(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
感圧抵抗素子を形成する単結晶質サファイアダイアフラムと、
円筒部と底部を有し、前記底部には円形の切欠部が形成され、前記単結晶質サファイアダイアフラムが内側に設けられるカップ形状のボディー本体部と、
前記ボディー本体部の内部に固定される円筒形状のセラミックの台座とを備え、
かつ、前記底部には環状溝にＯリングを設けた耐蝕型圧力センサにおいて、
前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記底部の内側の接合部とは表面処理され、
前記表面処理された前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記底部の内側の接合部とが合わされ、
前記単結晶質サファイアダイアフラムは前記台座と前記ボディー本体部の前記底部の内側の接合部とに挟まれ高密着性を持って固定され、かつ、前記Ｏリングを介して固定されることによって、二重の気密構造を形成し、
前記切欠部を介し前記単結晶質サファイアダイアフラムにかかる圧力を検出することを特徴とする耐蝕型圧力センサ。
【請求項２】
前記ボディー本体部は、フッ素樹脂で形成することを特徴とする請求項１に記載の耐蝕型圧力センサ。
【請求項３】
前記感圧抵抗素子は、前記単結晶質サファイアダイアフラム上にエピタキシャル成長させたシリコン半導体を積層して形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の耐蝕型圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸やアルカリなどの薬品剤の気体圧または液体圧を検出する耐蝕型圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧力センサには、酸やアルカリなどの薬品剤の気体圧または液体圧を検出するものがある。
【０００３】
この従来の圧力センサは、薬品剤の侵蝕を防ぐために、薬品剤の気体圧または液体圧を受ける円形状に形成された金属ダイアフラムにフッ素樹脂のコーテングをしたものである。コーテングされた金属ダイアフラムは、切欠部が形成されたボディー本体部の底部の内側にＯリングを介し固定されている。
【０００４】
この従来の圧力センサにより薬品剤の気体圧または液体圧を検出するときには、コーテングされた金属ダイアフラムに切欠部を介し気体圧または液体圧が加わると、コーテングされた金属ダイアフラムはその圧力を受け撓み、その圧力変化をコーテングされた金属ダイアフラムに形成された歪検出素子により検出する。
【０００５】
また、従来の圧力センサには、薬品剤の侵蝕を防ぐために、薬品剤の気体圧または液体圧を受けるセラミックダイアフラムにフッ素樹脂のコーテングをしたものもある。コーテングされたセラミックダイアフラムは、切欠部が形成されたボディー本体部の底部の内側にＯリングを介し固定されている。この従来の圧力センサは、コーテングされた金属ダイアフラムの場合と同様に薬品剤の気体圧または液体圧を検出する。
【０００６】
さらに、従来の圧力センサには、薬品剤の侵蝕を防ぐために、フッ素樹脂膜のダイアフラムを用いて内部にシリコンオイルを封入した二重ダイアフラム構造のものもある。この従来の圧力センサにより薬品剤の気体圧または液体圧を検出するときには、フッ素樹脂膜のダイアフラムに気体圧または液体圧が加わると、その圧力は封入しているシリコンオイルに伝達され、そのシリコンオイルの圧力変化を圧力検出素子により検出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の薬品剤の気体圧または液体圧を検出する圧力センサには、次のような問題があった。
【０００８】
上記したごとく、フッ素樹脂のコーテングをした金属ダイアフラムを用いて薬品剤の侵蝕を防ぎ、薬品剤の気体圧または液体圧を検出することができるが、フッ素樹脂は接着性が低いためコーテングしたフッ素樹脂層と金属ダイアフラムとの間の密着性が低く剥離する可能性があり、また、フッ素樹脂層は膜厚を薄くする必要性があることから耐久性が低く長期信頼性に問題があった。
【０００９】
また、フッ素樹脂のコーテングを行ったセラミックダイアフラムを用いて薬品剤の侵蝕を防ぎ、薬品剤の気体圧または液体圧を検出する場合も、同様に長期信頼性に問題があった。
【００１０】
さらに、内部にシリコンオイルを封入したフッ素樹脂膜のダイアフラムを用いて薬品剤の侵蝕を防ぎ、薬品剤の気体圧または液体圧を検出することができるが、フッ素樹脂膜のダイアフラムはシリコンオイルに気体圧または液体圧を効果的に伝達するために薄板となっており、気体圧または液体圧がフッ素樹脂膜のダイアフラムに長期間かかると破損する可能性があり長期信頼性に問題があり、また、フッ素樹脂膜のダイアフラムの破損により、圧力を検出する気体や液体に密封されているシリコンオイルが漏れるという問題があった。また、フッ素樹脂膜のダイアフラムは、中心から対称的に歪まない可能性もあり精度面にも問題をかかえていた。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、長期信頼性を有し、シリコンオイル漏れの現象はなく高精度の圧力検出ができる耐蝕型圧力センサを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐蝕型圧力センサは、感圧抵抗素子を形成する単結晶質サファイアダイアフラムと、円筒部と底部を有し、前記底部には円形の切欠部が形成され、前記単結晶質サファイアダイアフラムが内側に設けられるカップ形状のボディー本体部と、前記ボディー本体部の内部に固定される円筒形状のセラミックの台座とを備え、かつ、前記底部には環状溝にＯリングを設けた耐蝕型圧力センサにおいて、前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記底部の内側の接合部とは表面処理され、前記表面処理された前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記底部の内側の接合部とが合わされ、前記単結晶質サファイアダイアフラムは前記台座と前記ボディー本体部の前記底部の内側の接合部とに挟まれ高密着性を持って固定され、かつ、前記Ｏリングを介して固定されることによって、二重の気密構造を形成し、前記切欠部を介し前記単結晶質サファイアダイアフラムにかかる圧力を検出することとした。
【００１５】
また、前記ボディー本体部は、フッ素樹脂で形成することとした。高温状態まで計測が可能である。ダイアフラム部以外においても薬品剤による侵蝕を受ける可能性は極めて低い。
【００１６】
さらに、前記感圧抵抗素子は、前記単結晶質サファイアダイアフラム上にエピタキシャル成長させたシリコン半導体を積層して形成することとした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本発明における実施形態の耐蝕型圧力センサ１０の断面図である。
【００１９】
図１に示すように、この耐蝕型圧力センサ１０は、感圧抵抗素子２１（図２参照）を積層した単結晶質サファイアダイアフラム１７と、円筒部１２と底部１３とを有し、底部１３には導通穴１３Ｂに接続する円形の切欠部１３Ａが形成され単結晶質サファイアダイアフラム１７が内側に設けられるカップ形状のフッ素樹脂で形成されたボディー本体部１１と、ボディー本体部１１に形成されたネジ部１２Ａと、ネジ部１６Ａによりボディー本体部１１の内部に固定される円筒形状のセラミックの台座１６とにより構成され、導通穴１３Ｂと切欠部１３Ａとを介し単結晶質サファイアダイアフラム１７にかかる圧力を検出するものである。
【００２０】
単結晶質サファイアダイアフラム１７は、台座１６と、底部１３の内側とに挟まれボディー本体部１１に固定されている。単結晶質サファイアダイアフラム１７が薬品環境下での影響を受けることはなく、ボディー本体部１１には、単結晶質サファイアダイアフラム１７が直接圧力を受けるように底部１３の中央部に導通穴１３Ｂと切欠部１３Ａは形成されている。
【００２１】
ボディー本体部１１は、フッ素樹脂で形成しているため薬品剤の影響を受け難く、また、フッ素樹脂は耐熱性の高いＰＴＦＥやＰＦＡなどを選択することにより、２００°Ｃまでの温度範囲での使用が可能である。
【００２２】
単結晶質サファイアダイアフラム１７と底部１３の内側２３とは、例えば研磨加工などの表面処理を行い、表面処理された単結晶質サファイアダイアフラム１７と底部１３の内側２３とが合わされ、台座１６により単結晶質サファイアダイアフラム１７は固定される。そのため単結晶質サファイアダイアフラム１７と底部１３の内側２３の表面処理により、高密着性を持って固定される。また、底部１３には環状溝１３ＣにＯリング１５を設け二重の気密構造にすることもできる。
【００２３】
耐蝕型圧力センサ１０により薬品剤の気体圧や液体圧を検出するときには、矢印Ｐに示すように気体圧や液体圧が導通穴１３Ｂと切欠部１３Ａを介し単結晶質サファイアダイアフラム１７に加わったとき、単結晶質サファイアダイアフラム１７は内側に撓み、その撓みを単結晶質サファイアダイアフラム１７に積層した感圧抵抗素子２１（図２参照）により検出して圧力信号とし、高精度で圧力の検出が行われる。
【００２４】
なお、耐蝕型圧力センサ１０は、薬品剤に限らず、また、搬送管内を流れる気体や液体の流体圧の検出や、容器内の圧力を検出することもできる。
【００２５】
以上、耐蝕型圧力センサ１０は、圧力を検出する気体や液体に薬品剤が入っていてもその薬品環境下での影響を受けることはなく、単結晶質サファイアダイアフラム１７で圧力を受けるため、フッ素樹脂などの保護膜形成を不要とし、前記した剥離や耐久性やシリコンオイルの漏れの問題はなく、長期信頼性を有し高精度の圧力検出をすることができる。
【００２６】
図２は、感圧抵抗素子２１を形成した単結晶質サファイアダイアフラム１７の断面図である。
【００２７】
感圧抵抗素子２１は、単結晶質サファイアダイアフラム１７上にエピタキシャル成長させシリコン半導体を積層して形成したもので、予め定めた位置に複数個設定することができ、単結晶質サファイアダイアフラム１７が圧力を受け撓むことにより長さや断面積が変化して抵抗値が変化するものであり、ホイートストン・ブリッジの回路構成にして圧力に応じた電圧信号を出力し、圧力検出を行うことができる。
【００２８】
感圧抵抗素子２１は、保護酸化膜２２の被膜により保護され、また、半導体の製造技術を応用しシリコン半導体を積層しているため、３５０°Ｃまで安定した特性を得ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の耐蝕型圧力センサは、感圧抵抗素子を形成する単結晶質サファイアダイアフラムと、円形の切欠部を有する底部の内側に前記単結晶質サファイアダイアフラムを設けたボディー本体部とを備え、前記切欠部を介し前記結晶質サファイアダイアフラムにかかる圧力を検出することとしたため、圧力を受けるダイアフラムに化学的に安定している単結晶サファイアを用いることで、圧力を検出する気体や液体に薬品剤が入っていてもその薬品環境下での影響を受けることはなく、長期信頼性を有し高精度の圧力検出をすることができる。
【００３０】
また、前記単結晶質サファイアダイアフラムは、前記ボディー本体部の内部に固定される台座と前記底部の内側とに挟まれ、前記ボディー本体部に固定されることとしたため、単結晶質サファイアダイアフラムを確実に固定することができる。
【００３１】
また、前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記底部の内側とは表面処理され、前記表面処理された面が合わされ前記単結晶質サファイアダイアフラムは前記底部に固定されることとしたため、単結晶質サファイアダイアフラムを高密着で固定することができる。
【００３２】
また、前記ボディー本体部は、フッ素樹脂で形成することとしたため、高温状態まで計測ができ、また、薬品剤による侵蝕を受ける可能性は極めて低くすることができる。
【００３３】
さらに、前記感圧抵抗素子は、前記単結晶質サファイアダイアフラム上にエピタキシャル成長させたシリコン半導体を積層して形成することとしたため、前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記感圧抵抗素子は原子結合している。そのため、歪みによる変位が前記切欠部を均一に変形させ、前記切欠部円の中心を基準として対称に変形すると、前記接合部に支えられた前記単結晶質サファイアダイアフラムの前記感圧抵抗素子の抵抗比率が一定となる。
【００３４】
よって、圧力に対する歪みがリニアであり、付随して出力されるホイートストンブリッジの出力電圧もリニアな出力となるため、優れた圧力―出力電圧の特性を得ることができる。また、高温状態まで安定した圧力―出力電圧の特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明における実施形態の耐蝕型圧力センサの断面図である。
【図２】  感圧抵抗素子を形成した単結晶質サファイアダイアフラムの断面図である。
【符号の説明】
１０  耐蝕型圧力センサ
１１  ボディー本体部
１２  円筒部
１３  底部
１３Ａ  切欠部
１３Ｂ  導通穴
１３Ｃ  環状溝
１４  接合部
１５  Ｏリング
１６  台座
１７  単結晶質サファイアダイアフラム
２１  感圧抵抗素子
２２  保護酸化膜
【図１】
0003947389.tif 000002
【図２】
0003947389.tif 000003