CN105849521A - 压力测定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了即使是由热膨胀率大的金属形成的隔膜也能够将应变检测元件稳定地接合的压力测定装置。为了解决上述问题，本发明的压力测定装置包括：金属框体，其具有压力导入部和由于从该压力导入部导入的压力而发生变形的隔膜；以及应变检测元件，其检测发生在所述隔膜的应变，所述压力测定装置的特征在于，在所述金属框体上，具有由第一脆性材料形成的基台，所述应变检测元件通过相比于所述基台为低熔点的第二脆性材料，被接合于所述基台。

Description

压力测定装置
技术领域
本发明涉及被安装于作为测定对象的各种设备以检测压力的压力测定装置。
背景技术
压力测定装置被构成为例如搭载在车辆上的高压传感器，被用于发动机的燃料压力、制动液压、各种气体压力等的测定。
作为现有的压力测定装置，已经提出了例如专利文献1、2中记载的装置。
在专利文献1中，记载了“在受压用金属隔膜的隔膜面通过低熔点玻璃层接合平板玻璃，在该平板玻璃上载置应变仪半导体芯片并将上述平板玻璃和应变仪半导体芯片进行阳极接合而形成的压力检测器”。
另外在专利文献2中，记载了“一种压力传感器，其通过利用第1接合面接合在传感器元件上、利用第2接合面接合在形成于金属杆的隔膜上的接合构件，所述传感器元件被接合在所述隔膜上，所述压力传感器的特征在于，所述接合构件的所述第1接合面的热膨胀系数相比于所述金属杆的热膨胀系数更接近所述传感器元件的热膨胀系数，所述第2接合面的热膨胀系数相比于所述传感器元件的热膨胀系数更接近所述金属杆的热膨胀系数，从所述第1接合面至所述第2接合面以热膨胀系数连续变化地方式形成所述接合构件”。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开昭62-291533号公报
专利文献2:日本特开2013-36935号公报
发明内容
发明要解决的问题
包含专利文献1的现有的压力测定装置，将由硅形成的应变检测元件通过低熔点玻璃接合在隔膜上，但是为了防止应变检测元件、接合层由于在接合的冷却工序中发生的应力而发生破损，隔膜的材质一直使用热膨胀率接近硅、玻璃的热膨胀率的Fe-Ni-Co系合金。但是，Fe-Ni-Co系合金存在着强度比较低且不适用于高压、在高温环境下发生腐蚀的问题。
因此能够想到用在强度和耐腐蚀性优异的不锈钢形成隔膜。但是不锈钢和应变检测元件由于热膨胀率有很大不同，在接合的冷却工序在接合层产生很大的应力，由此存在着破坏应变检测元件、接合层的可能性。
在专利文献2中，存在着关于混合多种接合材料，以热膨胀率连续地变化的方式形成接合构件的记载，但是一般来说，由于接合构件的热膨胀率在熔点附近急剧变化，控制热膨胀率是很困难的。另外在混合的控制不充分的情况下，混合不均一的话，热膨胀率也不均一，接合状态具有不一致的可能性，接合的稳定性存在问题。
关于将应变检测元件连接到热膨胀率大的隔膜上时的连接可靠性方面，专利文献1以及2中所记载的发明还留有改良的余地。
本发明解决了上述问题，其目的在于，提供一种由与硅和玻璃热膨胀率相比热膨胀率大的金属材料形成的隔膜与应变检测元件的接合可靠性高的压力测定装置。
解决问题的技术手段
为了解决上述问题，本发明的压力测定装置包括：金属框体，其具有压力导入部和由于从该压力导入部导入的压力而发生变形的隔膜；以及应变检测元件，其检测在所述隔膜发生的应变，所述压力测定装置的特征在于，在所述金属框体上具有由第一脆性材料形成的基台，所述应变检测元件通过相比于所述基台为低熔点的第二脆性材料，被接合于所述基台。
发明的效果
根据本发明，能够提供由与硅和玻璃的热膨胀率相比热膨胀率大的金属材料形成的隔膜与应变检测元件的接合可靠性高的压力检测元件。
附图说明
图1为本发明第一实施例的压力测定装置整体的截面示意图。
图2为本发明第一实施例的压力测定装置的电路图。
图3为本发明第一实施例的接合部的截面放大图。
图4为本发明第二实施例的接合部的截面放大图。
图5为本发明第三实施例的接合部的截面放大图。
图6为本发明第四实施例的接合部的上表面概略图。
具体实施方式
使用图1至图3说明本发明的第一实施例。
首先，使用图1对本发明第一实施例的压力测定装置100进行说明。
压力测定装置100包括：形成有压力端口12、隔膜14、以及法兰13的金属框体10；测定被导入压力端口11的压力的应变检测元件15；与应变检测元件15电连接的基板16；罩18；以及用于与外部电连接的连接器19。
压力端口11具备在轴向的一端侧(下侧)形成有压力导入口12a的中空筒状的压力导入部12ha，以及在压力导入部12ha的轴向的另一端侧(上侧)形成的圆筒状的法兰13。在法兰13的中央部位，立设有由于压力而变形从而产生应变的隔膜14。
隔膜14具有承受从压力导入口12a导入的压力的受压面，以及与受压面相反的面的传感器搭载面。
压力端口11的压力导入部12ha的、与隔膜14侧的应变检测元件15相对的顶端部12hat形成为矩形形状，连续地穿设至法兰13的中央部和相比隔膜14上部表面稍微低的高度的部位为止。通过该顶端部12hat的矩形形状，隔膜14产生x方向-y方向的应变差。
应变检测元件15被接合在隔膜14的传感器搭载面的大致中央部。应变检测元件15作为半导体芯片而被构成，该半导体芯片在硅芯片上具备输出与隔膜14的变形(应变)相应的电信号的一个以上的应变电阻桥30a～c芯片。
基板16搭载有将从应变检测元件15输出的各检测信号放大的放大器；将该放大器的模拟输出信号转换为数字信号的A-D转换器；基于该数字信号进行后述的修正运算的数字信号运算处理电路；存储各种数据的存储器以及电容器17等。
闭塞罩18的轴向另一端的闭塞板18a的、自中央起的规定直径范围被开口，在该开口部插入连接器19，该连接器19由例如树脂等形成，用于向外部输出由压力测定装置100检测出的检测压力值。
连接器19的一端在罩18内被固定在罩18上，连接器19的另一端从罩18向外部露出。
在该连接器19的内部，具有通过例如嵌件成型而被插入的棒状的接线柱20。该接线柱20由例如电源用、接地用、信号输出用的三根构成，各接线柱20的一端连接于所述基板16，另一端通过连接于图示省略的外部连接器，借助配线构件向汽车的ECU等电连接。
随后，使用图2对于所述应变检测元件15的多个应变电阻桥和搭载在基板16上的各电路部件的电路构成进行说明。应变电阻桥30a～c分别将电阻仪桥形连接而构成，该电阻仪由于基于隔膜14的变形产生应变而电阻值发生变化。
应变电阻桥30a～30c的输出信号(相当于压力的桥信号)通过放大器31a～31c放大，该放大输出信号通过A-D(模拟-数字)转换器32a～32c被转换为数字信号。
数字信号运算处理电路33根据A-D转换器32a～32c的输出信号，进行例如对由一个应变电阻桥30a检测出的压力值根据其他的应变电阻桥30b、30c的检测压力值进行修正的运算处理，将该修正了的压力值作为压力测定装置的检测值而输出。
该数字信号运算处理电路33不限制于修正运算处理，也进行多个应变电阻桥的检测压力值之间的比较、应变电阻桥的检测压力值与预先存储在非易失性存储器34的规定压力值的比较，判定测定对象设备的劣化、应变检测元件16的劣化，在该判定时输出故障信号等的处理。
另外，从电压源35向应变电阻桥30a～30c的电力供给以及来自数字信号运算处理电路33的各信号的输出，通过图1、图2的接线柱21进行。
非易失性存储器34也可以搭载在与其他电路部件不同的电路芯片上。另外，也可以构成为替代数字信号运算处理电路33而通过模拟电路进行所述修正运算。
使用图3对第一实施例的应变检测元件15和隔膜14的接合部进行说明。
在隔膜14的材质上，一直寻求具有耐腐蚀性以及能够应对高压的高强度。因此，在含有铬的具有耐腐蚀性的材质中，使用通过进行析出硬化成为高强度的材质。具体来说采用SUS630。
脆性材料基台21通过将玻璃、陶瓷、混凝土等在弹性区域内产生破坏的脆性材料搭载在隔膜14的传感器搭载面上而形成。脆性材料基台21在将具有800℃以上的熔点的玻璃浆料涂敷在隔膜14上以后，通过在玻璃浆料的熔点以上的温度烧成，被形成在隔膜14上。玻璃浆料为结晶化玻璃，具有小于11ppm的热膨胀率。
应变检测元件15通过具有低于构成脆性材料基台21的脆性材料的熔点的低熔点脆性材料22，被接合于脆性材料基台21。作为低熔点脆性材料22，采用以熔点为400℃以下的含有钒的玻璃作为主要成分的玻璃浆料。由于低熔点脆性材料22的熔点低于脆性材料基台21的熔点，因此在接合前后脆性材料基台21的物性不发生变化。另外接合温度为400℃以下的话，能够抑制接合时的应变检测元件15的劣化。
本发明的第一实施例将应变检测元件15的被接合物不是隔膜14，而是相比于隔膜14与应变检测元件15的热膨胀率的差较小的脆性材料基台21。因此，由于能够减小应变检测元件15和被接合物的热膨胀率之差，因此能够降低在接合的冷却工程产生的应力。另外，通过利用低熔点脆性材料22将脆性材料基台21和应变检测元件15接合，能够降低接合应变检测元件15时的加热温度，能够降低产生于应变检测元件15的内部应力。特别地，通过将低熔点脆性材料22设为熔点400℃以下的材料，使应变检测元件15的接合温度为400℃以下，能够抑制应变检测元件15的端子、配线的劣化，因此特别有效。并且，低熔点脆性材料22即使在搭载有压力测定装置100的高温环境下也会在弹性区域发生变形，而不像延性材料那样在高温环境下发生塑性变形。因此，能够抑制接合部的塑性变形所导致的检测精度的恶化。如上，根据本发明的第一实施例，能够提供高精度的压力检测装置。
使用图4对本发明的第二实施例进行说明。然而，对于与第一实施例相同的构成则省略了说明。
第二实施例的压力测定装置100的特征在于，将应变检测元件15和玻璃板23阳极接合，通过低熔点脆性材料22将玻璃板23和脆性材料基台21接合。玻璃板23使用在低熔点脆性材料22的熔点保持固体形状的材料，与浆料状的材料相比厚度的管理变得容易。因此，根据本发明的第二实施例，能够通过设计与应变检测元件15的灵敏度具有负相关的关系的玻璃板23的厚度，容易地将应变检测元件15的灵敏度控制为所期望的值。
使用图5对本发明的第三实施例进行说明。然而，对于与第一实施例相同的构成则省略了说明。
第三实施例的压力测定装置100的特征在于，将具有与低熔点脆性材料22的熔点相同以上的熔点的多种脆性材料层叠而形成基板基台24以及顶部基台25，被层叠的脆性材料中的至少一种以上的脆性材料使用在低熔点脆性材料22的熔点为固体形状的脆性材料。被层叠的脆性材均具有小于11ppm的热膨胀率。如图5所示，通过将具有与低熔点脆性材料22相同的熔点或该低熔点脆性材料22以上的熔点的玻璃浆料涂涂敷在隔膜14上作为基板基台24，在基板基台24上搭载玻璃板并烧结而作为顶部基台25，能够形成由2层的脆性材料构成的基台。根据本发明的第三实施例，通过使用固形形状的脆性材料，接合层的厚度管理变得容易，能够使应变检测元件15的灵敏度为所期望的值。
使用图5对本发明的第四实施例进行说明。然而，对于与第一实施例相同的构成则省略了说明。
如图6所示，在第四实施例，将脆性材料基台21和低熔点脆性材料22形成为圆形状。通过将脆性材料基台21形成为圆形状，能够降低施加于应变检测元件15的角部的集中应力。同样地，将低熔点脆性材料22作为圆形状，能够降低施加于应变检测元件15的角部的集中应力。因此，根据本发明的第四实施例，能够抑制在接合的冷却工序产生的应力所导致的构件开裂，即能够抑制应变检测元件15、脆性材料基台21以及低熔点脆性材料22开裂。
另外，也能够通过将脆性材料基台21作为八边形以上的多边形，与圆形形状同样地能够降低在接合的冷却工序产生的对于应变检测元件15的角部的集中应力。因此，能够抑制在冷却工序的构件的开裂。同样地也能够通过将低熔点脆性材料22作为八边形以上的多边形，取得与作为圆形形状时相同的效果。
第四实施例也能够通过与第二实施例或第三实施例进行组合而达到同样的效果。
符号说明
10…金属框体
11…压力端口
12…压力导入部
12a…压力导入口
12ha…压力导入孔
12hat…顶端部
13…法兰
14…隔膜
15…应变检测元件
16…基板
17…电容器
18…罩
18a…闭塞板
19…连接器
20…接线柱
21…脆性材料基台
22…低熔点脆性材料
23…玻璃板
24…基板基台
25…顶部基台
30a～30c…应变电阻桥
31a～31c…放大器
32a～32c…A-D转换器
33…数字信号运算处理电路
34…非易失性存储器
35…电压源
100…压力测定装置。

Claims (8)

1.一种压力测定装置，其包括：
金属框体，其具有压力导入部和由于从该压力导入部导入的压力而发生变形的隔膜；以及
应变检测元件，其检测发生在所述隔膜的应变，
所述压力测定装置的特征在于，
在所述金属框体上具有由第一脆性材料形成的基台，
所述应变检测元件通过相比于所述基台为低熔点的第二脆性材料，被接合于所述基台。
2.如权利要求1所述的压力测定装置，其特征在于，
所述第二脆性材为主要成分含有钒的玻璃。
3.如权利要求1或2所述的压力测定装置，其特征在于，
所述第二脆性材的熔点为400℃以下。
4.如权利要求3所述的压力测定装置，其特征在于，
所述第一脆性材的熔点为800℃以上。
5.如权利要求1所述的压力测定装置，其特征在于，
所述应变检测元件与玻璃基板阳极接合，
所述玻璃基板通过所述第二脆性材料而被接合于所述基台。
6.如权利要求1所述的压力测定装置，其特征在于，
所述基台通过将具有所述第二脆性材的熔点以上的熔点的多种脆性材料层叠而形成，所述多种脆性材料中的至少一种以上在所述低熔点脆性材料的熔点为固体形状。
7.如权利要求1～3所述的压力测定装置，其特征在于，
所述基台和/或所述第二脆性材料被形成为圆形。
8.如权利要求1～3所述的压力测定装置，其特征在于，
所述基台和/或所述第二脆性材料被形成为n≧8的n边形。
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