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2010年7月 5日 (月)

ピエゾ抵抗式圧力センサ

現在、多くの圧力センサで使われている検出素子は1)MEMS技術でダイアフラムと一体形成したシリコンのピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサ2)ダイアフラムの変位を差動容量として捉える静電容量形、3)振動線で張力の形でダイアフラムの変形を振動数に変換するタイプなどが実用化されている。

センサは大きな寸法比や異種材料の組み合わせが必須であり、使用する物理効果も温度の関数である。したがって、膨張係数の違いや原理に由来する温度依存性をできるだけ消去・補正する必要がある。

圧力センサでは、検出素子を宙に浮かして使う訳にいかないので、センサの一部を固定しなければならない。固定に伴い、力学量である圧力に外乱として固定部からの熱ひずみの影響が入ってくる。

ピエゾ抵抗式センサでは、シリコンのピエゾ抵抗効果の温度依存性があり、簡易用途でも感度の補正/補償を行う必要がある。簡易的には、拡散抵抗の+の温度係数と感度の-温度係数を利用して、定電流励起により相殺させる方式が多く使われる。しかし、2次の温度係数が数%/100℃程度あるので、高精度用途には高次の温度補償が行われる。

ピエゾ抵抗は多く4アクティブゲージとして、ホイートストンブリッジを組んで使うが、プロセス能力の制約から抵抗値が完全には揃わないので、抵抗値のばらつきによりオフセットが発生し、かつオフセットの温度依存性が生じる。

これらの実装上や補償の課題の処理程度から、使用できる環境が決まる。MEMS技術の浸透により、環境・精度を要求しない用途では極めて安価かつ、大量にセンサが使われる。

いわゆるインテリジェント/スマートセンサでは、校正結果をデジタルデータとしてセンサ内に保有し補正するが、腕力づくであるので、温度と圧力を変えて試験したかなりの構成データを保有することになる。

センサの概念は広いが、少なくとも励起・増幅・校正を含めて考えないと、センサとして完結しないとアナログエンジニアは考えている。

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