容量式圧力センサの動作原理と構成

容量式圧力センサは、2つの可動部（弾性金属ダイヤフラム）、2つの固定部（上下の弾性ダイヤフラム上の凹面ガラスに施された金属コーティング）、出力端子、ハウジングなどで構成されています。可動板と2つの固定板の間には、2つの直列コンデンサが形成されます。吸気圧が弾性ダイヤフラムに作用すると、弾性ダイヤフラムは変位し、一方の固定部との距離は減少し、もう一方の固定部との距離は増加します（紙片で示すことができます）。2つの金属電極間の距離は、静電容量に影響を与える重要な要素の1つであり、距離が増加すると静電容量は減少し、距離が減少すると静電容量は増加します。このような構造は、測定量によって2つのセンシング素子のパラメータが同じ量だけ逆方向に変化する差動構造と呼ばれます。

弾性ダイヤフラムを側圧と大気圧の間に配置した場合（弾性ダイヤフラムの上部空洞が大気圧）、測定圧力は表の通りです。弾性ダイヤフラムを側圧と真空の間に配置した場合（弾性ダイヤフラムの上部空洞が真空を通過する場合）、絶対圧力が測定されます。コンデンサの容量は、コンデンサの2枚のプレート間の誘電体とその相対有効面積に比例し、2枚のプレート間の距離に反比例します。つまり、C=ε A/ D で表され、ε は誘電体の誘電率、A は2つの金属電極間の相対有効面積、D は2つの金属電極間の距離です。この関係から、2つのパラメータが一定で、もう1つのパラメータが変数として使用される場合、容量は変化するパラメータに応じて変化することがわかります。
容量式圧力センサで使用される測定回路には多くの種類があります。ここでは、ブリッジ回路を例にとり、容量差動センサ測定回路の動作原理を説明します。容量は交流パラメータであるため、ブリッジは変圧器を介して交流で励起されます。変圧器の2つのコイルとブリッジの容量は、入口圧力がないときはブリッジが平衡状態にあり、2つの容量値はC0に等しくなります。圧力がかかると、一方の容量値はC0 + ΔC、もう一方の容量値はC0 - ΔC（ΔCは外部圧力によって生じる容量の変化）となり、ブリッジは平衡状態を失います。容量値が高い場合、電圧も高くなり、2つのコンデンサ間に電圧差が生じ、そこからブリッジは入口圧力を表す電圧出力Uを生成します。