CN1024592C - 测压传感器 - Google Patents

Abstract

本压力测定传感器装有膜片，该膜片包括固定在压力测定传感器主体上的较厚的周边固定部分、受被测压力作用而移动的受压部分、及相应于受压部分的移动而产生应变的应变部分，该受压部分具有的形状是在随着被测压力的变化而移动时，实质上能产生与刚性构件同样作用的形状，应变部分对应于受压部分的移动，实际上受挠曲应力的作用。因此在应变部分上形成的若干个测量电阻受到与被测压力成正比的拉伸应力或压缩应力的作用。

Description

本发明涉及压力测定传感器，特别是涉及检测响应其两侧压差的膜片的动作而测定加在该膜片上的压力或压差的压力测定传感器。

以往，在这种压力测定传感器的中央部分装有一薄膜片，在该膜片周边部分的一面上，形成用来检测由加在该膜片上的压力产生的膜片应力的测量电阻，因此压力无论加在膜片的哪一侧，该压力都会使膜片产生挠曲，因此加在测量电阻上的应力主要是张力。也就是说，当压力小时，相对于一个方向，张力起作用，相对于另一个方向，压缩力起作用，而当压力进一步变大时，相对于一个方向的张力变得更大，而相对于另一个方向的压缩力则逐渐变成张力。因此，随着膜片的挠曲方向的不同，从测量电阻获得的输出特性也就不同，所产生的这种现象是不合适的。

作为改善了这种现象的以往的技术，有JP-A-51-69678中公开发表的压力测定传感器。根据这种技术，膜片由硅等半导体制成，该膜片中央部分厚，而周边部分薄，构成随着膜片上所加压力的变化而变形的应变部分（产生形变的部分）。在这种情况下，在厚度转薄的部分，利用扩散法或离子注入法形成测量电阻，这样一来，压力测定传感器对应于加在膜片上的压力的施加方向，应变部分上下挠曲应力起作用，因此在测量电阻上，对应于一个方向的压力，张力起作用，而对应于另一个方向的压力，压缩力起作用。因此，即使加在膜片上的压力方向不同，对应于两个方向也能得到大致 相同的输出特性，即能得到大致对称的正反特性。

然而，在这种结构的压力测定传感器中，若以测定低压为目的时，其应变部分的厚度就非常薄，与最初的那种膜片整体厚度很薄的以往的实例一样，对应于两个方向的压力，测量电阻上的张力占优势，其结果，测量电阻的输出特性的线性变坏。

在力图使压力测定传感器小型化的情况下，应变部分也仍然变小，因此为了确保所规定的电平以上的输出，就必须使膜片上的应变部分厚度进一步减薄。但这时上述的缺点就显得更大了，因此以前实际上小型化是很困难的。

本发明的目的是提供一种即使在测定低压或低压差的范围内也具有良好的线性、且正反特性的对称性也好的压力测定传感器。

本发明的压力测定传感器，其对压力进行响应的膜片具有固定在支承部件上的较厚的周边部分、形成数个测量电阻的较薄的环形应变部分、将这些测量电阻与电路连接起来的配线部分、以及具有很强的刚性效应的中央部分。该中央部分能根据被测压力的变化而使膜片变形，但作用在应变部分上的主要是挠曲应力，而拉伸应力极小。

这样，由于中央部分具有很强的刚性效应，所以在中央部分的周边上形成的应变部分起着悬臂横梁的作用，应变部分产生的形变主要是挠曲作用。其结果，对应于一个方向的压力，测量电阻受到的是压缩力作用，而对应于另一个方向的压力，受到的则是拉伸力作用，因此正反特性可以获得对称的输出特性。

附图的简单说明：

图1是装有与本发明有关的测定膜片的压力、压差检测器的纵剖面图，图2是测定膜片的平面图，图3是电路配线图，图4至图6是 表示测定膜片的变更实施例的纵剖面图。

下面根据附图来说明本发明的实施例。

图1是与本发明有关的压力测定传感器的纵剖面图，图2是测定膜片的平面图，图3是配线结构图。图1中，1是用单晶硅制成的用来测定压力或压差的膜片。膜片1通过其轴心部位有孔2a的第1支承部件2和有同样的孔3a的第2支承部件3安装在外壳4上。即膜片1固定在第1支承部件2的上面。第2支承部件3被安装在第1支承部件的下面。支承部件2和3的各轴孔2a和3a共轴配置。外壳4的中央部分的上方形成一个开放的较大的空间5，外壳4的底部4a有一孔4b。第2支承部件3的下部突出部分3b的下端被嵌入在该孔4b中，且用焊接等方法将其固定设置。由膜片1和第1及第2支承部件2、3构成的组合件就配置在上述外壳4的空间5中。在外壳4的周围壳壁上沿上下方向形成若干个用来配置引出线6的通孔4c。

考虑到测定压力或压差的膜片1和外壳4之间的电绝缘及由上述两者之间的线胀系数的不同而产生的热应变，上述第1支承部件2最好采用具有与制成膜片1的硅相近似的线胀系数的硼硅酸盐玻璃来制作。另外，关于第2支承部件3，考虑到线胀系数和用焊接等方法将其安装到外壳4上，故第2支承部件3最好采用具有与硅的线胀系数相近似的线胀系数的Fe-Ni合金或Fe-Ni-Co合金制成。如果采用上述材料制成第1支承部件2和第2支承部件3，则膜片1、第1支承部件2和第2支承部件3可用阳极接合方法将它们连接起来，这样便可制成图1所示的组合件。

作为用来制作测定压力或压差用的膜片1的材料，是使用 （100）面（与X轴垂直的面）的n型单晶硅，在膜片1的周边部分形成厚的固定部分1a。在膜片1的中央部分，且在形成测量电阻的面的旁边形成凹陷部分1b。在固定部分1a的内侧、而在凹陷部分1b的外周侧，设有厚度较薄的应变部分1c，在其下侧形成开放的环形槽。膜片1利用固定部分1a被固定在第1支承部件2上。图1中凹陷部分1b的上方有开放的开口部分，而下侧、即同第1支承部件2配置的一侧呈突出状。在形成环形的应变部分1c的上表面，如图2所示，形成P型测量电阻11～14，这些电阻相对于表示（100）面上的压电电阻系数的最大灵敏度的<110>轴向（即（110）面的法线方向）分别平行或分别垂直设置。图中所示之例，是形成四个测量电阻。作为测量电阻的形成方法，是采用扩散法或离子注入法。应变部分1C上面的测量电阻11～14的配置位置，最好是在靠近应变部分的固定部分1a处。这是因为该测量电阻的配置位置，在施加压力或压差时，是应变部分1C上沿半径方向或沿周围产生的应变最大的地方。

上述四个测量电阻11～14，如图3所示，其电路连接方式构成惠斯登电桥回路，这种构成方式能获得差动电信号输出。图2及图3中的15是测量电阻，该测量电阻15是相对于表示（100）面上的压电电阻系数的最小灵敏度的<100>轴向平行配置的热敏电阻。利用该热敏电阻15，能获得有关膜片1周围的环境温度的信息。在膜片1的上表面，有保护测量电阻11～15用的氧化膜16，还没有将各测量电阻11～15连接成如图3所示的连线结构用的铝导线17和焊接点a～g。

测定压力或压差的膜片1，如图2所示，其平面形状例如呈正方 形，其中央部分形成例如呈八边形的平面状的凹陷部分1b。该凹陷部分1b由底板21和环形的侧壁板22构成。在该实施例中，作为一个例子，底板21平行于膜片1的上表面，侧壁板22则是倾斜的。由于在膜片1上形成凹陷部分1b，如图1所示，膜片1的中央部分向下方突出。构成凹陷部分1b的侧壁板22的厚度与应变部分1C的厚度相同或比它更厚一些。另外，底板21的厚度也可以做得与侧壁板22的一样。如上所述，由于在膜片1上形成了由底板21和侧壁板22构成的向图1中下方凹陷的凹陷部分1b，则膜片1相对于其形状的中轴线呈对称形状，从而自图1中上方及下方施加压力所获得的各受压特性也是对称的。由于所形成的膜片1在其中央部分设有这样一个凹陷部分1b，且该凹陷部分1b比其周边的环形应变部分1C具有较大的刚性，其结果，应变部分1C起着沿凹陷部分1b的中轴线方向所受负荷力的横梁作用。总之，当在膜片1上施加压力或压差时，应变部分1c便产生应变，而在凹陷部分1b的侧壁板22与底板21之间，或者在侧壁板22与应变部分1c之间产生挠曲应变。由于这种挠曲应变，使得应变部分1c上的拉伸力的作用不太大，受力大的一方，产生的挠曲应变也大。

在上述膜片1的作用中，因压力P与膜片1的受压面积S之积和平衡反作用力，都受应变部分1C的反作用力的制约，即使凹陷部分1b的底板21和侧壁板22的厚度有变化，但如果应变部分1c的厚度与底板21和侧壁板22的厚度相同或比它们的厚度小，那么应变部分1c产生的应变就几乎无变化。也就是说，底板21和侧壁板22的厚度与应变部分1c的厚度相同或比它的厚度大是一个条件。另外，由侧壁板22和底板21构成的凹陷部分1b，以应变部分 1c作为与厚的固定部分1a之间的边界。

一般来说，如果应变部分1c的厚度较薄，则该厚度越薄，膜片1的应变部分1c产生的膜应力（即拉伸应力）越大，但如果采用具有本实施例之结构的膜片的应变部分1c，那么所增大的只是侧壁板22与底板21之间或侧壁板22与应变部分1c之间作用的挠曲应变，而其膜应力减小。在膜片1上，凹陷部分1b的形状不是从应变部分1c开始连续地延长，凹陷部分1b的应变与应变部分1c的应变彼此是间隔开产生的。因此，如果从应变部分1c的应变作用来看膜片1的应变作用，那么由凹陷部分1b构成的中央部分起着高刚性部分的作用。因此，应变部分1c具有作为呈高刚性的中央部分的悬臂梁的机能。其结果，作用于应变部分1c上的膜应力非常小，可以忽略不计，从而只有挠曲应力作用于应变部分1c上。

如上所述，由于在本实施例所采用的膜片1上，其中央部分设有一个呈高刚性的凹陷部分1b，所以在从正向（上方）向膜片1施加压力时，便有与该压力成正比的压缩力作用于测量电阻11～14上，另外，当从反向（下方）向膜片1施加压力时，便有与该压力成正比的张力作用于测量电阻11～14上。这样，应变部分1c对应于正反压力产生完全对称的应变，从而能获得具有良好正反特性的膜片。

如果对此改变一下我们的见解，可将本实施例中采用的膜片1这个由应变部分1c、侧壁板22和底板21构成的连续件，看成以各部分的边界作为支点的波纹状隔膜。膜片1的形变及膜片1上产生的应变，与压力的施加方向无关，可以充分地确保膜片1的压力-输出关系呈线性。

具有上述形状的膜片1，通常是采用湿式腐蚀法或干式腐蚀法加工而成。采用这种制作方法时，首先在平板状的膜片材料上，利用给定膜片下面形状的掩模进行腐蚀，保留固定部分1a和中央部分，形成环状的应变部分1c。然后用给定掩模在膜片的固定部分1a和应变部分1c上面进行腐蚀，保留前面所述的侧壁板22和底板21，形成凹陷部分1b。进行这些腐蚀所使用的掩模，可以用例如光刻胶膜或氧化膜等。另外，在上述的说明中，是对图1所示的膜片1的上面和下面分别进行腐蚀的程序进行了说明，但也可以同时进行腐蚀而制成。如上所述，由于在膜片1的中央部分形成凹陷部分1b，从而形成高刚性部分，制作时可以利用在实质上与原来的膜片制造设备相同的设备，所以不会产生制作成本的问题。

另外，在膜片1上，如图2所示，在应变部分1c及位于中央的高刚性的凹陷部分1b上完全不配置铝导线17，而是只配置在周边的固定部分1a上。这是因为：第一，在形成凹陷部分1b之后，无形成配线程序，以减少加工程序;第二，施加压力时，应变部分1c和凹陷部分1b上会产生很大的应变，而且随着环境温度的变化而有很大的变化，会对铝导线产生不良影响。这样，由于铝导线17的配置位置是在膜片1的固定部分1a上，所以能避免施加压力时产生的强应变和温度变化时产生的热应变（硅和铝的线胀系数不同）对铝导线的影响。

在外壳4的通孔4c中装有密封件31和引出线6。引出线6的上端和下端都被延伸到通孔4c的外面。在外壳4的上面给定的地方设有配线板32，配线板32与引出线6相连接。另外，配线板32通过引线33，与上述对应的铝导线17连接，这样就可以通过引出 线6将由测量电阻11～14检测到的有关压力的电信号取出来。

将被测定的流体的压力施加到具有上述结构的如图1所示的膜片1的上表面和下表面两者中的至少一个面上，便可得到与该压力或压差相对应的电信号。再者，可以设置密封膜片等隔膜，在其内部注入封闭液，使被测定的流体不直接接触测定膜片1的上、下表面。

图4所示是本发明的第2个实施例。该实施例使用的膜片1，其中央部分形成的凹陷部分1b的底板21上，形成一个其剖面形状例如呈梯形的凸起部分41，该凸起部分41的厚度比底板21的厚度要厚。从而在凹陷部分1b中的凸起部分41的周围形成环形槽42。其它结构与图1所示的膜片相同。还有，图4中省略了膜片1以外的结构部分。

图5示出了本发明的第3个实施例。该实施例中的膜片1具有与上述第2个实施例相同的结构。不同的是构成凹陷部分1b的侧壁板22和底板21、以及应变部分1c的厚度变薄。

即使是具有上述结构的第2及第3个实施例中的膜片，由于在侧壁板22和底板21之间，以及在侧壁板22和应变部分1c之间产生的弯曲作用，则在应变部分1c上产生的不是拉伸应力，而是挠曲应力，因此能发挥与第1个实施例相同的技术效果。

图6所示是本发明的第4个实施例。与图4及图5所示的第2及第3个实施例相比较，在凸起部分41的下侧形成一个开放的空腔41′，还设有形状弯曲部分22′。该形状弯曲部分22′的厚度与应变部分1c的厚度相同，但最好比它的厚度再厚一些。图6所示是与图5对应的实施例，该图中虚线A表示形成与图4对应的实施例时的形状弯曲部分22′的厚度。

如果采用图6所示的实施例，形状弯曲部分22和22′形成双层结构，即形成波纹状，所以应变部分1c上，与压力的变化相对应的膜应力被大幅度地减小，几乎只产生挠曲应力，因此能获得正反对称的输出特性。再者，因中央部分是空腔，所以减轻了重量，因而增大了固有频率，故可进行对含有高频成分的压力变化能进行响应的压差测量。

通过上述说明可知，如果采用本发明，使膜片的中央部分给定的形状变化，形成高刚性部分，在其周围设有应变部分，所以即使使应变部分的厚度变薄，也能获得非常好的检测输出，由于应变部分产生的应变主要是挠曲，所以提高了检测特性的线性，而且正反特性变好。因此即使在低压范围内，也能进行精度优异的检测。由于在膜片上形成凹陷部分，实际上使得受压面积增大，反过来说，为了获得同样的灵敏度，与以往相比，具有能使测定膜片小型化的优点。

Claims (12)

1、一种压力测定传感器，包括：压力测定传感器主体(2～4)；膜片(1)，该膜片(1)外设有应被固定在该主体上的较厚的周边固定部分(1a)、受到被测压力的作用而移动的受压部分1b、以及对应于受压部分的移动而产生应变的固定在上述周边固定部分的应变部分(1u)；设置在上述应变部分上的数个测量电阻(11～14)；以及连接这些测量电阻，并输出与上述被测压力成正正比的电信号的电路(6、32、33)，其特征为：

所述受压部分是在膜片的原的周边固定部分向内侧突出出来形成的，膜片的中心部分为受压部分；所述受压部分具有固定在上述应变部分上的呈环状漏斗状的侧壁板，以及固定在该侧板上的、且与该侧壁板一起构成凹陷部分的底板；对应于一个方向的压力，各测量电阻受到的是拉伸应力或是压力应力，

上述受压部分(1b)随着上述被侧压力的变化而移动时，具有实质性的刚性构件和成型后的形状，以便产生同样的作用，而且对应于随上述被测压力的变化而移动的上述受压部分的移动，上述应变部分(1c)实承上受到的是挠曲应力，因此，上述数个测量电阻受到与上述被测压力成正比的拉伸应力或压缩应力的作用。

2、根据权利要求1所述的压力测定传感器，其特征为：上述受压部分（1b）具有固定在上述应变部分（1c）上的大致呈环状的侧壁板（22），以及固定在该侧板上的、且与该侧壁板一起构成凹陷部分的底板（21）。

3、根据权利要求2所述压力测定传感器，其特征为：上述侧壁板和上述底板的厚度与该应变部分的厚度相同或更厚一些。

4、根据权利要求2所述压力测定传感器，其特征为，上述受压部分是在上述厚的周边固定部分受侧突出出来形成的。

5、根据权利要求2所述压力测定传感器，其特征为，上述侧壁板呈漏斗状。

6、根据权利要求2所述压力测定传感器，其特征为：上述应变部分由设在上述侧壁板的外周侧大致呈环形的槽构成。

7、根据权利要求1所述压力测定传感器，其特征为：构成上述电路的一部分、且连接上述侧量电阻的导线设置在上述周边固定部分上。

8、根据权利要求1所述的压力测定传感器，其特征为：上述主体包括一端为开放端、底部中央有通孔（4b）的杯状外壳（4）和支承部件（2、3），该支承部件（2，3）的中央有与上述通孔（4b）联通的通孔（3a、2a），且该支承部件（2、3）与上述周边固定部分（1a）保持固定。

9、根据权利要求1所述压力测定传感器，其特征为：上述受压部分（1b）包括其一端固定在上述应变部分（1c）上的大致呈环形的侧壁板（22）、固定在该侧壁板的另一端的底板（21）、以及在该底板的中央形成的较厚的部分。

10、根据权利要求9所述压力测定传感器，其特征为：上述中央较厚的部分是由于在上述侧壁板内侧形成大致呈环形的槽而设置的。

11、根据权利要求1所述压力测定传感器，其特征为：上述受压部分（1b）形成了若干个波纹状的侧壁板。

12、根据权利要求11所述压力测定传感器，其特征为：上述受压部分包括其一端固定在上述应变部分（1c）上的大致呈环状的第1侧壁板（22）;其一端固定在该第1侧壁板的另一端的底板（21）;固定在该底板内侧一端的第2侧壁板（22′）;以及该第2侧壁板上备有薄的中央部分。

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