CN1015133B

CN1015133B - 差压变送器

Info

Publication number: CN1015133B
Application number: CN88108847A
Authority: CN
Inventors: 田智; 清水康司; 鹈饲征一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-11-27
Filing date: 1988-11-25
Publication date: 1991-12-18
Also published as: JPH01141328A; US5012677A; CN1036076A; DE3839864A1; DE3839864C2

Abstract

本发明给出了一种能进行适当的静压补偿的差压变送器。该差压变送器包括有一个半导体传感器基片和一个半导体传感器基片牢固地装置在其上的固定用底座，其特征在于利用传感器基片和底座的杨氏弹性模量之差来检测流体的差压，对传感器基片的一侧或两侧进行处理以形成一比其环绕着它的部位更薄的部位，从而使由静压荷载所产生的峰值应力出现在这一较薄部位中，并检测形成在这一较薄薄部位处的压阻型力敏电阻的阻抗变化。

Description

本发明涉及的是一种差压变送器，特别是能够对高静压所引起的误差进行适当补偿的差压变送器。

如已公开的日本专利申请120142/1983、61637/1985、56465/1986和已公开的日本实用新型167432/1983中所述，传统的差压变送器检测静压是利用差压检测膜片和配置在同一基片上的半导体压阻型力敏电阻来实现的，且其膜片是配置在该基片上的。但采用这种结构时，在差压检测力敏电阻和静压检测力敏电阻之间会出现较高的相互干扰，从而难以对由高静压引起的误差进行补偿。这是在改进差压变送器精度时所会遇到的主要障碍。

美国专利4528855中公开了一种差压变送器，其中，施加在环绕着差压传感器的一环状膜片的上、下表面的静压力被利用来使差压传感器产生变形，以获得其半导体压阻型力敏电阻的阻抗变化。

可用于检测差压和温度的差压传感器有许多种。图1示出了现在使用的差压变送器的一种典型结构的垂直剖面图，它引自已公开的日本专利申请61637/1985。硅基膜片（1）在其薄的部位（1A）具有一用于检测差压△P的半导体压阻型力敏电阻组，而在其厚的部位（1B）具有一用于检测温度的半导体压阻型力敏电阻。这两种压阻型力敏电阻都是以扩散方式形成在硅基膜片（1）中的，这些压阻型力敏电阻应这样形成，即使得它们对高静压P并不产生响应，并且均分别通过由气密式密封的端头（5）中引出的导线（6）连接到外电路。半导体压阻型力敏电阻组（2）将产生一个与差压△P成比例的信号，而半导体压阻型力敏电阻（3）将产生一个与温度成比例的信号，然后，外电路将给出一个不带温度变化所引起的误差的差压信号。

作用于差压变送器中硅基膜片（1）两侧的静压力P往往高达100个大气压左右。在如此高的静压下，在其两侧的充满液体的腔室（7A）、（7B）之间的、由液体压缩产生的任何不平衡或其壳体（4）的任何变形都将使硅基膜片（1）产生变形，从而导致半导体压阻型力敏电阻组（2）的阻抗变化。因此，表示差压的信号中附加上了由静压产生的信号，这使得它不可能输出一个正确的差压信号。换句话说，由这种差压变送器输出的信号会受到静压的影响并包含有误差。为了避免由静压所引起的误差，则要求密封在腔室（7A）、（7B）中的液体的量彼此精确地相等，并要求其壳体（4）具有更大的刚性以使它不会在静压P下变形。然而，这些要求对其设计和制造构成了相当大的制约，使得人们难以进一步减小差压变送器的尺寸并降低其造价。

本发明的目的是提供一种采用形成一个基本上与其它检测电阻相分离设置的静压检测电阻的方式来克服上述缺陷的差压变送器，特别是要提供一种具有高输出的高灵敏度的静压传感器和一种在其静压传感器和差压传感器间仅有相当小的相互干扰的组合式传感器。

本发明的差压变送器包括：至少一个基片;一个用于装配该基片的底座;以及形成在基片上的至少一个压阻型力敏电阻;其特征是该基片是这样形成，即使得其峰值应力能够出现在压阻型力敏电阻的附近。

本发明涉及的是一种差压变送器，它包括有一个传感器基片（比如说，由某种半导体构成的）和一个用于配置该传感器基片的底座（它可以是固定的），它利用基片和底座的杨氏弹性模量的不同来检测流体的差压。在传感器基片的一侧或两侧进行处理以形成一比其周围部分更薄的部位，检测位于这一薄的部位处的、用，比如说，半导体材料形成的压阻型力敏电阻的阻抗变化。也就是说，传感器基片应这样形成，即使得由静压荷载所产生的峰值应力作用在其压阻型力敏电阻上。

本发明还涉及到另一种差压变送器，它由传感器基片和传感器基片牢固地安装在其上的固定底座组成，它利用传感器基片和固定用底座间的杨氏模量的不同来检测流体的压力差。在这种差压变送器中，传感器基片的较薄部位形成有差压传感器，而对该基片的较厚的部位的一侧或两侧进行处理以使这一较厚部位中的一部分比其周围部分薄，从而使由静压荷载所引起的峰值应力在这一薄的部分出现。用在较厚部位中的较薄部分上形成的静压传感器检测压阻型力敏电阻的阻抗变化。敏感基片在差压传感器和静压传感器之间形成有一个槽，以便消除两传感器之间的相互干扰。

结合附图，可由下面的详细描述更清楚地理解本发明。

图1示出了一种常规的差压变送器结构的部面图。

图2（a）至2（c）示出了本发明的静压传感器元件的工作原理示意图。

图3示出了本发明一实施例中的多功能传感器元件结构的垂直剖面图。

图4示出了用于处理本发明一实施例多功能传感器元件的检测信号的一种流程过程的示意图。

图5和图6示出了用于描述本发明其它实施例的垂直剖面图。

本发明的工作原理如下。静压力在由具有不同弹性模量的元件-比如说由一硅板和一玻璃板-构成的组合构件上产生一个变形，用以扩散方式形成在硅板中的压阻元件以电信号的形式检测该变形。硅板上形成有一个切槽，以提供一个可将压阻元件配置在其上的应力集中区域，以便获得较大的阻抗变化。两者都配置在硅板上的差压检测电阻和静压检测电阻，在其结构上是彼此分离的。

本发明的差压变送器的机能可参照图2（a）至2（c）来进一步说明。如图2（c）所示，用硅这样的材料制作的单晶板（8）作为传感器基片，在其上某一位置形成切槽（9），该槽在图2所示的剖面图上呈三角形。压阻元件（10）就形成在单晶板（8）较薄部位的上表面。该单晶板（8）固接到一个具有不同弹性模量的材料-比如说硼硅酸盐玻璃-所形成的底座（11）上。在静压力作用下，单晶板（8）和玻璃底座（11）在其整个表面上承受着其大小等于静压力P的压缩力，因为其弹性模量彼此不同，故玻璃板（11）将产生一个较大的变形;又因为这两个元件是结合在一起的，单晶板（8）将由于玻璃板（11）的压缩变形而产生一呈凸起状的变形。在单晶板（8）的上表面所形成的应力σ如图2（a）中所示。由于切槽的影响，在其较薄部位将产生最大应力。在实际上这一部分应这样设计，即当它承受重复荷载时也不至于在其最大应力下破碎。如图2（6）所示，在这一部位上形成有若干个半导体压阻型力敏电阻G₁至G₄，若假定硅基单晶板（8）的晶向是垂直和水平的，即为＜110＞方向时（参见图2），那么，-P-型元件所产生的阻抗变化△R可表示为

△R＝R (π44)/2 （σ_l-σ_t）（Ⅰ）

其中 R：参考阻抗

π44：压阻元件的剪切系数

σ_l：由静压力在纵向产生的应力

σ_t：由静压力在横向产生的应力

第一取向的压阻型力敏电阻G₁、G₄和第二取向的压阻型力敏电阻G₂、G₃将产生符号相反的阻抗变化，若将它们适当连接成桥路，将产生一个与静压力成比例的输出电压。这四个压阻型力敏电阻G₁至G₄是用已知半导体制造工艺同时扩散到硅板中的方式形成的，因而在这些压阻型力敏电阻之间的阻抗-温度系数的差是相当小的，这意味着使用这四个电阻G₁至G₄组成的惠斯登电桥，使环境温度变化对输出电压变化的影响变得相当小的。因此可以获得与其静压成比例的，不受温度变化影响的较大的输出电压。

在本发明中，由在传感器基片的一部分中形成的分离槽（如图3所示）把差压检测电阻部分与静压检测电阻部分分离开，从而能够精确地测定静压力，而其相互干扰对这一检测的影响极小。

现在参照图3和图4详细地说明本发明的一个实施例。

图3是本发明的一个实施例中的多功能传感器结构的垂直剖面图，它可以应用于半导体压阻电阻型差压变送器。如图3所示，由单晶硅板制造的检测差压的硅基膜片（1）的固定用的较厚部位（1A）被紧密地固定于底座（16），穿过配置在壳体（4）中的气密式密封用玻璃端头（5）的导线（6）将由压阻型力敏电阻得到的信号传递到外电路。密封膜片（12A）、（12B）沿着壳体（4）的相应侧面的外缘紧密固定。由硅基膜片（1）分隔开的腔室（7A）、（7B）用液体-比如说硅油-充满。标号（13A）、（13B）所示的是夹紧壳体（4）用的法兰盘，通过它们可施加差压△P和静压P到差压传感器和静压传感器。

薄的硅基膜片（1A）将在差压△P-即在该膜片两侧的腔室（7A）、（7B）中的被密封了的液体之间的压力差-的作用下变形。在膜片较薄部位扩散形成的半导体压阻型力敏电阻组（14）可以通过把膜片的变形转换为电信号的方式检测其差压。在压阻型力敏电阻组的上面还用蒸发的方式形成有薄膜式导线接头。在硅基膜片（1）的固定用的周边的较厚部位的上表面亦扩散形成有半导体压阻型力敏电阻（15），在其上亦用蒸发方式形成有薄膜式导线接头。

若扩散硼-一种P一型杂质-进入单晶硅板的（100）平面中，其压阻型力敏电阻可以沿其压阻系数基本上为零的＜100＞轴向排列，以便排除任何可能产生电信号的变形。这种设计可用于形成温度检测用的半导体压阻型力敏电阻（15）。

硅基膜片（1）被固定在其上的底座（16）是用其热膨胀系数与硅的相接近的材料-比如说硼硅酸盐玻璃材料-制作的。因同样的原因，支撑底座（16）用的端柱（17）用铁-镍合金制作，且端柱（17）的一部分固接在壳体（4）中。端柱（17）的直径基本上等于形成其硅基膜片（1）的单晶板的直径，从便抑制由于静压力在玻璃基片（16）上所产生的变形，从而防止形成在硅基膜板（1）上差压传感器的压阻型力敏电阻的阻抗的任何相应的变化。玻璃基板（16）的另一部位上固接有一个静压检测传感器（18），在后者的一部分形成有一个槽（19）以形成其较薄的部位。在这个较薄部位的上表面上扩散形成有一个用于检测静压的压阻型力敏电阻（20）。用蒸发方式在压阻型力敏电阻（20）上形成有薄膜式导线接头。利用深槽（29）将静压传感器（18）与差压检测膜片（1）相分离，以便使它们的变形彼此独立，以防止差压信号和静压信号之间的相互干扰。如图2所示，静压传感器（18）可以从压阻型力敏电阻（20）输出一个相应于其静压的较大的输出信号。槽（19）具有放大静态应力的功能，其传感器（18）的这一部分的形状类似于管形，其中充满了硅油，从而使这种传感器对差压△P不敏感，但由于利用了基片与底座间的杨氏弹性模量之差而对由静压产生的变形敏感。可参见对图2的说明。

图4示出了本发明的多功能传感器的方块图。当差压检测膜片（1）的一侧承受压力P而另一侧承受压力P+△P时，差压检测电阻组（14）将检测其差压△P，差压检测电阻组（14）检测出的信号通过导线接头和导线（14b）馈送到模/数转换器（21）。在传感器（18）的较薄部位上形成的、用于静压检测的半导体压阻型力敏电阻（20）检测其静压P，在膜片（1）较厚部位上形成的、用于温度检测的半导体压阻型力敏电阻（15）检测其温度T，由它们检测出的信号通过导线接头（20a）、导线（20b）和导线接头、导线（15b）馈送到模/数转换器。在放大这些信号到所需的某特定水平后，模/数转换器（21）对这些信号进行模/数转换，然后馈给中心处理装置（22）。在中心处理装置（22）中对由模/数转换器所给出的已转换过的数字信号进行预定的运算，以消除静压P的影响并校正其温度的影响。因此，中心处理装置（22）将输出一个仅与其差压△P精确成比例的差压信号。标号（23）所示的是一存储器，它存储有各数据和中心处理装置完成其运算所必需的运算程序。差压信号在显示装置（24）上显示。该差压信号在馈送到其它电路组件之前由数/模转换器（25）再次转换为模拟信号。如果还配置有分离转换装置，则除了可提供精确地与其差压△P成比例的差压信号外，这种差压变送器还可以显示和馈送出与静压P和与温度T成比例的信号。这种变送器还可以补偿外界干扰对差压信号的影响。

图5示出了图3所示的差压变送器的一种变型。在这个实施例中，分离凹槽（29A）的深度仅达硅单晶板（1）的中部。这种结构也能有效地减小在差压检测压阻型力敏电阻（14）和静压检测压阻型力敏电阻（20）之间的相互干扰。分离凹槽越深，其相互干扰越小。当分离凹槽的深度为0.2毫米时，这种相互干扰就减小到没有分离凸槽时的 1/5 左右。虽然这种凹槽可以采用机械切割方法来形成，但最好是采用化学加工方法-比如说碱性蚀刻法或酸性蚀刻法-来形成，因为化学加工方法对敏感元件所产生的机械变形更小，且损坏的可能性亦更小。

图6示出了另一种变型。在这个实施例中，静压传感器（18）是以完全与其它传感器相分离的方式形成的，从而使它不会受到差压的影响。这就是说，差压传感器（1）和静压传感器（18）是彼此独立的，静压传感器（18）产生的输出仅仅为其静压力的输出，而不含有来自差压传感器（1）的串馈或称干扰。因此，在这种包含有一个压力接收部分的差压变送器中，由高静压引起的补偿误差是非常小的。

本发明的上述实施例的优点可以总结如下：

（1）.可以获得一个与差压△P成比例的、且消除了由静压P引起的壳体（4）的变形所产生的误差的输出。

（2）.当环境温度T变化时，检测差压△P和静压P的压阻型力敏电阻（14）、（20）的特性也随之变化;但是，因为用于温度检测的半导体压阻型力敏电阻（15）的输出可用于补偿温度的变化，因而仍可以获得分别与差压△P和静压P成比例的、不受其温度变化影响的输出。

（3）.在传感器基片的一部分中形成有分隔凹槽，以便使差压检测电阻和静压检测电阻彼此隔离，这样，由静压所引起的差压检测压阻型力敏电阻的相应变形是相当小的，由差压所引起的静压检测压阻型力敏电阻的相应变形也是相当小的。也就是说，在这些压阻型力敏电阻之间的相互干扰是相当小的，从而能对测量进行更精密的修正或校准，提高差压变送器的精度。

（4）.可以用半导体加工工艺制作半导体压阻型力敏电阻（14）、（20）、（15），传感器基片的较薄部位也可以用熟知的半导体精密制造技术方便的制作，从而使得这种差压传感器可以以更小的尺寸制成。

采用本发明，可以实现其温度变化仅产生一相当小的误差的高灵敏的静压检测，并能形成其差压信号和静压信号之间仅有相当小的相互干扰的传感器。而这两个特征又使得温度和静压补偿更容易进行，从而使得提供一种高精度的差压变送器成为可能。

在本发明中，由于传感器基片和底座元件之间的杨氏模量不同，静压力将使其传感器基片产生应力;而且半导体压阻型力敏电阻配置在其上的传感器基片中形成有较薄内侧或凹槽，以便在压阻型力敏电阻的部位产生一局部应力并因此而放大其压阻型力敏电阻的阻抗变化。因此，若在传感器元件配置有力敏电阻的表面和另一表面之间没有压力差时，本发明还可以用来检测作用于传感器整体上的静压力。

Claims

1、一种差压变送器，包括：

一个传感器基片；

一个用于装置该传感器基片的底座；

一个差压传感器，形成在传感器基片的一部分上；

一个静压传感器，形成在传感器基片的另一部分上；

其特征为在传感器基片上位于差压传感器和静压传感器之间形成的第二凹槽减少了两传感器之间的相互干扰。

2、根据权利要求1所述的差压变送器，其特征在于所述静压传感器利用所述传感器基片与底座之间杨氏弹性模量差来检测液体静态压力。

3、根据权利要求1所述的差压变送器，其特征在于所述差压传感器在传感器基片较薄部分形成，所述静压传感器在传感器片较厚部分形成。

4、根据权利要求2所述的差压变送器，其特征在于所述差压传感器在传感器基片较薄部分形成，所述静压传感器在传感基片较厚部分形成。

5、一种差压变送器，包括：

-第一传感器基片;

-第二传感器基片;

-第一底座用于装置第一传感器基片;

-第二底座用于装置第二传感器基片;

-差压传感器，在所述第一传感器基片上形成;

-静压传感器，在所述第二传感器基片上形成;

其特征为第一传感器基片与第二传感器基片是分离的，以消除两传感器间听相互干扰。

6、根据权利要求5所述的差压变送器，其特征在于所述静压传感器利用第二传感器基片与第二底座之间的杨氏弹性模量之差检测所述液体的静态压力。

7、根据权利要求5所述的差压变送器，其特征在于所述差压传感器在第一传感器基片较薄部分形成。

8、根据权利要求6所述的差压变送器，其特征在于所述差压传感器在第一传感器基片较薄部分形成。

9、一种差压变送器，包括：

一个传感器基片;

一个用于装置该传感器基片的底座;

一个差压传感器，在所述传感器基片的一部分上形成;以及，一个静压传感器，在传感器基片的另一部分上形成，利用传感器基片与底座之间杨氏弹性模量之差来检测液体的静态压力;

其特征在于传感器基片具有第一凹槽，使所述静压传感器检测到静态压力所必造成的峰值压力，该传感器基片还具有第二凹槽，在差压传感器与静压传感器之间形成，以减少两传感器之间的相互干扰。