(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧力で充填流体を収容する第１の圧力チャンバと、
第２の圧力で充填流体を収容する第２の圧力チャンバと、
前記第１の圧力チャンバに露出された第１の主面及び前記第２の圧力チャンバに露出された第２の主面とを有する多孔質誘電体ダイアフラムと、
前記第１の主面と接触して配置された第１の接触電極と、
前記第２の主面と接触して配置された第２の接触電極と、
前記第１の主面から離間して配置された第１の平行離間電極と、
前記第２の主面から離間して配置された第２の平行離間電極と、
を含むことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
電位信号が、前記ダイアフラムの前記主面間の電位によって前記第１及び第２の接触電極間に誘起されることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記主面間の前記電位は、逆電気浸透電位であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記電位は、前記第１の圧力と前記第２の圧力の大きい方を示す極性を有することを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記多孔質誘電体ダイアフラムは、多孔質超薄膜、多孔質高分子膜、又は多孔質溶融シリカダイアフラムのうちの１つ又はそれ以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記多孔質誘電体ダイアフラムは、カーボンナノチューブの多孔質薄膜、カーボンナノファイバの多孔質薄膜、又は多孔質カーボンナノチューブマットのうちの１つ又はそれ以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記充填流体は、極性流体であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記充填流体は、電解液であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項９】
前記充填流体は、非極性分散相と、電解分散相又は極性分散相の一方とを含む流体コロイドであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項１０】
前記第１の圧力と前記第２の圧力は、動的ライン圧力であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項１１】
前記第１の圧力は、動的ライン圧力であり、前記第２の圧力は、基準圧力であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項１２】
前記第１の圧力は、動的ライン圧力であり、前記第２の圧力は、真空圧力であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項１３】
第１の圧力チャンバと、
第２の圧力チャンバと、
ダイアフラムの第１の主面側の前記第１の圧力チャンバを、ダイアフラムの第２の主面側の前記第２の圧力チャンバから分割する多孔質誘電体ダイアフラムと、
前記ダイアフラムの前記第１の主面上の第１の表面電荷に応答するように、前記多孔質誘電体ダイアフラムの前記第１の主面と接触して配置された第１の接触電極と、
前記ダイアフラムの前記第２の主面上の第２の表面電荷に応答するように、前記多孔質誘電体ダイアフラムの前記第２の主面と接触して配置された第２の接触電極と、
前記多孔質誘電体ダイアフラムに対してほぼ平行に位置決めされ、かつ該多孔質誘電体ダイアフラムの前記第１の主面から離間している第１の平行離間電極と、
前記多孔質誘電体ダイアフラムに対してほぼ平行に位置決めされ、かつ該多孔質誘電体ダイアフラムの前記第２の主面から離間している第２の平行離間電極と、
前記第１の圧力及び前記第２の圧力の間の圧力差に応答して前記ダイアフラムを通って流れる充填流体と、
を含むことを特徴とする圧力センサ。
【請求項１４】
前記表面電荷は、前記ダイアフラムの前記主面間の逆電気浸透電位を特徴付けることを特徴とする請求項１３に記載の圧力センサ。
【請求項１５】
前記第１の接触電極及び前記第２の接触電極にわたる電位信号を測定する電圧計を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の圧力センサ。
【請求項１６】
前記第１の接触電極と前記第１の平行離間電極との間の第１の電流信号を測定する第１の電流計と、
前記第２の接触電極と前記第２の平行離間電極との間の第２の電流信号を測定する第２の電流計と、
を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の圧力センサ。
【請求項１７】
前記第１の接触電極及び前記第２の接触電極にわたって可変電位を供給する電位供給源を更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の圧力センサ。
【請求項１８】
前記可変電位は、前記電流信号をほぼ最小にすることを特徴とする請求項１７に記載の圧力センサ。
【請求項１９】
前記第１の接触電極及び前記第１の平行離間電極にわたる容量信号を測定する第１の容量補正電圧計と、
前記第２の接触電極及び前記第２の平行離間電極にわたる容量信号を測定する第２の容量補正電圧計と、
を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の圧力センサ。
【請求項２０】
圧力を感知する方法であって、
多孔質誘電体ダイアフラムを有する圧力センサの第１及び第２の圧力チャンバ内の充填流体に、第１及び第２の圧力を印加するステップを備え、
前記多孔質誘電体ダイアフラムは、前記第１及び第２の圧力チャンバに露出された第１及び第２の主面を有し、
前記多孔質誘電体ダイアフラムの前記第１及び第２の主面と接触して配置された第１及び第２の接触電極に誘起される電位を感知するステップと、
前記多孔質誘電体ダイアフラムに対して平行に位置決めされ、かつ該多孔質誘電体ダイアフラムの前記第１及び第２の主面から離間している第１及び第２の平行離間電極間の電位信号を感知するステップと、
前記多孔質誘電体ダイアフラムの第１及び第２の主面上の表面電荷の関数として、前記第１及び第２の圧力間の圧力差を表す出力を生成するステップと、
を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
第１及び第２の圧力を印加するステップは、動的ライン圧力、基準圧力、又は真空圧力のうちの１つ又はそれ以上を印加するステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
出力を生成するステップは、前記第１の接触電極と前記第１の平行離間電極の間の第１の電流信号と、前記第２の接触電極と前記第２の平行離間電極の間の第２の電流信号とを感知するステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
出力を生成するステップは、前記第１及び第２の接触電極にわたって可変電位を印加するステップを更に含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
出力を生成するステップは、前記第１の接触電極と前記第１の平行離間電極の間の第１の容量信号と、前記第２の接触電極と前記第２の平行離間電極の間の第２の容量信号とを感知するステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に圧力感知に関し、特に、多孔質誘電体ダイアフラムを通る流体流れの静電効果による圧力感知に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密で信頼できる圧力測定は、流体処理だけでなく、健康管理、農業、運輸、建設、及び他の分野における関連の用途も含む多くの産業に対して重要である。精密圧力センサはまた、マイクロ流体及び他の流れ過程、又は化学、生物学、工学、及び材料科学のより広範な分野を問わず、基礎科学研究にも極めて重要である。
多孔質膜で仕切られた極性液体の２つのセクション間の圧力差を電位に変換する圧力トランスジューサが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第３，４２４，９５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
既存の圧力感知技術は、従来的なスプリングゲージから最新のマイクロメカニカルセンサ、容量型静電圧力センサ、及び半導体ピエゾ抵抗又は圧電センサまでに及んでいる。これらの装置は、上述の産業における様々な特定用途に対処するものである。それにも関わらず、広い作動範囲にわたり有益なスケール感度を示す信頼できる費用効果的な圧力センサに対する必要性は、今も残されている。更に、温度限界、振動、及び他の環境的な影響に対して比較的鈍感であり、かつ応力、歪み、疲労、及び従来技術を特徴付けている他の機械的限界に比較的依存しない技術に対する特別な必要性が残されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
静電圧力感知装置は、第１及び第２の圧力チャンバ、多孔質誘電体ダイアフラム、第１及び第２の電極、及び充填流体から成る。多孔質誘電体ダイアフラムは、第１及び第２の圧力チャンバを分割しており、ダイアフラムの第１の主面が第１の圧力チャンバに露出され、かつ第２の主面が第２の圧力チャンバに露出される。第１の電極は、ダイアフラムの第１の主面に対して位置決めされ、第２の電極は、第２の主面に対して位置決めされる。
【０００６】
充填流体は、第１及び第２の圧力チャンバを満たし、かつ多孔質誘電体ダイアフラムを浸透する。これらの圧力チャンバは、第１及び第２の圧力を受け、そのために充填流体は、２つの圧力間の差に応答してダイアフラムを通って流れる。これは、圧力差の関数である電気信号を第１及び第２の電極上に誘起する。この信号は、実質的に充填流体及び多孔質誘電体ダイアフラムの分子特性に依存し、応力及び歪みに対する応答のようなダイアフラムの機械的特性にはほぼ無関係である。
【０００７】
多孔質誘電体ダイアフラムにわたる圧力を測定する方法も開示する。本方法は、圧力センサの第１及び第２の圧力チャンバ内の充填流体に圧力を印加するステップ、及び多孔質誘電体ダイアフラムの第１及び第２の主面上の表面電荷の関数として、それらの圧力間の圧力差を表す出力を生成するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】接触電極を利用する実施形態における多孔質誘電体ダイアフラムを有する差動圧力センサの概略断面図である。
【図１Ｂ】平行離間電極を利用する実施形態における図１Ａの差動圧力センサの概略断面図である。
【図２】非平衡圧力条件下にある図１Ａの差動圧力センサの概略断面図である。
【図３Ａ】接触電極を利用する実施形態における多孔質誘電体ダイアフラムにわたる圧力誘起電位信号を測定するための回路図である。
【図３Ｂ】平行離間電極を利用する実施形態における図３Ａの回路図である。
【図４】多孔質誘電体ダイアフラムにわたる圧力誘起電流信号を測定するための回路図である。
【図５】多孔質誘電体ダイアフラムにわたる圧力誘起電位信号及び電流信号を測定するための回路図である。
【図６】変位した多孔質誘電体ダイアフラムにわたる容量圧力補正を測定するための回路図である。
【図７Ａ】ゲージ圧力感知実施形態における図１Ａの圧力センサの概略断面図である。
【図７Ｂ】絶対圧力感知実施形態における図１Ａの圧力センサの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１Ａは、多孔質誘電体ダイアフラム１１を有する圧力センサ１０の概略断面図である。圧力センサ１０は、多孔質誘電体ダイアフラム１１、第１の圧力チャンバ１２、第２の圧力チャンバ１３、及び充填流体１４を含む。図１Ａの実施形態では、圧力センサ１０は、接触電極１９Ａ及び２０Ａを利用する。
【００１０】
多孔質誘電体ダイアフラム１１は、高い流量係数を有する剛性誘電体を含む。ダイアフラム１１は、第１の圧力チャンバ１２に対して露出された第１の主面１５と、第２の圧力チャンバ１３に対して露出された第２の主面１６とを有する。一実施形態では、多孔質誘電体ダイアフラム１１は、多孔質の超薄シリコン膜とすることができる。他の実施形態では、多孔質誘電体ダイアフラム１１は、第１の主面１５から第２の主面１６までダイアフラムを横断する毛管通路を特徴とする多孔質高分子膜、多孔質セラミックダイアフラム、又は多孔質溶融シリカダイアフラムとすることができる。多孔質誘電体ダイアフラム１１はまた、カーボンナノチューブの多孔質薄フィルム膜、カーボンナノファイバの多孔質薄フィルム膜、又は多孔質カーボンナノチューブマットを含むことができる。他の実施形態では、多孔質誘電体ダイアフラム１１は、上述の材料の組合せを含む複合多孔質誘電体ダイアフラムとすることができる。
【００１１】
第１の圧力チャンバ１２は、第１の圧力Ｐ1を受ける第１の圧力壁１７とダイアフラム１１の第１の主面１５との間に延びている。第２の圧力チャンバ１３は、第２の圧力Ｐ2を受ける第２の圧力壁１８とダイアフラム１１の第２の主面１６との間に延びている。図１Ａの実施形態では、第１の圧力Ｐ1と第２の圧力Ｐ2は、動的ライン圧力であり、圧力センサ１０は、差圧（ＤＰ）センサである。
【００１２】
接触電極１９Ａ及び２０Ａは、導体材料から成り、第１の接触電極１９Ａがダイアフラムの第１の主面１５に接し、第２の接触電極２０Ａが第２の主面１６に接するように位置決めされる。接触電極１９Ａ及び２０Ａは、図１Ａに示すように、ダイアフラム１１と比べて比較的小さくてよく、充填流体１４は、これらの電極の周りを流れることができる。
電極はまた、充填流体の流れを可能にする穴又は孔隙を含むことができる。代替的に、接触電極１９Ａ及び２０Ａは、ダイアフラム１１の周りでフレームを形成し、周囲付近でダイアフラムに接触し、充填流体１４の流れのために露出された中央領域を残しておくことができる。
【００１３】
充填流体１４は、第１の圧力チャンバ１２と第２の圧力チャンバ１３を充たし、かつ第１の主面１５及び第２の主面１６間で多孔質誘電体ダイアフラム１１に浸透する。一実施形態では、充填流体１４は、イオン溶液のような電解液とすることができる。他の実施形態では、充填流体１４は、極性流体又は極性溶液とすることができる。更に別の実施形態では、充填流体１４は、オイルのような非極性分散相とイオン粒子又は極性粒子のような極性又は電解分散相とを含む流体コロイドとすることができる。更に、充填流体１４は、液体のような比較的非圧縮性の流体であってよく、又は気体のような比較的圧縮性の流体とすることができる。
【００１４】
図１Ｂは、平行離間電極１９Ｂ及び２０Ｂを利用した実施形態における差圧センサ１０の概略断面図である。この実施形態では、第１の平行電極１９Ｂは、多孔質誘電体ダイアフラム１１とほぼ平行に位置決めされ、第１の主面１５から離間している。第２の平行電極２０Ｂも、ダイアフラム１１とほぼ平行に位置決めされ、第２の主面１６から離間している。他の点では、図１Ｂに例示した圧力センサ１０の要素は、図１Ａに示す実施形態のそれと同じである。
【００１５】
図１Ｂは、平行離間電極１９Ｂ及び２０Ｂのための様々な潜在的幾何学形状及び配置を例証している。電極１９Ｂ及び２０Ｂは、多孔質誘電体ダイアフラム１１と比べて比較的小さくてよく、それらは、ダイアフラムを取り囲むことができ、又はサイズと面積の両方においてダイアフラムに同等とすることができる。更に、電極１９Ｂ及び２０Ｂは、第１の圧力壁１７及び第２の圧力壁１８に接するように、又は主面と圧力壁の両方から離間するようにダイアフラムの主面から離間させることができる。
【００１６】
図１Ａ又は図１Ｂに示すような圧力センサ１０のＤＰ実施形態の作動時には、第１の圧力チャンバ１２は、動的ライン圧力Ｐ1を受け、第２の圧力チャンバ１３は、動的ライン圧力Ｐ2を受ける。差圧ΔＰは、これら２つのライン圧力の差つまりΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2である。図１Ａ及び１Ｂは、Ｐ1＝Ｐ2という平衡圧力条件を表しており、差圧ΔＰは、ゼロ（ΔＰ＝０）である。この条件において、多孔質誘電体ダイアフラム１１を通る充填流体１４の正味流量は、ゼロであり、電極間に何の電位信号も誘起されない。
【００１７】
図２は、非平衡圧力条件にある多孔質誘電体ダイアフラム１１を有する圧力センサ１０の概略断面図である。図２は、接触電極１９Ａ及び２０Ａを利用した実施形態を示しているが、圧力センサ１０は、上述のような平行離間電極１９Ｂ及び２０Ｂ、又は接触電極と平行離間電極の組合せを利用することができる。
【００１８】
図２は、圧力差が正、つまりΔＰ＞０である非平衡条件Ｐ1＞Ｐ2を示している。この条件においては、流れ矢印２１で表した多孔質誘電体ダイアフラム１１の第１の主面１５から第２の主面１６への充填流体１４の正味流量がある。
【００１９】
多孔質誘電体ダイアフラム１１を通る充填流体１４の流れは、荷電電流を誘起し、これは、逆電気浸透として特徴付けることのできる過程の結果である。標準的な電気浸透（同じく”electroosmosis”又は”electro-endosmosis”）では、電界の印加により、多孔質膜を横切って又は毛細管を通して流体流れが誘起される。この流体は、一般的に溶媒と塩のようなイオン溶質とを含む電解質流体であるが、この過程は、水のような極性流体に対しても、又は電解分散相又は極性分散相を含む流体コロイドに対しても適用することができる。
【００２０】
本明細書において開示する新規な技術では、電気浸透過程が逆転される。すなわち、電位が流れを誘起するのではなく、流れが電位を誘起する。逆に、流れは、印加された圧力差によって誘起され、この圧力差は、誘起された電位の関数として測定することができる。
【００２１】
標準的な電気浸透と逆電気浸透は、共にダイアフラムと充填流体の極性又はイオン性成分との間の表面相互作用によって起こる。一般的に、多孔質シリカ膜のような多孔質溶融シリカダイアフラムは、充填流体と接触した時に正味の負の表面電荷を得ることになる。
この表面電荷は、電解質充填流体中の正に帯電したイオン（カチオン）、又は双極成分を含む充填流体の正極を選択的に引き付ける。これは、ダイアフラム内の様々な多孔表面に沿って配向された帯電境界層を充填流体中に作り出す。この境界層は、デバイ長で表される厚みを有し、これは、典型的な充填流体では、約ナノメートル（ｎｍ）オーダーか又はマイクロメートル（μｍ）の画分程度である。
【００２２】
帯電した境界層は、多孔表面に対して固定されたステム層と、可動な拡散層とを含む。
外部静電位がダイアフラムにまたがって印加された時、それは、拡散層内に流れを誘起する。拡散層は、一般的にスリップフロー電気浸透と呼ばれる過程において、それら拡散層と共に流体の大部分を引きずる。
【００２３】
スリップフロー電気浸透は、広範なマイクロ流体用途に採用されており、これは、例えば、何の可動部品も必要としない電気浸透ポンプを含む。しかし、従来技術とは異なり、本明細書において開示する新規な技術は、スリップフロー電気浸透を誘起するために外部電位を印加しない。その代わり、印加された圧力差ΔＰに応答して、充填流体１４が、多孔質誘電体ダイアフラム１１を通って流れる。これは、拡散層内に荷電電流を作り出し、これがダイアフラムにわたって電位差を生成する。従って、電位が流れを生じさせるのではなく、流れが電位を生じさせる。
【００２４】
荷電電流は、印加された差圧ΔＰに対応するレベルに電位が達するまで流れ、これが圧力平衡を回復させる。逆電気浸透電位として特徴付けることができる極限電位は、圧力差ΔＰを得るために必要とされると考えられる印加電位（「標準」電気浸透における）に等しい。これは、多孔質誘電体ダイアフラム１１の主面１５及び１６間の電位差の測定値からΔＰを判断することを可能にする。
【００２５】
図３Ａは、接触電極１９Ａ及び２０Ａを利用して多孔質誘電体ダイアフラム１１にまたがる圧力誘起電位信号ΔＶを測定するための回路３０の概略図である。この実施形態では、回路３０は、第１の接触電極１９Ａ、第２の接触電極２０Ａ、電圧計３１、及び集積電圧計回路３２を含む。
【００２６】
第１の接触電極１９Ａは、ダイアフラム１１の第１の主面１５に接し、第２の接触電極２０Ａは、第２の主面１６に接する。電圧計３１は、接触電極１９Ａ及び２０Ａ間に接続され、かつ集積回路３２に接続された出力端を有する。
【００２７】
回路３０は、図３Ａでは流れ矢印２１の方向を有する多孔質ダイアフラム１１を通る充填流体１４の流れによる圧力差ΔＰに感応する。バルク流れは、ダイアフラム１１の多孔表面に沿った拡散電荷層内に荷電電流を生じて、上述のように逆電気浸透電位を生成する。逆電気浸透電位は、ダイアフラムの主面１５及び１６上に表面電荷を誘起し、接触電極１９Ａ及び２０Ａが表面電荷に応答する。これは、電位信号ΔＶを発生させ、これが電圧計３１によって測定される。
【００２８】
一般的に、逆電気浸透電位の極性は、流れの方向を表している。これは、逆に、ダイアフラムのいずれの主面がより大きな圧力を受けているかを表している。例えば、図３に示す実施形態では、帯電した境界層は、正の極性を有し、多孔質誘電体ダイアフラム１１上の負表面電荷極性を反映する。これは、矢印２１の方向へ流れる正の荷電電流を生じさせる。従って、この条件では、ΔＶは、図２にＰ1＞Ｐ2で定められているような正の圧力差に対する正の極性を有することになる。他の実施形態は、電位信号ΔＶの極性と圧力差ΔＰとの間の異なる関係を提供することができるが、２つは、１対１対応に留まることになる。
【００２９】
集積電圧計回路３２は、電圧増幅器とアナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）とを含む。
電圧増幅器は、電圧計３１の出力を増幅し、Ａ／Ｄは、電圧増幅器の出力をデジタル化する。一実施形態では、出力は、差動信号であり、電圧増幅器は、差動電圧増幅器であり、Ａ／Ｄは、フラッシュＡ／Ｄである。他の実施形態では、これらの要素は、他の形態を取ることができる。集積電圧計回路３２は、Ａ／Ｄの出力を捕捉するラッチを含むことができる。
【００３０】
電位信号ΔＶが約５Ｖ又はこれより高い電圧に達する実施形態では、集積電圧計回路３２は、少なくとも１つの電圧隔離コンデンサから成る電圧隔離要素を更に含むことができる。この実施形態では、電圧増幅器は、１よりも小さい増幅度を有することができる。
【００３１】
図３Ｂは、平行離間電極１９Ｂ及び２０Ｂを利用した多孔質誘電体ダイアフラム１１にまたがる圧力誘起電位信号ΔＶを測定するための回路３０の概略図である。この実施形態では、回路３０は、第１の平行離間電極１９Ｂ、第２の平行離間電極２０Ｂ、電圧計３１、及び集積電圧計回路３２を含む。
【００３２】
図３Ｂの実施形態では、平行電極１９Ｂ及び２０Ｂは、多孔質誘電体ダイアフラム１１の主面１５及び１６から離間している。逆電気浸透電位は、多孔質誘電体ダイアフラム１１に極性を与えて、第１の主面１５上に拘束表面電荷を生じ、又は第２の主面１６上に実質的に等しいが逆の拘束表面電荷を生じさせる。拘束表面電荷は、実質的に等しいが反対の自由表面電荷又は影像電荷を平行離間電極上に誘起する。これは、圧力差ΔＰに対応する電位信号ΔＶを生じさせる。しかし、この実施形態では、ΔＶの極性は、図３Ａに示すような接触電極１９Ａ及び２０Ａから得られるそれとは逆である点に注意されたい。
【００３３】
回路３０の様々な実施形態は、圧力センサ１０に固有のいくつかの利点を示している。
逆電気浸透電位は、圧力センサ１０が第１の圧力チャンバ１２と第２の圧力チャンバ１３との間のほぼ圧力平衡条件で作動することを可能にするので、多孔質誘電体ダイアフラム１１は、実質的に変形されない。従って、電位信号は、ダイアフラム１１の弾性特性に殆ど依存せず、圧力センサ１０は、従来技術における機械式の圧力センサが有する特性制限を受けない。
【００３４】
圧力センサ１０は、振動及び他の環境効果に対する耐性もあって重大なヒステリシスを呈しない。これは、電位信号ΔＶと圧力差ΔＰとの間の関係が、機械的特性よりも、主として分子特性に依存するからである。これらの特性には、充填流体１４の粘性及び誘電率、多孔質誘電体ダイアフラム１１の誘電率、及び帯電した境界層の固有ゼータ電位が含まれる。これらの特性は、実質的に振動又はヒステリシスに依存しない。
【００３５】
更に、多孔質誘電体ダイアフラム１１は、高い流れ定数及び高い誘電破壊電位を有することができ、広範囲の圧力にわたる急速な動的圧力変化に対する感受性を圧力センサ１０に与える。更に、充填流体１４及び多孔質誘電体ダイアフラム１１は、関係する分子特性が約−４０℃から約＋８５℃までの広い環境範囲の温度変動に対して最小限の影響を受けるように選択することができる。この実施形態は、高い作動寿命を有する費用効果的なパッケージで精密で安定した圧力表示器を提供し、この圧力表示器は、新しい生産ライン技術を必要とせず、かつ広範囲の圧力、温度、及び他の環境条件にわたって信頼できるものである。
【００３６】
図４は、多孔質誘電体ダイアフラム１１にわたる圧力誘起電流信号Ｉ1及びＩ2を測定するための回路４０の概略図である。回路４０は、接触電極１９Ａ及び２０Ａ、平行離間電極１９Ｂ及び２０Ｂ、第１の電流計４１、第２の電流計４２、集積電流計回路４３、及び任意的な電位供給源４４を含む。
【００３７】
接触電極１９Ａ及び２０Ａは、図１Ａに関連して説明されており、平行離間電極１９Ｂ及び２０Ｂは、図１Ｂに関連して説明されている。第１の電流計４１は、接触電極１９Ａと平行離間電極１９Ｂの間で第１の電流信号Ｉ1を測定し、第２の電流計４２は、接触電極２０Ａと平行離間電極２０Ｂの間で第２の電流信号Ｉ2を測定する。電流計４１及び４２は、集積電流計回路４３に接続した出力端を有する。
【００３８】
集積電流計回路４３は、電流増幅器とＡ／Ｄを含み、かつ電位供給源４４を制御する可変電位コントローラを任意的に含む。電流増幅器は、電流計４１及び４２からの電流信号を増幅し、Ａ／Ｄは、電流増幅器の出力をデジタル化する。一実施形態では、電流増幅器は、超低入力電流増幅器であり、Ａ／Ｄは、フラッシュＡ／Ｄである。集積電流計回路４３は、フラッシュＡ／Ｄの出力を捕捉するラッチを更に含むことができる。
【００３９】
回路４０では、電流信号Ｉ1及びＩ2は、部分的に接触電極１９Ａ及び２０Ａ間の電位に依存する。任意的な電位供給源４４を持たない実施形態では、これは、接触電極１９Ａ及び２０Ａが多孔質誘電体ダイアフラム１１の主面１５及び１６に接しているので、ほぼ逆電気浸透電位である。従って、この実施形態では、圧力差ΔＰは、実質的にＩ1及びＩ2の関数である。
【００４０】
代替実施形態では、接触電極１９Ａ及び２０Ａ間に可変電位Ｖiを印加するために任意的な電位供給源４４を使用することができるので、電流信号Ｉ1及びＩ2は、ほぼ最小にされる。この実施形態では、接触電極１９Ａ及び２０Ａからの電荷漏れが低減され、差圧ΔＰは、実質的に可変電位Ｖiの関数である。この実施形態は、静圧又は定常状態圧力に適用することができる圧力測定値を提供する。可変電位Ｖiは、集積電流計回路４３により動的に制御されて、可変的な圧力差に対する感受性をもたらすことができる。
【００４１】
可変電位Ｖiは、更に、電流信号Ｉ1及びＩ2が最小にされないように印加することができる。この実施形態では、電流信号Ｉ1及びＩ2は、多孔質誘電体ダイアフラム１１の各々の側での充填流体１４の抵抗率の独立的な測定値を提供する。充填流体１４が気体のような圧縮性流体である場合には、抵抗率は、圧力の関数である密度に依存する。この実施形態は、定常状態圧力差及び可変的圧力差の両方に対して敏感であり、個々の圧力Ｐ1及びＰ2により差圧ΔＰの測定値を提供する。
【００４２】
図５は、多孔質誘電体ダイアフラム１１にわたる圧力誘起電位信号ΔＶ及び圧力誘起電流信号Ｉ1及びＩ2を測定するための回路５０の概略図である。回路５０は、第１及び第２の接触電極１９Ａ及び２０Ａ、第１及び第２の平行離間電極１９Ｂ及び２０Ｂ、電圧計３１、及び第１及び第２の電流計４１及び４２を含む。回路５０は、集積電流／電圧回路５１を更に含み、集積電流／電圧回路５１は、図３Ａの集積電圧計回路３２と図４の集積電流計回路４３を含む。
【００４３】
回路５０は、電位信号ΔＶと電流信号Ｉ1及びＩ2の両方を測定することができる汎用回路である。回路５０は、回路３０及び４０の固有の利点を保ち、かつ動的圧力差と定常状態圧力差の両方の信頼できる正確かつ敏感な測定値を提供する。
【００４４】
図６は、変位した多孔質誘電体ダイアフラム１１にわたる容量圧力補正を測定するための回路６０の概略図である。回路６０は、接触電極１９Ａ及び２０Ａ、平行離間電極１９Ｂ及び２０Ｂ、及び容量補正電圧計６１及び６２を含む。
【００４５】
図６は、動的圧力差がダイアフラム１１をその平衡位置（破線で示す）から変位させることのできる状況を示している。典型的には、そのような変位は小さい。さらに、それは、充填流体１４が多孔質誘電体ダイアフラム１１内に拡散して圧力平衡を回復する時、減少する可能性がある。しかし、圧力センサ１０は、ダイアフラムが歪みを全く受けない用途に限定されるわけではなく、そのような歪みが起こった場合には、回路６０のような回路を利用してそれを補正することができる。
【００４６】
ダイアフラム１１の任意の変位は、電極１９Ａ及び１９Ｂ間の容量間隔ｄ1、及び電極２０Ａ及び２０Ｂ間の容量間隔ｄ2を変える。これは、次に、集積電圧計回路３１に接続された容量補正電圧計６１及び６２内に信号を誘起する。この実施形態では、集積電圧計回路３１は、これらの容量信号に基づいて圧力測定値を補正するように構成された付加的な電子構成要素を含む。回路６０は上述のような回路３０、４０、又は５０のいずれとも組合せて利用することができ、又は、回路６０は独立に利用することもできる。
【００４７】
図７Ａは、ゲージ圧力（ＧＰ）感知実施形態における圧力センサ１０の概略断面図である。圧力センサ１０は、上述のように、多孔質誘電体ダイアフラム１１、第１の圧力チャンバ１２、第２の圧力チャンバ１３、及び充填流体１４を含み、かつ図に示すような接触電極１９Ａ及び２０Ａ、又は他の電極構成を利用することができる。
【００４８】
図１ＡのＤＰ実施形態とは異なり、図７ＡのＧＰ実施形態は、ライン圧力Ｐ2ではなく、基準圧力Ｐ0を受ける。従って、ＧＰ実施形態は、差圧ΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2ではなく、ゲージ圧力Ｐg＝Ｐ1−Ｐ0を測定する。他の点では、ＧＰ実施形態は、ＤＰ実施形態の利点を保持しており、かつ上述の様々な回路のうちのいずれかと共に利用することができる。
【００４９】
１つのＧＰ実施形態では、基準圧力Ｐ0は大気圧であり、ゲージ圧力Ｐgは標準ゲージ圧力である。他の実施形態では、基準圧力Ｐ0は、別の周囲圧力又は別の環境圧力とすることができる。圧力センサ１０のＧＰ実施形態は、密封された圧力センサ実施形態とすることができる。
【００５０】
図７Ｂは、絶対圧力（ＡＰ）感知実施形態における圧力センサ１０の概略断面図である。ＡＰ実施形態は、第２の圧力チャンバ１３が真空圧力Ｐv≒０を受けるという点でＤＰ及びＧＰ実施形態と区別される。従って、ＡＰ実施形態は、差圧ΔＰ又はゲージ圧力Ｐgではなく、絶対圧力Ｐa≒Ｐ1を測定する。他の点では、ＡＰ実施形態は、上述のようなＤＰ及びＧＰ実施形態の利点を共有している。
【００５１】
図７ＢのＡＰ実施形態の作動時には、第２の圧力チャンバ１３は、充填流体１４の蒸発を受けることがあるので、Ｐvは、絶対真空圧力ではなく蒸気圧である。この場合、充填流体１４は、全作動温度範囲にわたり小さな蒸気圧を呈するので、蒸気圧と絶対真空圧力の差は小さい。代替的に、ＡＰ実施形態は、第２の圧力チャンバ１３内に一層低い圧力を維持するために、真空ポンプを含むことができ、又は充填流体１４の蒸気圧を下げるために冷却要素を含むことができる。
【００５２】
本明細書において開示した構造的及び機能的詳細と使用された特殊な用語は、説明の目的で使用したものであり、限定するために使用したものではない。本発明を好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく形態及び詳細に変更を行うことができることを認識するであろう。
【符号の説明】
【００５３】
１０  圧力センサ
１１  多孔質誘電体ダイアフラム
１２、１３  第１及び第２の圧力チャンバ
１４  充填流体
１５、１６  第１及び第２の主面
１９Ａ、２０Ａ  第１及び第２の接触電極
１９Ｂ、２０Ｂ  第１及び第２の平行離間電極
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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