CN105203249A - 双重隔膜式压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双重隔膜式压力传感器，以将由温度变化引起的内压的上升控制在最小限度。该双重隔膜式压力传感器具备以下构成：压力传感单元(4)，搭载于具有凹部的金属容器(21)的底部(21b)；金属隔膜(23)，与上述金属容器(21)凹部的开口部(21a)气密接合；压力传导介质(24)，充满由该金属隔膜(23)和上述容器(21)的凹部形成的空间；金属端子(26)，以与上述容器(21)电绝缘且气密的状态贯穿上述容器(21)的底部(21b)；向外部输出对由上述半导体压力传感单元(4)检测到的外部压力进行了变换而得的电信号。

Description

双重隔膜式压力传感器
技术领域
本发明涉及一种具有双重隔膜的液体密封型的压力传感器。
背景技术
液体的压力检测用的压力传感器被用于家电、汽车用空调制冷装置等。作为这样的压力传感器，已知有如图5A～5B所示那样的在容器1内密封了压力传导介质2(液体)的压力传感器(液体密封型压力传感器10)。图5A是从压力传感器的隔膜上方观察时的俯视图，图5B是沿图5A的隔膜的直径方向进行了剖切的剖面图。一般来说，液体密封型(液封型)压力传感器10与气体的压力检测用传感器比较，能够用于对更高的压力进行检测。液封型压力传感器10构成为在金属隔膜3和压力传感单元4之间具备密封上述压力传导介质2(液体)的空间的容器1。在该压力传感器的金属隔膜3成形有为同心圆状的波形形状3a。作为该压力传导介质2(液体)，优选油2a等体积根据压力难以改变的液体。如图6的箭头所示，通过使要测定、检测的外部液体的液压经由具有波型3a的金属隔膜3以及密封在密封空间的油2a传导至压力传感单元4，从而对外部液体的液压进行检测。由于图5A～5B、图6所示的液封型压力传感器10具备金属隔膜3，因此具有不使压力传感单元4与外部液体直接接触而能够全面地保护压力传感单元4不受外部液体的影响的优点。
用于该液封型压力传感器10的金属隔膜3的材料主要采用不锈钢，并且使用厚度被加工成为15μm～40μm的不锈钢。还可以使用不锈钢以外的磷青铜等的非铁金属。作为用于将该金属隔膜3所受的外部液体的压力向内部的压力传感单元4传导的压力传导介质2(油2a)，优选例如硅油。该油2a被密封在金属隔膜3和压力传感单元4之间的空间。该油2a具有在一定的温度下使金属隔膜3受到的外部液体的压力正确地传导至压力传感单元4的功能。然而，所密封的油2a针对温度的变化而产生体积变化，即，如图4所示，如果加热，则从原有的虚线的位置开始膨胀，如果冷却则进行收缩。该温度变化引起的体积变化如图4的箭头所示，由于作为压力而作用于构成密封的空间的容器1的内壁，并且作为压力还作用于在相同空间内搭载的压力传感单元4，因此给压力传感单元4的温度特性带来严重的不良影响。在该压力传感器的金属隔膜3成形有为同心圆状的波形形状3a。用于以下目的：通过使同心圆状的波形形状3a的形状和/或尺寸等变化，从而降低金属隔膜3自身的弹簧系数(刚性)，并在相同的受压面积下增大金属隔膜的实际面积而抑制内压的上升。
关于这样构成的液体密封型压力传感器，有关于磁阻变换器的发明的文献，其中具有关于以下构成的温度补偿用隔膜的记述，即热膨胀系数不同的多个隔膜相互重合而层叠，根据该多个隔膜的热膨胀系数差而进行温度补偿(专利文献1)。
还记载有为了降低由温度变化引起的隔膜变形，将热膨胀系数不同的不锈钢分别分开用于内层和外层的技术内容(专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本实开平3-115831号公报(实用新型登录权利要求的(4)之中的第10行至第13行)
专利文献2：日本特开2009-186209号公报(摘要的课题、技术方案)
发明内容
技术问题
然而，由于对产品的小型化等的要求，当金属隔膜的受压面积减小，在与现有技术相同的隔膜板厚和/或波形状的情况下，弹簧常数变大，内压上升也变大。因此，为了进一步降低金属隔膜的刚性，对降低板厚等进行研究。然而，如果进一步降低板厚，则会新产生由于波形形状加工的限度、材料强度降低所导致的变形、使用困难等次级因素。
本发明是在考虑到上述问题后进行的，本发明的目的为提供一种确保隔膜材料的板厚在加工限度以上，并将由温度变化引起的内压的上升控制在最小限度的双重隔膜式压力传感器。
技术方案
为了实现上述本发明的目的，提供一种双重隔膜式压力传感器，具备：压力传感单元，搭载于具有凹部的金属容器的底部；金属隔膜，与上述容器凹部的开口部气密接合；压力传导介质，充满由该金属隔膜和上述容器的凹部形成的空间；和金属端子，以与上述容器电绝缘且气密的状态贯穿上述容器的底部。
发明效果
根据本发明，能够提供一种确保隔膜材料的板厚在加工限度以上，并将由温度变化引起的内压的上升控制在最小限度的双重隔膜式压力传感器。
附图说明
图1是本发明的双重隔膜式压力传感器的剖面图。
图2是本发明的图1的虚线框内的放大剖面图。
图3是本发明的示出高温时由于双金属变形引起的体积变化量和由于油的热膨胀引起的体积变化量的双重隔膜式压力传感器的剖面图。
图4是表示现有的双重隔膜式压力传感器在高温时内压以及外压的作用方式的剖面图。
图5A是表示现有的双重隔膜式压力传感器的金属隔膜的俯视图。
图5B是表示现有的双重隔膜式压力传感器的金属容器的剖面图。
图6是表示现有的双重隔膜式压力传感器在常温时内压以及外压的作用方式的剖面图。
图7是应用于本发明的压力传感单元4的一个示例的主要部分剖面图。
符号说明
4压力传感单元
20本发明的双重隔膜式压力传感器
21金属容器
21a开口部
21b凹部底部
22贯穿孔
23金属隔膜
23a外侧金属板部(外侧隔膜)
23b内侧金属板部(内侧隔膜)
24硅油
25键合线
26金属端子
26a上端部
26b下端部
27玻璃
具体实施方式
以下，针对本发明的双重隔膜式压力传感器的实施方式，参照附图进行详细说明。应予说明，在以下的实施方式以及附图中，对同样的构成标记相同的符号，并省略重复的说明。并且，以下说明使用的附图，为了容易观察或者容易理解，未按照正确的比例、尺寸比进行绘制。并且，只要不超出其主旨范围，本发明不限于以下说明的实施方式的记载。
图1所示的本发明的双重隔膜式压力传感器20，具备以SUS304(日本标准，对应中国标准GBS30408)等的不锈钢为基材的金属容器21。该金属容器21具备在一侧(上方侧)具有开口部21a的凹部。在具备该凹部的金属容器21的凹部底部21b的中央，接合有压力传感单元4，并具备以包围该压力传感单元4的方式配置的多个贯穿孔22。在该贯穿孔22设置有通过玻璃27等与金属容器21保持电绝缘且被玻璃封窗密封(glasshermeticseal)了的金属端子26。该金属端子26从位于金属容器21内部的上端部26a开始穿过被玻璃封窗密封了的贯穿孔22，下端部26b向容器外部导出。在该凹部状金属容器21的上述开口部21a的上边沿部，焊接有本发明的在正面侧和背面侧具有不同热膨胀系数的金属隔膜23(23a、23b)。由该金属隔膜23和金属容器21构成的空间为气密空间。该气密空间中填充有硅油24。硅油24通过从设于金属容器21的凹部底部21b的多个金属端子26中的未图示的中空的金属端子管注入到金属容器21内，并在注入后密封该管，从而进行气密性填充。其他的金属端子26和上述压力传感单元4用于将检测到的液体压力变换为电信号与外部进行输入或输出，因此通过金线和/或铝线等键合线25进行所需要的布线连接。
图7为应用于本发明的使用了应变测量方式的半导体压力传感器的压力传感单元4的一个示例的主要部分剖面图。
压力传感单元4具备：具有成为真空基准室109的凹部1010的半导体压力传感芯片101、和玻璃基板1011，该玻璃基板1011静电结合于凹部1010的开口部侧的半导体压力传感芯片101(背面)。通过在半导体压力传感芯片101固定玻璃基板1011，从而形成真空基准室109。在半导体压力传感芯片101具备隔膜102a和与该隔膜102a电连接的应变测量电阻102。具备与该应变测量电阻102电连接、在半导体压力传感芯片101上配置的作为硅氧化膜103的层间绝缘膜，和在该硅氧化膜103上配置的作为Al-Si-Cu膜的铝布线层104。在该铝布线层104上，具备Pt膜和/或Au膜等的焊盘电极108，和覆盖硅氧化膜103以及铝布线层104的钝化膜106。
并且，作为半导体压力传感芯片101，在同样的半导体压力传感芯片101上，还能够包括根据半导体温度传感器等的温度检测部、数模转换器、和输出信号放大电路等。
并且，作为压力传感单元4，也可以仅为不设置玻璃基板1011的半导体压力传感芯片101。并且，也可以为在具备用于配置外部导出端子以及半导体压力传感芯片101的凹部的树脂壳体(未图示)内配置图7所记载的压力传感单元4的构成。
应予说明，本发明能够使用应变测量方式的半导体压力传感器以外的例如静电电容式的半导体压力传感器。并且，能够使用半导体压力传感器以外的压力传感器。
由于层叠热膨胀系数不同的不同种类的金属材料而形成金属隔膜23，因此能够使金属隔膜23具有与双金属相同的功能。图2为图1的虚线框A的放大剖面图。如图2中的箭头所示那样，该金属隔膜23在加热时，热膨胀系数大的外侧金属板部23a大幅度伸展，而热膨胀系数小的另一侧的内侧金属板部23b几乎不伸展。其结果为，当热膨胀系数大的外侧金属板部23a在外侧时，金属隔膜23如图3所示那样，以从虚线的位置向外侧膨胀的方式变形，内部空间变形为向图面上方凸出的凸状。相反，当进行了冷却时表现出与加热时相反的动作，金属隔膜23以向内侧凹陷的方式变形，内部空间变形为凹状。通过利用该凸状和凹状之差，密封在内部的作为压力传导介质的硅油24由温度变化产生的体积膨胀收缩而导致的内压变化，能够通过金属隔膜23的热变形来吸收。
也就是说，当外部环境或测定液体的温度高时，当本发明的双重隔膜式压力传感器20的温度上升，如图3所示，引起作为压力传导介质的硅油24热膨胀，在构成压力传感器20的金属容器21的内部产生正的压力(内压)。然而，在由热膨胀系数小的内侧金属板部23b和热膨胀系数大的外侧金属板部23a构成的金属隔膜23本身，也同时产生向外侧膨胀的应力，使得由于温度上升而引起的金属容器21内的气密空间的体积增加，结果导致在金属容器21的内部产生负的压力。其结果为，如果使由上述内压使体积增加方向的正的压力的增加部分和由金属隔膜的变型引起的体积增加而导致的负的压力的减少部分相等，则能够抵消内压的产生。其结果为，能够为改善压力传感器的温度特性做出贡献。
并且，为了通过该金属隔膜缓和硅油24的内压上升，优选在金属隔膜23成形同心圆状的波形形状23c。
用于形成这样的金属隔膜23，使用由热膨胀系数为15.9×10-6(20℃)、厚度为15μm的SUS316L(日本标准，对应中国标准的GBS31603)不锈钢构成的外侧金属板部23a作为直径为10mm的正面侧(外侧)材料。将该不锈钢外侧金属板部23a，和作为内侧材料的由热膨胀系数为4.3×10-6(20℃)，厚度为15μm的Fe/Ni42(42合金)构成的内侧金属板部23b贴合，成形为等间隔的四个同心圆，且波的振幅高度为50μm的波形形状。如图1所示，将该金属隔膜23焊接于金属容器21的开口部21a的上边沿部。该金属容器21在其凹部底部21b接合有压力传感单元4。在该凹部底部21b所设置的贯穿孔22，藉由玻璃封窗固定有金属端子26。在上述压力传感单元4和与金属容器21绝缘的多个金属端子的上端部26a之间进行所需的键合线25的布线。上述的金属隔膜的厚度能够选自15μm～40μm的范围。
如上所述，在金属隔膜23被焊接至金属容器21的开口部21a的上边沿部之后，经由上述多个金属端子26中的管状的金属端子(未图示)，将热膨胀系数为317×10-6(20℃)的硅油24注入金属容器21的凹部内，并填满内部空间。之后，通过压扁导出到金属容器21的外部的部分的管，而将硅油24密封在金属容器21内，从而能够得到本发明的双重隔膜式压力传感器。
根据该双重隔膜式压力传感器，能够确保隔膜材料的板厚在加工限度以上。并且，能够将由温度变化引起的内压的上升控制在最小限度，并减少在压力测定时给温度特性带来的不良影响。

Claims (9)

1.一种双重隔膜式压力传感器，其特征在于，具备：
压力传感单元，搭载于具有凹部的金属容器的底部；
金属隔膜，与所述容器凹部的开口部气密接合；
压力传导介质，充满由该金属隔膜和所述容器的凹部形成的空间；和
金属端子，以与所述容器电绝缘且气密的状态贯穿所述容器的底部。
2.根据权利要求1所述的双重隔膜式压力传感器，其特征在于，
所述金属隔膜具有由热膨胀系数大的外侧隔膜和热膨胀系数小的内侧隔膜贴合而成的结构。
3.根据权利要求2所述的双重隔膜式压力传感器，其特征在于，
所述金属隔膜是厚度从15μm至40μm选出的任意厚度的隔膜，所述热膨胀系数大的外侧隔膜为SUS316L不锈钢，所述热膨胀系数小的内侧隔膜为Fe/Ni42。
4.根据权利要求3所述的双重隔膜式压力传感器，其特征在于，
所述金属隔膜为圆形，具有同心圆状的波形形状。
5.根据权利要求4所述的双重隔膜式压力传感器，其特征在于，
所述同心圆状的波形形状为等间隔的3个～5个同心圆，波的振幅高度为30～50μm的波形形状。
6.根据权利要求1所述的双重隔膜式压力传感器，其特征在于，
所述压力传导介质为硅油。
7.根据权利要求1所述的双重隔膜式压力传感器，其特征在于，
所述容器由不锈钢构成。
8.根据权利要求1所述的双重隔膜式压力传感器，其特征在于，
所述压力传感单元具备半导体压力传感芯片。
9.根据权利要求1所述的双重隔膜式压力传感器，其特征在于，
所述压力传感单元为半导体压力传感芯片。
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