(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
汎用精度を有する応答速度の速い第１圧力センサ手段と、
この第１圧力センサ手段より精度並びに安定度は高いが前記第１圧力センサ手段の応答に対して所定の時間遅れ特性を持つ第２圧力センサ手段と、
前記第１圧力センサ手段の出力に対して所定の時間遅れ演算を実行した出力と、前記第２圧力センサ手段の出力との差を演算して前記精度の誤差を出力する差分演算手段と、
前記第１圧力センサ出力に、前記差分演算手段の出力を加算して圧力信号を発信する加算手段と、
を備えたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記第１圧力センサ手段として、ピエゾ圧力センサを用い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】
前記第２圧力センサ手段として、レゾナント圧力センサを用い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４】
前記レゾナント圧力センサ上に前記ピエゾ圧力センサを形成したハイブリッド圧力センサを、前記１圧力センサ手段及び前記第２圧力センサ手段として用いることを特徴とする請求項２及び３に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、応答速度が速く、かつ高精度、高安定な圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超高精度、高安定性を実現した圧力センサとしては、レゾナント圧力センサが代表的である。図７乃至図９により、レゾナント圧力センサの概要を説明する。図７は物理的な構造の概念図であり、単結晶シリコン基板上に、やはり単結晶シリコンでミクロサイズのＨ形の梁が半導体マイクロマシニング技術で真空のシェルの内部に形成されている。
【０００３】
シリコン基板は、中央部が薄板のダイアフラム構造となっており、このシリコンダイアフラムに圧力が加わると表面に応力が発生し梁の張力が変化し、Ｈ形梁の固有振動数が変化する。
【０００４】
図８により励振原理を説明する。永久磁石を振動子に近接して配置し振動子の梁と直行する方向に磁界を作り、Ｈ形梁の一方に励振電流ｉを加えて電磁力により固有振動数にて振動するように制御する。固有振動数Ｆｒは、両端の張力以外は半永久的に変化しない梁の機械的特性（梁の形状および機械的物性値）のみに依存するので、安定した特性が得られる。
【０００５】
図９は、信号処理の概念図である。レゾナント圧力センサ１で検出した周波数信号Ｆｒ並びに温度センサ２による周波数出力信号Ｆｔの変化は、高精度のカウンター手段３並びに４を介してＣＰＵ手段５に取り込まれ、圧力補正信号演算手段６により、リニアリティ、温度特性等に対し高次の補正が実行され、精度±０. ０１％ＦＳ程度の極めて高精度なパルス幅信号Ｐｒが得られる。この信号は更に平滑回路７でアナログ出力Ｐｗに変換される。
【０００６】
ＣＰＵ手段５におけるサンプリング周期は、５０ｍｓ〜２５０ｍｓ程度であり、ＣＰＵ手段によって処理をされるため、サンプリング時に無駄時間が発生する。
また、高精度な出力を得るためにダンピング処理（出力に1次遅れのフィルター挿入）が必要で有り、下記のような演算式による出力となる。
Ｙ＝[｛ｅｘｐ（−ＬＳ）｝／（1＋ＴＳ）]・Ｘ
Ｘ：入力、Ｙ：出力、Ｌ：無駄時間、Ｔ：時定数
高性能を生かすためには、応答速度は数秒程度必要である。
【０００７】
一方、汎用精度であるが、１〜５ｍｓ程度の高速な応答性が得られる圧力センサとしては、汎用ピエゾ圧力センサが代表的である。汎用ピエゾ型圧力センサは、ブリッジ接続したピエゾ素子による抵抗変化信号をアナログ増幅回路で増幅し出力する圧力センサである。
【０００８】
図１０及び図１１により、ピエゾ圧力センサ８の概要を説明する。図１０は物理的な構造の概念図であり、単結晶シリコン基板の上にピエゾ抵抗が形成されている。図７のレゾナント圧力センサと同様に薄板のダイアフラム部は圧力が加わると表面に応力が発生し、ピエゾ効果により抵抗が変化する。
【０００９】
図１１は信号処理の概念図である。ピエゾ効果による抵抗変化信号Ｐｉは、オペアンプＡ１、Ａ２よりなるアナログ増幅回路９にて増幅、スパン調節、ゼロ点調節、温度補償等の信号処理が実行され、出力信号Ｐｆに変換される。
【００１０】
このアナログ増幅回路９による信号処理では、図９のようなＣＰＵ手段が介在しないため、１〜５ｍｓ程度の高速な応答速度が得られる反面、センサの圧力信号や温度特性のノンリニアの補正が出来ないので、レゾナント圧力センサに比較して精度が低く。また、ピエゾ素子は化学汚染に敏感で周囲に有るイオンによって経年誤差はレゾナント圧力センサに比較して大きい。
【００１１】
図１２は、レゾナント圧力センサと汎用ピエゾ圧力センサとを、精度、温度特性、経年変化、応答速度の各項目で比較した比較データであり、レゾナント圧力センサは精度、温度特性、経年変化特性で優れ、ピエゾ圧力センは応答速度特性で優れていることが分る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、レゾナント圧力ンサは、超高精度、超高安定（経年変化、温度変化）出力は得られるが、高速な応答性は得られない。そのため従来は、プロセスオートメーションなどの圧力変化が小さいプロセスの測定、あるいは圧力基準器などのスタティックな圧力の測定に用途が限定される。
従って、近年需要が増加している、高精度、高速応答が要求される半導体ステッパー用エアダンパー用圧力センサ等には利用できない。
【００１３】
一方、汎用ピエゾ圧力センサは、高速応答性と比較的小さい出力揺動で高速、小不感帯の測定が可能な反面、リニア誤差、温度誤差、経年変化、温度ヒステリシスなど誤差が大きく、圧力真値を高精度、高安定に出力することはできない。
【００１４】
本発明は、汎用ピエゾ圧力センサに代表される高速の圧力センサ出力と、レゾナント圧力センサに代表される高精度、高安定の圧力センサの出力を有機的に合成し、高速応答かつ高精度、高安定な圧力センサを実現することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載発明の特徴は、汎用精度を有する応答速度の速い第１圧力センサ手段と、この第１圧力センサ手段より精度並びに安定度は高いが前記第１圧力センサ手段の応答に対して所定の時間遅れ特性を持つ第２圧力センサ手段と、前記第１圧力センサ手段の出力に対して所定の時間遅れ演算を実行した出力と、前記第２圧力センサ手段の出力との差を演算して前記精度の誤差を出力する差分演算手段と、前記第１圧力センサ出力に、前記差分演算手段の出力を加算して圧力信号を発信する加算手段と、を備えた点にある。
【００１８】
請求項２記載発明の特徴は、前記第１圧力センサ手段として、ピエゾ圧力センサを用いる点にある。
【００２２】
請求項３記載発明の特徴は、前記第２圧力センサ手段として、レゾナント圧力センサを用いる点にある。
【００２６】
請求項４記載発明の特徴は、前記レゾナント圧力センサ上に前記ピエゾ圧力センサを形成したハイブリッド圧力センサを、前記１圧力センサ手段及び前記第２圧力センサ手段として用いる点にある。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下本発明実施態様を、図面を用いて説明する。図１は本発明を適用した圧力センサの実施例を示すブロック線図であり、図９、図１１で説明した構成要素と同一要素には同一符号を付して示す。
【００３３】
レゾナント圧力センサ１より得られる高精度信号は、ＣＰＵ手段５内において、圧力補正信号演算手段６により高次のリニア補正、温度補正、静圧補正が実行され、サンプリング間隔ごとにパラメータＰｒとして保持される。
この信号Ｐｒは、残りのわずかな誤差を無視すると変動中の実圧力値、Ｐに対して、
Ｐｒ＝［｛ｅｘｐ（−ＬＳ）｝／（１＋ＴＳ）］・Ｐとなる。
Ｌ：無駄時間、Ｔ：時定数
【００３４】
汎用ピエゾ圧力センサ８から、アナログ増幅回路９を介して得られる信号Ｐｆは、汎用精度のアナログ信号である。この信号には、誤差要因として温度誤差、経年変化などの誤差出力が含まれる。ピエゾ型の応答速度が十分高速であり、過渡特性が無いものとして、実圧力値Ｐ、誤差出力をＰｅとすると、
Ｐｆ＝Ｐ＋Ｐｅ
となる。
【００３５】
１１は、汎用ピエゾ圧力センサ出力Ｐｆを周波数変換するＶ／Ｆ変換手段であり、その周波数出力はカウンター手段１１を介してＣＰＵ５手段５に取り込まれ、時間遅れ出力演算手段１２に入力され、レゾナント圧力センサ出力の演算と同期したタイミングで同様の時間遅れおよびダンピング処理される。
【００３６】
時間遅れ出力演算手段１２の出力信号Ｐｄは、誤差出力を含んでいるので、
Ｐｄ＝［｛ｅｘｐ（−ＬＳ）｝／（１＋ＴＳ）］・［Ｐ＋Ｐｅ］となる。
【００３７】
１３は差分演算手段であり、圧力補正信号演算手段６の出力Ｐｒと時間遅れ出力演算手段１２の出力Ｐｄの差を演算し、パルス幅信号を出力する。このパルス幅信号は、平滑回路７でアナログ信号Ｐｗに変換される。
【００３８】
１４はアナログ加算器であり、汎用ピエゾ圧力センサ８から、アナログ増幅回路９を介して得られる信号Ｐｆと平滑回路７のアナログ信号Ｐｗを加算して最終出力信号Ｐｏを発信する。Ｐｏは、上記式から、
Ｐｏ＝（Ｐｒ−Ｐｄ）＋Ｐｆ
＝Ｐ−《［｛ｅｘｐ（−ＬＳ）｝／（１＋ＴＳ）］−1》・Ｐｅ
となる。
【００３９】
前記の式でスタティックな状態では、
［｛ｅｘｐ（−ＬＳ）｝／（１＋ＴＳ）］＝１
となるので、Ｐｏ＝Ｐとなる。過渡現象がある期間は、Ｐｅの誤差が有るが、徐々に誤差は小さくなる。
【００４０】
図２は、時刻ｔ０における実圧力Ｐのステップ変化に対するＰｆ、Ｐｒ、Ｐｏのステップ応答を示す。汎用ピエゾ圧力センサ出力Ｐｆは時間遅れなく追従するが、誤差Ｐｅを含む。レゾナント圧力センサ出力Ｐｒは、ｔ２までのむだ時間の後１次遅れ特性で追従する。
【００４１】
最終出力信号Ｐｏは、レゾナント圧力センサのむだ時間の間、最大誤差としてＰｅを含むが、レゾナント圧力センサの応答がはじまると徐々に出力精度は上がる。なお、Ｐｅの誤差は、通常のピエゾセンサの誤差に比較して応答の遅い温度変化や経年変化分の誤差はキャンセルされるので小さくなる。
【００４２】
図３は本発明の他の実施態様を示すブロック線図である。この実施例の特徴は、図１においてＣＰＵ手段５内で実行されていた、汎用ピエゾ圧力センサ出力に対する時間遅れ出力演算手段１２を、ＣＰＵ手段外の専用の演算手段に置き換えてＣＰＵ手段の負荷を軽くし、高速化を図った点にある。
【００４３】
汎用ピエゾ圧力センサ出力Ｐｆを周波数変換するＶ／Ｆ変換手段１０の周波数出力を入力するカウンター手段１１は、ＣＰＵ５手段５よりサンプリング同期信号ＣＰを受けて、ＣＰＵ手段の信号処理と同期して、カウントとリセットが実行される。
【００４４】
１５は、カウンター手段１１の出力をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段、１６は時定数の演算を実行するローパスフィルタ手段であり、演算出力Ｐｄを発信する。この実施例において平滑回路７は、パルス幅信号で与えられる圧力補正信号演算手段６の出力Ｐｒをアナログ信号Ｐｗに変換する。
【００４５】
１７はアナログ方式の加減算回路であり、Ｐｆ、Ｐｄ、Ｐｗを入力し、
Ｐｏ＝Ｐｆ＋（Ｐｗ−Ｐｄ）
を演算して最終出力信号Ｐｏを発信する。
【００４６】
図４は本発明の更に他の実施態様を示すブロック線図である。この実施例の特徴は、ピエゾ圧力センサ８の出力ＰｉをＡ／Ｄ変換手段１８を介してディジタル信号Ｐｆに変換し、すべての信号処理をディジタル化した点にある。実施例図１において用いられたアナログ方式の加算器手段１４に代えて、ＤＳＰによる信号処理で加算処理を実行するディジタル式の加算器手段１９が用いられる。
【００４７】
図５は、本発明圧力センサの実装例を示す断面図である。筐体と、圧力Ｐを受けるシールダイアフラムとで囲まれたオイルが封入された室内に、汎用ピエゾ圧力センサとレゾナント圧力センサとを組み込み、両センサが封入オイルを介して圧力Ｐを受ける構造である。
【００４８】
図６は本発明圧力センサの他の実装例を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。共通のシリコン基盤に形成されたダイヤフラム上に、汎用ピエゾ圧力センサを構成する４個のピエゾ素子とレゾナント圧力センサを構成するＨ型振動子を形成した構造である。
【００４９】
以上説明した実施例では、汎用精度を有する応答速度の速い第１圧力センサの代表として汎用ピエゾ圧力センサを示したが、他の応答性の速いセンサ、例えばゲージ蒸着圧力センサ、差動トランス型センサ、差動容量型センサに置き換えることもできる。
【００５０】
更に、この第１圧力センサより精度並びに安定度は高いが応答速度が遅い第２圧力センサの代表としてレゾナント圧力センサを示したが、他の高安定、高精度な圧力センサ、例えばディジタル処理ピエゾ圧力センサ、水晶振動式圧力センサ、差動音叉式圧力センサ等に置き換えることもできる。
【００５１】
更に、図６の実装例のように、ワンチップ上に２種類のセンサを形成したハイブリッド型圧力センサでも同様に本発明を実施することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、汎用ピエゾ圧力センサに代表される高速の圧力センサ出力と、レゾナント圧力センサに代表される高精度、高安定の圧力センサの出力を有機的に合成し、高速応答かつ高精度、高安定な圧力センサを実現することが可能となる。
【００５３】
従って、プロセスオートメーション用に限定されることなく、近年需要が増加している、高精度、高速応答の半導体ステッパー用エアダンパー用圧力センサなどに有効に利用することができ等、適用分野を大幅に拡大することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した圧力センサの実施例を示すブロック線図である。
【図２】本発明を適用した圧力センサにおいて、実圧力Ｐのステップ変化に対するＰｆ、Ｐｒ、Ｐｏのステップ応答を示す特性図である。
【図３】本発明の他の実施態様を示すブロック線図である。
【図４】本発明の更に他の実施態様を示すブロック線図である。
【図５】本発明圧力センサの実装例を示す断面図である。
【図６】本発明圧力センサの他の実装例を示す平面図及び側面図である。
【図７】レゾナント圧力センサの物理的な構造を示す概念図である。
【図８】レゾナント圧力センサの励振原理を説明する図である。
【図９】レゾナント圧力センサの信号処理の概念図である。
【図１０】ピエゾ圧力センサの物理的な構造を示す概念図である。
【図１１】ピエゾ圧力センサ図の信号処理の概念図である。
【図１２】レゾナント圧力センサと汎用ピエゾ圧力センサとを、精度、温度特性、経年変化、応答速度の各項目で比較した表である。
【符号の説明】
１    レゾナント圧力センサ
２    温度センサ
３    カウンター手段
４    カウンター手段
５    ＣＰＵ手段
６    圧力補正信号演算手段
７    平滑回路
８    ピエゾ圧力センサ
９    アナログ増幅回路
１０  Ｖ／Ｆ変換手段
１１  カウンター手段
１２  時間遅れ出力演算手段
１３  差分演算手段
１４  加算器手段
【図１】
0004120855.tif 000002
【図２】
0004120855.tif 000003
【図３】
0004120855.tif 000004
【図４】
0004120855.tif 000005
【図５】
0004120855.tif 000006
【図６】
0004120855.tif 000007
【図７】
0004120855.tif 000008
【図８】
0004120855.tif 000009
【図９】
0004120855.tif 000010
【図１０】
0004120855.tif 000011
【図１１】
0004120855.tif 000012
【図１２】
0004120855.tif 000013