(57)【要約】【課題】水衝撃のような急激な圧力変動に対して信頼性が高く、温度特性が安定で、ローコスト化が可能な、圧力センサを実現する。【解決手段】測定ダイアフラムに歪センサが形成されている圧力センサにおいて、第１の絶縁基板の一方の面に形成された凹状の第１の測定室と、前記第１の絶縁基板に設けられ前記第１の測定室に連通する第１の導圧孔と、前記第１の絶縁基板の一方の面に一方の面が接合され前記測定ダイアフラムを形成する半導体基板と、この半導体基板の他方の面に前記第１の測定室に対応した位置に設けられた半導体歪ゲージと、前記半導体基板の他方の面に一方の面が接合された第２の絶縁基板と、この第２の絶縁基板の前記一方の面に前記第１の測定室に対向して対称形状をなして設けられた凹状の第２の測定室と、前記第２の絶縁基板に設けられ前記第２の測定室に連通する第２の導圧孔と、を具備したことを特徴とする圧力センサである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ダイアフラムに歪センサが形成されている圧力センサにおいて、
第１の絶縁基板の一方の面に形成された凹状の第１の測定室と、
前記第１の絶縁基板に設けられ前記第１の測定室に連通する第１の導圧孔と、
前記第１の絶縁基板の一方の面に一方の面が接合され前記測定ダイアフラムを形成する半導体基板と、
この半導体基板の他方の面に前記第１の測定室に対応した位置に設けられた半導体歪ゲージと、
前記半導体基板の他方の面に一方の面が接合された第２の絶縁基板と、
この第２の絶縁基板の前記一方の面に前記第１の測定室に対向して対称形状をなして設けられた凹状の第２の測定室と、
前記第２の絶縁基板に設けられ前記第２の測定室に連通する第２の導圧孔と、
を具備したことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記測定ダイアフラムと前記第１の測定室との隙間と前記測定ダイアフラムと前記第２の測定室との隙間とが前記測定ダイアフラムに過大圧が印加された場合に前記測定ダイアフラムが前記測定室に当たり保護されるような隙間に調節されたこと
を特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記半導体基板の他方の面に設けられ前記歪ゲージに一端がそれぞれ接続された第１，第２の半導体電気配線と、
前記第２の絶縁基板に設けられ一端が前記第１，第２の半導体電気配線に電気的に接続され他方端が外部に取り出される第１，第２の電極と
を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記第１，第２の絶縁基板は、セラミックスあるいはサファイア材が使用されたこと
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサに関するものである。
更に詳述すれば、急激な圧力変動に対して信頼性が高く、温度特性が安定で、ローコスト化が可能な、圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７は従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図である。
図において、１は本体ボディで、円柱状の首部１Ａと、首部１Ａの端部外周縁部１Ｃにおいて溶接接続されたブロック状の受圧部１Ｂとよりなる。首部１Ａと受圧部１Ｂとは、この場合は、ステンレス材よりなる。
本体ボディ１の両側に、高圧側ーフランジ２、低圧側ーフランジ３が溶接等によって固定されており、両カバーフランジ２，３には測定せんとする高圧側圧力ＰＨの高圧流体の導入口４、低圧側圧力ＰＬの低圧流体の導入口５が設けられている。
【０００３】
本体ボディ１内に圧力測定室６が形成されており、この圧力測定室６内にセンタダイアフラム７とシリコンダイアフラム８が設けられている。
センタダイアフラム７とシリコンダイアフラム８は、それぞれ別個に圧力測定室６の壁に固定されており、センタダイアフラム７とシリコンダイアフラム８の両者でもって圧力測定室６を２分している。
【０００４】
センタダイアフラム７と対向する圧力測定室６の壁には、バックプレ―ト６Ａ，６Ｂが形成されている。センタダイアフラム７は周縁部を本体ボディ１に溶接されている。
シリコンダイアフラム８は全体が単結晶のシリコン基板から形成されている。
シリコン基板の一方の面にボロン等の不純物を選択拡散して４個のストレインゲ―ジ８０を形成し、他方の面を機械加工、エッチングし、全体が凹形のダイアフラム８を形成する。
【０００５】
４個のストレインゲ―ジ８０は、シリコンダイアフラム８が差圧ΔＰを受けてたわむ時、２個が引張り、２個が圧縮を受けるようになっており、これらがホイ―トストン・ブリッジ回路に接続され、抵抗変化が差圧ΔＰの変化として検出される。
シリコンダイアフラム８は、首部１Ａを２個のセンサ室８１，８２に分ける。
支持体９の圧力測定室６側端面に、低融点ガラス接続等の方法でシリコンダイアフラム８が接着固定されている。
【０００６】
本体ボディ１と高圧側フランジ２、および低圧側フランジ３との間に、圧力導入室１０，１１が形成されている。
この圧力導入室１０，１１内に高圧側，低圧側シールダイアフラム１２，１３を設け、このシールダイアフラム１２，１３と対向する本体ボディ１の壁にシールダイアフラム１２，１３と類似の形状のバックプレ―ト１０Ａ，１１Ａが形成されている。
シールダイアフラム１２，１３と高圧側，低圧側バックプレ―ト１０Ａ，１１Ａとにより、高圧側，低圧側シールダイアフラム室１２Ａ，１３Ａが構成される。
【０００７】
シールダイアフラム１２，１３は、受圧部１Ｂに、シールリング１２１，１３１により周縁部が溶接されている。
この場合は、シールダイアフラム１２，１３と、シールリング１２１，１３１とは、ステンレス材よりなる。
シールダイアフラム室１２Ａ，１３Ａと圧力測定室６とは、連通孔１４，１５を介して導通されている。
【０００８】
そして、シールダイアフラム室１２Ａ，１３Ａにシリコンオイル等の封入液１０１，１０２が満たされ、この封入液１０１，１０２が高圧側，低圧側伝導穴１６，１７を介してシリコンダイアフラム８の上下面にまで至っている。
封入液１０１，１０２は、センタダイアフラム７とシリコンダイアフラム８とによって２分されているが、その量が、ほぼ均等になるように配慮されている。
【０００９】
以上の構成において、高圧側から圧力が作用した場合、高圧側シールダイアフラム１２に作用する圧力が封入液１０１によってシリコンダイアフラム８に伝達される。
一方、低圧側から圧力が作用した場合、低圧側シールダイアフラム１３に作用する圧力が封入液１０２によってシリコンダイアフラム８に伝達される。
この結果、高圧側と低圧側との圧力差に応じてシリコンダイアフラム８が歪み、この歪み量がストレインゲ―ジ８０によって電気的に取出され、差圧の測定が行なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０５−１７２６７６号公報
【特許文献２】特開２００５−０４９２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような装置においては、以下の問題点がある。
このような半導体圧力センサを使った伝送器では、高圧側と低圧側のオイルが封入されている伝導穴構造、特に，圧力センサ周辺部の構造が違うため配管抵抗や封入されているオイル量が異なる。
温度変化によるオイルの膨張、収縮で圧力が変化するが、オイル量が若干違うと圧力も異なるため、センサ特性へ影響を与える。
【００１２】
過大圧保護をするためのセンターダイアフラムが必要で部品数が多くなるためにコストがかかる。
更に、圧力、特に、静圧(両側にかかる圧力)下でプロセスラインでの水衝撃(ウォータハンマー)等によって急激に圧力が変化する場合がある。この際に，高圧側及び低圧側の配管抵抗とオイル量が異なるため，オイル収縮の影響で高圧側と低圧側の圧力に時間のズレが発生するため，過大圧保護の動作点がずれてしまう場合がある。その時に，センサ部に大きな差圧が発生して圧力センサのダイアフラムに大きな差圧が加わりダイアフラムが破壊してしまう場合がある。
【００１３】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、水衝撃のような急激な圧力変動に対して信頼性が高く、温度特性が安定で、ローコスト化が可能な、圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような課題を達成するために、本発明では、請求項１の圧力センサにおいては、
測定ダイアフラムに歪センサが形成されている圧力センサにおいて、第１の絶縁基板の一方の面に形成された凹状の第１の測定室と、前記第１の絶縁基板に設けられ前記第１の測定室に連通する第１の導圧孔と、前記第１の絶縁基板の一方の面に一方の面が接合され前記測定ダイアフラムを形成する半導体基板と、この半導体基板の他方の面に前記第１の測定室に対応した位置に設けられた半導体歪ゲージと、前記半導体基板の他方の面に一方の面が接合された第２の絶縁基板と、この第２の絶縁基板の前記一方の面に前記第１の測定室に対向して対称形状をなして設けられた凹状の第２の測定室と、前記第２の絶縁基板に設けられ前記第２の測定室に連通する第２の導圧孔と、を具備したことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項２の圧力センサにおいては、請求項１記載の圧力センサにおいて、
前記測定ダイアフラムと前記第１の測定室との隙間と前記測定ダイアフラムと前記第２の測定室との隙間とが前記測定ダイアフラムに過大圧が印加された場合に前記測定ダイアフラムが前記測定室に当たり保護されるような隙間に調節されたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項３の圧力センサにおいては、請求項１又は請求項２記載の圧力センサにおいて、
前記半導体基板の他方の面に設けられ前記歪ゲージに一端がそれぞれ接続された第１，第２の半導体電気配線と、前記第２の絶縁基板に設けられ一端が前記第１，第２の半導体電気配線に電気的に接続され他方端が外部に取り出される第１，第２の電極とを具備したことを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項４の圧力センサにおいては、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧力センサにおいて、
前記第１，第２の絶縁基板は、セラミックスあるいはサファイア材が使用されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
圧力センサの低圧側、高圧側の構造を対称にすることで、圧力，特に静圧(両側にかかる圧力)化で急激に圧力が変化した場合でも，高圧側及び低圧側の配管抵抗とオイル量が同じであるため，オイルが収縮しても高圧側と低圧側の圧力も同じになる。そのため、プロセスラインでの水衝撃(ウォータハンマー)による急激な圧力変化でも差圧が発生しないため、ダイアフラムに過大な差圧が加わることがない。そのためセンサは破壊しない。
また、温度変化によるオイルの膨張、収縮で発生する圧力も等しくなるため、温度特性が安定になる圧力センサが得られる。
【００１９】
本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
請求項１の効果以外にギャップを調整することで過大圧が加わった場合にダイアフラムが対面にぶつかることでダイアフラム破壊を防止する設計が可能になる。そのため、過大圧保護構造であるセンタダイアフラムも不要にすることができ、低コストな圧力センサが得られる。
【００２０】
本発明の請求項３によれば、次のような効果がある。
半導体基板の他方の面に設けられ、歪ゲージに一端がそれぞれ接続された第１，第２の半導体電気配線と、第２の絶縁基板に設けられ一端が第１，第２の半導体電気配線に電気的に接続され他方端が外部に取り出される第１，第２の電極とが設けられた。
【００２１】
従って、歪ゲージの形成と同時に、第１，第２の半導体電気配線は形成出来、第２の絶縁基板に設けられた、第１，第２の電極により、電気信号が取り出せるので、電極を片面に集中することで、電気信号の取出しの実装上の取扱いが容易に出来るので、構成が簡潔に出来、更に、低コストな圧力センサが得られる。
【００２２】
本発明の請求項４によれば、次のような効果がある。
ガラスなど比べて破壊しにくいサファイアを採用するため、更に、高い信頼性を実現できる圧力センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例の要部構成説明図である。
【図２】図１の製作工程説明図である。
【図３】図１の製作工程説明図である。
【図４】図１の製作工程説明図である。
【図５】図１の製作工程説明図である。
【図６】図１の製作工程説明図である。
【図７】従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、図２から図６は図１の製作工程説明図である。
図において、図７と同一記号の構成は同一機能を表す。
以下、図７との相違部分のみ説明する。
【００２５】
図１において、第１の測定室２２は、第１の絶縁基板２１の一方の面に形成され凹状をなす。
第１の導圧孔２３は、第１の絶縁基板２１に設けられ、第１の測定室２２に連通する。
半導体基板２４は、第１の絶縁基板２１の一方の面に一方の面が接合され、測定ダイアフラム２５を形成する。
半導体歪ゲージ２６は、半導体基板２４の他方の面に、第１の測定室２２に対応した位置に設けられている。
【００２６】
第２の絶縁基板２７は、半導体基板２４の他方の面に、一方の面が接合されている。
第２の測定室２８は、第２の絶縁基板２７の一方の面に、第１の測定室２２に対向して対称形状をなして設けられ、凹状をなす。
第２の導圧孔２９は、第２の絶縁基板２７に設けられ、第２の測定室２８に連通する。
【００２７】
なお、この場合は測定ダイアフラム２５と第１の測定室２２との第１の隙間３１と、測定ダイアフラム２５と第２の測定室２８との第２の隙間３２とが、測定ダイアフラム２５に過大圧が印加された場合に、測定ダイアフラム２５が測定室２２，２８に当たり保護されるような隙間３１，３２に調節されている。
【００２８】
第１，第２の半導体電気配線３３，３４は、半導体基板２４の他方の面に設けられ、歪ゲージ２６に一端がそれぞれ接続されている。
第１，第２の電極３５，３６は、第２の絶縁基板２７に設けられ、一端が前記第１，第２の半導体電気配線３３，３４に電気的に接続され、他方端が外部に取り出される。
第１の金属のパイプ４１は、第１の絶縁基板２１に接着剤４３により一端が接続されている
【００２９】
第２の金属のパイプ４２は、第２の絶縁基板２７に接着剤４３により一端が接続されている。
なお、この場合は、第１，第２の絶縁基板は、セラミックスあるいは、サファイア材が使用されている。
【００３０】
以上の構成において、図２に示す如く、シリコン基板１０１に拡散抵抗などの歪ゲージ１０２と歪ゲージ１０２に一端が接続された第１，第２の半導体電気配線１０３，１０４を形成する。
図３に示す如く、シリコン基板１０１を所望の厚さに研削、研磨する。
【００３１】
図４に示す如く、２枚のサファイアの板１０５，１０６に凹部１０７，１０８と凹部１０７，１０８にそれぞれ連通する導圧孔１０９，１１１の加工を行なう。
そして、サファイアの板１０５，１０６に、第１，第２の半導体電気配線１０３，１０４の他端に接する貫通孔１１２，１１３の加工を行なう。
貫通孔１１2，１１３にそれぞれ電極１１４，１１５を形成する。
【００３２】
図５に示す如く、シリコン基板１０１とサファイアの板１０５，１０６を常温直接接合などで貼り合わせる。
図６に示す如く、サファイアの板１０５，１０６に、ステンレスなどの金属パイプ１１６，１１７を接着材１１８を使って接合する。
【００３３】
この結果、
圧力センサの低圧側、高圧側の構造が対称にすることで、圧力，特に静圧(両側にかかる圧力)化で急激に圧力が変化した場合でも，高圧側及び低圧側の配管抵抗とオイル量が同じになるため，オイルが収縮しても高圧側と低圧側の圧力も同じになる。そのため、センサは破壊しない。
また、温度変化によるオイルの膨張、収縮で発生する圧力も等しくなるため、温度特性が安定になる圧力センサが得られる。
【００３４】
ギャップを調整することで過大圧が加わっても圧力センサが破壊しない設計が可能になる。そのため、過大圧保護構造であるセンタダイアフラム７も不要にすることができる。  更に、急激に圧力が変化した場合に、圧力センサ自体に過大圧保護構造があるため圧力センサの破壊を防止できる圧力センサが得られる。
【００３５】
半導体基板２４の他方の面に設けられ、歪ゲージ２６に一端がそれぞれ接続された第１，第２の半導体電気配線３１，３２と、第２の絶縁基板２７に設けられ、一端が第１，第２の半導体電気配線３１，３２に電気的に接続され、他方端が外部に取り出される第１，第２の電極３３，３４とが設けられた。
【００３６】
従って、歪ゲージ２６の形成と同時に、第１，第２の半導体電気配線３１，３２は形成出来、第２の絶縁基板２７に設けられた、第１，第２の電極３３，３４により、電気信号が取り出せるので、電極を片面に集中することで、電気信号の取出しの実装上の取扱いが容易に出来るので、構成が簡潔に出来、更に、低コストな圧力センサが得られる。
【００３７】
ガラスなど比べて破壊しにくいセラミックスあるいはサファイアが採用されたため、更に、高い耐圧の信頼性が実現できる圧力センサが得られる。
【００３８】
なお、前述の実施例においては、ステンレスなどの金属パイプ１１６，１１７に付いて、サファイアの板１０５，１０６に、接着材を使って接合すると説明したが、これに限ることはなく、例えば、金属パイプ１１６，１１７はコバール材をであっても良く、要するに、金属材であれば良い。
【００３９】
なお、前述の実施例においては、金属パイプ１１６，１１７に付いて、サファイアの板１０５，１０６に接着材を使って接合すると説明したが、これに限ることはなく、例えば低融点ガラス、ろう付けであっても良く、要するに、金属パイプ１１６，１１７を板１０５，１０６に接合出来れば良い。
【００４０】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【符号の説明】
【００４１】
２１    第１の絶縁基板
２２    第１の測定室
２３    第１の導圧孔
２４    半導体基板
２５    測定ダイアフラム
２６    半導体歪ゲージ
２７    第２の絶縁基板
２８    第２の測定室
２９    第２の導圧孔
３１    第１の隙間
３２    第２の隙間
３３    第１の半導体電気配線
３４    第２の半導体電気配線
３５    第１の電極
３６    第２の電極
４１    第１の金属のパイプ
４２    第２の金属のパイプ
４３    接着剤
１０１  シリコン基板
１０２  歪ゲージ１０２
１０３  第１の半導体電気配線
１０４  第２の半導体電気配線
１０５  板
１０６  板
１０７  凹部
１０８  凹部
１０９  導圧孔
１１１  導圧孔
１１２  貫通孔
１１３  貫通孔
１１４  電極
１１５  電極
１１６  金属パイプ
１１７  金属パイプ
【図１】
2013003098.tif 000003
【図７】
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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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【図６】
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