CN1839300A - 压力传感装置 - Google Patents
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Abstract
一种压力传感装置，包括：表面形成有应变电阻计的薄板状的隔膜(12)；以及限制构件(13)，具有曲面沿着该隔膜的变位形成面的凹部(14)，且该凹部与所述隔膜相对设置。尤其是将限制构件的所述凹部形成为如下的4次函数所表示的曲面：在将所述隔膜的半径设为r、厚度设为t、弯曲刚度设为D时，距离所述隔膜中心的距离为x的部位的深度y相对于超限压保护动作压力p为[y＝pr4 (1－x2/r2) 2/64D]。
Description
(1)技术领域
本发明涉及一种能充分提高超限压保护动作压力、并可实现小型化的简易结构的压力传感装置。
(2)背景技术
概略性地讲，隔膜型的压力传感装置装备有在由硅或玻璃等构成的薄板状隔膜(diaphragm)上形成有应变电阻计(日文：歪み抵抗ゲ一ジ)的传感芯片。并且，从受到压力而变位的隔膜上所形成的所述应变电阻计的电阻值变化中检测出施加于所述隔膜的压力。
例如，这种压力传感装置是将具有隔膜的传感芯片1装入例如图13所示的仪表本体2中而构成的。该仪表本体2在其本体部3上具有成为一对受压部的屏障隔膜(barrier diaphragm)4a、4b。并且，仪表本体2具有如下结构：分别通过由大直径的中心隔膜6隔离的压力缓冲室7a、7b使装入传感器部5的传感芯片(压力传感器)与所述各屏障隔膜4a、4b之间连通。在连接所述传感芯片1与各屏障隔膜(受压部)4a、4b的通道8a、8b中分别密封有硅油等压力传送介质。
采用这种构造的仪表本体2，如图14中其动作形态的示意图所示，在常态时，施加于屏障隔膜4a、4b的压力Pa、Pb通过由中心隔膜6隔离的压力缓冲室7a、7b分别引向传感芯片1的隔膜(未图示)的两个面。其结果是，传感芯片(压力传感器)1的隔膜产生相当于上述压力Pa、Pb的差压ΔP(Pa-Pb)的变位。
对此，在向屏障隔膜4a、4b的一方施加超限压Pover时，例如，如图15所示屏障隔膜4a会产生大的变位。这样，中心隔膜6跟随该屏障隔膜4a的大的变位而产生变位，以吸收上述超限压Pover。当屏障隔膜4a到达该本体部3而其变位受到限制时，就可通过屏障隔膜4a阻止更大的压力P的传递。其结果是，能将因施加超限压Pover而导致的传感芯片1破损防患于未然。并且，传感芯片1只对施加于一对屏障隔膜4a、4b的压力Pa、Pb的差压ΔP进行检测。
然而，将传感芯片1装入上述构造的仪表本体2中的压力传感装置，如上所述装备有屏障隔膜4a、4b和中心隔膜6。作成利用这些隔膜4a、4b、6的作用来保护传感芯片1免受超限压Pover的构造。因此，包含有仪表本体2的压力传感装置的整体形状难以避免会大型化。对此，强烈希望在实现压力传感装置小型化的同时能充分提高压力传感装置的超限压保护动作压力(耐压)。
为此，为了防止隔膜意外破损、破坏，例如在日本专利特开平10-7836号公报中，提出一种在传感芯片1的隔膜上以规定间隙相对地设置止挡(限制)部、利用该止挡(限制)部来阻止所述隔膜的过度变位的方案。特别是在上述公报中，提出通过将止挡部作成阶梯状的凹面，从而即使施加超限压而隔膜变位时也不会在该隔膜的周缘部产生应力集中的现象。
但是，即使与隔膜相对地设置阶梯状的止挡(限制)部，与传感芯片1本身所具有的耐压相比，也只不过能将该超限压保护动作压力提高数倍。因此，在提高对差压ΔP的检测灵敏度、且将该超限压保护动作压力设定得非常高的场合，一般来讲必须利用上述构造的仪表本体2。因此在想实现压力传感装置的小型化时，因必须需要上述仪表本体2而成为大问题。
(3)发明内容
考虑到以上的问题，本发明的目的在于提供一种能充分提高对传感芯片的超限压保护动作压力、并能实现小型化的简易构造的压力传感装置。
为了达到上述目的，本发明的压力传感装置，其特征在于，包括：表面形成有应变电阻计的薄板状的隔膜；以及限制构件，该限制构件具有凹部，该凹部由沿着所述隔膜的变位所形成的面的曲面构成，且该凹部与所述隔膜相对地设置。其特征在于，最好是将所述限制构件分别设置在隔膜的两个面上。
即，本发明的压力传感装置，其特征在于，将与隔膜相对设置的限制构件的形状形成为曲面沿着该隔膜的变位所形成的面的凹部。再具体地讲，其特征在于，将所述限制构件所具有的凹部形成为如下的4次函数所表示的曲面：在将所述隔膜的半径设为r、厚度设为t、弯曲刚度设为D时，则距离所述隔膜中心的距离为x的部位的深度y相对于超限压保护动作压力p为，
y＝pr4(1-x2/r2)2/64D
D＝Et3/12(1-υ2)
式中，E表示杨氏模量，υ表示泊松比。
若采用与隔膜相对地设置限制构件、且该限制构件具有呈这种曲面的凹部的压力传感装置的话，则由于受到超限压而变位的隔膜的整体与所述限制构件的凹部以同样的形状接触，因此施加于隔膜的所有压力都均匀地由限制构件的凹部曲面所承受。其结果是，在隔膜上不会产生局部性的应力集中，且由于施加于隔膜的超限压均匀地分散在其整体上，因此能有效防止隔膜的破坏。并且，能充分提高压力传感装置的超限压保护动作压力p。
在将硅油等压力传送介质导入隔膜时，最好是将该压力传送介质的导入孔设置在所述限制构件的呈所述曲面的凹部的顶部。由此，若将压力导入孔设置在限制构件的凹部的顶部，由于可实质性忽视该凹部的曲面上所开设的压力导入孔的存在，从而只需考虑施加压力所引起的隔膜的变位特性，能容易地设计所述凹部的曲面。
另外，本发明的压力传感装置，其特征在于，包括：表面形成有应变电阻计的隔膜；一对限制构件，具有曲面沿着所述隔膜的变位所形成的面的凹部，分别将该凹部与所述隔膜相对地设置在所述隔膜的两个面上；以及基座，具有流体通道和一对受压部，该流体通道从这些限制构件的所述凹部的顶部分别向所述隔膜的两个面引导压力传送介质，该一对受压部分别与这些流体通道连接，并向密封在该流体通道中的所述压力传送介质传递压力。
另外，对于由所述隔膜和一对限制构件构成的传感芯片，最好是通过玻璃等压力缓冲体组装在由黄铜或不锈钢等构成的基座上。
采用本发明，由于装备有限制构件，该限制构件具有沿着隔膜的变位所形成的面的凹曲面，因此，能用简易的构造来有效地防止超限压所引起的隔膜破坏，能充分提高其耐压。其结果是，不需要具有中心隔膜的仪表本体，能获得可大幅度地实现小型化等实用上的极大效果。
(4)附图说明
图1为表示本发明的压力传感装置的基本构造的图。
图2为表示本发明的差压型压力传感装置的基本构造的图。
图3为表示限制构件的有无与限制构件形状不同所引起的最大拉伸应力与隔膜的施加压力的关系对比的图。
图4为表示限制构件是平直面时隔膜相对施加压力的变位的进展图。
图5为表示限制构件是阶梯形状时隔膜相对施加压力的变位的进展图。
图6为表示限制构件是曲面形状时隔膜相对施加压力的变位的进展图。
图7为表示本发明一实施形态的压力传感装置的概略构成的分解立体图。
图8为表示图5所示的压力传感装置的构造及其制作顺序的图。
图9为表示隔膜上形成的应变电阻计的构造图。
图10为表示使用应变电阻计的差压、静压检测电路的构成例的图。
图11为表示将隔膜装入仪表本体中的压力传感装置的构造例的图。
图12为表示将隔膜装入仪表本体中的压力传感装置的另一构造例的图。
图13为表示以往的压力传感装置的概略构成的图。
图14为表示常态时的仪表本体的作用图。
图15为示意地表示中心隔膜对超限压的吸收作用的图。
(5)具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施形态的压力传感装置。
图1为表示本发明的压力传感装置的基本结构的主要部分剖视图。11是形成有规定直径的薄壁的隔膜12的基体。该基体11由硅(Si)和玻璃等脆性材料构成。13是具有与所述隔膜12相对的凹部14并与所述基体11接合而一体化的限制构件。所述凹部14形成为曲面，并沿着所述隔膜12的变位所形成的面(变位面)。
该凹部14的曲面形成为如下的4次函数所表示的曲面：在将所述隔膜12的半径设为r、厚度设为t、弯曲刚度设为D时，距离所述隔膜12中心的距离为x的部位的深度y相对于该超限压保护动作压力p为，
y＝pr4(1-x2/r2)2/64D
D＝Et3/12(1-υ2)
式中，E表示杨氏模量，υ表示泊松比。即，凹部14所呈的曲面由称为非球面的4次曲面构成。
例如，对硅(Si)制的半径r为[1.15nn]、厚度t为[0.03mm]的隔膜12施加超限压保护动作压力p[300kPa]时的变位、具体而言是距离隔膜12中心的距离为x的部位的变位量y，在杨氏模量E为[1.72×1011Pa]、泊松比υ为[0.064]时，可用下列4次函数来表示：
y＝0.012X4-0.032x2+0.021
因此，在本发明中，限制构件13的所述凹部14的曲面形成为由上述4次函数表示的沿着隔膜12的变位面的面。
对于具有这种凹部14的限制构件13，一般来讲，可通过对其形成坯材进行机械加工即直接研磨、磨削来制作，但也可应用IC制作工序中所使用的平版印刷技术来制作。具体来讲，最好是使用能使光的透射率变化的灰色梯尺膜片(gray scale mask)，使涂覆在限制构件13的形成坯材即硅基板或玻璃基板的表面上的保护层曝光，在该保护层上形成自由曲面(凹面)。然后，在此状态下对上述的硅基板或玻璃基板与形成了自由曲面的所述保护层一起进行干蚀刻等，在该硅基板或玻璃基板上形成上述自由曲面(凹面)，由此制作成具有凹部14的限制构件13。
在采用加压成形技术制作具有凹部14的限制构件13时，最好是预先准备好通过精密机械加工在超级钢、陶瓷、或冰碳(日文：グラシ一カ一ボン)上形成有所需凹曲面和与其配对的凸曲面的金属模。并且，使用上述金属模对例如在高温、真空中软化的玻璃进行加压，由此来制作形成有所需曲面的凹部14的限制构件13。
在将压力传感装置作成了对分别施加在上述隔膜12的两个面上的压力P1、P2的差压ΔP进行检测的差压型结构时，如图2的概略性剖面构造所示，最好是在隔膜12的两个面上分别设置具有所述凹部14的一对限制构件13，将这些构件接合而一体化。但是，该场合，大多时候是使形成隔膜12的基体11本身薄板化，将其一部分用作隔膜12。因此，最好是构成为，包含从两个面夹持薄板化的隔膜12而接合一体化的一对限制构件13在内，将整体结构固定支承在由硅(Si)或玻璃等构成的规定厚度的底座15上。此时，对于向所述隔膜(隔膜面)12导入压力用的压力导入孔16，最好是如图2所示，在限制构件13上所设置的凹部14的顶部，分别设置成大小不会破坏该凹部14的曲面的贯通孔。
分别如图1和图2所示，若采用与隔膜12相对地设置具有由凹曲面构成的凹部14(称为非球面限制器)的限制构件13的压力传感装置的话，则在隔膜12受到超限压而变位时，由于该整个变位面由所述凹部14的凹曲面承受，因此可防止隔膜12上的局部性应力集中。并且，由于利用凹部14的整个凹曲面来承受隔膜12的变位，因此，能有效防止施加超限压而引起的该隔膜12的意外破坏，能充分提高该超限压保护动作压力(耐压)p。
图3表示分别对无限制器的隔膜、前述日本专利特开平10-78366号公报所示的具有阶梯状的限制器的隔膜、以及本发明的具有非球面限制器的隔膜的最大拉伸应力与施加压力的关系(特性A、B、C)作了调查后所作出的这些特性A、B、C的对比。比较这些图3所示的特性A、B、C可以看出，若采用本发明的具有非球面限制器的隔膜，则在施加压力在50MPa以内时，可将最大拉伸应力控制在该隔膜的坯材即硅(Si)的破坏应力界限以下。
另外，在使用无限制器的隔膜时，若施加压力超过700kPa，则最大拉伸应力超过硅(Si)的破坏应力界限。在使用具有阶梯状的限制器的隔膜时，若施加压力超过3MPa，则最大拉伸应力超过硅(Si)的破坏应力界限。这里所说的最大拉伸应力超过硅(Si)的破坏应力界限就是指隔膜的坯材即硅(Si)破坏。关于这一点，在本发明的具有非球面限制器的隔膜中，为了产生超过硅(Si)的破坏应力界限的最大拉伸应力，必须将施加压力提高到50MPa以上。换言之，因本发明的隔膜具有非球面限制器，故能将该超限压保护动作压力(耐压)p提高到50MPa程度。
图4、图5、图6是针对上述的无限制器的隔膜、日本专利特开平10-78366号公报所示的具有阶梯状的限制器的隔膜、以及本发明的具有非球面限制器的隔膜，分别将施加压力变化时的隔膜的变位量作为与距离其中心的距离x对应的变位量的进展特性(变位形状的变化)进行解析。
分别如这些图4、图5、图6所示，当向隔膜施加从50kPa到150kPa程度的压力时，隔膜感应到了该施加压力，产生较圆滑的变位。然而，使用无限制器的隔膜时，若施加压力超过200kPa，则到达了压力施加方向的变位界限，如图4所示，其应力逐渐集中到隔膜的周缘部。其结果是，一旦施加压力超过其破坏应力界限即700kPa，就会因应力集中而产生隔膜破坏。
在采用具有阶梯状的限制器的隔膜时，受到1MPa的施加压力而变位的隔膜与阶梯状的限制器接触，将变位抑制在一定范围内。然而，若进一步增高施加压力，则如图5所示，将与阶梯状限制器接触的接触部作为变位限制部，逐渐产生横向的应力(变位)。若施加压力超过3MPa，就会因上述横向产生的应力(变位)而导致隔膜破坏。
对此，若采用本发明的具有非球面限制器的隔膜，则隔膜的变位原封不变地由非球面限制器的整个面承受。因此，采用本发明的隔膜的话，则不会产生图6所示的横向应力。其结果是，即使将施加压力提高到50MPa也不会在隔膜上产生局部性的应力集中，由此不会产生应力集中引起的破坏。能充分提高作为压力传感装置的耐压。
下面说明具有上述非球面限制器的压力传感装置的具体实施形态。图7为表示该实施形态中的压力传感装置的概略构成的分解立体图。21是成为隔膜的由薄板构成的基体。22是设置在基体21上面的第1限制构件22。23是设置在基体21下面的第2限制构件23。24是设置在第1限制构件22上面的盖体。
所述基体21例如由将(100)面作为主面的硅基板构成，如图8所示，将其中央部作为对施加于其两个面间的差压ΔP进行高灵敏度检测的圆形主隔膜部21a。将该基体21的所述主隔膜部21a的周缘部作为检测后述静压用的圆环状副隔膜部22b来使用。特别是在主隔膜部21a的周缘部附近，以90度间隔形成有检测差压用的沿<110>方向延伸的4个应变电阻计R11、R12、R13、R14。在副隔膜部21a上，以90度间隔形成有检测静压用的沿<110>方向延伸的4个应变电阻计R21、R22、R23、R24。并且，在基体21的离开所述隔膜部21a、21b的周缘位置上形成有沿<100>方向延伸的温度检测用的电阻Rt。
在所述副隔膜部22b上设置有穿通基体21的表里面的贯通孔22c。该贯通孔22c如后所述用于向副隔膜部22b的两个面引导硅油等压力传送介质。
例如，如图9的例子所示，所述应变电阻计R11～R14、R21～R24、Rt是分别通过在成为基体21的n型硅基板的表面埋入p型电阻层21x而形成的。对于电极从这些各电阻层21x的引出，最好是从各电阻层21x的两端部通过欧姆电极21y来进行。检测硅基板的电位时，最好是在该硅基板的表面上，例如通过离子注入或扩散形成n型高杂物层21z，在该高杂物层21z上设置欧姆电极21y。
例如，如图10的例子所示，这些应变电阻计R11～R14、R21～R24进行桥接，以进行差压检测及静压检测。具体来讲，应变电阻计R11～R14进行桥接，构成差压检测电路，应变电阻计R21～R24进行桥接，构成静压检测电路。电阻Rt用于温度检测。
在所述第1、第2限制构件22、23的与所述基体21的相向面上，分别设置与主隔膜部21a相对的具有前述曲面的凹部22a、23a。并且，在所述第1、第2限制构件22、23上分别设置有与所述副隔膜部21b相对的圆环状的槽22b、23b。在第1、第2限制构件22、23的各凹部22a、23a的顶部分别设置有向主隔膜部21a引导压力传送介质用的导入孔22c、23c。
在第1、第2限制构件22、23上的形成有各槽22b、23b的部位上，分别设置有穿通该第1、第2限制构件22、23的表里面的贯通孔22d、23d。特别是设于第1限制构件22的贯通孔22d通过设于该第1限制构件22上面的槽22e与所述导入孔22c连通。该槽22e在用所述盖体24将第1限制构件22的上面盖住时，在与该盖体24之间形成连接导入孔22c与贯通孔22d的所述压力传送介质的通道。第1限制构件22的边缘部所设置的缺口槽22f是所述应变电阻计R11、R12、R13、R14等的电极取出部。
使用这种成为隔膜的基体22和第1、第2限制构件22、23来实现的压力传感装置，如图8的例子所示，是如此制作的：先将基体21与第1限制构件22接合一体化，其次，将基体21研磨到能作为隔膜发挥功能的规定厚度地进行薄板化。然后，将第2限制构件23与薄板化的基体21的里面侧接合一体化，使用第1、第2限制构件22、23将成为隔膜的基体21夹住。
另外，在实现耐压为100kPa的压力传感装置时，例如，最好是主隔膜部21a的直径为2mm，厚度为30μm。此时，作为第1、第2限制构件22、23的厚度只要为500μm左右就很充分。对于分别设置于凹部22a、23a顶部的压力导入孔22c、23c的直径最好是设定为15mm左右。若采用这种尺寸的压力导入孔22c、23c，则不会破坏所述凹部22a、23a的限制功能，能圆滑地向所述基体21上形成的隔膜导入压力传送介质(硅油)。
在具有这种构造的压力传感装置中，通过设置在第2限制构件23上的导入孔23c将压力LP导入所述基体21形成的隔膜的下面侧。导入第2限制构件23上所设置的贯通孔23d的压力HPc，从圆环状的槽23b通过贯通孔21c导入第1限制构件22上所设置的圆环状的槽22b中，再从贯通孔22d通过槽22e和导入孔22c导入所述基体21形成的隔膜的上面侧。其结果是，基体21形成的隔膜(主隔膜部21a)感应到分别导入其两个面(上下面)的压力LP、HP的差压ΔP(＝HP-LP)而发生变位。并且，通过前述的应变电阻计R11、R12、R13、R14检测该变位的大小。
分别导入槽22b、23b的压力HP从两个面压缩副隔膜部21b。从随该压缩压力而变化的应变电阻计R21、R22、R23、R24的电阻值中检测出该静压。这样，通过作成可在检测差压的同时检测此时的静压的结构，从而能将对隔膜差压ΔP的灵敏度与对静压(压力HP)的灵敏度分开地进行检测。并且，可减小差压与静压之间的串扰。
在将这种构造的压力传感器(传感芯片)装入仪表本体时，如前所述，由于通过第1、第2限制构件22、23充分提高了隔膜的耐压，因此，例如，分别如图11和图12所示，能将压力从仪表本体上所设置的受压部4a、4b直接导入隔膜。换言之，若使用上述构造的压力传感器(传感芯片)，就不需采用前面用图13所说明的设置由中心隔膜6隔离的压力缓冲室7a、7b而通过中心隔膜6来吸收超限压的构造。由此，不需要大直径的中心隔膜6，可相应地使仪表本体大幅度小型化，能实现耐压高的压力传感装置的便携化。
另外，图11所示的压力传感装置中将一对受压部4a、4b并列设置在仪表本体的底面上，图12所示的压力传感装置中将一对受压部4a、4b分别设置在仪表本体的相向的侧面上。无论采用哪种构造都不需要在仪表本体的内部设置中心隔膜6。因此，可获得实现小型化且构造简单化这一实用上的极大效果。
图11和图12中，31是支承传感芯片1的玻璃制的底座，作为传感芯片1的相对由黄铜或不锈钢等构成的仪表本体的压力缓冲体来发挥作用。32是将传感芯片1固定在底座31上的弹簧构件。这样，在将传感芯片1装入仪表本体时，最好是预先将图7所示的方形的基体21、第1、第2限制构件22、23的角部切去，将传感芯片1本身形成为圆形(圆盘状)。
本发明不限定于上述实施形态。例如，可以根据压力检测的规格来设定隔膜的直径和厚度。前述静压检测用的应变电阻计，对压力传感装置来说并不需要一定具备。另外，本例以差压检测用的传感器为主体作了说明，当然也可实现只是在隔膜的单一面上设置限制构件的压力传感器。其它方面，本发明在不脱离其宗旨的范围内可作出各种变形来实施。
Claims (7)
1、一种压力传感装置，其特征在于，包括：
表面形成有应变电阻计的隔膜；以及
限制构件，具有凹部，该凹部由曲面构成，该曲面沿着由所述隔膜的变位形成的面且该凹部与所述隔膜相对设置。
2、如权利要求1所述的压力传感装置，其特征在于，所述限制构件分别相对地设置在所述隔膜的两个面上。
3、如权利要求1或2所述的压力传感装置，其特征在于，所述限制构件所具有的凹部的曲面由如下的4次函数所表示的曲面构成：在将所述隔膜的半径设为r、厚度设为t、弯曲刚度设为D时，距离所述隔膜中心的距离为x的部位的深度y相对于其超限压保护动作压力p为，
y＝pr4(1-x2/r2)2/64D
D＝Et3/12(1-υ2)
式中，E表示杨氏模量，υ表示泊松比。
4、如权利要求1或2所述的压力传感装置，其特征在于，所述限制构件在形成曲面、且该曲面沿着由所述隔膜的变位所形成的面的凹部的顶部上，具有向所述隔膜导入压力传送介质的导入孔。
5、一种压力传感装置，其特征在于，包括：
表面形成有应变电阻计的隔膜；
一对限制构件，具有由曲面构成的凹部，该曲面沿着由所述隔膜的变位所形成的面，将该凹部与所述隔膜相对地分别设置在该隔膜的两个面上；以及
基座，具有流体通道和一对受压部，该流体通道从这些限制构件的所述凹部的顶部分别向所述隔膜的两个面引导压力传送介质，该一对受压部分别与这些流体通道连接，并向密封在该流体通道中的所述压力传送介质传递压力。
6、如权利要求5所述的压力传感装置，其特征在于，由所述隔膜和所述一对限制构件构成的传感芯片通过压力缓冲体组装在所述基座上。
7、如权利要求5所述的压力传感装置，其特征在于，所述一对受压部由设置在基座上的一对隔膜构成。
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