JPH0810169B2 - 振動形差圧センサ - Google Patents
振動形差圧センサInfo
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- JPH0810169B2 JPH0810169B2 JP62163384A JP16338487A JPH0810169B2 JP H0810169 B2 JPH0810169 B2 JP H0810169B2 JP 62163384 A JP62163384 A JP 62163384A JP 16338487 A JP16338487 A JP 16338487A JP H0810169 B2 JPH0810169 B2 JP H0810169B2
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- Japan
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- diaphragm
- differential pressure
- strain
- vibrating
- pressure sensor
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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
- G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
- G01L9/0022—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a piezoelectric element
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は振動形の差圧センサに関するものである。
更に詳述すれば、振動子に加わる静圧歪みの影響を除
去し得るようにした振動形の差圧センサに関するもので
ある。
去し得るようにした振動形の差圧センサに関するもので
ある。
(従来の技術) 第3図は従来より一般に使用されている従来装置の構
成斜視図で、第4図は第3図におけるX−X断面図、第
5図は一部を省略した平面図である。
成斜視図で、第4図は第3図におけるX−X断面図、第
5図は一部を省略した平面図である。
このような装置は、たとえば、特願昭59−42632号公
報に示されている。
報に示されている。
これらの図において、1は弾性を有する半導体で構成
された基板で、例えば、シリコン基板が用いられてい
る。2はこの半導体基板1の一部を利用して構成されて
いる受圧ダイアフラムで、例えば半導体基板1をエッチ
ングして構成される。
された基板で、例えば、シリコン基板が用いられてい
る。2はこの半導体基板1の一部を利用して構成されて
いる受圧ダイアフラムで、例えば半導体基板1をエッチ
ングして構成される。
3及び4は受圧ダイアフラム2上に形成させた両端固
定の微小な振動梁で、振動梁3は受圧ダイアフラム2の
ほぼ中央部に、振動梁4は受圧ダイアフラム2の周縁部
にそれぞれ位置している。これらの振動梁3,4は、例え
ば半導体基板1において、振動梁に相当する個所の周辺
部を、例えばアンダエッチングして形成されている。5
はシエルで、受圧ダイアフラム2上に形成された振動梁
3の周囲を覆い、この内部25(振動梁3の周囲)を真空
状態に保持するようにしたものである。シエル5は、こ
の場合はシリコンで構成され、受圧ダイアフラム2に、
例えば陽極接合法によって取付けられる。シエル5は振
動梁4にも設けられているが、ここでは省略する。な
お、シエル5は、第3図においては分りやすくするため
省略されている。
定の微小な振動梁で、振動梁3は受圧ダイアフラム2の
ほぼ中央部に、振動梁4は受圧ダイアフラム2の周縁部
にそれぞれ位置している。これらの振動梁3,4は、例え
ば半導体基板1において、振動梁に相当する個所の周辺
部を、例えばアンダエッチングして形成されている。5
はシエルで、受圧ダイアフラム2上に形成された振動梁
3の周囲を覆い、この内部25(振動梁3の周囲)を真空
状態に保持するようにしたものである。シエル5は、こ
の場合はシリコンで構成され、受圧ダイアフラム2に、
例えば陽極接合法によって取付けられる。シエル5は振
動梁4にも設けられているが、ここでは省略する。な
お、シエル5は、第3図においては分りやすくするため
省略されている。
第6図は第4図における振動梁付近を拡大して示す断
面図である。ここではダイアフラム2としてn型シリコ
ン基板を用いた例である。この図において、21a,21bはP
+層で、21aと21bとは切込み部20によって電気的に分離
している。22はn型エピタキシャル層、23はP+層、24は
SiO2層である。エピタキシャル層22の一部は例えばアン
ダーエッチングによって隙間部25が形成されており、振
動梁3(4)は隙間部25上をまたがる両端固定のP層と
SiO2層とによって構成されている。
面図である。ここではダイアフラム2としてn型シリコ
ン基板を用いた例である。この図において、21a,21bはP
+層で、21aと21bとは切込み部20によって電気的に分離
している。22はn型エピタキシャル層、23はP+層、24は
SiO2層である。エピタキシャル層22の一部は例えばアン
ダーエッチングによって隙間部25が形成されており、振
動梁3(4)は隙間部25上をまたがる両端固定のP層と
SiO2層とによって構成されている。
第6図において、振動梁3(4)を構成するP層23
と、隙間部25を介して対向するP層21a,21bは、静電電
極を構成しており、ここでは振動片3(4)を、P層21
aとP層23との間に働く静電力を利用して励振させ、ま
た、P層21bとP層23との間の静電容量変化によって、
振動梁3(4)の振動を検出するようになっている。
と、隙間部25を介して対向するP層21a,21bは、静電電
極を構成しており、ここでは振動片3(4)を、P層21
aとP層23との間に働く静電力を利用して励振させ、ま
た、P層21bとP層23との間の静電容量変化によって、
振動梁3(4)の振動を検出するようになっている。
OSCは発振回路で、この回路は外部あるいは、半導体
基板1を利用して構成されており、入力端はP層21bが
接続され、振動梁3(4)の振動に関連した信号が印加
される。また、出力端はP層21aが接続され、P層21aと
P層23間に出力信号を与える。これによって、発振回路
OSCと、振動梁3(4)とは、振動梁の固有振動数で発
振する自励発振回路を構成する。
基板1を利用して構成されており、入力端はP層21bが
接続され、振動梁3(4)の振動に関連した信号が印加
される。また、出力端はP層21aが接続され、P層21aと
P層23間に出力信号を与える。これによって、発振回路
OSCと、振動梁3(4)とは、振動梁の固有振動数で発
振する自励発振回路を構成する。
この様に構成した圧力センサにおいて、受圧ダイアフ
ラム2に、第4図矢印Pに示すように内側から圧力を与
えるものとすれば、この圧力を受けて受圧ダイアフラム
2は撓み、中央に形成されている振動梁3には引張力
が、ダイアフラム2の周縁部に形成されている振動梁4
には圧縮力がそれぞれ加わる。これにより各振動梁3,4
の固有振動数f1,f2は、圧力Pに対して差動的に変化す
ることとなり、例えばf1−f2の差を演算することによっ
て、圧力Pを測定することができる。
ラム2に、第4図矢印Pに示すように内側から圧力を与
えるものとすれば、この圧力を受けて受圧ダイアフラム
2は撓み、中央に形成されている振動梁3には引張力
が、ダイアフラム2の周縁部に形成されている振動梁4
には圧縮力がそれぞれ加わる。これにより各振動梁3,4
の固有振動数f1,f2は、圧力Pに対して差動的に変化す
ることとなり、例えばf1−f2の差を演算することによっ
て、圧力Pを測定することができる。
而して、シエル5により振動梁3,4が真空中に置かれ
るため、振動梁3,4のQを高くすることができる。
るため、振動梁3,4のQを高くすることができる。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、このような装置においては、静圧特性
の影響については考慮されておらず、静圧誤差により大
なる誤差を生ずる。
の影響については考慮されておらず、静圧誤差により大
なる誤差を生ずる。
本発明は、この問題点を解決するものである。
本発明の目的は静圧誤差の少い振動形差圧センサを提
供するにある。
供するにある。
(問題点を解決するための手段) この目的を達成するために、本発明は、差圧によって
変形するダイアフラムを有するシリコン単結晶の基板を
具備する振動形差圧センサにおいて、 前記ダイアフラムの中心部に設けられ該ダイヤフラム
の表面付近の歪を測定する第1の振動子と、前記ダイア
フラムの固定端部に設けられ前記ダイアフラムの表面付
近の歪を測定し静圧印加により前記第1の振動子が検出
する圧縮歪と同値の圧縮歪を検出し差圧印加により前記
第1の振動子が検出する検出歪値と符号が反対の検出歪
値を検出する第2の振動子と、前記2個の振動子の共振
周波数を測定する測定手段と、該測定手段の信号に基づ
き差圧印加時の前記2個の振動子の共振周波数を減算あ
るいは加算して静圧印加による影響を取り除くように演
算する演算手段とを具備したことを特徴とする振動形差
圧センサを構成したものである。
変形するダイアフラムを有するシリコン単結晶の基板を
具備する振動形差圧センサにおいて、 前記ダイアフラムの中心部に設けられ該ダイヤフラム
の表面付近の歪を測定する第1の振動子と、前記ダイア
フラムの固定端部に設けられ前記ダイアフラムの表面付
近の歪を測定し静圧印加により前記第1の振動子が検出
する圧縮歪と同値の圧縮歪を検出し差圧印加により前記
第1の振動子が検出する検出歪値と符号が反対の検出歪
値を検出する第2の振動子と、前記2個の振動子の共振
周波数を測定する測定手段と、該測定手段の信号に基づ
き差圧印加時の前記2個の振動子の共振周波数を減算あ
るいは加算して静圧印加による影響を取り除くように演
算する演算手段とを具備したことを特徴とする振動形差
圧センサを構成したものである。
(作用) 以上の構成において、ダイアフラムに差圧が加わる
と、2個の振動子の共振周波数が測定手段によって測定
される。測定手段からの信号により演算手段において、
振動子に加わる静圧歪みの影響を取除くように演算され
る。
と、2個の振動子の共振周波数が測定手段によって測定
される。測定手段からの信号により演算手段において、
振動子に加わる静圧歪みの影響を取除くように演算され
る。
以下、実施例に基づき詳細に説明する。
(実施例) 第1図は、本発明の一実施例の要部構成説明図、第2
図は第1図の平面図である。
図は第1図の平面図である。
図において、第3図から第6図と同一記号は同一機能
を示す。
を示す。
以下、第3図から第6図と相違部分のみ説明する。
基板1は<100>ウェハーで、受圧ダイアフラム2は
アルカリ液による異方性エッチングにより加工されてい
る。その4辺は<110>方向に配置されている。振動梁
3はダイアフラム2の中心部に、振動梁4はダイアフラ
ム2の固定端部に配置されている。振動梁3,4の方向
は、アルカリ液によるアンダーエッチングの手法を用い
て加工できるように<010>方向をなしている。
アルカリ液による異方性エッチングにより加工されてい
る。その4辺は<110>方向に配置されている。振動梁
3はダイアフラム2の中心部に、振動梁4はダイアフラ
ム2の固定端部に配置されている。振動梁3,4の方向
は、アルカリ液によるアンダーエッチングの手法を用い
て加工できるように<010>方向をなしている。
以上の構成において、 一般に、長さに比べて厚みが非常に小さい振動子(該
振動子)の共振周波数は下記の如く示される。
振動子)の共振周波数は下記の如く示される。
したがって、振動梁3,4に差圧ΔPが加わると振動梁
3,4の共振周波数f1,f2は下記の如くになる。
3,4の共振周波数f1,f2は下記の如くになる。
l;振動梁3,4の長さ E;ヤング率 ρ;密度 εo1,εo2;振動梁3,4の初期歪み,振動子中の不純物濃
度に比例する。
度に比例する。
εΔ1,εΔ2;差圧ΔPによる振動梁3,4の歪み 不純物濃度が等しいとすると、εo1=εo2≡εo 第2図の形状と位置に振動子を配置すると、εΔ1=
εΔ2≡εΔ シリコンの静圧による圧縮歪みεp1=εp2≡εpと仮
定すると、 2a;ダイヤフラム2の辺の長さ t;ダイヤフラム2の厚さ K;位置によって決まる定数(0.43) となり静圧歪みの影響を取除くことができる。
εΔ2≡εΔ シリコンの静圧による圧縮歪みεp1=εp2≡εpと仮
定すると、 2a;ダイヤフラム2の辺の長さ t;ダイヤフラム2の厚さ K;位置によって決まる定数(0.43) となり静圧歪みの影響を取除くことができる。
また、 ν;ポアソン比 P0;静圧 となり、第1項は定数であり、第2項は静圧に比例す
る。したがって、この信号を使用して、差圧伝送器の静
圧による種々の誤差、たとえば、シールダイアフラムの
変形、本体ボディの変形等による誤差を補償することが
できる。
る。したがって、この信号を使用して、差圧伝送器の静
圧による種々の誤差、たとえば、シールダイアフラムの
変形、本体ボディの変形等による誤差を補償することが
できる。
したがって、測定手段(図示せず)により振動梁3,4
の差圧による共振周波数f1,f2を測定し、演算手段(図
示せず)により演算する事により、静圧による誤差を取
除くことができる。演算はマイクロプロセッサを使用し
て容易に実行することができる。
の差圧による共振周波数f1,f2を測定し、演算手段(図
示せず)により演算する事により、静圧による誤差を取
除くことができる。演算はマイクロプロセッサを使用し
て容易に実行することができる。
なお、1.差圧歪の高次項の影響、2.静圧歪みの高次項
の影響は下記の如くして除くことができ、より高精度の
振動形差圧センサを得ることができる。
の影響は下記の如くして除くことができ、より高精度の
振動形差圧センサを得ることができる。
1. 差圧歪の高次項の影響を除く、 (6)式より ΔP=K1(f1 2−f2 2) (9) と表わされるが、非線形性を補正するために、高次項を
追加して、次式の如く演算する。
追加して、次式の如く演算する。
ΔP=K1(f1 2-f2 2)+K2)(f1 2-f2 2)2+K3(f1 2-f2 2)3 +…Kn(f1 2-f2 2)n (10) 2. 静圧歪みの高次項の影響を除く、 (1)式の代りに次式を用いて歪みと周波数の関係を
精密に値付けする。
精密に値付けする。
ε=A0+A1f+A2f2…Anfn (1)′ したがって(2)(3)式は次のようになる。
εo1+εΔ1+εp1=A10+A11f1+A12f1 2…+A1nfn (2)′ εo2-εΔ2+εp2=A20+A21f1+A22f2 2…A2nf2 n (3)′ (2)′と(3)′式を差引いて、εp1,εp2が消去
できるように適当な定数Bを求めて次式を得ることがで
きる。
できるように適当な定数Bを求めて次式を得ることがで
きる。
(εΔ1+BεΔ2)+(εo1-Bεo2) =(A10+A11f1…A1nf1 n)-B(A20+A21f1+…A2nf2 n)(5)′ (5)′を用いて(10)式のように差圧の高次項(非
線形項)を記述する事により高精度の差圧センサが得ら
れる。
線形項)を記述する事により高精度の差圧センサが得ら
れる。
ΔP=K0+K1F(f1,f2)+K2(F(f1,f2)) +…+Kn(F(f1,f2))n…8′ (8)′ 但し、F(f1,f2)は(5)′の右辺を表わす。
(発明の効果) 以上説明したように、本発明は、差圧によって変形す
るダイアフラムを有するシリコン単結晶の基板を具備す
る振動形差圧センサにおいて、 前記ダイアフラムの中心部に設けられ該ダイヤフラム
の表面付近の歪を測定する第1の振動子と、前記ダイア
フラムの固定端部に設けられ前記ダイアフラムの表面付
近の歪を測定し静圧印加により前記第1の振動子が検出
する圧縮歪と同値の圧縮歪を検出し差圧印加により前記
第1の振動子が検出する検出歪値と符号が反対の検出歪
値を検出する第2の振動子と、前記2個の振動子の共振
周波数を測定する測定手段と、該測定手段の信号に基づ
き差圧印加時の前記2個の振動子の共振周波数を減算あ
るいは加算して静圧印加による影響を取り除くように演
算する演算手段とを具備したことを特徴とする振動形差
圧センサを構成したので、静圧特性の補償をすることが
できる。
るダイアフラムを有するシリコン単結晶の基板を具備す
る振動形差圧センサにおいて、 前記ダイアフラムの中心部に設けられ該ダイヤフラム
の表面付近の歪を測定する第1の振動子と、前記ダイア
フラムの固定端部に設けられ前記ダイアフラムの表面付
近の歪を測定し静圧印加により前記第1の振動子が検出
する圧縮歪と同値の圧縮歪を検出し差圧印加により前記
第1の振動子が検出する検出歪値と符号が反対の検出歪
値を検出する第2の振動子と、前記2個の振動子の共振
周波数を測定する測定手段と、該測定手段の信号に基づ
き差圧印加時の前記2個の振動子の共振周波数を減算あ
るいは加算して静圧印加による影響を取り除くように演
算する演算手段とを具備したことを特徴とする振動形差
圧センサを構成したので、静圧特性の補償をすることが
できる。
したがって、本発明によれば、静圧の誤差の少い振動
形差圧センサを実現することができる。
形差圧センサを実現することができる。
第1図は本発明の一実施例の要部構成説明図、第2図は
第1図の平面図、第3図は従来より一般に使用されてい
る従来例の構成説明図、第4図は第3図のX−X断面
図、第5図は第3図の一部を省略した平面図、第6図は
第4図の要部拡大図である。 1……基板、2……受圧ダイアフラム、3,4……振動
梁、5……シエル。
第1図の平面図、第3図は従来より一般に使用されてい
る従来例の構成説明図、第4図は第3図のX−X断面
図、第5図は第3図の一部を省略した平面図、第6図は
第4図の要部拡大図である。 1……基板、2……受圧ダイアフラム、3,4……振動
梁、5……シエル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 隆司 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 桑山 秀樹 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 小林 隆 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 渡辺 哲也 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横河 電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−186725(JP,A) 実開 昭57−188138(JP,U)
Claims (1)
- 【請求項1】差圧によって変形するダイアフラムを有す
るシリコン単結晶の基板を具備する振動形差圧センサに
おいて、 前記ダイアフラムの中心部に設けられ該ダイヤフラムの
表面付近の歪を測定する第1の振動子と、 前記ダイアフラムの固定端部に設けられ前記ダイアフラ
ムの表面付近の歪を測定し静圧印加により前記第1の振
動子が検出する圧縮歪と同値の圧縮歪を検出し差圧印加
により前記第1の振動子が検出する検出歪値と符号が反
対の検出歪値を検出する第2の振動子と、 前記2個の振動子の共振周波数を測定する測定手段と、 該測定手段の信号に基づき差圧印加時の前記2個の振動
子の共振周波数を減算あるいは加算して静圧印加による
影響を取り除くように演算する演算手段 とを具備したことを特徴とする振動形差圧センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62163384A JPH0810169B2 (ja) | 1987-06-30 | 1987-06-30 | 振動形差圧センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62163384A JPH0810169B2 (ja) | 1987-06-30 | 1987-06-30 | 振動形差圧センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS646837A JPS646837A (en) | 1989-01-11 |
| JPH0810169B2 true JPH0810169B2 (ja) | 1996-01-31 |
Family
ID=15772863
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62163384A Expired - Lifetime JPH0810169B2 (ja) | 1987-06-30 | 1987-06-30 | 振動形差圧センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0810169B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2538190A1 (en) | 2011-06-23 | 2012-12-26 | Yokogawa Electric Corporation | Sensor unit |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02269928A (ja) * | 1989-04-12 | 1990-11-05 | Yokogawa Electric Corp | 真空計 |
| JP4636428B2 (ja) | 2003-12-05 | 2011-02-23 | 横河電機株式会社 | 多変数伝送器及び多変数伝送器の演算処理方法 |
| US7017418B1 (en) * | 2004-12-15 | 2006-03-28 | General Electric Company | System and method for sensing pressure |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6333145Y2 (ja) * | 1981-05-26 | 1988-09-05 | ||
| JPS60186725A (ja) * | 1984-03-06 | 1985-09-24 | Yokogawa Hokushin Electric Corp | 圧力センサ |
-
1987
- 1987-06-30 JP JP62163384A patent/JPH0810169B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2538190A1 (en) | 2011-06-23 | 2012-12-26 | Yokogawa Electric Corporation | Sensor unit |
| US9116063B2 (en) | 2011-06-23 | 2015-08-25 | Yokogawa Electric Corporation | Sensor unit |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS646837A (en) | 1989-01-11 |
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