(57)【要約】【課題】従来の差圧伝送器において差圧伝送器本体圧力室のシールダイアフラムで受けた圧力を、媒体を介してセンタダイアフラムと半導体センサの両方に伝える複雑な構造を簡素化し、大きな静圧下で電気信号の取出しに使用していたハーメチック端子を省略する。【解決手段】差圧伝送器のシリコン材料からなるセンタダイアフラムに半導体センサを形成する。また、差圧伝送器本体をセラミックス材料から形成してセンタダイアフラムに接合し、差圧伝送器本体にシールダイアフラムをブレージング（ロウ付け）してシリコーンオイルを封入することにより、構造を簡素化させる。また、差圧伝送器本体の一部に半導体センサの配線部と接続した内部配線層を形成し、電気信号を外部に取り出す。【選択図】図１
2015111055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
差圧伝送器に入力された圧力により圧力室に設けたシールダイアフラムを変形させ、前記差圧伝送器の本体内部に封入されたシリコーンオイルを介して、前記差圧伝送器の本体内部に設けたセンタダイアフラムの半導体センサを歪ませ、該半導体センサの歪み量に応じた出力信号を得ることにより差圧を検出する差圧伝送器において、
前記センタダイアフラムをシリコン材料から形成し、該センタダイアフラムに半導体センサを一体に形成するとともに、前記差圧伝送器本体を、前記センタダイアフラムのシリコン材料とほぼ同じ熱膨張係数を有するセラミックス材料から形成したことを特徴とする差圧伝送器。
【請求項２】
請求項１に記載の差圧伝送器において、セラミックス材料からなる前記伝送器本体の一部に前記半導体センサと接続した内部配線層を形成し、該内部配線層により高静圧下における前記半導体センサの出力信号を外部に取り出すことを特徴とする差圧伝送器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の差圧伝送器において、前記センタダイアフラムの一部に薄肉部を設け、該薄肉部にピエゾ抵抗素子からなる半導体センサを形成したことを特徴とする差圧伝送器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の差圧伝送器において、前記半導体センサに前記ピエゾ抵抗素子の抵抗変化を電圧信号又は電流信号に変換する出力変換回路を設けたことを特徴とする差圧伝送器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の差圧伝送器において、前記センタダイアフラムの一部に温度センサ、静圧センサを形成したことを特徴とする差圧伝送器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の差圧伝送器において、セラミックス材料からなる前記差圧伝送器本体または前記センタダイアフラムの少なくとも一方に前記出力変換回路の出力信号を処理して差圧を算出する差圧検出回路を設けたことを特徴とする差圧伝送器。
【請求項７】
請求項３に記載の差圧伝送器において、前記半導体センサを形成した前記センタダイアフラムの前記薄肉部の加工量を調整することにより、対象とする測定圧力範囲に応じた歪みを持つ半導体センサを形成したことを特徴とする差圧伝送器。
【請求項８】
請求項１に記載の差圧伝送器において、セラミックス材料からなる前記差圧伝送器本体とシリコン材料からなる前記センタダイアフラムを陽極接合法により接合したことを特徴とする差圧伝送器。
【請求項９】
請求項１に記載の差圧伝送器において、セラミックス材料からなる前記差圧伝送器本体とシリコン材料からなる前記センタダイアフラムを直接接合法により接合したことを特徴とする差圧伝送器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種システムにおいて二点間に生じた圧力差を測定する差圧伝送器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の差圧伝送器は、差圧伝送器に入力された圧力を本体圧力室のシールダイアフラムで受け、差圧伝送器本体内部に封入されたシリコーンオイルを介してセンタダイアフラム及び半導体センサを歪ませる。半導体センサは歪んだ量に応じて抵抗が変化し、この抵抗変化を電気信号に変換し、例えば４〜２０ｍＡの電流にて出力する。又、差圧伝送器は一般に０〜１５MPaの静圧下における差圧を測定できる。
【０００３】
図５は、従来の差圧伝送器の構造を示す模式図である。差圧伝送器１００に入力された差圧を一対の圧力室１０８のシールダイアフラム１０２で受け、差圧伝送器本体１０１内部に封入されたシリコーンオイル１０３を介してセンタダイアフラム１０４及び半導体センサ１０５を歪ませる。１０６は半導体センサ１０５の出力を差圧に応じた電気信号に変換処理する差圧検出回路である。１０７は差圧伝送器１００の半導体センサ１０５と差圧検出回路１０６を接続するハーメチック端子である。１０９は差圧伝送器のハウジングである。１１０は圧力導入口である。
【０００４】
差圧伝送器１００の圧力室１０８の高圧側圧力室と低圧側圧力室に１５ＭＰａ程度の大きな静圧を受ける状態においても、半導体センサ１０５の電気信号を外部に取り出すハーメチック端子１０７は気密を保ち、０〜８０ｋＰａの微小な差圧により生じる電気信号を正確に差圧検出回路１０６に伝達する。
【０００５】
差圧伝送器１００の圧力室の低圧側圧力室と高圧側圧力室の片側に過負荷片圧が印加された際には、シールダイアフラム１０２が本体１０１に着座し、半導体センサ１０５の破損を防止する。なお、シールダイアフラム１０２が本体１０１に着座する圧力は、センタダイアフラム１０４によって調整される。差圧伝送器１００は、周囲温度−４０〜８５℃の環境下においても、０〜８０ｋＰａの差圧を正確に電気信号に変換する。
【０００６】
特許文献１には、差圧伝送器において、高圧側と低圧側のプロセス流体と接する低剛性ダイアフラムと受圧部部材を有する圧力室と、中心ダイアフラムを備え、流体通路内に高流体抵抗要素を設けた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−７２０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図５に示すように、従来の差圧伝送器は、本体圧力室のシールダイアフラムで受けた圧力を、シリコーンオイルを介してセンタダイアフラムと半導体センサの両方に伝える複雑な構造を備えていた。また、電気信号の取り出しにおいては、１５ＭＰａの大きな静圧を受ける状態においても、気密性を保ちながら電気信号を取り出すハーメチック端子を使用していた。このため、構造が複雑となりコストアップをもたらしていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するため、差圧伝送器に入力された圧力により圧力室に設けたシールダイアフラムを変形させ、差圧伝送器本体内部に封入されたシリコーンオイルを介して、差圧伝送器本体内部に設けたセンタダイアフラムの半導体センサを歪ませ、歪み量に応じた出力を得ることにより差圧を検出する差圧伝送器において、センタダイアフラムをシリコン材料から形成し半導体センサを一体に形成するとともに、差圧伝送器本体を、センタダイアフラムのシリコン材料とほぼ同じ熱膨張係数を有するセラミックス材料から形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、差圧伝送器において、センタダイアフラムをシリコン材料から形成し半導体センサを一体に形成するとともに、差圧伝送器本体を、センタダイアフラムのシリコン材料とほぼ同じ熱膨張係数を有するセラミックス材料から形成したことにより、差圧伝送器の構造を簡素化することが可能となり、部品数低減によるコスト低減を計ることができる。また、差圧伝送器本体をセラミックス材料から構成することにより、本体と半導体センサの熱膨張係数をほぼ等しくすることにより、周囲温度変化により半導体センサが受ける応力を低減して差圧伝送器の温度変化耐性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１の差圧伝送器の構成を示す模式図。
【図２】本発明の実施例１のセンタダイアフラムの構成を示す模式図。
【図３】本発明の実施例１の半導体センサの構成を示すブロック図。
【図４】本発明の実施例２の差圧伝送器の構成を示す模式図。
【図５】従来例の差圧伝送器の構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明を実施例および図面について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の実施例１の差圧伝送器の構成を示す模式図である。図２は、本発明の実施例１のセンタダイアフラムの構成を示す模式図である。
【００１４】
図１、図２において、差圧伝送器２００に入力された差圧を圧力室２０８のシールダイアフラム２０３で受け、差圧伝送器本体２０２の内部に封入されたシリコーンオイル２０４を介してセンタダイアフラム２０１及びセンタダイアフラム２０１に形成した半導体センサ２０７を歪ませる。センタダイアフラム２０１はシリコン材料から形成され、半導体センサ２０７を、スパッタ等の半導体形成技術により加工する。
【００１５】
半導体センサ２０７は、図３に示すようにピエゾ抵抗２２７と、ピエゾ抵抗２２７の歪みを電気信号に変換する電流変換回路または電圧変換回路からなる出力変換回路２２８を有する。
【００１６】
センタダイアフラム２０１に形成した半導体センサ２０７のピエゾ抵抗２２７形成箇所には、背面に凹部を設けて変形が容易な薄肉部２０７aを形成し、薄肉部２０７aにピエゾ抵抗２２７を形成することにより、センタダイアフラム２０１の歪みによるピエゾ抵抗率変化を検出し易くする。
【００１７】
図１において、２０５は半導体センサ２０７の出力を差圧に応じた電気信号に変換処理するＬＳＩ等からなる差圧検出回路である。２０６はセンタダイアフラム２０１に一体に形成された内部配線層である。２０９はハウジングである。２１０は圧力導入口である。
【００１８】
図１に示すように、シリコン材料からなるセンタダイアフラム２０１に半導体センサ２０７を形成する。差圧伝送器本体２０２をセラミックス材料から構成して、センタダイアフラム２０１に陽極接合法、又は直接接合法等の半導体形成技術を用いて強固に接合する。又、差圧伝送器本体２０２にシールダイアフラム２０３をブレージング（ロウ付け）し、シリコーンオイル２０４を封入する。また、センタダイアフラム２０１の一部に半導体センサ２０７と接続する内部配線層２０６を形成し、半導体センサ２０７の出力を外部に取り出す。
【００１９】
差圧伝送器２００に入力された差圧または静圧を圧力室２０８のシールダイアフラム２０３で受け、差圧伝送器本体２０２内部に封入されたシリコーンオイル２０４を介して、半導体センサ２０７が形成されたセンタダイアフラム２０１を歪ませる。半導体センサ２０７は歪んだ量に応じてピエゾ抵抗の抵抗率が変化する。この抵抗変化を出力変換回路２２８、２２５により電気信号に変換して、例えば４〜２０ｍＡの電流信号として出力する。
【００２０】
圧力室２０８のうち、低圧側圧力室または高圧側圧力室の片側に過負荷片圧が印加された際、シールダイアフラム２０３が差圧伝送器本体２０２に着座することにより、半導体センサ２０７への過負荷を防止してその破損を防止する。シールダイアフラム２０３が差圧伝送器本体２０２に着座する圧力は、半導体センサ２０７が形成されたセンタダイアフラム２０１の変形によって調整される。従って、センタダイアフラム２０１及び半導体センサ２０７の加工量を調整することにより、測定圧力に応じた歪み量と測定範囲をもつ半導体センサを形成することができる。
【００２１】
実施例１では、差圧伝送器のシリコン材料からなるセンタダイアフラム２０１に半導体センサ２０７を形成する。また、差圧伝送器本体２０２をセラミックス材料から形成してセンタダイアフラム２０１に接合し、差圧伝送器本体２０２にシールダイアフラム２０３をブレージング（ロウ付け）してシリコーンオイル２０４を封入することにより、構造を簡素化させる。さらに、センタダイアフラム２０１あるいは差圧伝送器本体２０２の一部に半導体センサ２０７と接続する内部配線層２０６を形成する。
【００２２】
実施例１では、差圧伝送器本体２０２の圧力室２０８の高圧側、低圧側に１５ＭＰａの大きな静圧を受ける状態においても差圧伝送器本体２０２は気密を保ち、０〜８０ｋＰａの微小な差圧を正確に電気信号に変換する。また、周囲温度−４０〜８５℃の環境下においても、０〜８０ｋＰａの差圧を正確に電気信号に変換する。
【００２３】
信号の取り出しにおいては、セラミックス材料からなる差圧伝送器本体２０２の一部に半導体センサ２０７と接続した内部配線層２０６を形成することにより、従来必要であったハーメチック端子を不要とすることができ、部品点数削除による原価低減効果が見込める。
【００２４】
また、センタダイアフラム２０１に薄肉部２０７aを形成し、薄肉部２０７a上にピエゾ抵抗を形成し、薄肉部２０７aの厚み加工をコントロールすることで、測定圧力に応じた半導体センサの抵抗変化を得ることが可能となる。
【００２５】
さらに、半導体センサの一部にピエゾ抵抗変化を然るべき電圧、電流に変換し増幅させる電流変換回路または電圧変換回路からなる出力変換回路を一体に形成し、センタダイアフラム２０１にＬＳＩチップ等からなる差圧検出回路２０５を形成することにより、従来例における電気回路を不要とすることができ、部品点数削除による原価低減効果が見込める。差圧検出回路２０５は差圧伝送器本体２０２またはセンタダイアフラム２０７の少なくとも一方に設けることができる。
【実施例２】
【００２６】
図４は、本発明の実施例２におけるセンタダイアフラム２０１Ａを示す正面図である。２２２はセンタダイアフラム２０１Ａの外周に設けた温度センサである。２２３は、同じくセンタダイアフラム２０１Ａの外周に設けた静圧センサである。温度センサ２２２により、差圧を検出するシステムにおける温度条件を把握することができる。また、静圧センサ２２３により、差圧を検出するシステムにおける静圧条件を把握することができる。
【００２７】
実施例２では、温度センサや静圧センサをセンタダイアフラムに一体に形成したことにより、部品点数削除による原価低減効果が見込める。
【符号の説明】
【００２８】
２００・・・差圧伝送器
２０１、２０１Ａ・・・センタダイアフラム
２０２・・・差圧伝送器本体
２０３・・・シールダイアフラム
２０４・・・シリコーンオイル
２０５・・・差圧検出回路
２０６・・・内部配線層
２０７・・・半導体センサ
２０７a・・・薄肉部
２２２・・・温度センサ
２２３・・・静圧センサ
２２７・・・ピエゾ抵抗
２２８・・・出力変換回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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