CN110779654B - 压力传感器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明的压力传感器芯片抑制传感器隔膜在传感器隔膜于阻挡构件触底之后异常变形。在阻挡构件的曲面状的凹部设置槽图案区域(#1)和无槽图案区域(#2)。无槽图案区域(#2)分成环状的第1区域(#21)和环状的第2区域(#22)，在传感器隔膜对阻挡构件的曲面状的凹部触底时，所述环状的第1区域(#21)与传感器隔膜密接，且所述环状的第2区域(#22)位于环状的壁的内壁面(1‑5a)与环状的第1区域(#21)之间。由此，以第1区域(#21)作为密封区域，以第2区域(#22)作为封闭区域，环状的壁的内壁面(1‑5a)侧的空间内残留的压力传递介质被封闭到封闭区域(#22)内，从而抑制传感器隔膜异常变形。

Description

压力传感器芯片
技术领域
本发明涉及一种压力传感器芯片，其采用输出与一面以及另一面所承受的压力差相应的信号的传感器隔膜，该压力传感器芯片例如在受到压力而位移的薄板状的隔膜上形成电阻应变仪，根据形成在隔膜上的电阻应变仪的电阻值变化来检测对隔膜施加的压力。
背景技术
一直以来，作为工业用的压差传感器，采用一种压差传感器，其装入了采用传感器隔膜的压力传感器芯片，该传感器隔膜输出与一面以及另一面所承受的压力差相应的信号。
这种压差传感器以如下方式构成：利用硅油等压力传递介质(非圧缩性的液体(封入液))将对高压侧以及低压侧的受压隔膜施加的流体压导向传感器隔膜的一面以及另一面，并将该传感器隔膜的应变作为电阻应变仪的电阻值变化进行检测，然后将该电阻值变化转换成电信号取出。
在图7中，示出组入压差传感器后的压力传感器芯片的重要部分的构成(例如，参照专利文献1)。该压力传感器芯片1具备传感器隔膜1-1、第1保持构件1-2、以及第2保持构件1-3。
在该压力传感器芯片1中，第1保持构件1-2与第2保持构件1-3夹隔传感器隔膜1-1而接合。另外，传感器隔膜1-1由硅构成，在形成为薄板状的隔膜的表面形成有电阻应变仪(未图示)。保持构件1-2、1-3也由硅构成。
在该压力传感器芯片1中，在保持构件1-2上形成凹部1-2a，使该凹部1-2a的周缘部1-2b面朝传感器隔膜1-1的一面1-1a，从而将保持构件1-2接合于传感器隔膜1-1的一面1-1a。在保持构件1-3上形成凹部1-3a，使该凹部1-3a的周缘部1-3b面朝传感器隔膜1-1的另一面1-1b，从而将保持构件1-3接合于传感器隔膜1-1的另一面1-1b。
保持构件1-2的凹部1-2a设为与传感器隔膜1-1的位移相符合的曲面(非球面)，在其顶部形成有压力导入孔(导压孔)1-2c。保持构件1-3的凹部1-3a设为平坦的面，在其顶部形成有压力导入孔(导压孔)1-3c。
在该压力传感器芯片1中，流体压PL经由硅油等压力传递介质，通过保持构件1-2的导压孔1-2c施加到传感器隔膜1-1的一面1-1a。另外，流体压PH经由硅油等压力传递介质，通过保持构件1-3的导压孔1-3c施加到传感器隔膜1-1的另一面1-1b。
在该压力传感器芯片1中，预先将PH规定为高压侧的流体压，将PL规定为低压侧的流体压，第1保持构件1-2的曲面状的凹部1-2a发挥流体压PH过大时的阻挡构件的作用。即，在对传感器隔膜1-1的另一面1-1b施加过大压力从而传感器隔膜1-1发生了位移时，该位移面整体由保持构件1-2的凹部1-2a的曲面承接而阻挡。以下，也将保持构件1-2称为阻挡构件。
由此，阻止对传感器隔膜1-1的另一面1-1b施加过大压力时的过度位移，避免在传感器隔膜1-1的周缘部发生应力集中，从而能够有效地防止施加过大压力所导致的传感器隔膜1-1的意外破损，提高其过大压力保护动作压力(耐压)。
在该压力传感器芯片1中，在阻挡构件1-2的凹部1-2a的曲面(非球面)的形状偏离理想设计形状的情况下，封入内部的压力传递介质有可能残留在已触底的传感器隔膜1-1和阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a之间。该情况下，因为压力传递介质无处流出，所以传感器隔膜1-1异常变形，随之产生过大应力，而有导致输出异常、或传感器隔膜1-1破损之虞。
另外，在传感器隔膜1-1触底后仍提高压差，随后降低压差的情况下，较理想的是在触底时的压差下能够剥离，但是在触底之后，因为触底侧的受压面积变成仅导压孔1-2c的开口面积，所以有可能在触底压下无法剥离，甚至在降低至使用压时也无法剥离。
另外，封入压力传递介质时，因为间隙随着朝向传感器隔膜1-1的边缘而变小，所以难以封入压力传递介质，如果出现未封入部位的话会存在导致压力损失之虞。
于是，出于避免传感器隔膜1-1的异常变形的目的，或使传感器隔膜1-1的剥离性、压力传递介质的封入性提高的目的，而考虑在阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a离散地形成多个凸部(柱)2(参照图8)，并形成槽3作为该多个凸部2与凸部2之间的通道(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3847281号公报
专利文献2：日本专利特开2017-106812号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在这种结构的压力传感器芯片1中，阻挡构件1-2和传感器隔膜1-1的接合部(图8中虚线所包围的部分)的角度变成锐利的锐角。因此，应力集中在阻挡构件1-2和传感器隔膜1-1的接合部的锐角所连成的1点(接近零角度的点)，破损韧性非常低，即使因为低压(流体压PL)导致传感器隔膜1-1向与阻挡构件1-2相反侧略微变形，也有导致破损之虞。
另外，如图9所示，考虑在阻挡构件1-2的周缘部1-2b设置环状的壁1-5，使该环状的壁1-5的内壁面1-5a面对以传感器隔膜1-1和阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a所包围的空间1-4。在图10中，示出从环状的壁1-5的下表面侧观看阻挡构件1-2的图。
如此一来，在阻挡构件1-2和传感器隔膜1-1的接合部(图9中虚线所包围的部分)遍及整周形成阶差(极微小的阶差)h，利用该阶差h将应力分散。即，在阶差h内产生多个应力的分散点。由此，阻挡构件1-2和传感器隔膜1-1的接合部的破损韧性提高，从而确保传感器隔膜1-1向阻挡构件相反侧变形时的强度。
然而，如果形成这样的阶差h，则在像阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a的形状存在偏差的情况下，在施加过大压力时传感器隔膜1-1于阻挡构件1-2触底之后(参照图11)，压力传递介质4会流窜到阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a的周缘部的槽3或阶差h内，因此，传感器隔膜1-1的周面会沿着凹部1-2a的非球面形状引发异常变形，从而产生耐压劣化这一问题。
本发明是为了解决这样的课题而完成的，其目的在于，提供一种压力传感器芯片，其提高阻挡构件和传感器隔膜的接合部的破损韧性，而无需担忧低压所引起的传感器隔膜的略微变形导致破损，且能够抑制传感器隔膜在传感器隔膜于阻挡构件触底之后异常变形。
解决问题的技术手段
为了达成该目的，本发明的压力传感器芯片(1)包括：传感器隔膜(1-1)，其输出与压力差相应的信号；第1保持构件(1-2)，其周缘部(1-2b)面朝传感器隔膜的一面(1-1a)而接合，且具有朝传感器隔膜的一面引导第1测定压(PL)的第1导压孔(1-2c)；以及第2保持构件(1-3)，其周缘部(1-3b)面朝传感器隔膜的另一面(1-1b)而接合，且具有朝传感器隔膜的另一面引导第2测定压(PH)的第2导压孔(1-3c)，该压力传感器芯片(1)的特征在于，第1保持构件(1-2)包括凹部(1-2a)，其阻止对传感器隔膜的另一面施加过大压力时该传感器隔膜过度位移，且为与该传感器隔膜的位移相符合的曲面状，在第1保持构件(1-2)的周缘部(1-2b)设置有环状的壁(1-5)，该环状的壁(1-5)的内壁面(1-5a)面对由传感器隔膜和第1保持构件的曲面状的凹部包围的空间(1-4)，在第1保持构件(1-2)的曲面状的凹部(1-2a)设置有：形成与第1导压孔连通的槽(3)作为多个凸部(2)与凸部(2)之间的通道的槽图案区域(#1)、和包围该槽图案区域的环状的无槽图案区域(#2)，该无槽图案区域(#2)分为环状的第1区域(#21)和环状的第2区域(#22)，在传感器隔膜对第1保持构件的曲面状的凹部触底时，所述环状的第1区域(#21)与传感器隔膜密接，且所述环状的第2区域(#22)位于环状的壁的内壁面与环状的第1区域之间，以环状的第1区域作为密封区域，以环状的第2区域作为封闭区域，环状的壁的内壁面侧的空间(5)内残留的压力传递介质(4)被封闭到封闭区域(#22)。
依据该发明，通过在第1保持构件(阻挡构件)的周缘部设置环状的壁，从而该环状的壁的内壁面面对由传感器隔膜和第1保持构件的曲面状的凹部包围的空间，由此在阻挡构件和传感器隔膜的接合部遍及整周形成阶差(极微小的阶差)。在本发明中，通过利用该阶差将对阻挡构件和传感器隔膜的接合部施加的应力分散，即，在阶差内产生多个应力的分散点，因而能够提高阻挡构件和传感器隔膜的接合部的破损韧性，确保传感器隔膜向阻挡构件相反侧变形时的强度。
另外，本发明中，在第1保持构件(阻挡构件)的曲面状的凹部设有形成槽作为多个凸部与凸部之间的通道的槽图案区域、和包围该槽图案区域的环状的无槽图案区域。环状的无槽图案区域分成环状的第1区域和环状的第2区域，在传感器隔膜对阻挡构件的曲面状的凹部触底时，该环状的第1区域与传感器隔膜密接，且该环状的第2区域位于环状的壁的内壁面与环状的第1区域之间。由此，以环状的第1区域作为密封区域，以环状的第2区域作为封闭区域，环状的壁的内壁面侧的空间内残留的压力传递介质被封闭到封闭区域。该情况下，所封闭的压力传递介质较少，从而传感器隔膜只能进行与所封闭的压力传递介质的压缩量相应的程度的变形。
再者，上述说明中，作为一例，利用附加了括号的参照符号表示附图上和发明的构成要素对应的构成要素。
发明的效果
如以上所说明，依据本发明，因为在第1保持构件(阻挡构件)的周缘部设置了环状的壁，所以在阻挡构件和传感器隔膜的接合部遍及整周形成阶差(极微小的阶差)，而利用该阶差将对阻挡构件和传感器隔膜的接合部施加的应力分散。由此，阻挡构件和传感器隔膜的接合部的破损韧性提高，传感器隔膜向阻挡构件相反侧变形时的强度得以确保，从而能够消除低压所引起的传感器隔膜的略微变形导致破损之虞。
另外，依据本发明，在第1保持构件(阻挡构件)的曲面状的凹部设置：形成与第1导压孔连通的槽作为多个凸部与凸部之间的通道的槽图案区域、和包围该槽图案区域的环状的无槽图案区域，环状的无槽图案区域分为环状的第1区域和环状的第2区域，在传感器隔膜对保持构件的曲面状的凹部触底时，该环状的第1区域与传感器隔膜密接，且该环状的第2区域位于环状的壁的内壁面和环状的第1区域之间，以环状的第1区域作为密封区域，以环状的第2区域作为封闭区域，环状的壁的内壁面侧的空间内残留的压力传递介质被封闭到封闭区域，因此，传感器隔膜只能进行与所封闭的压力传递介质的压缩量相应的程度的变形，从而能够抑制传感器隔膜在传感器隔膜于阻挡构件触底之后异常变形。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的压力传感器芯片的一实施方式的概略的图。
图2是从环状的壁的下表面侧观看该压力传感器芯片的阻挡构件的图。
图3是将该压力传感器芯片中的传感器隔膜和阻挡构件拔出表示的图。
图4是表示传感器隔膜于阻挡构件的曲面状的凹部触底后的状态的图。
图5是表示在传感器隔膜触底时将环状的无槽图案区域分成密封区域和封闭区域的状态的图。
图6是表示在阻挡构件的周缘部分体地设置环状的壁的示例的图。
图7是表示以往的压力传感器芯片的重要部分的构成的图。
图8是表示通过在该压力传感器芯片的阻挡构件的曲面状的凹部设置多个凸部而在该凸部与凸部之间形成槽的示例的图。
图9是表示在图8所示的示例中在阻挡构件的周缘部设置环状的壁的示例的图。
图10是在图9所示的示例中从环状的壁的下表面侧观看阻挡构件的图。
图11是表示在图9所示的示例中传感器隔膜于阻挡构件的曲面状的凹部触底后的状态的图。
具体实施方式
以下，基于附图详细说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明所涉及的压力传感器芯片的一实施方式的概略的图。该图中，与图7相同的符号表示与参照图7所说明的构成要素相同或同等构成要素，而省略其说明。
另外，在以下，为了与图7所示的以往的压力传感器芯片1区分，以符号1A表示本实施方式的压力传感器芯片1，以符号1B表示以往的压力传感器芯片1。
本实施方式的压力传感器芯片1A中，在阻挡构件1-2的周缘部1-2b一体地设置环状的壁1-5。在图2中，示出从环状的壁1-5的下表面侧观看阻挡构件1-2的图。
该环状的壁1-5的下表面与传感器隔膜1-1的周缘部1-1c接合。另外，该环状的壁1-5的内壁面1-5a面对传感器隔膜1-1和阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a所包围的空间1-4。另外，该环状的壁1-5的内壁面1-5a的角度θ(参照图3)、即相对于环状的壁1-5与传感器隔膜1-1的周缘部1-1c的接合面S的角度θ设为90°。
另外，本实施方式的压力传感器芯片1A中，在阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a，设有形成槽3作为多个凸部2与凸部2之间的通道的槽图案区域#1、和包围该槽图案区域#1的环状的无槽图案区域#2。即，在阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a中，在槽图案区域#1形成有槽3，但在位于槽图案区域#1和环状的壁1-5的内壁面1-5a之间的固定的区域#2未形成槽3。
在本实施方式的压力传感器芯片1A中，设置在阻挡构件1-2的周缘部1-2b的环状的壁1-5的内壁面1-5a面对由隔膜1-1和阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a包围的空间1-4，而在阻挡构件1-2和传感器隔膜1-1的接合部(图3中虚线所包围的部分)遍及整周形成阶差(极微小的阶差)h。
在本实施方式的压力传感器芯片1A中，通过利用该阶差h将对阻挡构件1-2和传感器隔膜1-1的接合部施加的应力分散，即，在阶差h内产生多个应力的分散点，从而能够提高阻挡构件1-2和传感器隔膜1-1的接合部的破损韧性，确保传感器隔膜1-1向阻挡构件相反侧变形时的强度。由此，能够消除低压(流体压PL)所引起的传感器隔膜1-1的略微变形导致破损之虞。
另外，本实施方式的压力传感器芯片1A中，在阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a，设有形成槽3作为多个凸部2与凸部2之间的通道的槽图案区域#1、和包围该槽图案区域#1的环状的无槽图案区域#2。
在传感器隔膜1-1对阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a触底时(参照图4)，如图5所示，环状的无槽图案区域#2分成传感器隔膜1-1所密接的环状的第1区域#21、和位于环状的壁1-5的内壁面1-5a与环状的第1区域#21之间的环状的第2区域#22。
由此，在本实施方式的压力传感器芯片1A中，在传感器隔膜1-1对阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a触底时，以环状的第1区域#21作为密封区域，以环状的第2区域#22作为封闭区域，将环状的壁1-5的内壁面1-5a侧的空间(内壁面侧的空间)5内残留的压力传递介质4封闭到封闭区域#22内。
在本实施方式的压力传感器芯片1A中，阻挡构件1-2的曲面状的凹部1-2a的形状(非球面的形状)形成为在除了封闭区域#22以外、以存在阶差h的状态与传感器隔膜1-1的变形相符合的形状。另外，阻挡构件1-2设为触底后的传感器隔膜1-1的发生应力在达到所期望的耐压值之前不会超过破损强度的形状。
如此一来，残留在环状的壁1-5的内壁面1-5a侧的空间5内的压力传递介质4就被封闭在封闭区域#22内，但封闭在该封闭区域#22内的压力传递介质4较少，而传感器隔膜1-1只能进行与所封闭的压力传递介质4的压缩量相应的程度的变形。例如，只会进行与残留的压力传递介质4的10％左右相应的程度的变形。由此，抑制了传感器隔膜1-1在传感器隔膜1-1于阻挡构件1-2触底之后异常变形。
另外，在上述的实施方式中，将环状的壁1-5的内壁面1-5a的角度θ设为90°，但并不限于90°，也可设为120°等。环状的壁1-5的内壁面1-5a的角度θ虽然优选设为90°，但也可设为45°、或60°等。
另外，在上述的实施方式中，虽然在阻挡构件1-2的周缘部1-2b一体地设置了环状的壁1-5，但也可在阻挡构件1-2的周缘部1-2b分体地设置环状的壁1-5(参照图6)。
另外，在上述的实施方式中，虽然将传感器隔膜1-1和第2保持构件1-3分体地设置，但也可设为将传感器隔膜1-1和第2保持构件1-3设为一体的结构。在本发明的权利范围内，也包含这样的、传感器隔膜1-1和第2保持构件1-3的一体结构。
实施方式的扩展
以上，虽然参照实施方式说明了本发明，但本发明并不受限于上述实施方式。本发明的构成和细节能够在本发明的技术思想的范围内做出本领域技术人员能理解的各种变更。
[符号说明]
1 压力传感器芯片
1-1 传感器隔膜
1-1a 一面
1-1b 另一面
1-1c 周缘部
1-2 第1保持构件(阻挡构件)
1-2a 凹部
1-2b 周缘部
1-2c 压力导入孔(导压孔)
1-3 第2保持构件
1-3a 凹部
1-3b 周缘部
1-3c 压力导入孔(导压孔)
1-4 空间
1-5 环状的壁
1-5a 内壁面
S 接合面
2 凸部
3 槽
4 压力传递介质
5 空间(内壁面侧的空间)
#1 槽图案区域
#2 无槽图案区域
#21 环状的第1区域(密封区域)
#22 环状的第2区域(封闭区域)。

Claims (4)

1.一种压力传感器芯片，其包括：传感器隔膜，其输出与压力差相应的信号；第1保持构件，使其周缘部面朝所述传感器隔膜的一面而接合，且具有朝所述传感器隔膜的一面引导第1测定压的第1导压孔；以及第2保持构件，使其周缘部面朝所述传感器隔膜的另一面而接合，且具有朝所述传感器隔膜的另一面引导第2测定压的第2导压孔，该压力传感器芯片的特征在于，
所述第1保持构件包括凹部，其阻止对所述传感器隔膜的另一面施加过大压力时该传感器隔膜过度位移，且为与该传感器隔膜的位移相符合的曲面状，
在所述第1保持构件的周缘部设置有环状的壁，该环状的壁的内壁面面对由所述传感器隔膜和所述第1保持构件的曲面状的凹部包围的空间，
在所述第1保持构件的曲面状的凹部设置有：形成与所述第1导压孔连通的槽作为多个凸部与所述多个凸部彼此之间的通道的槽图案区域、和包围该槽图案区域的环状的无槽图案区域，
所述无槽图案区域分为环状的第1区域和环状的第2区域，在所述传感器隔膜对所述第1保持构件的曲面状的凹部触底时，所述环状的第1区域与所述传感器隔膜密接，且所述环状的第2区域位于所述环状的壁的内壁面与所述环状的第1区域之间，
以所述环状的第1区域作为密封区域，以所述环状的第2区域作为封闭区域，所述环状的壁的内壁面侧的空间内残留的压力传递介质被封闭到所述封闭区域。
2.根据权利要求1所述的压力传感器芯片，其特征在于，
所述环状的壁与所述第1保持构件一体地设置。
3.根据权利要求1所述的压力传感器芯片，其特征在于，
所述环状的壁相对于所述第1保持构件分体地设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压力传感器芯片，其特征在于，
相对于所述环状的壁和所述传感器隔膜的周缘部的接合面而言，所述环状的壁的内壁面的角度设为45°以上。
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