段の改善に関するものである。
半導体をセンサに用いた圧力検出装置は、ピエゾ抵抗効
果を利用したものが最も多い。このピエゾ抵抗効果を利
用したセンサは、外力による歪みで半導体の結晶内に応
力変化が生じ、これに起因して電子のエネルギー順位が
変化する。その結果、抵抗値が変るのである。
果を利用したものが最も多い。このピエゾ抵抗効果を利
用したセンサは、外力による歪みで半導体の結晶内に応
力変化が生じ、これに起因して電子のエネルギー順位が
変化する。その結果、抵抗値が変るのである。
従って、計測しようとする圧力の測定感度を充分に得る
ためには、如何に半導体圧力センサに歪みを与えるよう
に工夫するかが、圧力検出装置の設計上のポイントにな
る。そして、一般には、第３図に示すように、ダイアフ
ラム11に半導体ピエゾ抵抗素子10を接着して構成するよ
うな手段が多く用いられている。
ためには、如何に半導体圧力センサに歪みを与えるよう
に工夫するかが、圧力検出装置の設計上のポイントにな
る。そして、一般には、第３図に示すように、ダイアフ
ラム11に半導体ピエゾ抵抗素子10を接着して構成するよ
うな手段が多く用いられている。
しかし、第３図のような従来の圧力検出装置は、１個の
半導体センサとして用いているので、後述する および の項を消去することが困難なこと（温度補償が困難）、
及び充分な圧力−導電度変化を得ることができないこと
（圧力感度不足）等で問題があった。
半導体センサとして用いているので、後述する および の項を消去することが困難なこと（温度補償が困難）、
及び充分な圧力−導電度変化を得ることができないこと
（圧力感度不足）等で問題があった。
本発明の目的は、半導体でそれぞれ構成された２つの圧
力センサを組合せた簡単な構造で、かつ温度補正の容易
な圧力検出装置を提供することである。
力センサを組合せた簡単な構造で、かつ温度補正の容易
な圧力検出装置を提供することである。
ロ．「発明の構成」 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、上記問題点を解決するために、静水圧に対す
る抵抗変化の極性が互いに異なる半導体でそれぞれ構成
された２つの圧力センサを圧力伝達媒体を充満した圧力
容器内に配置し、２つの圧力センサの抵抗を比率演算
し、温度信号で除算することにより、温度の影響を除
き、圧力に比例した信号を得るようにしたものである。
る抵抗変化の極性が互いに異なる半導体でそれぞれ構成
された２つの圧力センサを圧力伝達媒体を充満した圧力
容器内に配置し、２つの圧力センサの抵抗を比率演算
し、温度信号で除算することにより、温度の影響を除
き、圧力に比例した信号を得るようにしたものである。
以下、図面を用いて本発明を詳しく説明する。
第１図は、本発明に係る圧力検出装置の要部構成例（圧
力検出端）を示した図である。同図において、１は圧力
容器である。２は前記圧力容器１内に封入された圧力伝
達媒体であり、例えば実施例では、非圧縮性流体である
シリコン油を用いている。Ｒ１は加えられた静水圧の変
化に応じて、抵抗値がプラスの極性に変化する感圧半導
体材料で構成された圧力センサである。Ｒ２は加えられ
た静水圧の変化に応じて、抵抗値がマイナスの極性に変
化する感圧半導体材料で構成された圧力センサである。
ＴＣは温度検出素子であり、例えば熱電対のようなもの
である。以上の圧力センサＲ１，Ｒ２，温度検出素子Ｔ
Ｃは圧力容器１内に配置される。なお、温度検出素子Ｔ
Ｃは、圧力センサＲ１，Ｒ２の温度を測定するためのも
のであるから、温度検出素子ＴＣは、必ずしも圧力容器
１内に配置しなくとも良い。４はハーメチックシール部
であり、圧力センサＲ１，Ｒ２へ電気的に接続されたリ
ード線5a〜7bを圧力容器１の外部に取出す上において、
圧力伝達媒体２が漏れ出さないようにするためのもので
ある。なお、圧力容器１の1a部には、測定対象の圧力が
印加されるが、内部に封入された圧力伝達媒体２が流出
しないように耐食性かつ弾性レンジの広いダイアフラム
が設けられている。
力検出端）を示した図である。同図において、１は圧力
容器である。２は前記圧力容器１内に封入された圧力伝
達媒体であり、例えば実施例では、非圧縮性流体である
シリコン油を用いている。Ｒ１は加えられた静水圧の変
化に応じて、抵抗値がプラスの極性に変化する感圧半導
体材料で構成された圧力センサである。Ｒ２は加えられ
た静水圧の変化に応じて、抵抗値がマイナスの極性に変
化する感圧半導体材料で構成された圧力センサである。
ＴＣは温度検出素子であり、例えば熱電対のようなもの
である。以上の圧力センサＲ１，Ｒ２，温度検出素子Ｔ
Ｃは圧力容器１内に配置される。なお、温度検出素子Ｔ
Ｃは、圧力センサＲ１，Ｒ２の温度を測定するためのも
のであるから、温度検出素子ＴＣは、必ずしも圧力容器
１内に配置しなくとも良い。４はハーメチックシール部
であり、圧力センサＲ１，Ｒ２へ電気的に接続されたリ
ード線5a〜7bを圧力容器１の外部に取出す上において、
圧力伝達媒体２が漏れ出さないようにするためのもので
ある。なお、圧力容器１の1a部には、測定対象の圧力が
印加されるが、内部に封入された圧力伝達媒体２が流出
しないように耐食性かつ弾性レンジの広いダイアフラム
が設けられている。
第２図は第１図におけるリード線5a〜7bが接続される電
気回路であり、この回路の出力端子からは、加えられた
圧力に対応した信号ｅｏｕｔを得ることができる。第２
図において、20は定電圧源、Ｕは増幅器である。Ｒ１，
Ｒ２は第１図でも示した圧力センサである。Ｃは対数変
換器、Ｄは除算器、Ｆは加算器である。
気回路であり、この回路の出力端子からは、加えられた
圧力に対応した信号ｅｏｕｔを得ることができる。第２
図において、20は定電圧源、Ｕは増幅器である。Ｒ１，
Ｒ２は第１図でも示した圧力センサである。Ｃは対数変
換器、Ｄは除算器、Ｆは加算器である。
圧力センサＲ１は増幅器Ｕの反転入力端子に接続され、
増幅器の出力端子と反転入力端子の間には、圧力センサ
Ｒ２が接続される。圧力センサＲ１の他端と増幅器Ｕの
非反転入力端子の間に定電圧源20が接続される。増幅器
Ｕの出力端子と非反転入力端子は対数変換器Ｃに接続さ
れる。対数変換器Ｃの出力電圧ｅ２と加算器Ｆの出力電
圧（−Ａ）は直列に接続されて除算器Ｄに導入される。
また、除算器Ｄのもう一つの入力端子には、温度検出素
子ＴＣからの信号が導入される。
増幅器の出力端子と反転入力端子の間には、圧力センサ
Ｒ２が接続される。圧力センサＲ１の他端と増幅器Ｕの
非反転入力端子の間に定電圧源20が接続される。増幅器
Ｕの出力端子と非反転入力端子は対数変換器Ｃに接続さ
れる。対数変換器Ｃの出力電圧ｅ２と加算器Ｆの出力電
圧（−Ａ）は直列に接続されて除算器Ｄに導入される。
また、除算器Ｄのもう一つの入力端子には、温度検出素
子ＴＣからの信号が導入される。
以上のように構成された第１図の圧力検出端と第２図の
電気回路とが組合された圧力検出装置の動作を以下に説
明する。
電気回路とが組合された圧力検出装置の動作を以下に説
明する。
第１図、第２図に示した圧力センサを静水圧感度のある
真性半導体と仮定すれば、圧力センサＲ１，Ｒ２の導電
率σ１，σ２は、(1)、(2)式で表わされる。
真性半導体と仮定すれば、圧力センサＲ１，Ｒ２の導電
率σ１，σ２は、(1)、(2)式で表わされる。
σ１＝ｎｉ１・ｅ・（μｅ１＋μｐ１） (1) σ２＝ｎｉ２・ｅ・（μｅ２＋μｐ２） (2) ここで、ｅは電子素電荷 μｅは電子易動度 μｐは正孔易動度 (1)、(2)式中におけるｎｉ１とｎｉ２はそれぞれ半導体
材料の真性キャリア濃度であり、次式で表わされる。
材料の真性キャリア濃度であり、次式で表わされる。
ここで、ｎｏ１，ｎｏ２は温度、バンドエネルギーに関
係しない物質定数 ＥＧ１，ＥＧ２はバンドギャップエネルギー半導体材料
の静水圧力に対し、抵抗値、即ち、導電率が変化するの
は、主としてバンドギャップエネルギーＥＧが圧力によ
って変化するからである。圧力センサＲ１，Ｒ２の抵抗
値（Ｒ１，Ｒ２と表わす）は、(5)，(6)式で表わされ
る。
係しない物質定数 ＥＧ１，ＥＧ２はバンドギャップエネルギー半導体材料
の静水圧力に対し、抵抗値、即ち、導電率が変化するの
は、主としてバンドギャップエネルギーＥＧが圧力によ
って変化するからである。圧力センサＲ１，Ｒ２の抵抗
値（Ｒ１，Ｒ２と表わす）は、(5)，(6)式で表わされ
る。
この圧力センサＲ１，Ｒ２を第１図のようにシリコン油
の中に浸し、圧力変化を与えると、抵抗値Ｒ１，Ｒ２が
変化する。これを第２図の増幅器Ｕで増幅すると、増幅
器Ｕの出力ｅ１は(7)式で表わされる。
の中に浸し、圧力変化を与えると、抵抗値Ｒ１，Ｒ２が
変化する。これを第２図の増幅器Ｕで増幅すると、増幅
器Ｕの出力ｅ１は(7)式で表わされる。
ｅｏは定電圧源20の電圧 第１図に示す圧力容器１内の温度が一様であれば、(7)
式は、(5)及び(6)式を使用して(8)式と書換えることが
できる。
式は、(5)及び(6)式を使用して(8)式と書換えることが
できる。
以上のように、抵抗比（Ｒ２／Ｒ１）をとることで、第
１の温度の影響 を消去した信号ｅ１を得ることができる。
１の温度の影響 を消去した信号ｅ１を得ることができる。
ｅ１を対数変換器Ｃに通すと(9)式で表わされる信号ｅ
２が得られる。
２が得られる。
なお、 このｅ２信号に加算器Ｆから−Ａ−の一定信号を加える
と、除算器Ｄへの入力は、 となる。この信号を温度検出素子ＴＣからの温度信号
（１／Ｔ）で除算すると、(10)式で表わされる信号ｅ
ｏｕｔが得られる。
と、除算器Ｄへの入力は、 となる。この信号を温度検出素子ＴＣからの温度信号
（１／Ｔ）で除算すると、(10)式で表わされる信号ｅ
ｏｕｔが得られる。
ｅｏｕｔ＝Ｃ・（ＥＧ２−ＥＧ１） (10) ここで一方の圧力センサとして、 がプラスの極性であって、その絶対値が大きい半導体材
料を選び、他方の圧力センサとして、 がマイナスの極性であって、その絶対値が大きい半導体
材料を選ぶようにする。その結果、静水圧の対する（Ｅ
Ｇ２−ＥＧ１）の値は、両者の絶対値の加算になり、圧
力変化に対するｅｏｕｔの大きさは単一の半導体材料を
使用した場合よりも増加する。また、温度信号（１／
Ｔ）で除算することで、第２の温度の影響も消去でき
る。
料を選び、他方の圧力センサとして、 がマイナスの極性であって、その絶対値が大きい半導体
材料を選ぶようにする。その結果、静水圧の対する（Ｅ
Ｇ２−ＥＧ１）の値は、両者の絶対値の加算になり、圧
力変化に対するｅｏｕｔの大きさは単一の半導体材料を
使用した場合よりも増加する。また、温度信号（１／
Ｔ）で除算することで、第２の温度の影響も消去でき
る。
第４図に各種半導体材料の がプラスになるものと、マイナスになるものの例を示
す。
す。
ちなみに半導体のシリコンは−０．３〜−１．５位であ
り、第４図に示した材料と比較して、１桁以上感度が低
い。
り、第４図に示した材料と比較して、１桁以上感度が低
い。
第４図に示すような材料を選ぶとして、圧力による抵抗
の変化率は(11)式で表わされる。
の変化率は(11)式で表わされる。
ρは比抵抗 Ｐは圧力 ＥＧはバンドキャップ 具体例を用いて説明する。第５図は黒燐の圧力による抵
抗の変化であり、第６図はＩｎＳｂの圧力による抵抗の
変化である。第５図中ａ軸，ｂ軸は黒燐の結晶方向の違
いによるものである。圧力センサＲ１に黒燐を、圧力セ
ンサＲ２にＩｎＳｂを選んだとする。黒燐とＩｎＳｂと
は、圧力に対する抵抗の変化極性が逆であるから、(10)
式のｅｏｕｔは０〜1000kgf ／cm2の変化に対し、約０
〜50％変化する。この変化は大きなものであり、圧力測
定の感度として充分である。
抗の変化であり、第６図はＩｎＳｂの圧力による抵抗の
変化である。第５図中ａ軸，ｂ軸は黒燐の結晶方向の違
いによるものである。圧力センサＲ１に黒燐を、圧力セ
ンサＲ２にＩｎＳｂを選んだとする。黒燐とＩｎＳｂと
は、圧力に対する抵抗の変化極性が逆であるから、(10)
式のｅｏｕｔは０〜1000kgf ／cm2の変化に対し、約０
〜50％変化する。この変化は大きなものであり、圧力測
定の感度として充分である。
なお、以上では、圧力センサＲ１，Ｒ２として、 の符号（プラス−マイナス）の異なる、しかも絶対値の
大きい半導体を用いると説明したが、温度補償効果を得
るために、一方の圧力センサが真性半導体であれば、 が必ずしも大きくなくても良い。
大きい半導体を用いると説明したが、温度補償効果を得
るために、一方の圧力センサが真性半導体であれば、 が必ずしも大きくなくても良い。
即ち、(5)、(6)式で表わされるような半導体材料であれ
ば、容易に(8)、(9)、(10)式が実現し、単一の半導体材
料より温度補償がやりやすくなる。単一材料では、例え
ば(5)式のような 項あるいは 項が容易に消去することができない。
ば、容易に(8)、(9)、(10)式が実現し、単一の半導体材
料より温度補償がやりやすくなる。単一材料では、例え
ば(5)式のような 項あるいは 項が容易に消去することができない。
また、第７図のようにプリッジを組めば、第２図におい
て増幅器を必要としない。第７図において、Ｒ１，Ｒ２
は圧力センサである。
て増幅器を必要としない。第７図において、Ｒ１，Ｒ２
は圧力センサである。
また、第２図では、圧力センサＲ１を増幅器Ｕの反転入
力端子と定電圧源20との間に接続し、圧力センサＲ２を
増幅器Ｕの入出力端子間に接続するとして説明したが、
圧力センサＲ１，Ｒ２の接続配置を取替えても本発明が
成立することは、明らかである。
力端子と定電圧源20との間に接続し、圧力センサＲ２を
増幅器Ｕの入出力端子間に接続するとして説明したが、
圧力センサＲ１，Ｒ２の接続配置を取替えても本発明が
成立することは、明らかである。
〔発明の効果」 以上述べたように、本発明によれば、次の効果が得られ
る。
る。
抵抗素子として半導体材料を２個使用し、その比率
変化を求めることにより、温度補償を容易に行なうこと
ができる。
変化を求めることにより、温度補償を容易に行なうこと
ができる。
ダイアフラム等の圧力変換器を必要とせず、機械的
構成が簡単になる。
構成が簡単になる。
の極性が反対な２個の半導体を使用しているため、圧力
感度を大きくとることができる。
感度を大きくとることができる。
第１図は本発明に係る圧力検出装置の要部構成例を示し
た図、第２図は第１図で示した各リード線5a〜7bが接続
される電気回路図、第３図はダイアフラム11に半導体ピ
エゾ抵抗素子10を接着して構成した従来手段を示す図、
第４図は各種の材料における のデータを示す図、第５図と第６図はバンドギャップエ
ネルギーＥＧの圧力Ｐによる変化の一例を示す図、第７
図は増幅器Ｕを必要としない場合の例を示す図である。 １……圧力容器、２……圧力伝達媒体、４……ハーメチ
ックシール部、5a〜7b……リード線、Ｒ１，Ｒ２……圧
力センサ、ＴＣ……温度検出素子、Ｕ……増幅器、Ｃ…
…対数変換器、Ｄ……除算器、Ｆ……加算器。
た図、第２図は第１図で示した各リード線5a〜7bが接続
される電気回路図、第３図はダイアフラム11に半導体ピ
エゾ抵抗素子10を接着して構成した従来手段を示す図、
第４図は各種の材料における のデータを示す図、第５図と第６図はバンドギャップエ
ネルギーＥＧの圧力Ｐによる変化の一例を示す図、第７
図は増幅器Ｕを必要としない場合の例を示す図である。 １……圧力容器、２……圧力伝達媒体、４……ハーメチ
ックシール部、5a〜7b……リード線、Ｒ１，Ｒ２……圧
力センサ、ＴＣ……温度検出素子、Ｕ……増幅器、Ｃ…
…対数変換器、Ｄ……除算器、Ｆ……加算器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿賀 敏夫 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 北辰電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭54−81088（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−140229（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−149778（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−146020（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−67433（ＪＰ，Ｕ)
Claims (2)
- 【請求項１】測定対象の圧力が加えられ、その内部に圧
力伝達媒体が封入された圧力容器と、 前記圧力容器内に配置され、静水圧に対する抵抗変化の
極性が互いに異なる半導体でそれぞれ構成された２つの
圧力センサと、 前記２つの圧力センサの抵抗比を演算する手段と、 を備えたことを特徴とする圧力検出装置。 - 【請求項２】前記圧力センサの温度を検出する温度検出
素子と、前記抵抗比を演算する手段の出力信号を対数変
換する手段とを備え、この温度検出素子で得られた信号
に基づく信号を用いて前記対数変換手段からの信号の温
度成分を補正するようにした特許請求の範囲第１項記載
の圧力検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60081124A JPH0640042B2 (ja) | 1985-04-16 | 1985-04-16 | 圧力検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60081124A JPH0640042B2 (ja) | 1985-04-16 | 1985-04-16 | 圧力検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61239136A JPS61239136A (ja) | 1986-10-24 |
| JPH0640042B2 true JPH0640042B2 (ja) | 1994-05-25 |
Family
ID=13737639
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60081124A Expired - Lifetime JPH0640042B2 (ja) | 1985-04-16 | 1985-04-16 | 圧力検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0640042B2 (ja) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5940308B2 (ja) * | 1977-06-02 | 1984-09-29 | 株式会社東芝 | 感圧素子 |
| JPS5481088A (en) * | 1977-12-12 | 1979-06-28 | Toshiba Corp | Semiconductor pressure converting device |
| JPS55146020A (en) * | 1979-05-01 | 1980-11-14 | Toshiba Corp | Pressure detector of semiconductor |
| JPS56140229A (en) * | 1980-04-02 | 1981-11-02 | Toshiba Corp | Pressure converter |
| JPH0615997B2 (ja) * | 1982-10-12 | 1994-03-02 | 株式会社ト−キン | 温度圧力検出装置 |
-
1985
- 1985-04-16 JP JP60081124A patent/JPH0640042B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61239136A (ja) | 1986-10-24 |
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