CN85101369A - 半导体差压发信器 - Google Patents

Abstract

接合二个构件形成受压部，中心膜片介于其间，在两构件的接合部设置由上述中心膜片隔开的第1、第2隔离室，再在其中一个构件上，设置由膜片状半导体差压传感器隔开的第1、第2测定室，上述第1隔离室与第1测定室导通，内部充有流体，上述第2隔离室与第2测定室导通，内部充有流体，在这种半导体差压发信器中，上述两构件的接合边界线显露在受压部的外周面上，并沿该边界线焊接起来。

Description

本发明涉及半导体差压发信器，它是在单晶硅片上利用扩散法形成压敏电阻元件，利用这种单晶硅片制成扩散型测量膜片，在其两侧分别加以高压和低压的流体压力，由膜片发出对应于两流体压力差的电信号，同时又具有保护上述膜片不受加压或冲击压破坏的结构。

例如，特开昭53-79582号公报中所公布的这种差压发信器，作为检测元件的扩散型膜片接合在构成受压部分的构件上，再利用高低压2片受压膜片和1片中心膜片构成保护上述扩散型膜片不受过载的手段。即利用上述高压受压膜片将导入被测高压流体的高压流体室和充有非压缩性硅油等流体的高压受压室隔离起来，被测高压流体的压力通过高压受压膜片传给高压受压室内的硅油。同样，设有由低压受压膜片隔离的导入被测低压流体的低压流体室和充有硅油的低压受压室。再利用上述中心膜片隔离起来，设有高压隔离室和低压隔离室，并在上述扩散型膜片的两侧设有高压测定室和低压测定室。高压隔离室和高压测定室分别通过细导通路通至上述高压受压室，另外，低压隔离室和低压测定室分别通过细导通路至上述低压受压室。因而，高压受压室、高压隔离室和高压测定室相互导通，并在其内充满硅油，导入高压流体室内的高压流体的高压通过硅油传到高压测定室并加在扩散型膜片的一侧上，传至低压流体室内的低压同样通过硅油传至低压测定室并加在扩散型膜片的另一侧上。上述高低压受压室、高低压隔离室当高低两流体压力的差压非常大时可起缓冲作用，从而可保护扩散型膜片不受过载。

这种众所周知的差压式发信器在很多领域都得到了令人满意的结果，但还存在以下一些缺点。卽由于上述测定室和受压室是通过细导通路直接连接起来的，所以当冲击压加在受压室上时，其冲击压也会直接传到测定室，这很可能损伤差压式检测元件或造成故障。另外若高低受压膜片采用波紋管式的，则安装时需要较大的空间，因此，难于将差压式检测元件配置在受压部分构件的中心，从差压式检测元件取出输出信号的导体的配置变得很复杂;并且难于将连接上述受压室和测定室的导通路设置在受压部分构件的内部，所以必须在受压部分构件的外侧迂迥设置导管，结构变得复杂，其结果导致制造成本提高、尺寸变大等等缺点。

为了消除这些缺点，本发明者提出了特开昭59-203936号公报中公佈的那种结构的半导体差压式发信器。在这种半导体差压式发信器中，一对受压膜片、中心膜片和作为差压检测元件的扩散型膜片全都沿着受压部分的中心轴并与之同轴而紧凑地加以配置，并且不论在高压侧还是低压侧，受压室和测定室都不能直接连接，而要通过隔离室进行连接。因此，卽使冲击波加在受压室上，由于隔离室的缓冲作用，传至测定室的压力会受到限制，从而可防止差压式检测元件的损伤和故障。另外，由于受压部分构件中各构件的配置都很紧凑，使得从差压式检测元件取出输出信号的导体的配置也可变得简单，尺寸也可变小。但是，已经查明，在这种差压式发信器中还有如下一些缺点。

1）受压部分是由在其一侧形成凹部的第1构件和配合在此凹部内的第2构件构成的，中心膜片在上述第1构件的凹部内安装在第1构件和第2构件之间，第1构件和第2构件沿着上述凹部的内周缘部分焊接起来。因此，当第1构件和第2构件的结合强度不足时，中心膜片不能保持稳定，从而可能在差压测定中产生误差。

2）装有扩散型膜片的差压传感器组合体配合在上述第1构件凹部内形成的第2小凹部内，并用焊接法固定在第1构件上，但由于差压传感器组合体两侧所受的两流体压力的不平衡，会使差压式传感器组合体在上述第2小凹部内沿中心轴方向移动，从而对差压测定有影响。

本发明的目的在于消除如上所述的缺点并提供改进的半导体差压式发信器。卽以提供这样的半导体差压发信器为目的，一对受压膜片、中心膜片和扩散型膜片全都与特开昭59-203936号相同地沿着受压部分的中心轴并与之同轴进行配置，在高压侧和低压侧，受压室和测定室都是通过隔离室来连接的，在这种结构的半导体差压式发信器中，提高构成受压部分的第1构件和第2构件的结合强度，并保持中心膜片在其间的稳定。

另一个目的是在本发明的理想实施例子中，附加这样一种结构，它能阻止由于差压传感器组合体两侧所受的两流体压力的不平衡引起的差压式传感器组合体沿中心轴向的移动。

为了达到上述的目的，本发明的半导体差压式发信器具有下述的结构特征。卽形成受压部分的第1构件和第2构件分别在受压部分的中心轴方向上具有相对的侧面，两侧面的边缘部分形成互补形状，将两侧面对接起来，在其中间安装中心膜片，在将第1构件和第2构件组合起来形成受压部分时，其边界线显露在受压部分的外表面上，并沿着其边界线将两构件焊接起来。

此外，在本发明的理想实施例子中，将装有差压检侧元件的差压传感器组合体插入上述第1构件与上述第2构件相对的侧面上的凹部内，并配合在该凹部内，当利用焊接在第1构件上的金属板来保持差压传感器组合体时，将此金属板焊接在差压式传感器组合体上，同时在差压式传感器组合体上设置与上述金属板接合的接合部分，以防止由于差压式传感器组合体两侧所受的两流体压力的不平衡引起的该组合体的移动。

第1图示出本发明的半导体差压式发信器的一个实施例子的断面图。

在同一图中所示的差压式发信器的受压部分主要是由第1构件10和第2构件11构成的。在受压部分的第1构件10和第2构件11的外侧面上，设有挠性较大的高压侧受压膜片12和低压侧受压膜片13，在上述受压部分的第1构件10和第2构件11的侧面上，形成与上述各受压膜片12、13形状相同的波形面，并将各个受压膜片12和13沿着它们的外边缘焊接在上述第1构件10和第2构件11上，从而在受压构件和受压膜片之间形成2个受压室，即形成高压侧受压室14和低压侧受压室15。在受压部分的第1构件10与第2构件11的相对侧面上，焊接中心膜片16。将此中心膜片16焊接好之后，再将第2构件11沿着其外边缘焊接在第1构件10上。第1构件10与第2构件11的相对侧面的边缘部分形成互补形状，当两者对接好之后，其边界线显露在受压部分的外周面上，并沿着此边界线将两者焊接起来。另外，在两侧面上形成浅凹部，在第2构件11和中心膜片16的一面之间形成高压侧隔离室17。该高压侧隔离室17和上述高压侧受压室14，通过大致设在第2构件11中央的第1高压侧导压通路19连通起来。另外，在第1构件10的侧面上，在上述浅凹部中进一步形成深凹部，将差压式传感器组合体100配合在其中并焊接在凹部周壁上。当将组合体100配合在该凹部内之后，上述中心膜片16的另一面和第1构件的浅凹部及组合体100的外侧面之间形成低压侧隔离室18。上述差压式传感器组合体100是由扩散型膜片构成的半导体差压式传感器21、支座22、密封附件23、陶瓷基片24和密封栓25所构成的，上述半导体差压式传感器21通过支座22焊接在密封附件23上。在此密封附件23上固定有取出半导体差压式传感器21的电信号用的陶瓷基片24和密封栓25。半导体差压式传感器21和陶瓷基片24的电连接采用引线接合法，但在图中没有表示出来。

将上述半导体差压式传感器组合体100焊接在第1构件10上后它与第1构件10之间所形成的高压侧测定室26，通过设在第1构件上的高压侧导压通路28与上述中心膜片16和第2构件11所形成的上述高压侧隔离室17相连通。此外，在半导体差压式传感器21的另一面，首先在半导体差压式传感器21的膜片凹部面与上述支座22之间形成低压侧测定室27，该低压侧测定室27通过支座22的通孔卽第2低压侧导压通路29与上述低压侧隔离室18相连通。在此中心膜片16与第1构件10之间，将板状附件30的外周面焊接在第1构件10的内周面上，同时将上述板状附件30的内周面与密封附件23的外周面焊接起来。从而低压侧受压室15和上述低压侧隔离室18通过设在第1构件10内的第1低压侧导压通路20相连通。并且上述的第2高压侧导压通路28和第1低压侧导压通路20在形成时不在受压构件10内交错。

如上所述，上述半导体差压传感器21的电信号可以从密封栓25取出来。然后此电信号通过与第1构件10的半导体差压传感器21的中心线成直角方向设置的引线通路33和上述板状附件30的缺口部分，利用接线印制电路板34很容易地被引到外部。如前所述，引线通路33和高压侧测定室26及低压侧隔离室18之间的密封，是利用第1构件10与密封附件23的焊接以及第1构件10与密封附件23和板状附件的焊接来完成的。

在这种结构中所形成的各个室和各个通路都充满非压缩性流体如硅油。这种油是从分为上述第1低压侧导压通路20和第2高压侧导压通路28的导压通路注入的，然后利用密封栓31、32闭塞之后加以焊接和密封。因此，上述高压侧受压膜片的外侧所受的呈高压的外部压力，通过硅油并经过高压侧受压室→高压侧隔离室→高压侧测定室的路径进行传递，加在差压传感器21的一侧。另一方面，上述低压侧受压膜片的外侧所受的呈低压的外部压力经过低压侧受压室→低压侧隔离室→低压侧测定室的路径进行传递，并加在差压传感器21的另一侧，两个外部压力的差压由差压式传感器检测出来。这里高压侧外部压力、低压侧外部压力都远远高于大气压力，例如，高压侧约为100kg/cm²，低压侧约为99-100kg/cm²，差压通常在0-0.8kg/cm²的范围内。

在如此构成的差压发信器中，当冲击的压力加到任何一方的受压膜片12、13面上时，首先冲击压传到受压室14（15），又从受压室14（15）传到隔离室17（18），然后通过第2导压通路28（29）传到测定室26（27）。也就是说，由于采取由中心膜片16形成的隔离室17（18）二次传到测定室26（27）这样的结构，一定可以避免冲击压所造成的半导体差压式传感器21的故障和损伤。

其次，当在受压膜片12、13的两面上发生过大的差压时，高压侧受压膜片12或低压侧受压膜片13的某一方便浮贴在受压构件侧面所形成的面上。另一方面，中心膜片16具有对应于隔离室体积的适当的刚性，卽使吸收受压室的容积变化，也不会浮贴在隔离室17或18的侧面上，因此，该膜片可以阻止过大的流体压力通过密封液体传到半导体差压传感器21的任何一面，从而半导体差压式传感器21不会遭到破坏。

其次，关于这种半导体差压式发信器的组装工序说明如下。首先将差压式传感器组合体100配合在受压构件10的凹部内并加以焊接，随后将板状附件30与组合体100的密封附件23焊接在第1构件10上，再将中心膜片16焊接在第1构件10上，将第2构件11焊接在第1构件10上，最后将受压膜片12和13焊接在受压部分上。也就是说，发信器的各个构件仅从一方顺次轴向进行焊接，这样就可简单地完成这个工序。

根据上述的本发明的实施例子，与以往的发信器相比，则具有下列效果。

（a）构成受压部分的第1构件和第2构件的接合面与受压部分的中心轴方向相对，两者的边界线显露在受压部分的外周面上。由于两个构件是沿着该边界线焊接的，焊接后产生的焊接应变使两个构件在中心轴方向上相互牵引，从而可加强对中心膜片16的挟持作用。现在就第2图来说明这一点。第2图示出第1构件10与第2构件11接合部分的一局部放大图，中心膜片16的边缘部分焊接在第1构件10上的52处内，同时通过第2构件11上的凹部50牢固地压接在第1构件10上。第1构件与第2构件的接合边界线显露在受压部分的外周面上，并在此部分上通过焊接点51加以溶敷。由于上述的焊接点51的焊接应变，第1构件10和第2构件11在中心轴方向（图中为左右方向）上产生相互牵引的力，所以中心膜片16牢固地挟持在两个构件之间，另外，高压隔离室17和低压隔离室18的容积也可保持稳定，从而可提高差压测定的可靠性。

（b）将差压传感器组合体100插入第1构件10上的凹部内，并利用板状附件30加以密封。如第3图概略所示，板状附件30焊接在第1构件10的凹部边缘上，组合体100焊接在板状附件30上。图中由于板状附件30和组合体100的左侧侧面形成低压隔离室，例如加以低压侧流体压力99-100kg/cm²;由于组合体100的右侧侧面形成高压侧测定室，例如加以高压侧流体压力100kg/cm²。现在对于差压0来说，若高、低侧都加以压力Pkg/cm²，则对组合体100的右侧侧面所加的全压力F₂可表示为：

F₂＝ (d₂ ²·π)/4 P

对组合体100的左侧侧面所加的全压力F₁可表示为：

F₁＝ (d₁ ²·π)/4 P

此外，由于板状附件30和组合体100在组合体的台阶部分52上是相互接合的，所以对板状附件30的左侧侧面所加的全压力F₃还可通过台阶部分52传给组合体100。F₃可表示为：

F₃＝ ((d₃ ²-d₁ ²)π)/4 P

因而对组合体100在右方向上所加的全压力为：

F₁+F₃＝ (d₃ ²·π)/4 P

由于已知d₃＞d₂，所以F₁+F₃＞F₂，从整体来说，对组合体100加以右向力，但由于组合体100的右侧侧面被第1构件的凹部底面所支承，所以可阻止上述右向力所引起的组合体移动。

如上所述，本发明的半导体差压发信器由于形成可使中心膜片和差压传感器组合体保持稳定的结构，所以并不削弱如特开昭59-203936号公报中所公佈的以往装置的优点，而且具有消除这些以往装置的缺点的效果。

第1图为本发明的半导体差压发信器的断面图，第2图为形成第1图发信器受压部分的第1构件和第2构件的接合部分的一局部放大图，第3图为说明第1图发信器的差压传感器组合体所受压力影响的附图。

Claims (2)

1、半导体差压发信器设置有：将第一构件(10)和第2构件(11)接合起来，形成具有与中心线大致垂直的第1、第2侧面和连接这两个侧面的外周面的形状，上述第1构件(10)和第2构件(11)相互接合在横切上述中心线的分割部分内形成边缘密闭的空间，这样的受压部分；安装在上述第1侧面上并与该第1侧面之间形成第1受压室(15)的第1受压膜片(13)；安装在上述第2侧面上并与该第2侧面之间形成第2受压室(14)的第2受压膜片(12)；插入上述第1构件与上述分割部分相接的侧面上凹部内的、具有与上述中心线大致垂直配置的膜片式差压传感器(21)的、并由该压差传感器形成分割的第1测定室(27)和第2测定室(26)的差压传感器组合体(100)；固定上述组合体(100)用的，配合在上述凹部周壁和上述组合体(100)之间并焊接在该周壁和组合体(100)上的板状附件(30)；在上述受压部分的分割部分内，与上述中心线大致垂直挟持在上述第1构件(10)和第2构件(11)中的、分割上述第1构件(10)和第2构件(11)之间的上述空间并形成第1隔离室(18)和第2隔离室(17)的中心膜片；将上述第1受压室(15)、第1隔离室(18)和第1测定室(27)顺次用细导通路(20、29)连接起来，同时向各个室内充填非压缩性流体，上述第1受压膜片(13)所受的第1外部压力通过上述流体传到上述第1测定室(27)，并加在上述差压传感器(21)的一个侧面上，另外，将上述第2受压室(14)、第2隔离室(17)和第2测定室(26)顺次用细导通路(19、28)连接起来，同时向各个室内充填非压缩性流体，上述第2受压膜片(12)所受的第2外部压力通过上述流体传到上述第2测定室(26)，并加在上述差压式传感器(21)的另一侧面上，因此，由上述差压传感器将上述第1外部压力和第2外部压力的差压检测出来，其特征在于，

上述第1构件(10)和第2构件(11)在上述分割部分内的各个接合面在其边缘部分形成互补的形状，两个构件接合时的边界线显露在上述受压部分的外周面上，沿着该边界线将两个构件焊接起来。

2、根据权项1所述的半导体差压发信器，其特征在于，将上述差压传感器组合体（100）和上述板状附件（30）利用接合面相互接合起来，以便使与上述板状附件（30）相接的上述隔离室（17或18）内的流体加到该板状附件（30）上的压力传到上述差压式传感器组合体（100）上。

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