CN104956194A - 压力传感器、使用该压力传感器的质量流量计以及质量流量控制器 - Google Patents

压力传感器、使用该压力传感器的质量流量计以及质量流量控制器 Download PDF

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Abstract

得到改善了应变传感器的初始零点的输出偏移及伴随着温度变化的零点的输出变动的压力传感器。为了解决上述问题，本发明的压力传感器的特征在于，具有：由第一材料形成的隔膜、以及接合在该隔膜上且在第二材料形成有多个应变仪的应变传感器，所述隔膜由支承部和因压力而变形的薄膜部构成，所述应变传感器与从所述隔膜的中心离开的端部位置接合，而且，在相对于从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向垂直的方向上且在与所述应变传感器邻接或相距规定距离的隔膜上，形成有台阶。

Description

压力传感器、使用该压力传感器的质量流量计以及质量流量控制器
技术领域
本发明涉及压力传感器，特别是涉及适合于利用隔膜的伴随着压力施加的变形来检测压力的压力传感器、使用该压力传感器的质量流量计以及质量流量控制器。
背景技术
作为利用隔膜的伴随着压力施加的变形来检测压力的压力传感器，众所周知有通过在隔膜上形成(贴附等)应变仪，从而检测隔膜的伴随着压力施加的变形作为应变的压力传感器。
即使是很小的变形，上述应变仪也会改变自身的电阻。通常，经常使用应变仪以4个为一组形成，并通过构成桥接电路而作为与压力成比例的差分电压输出进行测量的方法，能够构成桥接电路，并补偿应变仪本身的温度特性。例如，即使应变仪本身具有温度特性，在由温度变化导致的4个应变仪的变形分别相等时，应变传感器的输出也不变动。
另外，在测量对象的压力低的情况下，使用如下结构的压力传感器:通过将硅基板局部薄膜化而形成作为受压部的硅隔膜，并在该隔膜上利用杂质扩散来形成应变仪。该传感器具有灵敏度高、能够以一体结构形成IC等优点。
然而，该传感器不适合测量对象的压力高的情况或需要耐腐蚀性的情况，较多使用在金属制的隔膜上贴附应变仪或贴附形成了应变仪的应变传感器这种结构的压力传感器。
在专利文献1中公开了压力传感器，由第一材料构成的第一隔膜构成为将与温度相关的横向膨胀传递给第二材料的应变传感器的应变仪，横向膨胀的传递经由设置于第一隔膜与第一区域的至少一部分之间的第一结合材料来进行。而且，由第一材料构成的第一隔膜具有比第二材料的应变传感器大的热膨胀系数，第一隔膜将与温度相关的横向膨胀传递给应变传感器的应变仪，并经由设置于第一隔膜与第一区域的至少一部分之间的第一结合材料进行横向膨胀的传递。
另外，在专利文献2中记载了由隔膜的直径方向上的厚壁的梁部、除该厚壁的梁部之外的薄壁的膜部以及形成在厚壁的梁部的上表面的应变传感器构成的半导体压力传感器的隔膜，能够设想由厚壁的梁部和薄壁的膜部形成台阶。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-227283号公报
专利文献2：日本特开平6-241930号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在上述专利文献1中，记载了防止由应变传感器与隔膜的热膨胀系数之差导致的应变传感器的破损的压力传感器的结构，但不能期待改善由在高温下固定应变传感器导致的初始零点输出的偏移、伴随着传感器使用时的温度变化的零点输出的变动的效果。
通常，在将应变传感器设置在伴随着压力施加、温度变化而使得应变传感器各向同性地变形的位置的情况下，由于桥接电路的功能,输出不会变动。但是，为了伴随着压力施加而得到输出，应变传感器的设置位置需要是应变传感器会产生应变的差的位置。因此，伴随着温度变化而由应变传感器与隔膜的热膨胀系数之差引起的应变传感器的变形也不是各向同性，并产生上述问题。
即，在以往结构的压力传感器中，在隔膜薄膜部的端部固定了应变传感器的情况下，伴随着温度变化而产生输出。这是由于，作为隔膜的材料的钢的热膨胀系数与作为应变传感器的材料的硅的热膨胀系数具有5倍以上的差。用于高效地将隔膜薄膜部的变形传送给应变传感器的接合层由作为坚硬的材料的Au/Sn、Au/Ge形成的影响也较大。
另外，当压力传感器的外部的温度降低时，应变传感器在X方向(参照图2)和Y方向(参照图2)均产生压缩的应变。如果两者的应变相等则输出不变化，但由于在隔膜薄膜部的端部的较厚的部分固定有应变传感器，因Y方向的压缩应变比X方向大，所以输出会变化。其原因在于，X方向由于隔膜薄膜部变形而使得应力缓和，在Y方向上，由于隔膜薄膜部的面积小而难以变形，所以与X方向相比不能缓和应力。
另外，由于在隔膜与应变传感器的固定时，使用Au/Sn共晶接合等280℃以上的高温下的接合，所以当在接合后使温度降低时，在X方向和Y方向上产生应变差，并作为初始零点的输出偏移被检测到。当产生该初始零点的输出偏移时，会产生需要用于将偏移量修正为零的电路或压力传感器的使用范围变窄等问题。另外，在压力传感器的使用时，由于在民生用压力传感器中有100℃左右的温度变化，在车载用压力传感器中有160℃左右的温度变化，所以压力传感器的零点输出也会变动。
另外，在专利文献2中未记载应变传感器配置在隔膜的端部，应变传感器与台阶的位置关系也不清楚，明显不能解决上述问题。
本发明鉴于上述点做出，其目的在于提供一种改善了应变传感器的初始零点的输出偏移及伴随着温度变化的零点的输出变动的压力传感器、使用该压力传感器的质量流量计以及质量流量控制器。
用于解决问题的手段
为了实现上述目的，本发明的压力传感器的特征在于，具有：由第一材料形成的隔膜、以及接合在该隔膜上且在第二材料形成有多个应变仪的应变传感器，所述隔膜由支承部和因压力而变形的薄膜部构成，所述应变传感器与从所述隔膜的中心离开的端部位置接合，而且，在相对于从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向垂直的方向上并且在与所述应变传感器邻接或相距规定距离的隔膜上，形成有台阶。
另外，为了实现上述目的，本发明的质量流量计的特征在于，装入上述结构的压力传感器来监视评价对象的压力。
而且，为了实现上述目的，本发明的质量流量控制器的特征在于，装入上述结构的压力传感器来监视评价对象的压力。
发明效果
根据本发明，能够得到一种改善了应变传感器的初始零点的输出偏移及伴随着温度变化的零点的输出变动的压力传感器、使用该压力传感器的质量流量计以及质量流量控制器。
附图说明
图1是表示本发明的压力传感器的实施例1的整体结构的俯视图。
图2是包括沿着虚线A-A的剖面的图1所示的压力传感器的立体图。
图3表示在本发明的压力传感器中采用的应变传感器，是由4个应变仪形成的桥接电路的例子。
图4是表示本发明的压力传感器的实施例1中的由隔膜和应变传感器构成的受压结构的俯视图。
图5是沿着图4的单点划线A-A的剖视图。
图6是表示本发明的压力传感器的实施例2中的由隔膜和应变传感器构成的受压结构的俯视图。
图7是沿着图6的单点划线A-A的剖视图。
图8是表示本发明的压力传感器的实施例3中的由隔膜和应变传感器构成的受压结构的俯视图。
图9是沿着图8的单点划线A-A的剖视图。
图10是表示本发明的压力传感器的实施例4中的由隔膜和应变传感器构成的受压结构的俯视图。
图11是沿着图10的单点划线A-A的剖视图。
图12是表示本发明的压力传感器的实施例5中的由隔膜和应变传感器构成的受压结构的俯视图。
图13是沿着图12的单点划线A-A的剖视图。
图14是表示本发明的压力传感器的实施例6中的由隔膜和应变传感器构成的受压结构的俯视图。
图15是沿着图14的单点划线A-A的剖视图。
图16是表示本发明的压力传感器的实施例7中的由隔膜和应变传感器构成的受压结构的俯视图。
图17是沿着图16的单点划线A-A的剖视图。
图18是表示本发明的压力传感器的实施例8中的由隔膜和应变传感器构成的受压结构的俯视图。
图19是沿着图18的单点划线A-A的剖视图。
图20是表示本发明的压力传感器的实施例9中的由隔膜和应变传感器构成的受压结构的俯视图。
图21是沿着图20的单点划线A-A的剖视图。
具体实施方式
以下，基于图示的实施例说明本发明的压力传感器。此外，本发明的对象为压力传感器，在以下实施例中，以使用了应变传感器的绝对压力传感器为例进行说明。另外，在各实施例中，对相同的构成部件使用相同的附图标记。
实施例1
首先，使用图1和图2说明作为本发明的对象的压力传感器的整体结构。
如该图所示，在本实施例中的压力传感器1大致由气密壳体5、配置在形成于该气密壳体5的中央部的气密空间6中的隔膜2、以及经由接合层4设置在该隔膜2上的应变传感器3构成。
上述隔膜2由隔膜薄膜部21、支承该隔膜薄膜部21的隔膜支承部22、将隔膜支承部22固定于气密壳体5的凸缘23、以及在后面详细说明的设置于隔膜薄膜部21的台阶(未图示)构成。
另外，隔膜2由第一材料形成，例如将耐腐蚀性高的钢等金属材料作为材质。而且，隔膜2形成为圆筒状，通过加工将中央部薄膜化或将实施了加工的薄基板重叠，从而形成隔膜薄膜部21。作为薄膜化的加工方法，有切削、冲压加工、扩散接合等。
另一方面，隔膜薄膜部21的端部形成有圆角，成为缓和伴随着压力施加、温度变化的应力集中的结构。另外，隔膜薄膜部21成为如下结构：从与应变传感器3的设置面相反的面受到测量对象的压力而变形，在接合的应变传感器3上产生与压力成比例的应变。而且，隔膜支承部22由于比隔膜薄膜部21厚，因此成为难以因测量对象的压力的影响而变形的结构。另外，凸缘23为了将隔膜支承部22与气密壳体5连接而形成，具有能够进行电阻焊或激光焊接的厚度和宽度。
接着，使用图1至图3说明应变传感器3的结构。如图3所示，在应变传感器3的表面中心形成有4个应变仪7a、7b、7c、7d，并构成4个一组的桥接电路。另外，应变传感器3由线膨胀率与隔膜2的第一材料不同的第二材料(例如硅等)形成，应变仪7a、7b、7c、7d例如通过在硅基板上进行杂质扩散等而形成。而且，应变仪7a、7b配置成：作为图2所示的隔膜2的水平方向的、从隔膜2的中心到接合了应变传感器3的方向(以下称为X方向)成为电流方向，应变仪7c、7d配置成：作为图2所示的隔膜2的前后方向的、相对于从隔膜2的中心到接合了应变传感器3的方向垂直的方向(以下称为Y方向)成为电流方向。
通过这样的应变传感器3的结构，能够得到与X方向和Y方向的应变差成比例的输出，作为桥接电路的中间电位的差分输出。另一方面，如果在4个应变仪7a、7b、7c、7d中温度特性相等，则阻抗变化也相等，能够用桥接电路补偿应变仪7a、7b、7c、7d的应变系数(gaugefactor)的由温度特性带来的影响。
另外，在以轴对称方式在隔膜2的中央配置应变传感器3时，圆筒状的隔膜2的由压力导致的变形不能得到X方向和Y方向的应变差。因此，为了提高灵敏度，应变传感器3设置在隔膜薄膜部21的端部。通过将应变传感器3设置在隔膜薄膜部21的端部，在应变传感器3上，在X方向和Y方向上分别产生压缩应变和拉伸应变，能够加大应变差。由此，可预见压力传感器1的灵敏度的提高。
另外，隔膜2与应变传感器3经由接合层4牢固地固定。
例如，通过在隔膜2与应变传感器3的接合中使用金属接合或玻璃接合，能够抑制伴随着长时间的温度、压力施加的蠕变变形。另外，由于金属是坚硬的材料，因此，能够效率良好地将隔膜薄膜部21的变形传递给应变传感器3。
作为上述的金属接合，能够使用Au/Sn共晶接合或Au/Ge共晶接合等，能够在280℃以上的高温下接合。另外，作为上述的玻璃接合，能够使用钒类低熔点玻璃(V-glass)，能够在370℃以上的高温下接合。
另外，气密壳体5以包围隔膜2、应变传感器3的方式与凸缘23固定，并将隔膜薄膜部21周围的气密空间6维持在一定气压(例如真空)。为了固定气密壳体5与凸缘23，例如能够使用电阻焊、激光焊接等能够维持气密性的固定方法。由此，在使用压力传感器1时，能够构成作为不会受到测量对象以外的压力变动的影响的绝对压力传感器。
而且，能够在气密壳体5上设置用于将压力传感器1固定在规定位置的多个螺纹孔。该螺纹孔优选为，例如设置在从隔膜2离开的位置，以免因螺纹紧固而导致意外的应力施加在气密壳体5上从而给利用应变传感器3进行的应变的测量带来不良影响。
另外，能够在压力传感器1上设置可以将来自应变传感器3的输出取出到外部的电极(未图示)。该电极例如能够以具有电绝缘的方式使多条电极贯通设置在将气密壳体5的气密空间6和外部连通的孔中。而且，电极的气密空间6侧的端部与应变传感器3例如能够使用柔性扁平电缆等具有柔软性的布线部件(未图示)进行电连接。由此，即使在隔膜薄膜部21及与之接合的应变传感器3根据评价对象的压力变动而移动了的情况下，也能够稳定地维持电极与应变传感器3的电连接。
接着，使用图4及图5说明设置于本实施例中的隔膜薄膜部21的台阶24。此外，图4的虚线是表示隔膜薄膜部21的外形的隐线(以下说明的各实施例中的虚线也同样如此)。
如该图所示，在本实施例中，通过对隔膜2实施加工，使隔膜2在Y方向上也容易变形，并降低了施加在应变传感器3上的Y方向的压缩应变。即，在相对于从隔膜2的中心到接合了应变传感器3的方向(X方向)垂直的方向(Y方向)上，且在与应变传感器3邻接或相距规定距离(包括安装错位(包括加工偏移)，包括隔膜薄膜部21的范围的距离)的隔膜2上形成了台阶24a、24b。也就是说，如图4及图5所示，在本实施例中，通过将隔膜2的表面往下挖，以在应变传感器3的Y方向上隔着应变传感器3的方式在两个位置形成台阶24a、24b。通过形成该台阶24a、24b，Y方向上的隔膜薄膜部21的变形变容易，X方向和Y方向上的应变差变小，所以能够抑制伴随着温度变化的零点的输出变动。
上述的台阶24a、24b以不贯通隔膜薄膜部21的一定深度形成。另外，在台阶24a、24b的X方向上，台阶24a、24b的长度以与接合的应变传感器3同等的长度形成，台阶24a、24b的位置从应变传感器3的一端到另一端无错位地设置。另一方面，在台阶24a、24b的Y方向上，台阶24a、24b的长度未形成至隔膜2的端部，台阶24a、24b的位置与应变传感器3邻接或相距规定距离，并且，台阶24a、24b的至少一部分形成在包括隔膜薄膜部21在内的范围内。
而且，通过形成将应变传感器3的Y方向上的隔膜2的表面往下挖而得到的台阶24a、24b，Y方向的隔膜薄膜部21的变形变容易，缓和了因温度变化而施加至应变传感器3的压缩应变中的Y方向的压缩应变。由此，X方向和Y方向上的应变差变小，能够抑制伴随着温度变化的零点的输出变动。
另外，由于台阶24a、24b仅形成在应变传感器3的旁边，因此，抑制了被施加压力的情况下的隔膜薄膜部21整体的变形量，能够使向隔膜薄膜部21集中的应力与没有台阶24a、24b的情况同等。由此，能够在抑制伴随着温度变化的零点输出的变动的同时，防止由于伴随着压力施加的变形而导致隔膜2破损。
另外，台阶24a、24b形成于在Y方向上相距应变传感器3一定距离的位置，通过错开安装应变传感器3的位置，应变传感器3不会与台阶24a、24b重叠。由此，具有防止应变传感器3的接合面积减少、防止因在台阶24a、24b的端部产生的应力集中而导致接合层4蠕变变形的效果。
通过采用如上所述的本实施例的结构，能够得到改善了应变传感器3的初始零点的输出偏移及伴随着温度变化的零点的输出变动的压力传感器1。即，如本实施例的压力传感器1那样，通过在隔膜2上往下挖而形成台阶24a、24b，能够提供一种压力传感器1，其能够抑制由伴随着用于固定应变传感器3的接合的热应力导致的初始零点的输出偏移、由伴随着传感器使用时的温度变化的热应力导致的零点输出变动。例如，即使在出于低成本化的目的而将隔膜2的材料设为热膨胀系数与应变传感器3不同的便宜的材料的情况下，也能够得到抑制初始零点输出的偏移并改善温度特性的效果，所述温度特性是伴随着使用温度的变化的输出变动。
实施例2
在图6和图7中表示本发明的压力传感器的实施例2。在以下所示的实施例2中，仅说明与实施例1的不同点。
在该图所示的本实施例中，台阶24a、24b以不贯通隔膜薄膜部21的一定深度形成，并且在台阶24a、24b的X方向上，台阶24a、24b的长度比接合的应变传感器3更长地形成，并设置在从与应变传感器3同等的位置跨过中心的范围内。另外，不在隔膜支承部22的表面较大地设置台阶24a、24b是由于隔膜支承部22比隔膜薄膜部21厚而难以变形，所以缓和压缩应变的效果比隔膜薄膜部21小。另一方面，在台阶24a、24b的Y方向上，台阶24a、24b的长度未形成至隔膜2的端部，台阶24a、24b的位置与应变传感器3邻接或相距规定距离，并且，台阶24a、24b的至少一部分形成在包括隔膜薄膜部21在内的范围内。
通过如上所述构成，能够得到与实施例1同样的效果。
另外，通过将应变传感器3的Y方向上的隔膜2的表面往下挖而形成台阶24a、24b，Y方向的隔膜薄膜部21的变形变容易，缓和了因温度变化而施加至应变传感器3的压缩应变中的Y方向的压缩应变。由此，X方向和Y方向上的应变差变小，能够抑制伴随着温度变化的零点的输出变动。另外，通过将台阶24a、24b设为比实施例1大，隔膜薄膜部21的向Y方向的变形比实施例1容易，具有能够进一步缓和压缩应变的效果。
实施例3
在图8和图9中表示本发明的压力传感器的实施例3。在以下所示的实施例3中，仅说明与实施例1的不同点。
在该图所示的本实施例中，台阶24a、24b以不贯通隔膜薄膜部21的一定深度形成，并且在台阶24a、24b的X方向上，台阶24a、24b从隔膜2的一端设置到另一端。另一方面，在台阶24a、24b的Y方向上，台阶24a、24b的长度未形成至隔膜2的端部，台阶24a、24b的位置与应变传感器3邻接或相距规定距离，并且，台阶24a、24b的至少一部分形成在包括隔膜薄膜部21在内的范围内。
由此，通过采用将台阶24a、24b形成至隔膜2的端部为止的结构，不言而喻能够得到与实施例1同样的效果，而且在形成隔膜薄膜部21后，能容易地进行使用了铣床等的加工，也能实现低成本化。
另外，通过将应变传感器3的Y方向上的隔膜2的表面往下挖而形成台阶24a、24b，Y方向的隔膜薄膜部21的变形变容易，缓和了因温度变化而施加至应变传感器3的压缩应变中的Y方向的压缩应变。由此，X方向和Y方向上的应变差变小，能够抑制伴随着温度变化的零点的输出变动。另外，通过将台阶24a、24b设为比实施例1大，隔膜薄膜部21的向Y方向的变形比实施例1容易，具有能够进一步缓和压缩应变的效果。
实施例4
在图10和图11中表示本发明的压力传感器的实施例4。在以下所示的实施例4中，仅说明与实施例1的不同点。
在该图所示的本实施例中，台阶24a、24b以不贯通隔膜薄膜部21的一定深度形成，并且在台阶24a、24b的X方向上，台阶24a、24b从隔膜2的一端设置到另一端。另一方面，在台阶24a、24b的Y方向上，台阶24a、24b从与应变传感器3邻接或相距规定距离的位置形成至隔膜2的端部。
通过如上所述构成，能够得到与实施例1同样的效果。
另外，通过将应变传感器3的Y方向上的隔膜2的表面往下挖而形成台阶24a、24b，Y方向的隔膜薄膜部21的变形变容易，缓和了因温度变化而施加至应变传感器3的压缩应变中的Y方向的压缩应变。由此，X方向和Y方向上的应变差变小，能够抑制伴随着温度变化的零点的输出变动。另外，通过将台阶24a、24b设为比实施例1至3大，隔膜薄膜部21的向Y方向的变形比实施例1至3容易，具有能够进一步缓和压缩应变的效果。另外，在即使实施实施例1至3那样的加工、Y方向的压缩应变也比X方向大的情况下，通过本实施例的结构，能够进一步抑制零点的输出变动。
实施例5
在图12和图13中表示本发明的压力传感器的实施例5。在以下所示的实施例5中，仅说明与实施例1的不同点。
在该图所示的本实施例中，台阶24a、24b以不贯通隔膜薄膜部21的一定深度形成，并且在台阶24a、24b的X方向上，台阶24a、24b从隔膜2的一端设置到另一端。另一方面，在台阶24a、24b的Y方向上，台阶24a、24b从与应变传感器3邻接的位置形成至隔膜2的端部。
由此，由于台阶24a、24b邻接，不言而喻能够得到与实施例1同样的效果，能够用于安装应变传感器3时的对准，能容易地进行应变传感器3的定位。
另外，通过将应变传感器3的Y方向上的隔膜2的表面往下挖而形成台阶24a、24b，Y方向的隔膜薄膜部21的变形变容易，缓和了因温度变化而施加至应变传感器3的压缩应变中的Y方向的压缩应变。由此，X方向和Y方向上的应变差变小，能够抑制伴随着温度变化的零点的输出变动。另外，通过将台阶24a、24b设为比实施例1至3大，隔膜薄膜部21的向Y方向的变形比实施例1至3容易，具有能够进一步缓和压缩应变的效果。另外，在即使实施实施例1至3那样的加工、Y方向的压缩应变也比X方向大的情况下，通过本实施例的结构，能够进一步抑制零点的输出变动。
实施例6
在图14和图15中表示本发明的压力传感器的实施例6。在以下所示的实施例6中，仅说明与实施例1的不同点。
在该图所示的本实施例中，台阶24a、24b以不贯通隔膜薄膜部21的一定深度形成，并且在台阶24a、24b的X方向上，长度比接合的应变传感器3更长地形成，台阶24a、24b的位置从隔膜2的端部设置到隔膜2的中心位置。另一方面，在台阶24a、24b的Y方向上，台阶24a、24b从与应变传感器3邻接或相距规定距离的位置形成至隔膜2的端部，并且，台阶24a、24b的至少一部分形成在包括隔膜薄膜部21在内的范围内。
通过如上所述构成，能够得到与实施例1同样的效果。
另外，通过将应变传感器3的Y方向上的隔膜2的表面往下挖而形成台阶24a、24b，Y方向的隔膜薄膜部21的变形变容易，缓和了因温度变化而施加至应变传感器3的压缩应变中的Y方向的压缩应变。由此，X方向和Y方向上的应变差变小，能够抑制伴随着温度变化的零点的输出变动。
而且，在不实施台阶24a、24b的加工的结构中，伴随着压力施加，从隔膜2的中心到与应变传感器3的设置方向反向的隔膜薄膜部21的端部，应力集中。因此，通过在应力集中的应变传感器3的设置方向上不形成台阶24a、24b，能够抑制向隔膜薄膜部21的应力集中的增加，能够防止隔膜2的破损。
实施例7
在图16和图17中表示本发明的压力传感器的实施例7。在以下所示的实施例7中，仅说明与实施例1的不同点。
在该图所示的本实施例中，台阶24a、24b以不贯通隔膜薄膜部21的一定深度形成，并且在台阶24a、24b的X方向上，台阶24a、24b从隔膜薄膜部21的端部设置到跨过隔膜2的中心的另一方的隔膜薄膜部21的端部。另一方面，在台阶24a、24b的Y方向上，台阶24a、24b从与应变传感器3邻接或相距规定距离的位置形成至隔膜薄膜部21的端部，未形成在隔膜支承部22的表面。
通过如上所述构成，能够得到与实施例1同样的效果。
另外，通过将应变传感器3的Y方向上的隔膜2的表面往下挖而形成台阶24a、24b，Y方向的隔膜薄膜部21的变形变容易，缓和了因温度变化而施加至应变传感器3的压缩应变中的Y方向的压缩应变。由此，X方向和Y方向上的应变差变小，能够抑制伴随着温度变化的零点的输出变动。
而且，在不实施台阶24a、24b的加工的结构中，伴随着压力施加，在隔膜薄膜部21的端部产生应力集中。因此，通过不跨过应力集中的隔膜薄膜部21的端部形成台阶24a、24b，能够抑制向隔膜薄膜部21的应力集中的增加，能够防止隔膜2的破损。
实施例8
在图18和图19中表示本发明的压力传感器的实施例8。以下所示的实施例8是图8和图9所示的实施例3的变形例，仅说明与实施例3的不同点。
在该图所示的本实施例中，在凸缘23的上方且隔膜支承部22的侧面，形成有从接合了应变传感器3的位置向隔膜中心方向(X方向)延伸的切口25。其他结构与实施例3相同。
通常，凸缘23是用于安装于作为其他部件的例如气体流路基座(未图示)的部件，在安装于该气体流路基座时，为了防止气体泄漏，在凸缘23的底部与气体流路基座之间经由O形环或金属O形环而螺纹紧固。但是，凸缘23因该螺纹紧固而变形，给隔膜支承部22以及隔膜薄膜部21带来应变，导致应变传感器3检测到该应变，由应变传感器3检测到的应变随着时间而变化时，有可能给传感器精度带来影响。
然而，根据上述的本实施例，不言而喻能够得到与实施例3同样的效果，通过在隔膜支承部22的侧面设置切口25，能够抑制向隔膜薄膜部21传递凸缘23的变形，即使凸缘23因螺纹紧固而变形，向隔膜薄膜部21传递凸缘23的变形的情形也得以抑制，因此，具有应变传感器3不再检测到应变，不会给传感器精度带来影响这样的效果。
实施例9
在图20和图21中表示本发明的压力传感器的实施例9。以下所示的实施例9是图18和图19所示的实施例8的变形例，仅说明与实施例8的不同点。
在该图所示的本实施例中，在隔膜2的表面具有由线膨胀系数与应变传感器3的线膨胀系数接近的材质构成的被接合部件26，经由该被接合部件26及接合层4接合有应变传感器3，并且在被接合部件26的表面形成有与实施例8同样的台阶24a、24b。
通常，从蠕变等问题来看，将由硅构成的应变传感器3与隔膜2的表面接合的方法采用牢固的金属接合(Au/Sn共晶接合、Au/Ge共晶接合)或玻璃接合(V-glass)是有效的。不管哪种接合均在280℃以上的温度下使接合材料熔融而粘接，当接合线膨胀系数不同的材料时，在固定时会残留大的应变。
当接合由线膨胀系数为15.9×10-6/℃的耐腐蚀性良好的SUS316L材料构成的隔膜2和由线膨胀系数为3.1×10-6/℃的硅构成的应变传感器3时，线膨胀系数过于不同，在极端的情况下，会在应变传感器3上产生裂纹。另外，即使能够没有裂纹地完成接合，也会因温度变化而产生由热收缩差导致的应变，成为温度特性差的传感器。
然而，根据上述的本实施例，不言而喻能够得到与实施例8同样的效果，由于在隔膜2的表面具有由线膨胀系数与应变传感器3的线膨胀系数接近的材质构成的被接合部件26，经由该被接合部件26接合有应变传感器3，所以两者的线膨胀系数接近，在应变传感器3上不会产生裂纹，也不会因温度变化而产生由热收缩差导致的应变，能够得到温度特性良好的传感器。
此外，上述被接合部件26最好采用线膨胀系数与硅接近的材料，优选例如线膨胀系数为5×10-6/℃左右的Kovar(Ni-Co-Fe)(可瓦合金)或Alloy42(42Ni-Fe)等。
但是，这些材料从耐腐蚀性方面来看并不优选作为接触气体部件。因此，对粘贴了低线膨胀材料和SUS316L材料而成的复合材料进行加工，实现将接触气体部设为SUS316L材料的隔膜2。另外，隔膜薄膜部21的SUS316L层尽可能薄，优选为隔膜薄膜部21的整体厚度(在图21中用L表示)的1/4以下。
此外，在实施例9中，在隔膜2的整个表面具有被接合部件26，但也可以在隔膜薄膜部21的设置有应变传感器3的位置处具有被接合部件26。在该情况下，在隔膜2的表面形成上述台阶24a、24b。
接着，为了确认本发明中的隔膜薄膜部21的台阶24a、24b的效果，对使用本发明人等进行的基于有限元法的计算机模拟、计算了压力传感器1的灵敏度和温度特性的结果进行说明。
计算所使用的隔膜2的形状为：隔膜支承部22的外径设为10.0mm，隔膜2的高度设为2.0mm，隔膜支承部22的内径设为7.6mm，隔膜薄膜部21的厚度设为0.25mm，台阶24a、24b的形状设为图4至图7或图10及图11的形状，台阶24a、24b的深度设为0.1mm。另外，隔膜2的线膨胀率的值使用Ni-Co合金(可瓦合金)的值即5.1×10-6/K。
计算所使用的应变传感器3的形状为：纵横分别设为2.4mm，厚度设为0.16mm，应变传感器3的线膨胀率的值使用硅的值即3.0×10-6/K。另外，应变传感器3的接合位置设为如下位置：应变传感器3的中心位于在径向上从隔膜薄膜部21的中心离开了2.9mm的位置。
计算所使用的接合层4的形状为：纵横分别设为2.4mm，厚度设为0.01mm，接合层4的线膨胀系数的值使用Au/Sn共晶合金的值即17.5×10-6/K。
用对隔膜薄膜部21施加了评价对象的压力的情况下由应变传感器3检测到的X方向的应变εX与Y方向的应变εY之差εX-εY来评价压力传感器1的灵敏度，并作为将没有台阶24a、24b的情况下的灵敏度设为1的情况下的系数而求出。
计算在从Au/Sn共晶合金的熔点即280℃冷却到20℃的过程中产生的εX-εY的值，作为将没有台阶24a、24b的情况下的温度系数设为1的情况下的系数而求出压力传感器1的温度特性。
将模拟结果表示在表1中。
[表1]
台阶的结构 灵敏度 温度特性
图4、5 1.08 0.82 实施例1
图6、7 1.12 0.81 实施例2
图10、11 1.14 0.61 实施例4
无台阶 1.00 1.00 比较例
如表1所示，确认了：在采用了本发明的设置了图4至图7或图10及图11所示的台阶24a、24b的隔膜2的情况下，与没有台阶24a、24b的情况相比，压力传感器1的灵敏度和温度特性都得以改善。
为了实际确认上述的计算机模拟结果，用Ni-Co合金(可瓦合金)制作具有上述尺寸和图8及图9的形状的隔膜2，并且在此基础上使用Au/Sn共晶合金将上述尺寸的应变传感器3以金属接合方式接合在上述位置，从而制成压力传感器a。
另外，作为比较资料，用相同的材料制作没有台阶的隔膜，同样地将应变传感器以金属接合方式接合，从而制成压力传感器b。
测量了对这些压力传感器的隔膜施加了压力为500Pa的氮气时的灵敏度，压力传感器b为1.00，与之相对，在压力传感器a中为1.13。
另外，测量了将这些压力传感器从5℃加热到了60℃时的温度系数的绝对值，在压力传感器b中为0.60με/℃，与之相对，在压力传感器a中为0.42με/℃。
通过以上结果，确认了本发明的压力传感器与以往的压力传感器相比改善了灵敏度及温度特性。
接着，在本发明的实施例8中，在表2中表示经由金属O形环将凸缘23紧固在流路基座上时的应变传感器3感受到的输出(表2以1来表示没有切口25的情况下的输出)。此时的图19所示的W尺寸为1.4mm，高度尺寸H为2.8mm。
[表2]
H尺寸 W尺寸 输出 偏差
2.8mm 1.4mm(无切口) 1.0 1.0
2.8mm 0.5mm 0.2 0.8
4.8mm 0.8mm 0.16 0.1
4.8mm 0.5mm 0.07 0.1
从表2可知，由于具有切口25，因此，紧固应变难以传递给隔膜薄膜部21，减轻了应变传感器3的输出。另外，也可知：当加大高度H时，其效果更大。
以上说明的本发明的压力传感器1的用途不特别限定，在形成隔膜2的第一材料采用了耐腐蚀性高的钢等材料的情况下，例如能够适用于测量腐蚀性高的测量对象的压力等用途。在用于该用途的情况下，能够在第一材料的表面实施各种涂敷来代替形成隔膜2的第一材料采用耐腐蚀性高的钢等材料，或者，在采用耐腐蚀性高的钢等材料的基础上在第一材料的表面实施各种涂敷。涂敷例如既可以构成为镍、金等耐腐蚀性优异的金属的镀层，也可以构成为氟树脂等耐腐蚀性优异的树脂的涂敷层，也可以是它们的组合。
另外，由于本发明的压力传感器1小型且温度特性优异，因此，例如也能够适用于被装入半导体制造装置所使用的质量流量计、质量流量控制器等来监视测量对象的压力的用途。
此外，本发明不限定于上述实施例，包括各种变形例。
例如，为了容易理解地说明本发明而详细说明了上述实施例，但并不限定于具有已说明的全部结构。另外，可以将实施例的一部分结构替换成其他实施例的结构，另外，也可在某实施例的结构中加上其他实施例的结构。另外，针对各实施例的一部分结构，可追加、删除、替换其他结构。
附图标记说明
1压力传感器，2隔膜，3应变传感器，4接合层，5气密壳体，6气密空间，7a、7b、7c、7d应变仪，21隔膜薄膜部，22隔膜支承部，23凸缘，24、24a、24b台阶，25切口，26被接合部件。

Claims (20)

1.一种压力传感器，其特征在于，具有：由第一材料形成的隔膜、以及接合在该隔膜上且在第二材料形成有多个应变仪的应变传感器，所述隔膜由支承部和因压力而变形的薄膜部构成，所述应变传感器与从所述隔膜的中心离开的端部位置接合，而且，在相对于从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向垂直的方向上并且在与所述应变传感器邻接或相距规定距离的隔膜上，形成有台阶。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述多个应变仪形成在所述应变传感器的中心附近，并且，所述应变传感器以所述应变传感器的中心与所述隔膜的薄膜部的端部附近一致的方式被接合。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，
在相对于从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向垂直的方向上，以隔着所述应变传感器的方式形成有至少两个所述台阶。
4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，
所述台阶以不贯通所述隔膜的薄膜部的深度形成，并且在所述台阶的从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向上，所述台阶的长度与所述应变传感器的长度相同，并且所述台阶的位置从所述应变传感器的一端到另一端无错位地设置，另一方面，在所述台阶的相对于从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向垂直的方向上，所述台阶的长度未形成至所述隔膜的端部，并且所述台阶的位置与所述应变传感器邻接或相距规定距离，所述台阶的至少一部分形成在包括所述隔膜的薄膜部在内的范围内。
5.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，
所述台阶以不贯通所述隔膜的薄膜部的深度形成，并且在所述台阶的从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向上，所述台阶的长度形成为比所述应变传感器的长度长，并且所述台阶设置在从与所述应变传感器相同的位置跨过中心的范围内，另一方面，在所述台阶的相对于从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向垂直的方向上，所述台阶的长度未形成至所述隔膜的端部，并且所述台阶的位置与所述应变传感器邻接或相距规定距离，所述台阶的至少一部分形成在包括所述隔膜的薄膜部在内的范围内。
6.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，
所述台阶以不贯通所述隔膜的薄膜部的深度形成，并且在所述台阶的从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向上，从所述隔膜的一端设置到另一端，另一方面，在所述台阶的相对于从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向垂直的方向上，所述台阶的长度未形成至所述隔膜的端部，所述台阶的位置与所述应变传感器邻接或相距规定距离，所述台阶的至少一部分形成在包括所述隔膜的薄膜部在内的范围内。
7.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，
所述台阶以不贯通所述隔膜的薄膜部的深度形成，并且在所述台阶的从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向上，从所述隔膜的一端设置到另一端，另一方面，在所述台阶的相对于从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向垂直的方向上，所述台阶从与所述应变传感器邻接或相距规定距离的位置形成至所述隔膜的端部。
8.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，
所述台阶以不贯通所述隔膜的薄膜部的一定深度形成，并且在所述台阶的从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向上，从所述隔膜的一端设置到另一端，另一方面，在所述台阶的相对于从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向垂直的方向上，所述台阶从与所述应变传感器邻接的位置形成至所述隔膜的端部。
9.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，
所述台阶以不贯通所述隔膜的薄膜部的深度形成，并且在所述台阶的从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向上，所述台阶的长度形成为比所述应变传感器的长度长，并且所述台阶的位置从所述隔膜的端部设置到所述隔膜的中心位置，另一方面，在所述台阶的相对于从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向垂直的方向上，所述台阶从与所述应变传感器邻接或相距规定距离的位置形成至所述隔膜的端部，所述台阶的至少一部分形成在包括所述隔膜的薄膜部在内的范围内。
10.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，
所述台阶以不贯通所述隔膜的薄膜部的深度形成，并且在所述台阶的从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向上，从所述隔膜的薄膜部的端部设置到跨过所述隔膜的中心的另一方的所述隔膜的薄膜部的端部，另一方面，在所述台阶的相对于从所述隔膜中心到接合了所述应变传感器的方向垂直的方向上，所述台阶从与所述应变传感器邻接或相距规定距离的位置形成至所述隔膜的薄膜部的端部，所述台阶未形成在所述隔膜的支承部的表面。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述应变传感器由硅形成，并且所述隔膜由金属材料形成。
12.根据权利要求11所述的压力传感器，其特征在于，
所述隔膜的金属材料为SUS316L材料。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
在所述应变传感器的接合中使用Au/Sn共晶接合或Au/Ge共晶接合或钒类低熔点玻璃(V-glass)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
在所述隔膜的底部具有用于与其他部件紧固的凸缘，所述凸缘与气密壳体固定，由所述隔膜和所述气密壳体包围而成的气密空间维持一定气压。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
在所述凸缘的上方且在所述隔膜的支承部的侧面，形成有从接合了所述应变传感器的位置向所述隔膜中心方向延伸的切口。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的压力传感器，其特征在于，
所述隔膜在其表面具有由线膨胀系数与所述应变传感器的线膨胀系数接近的材质构成的被接合部件，经由该被接合部件接合有所述应变传感器。
17.根据权利要求16所述的压力传感器，其特征在于，
在所述被接合部件的表面形成有所述台阶。
18.根据权利要求16或17所述的压力传感器，其特征在于，
所述被接合部件由可瓦合金(Ni-Co-Fe)或Alloy42(42Ni-Fe)形成。
19.一种质量流量计，其特征在于，装入权利要求1至18中任一项所述的压力传感器来监视评价对象的压力。
20.一种质量流量控制器，其特征在于，装入权利要求1至18中任一项所述的压力传感器来监视评价对象的压力。
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