CN108120545A - 膜片、使用膜片的压力传感器、膜片的制造方法 - Google Patents

膜片、使用膜片的压力传感器、膜片的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供没有气体的泄漏风险，耐久性高的膜片、以及使用了该膜片的压力传感器。本发明是包括平板形状的受压部(101a)、以及框状的支撑部(101b)的金属制的膜片(101)，其特征在于，受压部(101a)具有相对于平板形状的受压部(101a)的平板面平行地发展的金属组织。

Description

膜片、使用膜片的压力传感器、膜片的制造方法
技术领域
本发明涉及膜片、使用膜片的压力传感器、膜片的制造方法。
背景技术
在半导体制造装置、医疗设备、汽车、食品等广泛的领域中，为了测定液体、气体等流体的压力，使用压力传感器。该压力传感器具备帽部件以及与该帽部件一体化的膜片，该帽部件具备导入作为测定对象的流体的导入路。
膜片由壁厚的筒状支撑部、以堵塞该筒状支撑部的上部开口的方式形成，且与为测定对象的流体接触的薄壁的受压部构成。另外，在该膜片的下表面侧，形成有用于导入测定对象的凹状的压力室。另一方面，在由膜片和帽部件分隔的空间中，形成了用于导入基准气体的基准压力室。
如果对该压力室导入为测定对象的气体，并将基准气体导入基准压力室，则通过压力室和基准压力室的压力差，膜片的受压部变形。在受压部之中与压力室为相反侧的侧面的膜片的上表面，设有电桥电路。在压力测定时，通过测定电路来测量在随着压力室和基准压力室的相对压力而变形的受压部设置的电桥电路的应变计的电阻变化。
对此种用于压力传感器的膜片，不仅要求对腐蚀性强的各种流体的耐腐蚀性，还要求能够耐受反复变形的优秀的机械强度。作为具有此种特性的膜片材料，使用各种不锈钢、Co基合金等金属材料。(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-164072号公报。
发明内容
发明要解决的问题
如上所述的，包括筒状的支撑部、以及在支撑部的上部形成的受压部的形状的膜片，能够通过熔解制作铸锭，并使将其拉拔加工为圆棒形状的部件切片为圆盘状，并实施切削以及研磨，从而一体地形成受压部和支撑部。
在此种形状的金属制的膜片的情况下，由于受压部是薄壁的，因而例如如果产生了因加工时的应变引起的微小气孔(裂缝)，那么存在气体穿过受压部的风险。假如在将此种膜片用于压力传感器的情况下，产生无法在压力室和基准压力室之间获得正确的相对压力，无法获得适当的压力的问题。
因此，本发明的课题是提供没有气体的泄漏风险，耐久性高的膜片、以及使用了该膜片的压力传感器。
用于解决问题的方案
本发明中的膜片是包括平板形状的受压部、以及框状的支撑部的金属制的膜片，其特征在于，所述受压部具有相对于所述平板形状的受压部的平板面平行地发展的金属组织。
根据本发明，通过使膜片的受压部的金属组织与平板面平行，抑制贯穿受压部的气孔的产生。由此，能够防止受压部处的气体的泄漏，实现耐久性优秀的膜片。
本发明中的膜片的特征在于，所述受压部接合于所述支撑部的端面。
根据本发明，是将抑制了沿上下方向贯穿的气孔的产生的平板和支撑部焊接的构造。由此，能够防止受压部处的气体的泄漏，实现耐久性优秀的膜片。除此之外，通过使用与凹状的膜片相比研磨等精加工容易的平板，成为平坦度、表面的平滑性优秀的受压部，能够实现压力测定的精度高的膜片。
本发明中的膜片的特征在于，所述受压部与所述支撑部一体地形成。
根据本发明，膜片的受压部和支撑部一体地形成，不具有因焊接等导致的接合部，因而能够抑制因接合的不良导致的机械强度、耐腐蚀性的降低，实现耐久性优秀的膜片。
本发明中的膜片的特征在于，所述受压部包括Co-Ni基合金，该Co-Ni基合金的成分范围按照质量比，含有Co：28～42%、Ni：15～40%，Cr：10～27%、Mo：3～12%、Ti：0.1～1%、Mn：1.5%以下、Fe：0.1～26%、C:0.1%以下、Nb：3%以下、W：5%以下，Al：0.5%以下，剩余部分包括不可避免的杂质。
根据本发明，不仅实现上述效果，而且通过将对卤素类的腐蚀性气体具有优秀的耐腐蚀性以及耐久性的Co-Ni基合金用于受压部，能够实现适于腐蚀性流体的压力测定的压力传感器的膜片。
本发明中的膜片的制造方法的特征在于，所述受压部包括双相不锈钢，该双相不锈钢的成分范围按照质量比，包括Cr：24～26%、Mo：2.5～3.5%、NI：5.5～7.5%、C：0.03%以下、N：0.08～0.3%，剩余部分包括Fe以及不可避免的杂质。
根据本发明，将具有为电化学防腐蚀的对阳极腐蚀的优秀耐腐蚀性的双相不锈钢用于受压部。由此，不仅实现上述效果，在利用了该膜片的压力传感器、以及组装了压力传感器的配管之间产生电位差那样的阳极腐蚀环境下，也能够确保充分的耐腐蚀性。
本发明中的压力传感器的特征在于使用具有上述各特征的膜片。
由此，能够实现耐久性优秀的压力传感器。
本发明中的膜片的制造方法是包括平板形状的受压部、以及框状的支撑部的金属制膜片的制造方法，其特征在于，含有：将原料合金的铸锭通过滚轧加工为平板状，并利用冲模冲裁加工后的平板，以制作具有相对于所述平板的平板面平行地发展的金属组织的所述受压部的工序；以及将所述受压部和所述支撑部的端面接合的工序。
根据本发明，能够实现制作抑制了沿上下方向贯穿的气孔的产生的平板，并且将其和支撑部接合的工序。由此，能够防止受压部处的气体的泄漏，制作耐久性优秀的膜片。除此之外，通过使用与凹状的膜片相比研磨等精加工容易的平板，成为平坦度、表面的平滑性优秀的受压部，能够制作压力测定的精度高的膜片。
本发明中的膜片的制造方法的特征在于，通过扩散接合来接合所述受压部和所述支撑部的端面。
根据本发明，能够用低温接合受压部和支撑部。由此，即使在使由不同部件形成的受压部和支撑部组合的情况下，也能够制作确保充分的强度，并且，保持耐腐蚀性的膜片。
本发明中的膜片的制造方法是包括平板形状的受压部、以及框状的支撑部的金属制膜片的制造方法，其特征在于，含有：将原料合金的铸锭冷加工为棒状，以制作具有沿着加工方向延伸的金属组织的棒体的工序；以及在将所述棒体切断为期望的大小以作为块体之后，以成为金属组织相对于所述平板形状的受压部的平板面平行地发展的朝向的方式，通过加工所述块体一体地形成所述受压部和所述支撑部的工序。
根据本发明，能够在受压部中，抑制沿上下方向贯穿的气孔的产生，并且，一体地形成受压部和支撑部。由此，能够防止受压部处的气体的泄漏，以优秀的可靠性制作耐久性优秀的膜片。
在本发明中的膜片的制造方法中，其特征在于，所述受压部包括Co-Ni基合金，该Co-Ni基合金的成分范围按照质量比，含有Co：28～42%、Ni：15～40%，Cr：10～27%、Mo：3～12%、Ti：0.1～1%、Mn：1.5%以下、Fe：0.1～26%、C:0.1%以下、Nb：3%以下、W：5%以下，Al：0.5%以下，剩余部分包括不可避免的杂质。
根据本发明，不仅实现上述效果，而且通过将对卤素类的腐蚀性气体具有优秀的耐腐蚀性以及耐久性的Co-Ni基合金用于受压部，能够制作适于腐蚀性流体的压力测定的压力传感器的膜片。
在本发明的膜片的制造方法中，所述受压部的特征在于包括双相不锈钢，该双相不锈钢的成分范围按照质量比，包括Cr：24～26%、Mo：2.5～3.5%、NI：5.5～7.5%、C：0.03%以下、N：0.08～0.3%，剩余部分包括Fe以及不可避免的杂质。
根据本发明不仅能够实现上述效果，还能够制作具备阳极腐蚀耐性的膜片。
发明效果
根据本发明，能够提供没有气体泄漏的风险，耐久性高的膜片、以及使用了该膜片的压力传感器。
附图说明
图1是示出本发明所涉及的膜片的概要截面图。
图2是示出具备本发明所涉及的膜片的压力传感器的一例的概要截面图。
图3是说明现有技术的概要图。
图4是本发明所涉及的第一实施方式的膜片的截面图。
图5是本发明所涉及的第二实施方式的膜片的截面图。
图6是对本发明所涉及的第二实施方式的膜片进行说明的概要图。
具体实施方式
以下，列举本发明的膜片的各种实施方式，参照附图来详细地说明其各构成。
(膜片以及压力传感器的概要)
图1是本发明的膜片的概要截面图。
如图1所示，膜片101具备壁厚的筒状支撑部101b、以及以堵塞该筒状支撑部101b的上部开口的方式设置的薄壁的受压部101a。另外，膜片101在其下表面侧具备用于导入测定对象流体的凹状的压力室7。
另外，如图2所示，本发明的压力传感器10具备具有测定对象流体的帽部件4、以及与该帽部件4接合并一体化的膜片101。帽部件4为具有开口部4a的有底筒状，在开口部4a的外周具有凸缘部4b，并且，在开口部4a内周与膜片101的周缘部接合。帽部件4例如由金属、合金、以及合金和树脂模制件的复合材料等形成。在帽部件4的内部通过用帽部件4和膜片101分隔而形成有基准压力室8。帽部件4具备使基准气体流入的流入口(省略图示)，该基准气体被导入基准压力室8，以控制基准压力室8内的压力。
如果将压力传感器10，像图2所示的那样，在形成测定对象流体的流路6的配管5的周壁形成的开口部5a的周围，使帽部件4的开口部侧与流路相向地安装，那么压力室7和流路6连通，从流路6导入的流体充满压力室7。因而，测定对象流体直接接触受压部101a。
另外，在受压部101a中、相对于压力实7的相对侧的侧面、即膜片101的上表面侧，经由硅氧化膜等绝缘膜2设有电桥电路3。电桥电路3由四个应变计(未图示)构成，在各应变计连接有布线9a、9b、9c、9d等连接器布线9。
如果对基准压力室8导入基准气体等，并且对压力室7导入在配管5内流动的测定对象流体，那么通过基准压力室8以及压力室7的压力差，受压部101a变形。例如，在相对于基准压力室8，压力室7的相对压力高的情况下，受压部101a向基准压力室8侧挠曲。另外，在基准压力室8的相对压力相对于压力室7高的情况下，受压部101a向压力室7侧挠曲。从而，通过测定电路来测量因受压部101a的变形引起的电桥电路3的四个应变计的电阻变化，并且基于该电阻变化来计算压力室7的压力。
(本发明的概要)
接下来，基于附图详细地说明本发明的概要。
图3是示出从作为原料的铸锭通过现有技术制作膜片的过程的概要图。
在制作如图3(d)的截面图所示的，具备平板状的受压部201a以及圆筒状的支撑部201b的膜片201的情况下，首先，使为原料的金属或者是合金溶解，以制作如图3(a)所示的铸锭20。对该铸锭20进行拉拔加工，以加工成如图3(b)所示的圆棒状。在从该圆棒，切片如图3(c)所示的圆盘状的块体22之后，能够通过切削加工以及研磨加工，制作受压部201a和支撑部201b一体化的膜片201。
在此，如图3(a)所示，在铸锭20的内部，存在因为偏析而产生气孔(空洞)21的情况。在对铸锭20实施拉拔加工的情况下，金属组织沿加工方向延伸。此时，气孔21也如图3(b)所示，成为沿加工方向被拉伸的状态。如果如图3(d)所示，气孔21贯穿膜片201的受压部201a，那么存在在基准压力室8以及压力室7之间产生气体泄漏的风险。如果将此种膜片201用作压力传感器，那么由于产生测定气体的泄漏，无法测定适当的压力。
本发明人鉴于此种问题，在锐意探讨之后，发现了通过以气孔不沿膜片的受压部的厚度方向贯穿的方式构成金属组织来避免上述问题，实现了本发明。
本发明通过以下示出的各种实施方式的膜片、以及具备该膜片的压力传感器，抑制气体泄漏的发生，实现了耐久性高的膜片以及压力传感器。
以下，详细说明膜片的各种实施方式。
(第一实施方式)
本实施方式中的膜片1如图4所示，包括圆板形状的受压部1a、以及圆筒状的支撑部1b。
本实施方式的支撑部1b例如能够采用高度5mm、上端部的外径30mm、内径10mm、下端部的外径35mm、内径10mm的圆筒形状，但是也能够与所使用的压力传感器所需的特性、用途对应地采用各种形状、尺寸。该支撑部1b在与以往的膜片同样地将加工为圆柱状的铸锭沿高度方向切片之后，以成为圆筒形状的方式被进行机械加工，接着，被进行研磨加工。由此，能够制作期望形状的支撑部。
另外，本实施方式中的受压部1a例如为外径30mm、厚度0.1mm的圆板形状。该外径是配合支撑部1b上端的外径的形状制作的。
该受压部1a是对通过滚轧加工对金属铸锭进行了滚轧的平板，使用圆形的冲模进行冲裁制作而获得的。平板的制作除了上述滚轧加工之外，还能够通过进行锻造来获得。能够对形成的圆板进一步实施研磨加工，以实现具备充分平坦度的受压部1a。
在本实施方式中与以往那样从圆柱形状的块一体地切出的情况不同，由于能够对平板进行研磨，因而能够高效地，并且，进行提高平坦度的研磨。另外，从块一体地切出的膜片需要用手进行研磨，相对于此，本实施方式这样的平板形状的受压部1a能够在滚轧加工的平板的阶段机械地实施研磨。由此，不仅能够提高研磨工序的效率，还能够提高最终制作的压力传感器的压力测定的精度，因而是优选的。
另外，通过利用滚轧、锻造将原来的金属铸锭加工成平板状，金属组织也与平板面平行地被拉伸，与平板面平行地发展。此时，在熔解时产生的气孔也与平板面平行地被拉伸。另一方面，由于气孔不在高度(厚度)方向上贯穿，因而能够抑制在制作的压力传感器中的气体泄漏的发生。
本实施方式中的受压部1a的材质能够配合所适用的膜片、压力传感器的特性、用途等采用各种金属。特别是通过将后述各种金属材料用于受压部1a，能够与所使用的压力传感器的期望的特性、用途对应地发挥优秀的机械特性、耐腐蚀性。另外，如果受压部、支撑部都由同种部件构成，那么接合简单，能够避免因不同种金属的接触引起的腐蚀，因而是优选的方式。
构成膜片1的受压部1a和支撑部1b能够使用电阻焊、激光焊、电弧焊等焊接、超声波焊接、扩散接合等各种金属接合技术来接合。特别是在通过扩散接合将受压部1a和支撑部1b接合的情况下，由于充分地接合支撑部1b的上端整个面和受压部1a，因而是优选的。另外，由于通过其他焊接方法，还能够用低温加热，因而能够抑制在一边用高温熔解金属一边焊接的情况下成为问题的接合强度、间隙腐蚀这一点上，也是优选的方式。
具体而言，通过使支撑部1b和受压部1a紧贴，并设置在扩散接合装置内，并在真空或者不活泼气体气氛下进行加热以及加压，通过两者的金属原子的扩散来进行接合。例如，虽然能够使加热温度条件为950℃，使加压为30MPa，但是处理条件不限于此，能够基于膜片的形状以及材质来适当地调节。
(材料)
在本发明中，能够在膜片中使用各种金属材料。特别是为了能够充分发挥作为膜片的功能，能够使用耐腐蚀性、耐久性优秀的各种金属材料。具体而言，能够使用奥氏体类不锈钢、奥氏体•铁氧体类双相不锈钢、铁素体类不锈钢、马氏体类不锈钢等各种不锈钢、Co-Ni基合金、Ni-Mo-Cr基合金、Ni-Cr基合金等用于金属膜片的各种金属材料。
特别是在以下各种金属材料的情况下，由于能够充分确保充分的耐腐蚀性以及耐久性，因而能够合适地用作金属膜片的材料。
例如，能够使用Co-Ni基合金，该Co-Ni基合金成分范围按照质量比，含有Co：28～42%、Ni：15～40%，Cr：10～27%、Mo：3～12%、Ti：0.1～1%、Mn：1.5%以下、Fe：0.1～26%、C:0.1%以下、Nb：3%以下、W：5%以下，Al：0.5%以下，剩余部分包括不可避免的杂质。该Co-Ni基合金除了对应力、反复面对的疲劳强度等优秀的机械特性之外，还具有对卤素类的腐蚀性气体的优秀的耐腐蚀性。通过将该Co-Ni基合金用于受压部，能够实现适于腐蚀性流体的压力测定的压力传感器的膜片。
另外，能够使用成分范围按照质量比，包括Cr：24～26%、Mo：2.5～3.5%、Ni：5.5～7.5%、C：0.03%以下、N：0.08～0.3%，剩余部分Fe以及不可避免的杂质的奥氏体•铁素体类双相不锈钢(SUS329J4L)。该双相不锈钢具有为电化学防腐蚀的对阳极腐蚀的优秀耐腐蚀性。特别是在组装到食品等的配管中的压力传感器中，在安装有接地设备的情况下，即使是为阳极腐蚀环境的情况下，通过将该双相不锈钢用于膜片的受压部，也能够发挥优秀的耐腐蚀性。
(第二实施方式)
接下来，基于附图说明本发明的其他实施方式。
图5中的膜片11虽然也由受压部11a和支撑部11b构成，但是与现有技术一样，是从块体通过切削加工以及研磨加工将受压部11a和支撑部11b一体地制作的部件。
本实施方式与现有技术以及上述第一实施方式的不同点如图6所示，是以下点：在对被实施了拉拔加工的原料的铸锭20切片以形成块体22之后，以原来的铸锭20的长度方向变为与受压部11a的平板面平行的方向的方式，将块体22倾斜90°，然后对块体22实施切削加工以及研磨加工，从而制作膜片11。
具体而言，在通过原料的金属或合金的熔解而制作的，如图6(a)所示的铸锭20中生成了气孔21的情况下，通过拉拔加工，气孔21如图6(b)所示地沿加工方向(长度方向)被拉拔。如果在从该铸锭切出圆板形状的块体22之后，如果如6(c)所示地将块体22倾斜90°，那么气孔21与图3所示的现有技术不同，与平板面平行地朝向。通过在该朝向下对块体22实施切削加工以及研磨加工，能够制作具备受压部11a以及支撑部11b的膜片11。
在该膜片11的受压部11a中，金属组织与平板面平行地朝向，即使在生成了气孔21的情况下，气孔21也沿与平板面平行地延伸的朝向形成。因此，与第一实施方式同样，气孔21不会贯穿受压部11a的厚度方向，因而能够在压力传感器中抑制气体的泄漏。
另外，与现有技术方案同样，因为能够一体地形成支撑部11b和受压部11a，所以不需要接合工序，因而从能够预防因接合的不良导致的耐久性、耐腐蚀性的降低的观点看来，也有益处。
此外，虽然在以上从原料的圆棒制作了膜片11，但是还可以从方柱形成块体，该方柱是通过将原料的铸锭拉拔加工为方柱状而制作的。在该情况下，由于将块体倾斜90°也能够稳定地进行载置，因而是优选的。
在本实施方式中，构成膜片11的支撑部11b以及受压部11a的材料能够使用与第一实施方式同样的材料。
另外，关于本实施方式，说明了能够对通过将铸锭20切片而制作的块体22实施切削加工以及研磨加工来一体地制作受压部11a和支撑部11b。除此之外，通过对块体22实施锻造，也能够获得受压部11a和支撑部11b一体地形成的膜片11。
具体而言，通过锤子、冲模等工具对块体22施加压力，以实现膜片11的形状。通过此种锻造工序，能够特别使受压部11a的金属组织中的结晶粒机械地微细化，或者使金属组织中的缺陷与平板面平行。由此，除了减少金属组织中的缺陷自身，还能够去除贯穿受压部11a的厚度方向的缺陷，能够在压力传感器中抑制气体的泄漏。
符号说明
1、11、101、201 膜片
1a、11a、101a、201a 受压部
1b、11b、101b、201b 支撑部
2 绝缘膜
3 电桥电路
4 帽部件
5 配管
6 流路
7 压力室
8 基准压力室
9(9a、9b、9c、9d) 连接器布线
10 压力传感器
20 铸锭
21 气孔
22 块体。

Claims (11)

1.一种膜片，其是包括平板形状的受压部、以及框状的支撑部的金属制的膜片，其特征在于，
所述受压部具有相对于所述平板形状的受压部的平板面平行地发展的金属组织。
2.根据权利要求1所述的膜片，其特征在于，所述受压部接合于所述支撑部的端面。
3.根据权利要求1所述的膜片，其特征在于，所述受压部与所述支撑部一体地形成。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的膜片，其特征在于，所述受压部包括Co-Ni基合金，该Co-Ni基合金的成分范围按照质量比，含有Co：28～42%、Ni：15～40%，Cr：10～27%、Mo：3～12%、Ti：0.1～1%、Mn：1.5%以下、Fe：0.1～26%、C:0.1%以下、Nb：3%以下、W：5%以下，Al：0.5%以下，剩余部分包括不可避免的杂质。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的膜片，其特征在于，所述受压部包括双相不锈钢，该双相不锈钢的成分范围按照质量比，包括Cr：24～26%、Mo：2.5～3.5%、Ni：5.5～7.5%、C：0.03%以下、N：0.08～0.3%，剩余部分包括Fe以及不可避免的杂质。
6.一种压力传感器，其使用权利要求1至5中的任一项所述的膜片。
7.一种膜片的制造方法，其是包括平板形状的受压部、以及框状的支撑部的金属制膜片的制造方法，
其特征在于，含有：
将原料合金的铸锭加工为平板状，并利用冲模冲裁加工后的平板，以制作具有相对于所述平板的平板面平行地发展的金属组织的所述受压部的工序；以及
将所述受压部和所述支撑部的端面接合的工序。
8.根据权利要求7所述的膜片的制造方法，其特征在于，通过扩散接合来接合所述受压部和所述支撑部的端面。
9.一种膜片的制造方法，其是包括平板形状的受压部、以及框状的支撑部的金属制膜片的制造方法，
其特征在于，含有：
将原料合金的铸锭冷加工为棒状，以制作具有沿着加工方向延伸的金属组织的棒体的工序；以及
在将所述棒体切断为期望的大小以作为块体之后，以成为金属组织相对于所述平板形状的受压部的平板面平行地发展的朝向的方式，通过加工所述块体一体地形成所述受压部和所述支撑部的工序。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的膜片的制造方法，其特征在于，所述受压部包括Co-Ni基合金，该Co-Ni基合金的成分范围按照质量比，含有Co：28～42%、Ni：15～40%，Cr：10～27%、Mo：3～12%、Ti：0.1～1%、Mn：1.5%以下、Fe：0.1～26%、C:0.1%以下、Nb：3%以下、W：5%以下，Al：0.5%以下，剩余部分包括不可避免的杂质。
11.根据权利要求7至9中的任一项所述的膜片的制造方法，其特征在于，所述受压部包括双相不锈钢，该双相不锈钢的成分范围按照质量比，包括Cr：24～26%、Mo：2.5～3.5%、NI：5.5～7.5%、C：0.03%以下、N：0.08～0.3%，剩余部分包括Fe以及不可避免的杂质。
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