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JPH06167351A - Control method of nonlinearity of change device - Google Patents

Control method of nonlinearity of change device

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Publication number
JPH06167351A
JPH06167351A JP3250143A JP25014391A JPH06167351A JP H06167351 A JPH06167351 A JP H06167351A JP 3250143 A JP3250143 A JP 3250143A JP 25014391 A JP25014391 A JP 25014391A JP H06167351 A JPH06167351 A JP H06167351A
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JP
Japan
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linearity
transducer
diaphragm
capacitance
control method
Prior art date
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Application number
JP3250143A
Other languages
Japanese (ja)
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JP3289196B2 (en
Inventor
Robert M Cadwell
ラバト、エム、キャドウエル
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Dresser Industries Inc
Original Assignee
Dresser Industries Inc
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Publication date
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Publication of JPH06167351A publication Critical patent/JPH06167351A/en
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Publication of JP3289196B2 publication Critical patent/JP3289196B2/en
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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Abstract

PURPOSE: To obtain the high sensitivity and low linearity without increasing the additional cost or complexity by suitably selecting the thickness of the diaphragm of a converter and the separate distance between a clamped diaphragm and a fixed capacitor. CONSTITUTION: A silicon wafer 10 sandwiched between glass boards 12 and 14 has the desired thickness of a silicon diaphragm 24. A step recess for partitioning a gap 22 is formed between the diaphragm 24 and a capacitor plate 16 formed at the boards 12, 14. A differential capacitance of the capacitance C1 between the diaphragm 24 and the plate 16 and the capacitance C2 between the diaphragm 24 and the plate is generated by the movement of the diaphragm 24. The nonlinearity can be introduced to a converter in a range for canceling the intrinsic nonlinearity of the opposite direction by excess capacitance by regulating the thickness of the diaphragm 24.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、一般に変換器、ことに
直線性及び感度に関して最適の成績が得られるようにし
た変換器システムの設計及び構造に関する。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates generally to transducers and, more particularly, to the design and construction of transducer systems for optimum performance with respect to linearity and sensitivity.

【0002】[0002]

【発明の背景】種種の物理的効果(加速度、力、圧力
等)を1個又は複数個の他の固定部材に対する変換器部
材の対応する運動に変換する多くの種類の変換器が提案
されている。変換器運動部材の相対位置は物理的効果の
尺度である。運動変換器部材の位置を定める1つの普通
の方法は、この変換器部材と1個又は複数個の固定部材
との間の電気キャパシタンスを計測することである。
BACKGROUND OF THE INVENTION Many types of transducers have been proposed which convert various physical effects (acceleration, force, pressure, etc.) into corresponding movements of the transducer member relative to one or more other fixed members. There is. The relative position of the transducer motion members is a measure of physical effect. One common method of determining the position of a motion transducer member is to measure the electrical capacitance between the transducer member and one or more fixed members.

【0003】図1は、1対の固定板の間に可動板を位置
させた理想化した変換器の横断面図である。各板は、扁
平で導電性を持ち面積が等しくその他の点は対称の構造
である。可動板といずれかの固定板との間のキャパシタ
ンスは離隔距離に反比例する。すなわち可動板の位置は
キャパシタンスを測定することにより定めることができ
る。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an idealized transducer in which a movable plate is located between a pair of fixed plates. Each plate has a flat, electrically conductive, equal area and is symmetrical at the other points. The capacitance between the movable plate and either fixed plate is inversely proportional to the separation distance. That is, the position of the movable plate can be determined by measuring the capacitance.

【0004】このような変換器の性能特性はそのキャパ
シタンスによって表わすことができる。しかし実用的変
換器システムは、キャパシタンス変化を一層有用な形の
情報たとえば電圧に変換するのに或る種の形の電子装置
を備えている。この変換自体は又この組合せの性能特性
に影響を及ぼす。
The performance characteristics of such a converter can be represented by its capacitance. However, practical converter systems include some form of electronic device to convert the capacitance change into a more useful form of information, such as voltage. The conversion itself also affects the performance characteristics of this combination.

【0005】この場合使われる変換器システムの全「感
度」とは、物理的入力の変化により生ずる電気出力の変
化を意味する。出力の変化は入力の変化に直線的に関連
する。利得のようなスケーリング・ファクタ(scal
ing factor)のシステムへの導入が直線性に
影響を及ぼさないようにすることが大切である。
The total "sensitivity" of the transducer system used in this case means the change in electrical output caused by the change in physical input. The change in output is linearly related to the change in input. Scaling factors such as gain (scal
It is important that the introduction of the ing factor) into the system does not affect the linearity.

【0006】容量性変換器システムの感度は3つの互い
に無関係の要因の相乗積と考えられる。すなわち、図1
は物理的入力の変化に対する可動部材の位置の変化(変
位)である。図2は位置の変化(変位)に対するキャパ
シタンスの変化である。図3はキャパシタンスの変化に
対する電気出力の変化である。
The sensitivity of a capacitive transducer system is considered to be the product of three unrelated factors. That is, FIG.
Is the change (displacement) of the position of the movable member with respect to the change of the physical input. FIG. 2 shows changes in capacitance with respect to changes in position (displacement). FIG. 3 shows a change in electric output with respect to a change in capacitance.

【0007】第1の2つの要因は変換器の特性に関連し
第3は電子装置の特性に関連する。
The first two factors relate to the characteristics of the converter and the third relates to the characteristics of the electronic device.

【0008】変換器の感度を増し、機械的及び電気的不
正確の影響を最小にすることが望ましい。このことは、
要因1すなわち物理的入力の与えられた変化に対する可
動部材の変位を増すことにより(たとえば変位を拘束す
る内力を減らすことにより)、又は要因2すなわち与え
られた変位に対するキャパシタンスの変化を増すことに
より(たとえば可動部材及び各固定板の間の離隔距離を
減らすことにより)、或はこれ等の両方により、得られ
る。これ等の各作用により変位が物理的入力の与えられ
た変化に対し離隔距離の比較的大きい部分になる。すな
わち量(変位/離隔距離)を最大にすることが望まし
い)。
It is desirable to increase the sensitivity of the transducer and minimize the effects of mechanical and electrical inaccuracies. This is
Factor 1 by increasing the displacement of the movable member for a given change in physical input (eg by reducing the internal force that constrains the displacement) or Factor 2 by increasing the change in capacitance for a given displacement ( For example, by reducing the separation between the movable member and each fixed plate), or both. Due to each of these actions, the displacement becomes a portion where the separation distance is relatively large for a given change in the physical input. That is, it is desirable to maximize the amount (displacement / separation distance).

【0009】3つの各要因の影響は、図1の理想的変換
器をふたたび参照することにより評価することができ
る。中心位置すなわち零位置からの可動部材の変位が物
理的入力に比例するものとする(要因1)。距離(D1
−D2)はこの変位に比例する。定義により2枚の互い
に平行な板の間のキャパシタンスは、これ等の板の離隔
距離に反比例するから、キャパシタンスC1はD1に反
比例し、キャパシタンスC2はD2に反比例する(要因
2)。電気出力の変化が(1/C1−1/C2)に比例
すれば(要因3)、この変化は物理的入力に比例する。
すなわち電気出力は、物理的入力が零(変位なし)のと
きに零であり物理的入力の増加に正比例して増す。感度
すなわち物理的入力の変化に対する電気出力の変化は一
定であり物理的入力の値に無関係である。すなわち非直
線性が零である。この感度は非直線性は導入しないで量
(変位/離隔距離)を増すことにより増大することがで
きる。この理想化システムでは、このシステムの直線性
に影響する3つの各要因自体が直線性である。
The effect of each of the three factors can be evaluated by referring again to the ideal converter of FIG. It is assumed that the displacement of the movable member from the center position, that is, the zero position is proportional to the physical input (factor 1). Distance (D1
-D2) is proportional to this displacement. By definition, the capacitance between two parallel plates is inversely proportional to the separation of these plates, so capacitance C1 is inversely proportional to D1 and capacitance C2 is inversely proportional to D2 (factor 2). If the change in electrical output is proportional to (1 / C1-1 / C2) (factor 3), then this change is proportional to the physical input.
That is, the electrical output is zero when the physical input is zero (no displacement) and increases in direct proportion to the increase in the physical input. The sensitivity, ie the change in the electrical output with respect to the change in the physical input, is constant and independent of the value of the physical input. That is, the non-linearity is zero. This sensitivity can be increased by increasing the amount (displacement / separation) without introducing non-linearity. In this idealized system, each of the three factors that influence the linearity of the system is itself linear.

【0010】高い感度と零の非直線性との理想的の場合
は、実用的変換器システムでは得られない。感度を減ら
し非直線性を増す基本的制限が存在する。さらに感度及
び非直線性は相互に関連し、一方の向上が他方の低下を
招く。
The ideal case of high sensitivity and zero nonlinearity is not available in practical transducer systems. There are basic limitations that reduce sensitivity and increase nonlinearity. Moreover, sensitivity and non-linearity are interrelated, with improvements in one causing degradation in the other.

【0011】感度及び直線性に影響する前記した3つの
各要因は、異なる制限により影響を受ける。この場合の
各例を以下に述べる。
Each of the above three factors affecting sensitivity and linearity is affected by different limitations. Each example in this case will be described below.

【0012】要因2すなわち位置の変化に対するキャパ
シタンスの変化に影響する制限は、可動部材と固定のコ
ンデンサ板との間の避けられない外部のキャパシタンス
によって導入される。これは、変換器自体内と計測電子
装置への外部接続部内とに生ずる。外部キャパシタンス
は、変換器キャパシタンスC1及びC2に並列になり、
これ等の2つのキャパシタンスの和に等しい有効変換器
キャパシタンスを生成する。電子装置は、この有効キャ
パシタンスに反応し変換器キャパシタンス及び外部キャ
パシタンスの影響を隔離することができない。外部キャ
パシタンスは可動部材の位置に応答して変化しないか
ら、可動部材の有効変換器キャパシタンス及び位置と対
応する物理的入力との間の関係が変えられる。
Factor 2, the limitation affecting the change in capacitance with respect to position change, is introduced by the unavoidable external capacitance between the movable member and the fixed capacitor plate. This occurs both within the transducer itself and within the external connections to the measuring electronics. The external capacitance is in parallel with the transducer capacitances C1 and C2,
It produces an effective transducer capacitance equal to the sum of these two capacitances. Electronic devices cannot react to this effective capacitance and isolate the effects of transducer capacitance and external capacitance. Since the external capacitance does not change in response to the position of the movable member, the relationship between the effective transducer capacitance and position of the movable member and the corresponding physical input is changed.

【0013】全システム感度及び直線性への外部キャパ
シタンスの影響は、要因3に対し使われる電子装置アル
ゴリズムに依存する。キャパシタンスの変化に対する電
気出力の変化を最低の非直線性に対するなるべくは最良
の選択として(1/C1−1/C2)に比例させても、
外部キャパシタンスによりなお感度の低下と非直線性の
増加とを生ずる。非直線性を検出すると、図2に示すよ
うに増大する入力に対し感度が増すようになる。さらに
感度が量(変位/離隔距離)を増すことにより増すと、
非直線性が増す。
The effect of external capacitance on overall system sensitivity and linearity depends on the electronics algorithm used for Factor 3. Even if the change in electrical output for a change in capacitance is proportional to (1 / C1-1 / C2) as the best possible choice for the least nonlinearity,
The external capacitance still causes reduced sensitivity and increased nonlinearity. When non-linearity is detected, it becomes more sensitive to increasing inputs as shown in FIG. If the sensitivity is further increased by increasing the amount (displacement / separation distance),
Increases non-linearity.

【0014】外部キャパシタンスのこの作用は、変換器
のキャパシタンスを外部キャパシタンスが変換器キャパ
シタンスに対して大きくなるに伴い小形化により低下す
るときはますます重要になる。
This effect of the external capacitance becomes even more important when the capacitance of the transducer is reduced due to miniaturization as the external capacitance increases with respect to the transducer capacitance.

【0015】外部キャパシタンスは物理的入力に応答し
ない変換器キャパシタンスの一部として機能する。一般
に理想的性能に対する制限は、変換器キャパシタンスの
全部の部分が物理的入力に等しくは応答しないときにつ
ねに存在する。
The external capacitance acts as part of the transducer capacitance that does not respond to physical input. In general, limits on ideal performance are always present when not all parts of the transducer capacitance respond equally to the physical input.

【0016】この制限は、可動部材の全領域の変位が物
理的入力の変化に対し同じでないときは要因1すなわち
物理的入力の変化に対する可動部材の位置の変化(変
位)に影響することができる。この非均等な変位により
感度が非直線形になり、この非直線の方向は又感度が入
力の増大に対して増大する。
This limitation can affect Factor 1 ie the change (displacement) of the position of the movable member with respect to the change of the physical input when the displacement of the entire area of the movable member is not the same for the change of the physical input. . This non-uniform displacement makes the sensitivity non-linear, and this non-linear direction also increases the sensitivity with increasing input.

【0017】この制限の例は、可動部材を固定部材に対
して機械的に位置決めする懸架部材の導入である。懸架
部材の変位は、可動部材への連結部における全変位から
固定部材への連結部における無変位まで変化する。懸架
部材がセンサのキャパシタンスの一部として含まれる程
度まで、影響によって非直線性が増すようになる。この
非直線性の方向は、感度が入力の増大に伴い増す方向で
ある。
An example of this limitation is the introduction of suspension members which mechanically position the movable member relative to the fixed member. The displacement of the suspension member varies from total displacement at the connection to the movable member to no displacement at the connection to the fixed member. To the extent that the suspension members are included as part of the capacitance of the sensor, the effects add to the non-linearity. This non-linear direction is the direction in which the sensitivity increases with increasing input.

【0018】この制限の一層複雑な例は、可動部材及び
その懸架部材が図3に示すように締付けたダイヤフラム
に合体する場合である。円形のたわみ性ダイヤフラムは
その周辺を固定の構造に取付けてある。2枚のコンデン
サ板を各目的に等しい距離においてダイヤフラムの各側
に固定構造に対して位置させてある。圧力差がダイヤフ
ラムの前後に加えられダイヤフラムを固定のコンデンサ
板の一方に近づき他方の板から遠ざかる向きに曲げる。
A more complicated example of this limitation is when the movable member and its suspension member are merged into a clamped diaphragm as shown in FIG. The circular flexible diaphragm is mounted around its periphery in a fixed structure. Two capacitor plates are located on each side of the diaphragm relative to the fixed structure at equal distances for each purpose. A pressure differential is applied before and after the diaphragm to bend it toward one fixed capacitor plate and away from the other plate.

【0019】ダイヤフラムの各領域の変位が圧力入力に
正比例してもダイヤフラムの全領域が等しいたわみを生
じない。湾曲ダイヤフラム自体は、非均等な変位を示し
て非直線性を生ずる。全部の領域がこのよにして動作す
るから、変換器キャパシタンスからダイヤフラムの不都
合領域を除外することは実際上できない。すなわち感度
は非直線形であり、この非直線性の方向も又感度が入力
の増大に伴い増加する向きである。
Even if the displacement of each region of the diaphragm is directly proportional to the pressure input, the entire region of the diaphragm does not have the same deflection. The curved diaphragm itself exhibits non-uniform displacement resulting in non-linearity. Since the entire region operates in this way, it is practically impossible to exclude the unfavorable region of the diaphragm from the transducer capacitance. That is, the sensitivity is non-linear, and the direction of this non-linearity also tends to increase as the input increases.

【0020】前回の例の場合と同様に感度が量(変位/
離隔距離)を増すことにより増大すると、非直線性が増
す。
As in the case of the previous example, the sensitivity is the amount (displacement /
Increasing by increasing the separation distance increases the non-linearity.

【0021】要因3すなわちキャパシタンスの変化に対
する電気出力の変化に影響する制限は、変換器キャパシ
タンスの電気出力への変換を定める算法の選択により導
入する。前記したように出力を(1/C1−1/C2)
に比例させると、理想的変換器に対し線形出力を生じこ
のようにして最良の選択になる。たとえば理想的変換器
システムの出力を(C1−C2)に比例させると、感度
は著しい変位に対し極めて非線形になり、可動板が固定
板の1つに近づくに伴い無限大に近づく。すなわち電子
装置変換算法の選択は非直線性に著しい影響を及ぼす。
前記の場合のようにこの非直線性の方向は、感度が入力
の増大に伴い増す向きである。又前記の場合のように感
度は量(変位/離隔距離)を増すことにより増大する
と、非直線性が増す。
Factor 3, the limit affecting the change in electrical output for changes in capacitance, is introduced by the choice of the algorithm that defines the conversion of the transducer capacitance into an electrical output. As described above, output (1 / C1-1 / C2)
Proportional to yields a linear output for an ideal converter and is thus the best choice. For example, making the output of an ideal transducer system proportional to (C1-C2) makes the sensitivity very non-linear for significant displacements, approaching infinity as the movable plate approaches one of the fixed plates. That is, the choice of electronics conversion algorithm has a significant effect on nonlinearity.
As in the previous case, this non-linear direction is the direction in which the sensitivity increases with increasing input. Also, as in the case above, the sensitivity is increased by increasing the amount (displacement / separation distance), which increases the non-linearity.

【0022】実用的キャパシタンス変換器システムの性
能のこれ等の実際上の制限はすべて感度を減らし非直線
性を増すように機能する。非直線性の方向はつねに、入
力の増大に伴い感度が増大する向きである。
All these practical limits on the performance of practical capacitance converter systems work to reduce sensitivity and increase nonlinearity. The direction of non-linearity is always the direction of increasing sensitivity with increasing input.

【0023】この非直線性を減らす通常の方法では、比
較的低い値の量(変位/離隔距離)を使いすなわち可動
部材の変位を各部材間の離隔距離の小部分に制限する。
しかしこの場合にも感度の低下を生ずる。非直線性は、
変位が零に近づくときだけ零に近づくから、非直線性及
び感度の間に承認できる妥協が得られるようにしなけれ
ばならない。感度の低下に伴い、機械的安定性及び精度
は、与えられた入力に対する変位が減るからますます臨
界的になる。又電子装置の安定性及び騒音は与えられた
物理的入力に対する信号レベルが低下するからますます
臨界的になる。これ等の問題は、変換器の寸法が減小す
るのでなお一層臨界的である。
The conventional method of reducing this non-linearity is to use a relatively low amount (displacement / separation), ie to limit the displacement of the movable member to a small fraction of the separation between each member.
However, also in this case, the sensitivity is lowered. The nonlinearity is
An acceptable compromise between non-linearity and sensitivity must be obtained because the displacement approaches zero only when it approaches zero. With decreasing sensitivity, mechanical stability and accuracy become increasingly critical as the displacement for a given input decreases. Also, the stability and noise of electronic devices become increasingly critical as the signal level for a given physical input decreases. These problems are even more critical as the size of the transducer is reduced.

【0024】主として直線性は要因3における非直線性
の補償すなわちキャパシタンスの変化の電気出力の変化
への変換を行うことによって向上する。しかし変換器キ
ャパシタンスの線形均質関数又はこのような関数の比率
は、増大する入力に対し感度を低下させなくて、前記し
た非直線性を相殺する。この場合非線形関数の使用が強
制されこれに伴い費用及び複雑さが増す。所要の回路の
複雑さは、補正の精度の上昇に伴って著しく増しこの変
型法は中程度の性能を持つ又は高い費用のかかる変換器
に対してだけしか実用的にならない。
Mainly the linearity is improved by compensating for the non-linearity in factor 3, ie by converting the change in capacitance into a change in electrical output. However, a linear homogenous function of the transducer capacitance, or a ratio of such functions, does not reduce the sensitivity to increasing inputs and cancels out the non-linearities mentioned above. This imposes the use of non-linear functions, which adds cost and complexity. The required circuit complexity increases significantly with increasing correction accuracy, and this variant is only practical for medium-performance or high-cost converters.

【0025】米国特許第4,542,436号及び同第
4,858,097号の各明細書には容量形センサの非
直線性を減らそうとする手段を例示してある。米国特許
第4,054,833号、第4,295,376号及び
同第4,386,312号の各明細書には、一般にセン
サ回路に固有の非直線性を減らし又は回路自体内に生ず
る非直線性を補償するための回路設計法が提案してあ
る。
The specifications of US Pat. Nos. 4,542,436 and 4,858,097 exemplify means for reducing the non-linearity of capacitive sensors. U.S. Pat. Nos. 4,054,833, 4,295,376 and 4,386,312 generally reduce the non-linearities inherent in sensor circuits or occur within the circuits themselves. A circuit design method for compensating the nonlinearity has been proposed.

【0026】前記した所から明らかなように付加的な費
用又は複雑さを増さないで高い感度及び低い非直線性を
生ずる解決法が必要になる。
As is apparent from the above, there is a need for a solution that produces high sensitivity and low non-linearity without adding additional cost or complexity.

【0027】又感度の程度に不当に妥協しないで変換器
の性能範囲にわたり実質的に零の非直線性の得られる方
法が必要である。
There is also a need for a method that results in substantially zero nonlinearity over the transducer performance range without unduly compromising the degree of sensitivity.

【0028】非理想的な電子装置変換アルゴリズムを使
用するときに実質的に零の非直線性の得られる方法も必
要である。
What is also needed is a method that results in substantially zero nonlinearity when using a non-ideal electronic device conversion algorithm.

【0029】さらに非直線性の程度に不当に妥協しない
で量(変位/離隔距誰)を増すことのできる方法が必要
である。
What is further needed is a method that can increase the amount (displacement / separation) without unduly compromising the degree of non-linearity.

【0030】さらに一方の方向の非直線性を変換器装置
の製造に導入して、外部のキャパシタンス、不均等な変
位及び非理想的な電子装置変換アルゴリズムの影響によ
る反対方向の固有の非直線性を相殺することのできる方
法が必要である。
In addition, one direction of non-linearity is introduced into the fabrication of the transducer device so that the opposite direction inherent non-linearity due to the effects of external capacitance, unequal displacement and non-ideal electronic device conversion algorithms. There is a need for a method that can offset

【0031】[0031]

【発明の概要】本発明により、非直線性を感度に実質的
に無関係にすることのできる変換器及び協働システムを
構成する方法及び対応する装置について述べる。実際上
このことを達成するパラメータは、システムの感度を増
し又は調整すると共にしかもこのシステムに導入される
非直線性の制御状態を保持するように変えることができ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, a method and corresponding apparatus for constructing a transducer and cooperating system that allows nonlinearity to be substantially independent of sensitivity will be described. In practice, the parameters that accomplish this can be varied to increase or adjust the sensitivity of the system while still retaining the non-linear control conditions introduced into the system.

【0032】本発明によれば入力の増加に伴うよく知ら
れている感度の増加は、図2に示した従来の上向き曲線
を相殺するように等しく反対の非直線性を導入すること
によりなくすことができる。本発明を使うことにより、
変換器システムの直線性を向上するにの感度を犠牲にし
たり複雑な電子補正を使ったりする必要がない。むしろ
図4の下向き曲線により示すように入力の増加に伴い感
度の低下する特性を示す補正パラメータを変えることに
より感度を増すことができ又直線性を低下させ又は調整
することができる。図4は、入力の増加に伴い感度の低
下を生ずる所要の補正を示す。この効果は、変換器の通
常は固有の非直線性感度に適合するように調整すること
ができる。補正を正確に行うと、このシステムの感度は
実際上増すと共に実質的に零の非直線性を保つ。この結
果を得る方法については後述する。
In accordance with the present invention, the well-known increase in sensitivity with increasing input is eliminated by introducing equally opposite non-linearities to cancel the conventional upward curve shown in FIG. You can By using the present invention,
There is no need to sacrifice sensitivity or use complex electronic corrections to improve the linearity of the transducer system. Rather, the sensitivity can be increased or the linearity can be reduced or adjusted by changing the correction parameter, which shows the characteristic that the sensitivity decreases as the input increases, as shown by the downward curve in FIG. FIG. 4 shows the required correction that results in a decrease in sensitivity with increasing input. This effect can be tailored to match the transducer's normally inherent non-linear sensitivity. With correct correction, the sensitivity of this system is practically increased and remains substantially zero nonlinearity. The method of obtaining this result will be described later.

【0033】材料又好適とする実施例ではダイヤフラム
材料を伸長させると、スチフネス(stiffnes
s)又はなお一層の変位に対する抵抗が増すことはよく
知られている。変位が増すと、付与力の与えられた割合
の増加に対する変位の増加割合が減少する。入力の変位
への変換のこの非直線性は材料の厚さに比べて小さい変
位に対し無視できるが、このような非直線性は厚さに対
し変位が増すのに伴い急速に増す。
Stretching the material, and in a preferred embodiment the diaphragm material, causes stiffness.
s) or even more resistance to displacement is well known. As the displacement increases, the increase rate of the displacement with respect to the increase of the given rate of the applied force decreases. This non-linearity of the transformation of the input into displacement is negligible for small displacements relative to the material thickness, but such non-linearity increases rapidly with increasing displacement over thickness.

【0034】材料のこの動作領域では、材料の任意の場
所における変位は最大変位の一定部分である。すなわち
機械的意味での材料の「形状」は、変位の変化の際に実
質的に変化しない。好適な実施例ではダイヤフラムの各
場所における材料は他の各場所に或る程度比例して変位
する。
In this region of motion of the material, the displacement of the material anywhere is a constant part of the maximum displacement. That is, the "shape" of a material in the mechanical sense does not change substantially with changes in displacement. In the preferred embodiment, the material at each location on the diaphragm is displaced to some extent proportionally at each other location.

【0035】変位がさらに増すに伴い、付加的効果が導
入され、材料の「形状」が変化する。材料のこの動作領
域では本発明の利点はあまり著しくないと考えられる。
As the displacement increases further, additional effects are introduced and the "shape" of the material changes. It is believed that the advantages of the present invention are less significant in this region of material operation.

【0036】変換器の可動部材の変位を制御する材料を
入力の変位への変換の際にこのような非直線性を導入す
るように操作すると、変換器感度に対する影響により入
力の増大に対し感度を低下するがこれは全く所望の相殺
効果である。非直線形パラメータは可動部材に対する懸
架システム内に含ませ、又はこのパラメータはたとえば
締付けたダイヤフラムの場合のように全可動部材に協働
させる。
If the material controlling the displacement of the movable member of the transducer is manipulated to introduce such non-linearity during the conversion of the input into displacement, the effect on the sensitivity of the transducer is that it is sensitive to increasing input. , Which is exactly the desired offsetting effect. A non-linear parameter is included in the suspension system for the movable member, or this parameter cooperates with all movable members, as in the case of a clamped diaphragm, for example.

【0037】本発明の好適とする実施例では、変換器シ
ステムの通常非直線性の性能を補正するようにこの変位
非直線性を調整する方法は、ダイヤフラム厚さの種種の
選定と締付けダイヤフラム及び固定コンデンサ板間の離
隔距離との間の選択を含む。
In a preferred embodiment of the present invention, the method of adjusting this displacement non-linearity to compensate for the normally non-linear performance of the transducer system includes the selection of diaphragm thickness and clamping diaphragms. Includes a choice between the separation distance between the fixed capacitor plates.

【0038】これ等の2種類のパラメータの効果は、量
(変位/離隔距離)を増すことにより入力の増加に対し
感度が増す方向に非直線性を増し又量(変位/ダイヤフ
ラム厚さ)を増すと反対方向に非直線性を増すことを知
れば明らかである。変位はこれ等の両方の量に共通であ
る。与えられた変位に対しこの場合離隔距離及びダイヤ
フラム厚さは反対方向の非直線性を制御し、そしてこれ
等の2つのパラメータは、感度の程度に関係なく零の非
直線性を生ずるように調整することができる。
The effect of these two types of parameters is to increase the amount (displacement / separation distance) to increase the nonlinearity in the direction of increasing sensitivity to an increase in input, and to increase the amount (displacement / diaphragm thickness). It is clear that increasing increases non-linearity in the opposite direction. The displacement is common to both of these quantities. For a given displacement, the separation distance and diaphragm thickness in this case control the non-linearities in opposite directions, and these two parameters are adjusted to produce zero non-linearities regardless of the degree of sensitivity. can do.

【0039】以下本発明の好適とする実施例を添付図面
について詳細に説明する。
Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

【0040】本発明の原理及び概念を実現する実験的方
法は、種種のパラメータ値を持つ多数の変換器を構成し
その結果を評価することである。実際の変換器に含まれ
る多数の変数と影響の複雑さとによって、この実験的方
法は時間及び費用が極めてかかり、一般に所望の結果が
得られるようにパラメータを調整できる知識がほとんど
得られない。
An experimental way of implementing the principles and concepts of the present invention is to construct multiple transducers with various parameter values and evaluate the results. Due to the large number of variables involved in the actual transducer and the complexity of the effect, this experimental method is very time consuming and expensive and generally has little knowledge of adjusting the parameters to obtain the desired result.

【0041】好適な解決案では変換器システムの数学的
モデルを生成し得られる効果を量的に定める。このモデ
ルのパラメータを次いで調整し所望の性能が得られるよ
うにする。とくに可動部材の非線形変位に影響を及ぼす
パラメータは、変換器システムの通常非線形感度を補正
するように調整する。数個の実際の変換器の構造及び試
験は、モデルの予知を確かめるのに使うことができる。
The preferred solution produces a mathematical model of the transducer system and quantifies the resulting effect. The parameters of this model are then adjusted to obtain the desired performance. Parameters that particularly affect the non-linear displacement of the movable member are adjusted to compensate for the normally non-linear sensitivity of the transducer system. The construction and testing of several actual transducers can be used to confirm model prognosis.

【0042】モデルは、電気的出力及び物理的入力の間
の関係を正確に予知しなければならない。モデルは、そ
れぞれ結果への特定の寄与をそれぞれ描写する1組のサ
ブモデルから構成する。好適とする解決案は次の通りで
ある。 A)変換器の可動部材の位置を物理的入力に従って定め
るようにサブモデルを定める。 B)変換器の合成のキャパシタンスを可動部材の位置に
従って定めるように別のサブモデルを定める。 C)合成の電気的出力を合成キャパシタンスに従って定
めるようになお別のサブモデルを定める。
The model must accurately predict the relationship between electrical output and physical input. The model consists of a set of sub-models, each describing a particular contribution to the result. The preferred solution is as follows. A) Define a sub-model to define the position of the moving parts of the transducer according to the physical input. B) Define another submodel to define the combined capacitance of the transducer according to the position of the movable member. C) Still define another sub-model to define the combined electrical output according to the combined capacitance.

【0043】所定のモデルはこれ等のサブモデルの相乗
積である。
The given model is the product of these sub-models.

【0044】[0044]

【数1】 [Equation 1]

【0045】このモデルは、提案された変換器構造の性
能を予知するのに使う。物理的入力は、構造の感度及び
直線性を見付けるように増分し、又所望の性能が得られ
るように適当なパラメータを調整する。とくに適当なパ
ラメータは、余分のキャパシタンス及び非均等な変位の
ような要因により導入される非直線性が、可動部材の変
位を制御する材料の非線形変位効果により導入される非
直線性により補償されるように調整する。
This model is used to predict the performance of the proposed converter structure. The physical inputs are incremented to find the sensitivity and linearity of the structure and the appropriate parameters adjusted to obtain the desired performance. A particularly suitable parameter is that non-linearities introduced by factors such as extra capacitance and non-uniform displacement are compensated by non-linearities introduced by the non-linear displacement effects of the material controlling the displacement of the movable member. To adjust.

【0046】[0046]

【実施例】モデルの詳細な説明は、図5に示すように一
様な厚さを持ち2枚の円形コンデンサ板の間に名目的に
中央に位置させた円形シリコンダイヤフラムを持つ圧力
変換器の場合について以下に述べる。この場合は非均等
な変位の極端な例である。この説明を受ける当業者は他
の形式の変換器システムに対する他のモデルを容易に開
発することができる。
EXAMPLE A detailed description of the model is given in the case of a pressure transducer having a circular silicon diaphragm nominally centered between two circular capacitor plates of uniform thickness as shown in FIG. It will be described below. This case is an extreme example of non-uniform displacement. Those skilled in the art given this description can easily develop other models for other types of transducer systems.

【0047】第1のステップA)は加える圧力に従って
ダイヤフラムの変位を示すサブモデルを定める。ダイヤ
フラムの変位を定める必要は多くの分野に共通であり、
多くのモデルが開発されている。本発明に使われるモデ
ルは、1966年刊行のサイエンティフィック・トラン
スレイションズ(Scientific Transl
ations)に対しイスラエル・プログラム(Isr
ael Program)によりロシア語から翻訳され
たエル・イー・アンドリーバ(L.E.Andreev
a)を著者とする論文「器具の弾性部材(Elasti
c Elements of Instrument
s)」から導かれる。
The first step A) defines a sub-model which represents the displacement of the diaphragm according to the applied pressure. The need to define diaphragm displacement is common in many fields,
Many models have been developed. The model used in the present invention is the Scientific Transls published in 1966.
Israeli Program (Isr)
L. Andreev translated from Russian by ael Program
a) Author's paper “Elastomeric member of equipment (Elasti
c Elements of Instrument
s) ”.

【0048】ダイヤフラムの変位は、加える圧力により
生ずるダイヤフラムの最大(中央)変位を先ず定め、次
いで同じ加える圧力に対しダイヤフラム他の各領域の変
位を定めることによって定める。
The displacement of the diaphragm is determined by first determining the maximum (center) displacement of the diaphragm caused by the applied pressure and then by determining the displacement of the diaphragm and other regions for the same applied pressure.

【0049】最大(中央)変位Wpは次の式から誘導さ
れる。
The maximum (center) displacement Wp is derived from the following equation.

【0050】[0050]

【数2】 [Equation 2]

【0051】この式で係数a、b、cは次の通りであ
る。
In this equation, the coefficients a, b and c are as follows.

【0052】[0052]

【数3】 [Equation 3]

【0053】そして各パラメータ及び対応する計測単位
は次の通りである。
The parameters and the corresponding measurement units are as follows.

【0054】[0054]

【数4】 [Equation 4]

【0055】前記した圧力/変位の式は加える圧力及び
ダイヤフラム法の関数としてのダイヤフラムの中心の変
位を表わす。
The pressure / displacement equation described above represents the displacement of the center of the diaphragm as a function of the applied pressure and the diaphragm method.

【0056】ダイヤフラムの他の各領域の変位は、ダイ
ヤフラムの1連の随意の狭い各同心円領域すなわち環の
変位を表わすことにより定める。この変位は、中心にお
ける1から締付縁部における零まで変る中心変位の一部
分である。すなわち或る半径における変位Wrは次の通
りである。
The displacement of each of the other regions of the diaphragm is defined by representing the displacement of each of a series of optionally narrow concentric regions or rings of the diaphragm. This displacement is part of the center displacement which varies from 1 at the center to zero at the clamping edge. That is, the displacement Wr at a certain radius is as follows.

【0057】[0057]

【数5】 [Equation 5]

【0058】この式でSFは半径によって変化する「形
状係数」である。形状係数は次の式から誘導される。
In this equation, SF is a "shape factor" that changes with radius. The shape factor is derived from the following equation.

【0059】[0059]

【数6】 [Equation 6]

【0060】この式でWith this formula

【0061】[0061]

【数7】 [Equation 7]

【0062】「Z」は実験的に定められる係数である。
この場合考えられる材料の作動領域に対し、「形状」は
変位の変化により実質的に変化しない。従って「Z」は
一定である。約Z=3の値が薄いシリコン材料に適当で
あることが分った。
"Z" is an experimentally determined coefficient.
For the possible working areas of the material in this case, the "shape" does not change substantially due to the change in displacement. Therefore, "Z" is constant. A value of about Z = 3 has been found to be suitable for thin silicon materials.

【0063】前記した形状係数式は、中央変位の関係と
してのダイヤフラムの各領域の変位を表わす。すなわち
ダイヤフラムの各領域の変位は、加える圧力及びダイヤ
フラム寸法の関数として既知である。
The above-mentioned shape factor formula represents the displacement of each region of the diaphragm as a relation of the central displacement. That is, the displacement of each region of the diaphragm is known as a function of the applied pressure and the size of the diaphragm.

【0064】第2のステップB)は、前記したようにダ
イヤフラムの変位の関数として変換器の合成のキャパシ
タンスを定めるのにサブモデルを定める。
The second step B) defines a sub-model for defining the combined capacitance of the transducer as a function of the displacement of the diaphragm as described above.

【0065】2個の平行板間のキャパシタンスに対する
一般式は次の通りである。
The general formula for the capacitance between two parallel plates is:

【0066】[0066]

【数8】 [Equation 8]

【0067】この式でWith this formula

【0068】[0068]

【数9】 [Equation 9]

【0069】この場合計算はダイヤフラムを図5に示す
ようにそれぞれコンデンサ板に平行な1連の随意に狭い
同心環であると考えることにより行う。各環及びコンデ
ンサ板間の距離は、前記した変位なしの離隔距離から環
の変位を差引いたものである。全キャパシタンスは、こ
のキャパシタンスに寄与する全部の環に対するキャパシ
タンスの総和である。この総和は、半径R1を持つコン
デンサ板の穴により中央部で又半径Roを持つコンデン
サ板により外側をそれぞれ限定される。すなわち
In this case the calculation is made by considering the diaphragm as a series of arbitrarily narrow concentric rings, each parallel to a capacitor plate, as shown in FIG. The distance between each ring and the capacitor plate is the distance without displacement described above minus the displacement of the ring. The total capacitance is the sum of the capacitances for all rings that contribute to this capacitance. This sum is bounded at the center by the holes in the capacitor plate with radius R1 and outside by the capacitor plate with radius Ro. Ie

【0070】[0070]

【数10】 [Equation 10]

【0071】この式でWith this formula

【0072】[0072]

【数11】 [Equation 11]

【0073】この式は変位の代数符号を持つ適正な用途
の両キャパシタンスC1及びC2に適用できる。
This equation is applicable to both capacitances C1 and C2 of appropriate use with algebraic signs of displacement.

【0074】変換器キャパシタンスに並列の余分なキャ
パシタンスはこれ等の値を加えて全有効変換器キャパシ
タンスが得られる。
The extra capacitance in parallel with the transducer capacitance adds these values to get the total effective transducer capacitance.

【0075】第3のステップC)は、合成キャパシタン
スの関数として合成電気出力を定めるようにサブモデル
を定める。
The third step C) defines the submodel so as to define the combined electrical output as a function of the combined capacitance.

【0076】このサブモデルは、キャパシタンスから電
気出力への変換を定める選定したアルゴリズムの単に式
である。たとえば理想的変換器の前記の例では、サブモ
デルは次のようになる。
This submodel is simply an expression of the chosen algorithm that defines the conversion of capacitance to electrical output. For example, in the above example of an ideal transducer, the submodel would be

【0077】[0077]

【数12】 [Equation 12]

【0078】この式でWith this formula

【0079】[0079]

【数13】 [Equation 13]

【0080】前記各サブモデルの組合せは変換器システ
ムの所望のモデルを表わす。
The combination of each said sub-model represents the desired model of the transducer system.

【0081】このモデルは特定の変換器システム構造に
適用する方法の1例である。この構造の他のモデルも可
能であり、異なる変換器システム構造は異なるモデルを
必要とする。
This model is one example of how it can be applied to a particular transducer system structure. Other models of this structure are possible, and different transducer system structures require different models.

【0082】モデルは、システムに対し零の非直線性を
得るようにつりあわせる両方向の非直線性を生ずる性質
を含む。
The model includes the property of producing bidirectional non-linearities that balance to obtain zero non-linearities for the system.

【0083】ダイヤフラムの中心変位を圧力に関連させ
る式を解いて変位を定めると、この変位が第1のパワー
まで上昇し予期される直線関係を表わす圧力に依存し、
又入力の増加に伴い増加するスチフネスにより生ずる非
線形変位を表わす、一層高いパワーまで上昇する圧力に
依存する。
Solving the equation relating the center displacement of the diaphragm to the pressure to determine the displacement, the displacement depends on the pressure which rises to the first power and represents the expected linear relationship:
It also depends on the pressure rising to a higher power, which represents the non-linear displacement caused by the increasing stiffness with increasing input.

【0084】ダイヤフラムの不均等な変位の影響は「形
状係数」の式により導入される。余分のキャパシタンス
の影響は、ダイヤフラム位置のキャパシタンスへの変換
に含めることにより導入される。又キャパシタンスの出
力への非理想的な電子変換の影響は電子装置サブモデル
内に導入される。これ等の3つの係数は、出力を圧力入
力に関連させる一層高次の項を導入する。これ等の項
は、前記した非線形変位により導入されるのとは反対方
向の非直線性を生ずる。
The effect of uneven displacement of the diaphragm is introduced by the "shape factor" equation. The effect of extra capacitance is introduced by including in the conversion of diaphragm position into capacitance. Also, the effect of non-ideal electronic conversion on the output of capacitance is introduced in the electronic device submodel. These three coefficients introduce higher order terms relating output to pressure input. These terms give rise to non-linearities in the opposite direction introduced by the non-linear displacements described above.

【0085】不均等な変位により生ずる変換器システム
の非直線性と余分なキャパシタンスと非理想的電子変換
アルゴリズムとは、主として第3次の項によって生ずる
ことが分った。これ等の項の係数は、ほぼ完全な相殺が
行われるように調整することができる。すなわち非直線
性は、不均等な変位、余分なキャパシタンス及び非理想
的電子変換アルゴリズムにより生ずるのとは反対方向の
非直線性を定める各式の項に対応する変換器構造部材の
選択によってなくすことができる。
It has been found that the non-linearity of the transducer system caused by unequal displacement, the extra capacitance and the non-ideal electronic conversion algorithm are mainly caused by the third order term. The coefficients of these terms can be adjusted to provide near perfect cancellation. That is, non-linearity is eliminated by the selection of transducer structural members corresponding to terms in each equation that define non-linearity in the opposite direction to that caused by unequal displacement, excess capacitance and non-ideal electronic conversion algorithms. You can

【0086】モデルの複雑さによってモデルの用途の好
適な解決案は、全部の変換器システムパラメータをモデ
ルに入力することができ入力圧力の増分のための電気出
力を定めそして得られる感度及び非直線性を報告するコ
ンピュータプログラムを生成することである。このこと
は、或る範囲のパラメータ値と所望の性能に対し定まる
最適値とに対して繰返す。
Depending on the complexity of the model, the preferred solution for the application of the model is that all transducer system parameters can be input into the model, which determines the electrical output for the input pressure increment and the resulting sensitivity and nonlinearity. To generate a computer program that reports sex. This is repeated for a range of parameter values and optimum values that are determined for the desired performance.

【0087】多数のパラメータが含まれている。データ
を意味のあるように組織化する方法は実際の結果を迅速
に得るのに役立つ。好適な解決案は、2つのパラメータ
をその他のすべてのパラメータは一定に保持したままで
変えることである。2つの可変のパラメータは、最終的
に平衡しなければならない2種の非直線性に強い影響を
持ち又実際の変換器の生産の際に比較的容易に変えられ
るように選定する。
A number of parameters are included. The way the data is organized in a meaningful way helps to get real results quickly. The preferred solution is to change the two parameters while keeping all other parameters constant. The two variable parameters are chosen so that they have a strong influence on the two non-linearities that must eventually be balanced and that they can be changed relatively easily during the production of the actual transducer.

【0088】変位と変位の非直線性とはダイヤフラムの
厚さ、直径及び逆ひずみに強く依存することは前記の圧
力/変位式から明らかである。これ等のパラメータのう
ち任意のもの及び全部を非直線性に影響するように調整
することができる。しかし典型的な構造では直径は、製
造の費用及び容易さのような要因により相対的に制限を
受ける。又変換器の多くの部材が直径の変更により影響
を受けるので、直径の変更は迅速に実施することがむず
かしい。逆ひずみの値も又、組立て技術や材料の性質の
ような要因により制限をうける。
It is clear from the above pressure / displacement equation that the displacement and the non-linearity of displacement strongly depend on the thickness, diameter and back strain of the diaphragm. Any and all of these parameters can be adjusted to affect the non-linearity. However, in typical constructions the diameter is relatively limited by factors such as cost and ease of manufacture. Also, many components of the transducer are affected by changes in diameter, making diameter changes difficult to implement quickly. The reverse strain value is also limited by factors such as assembly technology and material properties.

【0089】しかしダイヤフラムの厚さは、製造の際に
容易に調整され他のパラメータに影響しない。又前記し
た変位の非直線性を比較的大きく制御できる。従ってこ
れは変位の非直線性の調整に使う好適な変数である。
However, the thickness of the diaphragm is easily adjusted during manufacture and does not affect other parameters. Further, the above-mentioned non-linearity of displacement can be controlled relatively large. Therefore, this is the preferred variable used to adjust the non-linearity of the displacement.

【0090】余分なキャパシタンス及び不均等な変位に
より生ずる非直線性を制御するのに好適なパラメータ
は、変位しないダイヤフラムと固定のコンデンサ板との
間の離隔距離である。離隔距難及びダイヤフラム厚さは
共に変換器の1つの部材の寸法により制御されるから、
ダイヤフラム構造、感度及び非直線性は、単一の変換器
部材のパラメータを調整することにより制御することが
できる。
A preferred parameter for controlling the non-linearity caused by excess capacitance and uneven displacement is the separation between the non-displaceable diaphragm and the fixed capacitor plate. Since the separation distance and the diaphragm thickness are both controlled by the size of one member of the transducer,
Diaphragm structure, sensitivity and nonlinearity can be controlled by adjusting the parameters of a single transducer member.

【0091】好適な解決案は、設計変数としてダイヤフ
ラム厚さ及び離隔距離を使い与えられた変換器構造に対
し或る範囲の性能結果を定めることである。これ等の結
果は、所望のレベルの非直線性及び合成感度を得るのに
他のパラメータの与えられた値に対しパラメータのうち
の1つのパラメータの値を指示する。感度は零の非直線
性を保持しながら増すことが分っている。しかし得られ
る寸法の所要の精度は一層厳密になり実際の構造で得ら
れる感度を制限する。
The preferred solution is to define a range of performance results for a given transducer structure using diaphragm thickness and separation as design variables. These results dictate the value of one of the parameters relative to the given values of the other parameters to obtain the desired level of nonlinearity and composite sensitivity. It has been found that sensitivity increases while maintaining zero nonlinearity. However, the required accuracy of the dimensions obtained becomes more stringent and limits the sensitivity that can be obtained with practical structures.

【0092】本発明の好適な構造では、締付けシリコン
ダイヤフラムを作る。薄くした区域を持つシリコンウェ
ーハ10を作り、それぞれコンデンサ板16,18を配
置し或は形成した互いに対向する支持ガラス基板12,
14の間に挟む。図6はこのような変換器構造を示す。
ダイヤフラムは、ダイヤフラム厚さ及びコンデンサすき
まのパラメータを共に単一の組の処理ステップで無関係
に定めることのできるシリコン処理法を使いシリコンで
作る。なおとくに図6に示した変換器構造は分りやすい
ように各層を互いに隔離して示され、上部ガラス基板1
2及び下部ガラス基板14の間に挟んだシリコンウェー
ハ10を備えている。シリコンウェーハ10は、両側の
エッチングが行われ寸法20として示したダイヤフラム
厚さと共に薄いシリコンダイヤフラム24と上下のガラ
ス基板に形成したコンデンサ板16,18との間にすき
ま22を仕切る段形引込みを形成する。半導体材料自体
は不純物を混ぜられ、固定の両コンデンサ板16,18
に共通のたわみ性の導電性コンデンサ板を形成するのに
十分な導電性を持つようにする。このようにしてシリコ
ンダイヤフラム24の動きにより、シリコンダイヤフラ
ム24及び上部コンデンサ板16の間の第1のキャパシ
タンスC1とシリコンダイヤフラム24及び下部コンデ
ンサ板18の間の第2のキャパシタンスC2との差動キ
ャパシタンスを生成する。薄いシリコンダイヤフラム板
24に圧力を加えると、ダイヤフラム24はその前後の
差動圧力に従って一方又は他方にたわみ、一方のキャパ
シタンスは増し他方のキャパシタンスを減らす。このよ
うな構造では全キャパシタンスC1+C2は実質的に一
定のままである。
The preferred construction of the present invention produces a clamped silicon diaphragm. A silicon wafer 10 having a thinned area is formed, and supporting glass substrates 12 facing each other, on which capacitor plates 16 and 18 are arranged or formed, respectively.
It is sandwiched between 14. FIG. 6 shows such a converter structure.
The diaphragm is made of silicon using a silicon processing method that allows both diaphragm thickness and capacitor clearance parameters to be independently determined in a single set of processing steps. In particular, the transducer structure shown in FIG. 6 is shown with the layers separated from each other for clarity.
A silicon wafer 10 sandwiched between 2 and a lower glass substrate 14 is provided. The silicon wafer 10 is etched on both sides to form a step-like recess that partitions a gap 22 between the thin silicon diaphragm 24 and the capacitor plates 16 and 18 formed on the upper and lower glass substrates together with the diaphragm thickness shown as a dimension 20. To do. The semiconductor material itself is mixed with impurities, and both fixed capacitor plates 16 and 18 are fixed.
Have sufficient conductivity to form a flexible conductive capacitor plate common to all. In this way, the movement of the silicon diaphragm 24 causes the differential capacitance between the first capacitance C1 between the silicon diaphragm 24 and the upper capacitor plate 16 and the second capacitance C2 between the silicon diaphragm 24 and the lower capacitor plate 18. To generate. When pressure is applied to the thin silicon diaphragm plate 24, the diaphragm 24 flexes to one or the other according to the differential pressure across it, increasing the capacitance of one and decreasing the capacitance of the other. In such a structure, the total capacitance C1 + C2 remains substantially constant.

【0093】上下のガラス支持基板12,14は、その
両側を、コンデンサ板16,18と共に2つの機能を生
ずる各導電性バイアス26,28を形成するように金属
蒸着処理を行うことにより覆うパイレックスガラス構造
である。第1にバイアス26,28により外部流体をダ
イヤフラム24に作用させその前後に差動圧力を生成し
これをたわませる。第2に導電性バイアス26,28
は、各コンデンサ板16,18からガラス基板の互いに
対向する側の導線30,32への電気径路を形成する。
両導線30,32と共にシリコン材料10に電気結線を
形成し、変換器に加える圧力の変化に応答してキャパシ
タンスの変化を検出する。大きい直径のシリコンウェー
ハ及び対応する大きい直径のガラス基板を使うことによ
りこのような多数の変換器を同時に作る。ガラス及びシ
リコン材料は図示のように作り次いでこのような層を互
いに付着させるように相互に電気的に密封する。このよ
うなシールにより各ダイヤフラム24のまわりで円周方
向に各ガラス支持基板13,14に密封する。
The upper and lower glass support substrates 12 and 14 are covered on both sides by performing a metal vapor deposition process so as to form the conductive biases 26 and 28 which perform two functions together with the capacitor plates 16 and 18. It is a structure. Firstly, the bias fluids 26, 28 act the external fluid on the diaphragm 24 to create a differential pressure before and after it to deflect it. Second, the conductive bias 26, 28
Form an electrical path from each capacitor plate 16, 18 to the conductors 30, 32 on the opposite sides of the glass substrate.
An electrical connection is formed in the silicon material 10 with both conductors 30, 32 to detect changes in capacitance in response to changes in pressure applied to the transducer. Multiple such transducers are made simultaneously by using large diameter silicon wafers and corresponding large diameter glass substrates. The glass and silicon materials are made as shown and then electrically sealed to one another so that such layers are attached to each other. With such a seal, the glass supporting substrates 13 and 14 are sealed in the circumferential direction around each diaphragm 24.

【0094】シリコン10の処理に関して、ウェーハは
その各側部を覆い、それぞれダイヤフラムの直径に対応
する直径を持つ複数の公認の円形区域を定める。次いで
ウェーハの両側にシリコンエッチングを行いシリコンシ
リコン材料を所望のコンデンサギャップ22に相当する
所望の深さにエッチングを行う。被覆シリコンのエッチ
ングに対し多くのエッチング材が利用される。ガラス−
シリコン・ガラス容量性変換器の構造についてなお詳し
く述べるに当たり、前記した米国特許願「高感度小形圧
力変換器」を参照する。次いでエッチングマスクを除き
マスクを設けてないシリコンウェーハ全体にふたたびエ
ッチングを行い、次いで所望のダイヤフラム厚さになる
までウェーハの両側でシリコンを均等に除く。シリコン
材料は既知の割合で除き、ウェーハの時間エッチングを
行うことにより、所望のダイヤフラム厚さ20を段付き
引込み寸法22に影響を及ぼさないで得ることができ
る。実際上2ないし3ミクロンのダイヤフラム厚さ20
が可能である。従来の技術を参照する当業者は、好適な
ダイヤフラム厚さ及び片寄り寸法を持つダイヤフラムを
作る他の方法を容易に考えることができる。
With respect to the processing of silicon 10, the wafer covers each side thereof and defines a plurality of certified circular areas each having a diameter corresponding to the diameter of the diaphragm. Then, silicon is etched on both sides of the wafer to etch the silicon silicon material to a desired depth corresponding to the desired capacitor gap 22. Many etchants are used for etching coated silicon. Glass
To further elaborate on the construction of the silicon-glass capacitive transducer, reference is made to the above-referenced U.S. patent application "High Sensitive Compact Pressure Transducer". The entire unmasked silicon wafer is removed again, except for the etching mask, and then the silicon is removed evenly on both sides of the wafer until the desired diaphragm thickness is reached. The silicon material is removed in known proportions and the wafer is time etched to obtain the desired diaphragm thickness 20 without affecting the stepped recess dimension 22. Practically a diaphragm thickness of 2 to 3 microns 20
Is possible. One skilled in the art with reference to the prior art can readily envision other methods of making diaphragms with suitable diaphragm thickness and offset dimensions.

【0095】コンデンサギャップ22は、一層小さいギ
ャップで又考えられた範囲のダイヤフラムたわみで出力
キャパシタンスが一層大きくなるので、変換器の出力キ
ャパシタンスに関連するのは明らかである。その理由は
固定のコンデンサ板とダイヤフラムとの間の間隔が一層
小さくてキャパシタンスを増すからである。又ダイヤフ
ラム厚さを調整することにより非直線性を、余分なキャ
パシタンス等による互いに反対の向きの固有の非直線性
を相殺する範囲で変換器に導入することができる。すな
わち入力流体の増大によってダイヤフラムのたわみが増
すと、ダイヤフラム材料自体はたわみに対する抵抗が増
した対の向きの非直線性が生ずる。
It is clear that the capacitor gap 22 is related to the output capacitance of the converter as the output capacitance is larger with smaller gaps and diaphragm deflections in the range considered. The reason is that the spacing between the fixed capacitor plate and the diaphragm is smaller, increasing the capacitance. Also, by adjusting the diaphragm thickness, the non-linearity can be introduced into the transducer in a range that cancels out the inherent non-linearity in opposite directions due to extra capacitance or the like. That is, as the deflection of the diaphragm increases with increasing input fluid, the diaphragm material itself creates a pair of non-linearities of increased resistance to deflection.

【0096】シリコンダイヤフラムの半径方向の逆ひず
みは又たわみに影響を及ぼし、このパラメータは又その
出力を直線化するのに使うことができる。ダイヤフラム
の半径方向逆ひずみはシリコンダイヤフラム材料をガラ
ス支持基板12,14に電気的に密封する間に生じさせ
ることができる。シリコンウェーハ10の熱膨張係数に
比べてガラス基板12,14の熱膨張係数を適正に選択
することにより、所望の逆ひずみをダイヤフラム24に
導入することができる。かさばるガラス基板12,14
の熱膨張は、密封濃度では薄いシリコン材料10の熱膨
張より小さい。すなわち複合のサンドイッチ状ガラス・
シリコン−ガラス構造を前もって定めた密封温度に加熱
し電気密封により相互に固定し次で冷却するときは、ダ
イヤフラム24は逆ひずみを保持する。このことは、高
温度でガラス支持基板12,14に固定すると、シリコ
ンダイヤフラム24は冷却過程中にガラスより一層収縮
する。熱膨張係数時間の差と電気密封の生ずる温度の選
択とによって、異なる逆ひずみをダイヤフラム24に生
じさせることができる。
Radial reverse strain of the silicon diaphragm also affects the deflection, and this parameter can also be used to linearize its output. Radial counter-distortion of the diaphragm can occur during the electrical sealing of the silicon diaphragm material to the glass support substrates 12,14. By appropriately selecting the thermal expansion coefficient of the glass substrates 12 and 14 relative to the thermal expansion coefficient of the silicon wafer 10, a desired reverse strain can be introduced into the diaphragm 24. Bulky glass substrates 12, 14
Has a thermal expansion less than that of the thin silicon material 10 at hermetically sealed concentration. That is, composite sandwich glass
When the silicon-glass structure is heated to a predetermined sealing temperature, fixed to each other by electrosealing and then cooled, the diaphragm 24 retains reverse strain. This means that when fixed to the glass support substrates 12, 14 at high temperature, the silicon diaphragm 24 shrinks more than glass during the cooling process. Different back strains can be produced in the diaphragm 24 by the difference in the coefficient of thermal expansion time and the selection of the temperature at which the electrical sealing occurs.

【0097】容量性変位変換器の出力は、圧力のような
物理的入力に対応して変化するキャパシタンスを含む。
典型的制御システムに使用できる出力を生ずるように、
キャパシタンスを一般に対応する電気信号に変換する。
このキャパシタンスに電気的変換を行うのに多くの回路
が考えられる。しかしこのような回路は一般にさらに非
直線性をシステムに導入し又は適当な直線性を生ずるの
に極めて複雑な回路を必要としシステムに実質的な費用
を加える。図7は、本発明の変換器に使うのに十分に適
合し低い又は適当な費用で直線性を保ちながらキャパシ
タンスの電気変換を実施できるようにした電気回路を示
す。
The output of the capacitive displacement transducer contains a capacitance that changes in response to a physical input such as pressure.
To produce an output that can be used in a typical control system,
It converts the capacitance into a corresponding electrical signal.
Many circuits are possible to make the electrical conversion to this capacitance. However, such circuits generally introduce additional non-linearities into the system or require extremely complex circuitry to produce adequate linearity, adding substantial cost to the system. FIG. 7 shows an electrical circuit which is well suited for use in the converter of the present invention and which is capable of performing electrical conversion of capacitance while maintaining linearity at low or reasonable cost.

【0098】変換器システムの全直線性を保持するよう
に、可動部材の変位の計測は、逆数キャパシタンスの差
すなわち1/C1−1/C2を使って実施しなければな
らない。なお詳しく後述するように変換器キャパシタン
スC1及びC2は微分器の入力に切替えてキャパシタン
スの逆数の出力表示を生ずる。キャパシタンス表示の差
を生ずるのに差回路を使うがキャパシタンス逆数の総和
のフィードバックを、変換器キャパシタンスを駆動する
ランプ発生器に送る。余分なキャパシタンスの影響は、
給電電流が変換器キャパシタンスだけを経て流れ又計測
電圧が給電電流だけに基づくようにすることによってな
くなる。
In order to maintain the full linearity of the transducer system, the measurement of the displacement of the movable member must be carried out using the reciprocal capacitance difference, ie 1 / C1-1 / C2. As will be described in more detail below, the transducer capacitances C1 and C2 switch to the inputs of the differentiator to produce an output representation of the reciprocal of the capacitance. A difference circuit is used to produce the difference in capacitance indication, but feedback of the sum of the reciprocal capacitances is sent to the ramp generator driving the converter capacitance. The effect of extra capacitance is
It is eliminated by allowing the supply current to flow only through the transducer capacitance and allowing the measured voltage to be based solely on the supply current.

【0099】キャパシタンス逆数の直接計測は容易に実
施することができるが、回路簡略化は、逆数値でなくて
キャパシタンス自体を計測することによってできる。こ
のことは次の関係によって明らかである。
Direct measurement of the reciprocal capacitance can be easily performed, but circuit simplification can be done by measuring the capacitance itself rather than the reciprocal value. This is clear from the following relationship.

【0100】[0100]

【数14】 [Equation 14]

【0101】図7及び図8には本発明の好適な実施例の
変換回路の回路図及び波形を例示してある。変換器キャ
パシタンスC1及びC2は微分回路40に交互に切替え
られランプ発生器42により二者択一的に駆動する。微
分回路40に変換器キャパシタンスに比例した振幅を持
つ出力信号を生じ、復調回路44はこの信号をアース基
準に移す。差回路50は和(C1+C2)を誘導する。
この和は保持回路52により保持される。この和は積分
回路54により一定に保持され実際の分割を行う必要を
なくす。或は差及び和の比を割り算回路により生ずる分
割法を利用してもよい。
FIGS. 7 and 8 exemplify circuit diagrams and waveforms of the conversion circuit of the preferred embodiment of the present invention. The converter capacitances C1 and C2 are alternately switched to the differentiating circuit 40 and are alternatively driven by the ramp generator 42. The differentiating circuit 40 produces an output signal having an amplitude proportional to the transducer capacitance, and the demodulating circuit 44 shifts this signal to ground reference. The difference circuit 50 induces the sum (C1 + C2).
This sum is held by the holding circuit 52. This sum is held constant by the integrating circuit 54, eliminating the need for actual division. Alternatively, a division method may be used in which the ratio of the difference and the sum is generated by a dividing circuit.

【0102】ランプ発生器42は普通の構造のもので、
接続点56に交互に正及び負の電圧こう配を持つ三角形
波形58を持つ出力を生じる。完全な計測サイクルは2
つの交互の半サイクルから成る。第1の半サイクル中に
波形64により作動するスイッチ60,62は図示の位
置にある。このようなスイッチは、変換器キャパシタン
スC1の板16をランプ発生器の出力に又キャパシタン
スC2の板18をアースにそれぞれ接続する。微分回路
40は、変換器キャパシタンスC1及びC2と抵抗器6
6とコンデンサ68と差動増幅器70とを備えている。
増幅器70の極性非反転入力はアースに接続され、抵抗
器66を通るフィードバックにより実際の地電位で接続
点72に極性反転入力を加える。変換器の共通の導線7
4は可動部材24を接続点72に接続する。
The ramp generator 42 is of ordinary construction,
The output at the connection point 56 has a triangular waveform 58 with alternating positive and negative voltage gradients. 2 complete measurement cycles
It consists of two alternating half cycles. The switches 60, 62 actuated by the waveform 64 during the first half cycle are in the positions shown. Such a switch connects plate 16 of converter capacitance C1 to the output of the ramp generator and plate 18 of capacitance C2 to ground. Differentiating circuit 40 includes converter capacitances C1 and C2 and a resistor 6
6, a capacitor 68, and a differential amplifier 70.
The non-inverting input of amplifier 70 is connected to ground, and feedback through resistor 66 adds the inverting input at node 72 at the actual ground potential. Common conductor of converter 7
4 connects the movable member 24 to the connection point 72.

【0103】第1の半サイクルの第1の部分の位相1中
にランプ発生器の出力、すなわち波形58の部分76は
一定の正のこう配を保つ。C1の前後の電圧変化の得ら
れる一定の割合は、C1を経て従って抵抗器66を経て
増幅器70の出力に一定の電流を誘起する。短い安定時
間後に、接続点78における増幅器70の出力は、波形
82の部分80により示すように変換器キャパシタンス
C1の値を表わす負の電圧準位に安定になる。増幅器7
0の周波数補償は、抵抗器66の大きい値又は変換器キ
ャパシタンスに対し必要でありコンデンサ68により生
ずる。
During phase 1 of the first part of the first half cycle, the output of the ramp generator, ie, part 76 of waveform 58, maintains a constant positive slope. The resulting constant rate of voltage change across C1 induces a constant current in the output of amplifier 70 through C1 and thus through resistor 66. After a short settling time, the output of amplifier 70 at node 78 settles to a negative voltage level which is representative of the value of converter capacitance C1 as shown by portion 80 of waveform 82. Amplifier 7
Zero frequency compensation is required for large values of resistor 66 or converter capacitance and is produced by capacitor 68.

【0104】入力接続点72及び回路アースの間のキャ
パシタンスは、変換器可動部材24に協働する漂遊キャ
パシタンスと、サーキットリ自体に協働するキャパシタ
ンスと、スイッチ62により接地された変換器キャパシ
タンスC2とから成る。この接続点は実際上地電位にあ
るから、このキャパシタンスの前後の電圧は変化するこ
とができなくて、この接続点を経ては実質的に電流が流
れることができなくて、ランプ信号電流の変換器キャパ
シタンスC1からの転換を防ぐ。さらにC1の板16と
協働するアースに余分なキャパシタンスを送給するのに
必要な電流は、ランプ発生器42の出力により生じ変換
器コンデンサC1を経て生ずる信号電流には影響を及ぼ
さない。
The capacitance between the input connection 72 and the circuit ground is the stray capacitance associated with the transducer movable member 24, the capacitance associated with the circuitry itself, and the transducer capacitance C2 grounded by the switch 62. Consists of. Since this connection point is actually at ground potential, the voltage before and after this capacitance cannot change, and substantially no current can flow through this connection point, thus converting the lamp signal current. To prevent conversion from the device capacitance C1. In addition, the current required to deliver the extra capacitance to ground associated with plate 16 of C1 does not affect the signal current produced by the output of ramp generator 42 and through converter capacitor C1.

【0105】すなわち微分回路40の波形82を持つ出
力は、変換器要素から環境及び回路入力キャパシタンス
への余分のキャパシタンスにより影響を受けない。
That is, the output with waveform 82 of differentiator circuit 40 is unaffected by the extra capacitance from the transducer elements to the environment and circuit input capacitance.

【0106】第1の半サイクルの位相2の間にランプ発
生器出力のこう配は波形58の部分84に示すように逆
になる。このようにして微分回路40の出力の極性を波
形82の部分86に示すように逆にする。
During Phase 2 of the first half cycle, the ramp generator output gradient is reversed, as shown in portion 84 of waveform 58. In this way, the polarity of the output of the differentiating circuit 40 is reversed as shown by the portion 86 of the waveform 82.

【0107】理想的には極性に対し適当なゆとりを持つ
波形82の部分80,86のレベルは第1半サイクルの
両方の位相1及び位相2の間でC1に比例する。しかし
実際上増幅器70の入力電流はC1を経て発生した信号
電流に比べて無視できない。これは実際上小形変摸器構
造に伴う変換器キャパシタンスの極めて小さい値に対す
る場合である。しかしこの増幅器入力電流は位相1及び
位相2の間に抵抗器66を経て互いに等しく同じ方向に
流れる。この場合の効果として、微分回路出力波形82
に電圧オフセットを簡単に加える。この信号のピークピ
ーク振幅は、この増幅器入力電流により影響されなくて
C1の正確な表示となる。ピークピーク値の使用の付加
的利点は、位相1又は位相2の開だけ得られる値を信号
レベルが有効に2倍にすることである。さらに不等のラ
ンプ発生器こう配の作用として波形58は位相1及び位
相2の間に、この作用がピークピーク出力に影響を及ぼ
さないので重要でない。
Ideally, the level of the portions 80, 86 of the waveform 82 that have adequate headroom for polarity is proportional to C1 during both Phase 1 and Phase 2 of the first half cycle. However, in reality, the input current of the amplifier 70 cannot be ignored as compared with the signal current generated through C1. This is in fact the case for the extremely small values of transducer capacitance associated with small transformer structures. However, the amplifier input currents flow through resistor 66 during phase 1 and phase 2 equally and in the same direction. As an effect in this case, the differential circuit output waveform 82
Easy to add voltage offset to. The peak-to-peak amplitude of this signal is unaffected by this amplifier input current and is an accurate indication of C1. Peak The additional advantage of using the peak value is that the signal level effectively doubles the value obtained by only opening phase 1 or phase 2. Further, as an effect of unequal ramp generator gradient, waveform 58 is unimportant during phase 1 and phase 2 as this effect does not affect peak-to-peak output.

【0108】微分回路40によりC1に対し生ずるピー
クピーク出力電圧値は、結合コンデンサ88、スイッチ
90及び差動増幅器92を備えた復調回路44によりア
ース標準値に変換する。位相1の後者の部分中にスイッ
チ90を波形94により閉じコンデンサ88に波形82
の部分80の負電圧レベルまで充電する。スイッチ90
は第1半サイクルの残りの部分に対し開かれる。この時
限中に増幅器92への入力は、コンデンサ88の前後の
負電圧により低下する単に波形82である。この全効果
は加算である。この信号の波形96は、1の利得のバッ
ファとして機能する増幅器92の出力に現われる。位相
1の後者の部分中にこの信号のレベルすなわち部分98
はほぼ零Vである。第1半サイクルの位相2の後者の部
分中に、この信号のレベルすなわち100は微分回路4
0のピークピーク出力であり変換器キャパシタンスC1
に比例し、この場合地電位と称する。このレベルは、波
形102により示すように差回路46及び和回路50に
よりサンプリングを行う。
The peak-peak output voltage value generated for C1 by the differentiating circuit 40 is converted to a ground standard value by the demodulating circuit 44 including the coupling capacitor 88, the switch 90 and the differential amplifier 92. During the latter part of phase 1, switch 90 is closed by waveform 94 and waveform 82 on capacitor 88.
Charging to the negative voltage level of the portion 80 of FIG. Switch 90
Is open to the rest of the first half cycle. During this time period, the input to amplifier 92 is simply waveform 82 which is dropped by the negative voltage across capacitor 88. This total effect is additive. The waveform 96 of this signal appears at the output of amplifier 92, which functions as a unity gain buffer. The level of this signal during the latter part of phase 1, ie part 98
Is approximately 0V. During the latter part of phase 2 of the first half cycle, the level of this signal, ie 100, is
0 peak to peak output and converter capacitance C1
And is called ground potential in this case. This level is sampled by difference circuit 46 and sum circuit 50 as shown by waveform 102.

【0109】スイッチ制御回路104内の比較器(図示
してない)は、ランプ発生器出力波形58が約零Vのと
きに第1の半サイクルを終える。この場合C1に零の電
荷が貯蔵されC1及びC2を次の半サイクルのために切
替えるときに回路の遷移を防ぐ。
A comparator (not shown) within the switch control circuit 104 ends the first half cycle when the ramp generator output waveform 58 is approximately zero volts. In this case zero charge is stored in C1 and prevents circuit transitions when switching C1 and C2 for the next half cycle.

【0110】第2の半サイクル中にスイッチ60,62
は波形64により示すように図示の位置を逆にして変換
器キャパシタンスC2をランプ発生器出力に接続しC1
を接地する。この計測処理を反復し、位相2の後者の部
分中に、波形96の部分106のレベルは変換器キャパ
シタンスC2に比例する。このレベルは波形108によ
り示したときに差回路46及び和回路50によりサンプ
リングを行う。このようにして計測サイクルを完了す
る。システムの出力は次の関係を特徴とする。
Switches 60, 62 during the second half cycle
Reverses the position shown as shown by waveform 64 and connects converter capacitance C2 to the ramp generator output C1.
Ground. This measurement process is repeated and during the latter part of phase 2 the level of the part 106 of the waveform 96 is proportional to the converter capacitance C2. This level is sampled by difference circuit 46 and sum circuit 50 as shown by waveform 108. In this way, the measurement cycle is completed. The output of the system is characterized by the following relationships:

【0111】[0111]

【数15】 [Equation 15]

【0112】すなわちこの出力はC1及びC2の差及び
和の所望の比に基準電圧を乗じたものである。回路利得
及び変換器キャパシタンスの基準化は出力に実質的に影
響を及ぼさない。変換器キャパシタンスの誘電率のよう
に重要でないパラメータが変化すると、フィードバック
積分回路54の出力が変り、システムの出力を変化に先
だって存在する値に戻す異なるランプこう配を生ずる。
重要でないパラメータの変化は従って無視され、すなわ
ちステムの出力は、好適な実施例では、変換器部材24
の運動を問題のパラメータに応答させる。
That is, this output is the desired ratio of the difference and sum of C1 and C2 times the reference voltage. Normalization of circuit gain and converter capacitance does not substantially affect the output. Changes in non-critical parameters, such as the dielectric constant of the transducer capacitance, change the output of the feedback integrator circuit 54, resulting in different ramp gradients that return the output of the system to the value it had prior to the change.
Changes in insignificant parameters are thus ignored, ie the output of the stem is, in the preferred embodiment, the transducer member 24.
Make the movement of the robot respond to the parameters in question.

【0113】図9には従来知られている変換器に比べ
て、本発明の概念及び原理を使う変換器の直線性能の線
図を示してある。この線図の縦軸は正及び負の両方の値
を含む非直線性の%を示す。この線図の横軸は、可動部
材又はダイヤフラム24と固定のコンデンサ板との間の
相対ギャップ寸法を示す。下方の湾曲線120は一般に
公知の変換器の場合の非直線性を示す。伸長するとこの
線は横軸及び縦軸の両法に対し漸近線となる。すなわち
一般の場合のようにギャップを小さくすると、非直線性
は許容できない程度に急激に増す。又直線性はギャップ
が大きくなるに伴い向上する。ギャップ間隔を増すこと
により、非直線性は、変換器出力キャパシタンスが著し
く減少するまで幾分改良される。このことはキャパシタ
ンスがギャップ間隔に逆比例するので明らかである、従
来変換器製造業者は、広いギャップ間隔が許容される程
度まで直線性を向上するようにし、次いで複雑で高価な
電子回路により直線性をさらに向上させた。
FIG. 9 shows a diagram of the linear performance of a converter using the concepts and principles of the present invention as compared to previously known converters. The vertical axis of this diagram shows the% of non-linearity that includes both positive and negative values. The horizontal axis of this diagram shows the relative gap size between the movable member or diaphragm 24 and the fixed capacitor plate. The lower curved line 120 shows the non-linearity for generally known transducers. When extended, this line becomes an asymptote for both the horizontal and vertical methods. That is, when the gap is reduced as in the general case, the non-linearity increases rapidly to an unacceptable level. Also, the linearity improves as the gap increases. By increasing the gap spacing, the non-linearity is somewhat improved until the converter output capacitance is significantly reduced. This is apparent because the capacitance is inversely proportional to the gap spacing. Conventional converter manufacturers try to improve the linearity to the extent that wide gap spacings are acceptable, and then complex and expensive electronic circuitry Was further improved.

【0114】図9の上方の線122は、ダイヤフラムこ
わさを余分のキャパシタンスのような他の固有の非直線
性を相殺するように非線形パラメータとして使ったとき
に得られる直線性を示す。図示のようにこれ等の線は零
の非直線性を通過することにより、変換器の構造的パラ
メータの適正な選択を利用して最適の直線性の得られる
ことを示す。これ等の線は定められたダイヤフラム厚さ
を持つ変換器の特性を示すが、すべて零を通過する1群
のこのような線は、異なるダイヤフラム厚さを持つ変換
器に利用できる。又これ等の線のこう配は変換器システ
ムの出力に対応する。従って変換器システムの一層大き
い出力が得られしかも零の非直線性が得られるが、コン
デンサギャップの公差に対する拘束がこれに対応して限
定される。
The upper line 122 in FIG. 9 shows the linearity obtained when the diaphragm stiffness is used as a non-linear parameter to offset other inherent non-linearities such as extra capacitance. As shown, these lines pass through a non-linearity of zero, indicating that optimum linearity is obtained utilizing the proper choice of transducer structural parameters. Although these lines are characteristic of a transducer with a defined diaphragm thickness, a group of all such zero-passing lines is available for transducers with different diaphragm thicknesses. The gradient of these lines also corresponds to the output of the converter system. Thus, a higher output of the converter system and a non-linearity of zero are obtained, but the constraint on the tolerance of the capacitor gap is correspondingly limited.

【0115】図10は指示されたダイヤフラム厚さTに
対する予測非直線性(縦軸)対ギャップ寸法ミクロン
(横軸)を示す。予測相対出力は各曲線の右に数値で表
してある。
FIG. 10 shows the predicted non-linearity (vertical axis) versus the gap dimension micron (horizontal axis) for the indicated diaphragm thickness T. The predicted relative output is numerically shown to the right of each curve.

【0116】各ダイヤフラム厚さに対し、零を経て交差
する或る範囲の非直線性を生ずる或る範囲のギャップが
存在する。非直線性の所望の値は、適当な値のギャップ
を選択することにより選定することができる。出力振幅
は、一層薄いダイヤフラムを選択ししかも非直線性は所
望の値に保持することにより増すことができる。この場
合非直線性の要求を満足するギャップの範囲は一層小さ
くなる。
For each diaphragm thickness, there is a range of gaps that results in a range of non-linearities that cross through zero. The desired value of non-linearity can be selected by selecting a gap of appropriate value. The output amplitude can be increased by choosing a thinner diaphragm and maintaining the non-linearity at the desired value. In this case, the range of the gap that satisfies the nonlinearity requirement becomes smaller.

【0117】調整しようとするパラメータのこの選択と
この結果を提供する方法とは単に例示しただけのもので
ある。この方法により利用できるようになる出力増加及
び非直線性補正は、種種の変換器構造を使い種種の他の
方式で実施することができる。
This selection of parameters to be adjusted and the method of providing this result are merely exemplary. The power increase and non-linearity correction made available by this method can be implemented in various other ways using various transducer structures.

【0118】なおとくにダイヤフラム24のこわさによ
り生ずる非直線性へ導入を使い締付けダイヤフラム変換
器の動作結果を線図的に示してある。この線図は、約
0.250inの直径と約40マイクロストレインの逆
ひずみとを持つ典型的変換器の成績を示す。この変換器
は約3in水頭の圧力入力に対し設計されたものであ
る。それぞれ異なる厚さのダイヤフラム24を協働させ
た1群の曲線を示す。各線に隣接して実物大の変換器シ
ステムの出力Vを数値で示してある。重要なことにはこ
の群の各線は零の非直線性を通過し、この場合対応する
キャパシタンスギャップ及びダイヤフラム厚さの値は変
換器装置の使用及び製造の実際の範囲内にある。たとえ
ばT=6ミクロンのシリコンダイヤフラム厚さを構成す
ることにより約12.5ミクロンの片寄り又はギャップ
で零の非直線性が得られる。とくに変換器システムは或
る帯域内でなくて全作動範囲にわたって線形のままにな
っている。約2.94Vの変換器システム出力はこのよ
うな変換器構造に利用できる。上部線124は、他の線
よりはるかに急に向いたこう配を持ち6.11Vの対応
する一層大きい出力を含む。このような出力を生じ零の
非直線性持つ変換器は、約3ミクロンの変換器ダイヤフ
ラム厚さと約12.8ミクロンのギャップとを持つ。一
層薄いダイヤフラムは与えられた圧力に対し一層大きい
たわみを生じ増大した出力キャパシタンスを生じ従って
一層高いシステム出力電圧を生ずるのは明らかである。
前記した線の間の各線は中間のダイヤフラム厚さを持ち
中間の出力電圧を生ずる変換器を定める。
It should be noted that the operation results of the clamped diaphragm transducer are shown diagrammatically, particularly with the introduction of the non-linearity caused by the stiffness of the diaphragm 24. This diagram shows the performance of a typical transducer with a diameter of about 0.250 in and an inverse strain of about 40 microstrain. This transducer was designed for a pressure input of about 3 in head. 3 shows a group of curves in which diaphragms 24 of different thickness cooperate. The output V of the full scale converter system is shown numerically adjacent to each line. Importantly, each line of this group passes through a non-linearity of zero, where the corresponding capacitance gap and diaphragm thickness values are within the practical range of use and manufacture of the transducer device. By constructing a silicon diaphragm thickness of, for example, T = 6 microns, zero non-linearity is obtained with an offset or gap of approximately 12.5 microns. In particular, the transducer system remains linear over the entire operating range rather than within a band. A converter system output of about 2.94V is available for such a converter structure. The top line 124 has a much steeper slope than the other lines and contains a corresponding larger output of 6.11V. A transducer that produces such an output and has zero nonlinearity has a transducer diaphragm thickness of about 3 microns and a gap of about 12.8 microns. Obviously, thinner diaphragms will produce more deflection for a given pressure resulting in increased output capacitance and thus higher system output voltage.
Each line between the lines described above defines a transducer having an intermediate diaphragm thickness and producing an intermediate output voltage.

【0119】重要なことには、線図の線に協働する出力
電圧は相対的なものでキャパシタンスを電圧出力に変換
器するために利用する回路の特定の形式には無関係であ
る。この線図から明らかなように出力は、ダイヤフラム
の厚さを半分にするだけで倍になりしかも零又は最小の
非直線性が得られる。この結果を得るのにサーキットリ
内では何も変えていない。本発明の重要な技術的利点は
このようにして得られ、この利点では、変換器システム
の直線性及び出力は電気変換器サーキットリを修正した
り変更したりしないで影響を及ぼすことができる。図1
0の線図の特性を生ずるのに使う回路は図7について前
記した形式のものであった。
Importantly, the output voltages associated with the lines of the diagram are relative and independent of the particular type of circuit utilized to convert the capacitance to a voltage output. As can be seen from this diagram, the output can be doubled by simply halving the diaphragm thickness, with zero or minimal non-linearity. Nothing has changed in the circuit to get this result. An important technical advantage of the invention is thus obtained, in which the linearity and the output of the converter system can be influenced without modifying or changing the electrical converter circuitry. Figure 1
The circuit used to produce the 0 plot characteristics was of the type described above with respect to FIG.

【0120】シリコン材料から成るウェーハから若干の
変換器ダイヤフラムを作るときは、全ウェーハ区域にわ
たりダイヤフラムに均等な寸法特性を得るのはむずかし
いことが多い。たとえばエッチング割合はシリコンウェ
ーハの回分ごとに変り、又その中央区域から周縁部まで
変る。従って全部のダイヤフラムが正確には同じ厚さで
なく同じ片寄り又は容量性ギャップを持たない。すなわ
ち許容できる非直線性の範囲を定め作られる変換器がこ
のような範囲内に大体入るようにするのが実際的であ
る。
When making some transducer diaphragms from wafers of silicon material, it is often difficult to obtain uniform dimensional characteristics in the diaphragm over the entire wafer area. For example, the etching rate changes from batch to batch of silicon wafer, and from the central area to the peripheral edge. Therefore, not all diaphragms are exactly the same thickness and do not have the same offset or capacitive gap. That is, it is practical to have a transducer that defines an acceptable range of non-linearity and falls generally within such range.

【0121】図10に示した2本の破線126,128
は±0.2%の許容できる非直線性の範囲を示す。この
ような範囲は、随意のもので変換器の種種の用途によ
る。たとえば6ミクロンのダイヤフラム厚さでは、ギャ
ップ間隔は約11ミクロンから約15ミクロンまで変り
なお±0.2%非直線性の範囲内にある。従ってギャッ
プ間隔の実質的な許容範囲が、実質的な直線性を犠牲に
しないで得られる。又このような比較的薄いダイヤフラ
ムで一層高い出力が望ましいときはギャップ間隔の公差
が減小する。又図10に示すように3ミクロンのダイヤ
フラム厚さではギャップ間隔は約12.8±0.03ミ
クロンに保持する必要がある。ダイヤフラムの公差範囲
で同じ解折が実施され特定の非直線性範囲内になる変換
器動作が得られる。
The two broken lines 126 and 128 shown in FIG.
Indicates a range of acceptable non-linearity of ± 0.2%. Such a range is optional and depends on the particular application of the transducer. For example, with a diaphragm thickness of 6 microns, the gap spacing varies from about 11 microns to about 15 microns and is still within ± 0.2% nonlinearity. Thus, a substantial tolerance of gap spacing is obtained without sacrificing substantial linearity. Also, when higher power is desired with such a relatively thin diaphragm, the gap spacing tolerance is reduced. Also, as shown in FIG. 10, for a diaphragm thickness of 3 microns, the gap spacing should be maintained at about 12.8 ± 0.03 microns. The same solution is performed within the diaphragm tolerance range, resulting in transducer operation that is within a specified nonlinearity range.

【0122】異なるダイヤフラム直径を持つ変換器の動
作を示す多くの他の線図及び群の線が誘導されしかも他
の組の線図は異なるダイヤフラム逆ひずみを持つ。第1
群の曲線に対して、前記した圧力/たわみ式は与えられ
た圧力と与えられたダイヤフラム厚さとに基づいて種種
のダイヤフラムたわみを定めるのに使うことができる。
異なる群の曲線は、ダイヤフラム厚さの異なるパラメー
タ値に対し同じ反復法を利用して使うことができる。逆
ひずみと共に全目盛圧力を変えることにより他の反復法
を実施することができる。ダイヤフラムのたわみを各例
に対し見出すと、対応するキャパシタンス範囲を同様に
前記した式を使って計算することができる。フィードバ
ック使用回路を使う出力電圧はこの場合同様に前記した
アルゴリズムを使い誘導することができる。最後に回路
の直線性は、本発明の原理及び概念に従って構成される
実際のシステムに比べて、電気出力が理想的条件のもと
で何であるかを定めることにより確かめることができ
る。
Many other diagrams and groups of lines demonstrating the operation of transducers with different diaphragm diameters are induced and other sets of diagrams have different diaphragm back distortions. First
For a group of curves, the pressure / deflection equation described above can be used to define various diaphragm deflections for a given pressure and a given diaphragm thickness.
Different groups of curves can be used utilizing the same iterative method for different parameter values of diaphragm thickness. Other iterative methods can be performed by varying the total scale pressure with back strain. Having found the deflection of the diaphragm for each example, the corresponding capacitance range can be calculated using the equations above as well. The output voltage using the feedback-using circuit can in this case likewise be derived using the algorithm described above. Finally, the linearity of the circuit can be ascertained by defining what the electrical output is under ideal conditions compared to a real system constructed according to the principles and concepts of the present invention.

【0123】符表として添付した表は、前もって定めた
変換器パラメータの変化に基づいて得られる直線性を定
める数回の計算の反復後のコンピュータプリントアウト
を示す。このデータは、ダイヤフラムの全目盛たわみが
3in水頭に相当する圧力に応答する典型的変換器を示
す。コンデンサダイヤフラム直径は200ミルである
が、その流体導通穴は直径がコマミルである。このよう
な構造に伴う漂遊キャパシタンスは約1.7pfであ
る。重要なこととしてテキストの表示とは異なってシリ
コンのヤング係数の数値は薄い隔膜に対して14であ
る。これは、厚いシリンに対する26.2284×10
psiの報告された値と対照をなす。表示された成績
はフィードバックを持つ出力電圧(Vowfb)と回路
フィードバック(Lwfb)を使うシステムの%直線性
とを与える。
The table attached as a notation shows a computer printout after several iterations of the calculation which determines the linearity obtained on the basis of the changes in the transducer parameters determined in advance. This data shows a typical transducer in which the full scale deflection of the diaphragm responds to pressure equivalent to 3 in head. The condenser diaphragm diameter is 200 mils, but its fluid passage holes are coma mils in diameter. The stray capacitance associated with such a structure is about 1.7 pf. Importantly, unlike the textual representation, the Young's modulus value for silicon is 14 for thin diaphragms. This is 26.2284 × 10 for thick silin
Contrast with the reported value of 6 psi. The displayed performance gives the output voltage with feedback (Vowfb) and the% linearity of the system using circuit feedback (Lwfb).

【0124】[0124]

【表1】 [Table 1]

【0125】この例示した反復により明らかなようにダ
イヤフラム厚さは10ミクロンに一定に保持され、ギャ
ップは3つのダイヤフラム逆ひずみの異なる反復に対し
12ミクロンから28ミクロンまで増す。増加したひず
み値は20マイクロストレインの増分で60マイクロス
トレインから100マイクロストレインまで上向きに増
大する。予期されるように半径方向のマイクロストレイ
ンが増大するときは、たわみが減小する。前記表の初め
の2つの線は60のダイヤフラム逆ひずみを持つ変換器
に関する表示成績を示し、たわみがギャップに実質的に
等しいから妥当でないデータであるように示してある。
図示してないがガラス基板への材料の2ミクロンの付着
は固定のコンデンサ板を形成し示されたギャップパラメ
ータの数字を対応する量だけ減少する。この表の同じ部
分に関して±0.2%の非直線性範囲はコンデンサギャ
ップに対し極めて厳密な要求を生ずる。たとえば18な
いし19ミクロンのギャップ変化は、零を経て−0.5
9ないし+0.43の非直線性変化、又は1.02%の
全非直線性を生ずる。これは0.2%の範囲のはるかに
外側であるから、ギャップパラメータに対し極めて緊密
な公差を保持しなければならない。しかしこのような公
差を保持することができれば、0.584ないし0.5
39Vの電圧出力が得られる。このような大きい電圧出
力を差し控えることにより、キャパシタンスギャップ公
差に対する制限が緩和され、しかも動作は規定された非
直線性の範囲内に保持することができる。逆ひずみを1
00マイクロストレインに増すことにより、非直線性は
19ないし20ミクロンのギャップ公差で零を通過す
る。この作動制限における非直線性範囲は約0.2%で
ある。しかし電圧出力は減少するが、なお入力圧力の変
化の電気的指示を出力する範囲内に十分にある。この例
で出力電圧は約8.12ミクロンの実物大ダイヤフラム
たわみに対し0.336ないし0.315である。この
例は許容できる非直線性及び出力電圧を得るように逆ひ
ずみを変える方法を示すが、逆ひずみを一定に保持しな
がら異なるダイヤフラム厚さの他の類似の計算結果につ
いて同様な解折を実施できる。
As can be seen by this exemplary iteration, the diaphragm thickness is held constant at 10 microns and the gap is increased from 12 microns to 28 microns for three different iterations of diaphragm back strain. The increased strain value increases upwards from 60 microstrains to 100 microstrains in 20 microstrain increments. The deflection decreases as the radial microstrain increases, as expected. The first two lines in the table show the display performance for a transducer with 60 diaphragm backstrains and are shown as invalid data because the deflection is substantially equal to the gap.
Although not shown, the 2 micron deposition of material on the glass substrate forms a fixed capacitor plate and reduces the number of gap parameters shown by a corresponding amount. A non-linear range of ± 0.2% for the same portion of this table creates a very strict requirement for the capacitor gap. For example, a gap change of 18 to 19 microns goes through zero to -0.5.
A non-linear change of 9 to +0.43 or a total non-linearity of 1.02% is produced. Since this is well outside the 0.2% range, we must keep very close tolerances on the gap parameters. However, if such a tolerance can be maintained, 0.584 to 0.5
A voltage output of 39V is obtained. By withholding such a large voltage output, the restrictions on the capacitance gap tolerances are relaxed, yet operation can be kept within a specified non-linear range. Reverse strain 1
By increasing to 00 microstrain, the non-linearity passes through zero with a gap tolerance of 19 to 20 microns. The non-linear range at this operating limit is about 0.2%. However, the voltage output decreases, but is still well within the range of outputting an electrical indication of changes in input pressure. In this example, the output voltage is 0.336 to 0.315 for a full-scale diaphragm deflection of about 8.12 microns. This example shows how to vary the reverse strain to obtain acceptable non-linearity and output voltage, but perform similar analysis for other similar calculation results for different diaphragm thickness while keeping the reverse strain constant. it can.

【0126】前記したように計算結果は、前記した式か
ら計算され、所望の出力を得るのに変換器の種種のパラ
メータを確認する容易な方法が得られる。実際上計算数
字は実際の変換器装置に極めて高度に関連する。実際に
変換器の種種の構造的パラメータを選定することによ
り、変換器システムの全直線性は、サーキットリのフィ
ードバックを通常使わない場合にも補正することができ
る。従って本発明を使うことにより、容量性変位変換器
の動作及び相互作用とその直線性を向上させる方法とは
当業者には明らかである。
As described above, the calculation result is calculated from the above equation, and an easy method for confirming various parameters of the converter to obtain a desired output is obtained. In practice, the calculated figures are highly relevant to the actual converter device. By actually selecting various structural parameters of the converter, the total linearity of the converter system can be corrected even if circuit feedback is not normally used. Thus, it will be apparent to those skilled in the art how to improve the operation and interaction of a capacitive displacement transducer and its linearity using the present invention.

【0127】以上締付けダイヤフラム形の変換器の詳細
に述べたが本発明の原理及び概念は、物理的入力刺激に
応答して可動な部材を使う多くの他の形式の変換器に応
用できる。1例として扁平なダイヤフラムを使い懸架部
材により支持構造に固定する。圧力に応答して扁平な部
材自体は変形しなくて、懸架部材のたわみ又は変形によ
って動く。懸架部材変換器は、材料こわさを考慮して前
記したモデル以外のモデルを使って作られ、所望の方向
及び量の非直線性を導入することにより外部のキャパシ
タンス等により生ずる他の非直線性を相殺する。
Although described above in detail with clamped diaphragm type transducers, the principles and concepts of the present invention are applicable to many other types of transducers that utilize movable members in response to physical input stimuli. As an example, a flat diaphragm is used and is fixed to a support structure by a suspension member. The flat member itself does not deform in response to pressure, but rather moves due to flexure or deformation of the suspension member. Suspension member transducers are made using models other than those described above, taking into account material stiffness, and introducing non-linearities in the desired direction and quantity will introduce other non-linearities caused by external capacitance, etc. cancel.

【0128】以上、異常な、複雑な又は高精度の回路に
よらないで線形出力を生ずる変換器システムについて述
べた。本発明の重要な技術的利点は、変換器の種種の構
造的パラメータを選定することにより一層線形の出力が
得られる。本発明の一層特殊な技術的利点は、外部キャ
パシタンスによるような固有の非直線性が別の方向の非
直線性を導入することによって相殺できることである。
本発明の著しい技術的利点は、固有の漂遊キャパシタン
スによって生ずる3次の非直線性が異なる方向の3次の
非直線性を導入することにより全く同じように相殺する
ことができることである。本発明により得られる協働す
る技術的利点は、可動な変換器部材がたわむことのでき
るこわさ係数を使うことにより、変換器装置の全直線性
を向上させることができることである。本発明のなお別
の技術的利点は、前記した所に基づいて変換器の種種の
構造的パラメータを理想的結果が生ずるように機械的に
選定できることである。本発明により得られる他の技術
的利点は、理想的直線性又は少なくとも許容できる範囲
の非直線性が得られしかも変換器出力を最大にできるこ
とである。本発明のなお別の技術的利点は、センサ自体
と共に電気回路を含む全変換器システムが最適の性能を
生ずることである。
Thus far, a converter system has been described which produces a linear output without resorting to unusual, complex or highly accurate circuits. An important technical advantage of the present invention is that a more linear output is obtained by selecting various structural parameters of the converter. A more particular technical advantage of the present invention is that the inherent non-linearity, such as due to external capacitance, can be offset by introducing non-linearity in another direction.
A significant technical advantage of the present invention is that the third order non-linearity caused by the inherent stray capacitance can be offset in exactly the same way by introducing third order non-linearity in different directions. A cooperating technical advantage provided by the present invention is that it is possible to improve the overall linearity of the transducer device by using a stiffness factor that allows the movable transducer member to flex. Yet another technical advantage of the present invention is that based on the foregoing, various structural parameters of the transducer can be mechanically selected to produce ideal results. Another technical advantage provided by the present invention is that ideal linearity, or at least an acceptable range of non-linearities, can be obtained while maximizing the converter output. Yet another technical advantage of the present invention is that the entire transducer system including the electrical circuit along with the sensor itself yields optimum performance.

【0129】[0129]

【関連出願】本発明は、1989年1月30日米国特許
願第304,344号明細書「高感度小形圧力変換器」
と、1989年1月30日付米国特許願第304,35
9号明細書「精密変換器回路及び線形化法」と1990
年1月18日付米国特許願第462,448号明細書
「精密容量性変換器」と称する従来の米国特許願明細書
の継続の出願でありこれ等の各特許願明細書はすべて本
説明に参照してある。
[Related Application] The present invention is directed to U.S. Patent Application No. 304,344, "Highly Sensitive Compact Pressure Transducer," dated January 30, 1989.
And U.S. Patent Application No. 304,35 dated January 30, 1989.
No. 9, “Precision converter circuit and linearization method” and 1990
U.S. Patent Application No. 462,448, dated January 18, 2014, which is a continuation of the prior U.S. patent application specification referred to as the "Precisive Capacitive Transducer", and each of these patent application specifications is incorporated herein Referenced.

【0130】以上本発明の好適な実施例を特殊な変換器
装置及び回路構造について述べたが、本発明はなおその
精神を逸脱しないで種種の変化変型を行うことができる
のはもちろんである。
Although the preferred embodiment of the present invention has been described with respect to a special converter device and circuit structure, it goes without saying that the present invention can be modified in various ways without departing from the spirit thereof.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】容量性変位変換器の横断面図である。1 is a cross-sectional view of a capacitive displacement transducer.

【図2】感度に関する理想的変換器特性対実際変換器特
性の線図である。
FIG. 2 is a diagram of ideal versus actual transducer characteristics for sensitivity.

【図3】入力刺激に応答して変位するダイヤフラムを持
つ締付けダイヤフラム変換器の横断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a clamp diaphragm transducer having a diaphragm that displaces in response to an input stimulus.

【図4】入力の増大に伴い感度を増す固有の非直線性と
共に入力の増大に伴い感度が低下する反対方向の非直線
性を導入して示す線図である。
FIG. 4 is a diagram showing an inherent non-linearity that increases the sensitivity as the input increases, and a non-linearity in the opposite direction that the sensitivity decreases as the input increases.

【図5】変位した変換器ダイヤフラムとこのダイヤフラ
ムの種種の領域における変位の解析法とを示す拡大横断
面図である。
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing a displaced transducer diaphragm and a method of analyzing displacement in various areas of the diaphragm.

【図6】本発明により構成したガラス−シリコン−ガラ
ス変換器の横断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a glass-silicon-glass converter constructed according to the present invention.

【図7】変換器キャパシタンス値を対応する電気信号に
変換する回路のブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram of a circuit for converting transducer capacitance values into corresponding electrical signals.

【図8】図7の回路の動作を示す1連の波形図である。FIG. 8 is a series of waveform charts showing the operation of the circuit of FIG.

【図9】従来の方法に比べて本発明の原理及び概念を使
うことにより得られる直線性を示す線図である。
FIG. 9 is a diagram showing the linearity obtained by using the principles and concepts of the present invention as compared to conventional methods.

【図10】すべて零%非直線区域を通過する、ダイヤフ
ラム厚さの種種のパラメータ値に対する3%直線性対ダ
イヤフラム・コンデンサ板離隔距離を示す線図である。
FIG. 10 is a diagram showing 3% linearity versus diaphragm capacitor plate separation for various parameter values of diaphragm thickness, all passing through a 0% non-linear area.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 拘束支持体(シリコンウェーハ) 12,14 ガラス基板 16,18 コンデンサ板 24 可動部材(シリコンダイヤフラム) 10 Constraint Support (Silicon Wafer) 12, 14 Glass Substrate 16, 18 Capacitor Plate 24 Movable Member (Silicon Diaphragm)

Claims (22)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 入力刺激に応答する可動部材を持ち第1
の種類の非直線性により変換器性能を低下させる変換器
の非直線性を制御する方法において、前記変換器内にそ
の製造中に入力によって変化するスチフネスにより定ま
る第2の種類の非直線性を導入する際に、前記非直線性
を前記可動部材に取付けた拘束部材内に導入して第1の
種類の直線性を相殺することにより前記変換器の全非直
線性を制御するようにする制御法。
1. A first member having a movable member which responds to an input stimulus.
In the method of controlling the non-linearity of a converter, which reduces the converter performance due to the non-linearity of the second type, a second type of non-linearity is defined in the converter, which is defined by the stiffness that is changed by the input during its manufacture. Upon introduction, control to introduce the non-linearity into a restraint member attached to the movable member to offset the first type of linearity to control the total non-linearity of the transducer. Law.
【請求項2】 前記の第1の種類及び第2の種類の非直
線性を、前記第1種類の非直線性が実質的に相殺される
ように前記拘束部材の厚さを選定することにより平衡さ
せる請求項1の制御法。
2. The thickness of the constraining member is selected so that the first and second types of non-linearity are substantially offset. The control method according to claim 1, wherein the control method is equilibrated.
【請求項3】 前記の可動部材及び容量性板の間のギャ
ップ寸法を選定し変換器の出力を定める請求項2の制御
法。
3. The control method according to claim 2, wherein the output of the transducer is determined by selecting a gap size between the movable member and the capacitive plate.
【請求項4】 前もって定めた逆ひずみを前記拘束部材
に加え前記変換器の全非直線性を調整する請求項3の制
御法。
4. The control method according to claim 3, wherein a predetermined reverse strain is applied to the restraining member to adjust the total non-linearity of the transducer.
【請求項5】 所望の容量性板を可動部材ギャップ間隔
及び前記拘束部材の厚さに選定することにより板及び前
記可動部材の間のキャパシタンスを持つ容量性変換器の
全非直線性を低減する請求項1の制御法。
5. The desired non-linearity of a capacitive transducer having a capacitance between the plate and the movable member is reduced by selecting the desired capacitive plate for the movable member gap spacing and the thickness of the restraining member. The control method according to claim 1.
【請求項6】 全非直線性を、特定のギャップ間隔を選
定し部材厚さを制限することにより実質的に零にする請
求項5の制御法。
6. The control method according to claim 5, wherein the total non-linearity is made substantially zero by selecting a specific gap interval and limiting a member thickness.
【請求項7】 ギャップ間隔を選定し前記の第1の形式
の非直線性を定める請求項5の制御法。
7. The control method of claim 5 wherein a gap spacing is selected to define the first type of non-linearity.
【請求項8】 請求項1の制御法により作った変換器。8. A converter made by the control method of claim 1. 【請求項9】 入力刺激に応答する可動部材を持ち第1
の種類の非直線性により変換器性能を低下させる変換器
の非直線性を制御する方法において、 前記可動部材を固定のフレームに拘束支持体により取付
け、 前記拘束支持体を前記可動部材の運動の変化により前記
拘束支持体が前記運動に対する抵抗の変化を生ずるよう
に前もって定めた厚さを持つ材料で構成し、前記抵抗変
化により前記の第1の種類の非直線性を相殺する第2の
種類の非直線性を定めることによって全非直線性を制御
するようにすることから成る制御法。
9. A first member having a movable member that responds to an input stimulus.
In the method for controlling the non-linearity of a transducer, which reduces the transducer performance due to the non-linearity of the type, the movable member is attached to a fixed frame by a restraint support, A second type in which the constrained support is made of a material having a predetermined thickness such that the change causes a change in resistance to the movement, the change in resistance cancels out the first type of non-linearity. A control method comprising controlling the total non-linearity by defining the non-linearity of.
【請求項10】 前記の可動部材及び拘束支持体を締付
けダイヤフラムとして構成する請求項9の制御法。
10. The control method according to claim 9, wherein the movable member and the restraint support are configured as a tightening diaphragm.
【請求項11】 前記ダイヤフラムを、前記変換器に対
する入力刺激の変化に応答して容量変化を生ずるように
構成する請求項10の制御法。
11. The method of claim 10, wherein the diaphragm is configured to produce a capacitance change in response to a change in input stimulus to the transducer.
【請求項12】 ダイヤフラム厚さ及び容量性ギャップ
パラメータを選定し前記全非直線性を低減するようにす
る請求項11の制御法。
12. The control method according to claim 11, wherein a diaphragm thickness and a capacitive gap parameter are selected to reduce the total non-linearity.
【請求項13】 前記の第1の種類の非直線性の程度が
変化する入力刺激に伴って変化し、さらに前記の拘束支
持体及び可動部材を締付けダイヤフラムとして構成し、
このダイヤフラムを、前記の第1の種類の非直線性を変
化する入力で実質的に追跡する反対方向の第2の種類の
非直線性を導入する厚さに形成する請求項9の制御法。
13. The non-linearity of the first type changes with a changing input stimulus, and further, the constraining support and the movable member are configured as a tightening diaphragm,
10. The method of claim 9 wherein the diaphragm is formed to a thickness that introduces a second type of non-linearity in the opposite direction that substantially tracks the first type of non-linearity with a varying input.
【請求項14】 さらに前記ダイヤフラムを薄いシリコ
ン隔膜として構成する請求項13の制御法。
14. The method of claim 13 further comprising configuring the diaphragm as a thin silicon diaphragm.
【請求項15】 請求項9の制御法により作った変換
器。
15. A converter made by the control method of claim 9.
【請求項16】 入力刺激に応答して可動な可動部材を
持ち前記入力刺激の増大に伴い感度が増加する変換器の
非直線性を制御する方法において、 全非直線性を制御することができるように入力の増大に
伴い感度を低下させる前記変換器のパラメータを選択
し、このパラメータを入力刺激の変化に伴う前記可動部
材の運動の抵抗の変化として選定し、 前記可動部材の選定した抵抗を持つ変換器を作り全非直
線性を制御するようにすることから成る制御法。
16. A method of controlling non-linearity of a transducer having a movable member that is movable in response to an input stimulus, the sensitivity of which increases with an increase in the input stimulus, wherein total non-linearity can be controlled. As described above, a parameter of the transducer that reduces the sensitivity with an increase in input is selected, and this parameter is selected as a change in the resistance of the motion of the movable member with a change in the input stimulus, and the selected resistance of the movable member is A control method consisting of creating a transducer with and controlling total non-linearity.
【請求項17】 さらに前記可動部材の連結部をこの可
動部材のたわみを高めるように形成して、このたわみに
対する抵抗が増すようにする請求項16の制御法。
17. The control method according to claim 16, further comprising forming the connecting portion of the movable member so as to increase the deflection of the movable member so that the resistance to the deflection is increased.
【請求項18】 さらに前記変換器を薄い締付けのシリ
コンダイヤフラムを持つように構成する請求項16の制
御法。
18. The control method of claim 16 further comprising the transducer having a thin clamped silicon diaphragm.
【請求項19】 さらに異なる方向の3次の非直線性を
生ずる変換器パラメータを選定することにより一方向の
3次の非直線性を平衡させる請求項16の制御法。
19. The control method according to claim 16, wherein the third-order nonlinearity in one direction is balanced by selecting transducer parameters that produce third-order nonlinearity in different directions.
【請求項20】 さらに前記変換器の容量性ギャップ間
隔を前記の一方向の非直線性を定めるように選定し、前
記可動部材のスチフネスを異なる方向の非直線性を定め
るように選定する請求項19の制御法。
20. The capacitive gap spacing of the transducer is further selected to determine non-linearity in the one direction and the stiffness of the movable member is selected to determine non-linearity in different directions. 19 control methods.
【請求項21】 さらにギャップ間隔及びスチフネスの
パラメータを選定し前記の一方向及び前記の異なる方向
の非直線性を互いに平衡させるようにする請求項19の
制御法。
21. The control method according to claim 19, further comprising selecting gap spacing and stiffness parameters to balance the non-linearities in the one direction and the different directions with each other.
【請求項22】 請求項16の制御法により構成した変
換器。
22. A converter constructed according to the control method of claim 16.
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