(57)【要約】【課題】長期間安定度及び高い感度を有する圧力センサを提供する。【解決手段】長期間安定度を有する高感度圧力センサは、第１のチャンバ及び第２のチャンバを有するハウジングと、第１のチャンバと第２のチャンバを分離する膜（２０）と、第１のチャンバ（１６）内に、膜の一方の面から離間して配置され、膜と共に第１のキャパシタを形成する第１の電極と、第２のチャンバ（１８）内に、膜の反対側の面から離間して配置され、膜と共に第２のキャパシタを形成する第２の電極とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長期間安定度を有する高感度圧力センサにおいて、
第１のチャンバ及び第２のチャンバを含むハウジングと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバを分離する膜と、
前記第１のチャンバ内に、前記膜の一方の面から離間して配置され、前記膜と共に第１のキャパシタを形成する第１の電極と、
前記第２のチャンバ内に、前記膜の反対側の面から離間して配置され、前記膜と共に第２のキャパシタを形成する第２の電極と、
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタに接続され、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出することにより膜変位を測定する測定回路と、
前記膜に補償力として電界を印加し、前記第１の電極と前記膜との電圧差を減少させ且つ前記第２の電極と前記膜との電圧差を増加させて、長期間安定度を提供するように構成された補償回路とを具備する圧力センサ。
【請求項２】
前記膜は金属から製造されている請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記金属の膜は２つのチャンバの間に差圧が存在しない場合にさほど大きな張力を受けない請求項２記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記膜に対する張力は．０．３６Ｎ／ｍ未満である請求項３記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記膜の曲げ力による圧力に対する膜変位をYbendとし、張力による圧力に対する膜変位をYtensとするとき、Ybend＜＜Ytensである請求項３記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記ハウジングは前記膜の材料の熱膨張率と等しい又はほぼ等しい熱膨張率を有する材料から製造されている請求項１記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記ハウジングはチタンから製造され、前記膜はチタンから製造されている請求項６記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記ハウジングは、各々が内側チャンバを有する第１及び第２のベースプレートを含み、前記膜は前記２枚のベースプレートの間に配置されて、その内側チャンバを分離している請求項１記載の圧力センサ。
【請求項９】
前記２枚のベースプレートは圧縮状態で互いに固着され、その後、前記膜の負の張力を防止するために前記膜をわずかに引っ張るように解放される請求項８記載の圧力センサ。
【請求項１０】
前記第１の電極は対応する内側チャンバを覆うように前記第１のベースプレートに装着された第１のホルダに装着され、前記第２の電極は対応する内側チャンバを覆うように前記第２のベースプレートに装着された第２のホルダに装着されている請求項８記載の圧力センサ。
【請求項１１】
前記第１のホルダと前記第１のベースプレートとの間の絶縁体と、前記第２のホルダと前記第２のベースプレートとの間の絶縁体を更に含む請求項１０記載の圧力センサ。
【請求項１２】
前記第１の電極の周囲にあり、前記第１のベースプレートの内側チャンバに関して前記第１の電極を密封する第１のシールと、前記第２の電極の周囲にあり、前記第２のベースプレートの内側チャンバに関して前記第２の電極を密封する第２のシールとを更に含む請求項１０記載の圧力センサ。
【請求項１３】
前記第１のベースプレートはその内側チャンバと連通する導管を含み、前記第２のベースプレートはその内側チャンバと連通する導管を含む請求項８記載の圧力センサ。
【請求項１４】
前記膜は５〜１５μｍの厚さを有する請求項１記載の圧力センサ。
【請求項１５】
前記第１のチャンバの容積は前記第２のチャンバの容積とほぼ同じであるか又は同じである請求項１記載の圧力センサ。
【請求項１６】
前記第１の電極と前記膜との間隔は前記第２の電極と前記膜との間隔と同じであるか又はほぼ同じである請求項１記載の圧力センサ。
【請求項１７】
前記間隔は１０〜３０μｍである請求項１６記載の圧力センサ。
【請求項１８】
前記第１の電極は前記膜に面するほぼ平坦な面を有し、前記第２の電極は前記膜に面するほぼ平坦な面を有する請求項１記載の圧力センサ。
【請求項１９】
前記補償回路は、前記第１の電極及び前記第２の電極に接続された分圧器と、前記分圧器の中間点に接続され、前記中間点の電位を監視する増幅器とを含む請求項１記載の圧力センサ。
【請求項２０】
前記測定回路は、前記第１の電極及び前記第２の電極に接続され且つ前記補償回路に接続されるフィードバックを有するブリッジ回路を含む請求項１記載の圧力センサ。
【請求項２１】
前記ブリッジ回路は高周波数電圧源を含む請求項２０記載の圧力センサ。
【請求項２２】
前記高周波数電圧源は変圧器の２次巻線であり、その１次巻線は高周波数電圧発生器に接続されている請求項２１記載の圧力センサ。
【請求項２３】
前記補償回路は、前記増幅器と前記測定回路との間に接続されたロックイン増幅器を更に含む請求項１９記載の圧力センサ。
【請求項２４】
前記ロックイン増幅器は、高周波数電圧源に接続された移相器と、前記増幅器に接続された位相検出器とを含む請求項２３記載の圧力センサ。
【請求項２５】
前記位相検出器の出力端子と前記増幅器との間に配置された低域フィルタを更に含む請求項２４記載の圧力センサ。
【請求項２６】
長期間安定度を有する高感度圧力センサにおいて、
第１のチャンバ及び第２のチャンバを含むハウジングと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバを分離し、２つのチャンバの間に差圧が存在しないときにさほど大きい張力を受けない金属膜と、
前記第２のチャンバ内に、前記金属膜の一方の面から離間して配置され、第１のキャパシタを形成する第１の電極と、
前記第２のチャンバ内に、前記金属膜の反対側の面から離間して配置され、第２のキャパシタを形成する第２の電極と、
前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出することにより膜変位を測定する測定回路と、
前記第１の電極及び前記第２の電極に接続された分圧器を含み、平衡状態に保たれていないときに前記金属膜の一方の面に前記金属膜の他方の面より大きい電界を印加する中間点を有する補償回路とを具備する圧力センサ。
【請求項２７】
長期間安定度を有する高感度圧力センサにおいて、
第１のチャンバ及び第２のチャンバを含むハウジングと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバを分離する金属膜と、
前記第２のチャンバ内に、前記金属膜の一方の面から離間して配置され、第１のキャパシタを形成する第１の電極と、
前記第２のチャンバ内に、前記金属膜の反対側の面から離間して配置され、第２のキャパシタを形成する第２の電極と、
前記ハウジングは、前記金属膜の材料の熱膨張率と同じであるか又はほぼ同じである熱膨張率を有する材料から製造されていることと、
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタに接続され、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出することにより膜変位を測定する測定回路と、
前記金属膜の補償力として電界を印加し、前記第１の電極と前記金属膜との電圧差を減少させ且つ前記第２の電極と前記金属膜との電圧差を増加させるように構成された補償回路とを具備する圧力センサ。
【請求項２８】
長期間安定度を有する高感度圧力センサにおいて、
第１のチャンバ及び第２のチャンバを含むハウジングと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバを分離する金属膜と、
前記第２のチャンバ内に、前記金属膜の一方の面から離間して配置され、第１のキャパシタを形成する第１の電極と、
前記第２のチャンバ内に、前記金属膜の反対側の面から離間して配置され、第２のキャパシタを形成する第２の電極とを具備し、
前記金属膜は、前記２つのチャンバの間に差圧が存在しないときにさほど大きい張力を受けない圧力センサ。
【請求項２９】
前記金属膜に対する張力は．０．３６Ｎ／ｍ未満である請求項２８記載の圧力センサ。
【請求項３０】
前記金属膜の曲げ力による圧力に対する膜変位をYbendとし、張力による圧力に対する膜変位をYtensとするとき、Ybend＜＜Ytensである請求項２８記載の圧力センサ。
【請求項３１】
前記ハウジングは前記金属膜の材料の熱膨張率と等しい又はほぼ等しい熱膨張率を有する材料から製造されている請求項２８記載の圧力センサ。
【請求項３２】
前記ハウジングはチタンから製造され、前記金属膜はチタンから製造されている請求項３１記載の圧力センサ。
【請求項３３】
前記ハウジングは、各々が内側チャンバを有する第１及び第２のベースプレートを含み、前記金属膜は前記２枚のベースプレートの間に配置されて、その内側チャンバを分離している請求項２８記載の圧力センサ。
【請求項３４】
前記２枚のベースプレートは圧縮状態で互いに固着され、その後、前記金属膜の負の張力を防止するために前記金属膜をわずかに引っ張るように解放される請求項３３記載の圧力センサ。
【請求項３５】
前記第１の電極は対応する内側チャンバを覆うように前記第１のベースプレートに装着された第１のホルダに装着され、前記第２の電極は対応する内側チャンバを覆うように前記第２のベースプレートに装着された第２のホルダに装着されている請求項３３記載の圧力センサ。
【請求項３６】
前記第１のホルダと前記第１のベースプレートとの間の絶縁体と、前記第２のホルダと前記第２のベースプレートとの間の絶縁体を更に含む請求項３５記載の圧力センサ。
【請求項３７】
前記第１の電極の周囲にあり、前記第１のベースプレートの内側チャンバに関して前記第１の電極を密封する第１のシールと、前記第２の電極の周囲にあり、前記第２のベースプレートの内側チャンバに関して前記第２の電極を密封する第２のシールとを更に含む請求項３５記載の圧力センサ。
【請求項３８】
前記第１のベースプレートはその内側チャンバと連通する導管を含み、前記第２のベースプレートはその内側チャンバと連通する導管を含む請求項３３記載の圧力センサ。
【請求項３９】
前記金属膜は５〜１５μｍの厚さを有する請求項２８記載の圧力センサ。
【請求項４０】
前記第１のチャンバの容積は前記第２のチャンバの容積とほぼ同じであるか又は同じである請求項２８記載の圧力センサ。
【請求項４１】
前記第１の電極と前記金属膜との間隔は前記第２の電極と前記金属膜との間隔と同じであるか又はほぼ同じである請求項２８記載の圧力センサ。
【請求項４２】
前記間隔は１０〜３０μｍである請求項４１記載の圧力センサ。
【請求項４３】
前記第１の電極は前記金属膜に面するほぼ平坦な面を有し、前記第２の電極は前記金属膜に面するほぼ平坦な面を有する請求項２８記載の圧力センサ。
【請求項４４】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタに接続され、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出する測定回路と、
補償回路とを具備するコントローラを更に含む請求項２８記載の圧力センサ。
【請求項４５】
長期間安定度を有する高感度圧力センサにおいて、
第１のチャンバ及び第２のチャンバを含むハウジングと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバを分離する金属膜と、
前記第２のチャンバ内に、前記金属膜の一方の面から離間して配置され、第１のキャパシタを形成する第１の電極と、
前記第２のチャンバ内に、前記金属膜の反対側の面から離間して配置され、第２のキャパシタを形成する第２の電極とを具備し、
前記ハウジングは、前記金属膜の材料の熱膨張率と同じであるか又はほぼ同じである熱膨張率を有する材料から製造されている圧力センサ。
【請求項４６】
第１のキャパシタ及び第２のキャパシタと、２つのキャパシタに共通する膜とを含む差圧センサの制御回路において、
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタに接続され、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出することにより膜変位を測定する測定回路と、
まず、前記膜の両面に等しい電圧及び電界を印加し、前記第１の電極と前記膜との電圧差を減少させると同時に、前記第２の電極と前記膜との電圧差を増加させるか、あるいは逆に前記第１の電極と前記膜との電圧差を増加させると同時に、前記第２の電極と前記膜との電圧差を減少させることにより補償力を加えて、長期間安定度を提供するように構成された補償回路とを具備する制御回路。
【請求項４７】
長期間安定度を有する高感度圧力センサを製造し、使用する高度な方法において、
第１のチャンバ及び第２のチャンバを含むようにハウジングを形成することと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバを分離するために膜を配置することと、
前記第１のチャンバ内に、前記膜の一方の面から離間させて、前記膜と共に第１のキャパシタを形成する第１の電極を配置することと、
前記第２のチャンバ内に、前記膜の反対側の面から離間させて、前記膜と共に第２のキャパシタを形成する第２の電極を配置することと、
前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出することにより膜変位を測定するために、前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタに測定回路を接続することと、
まず最初に前記膜の両側に等しい強さの電界を印加し、前記第１の電極と前記膜との電圧差を減少させると同時に、前記第２の電極と前記膜との電圧差を増加させるか、あるいは逆に前記第１の電極と前記膜との電圧差を増加させると同時に、前記第２の電極と前記膜との電圧差を減少させることにより補償力を加えて、長期間安定度を提供することから成る方法。
【請求項４８】
前記膜は金属から製造されている請求項４７記載の方法。
【請求項４９】
前記金属膜は前記２つのチャンバの間に差圧が存在しないときにさほど大きな張力を受けない請求項４８記載の方法。
【請求項５０】
前記金属膜に対する張力は．０．３６Ｎ／ｍ未満である請求項４９記載の方法。
【請求項５１】
前記金属膜の曲げ力による圧力に対する膜変位をYbendとし、張力による圧力に対する膜変位をYtensとするとき、Ybend＜＜Ytensである請求項４９記載の方法。
【請求項５２】
前記ハウジングは前記膜の材料の熱膨張率と等しい又はほぼ等しい熱膨張率を有する材料から製造されている請求項４７記載の方法。
【請求項５３】
前記ハウジングはチタンから製造され、前記膜はチタンから製造されている請求項５２記載の方法。
【請求項５４】
前記ハウジングは、各々が内側チャンバを有する第１及び第２のベースプレートを含み、前記膜は前記２枚のベースプレートの間に配置されて、その内側チャンバを分離している請求項４７記載の方法。
【請求項５５】
前記２枚のベースプレートは圧縮状態で互いに固着され、その後、前記膜の負の張力を防止するために前記膜をわずかに引っ張るように解放される請求項５４記載の方法。
【請求項５６】
前記第１の電極は対応する内側チャンバを覆うように前記第１のベースプレートに装着された第１のホルダに装着され、前記第２の電極は対応する内側チャンバを覆うように前記第２のベースプレートに装着された第２のホルダに装着されている請求項５５記載の方法。
【請求項５７】
前記第１のホルダと前記第１のベースプレートとの間に絶縁体を配置することと、前記第２のホルダと前記第２のベースプレートとの間に絶縁体を配置することを更に含む請求項５６記載の方法。
【請求項５８】
前記第１の電極の周囲に、前記第１のベースプレートの内側チャンバに関して前記第１の電極を密封する第１のシールを配置することと、前記第２の電極の周囲に、前記第２のベースプレートの内側チャンバに関して前記第２の電極を密封する第２のシールを配置することを更に含む請求項５６記載の方法。
【請求項５９】
前記第１のベースプレートはその内側チャンバと連通する導管を含み、前記第２のベースプレートはその内側チャンバと連通する導管を含む請求項５５記載の方法。
【請求項６０】
前記膜は５〜１５μｍの厚さを有する請求項４７記載の方法。
【請求項６１】
前記第１のチャンバの容積は前記第２のチャンバの容積とほぼ同じであるか又は同じである請求項４７記載の方法。
【請求項６２】
前記第１の電極と前記膜との間隔は前記第２の電極と前記膜との間隔と同じであるか又はほぼ同じである請求項４７記載の方法。
【請求項６３】
前記間隔は１０〜３０μｍである請求項６２記載の方法。
【請求項６４】
前記第１の電極は前記膜に面するほぼ平坦な面を有し、前記第２の電極は前記膜に面するほぼ平坦な面を有する請求項４７記載の方法。
【請求項６５】
前記補償回路は、前記第１の電極及び前記第２の電極に接続された分圧器と、前記分圧器の中間点に接続され、前記中間点の電位を監視する増幅器とを含む請求項４７記載の方法。
【請求項６６】
前記第１の電極及び前記第２の電極に、前記補償回路に接続されたフィードバックを有するブリッジ回路が接続されている請求項４７記載の方法。
【請求項６７】
前記ブリッジ回路は高周波数電圧源を含む請求項６６記載の方法。
【請求項６８】
前記高周波数電圧源は変圧器の２次巻線であり、その１次巻線は高周波数電圧発生器に接続されている請求項６２記載の方法。
【請求項６９】
前記補償回路は、前記増幅器と前記測定回路との間に接続されたロックイン増幅器を更に含む請求項６５記載の方法。
【請求項７０】
前記ロックイン増幅器は、高周波数電圧源に接続された移相器と、前記増幅器に接続された位相検出器とを含む請求項６９記載の方法。
【請求項７１】
前記位相検出器の出力端子と前記増幅器との間に配置された低域フィルタを更に含む請求項７０記載の方法。
【請求項７２】
第１のチャンバ及び第２のチャンバを有するハウジングと、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバを分離する金属膜と、前記第１のチャンバ内に、前記金属膜の一方の面から離間して配置され、前記金属膜と共に第１のキャパシタを形成する第１の電極と、前記第２のチャンバ内に、前記金属膜の反対側の面から離間して配置され、前記金属膜と共に第２のキャパシタを形成する第２の電極とを含む高感度圧力センサを長期間安定度を有するように動作させる方法において、
前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出することにより膜変位を測定することと、
まず最初に前記金属膜の両面に等しい大きさの電界を印加し、前記第１の電極と前記金属膜との電圧差を減少させると同時に、前記第２の電極と前記金属膜との電圧差を増加させるか、あるいは逆に前記第１の電極と前記金属膜との電圧差を増加させると同時に、前記第２の電極と前記金属膜との電圧差を減少させることにより、補償力を加えることから成る方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分析及びLuft型赤外線ガス分析器を含む様々な計測の分野、並びに光音響分析器システム及び磁気音響分析器システムにおいて有用である長期間安定度及び高い感度を有する圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な計測の分野、特にガス分析に関連する計測の分野において、低レベルのガス圧力を長期間安定度及び高い感度をもって測定するという作業は重要である。いくつかの計測部門は、露光、磁界又は電界刺激などの制御された刺激又は環境にガスをさらすことにより、ガス試料のわずかな圧力変化を誘起することに依存している。例えば、Luft型赤外線ガス分析装置、並びに光音響分析装置及び磁気音響分析装置は、１Ｈｚ未満から数ｋＨｚの範囲にわたる周波数で、約１０-6Ｐａ（パスカル）検出閾値に至る小さな圧力変化による差圧測定に依存している。そのような小さな圧力変化を検出することが可能である圧力センサは、それらの環境において極めて有用であろう。一般に、長期間（数ヶ月から数年）にわたり、摂氏数十度までの温度範囲で±１％の精度範囲内で動的圧力測定を実行することが必要とされている。状況によっては、化学薬品に対する耐性も要求される。
【０００３】
一例として、特定の１つの適用用途は常磁性酸素センサである。セル内のガスの試料を時間変動磁界にさらすと、時間変動磁界はガス中に存在する常磁性成分（例えば、酸素）に作用して、圧力センサにより検出されるべき圧力変化を発生させる。時間変動磁界は１Ｈｚ未満から１０ｋＨｚまでの範囲の圧力変化を発生させる。圧力センサにより出力される信号の振幅は試料における酸素濃度の尺度を表し、通常、約１０±ｐｐｍの酸素感度に対して１０-5Ｐａを超える圧力感度が要求される。しかし、従来の圧力センサの構成はそのような低振幅の圧力変化を検出するのに適合していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
真空に近い適用環境において圧力を測定するための共通する構成の１つは、通常は著しく大きな張力を受けてリングに接着されて、密封差圧センサアセンブリを形成するプラスチック製のダイアフラムを含む。しかし、化学薬品（蒸気）、ハウジング内の熱応力、エージング効果及びその他のドリフトの原因にさらされることに起因するダイアフラムの張力の変化は、圧力を受けることによるダイアフラムの変位に大きな影響を及ぼす。感度を制限するこれらの効果を適度に相殺するためには、膜の張力を相対的に大きくすることが要求される。特に、約１０-6Ｐａまでの圧力変化を測定しなければならない場合に、このことが当てはまる。更に、従来の構成においては、センサ出力の副次的変化があるため、頻繁な再校正が必要になるか、あるいは綿密な温度制御、信号オフセット又はその他の修正の下での作業が要求されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、本発明の目的は、高感度ガス分析装置などの測定計器で使用されるのに十分な感度を有する差圧センサを提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、そのような高感度圧力センサに長期間安定度を与えることである。
【０００７】
本発明の更に別の目的は、数ｋＨｚまでの周波数で高レベルのコモンモード阻止を伴う正確な差圧センサを提供することである。
【０００８】
本発明の更に別の目的は、低レベルのガス圧力を測定するために使用でき、従って、ｐｐｍ範囲の常磁性酸素センサ及びその他の実現形態において有用である圧力センサを提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、温度変化又は腐食性化学薬品蒸気、並びに溶剤、炭化水素などを感知しない圧力センサを提供することである。
【００１０】
本発明の更に別の目的は、頻繁な再校正を必要としない圧力センサを提供することである。
【００１１】
本発明の更に別の目的は、温度勾配によって誘起される寸法変化又はその他の（例えば、引っ張り）変化などの低速の影響に起因する変化を自動的に補償する圧力センサを提供することである。
【００１２】
本発明は、センサの固体（例えば、金属）膜に電界を印加し、それにより、寸法変化又は引っ張り変化などの長期間にわたる影響又は低速の影響による変化を補償するための力を発生させるように構成された補償回路を含めること、薄い固体材料膜の熱膨張率と同じであるか又はそれに類似する熱膨張率を有するハウジングを使用すること、及び膜変位が電圧と直線的に関連付けられるように対称形の構成を取り入れることにより、より正確で、安定した高感度の圧力センサが実現されるという認識に由来している。
【００１３】
本発明は、長期間安定度を有する高感度圧力センサであって、第１のチャンバ及び第２のチャンバを含むハウジングと、第１のチャンバと第２のチャンバを分離する膜と、第１のチャンバ内に、膜の一方の面から離間して配置され、膜と共に第１のキャパシタを形成する第１の電極と、第２のチャンバ内に、膜の反対側の面から離間して配置され、膜と共に第２のキャパシタを形成する第２の電極とを具備する圧力センサを特徴としている。測定回路は第１のキャパシタ及び第２のキャパシタに接続され、第１のキャパシタと第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出することにより膜変位を測定し、補償回路は、第１の電極と膜との電圧差を減少させると同時に、第２の電極と膜との電圧差を増加させることにより、補償力として膜に電界を印加して、長期間安定度を提供するように構成されている。
【００１４】
通常、膜は金属から製造されており、２つのチャンバの間に差圧が存在しないとき、金属膜はさほど大きな張力を受けない。好ましい実施例では、膜に対する張力は．０．３６Ｎ／ｍ未満である。同様に、好ましい実施例では、膜の曲げ力による圧力に対する膜変位をYbendとし、張力による圧力に対する膜変位をYtensとするとき、Ybend＜＜Ytensである。ハウジングは、膜の材料の熱膨張率と同じであるか又はほぼ同じである熱膨張率を有する材料から製造されているのが好ましい。例えば、ハウジングはチタンから製造され、膜はチタンから製造されている。
【００１５】
一実施例においては、ハウジングは、各々が内側チャンバを有する第１及び第２のベースプレートを含み、膜は２枚のベースプレートの間に配置されて、その内側チャンバを分離し、２枚のベースプレートは互いに圧縮された状態で固着され、その後、膜の負の張力を防止するために膜をわずかに引っ張るように解放される。第１の電極は、第１のベースプレートにその内側チャンバを覆うように装着された第１のホルダに装着されていても良く、その場合、第２の電極は、第２のベースプレートにその内側チャンバを覆うように装着された第２のホルダに装着される。更に、第１のホルダと第１のベースプレートの間に絶縁体が含まれ、第２のホルダと第２のベースプレートとの間に絶縁体が含まれていても良い。典型的な実施例では、第１の電極の周囲に、第１のベースプレートの内側チャンバに関して第１の電極を密封する第１のシールが配置され、第２の電極の周囲には、第２のベースプレートの内側チャンバに関して第２の電極を密封する第２のシールが配置されている。第１のベースプレートは、その内側チャンバと連通する導管を含んでいても良く、その場合、第２のベースプレートは、その内側チャンバと連通する導管を含む。
【００１６】
好ましい実施例では、膜は５〜１５μｍの厚さを有し、第１のチャンバの容積は第２のチャンバの容積とほぼ同じであるか又は同じであり、第１の電極と膜との間隔は、第２の電極と膜との間隔と同じであるか又はほぼ同じである。この間隔は１０から３０μｍであっても良い。また、第１の電極は、通常、膜に面するほぼ平坦な面を有し、第２の電極も膜に面するほぼ平坦な面を有する。
【００１７】
好ましい実施例では、補償回路は、第１の電極及び第２の電極に接続された分圧器と、分圧器の中間点に接続され、中間点の電位を監視する増幅器とを含む。また、測定回路は、第１の電極及び第２の電極に接続され、補償回路に対するフィードバックを有するブリッジ回路を含む。ブリッジ回路は高周波数電圧源、すなわち、変圧器の２次コイルを含んでいても良く、変圧器の１次巻線は高周波数電圧発生器に接続されている。補償回路は、増幅器と測定回路との間に接続されたロックイン増幅器を更に含んでいても良く、ロックイン増幅器は、高周波数電圧源に接続された移相器と、増幅器に接続された位相検出器とを含む。一実施例においては、位相検出器の出力端子と増幅器との間に低域フィルタが配置されている。
【００１８】
本発明に従った長期間安定度を有する高感度圧力センサの一例は、第１のチャンバ及び第２のチャンバを含むハウジングと、第１のチャンバと第２のチャンバを分離し、２つのチャンバの間に差圧が存在しないときにさほど大きな張力を受けない金属膜と、第１のチャンバ内に、金属膜の一方の面から離間して配置され、金属膜と共に第１のキャパシタを形成する第１の電極と、第２のチャンバ内に、金属膜の反対側の面から離間して配置され、金属膜と共に第２のキャパシタを形成する第２の電極と、第１のキャパシタと第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出することにより膜変位を測定する測定回路と、第１の電極及び第２の電極に接続され且つ平衡状態に保たれていないときに金属膜の一方の面に金属膜の他方の面より大きい電界を印加する中間点を有する分圧器を含む補償回路とを特徴としている。
【００１９】
本発明に従って、第１のキャパシタ及び第２のキャパシタと、２つのキャパシタに共通する膜とを含む差圧センサの制御回路の一例は、第１のキャパシタ及び第２のキャパシタに接続され、第１のキャパシタと第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出することにより膜変位を測定する測定回路と、膜に静電界を印加し、第１の電極と膜との電圧差を減少させると同時に、第２の電極と膜との電圧差を増加させるか、あるいは逆に第１の電極と膜との電圧差を増加させると同時に、第２の電極と膜との電圧差を減少させることにより補償力を発生させて、長期間安定度を提供するように構成された補償回路とを含む。
【００２０】
本発明に従って、長期間安定度を有する高感度圧力センサを製造し、使用する方法は、第１のチャンバ及び第２のチャンバを含むようにハウジングを形成することと、第１のチャンバと第２のチャンバを分離するように膜を配置することと、第１のチャンバ内に、膜の一方の面から離間させて、膜と共に第１のキャパシタを形成する第１の電極を配置することと、第２のチャンバ内に、膜の反対側の面から離間させて、膜と共に第２のキャパシタを形成する第２の電極を配置することと、第１のキャパシタと第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出することにより動的膜変位を測定する高周波数測定回路を第１のキャパシタ及び第２のキャパシタに接続することと、膜に静電界を印加して、第１の電極と膜との電圧差を減少させると同時に、第２の電極と膜との電圧差を増加させるか、あるいは逆に第１の電極と膜との電圧差を増加させると同時に、第２の電極と膜との電圧差を減少させるために補償力を発生し、長期間安定度を提供することを特徴としている。
【００２１】
本発明に従って高感度圧力センサを長期間安定度を有するように動作させる方法は、第１のキャパシタと第２のキャパシタとのキャパシタンスの差を検出することにより膜変位を測定することと、第１の電極と膜との電圧差を減少させると同時に、第２の電極と膜との電圧差を増加させるか、あるいは逆に第１の電極と膜との電圧差を増加させると同時に、第２の電極と膜との電圧差を減少させることにより、補償力として膜に電界を印加することを含む。
【００２２】
その他の目的、特徴及び利点は以下の好ましい実施例の説明及び添付の図面から当業者には明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に開示する好ましい実施例に加えて、本発明は他の実施例も可能であり且つ様々な方法で実施されることができる。従って、本発明は以下の説明に記載される又は図面に図示される構成の詳細及び構成要素の配列への適用に限定されないことを理解すべきである。
【００２４】
図１及び図２に示す本発明の圧力センサ１０は、容積の等しい第１のチャンバ１６及び第２のチャンバ１８を規定する２枚のプレート１２及び１４を有するハウジングを含むのが好ましい。膜２０はチャンバ１６及び１８を分離し、それらのチャンバを覆うように延出し、プレート１２及び１４の間に固定されている。第１の電極２２は第１のチャンバ１６内に、膜２０の一方の面からごく狭い間隔で離間して配置され、膜と共に第１のキャパシタを形成している。第２の電極２４は第２のチャンバ１８内に、膜２０の他方の面からごく狭い間隔で離間して配置され、膜と共に第２のキャパシタを形成している。
【００２５】
膜２０は５〜１５μの厚さのチタン、ステンレス鋼などの金属、あるいはシリコン又はその他のセラミック材料から製造されており、それほど大きな張力を受けていない。すなわち、膜２０に対する張力は通常は０．３６Ｎ／ｍ未満である。膜２０の厚さは、膜２０の曲げ力による圧力に対する膜の変位がYbendであり、張力による圧力に対する膜の変位がYtensであるように選択される。YbendはYtensよりはるかに小さいのが好ましい。本発明においては、膜２０の最適化は以下に示す公式に基づいており、公式中、曲げ力による圧力Pに対する平均膜変位は、
Ybend＝ 0.056*P*(R4/E*h3） （１）
であり、張力Tによる圧力に対する平均膜変位は、
Ytens= 0.125*P*(R2/T)   （２）
であり、温度係数の不一致による温度（t-t0）に対する張力は、
T = T0+ α*(t-t0)*E*h  （３）
であり、膜の変位に関する圧力に対する感度は、
Y/P = [(Ybend*Ytens)/(Ybend+Ytens)]*(1/P)  （４）
である。
Rは２つのチャンバ１６及び１８にわたる膜２０の半径であり、Eはヤング率であり、hは膜２０の厚さであり、tは現在温度であり、t0は張力TがT0（基準張力）に等しいときの基準温度であり、αは膜２０とプレート１２及び１４の材料との温度係数の差（すなわち、不一致）である。通常、Ｒの値は１／１６インチから１／２インチの範囲になると考えられる。
【００２６】
圧力に対する変位の感度を増加させ且つ温度誤差を減少させるためには、Ybendを最大にすべきである。すなわち、例えば、＋３０℃から−３０℃までの全動作温度範囲内で膜の張力Tを最小にすべきである。張力Tは、膜を「ポッピング」させる負の値（圧縮力を意味する）になってはならない。Ybend温度係数が摂氏１℃当たり１％未満のごくわずかな値である場合、Ytens温度係数は１℃当たり数％までのはるかに大きい値をとることが可能であろう。例えば、R＝４ｍｍ、h＝６μｍ、E＝１０11Ｐａであるとき（材料はチタンであると想定する）、αは約１０-7／℃以下であり（全ての部品は９９．９％の純正チタンから製造されている）、(t-t0)max＝±３０℃であり、t＝t0における最適伸張前張力は０．１８Ｎ／ｍである。１Ｐａにおける関連Ytens（min）は１１μであり、これはYbend＝０．６６μ／Ｐａの約１７倍である。従って、この例では、Ybend＜＜Ytensという条件は満たされている。
【００２７】
当初、膜２０はプレート１２及び１４の間に固定され、温度係数の不一致に起因する「ポッピング」を回避するために、すなわち、温度に伴って圧力センサハウジングの寸法が変化するにつれて、膜２０が引っ張り状態から圧縮状態に切り替わるのを回避するために、事前にわずかに伸張される。先に述べたように、過剰な伸張は感度を失わせ、温度誤差を著しく増加させるため、過剰な張力を回避すべきである。Ytensの温度依存性はYbendよりはるかに大きい。これが張力を正にし、しかもできる限り小さくすることが好まれる理由である。実際、通常は０．２Ｎ／ｍ程度と小さい膜の所望の伸張レベルは、圧力センサの組み立て中に膜をゆるんだ状態に保持しつつ、プレート１２及び１４を圧縮することにより実現される。プレート１２及び１４の側面の面積が典型的な１ｃｍ2であるとき、要求される圧縮力はわずかに約３Ｎである。圧縮力は、膜２０がプレート１２及び１４の間で熱平衡状態でゆるんでいる間にプレート１２及び１４の縁部中央に内向きに加えられる。その後、膜２０をプレート１２及び１４の間に応力を受けない状態で捕捉するためにプレートねじ３０を締め付け、圧縮を解放する。そこで、プレート１２及び１４の反発がプレート１２及び１４を膨張させることにより、膜２０は精密に伸張される。
【００２８】
先に述べた通り、温度係数の不一致により誘起される誤差を減少させるために、プレート１２及び１４の材料は膜２０の材料の熱膨張率と等しい又はほぼ等しい熱膨張率を有する。一例では、図１の圧力センサ１０の全ての金属部品は９９．９％純正チタンから製造されていた。他の例においては、チタン合金が使用される。図示されるように、第１のホルダ３２はベースプレート１２にその内側チャンバを覆うように装着され、第２のホルダ３４もベースプレート１４にその内側チャンバを覆うように装着されている。第１の電極２２はファスナ４０を介して第１のホルダ３２に装着され、第２の電極２４はファスナ４２を介して第２のホルダ３４に装着されている。通常、図中符号４２で示すように、第１のホルダ３２とベースプレート１２との間に電気絶縁体があり、また、第２のホルダ３４とベースプレート１４との間に電気絶縁体４４が配置されている。第１の電極２２の周囲には、ベースプレート１２の内側チャンバに関して電極２２を密封するシール４８が配置され、同様のシール５０は第２の電極２４をベースプレート１４の内側チャンバに関して密封する。ベースプレート１２はその内側チャンバ１６と連通する導管６０を含んでいても良く、その場合、ベースプレート１４もその内側チャンバ１８と連通する導管６２を含む。好ましい対称形の構成では、第１の電極２２と膜２０との間隔は第２の電極２４と膜２０との間隔と同じであるか又はほぼ同じである。一例においては、この間隔は１０〜３０μｍである。２つの電極は共に膜に面するほぼ平坦な面を有しているのが好ましい。
【００２９】
このように、膜２０はその両面で導管６０及び６２を介して検出されるべき圧力にさらされている。膜２０はハウジングを、導管６０及び６２を介して無変調ガス環境及び圧力変調ガス環境とそれぞれ連通する２つの部分チャンバ１６及び１８に分割し、それにより、差圧センサを形成している。しかし、金属膜２０は引っ張り膜を形成するのではなく、先に述べたようにほぼ応力を受けていない。本発明の圧力センサの部品は、その温度係数が等しくなるようにほぼ同じ材料から製造されているので、膜２０に対する張力は温度の変化に伴って変化しない。膜２０のわずかなレベルの予備張力を与えただけでは、引っ張り復元力又は著しく大きな変位抵抗を加えるのに不十分である。同時に、予備張力は予期される熱引っ張り変化の大きさを超えないため、膜２０の状態は温度が変化したときに切り替わらない。すなわち、ポッピングは起こらない。２枚のプレート１２及び１４は中央に穴を有し、膜２０はプレート１２及び１４の間に、２枚のプレートにあいた穴に懸垂された状態で堅固に固定されている。
【００３０】
キャパシタンス電極２２及び２４は通常はホルダ３２及び３４に装着され、ゴム製ガスケット４８及び５０は第１のチャンバ１６及び第２のチャンバ１８を空気圧により密封する。ホルダ３２及び３４は誘電体スぺーサ４２及び４４と、誘電体ねじ３０とを使用してベースプレート１２及び１４に装着されており、それにより、電極２２及び２４を膜２０から電気的に絶縁し、膜２０と共に２つのキャパシタを形成している。プレート１２及び１４には導管又は溝６０及び６２が形成され、一端部でチャンバ１６及び１８とそれぞれ連通している。導管６０及び６２を通して、膜２０に空気圧（差圧）によりガス圧力を加えることができる。導管は、例えば、Ｖ字形であっても良く、センサ入口として都合よく使用されるように位置決めされている。導管６０及び６２の他端部はそれぞれ対応する（有刺）取り付け具まで延出していても良いし、あるいはマニホルドに直接取り付けるために使用されても良い。
【００３１】
好ましい実施例では、プレート１２及び１４と、電極２２及び２４は膜２０の両側で等しい幾何学的容積を規定するように配列され、それらの容積並びにガス導管６０及び６２の空気圧抵抗は、圧力センサが交番する背圧変換（コモンモード雑音）を受けにくいように設定されている。圧力センサの漏れ防止を実現するために、プレート１２及び１４の間のリムを組み立て後にレーザー溶接しても良いし、あるいはゴム製ガスケットを使用し、それを周囲溝穴（図示せず）に配置する。
【００３２】
静電界誘起力を提供し、且つ以下に更に説明するような容量感知機能を実行するために、電極２２及び２４は膜２０に近接して配置されている。この目的のために、膜と電極の間の間隙は精密に規定され、十分に整列されているのが好ましい。一例として、１０〜３０μｍの間隙が適切である。精密な整列は、本体構造の各々のプレート１２又は１４を対応する電極構造２２、２４に堅固に組み付け、次にプレート／電極アセンブリの端面を共通する平坦な平面となるように研摩することにより実現される。その後、各々のプレートと膜２０との間隔、従って、膜と電極との間の間隙を規定するために、各プレートと膜との間に別の１０〜３０μｍの開口を有する導電性シム又はガスケットを配置した状態で、プレートを膜と一体に組み立てる。
【００３３】
図３は、本発明の圧力センサと関連して有用である好ましい電気回路の１つを示す。回路は２つの主要な機能を果たす。回路の一方の部分である補償回路は、例えば、「エージング」又は温度変化の結果としての望ましくない低周波数膜変位（ゼロドリフト）を補償するために使用される。同じ回路は、膜２０に加えられるより高い周波数の差力、例えば、測定された差ガス圧力又は振動に起因する慣性の力を更に補償できるであろう。本発明においては、補償回路は、電極２２と膜２０との電圧差を減少させ且つ電極２４と膜２０との電圧差を増加させるか、あるいは逆に電極２２と膜２０との電圧差を増加させ且つ電極２４と膜２０との電圧差を減少させるために、補償力として膜に電界を印加するように構成されている。従って、図１の膜２０の位置は、膜２０をヌル位置へ移動させ、低域フィルタフィードバック信号を使用して寸法変化又は引っ張り変化などの低速効果による変化を補償することができる電位を電極２２及び２４が印加されるように、膜２０の両側に近接して位置決めされた電極２２及び２４により発生される静電力によって制御される。帯域フィードバックを使用することにより、図３の回路は感知圧力を直接に表す制御信号を更に発生する。
【００３４】
補償は、補償力として電界「張力」を膜２０に加えることにより実現される。火花の発生又は電気的破壊なしに約２×１０6Ｖ／ｍの電界を安全に印加することができるので、この電界により実現可能である張力は３０Ｐａまでとなる。平均変位感度が０．６６μｍ／Ｐａであり、膜２０とキャパシタンス電極２２及び２４との平均距離が約３０μｍであるとき、キャパシタンス変化の動的蓄積は温度変化及び他のほぼ全ての不平衡の発生原因を補償するのに十分な大きさである。
【００３５】
従って、１Ｈｚ未満から１０ｋＨｚに至る範囲の周波数を有する、測定されるべき動圧を検出できる一方で、長期間ドリフトは補償される。長期間安定度を提供するために、膜の平均位置は図示されるフィードバック回路又はそれと等価の回路を介して中央に定められ、微小な動圧に起因する膜変位は以下に説明する測定回路により測定される。
【００３６】
測定されるキャパシタンスの変化（音響圧力に比例する）はキャパシタンス自体のわずか〜１０−８であるにすぎない。そのような小さな変化を測定するための２つの方法は、通常はブリッジ又は低／高周波数フィルタを使用することにより、「ペデスタル」をオフセットするという方法である。本発明の構成においては、無線周波数、例えば、１２０ｋＨｚで動作するブリッジを使用する。この方法は、第１に、周波数の２乗に反比例する「熱」雑音限界を回避するために望まれる（フィルタに基づく構成では、この周波数は単に測定される音響周波数、例えば、１０Ｈｚである）。
【００３７】
どの周波数（「低」周波数又は「高」周波数）も測定される音響信号周波数（通常は適用用途に応じて固定された周波数）に対して参照されるべきである。１Ｈｚから１０ｋＨｚが適切である。ブリッジにおけるいわゆる搬送波（「無線」）周波数は〜１０ｋＨｚから〜１０ＭＨｚのいずれかであろうが、常に測定される圧力信号の（固定）周波数の少なくとも〜１０倍高くなるであろう。
【００３８】
高周波数ブリッジは従来にはない、すなわち、より低い周波数のブリッジ補償も同様に使用する。ダイナミックレンジが広い場合、信号の圧力は実際に実現できる最大補償圧力より高くなる可能性がある。逆に、極端に低い圧力では、ブリッジはできる限り平衡状態に近く保持される。不平衡の主な原因は温度変化、特に温度勾配である。温度により誘起されるブリッジの浮動は相対的に小さく、フィードバック圧力により処理可能である。温度誘起浮動の特性周波数は１Ｈｚよりかなり低い。すなわち、測定される音響周波数の範囲内の最小周波数よりはるかに低い。低域フィルタのカットオフ周波数が適切な低さであれば、非常に低い周波数の（「熱」）不平衡のみが補償される。補償力が不平衡を完全に補償するには不十分である場合、圧力は依然として不平衡状態のブリッジによって測定される。
【００３９】
先に説明したように、補償力は電圧の２乗ではなく、電圧に比例する。第２に、ＤＣ電圧は膜ではなく、分圧器に印加される。理想的には、この電圧はできる限り高いほうが良いが、膜と電極との間に電気的破壊が起こりうるときには、その値を超えない（空気中では１μ当たり〜３Ｖであるので、２Ｖ／μが安全である）。膜に対する補償電圧の周波数は設定されるフィードバックのＤＣからカットオフ周波数であることが可能であろう（理論上はどのような周波数であっても良いが、音響信号の固定周波数をはるかに超えて補償すること（第１のオプション）又は１Ｈｚ未満を超えて補償すること（第２のオプション）は妥当ではない）。
【００４０】
図３に示すように、膜２０と、電極２２及び２４とにより形成されるキャパシタはトリミングキャパシタ９０、９２と並列に接続されているが、トリミングキャパシタ９０、９２はオプションである。補償回路の動作は次の通りである。電圧源（図示せず）からのＤＣ電圧は、それぞれ１００ｋΩであって良い抵抗器１００、１０２、１０４及び１０６を含む分圧器９６に印加される。増幅器１１０は、図中符号１１２で示すその出力端子が分圧器９６の中間点１１４の電位を監視するように接続されている。中間点１１４がゼロ（接地電位に向かう）電位に保持されているとき、膜２０の両面には等しい電圧（従って、ほぼ等しい強さの静電界）が印加される。それらの電界の影響により、互いに対向する「引っ張り」力が実際には相殺し合うため、膜２０にはゼロに近い正味力が加えられる。増幅器１１０から印加される中間点１１４におけるゼロからのΔＵ電圧偏差の結果、膜２０に加えられる正味力はゼロではなくなることがわかる。以上説明した構成では、この力の方向と大きさは電圧ΔＵの符号と大きさによって決まる。従って、本発明によれば、膜変位は電圧と直線的に関連している。
【００４１】
図３の回路の他方の部分は、電極２２及び２４と、膜２０とにより形成されるキャパシタに接続された測定回路である。測定回路の機能は、動圧差によって起こる電極２２及び２４に対する膜２０の動的変位を実際に測定することである。図示されるように、膜２０と、電極２２及び２４とにより形成されるキャパシタはブリッジ回路１２０に接続されている。ブリッジ回路１２０は、特に圧力感度の低い厚い膜に使用されるオプションのトリミングキャパシタ９２及び９０と、トリミング抵抗器１２６及び１２８と、ブロッキングキャパシタ１２２及び１２４（例えば、約２０ｐＦのキャパシタであれば良い）と、高周波数変圧器１４０のコイル１３０及び１３２とを含む。キャパシタ１２２及び１２４は抵抗器１２６及び１２８（約１Ｍｏｈｍの値を有する）と共に、主に、「低」周波数電圧と「高」周波数電圧の分離のために使用される。ブリッジ回路１２０の出力信号は点１５０と点１５２との間で測定される。実用上の理由から、点１５２により表されているように膜２０を、従って、プレート１２及び１４を接地するのが好都合であるが、それは不可欠ではない。前置増幅器１７０はブリッジ回路１２０からの通常は小さい信号を増幅する。図３に示すその他の構成要素は高周波数電圧発生器１７２（周波数ｆ1＝１２０ｋＨｚ、５Ｖ）、移相器１７８及び位相検出器１８０を含む１２０ｋＨｚロックイン増幅器１７４、並びに以下に述べるようなカットオフ周波数ｆ2を有する低域フィルタ１７６である。
【００４２】
図４は、ブリッジ回路１２０と等価の回路を示す。図４では、Ｃ1、Ｃ2は膜２０と、電極２２及び２４の各々との間のキャパシタンスである。Ｃ0は、膜２０が電極２２及び２４の中間点に位置しているときのキャパシタンスＣ1、Ｃ2の値であり、ΔＣは膜変位によるＣ0からの偏差である。
【００４３】
図５から図７は、電極２２及び２４に対して膜２０が異なる位置をとるときの図４のブリッジ回路における電圧の最適化された関係を示すベクトル図である。抵抗が等しくない場合、図５に示すように、点ａと点ｂとの間の電圧ベクトルはゼロではない。ベクトルＸは位相検出器１８０の出力の１つを表す。
【００４４】
図３の移相器１７８を調整することにより、ブリッジからの増幅出力ベクトル（ａｂ）の長さを最小に近い長さに保持しつつ、ベクトル（ａｂ）はベクトルＸに対して垂直となるように設定される（図５）。増幅器の出力電圧は負フィードバックの信号として使用されるため、そこで、フィードバックは、ベクトル（ａｂ）が少なくとも平均位置として図５のベクトルＸに対して垂直のままであるように点Ｂを自動的に保持する。図３のコイル１３０及び１３２と、トリミングキャパシタ１９２及び１９０が等しく設定されていることによって、ブリッジは電極２２及び２４のほぼ中間点に位置している膜２０に関して平衡を保たれる。
【００４５】
実際、ベクトル（ｃ−ｅ）及び（ｄ−ｆ）は、抵抗が
1/(2π*f1*C0) （５）
よりはるかに小さい場合には、ベクトル（ｅ−ｂ）及び（ｂ−ｆ）と比較して無視できるほど小さい。
【００４６】
この場合、（ａ−ｂ）が（ｅ−ｆ）に対して垂直であるという上記の設定条件は、ブリッジの対向する対角線の電圧差ベクトル、すなわち、（ａ−ｂ）及び（ｃ−ｄ）の間の９０°の移相と等価である。当初、トリミングキャパシタ９０、９２を調整するために使用されるべき都合の良い条件は、例えば、オシロスコープを使用して、前置増幅器１７０からの信号の電圧振幅を最小にすることである。
【００４７】
測定された差圧の周波数が固定周波数ｆ3、例えば、２０Ｈｚであると想定すれば、低域フィルタ１７８のカットオフ周波数をｆ3未満（例えば、ｆ2〜１Ｈｚ）又はｆ3を超える周波数（例えば、ｆ2〜２００Ｈｚ）のいずれかに設定することが可能である。ｆ2はｆ1より低くなければならない。第１の場合、フィルタ１７８から増幅器１１０に供給される負フィードバック信号は温度「ドリフト」又は「エージング」などの低速の不平衡発生源のみを補償する。圧力センサからの測定信号出力は、通常、ロックイン増幅器７４のＸ出力端子から取り出される。これはＣ1＝Ｃ2＝Ｃ0（図５）のときにゼロであり、キャパシタンス変化ΔＣ（図６、図７）を表す。更に、交番圧力が相対的に低いレベルであるとき（例えば、１Ｐａ未満）、ΔＣの符号と振幅は膜２０の変位の方向及び振幅に比例する。
【００４８】
別のオプションはｆ2＞＞ｆ3を設定することである。この場合、フィードバックは２０Ｈｚの測定信号をも補償するように十分に速い。その結果、ロックイン増幅器７４のＸチャネル出力はゼロに近くなり、ベクトル（ａ−ｂ）は、図５に示すように、ベクトルＸに対して垂直なままである。そこで、増幅器１１０の補償電圧出力端子で増幅測定信号を得ることができる。
【００４９】
この第２のオプションはいくつかの利点を有する。印加される電圧と電界（膜２０の機械的特性ではなく）が膜の「剛性」、すなわち、圧力に対する膜の応答を確定する。圧力に対する感度の長期間安定度を相当に改善することが可能である。空気圧分析によれば、いくつかの実際の用途においてガスの粘度が感度に及ぼす影響をも低減できることがわかっている。
【００５０】
図８は、本発明の圧力センサを取り入れた実施可能な数多くの計器のうちの１つを示す。この場合、圧力センサ１０は光音響ガス検出器の圧力信号を検出する。この計器においては、チャンバ２００内のガス試料は、例えば、光オブトラトール２１０、あるいはチョッパ又はシャッタアセンブリを利用して、周期的な刺激によって照明される。例えば、オブトラトール２１０は試料に２０Ｈｚの信号を印加しても良い。ガスチャンバ２００、又はその関連する刺激を受ける領域と刺激を受けない領域は圧力センサ１０の膜２０の両面と連通し、図３を参照して先に説明したセンサシステムの電子回路は、図中符号２１６で示すように、出力信号ｘを発生する。例えば、信号線２２０に同期信号を供給するシャフト又はその他の角度符号器メカニズム２１８により、光オブトラトールの回転の周波数と位相が検出される。同期信号は周波数ロックイン増幅器１７４に印加される。ロックイン増幅器１７４はセンサ信号ｘも受信し、従って、実現可能な信号対雑音比を相当に大きく増加させる。約１０秒のロックイン平均時間の間に、約１０-6Ｐａの感度のセンサ圧力までの信号識別を実現することができる。
【００５１】
従って、制御電極２２及び２４からの電界力を使用して補償膜変位を実現するために負フィードバックと共に膜不平衡信号を採用することにより、非常に低い圧力レベルでの動作に対してドリフトのない感度の高い計器を得ることができる。安定度、正確さ又は感度、あるいはそれらの要因の組み合わせを向上させた改善されたセンサを提供するために、当業者には知られている他の回路と共に、不平衡の高周波数サンプリングを伴うブリッジ回路の様々な実用的な実現形態を採用できる。更に、本発明のセンサは工業用計器装備における低レベル音響分析に適用可能である。本発明の差圧センサは、設計上、コモンモード背圧変化を感知しない。例えば、第２の同じセンサを採用し、２つのセンサの入力端子を信号圧力にＸ交差接続することにより、振動「雑音」を相殺できる。
【００５２】
本発明の新奇な補償回路は、寸法変化又は引っ張り変化などの低速の効果に起因する変化を補償するために、補償力として、まず、等しい大きさの静電界をセンサの薄い金属膜の両面に印加するように構成されている。温度誘起効果を回避するために、図１及び図２に示すセンサの金属ハウジングは金属膜の熱膨張率と同じ又はそれに類似する熱膨張率を有するのが好ましい。また、対称形の構成を取り入れることにより、膜変位は電圧と直線的に関連付けられる。
【００５３】
本発明の特定の特徴をいくつかの図面に示し、他の図面には示さなかったが、これは単なる便宜上の措置であり、本発明に従って各々の特徴を他の特徴のうちのいくつか又は全てと組み合わせて差し支えない。ここで使用した言葉「含む」、「具備する」、「有する」又は「を伴う」は広い意味で包括的に解釈されるべきであり、どのような物理的な相互結合にも限定されない。更に、本出願で開示される実施例はいずれも可能な唯一の実施例としてみなされるべきではない。
【００５４】
当業者にはその他の実施例も明白であり、それらも特許請求の範囲の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明と関連する圧力センサと関連する主な機械的構成要素を示す概略横断面図。
【図２】図１に示す圧力センサの平面図。
【図３】本発明の圧力センサと関連するのが好ましい測定回路及び補償回路の実施例を示す概略回路図。
【図４】図３に示すブリッジ回路と等価の回路を表す回路図。
【図５】膜の様々に異なる位置における図４のブリッジ回路の電圧と、電極を形成するキャパシタとの最適化位相関係を示すベクトル図。
【図６】膜の様々に異なる位置における図４のブリッジ回路の電圧と、電極を形成するキャパシタとの最適化位相関係を示すベクトル図。
【図７】膜の様々に異なる位置における図４のブリッジ回路の電圧と、電極を形成するキャパシタとの最適化位相関係を示すベクトル図。
【図８】本発明の圧力センサを取り入れた光音響ガス検出器と関連する主な構成要素を示す概略ブロック線図。
【符号の説明】
【００５６】
１０…圧力センサ、１２、１４…プレート、１６…第１のチャンバ、１８…第２のチャンバ、２０…膜、２２…第１の電極、２４…第２の電極、３０…プレートねじ、３２…第１のホルダ、３４…第２のホルダ、４０、４２…ファスナ、４２、４４…電気絶縁体、４８、５０…シール、６０、６２…導管、９０、９２…トリミングキャパシタ、９６…分圧器、１００、１０２、１０４、１０６…抵抗器、１１０…増幅器、１２０…ブリッジ回路、１２２、１２４…ブロッキングキャパシタ、１２６、１２８…トリミング抵抗器、１３０、１３２…コイル、１４０…高周波数変圧器、１７０…前置増幅器、１７２…高周波数電圧発生器、１７４…ロックイン増幅器、１７６…低域フィルタ、１７８…移相器、１８０…位相検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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