JP2001174350A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度による圧力伝達媒体の体積変化を小さく
し、温度特性を向上させる。 【解決手段】 圧力伝達媒体として剛性を有する無数の
微細な粒体２１を用い、受圧ダイアフラム５の裏側室６
に真空封入する。粒子２１としては、シリカゲル、アル
ミナ、ジルコニア等によって製作され、球形に形成され
ているものが望ましい。粒径は１μｍ程度である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力または差圧を
検出する圧力検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定流体の圧力検出に用いられるこの
種の圧力検出装置としては、高い検出感度が得られる半
導体圧力センサを用いたものが主流を占めている（例：
実開昭５９−１３５６５４号公報、特公昭５８−４７０
１３号公報等）。半導体圧力センサは、半導体基板（シ
リコン）の表面側にピエゾ抵抗領域として作用する拡散
ゲージを形成し、裏面の一部をエッチングによって除去
することにより厚さ２０μｍ〜５０μｍ程度の起歪部、
すなわちダイアフラム（シリコンダイアフラム）を形成
したもので、測定時に前記シリコンダイアフラムの表面
にシリコーンオイル等の液体からなる圧力伝達媒体を介
して被測定流体の圧力Ｐ1 を加え、裏面に被測定流体の
圧力Ｐ2 または大気圧を加えると、その差圧によってシ
リコンダイアフラムが変形して拡散ゲージの比抵抗が変
化し、このときの抵抗変化に伴う出力電圧を検出するこ
とにより、圧力または差圧を検出するものである。な
お、絶対圧を測定する場合は、シリコンダイアフラムの
裏面側を真空にしておけばよい。

【０００３】図６にこの種の圧力検出装置の従来例を示
す。この圧力検出装置１は、例えばＳＵＳ３１６等の金
属によって形成した円筒状のハウジング２内に基台４を
介して半導体圧力センサ３を収納し、ハウジング２の表
面を受圧ダイアフラム５によって覆い、この受圧ダイア
フラム５と半導体圧力センサ３との間に形成された室、
すなわち裏側室６に圧力伝達媒体としてシリコーンオイ
ル等の封入液７を封入し、この封入液７によって受圧ダ
イアフラム５に加わる被測定流体の圧力Ｐ1 を前記半導
体圧力センサ３に伝達するようにしている。

【０００４】前記半導体圧力センサ３は、ｎ型単結晶Ｓ
ｉ（シリコン）等からなり、裏面中央部に薄肉形成され
たシリコンダイアフラム８と、このシリコンダイアフラ
ム８の外周を取り囲む厚肉の固定部９とからなり、固定
部９が前記台座４の上面に静電接合されている。シリコ
ンダイアフラム８の表面外周部寄りには、ピエゾ抵抗領
域として作用する４つの拡散ゲージ１０が不純物の拡散
またはイオン打ち込み技術によって形成されている。そ
して、これらの拡散ケージ１０はホイートストーンブリ
ッジを構成し、リード線１１によってリードピン１２に
接続されている。台座４としては、半導体圧力センサ３
の線膨張係数に近似した線膨張係数を有する材料、例え
ばパイレックスガラス（商品名）、セラミックス等によ
って形成されている。

【０００５】前記半導体圧力センサ３の裏面と台座４の
上面との間には、前記裏側室６から仕切られた内室１３
が形成されている。この内室１３は、前記ハウジング２
および台座４に形成した圧力導入路１４を介して大気に
連通されることにより大気圧Ｐ2 を前記シリコンダイア
フラム８の裏面に導いている。なお、１５は押えリン
グ、１６は封入液封入孔、１７は封入液封入孔１６を封
止するボールで、例えばプロジェクション溶接によって
固定されている。

【０００６】このような圧力検出装置１において、被測
定圧力Ｐ1 を受圧ダイアフラム５の変位により封入液７
を介して半導体圧力センサ３に導くと、シリコンダイア
フラム８は被測定圧力Ｐ1 と大気圧Ｐ2 の差圧に応じて
変位して拡散ゲージ１０の比抵抗が変化するため、この
時の抵抗変化に伴う出力電圧を検出することにより差圧
Ｐ1 −Ｐ2 を測定することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
この種の圧力検出装置は、圧力伝達媒体として耐熱性、
化学的安定性、電気絶縁性に優れたシリコーンオイル等
の封入液７を用いている。しかしながら、シリコーンオ
イルの体積膨張率は大きいため、温度が変化するとその
体積が変化し、被測定流体の圧力が同じであっても温度
によって半導体圧力センサ３の出力が異なり、正確な圧
力を測定できないという問題があった。例えば、ＬＮＧ
の貯蔵タンク等では被測定流体の温度が−１５０°Ｃと
いう低温になることもあり、発電所の高圧蒸気などは＋
５００°Ｃという高温になることもある。封入液７の温
度は被測定流体の温度と略等しくなるため、被測定流体
が高温のときは、封入液７の体積膨張により実際の圧力
よりかなり高い圧力として検出され、被測定流体が低温
のときは封入液７の体積収縮により実際の圧力よりかな
り低い圧力として検出されてしまう。因みに、シリコー
ンオイルは−１５０°Ｃでは凝固し、＋５００°Ｃでは
熱分解するので直接測定はできない。

【０００８】本発明は上記した従来の問題を解決するた
めになされたもので、その目的とするところは、温度に
よる圧力伝達媒体の体積変化を小さくし温度特性を向上
させるようにした圧力検出装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明は、受圧ダイアフラムに加わる被測定流
体の圧力を前記受圧ダイアフラムの裏側室に封入した圧
力伝達媒体を介して圧力センサに伝達する圧力検出装置
において、前記圧力伝達媒体として剛性を有する無数の
微細な粒体を用いたものである。

【００１０】第２の発明は、受圧ダイアフラムに加わる
被測定流体の圧力を前記受圧ダイアフラムの裏側室に封
入した圧力伝達媒体を介して圧力センサに伝達する圧力
検出装置において、前記圧力伝達媒体として剛性を有す
る無数の微細な粒体と液体との混合体を用いたものであ
る。

【００１１】第３の発明は、上記第２の発明において、
粒体が液体中に浮遊しブラウン運動するものである。

【００１２】第１の発明において、圧力伝達媒体として
用いられる粒体は固体であるため体積膨張率が液体に比
べて著しく小さく、被測定流体の温度が変化しても体積
が殆ど変化しない。したがって、被測定流体の圧力が同
じであれば温度が異なっても圧力センサの出力は殆ど変
化しない。剛性を有する粒体とは、少なくとも測定可能
な被測定流体の最大圧力によっては弾性変形したり破損
しない粒体を意味する。

【００１３】第２の発明において、圧力伝達媒体として
粒体と液体の混合体を用いると、液体のみを用いた場合
に比べて液体の量が少ないので、全体の体積変化が小さ
くなる。

【００１４】第３の発明において、粒体は液体中におい
てブラウン運動（不規則な熱運動）をしているので、沈
殿し堆積するようなことがない。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る圧
力検出装置の一実施の形態を示す断面図、図２は粒体の
拡大図である。本実施の形態においては、圧力センサと
してピエゾ抵抗式の半導体圧力センサを用いた例を示
す。なお、従来技術の欄で示した構成部材等と同一のも
のについては同一符号をもって示し、その説明を適宜省
略する。

【００１６】これらの図において、圧力検出装置２０
は、ＳＵＳ３１６等によって形成した円筒状のハウジン
グ２と、このハウジング２の上面２ａを覆う受圧ダイア
フラム５を備え、この受圧ダイアフラム５の裏側室６に
基台４を介して半導体圧力センサ３を収納するととも
に、無数の微細な粒体２１を封入している。

【００１７】前記受圧ダイアフラム５の裏側室６は、ハ
ウジング２の上面２ａと受圧ダイアフラム５との間に形
成された空間Ａと、ハウジング２の内部空間Ｂと、これ
ら両空間Ａ，Ｂを連通する連通路２２とで構成され、内
部空間Ｂに前記半導体圧力センサ３、台座４およびリー
ドピン１２が配設されている。

【００１８】前記受圧ダイアフラム５は、通常燐青銅、
ベリリウム銅、ステンレス鋼などの薄膜状金属板によっ
て製作され、外周縁部がハウジング２の上面外周部に押
えリング１５とともに接合されている。また、受圧ダイ
アフラム５は、加工時に半径方向に波形の襞を同心円状
に付けることによりコンプライアンスを大きくし、言い
換えれば撓み易くし、荷重−変位の式を満足する線形域
を広くしている。このため、ハウジング２の上面２ａに
も、受圧ダイアフラム５と同形の襞が同心円状に形成さ
れ、これによって受圧ダイアフラム５が上面２ａに密着
したとき塑性変形しないようにしている。

【００１９】前記半導体圧力センサ３は、前記基台４の
上面に静電接合された半導体基板２３を備えている。前
記半導体基板２３はｎ型単結晶Ｓｉ（シリコン）等から
なり、裏面中央部がエッチングによって除去されること
により形成された厚さ２０μｍ〜５０μｍ程度のシリコ
ンダイアフラム８と、このシリコンダイアフラム８の外
周を取り囲む厚肉の固定部９とからなり、固定部９が前
記基台４の上面に静電接合されている。シリコンダイア
フラム８の表面外周部寄りには、ピエゾ抵抗領域として
作用する４つのゲージ１０が不純物の拡散またはイオン
打ち込み技術により形成されている。これらのケージ１
０はホイートストーンブリッジを構成し、リード線１１
によって前記リードピン１２に接続されている。前記シ
リコンダイアフラム８の裏面側には、大気圧Ｐ2 が前記
ハウジング２と台座４に形成し圧力導入路１４を介して
導かれている。

【００２０】前記基台４は、半導体基板２３と線膨張係
数が近似した絶縁材料、例えばパイレックスガラス（商
品名）、セラミックス等によって形成されている。

【００２１】前記粒体２１は、受圧ダイアフラム５に加
えられる被測定流体の圧力Ｐ1 を前記半導体圧力センサ
３に伝達する圧力伝達媒体として前記裏側室６に封入さ
れるもので、剛性と絶縁性を有する材料、例えばアルミ
ナ（酸化アルミニウム）、シリカゲル、ジルコニア（酸
化ジルコニウム）等が用いられる。封入に際しては、空
気や湿気が入らないようにするために裏側室６を真空排
気した状態で裏側室６全体に封入され受圧ダイアフラム
５に接触している。粒体２１の形状としては実質的に球
形であることが最も望ましい。その理由は、球形である
と、図２に示すように隣り合う粒体どうしの隙間２５の
大きさが全て同じで粒体が動いても変化せず、圧力を確
実に伝達することができるからである。また、粒体２１
どうしの摩擦を小さくするためにも球形であることが望
ましい。さらに、摩擦を小さくするために表面処理（撥
水処理等）を施すことが好ましい。さらにまた、粒体２
１は完全な剛体であることが望ましいが、十分な機械的
強度を有し少なくとも圧力検出装置２０が検出可能な最
大圧力によって弾性変形したり破損しないものであるこ
とが要求される。なお、本実施の形態においては、粒径
が１μｍの粒体２１を用いているが、あまり小さいと摩
擦が大きくなり、あまり大きいと圧力伝達が不均一にな
るため好ましくない。したがって、装置のスケール、粒
体２１の製造容易性、求められる測定精度等に応じて粒
体２１の粒径を決定すればよい。

【００２２】このような構造からなる圧力検出装置２０
において、被測定流体の圧力Ｐ1 を受圧ダイアフラム５
の表面側に加え、大気圧Ｐ2 を裏面側に加えると、その
差圧ΔＰ（＝Ｐ1 −Ｐ2 ）に応じて受圧ダイアフラム５
が下方へ変位する。この変位は粒体２１を介して半導体
圧力センサ３に伝達され、シリコンダイアフラム８を撓
ませる。シリコンダイアフラム８が撓むとそれに応じて
各拡散ゲージ９の比抵抗が変化するため、このときの抵
抗変化に伴う出力電圧を検出することにより差圧ΔＰを
測定することができる。

【００２３】また、粒体２１はシリコーンオイルに比べ
て体積膨張率が著しく小さいため、被測定流体の圧力を
正確に測定することができる。すなわち、シリコーンオ
イルの体積膨張率は１００°Ｃで約１０％（０．１／ｄ
ｅｇ）であるため、温度が変化するとその体積も大きく
変化する。したがって、圧力伝達媒体としてシリコーン
オイルを用いた従来装置においては、圧力が同じであっ
ても温度が異なると、出力が変化し圧力を正確に測定す
ることができないという問題があった。これに対して、
本発明においては、粒体２１としてシリカゲルを用いた
場合、その体積膨張率は１００°Ｃで約０．１％（０．
００１／ｄｅｇ）であるため、温度が変化しても粒体２
１の体積は殆ど変化せず（シリコーンオイルの体積膨張
の１／１００程度）、したがって出力も殆ど変化せず正
確に圧力を測定することができ、温度特性を向上させる
ことができる。また、粒体２１としてアルミナまたはジ
ルコニアを用いた場合もその体積膨張率はシリカゲルと
同程度であるため、同様な効果が得られる。

【００２４】ここで、本実施の形態のように圧力伝達媒
体として粒体２１のみを用いたものは、「スムーズな圧
力伝達」という点では液体のみを用いたものに比べて劣
るかもしれない。しかしながら、シリコーンオイルが熱
分解してしまうほどの高温環境または凝固してしまうほ
どの低温環境では従来のシリコーンオイルをもちいたも
のでは圧力を測定したくとも測定できないのに対して、
本発明においては、粒体２１を用いているので上記した
ような高温環境または低温環境であっても圧力を測定す
ることができるという利点がある。

【００２５】また、上記した実施の形態においては、粒
体２１を受圧ダイアフラム５の裏側室６に真空封入した
例を示したが、粒体２１を裏側室６に封入するためにハ
ウジング２に設けた充填する封入孔１６をボール１７で
封止する代わりに焼結金属等の通気性を有する部材によ
って封止し、裏側室６をハウジング２の外部と連通させ
てもよい。このような構造においては、裏側室６内の空
気が膨張すると通気性部材を通って外部に逃げていくの
で、空気の膨張による影響を無視することができる。

【００２６】図３は本発明の他の一実施の形態を示す断
面図、図４は要部の拡大断面図である。この実施の形態
においては、圧力伝達媒体として微細な無数の粒体２１
と液体７を所要の割合で混合した混合体３０を用い、受
圧ダイアフラム５の裏側室６に封入している。その他の
構成は上記した実施の形態と同一である。

【００２７】粒体２１の材質としては、例えばアルミ
ナ、シリカゲル、ジルコニア等の剛性および絶縁性を有
する材料が用いられる。粒体２１の大きさは１μｍ程度
で均一な大きさであることが望ましく、形状としては実
質的に球形が最も望ましい。また、密度が液体７の密度
に近いものであることが望ましい。液体７としてはシリ
コーンオイルが用いられる。

【００２８】また、粒体２１が図１に示した実施の形態
と同様に同一径の粒体２１が裏側室６全体を埋める量で
あって、液体７が粒体間の隙間と粒体と受圧ダイアフラ
ム５の隙間を埋める程度の量となるように、液体７と粒
体２１を混合すると、粒体２１と液体７との体積比はお
よそ２：１の割合となり、図６に示すシリコーンオイル
のみを用いた従来装置に比べて温度変化による混合体３
０の体積膨張を約１／３に低減することができる。ま
た、粒体間の隙間を埋めるようにより小さい粒径の粒体
を加えれば粒体の体積比が大きくなり、混合体３０全体
の体積膨張をさらに小さくすることができる。また、液
体７が潤滑剤として作用するため、粒体間の摩擦を小さ
くすることができ、粒体２１に表面処理を施す必要がな
い。

【００２９】液体７と粒体２１の密度を下記の表１に示
す。

【００３０】

【表１】

【００３１】このような構成からなる圧力検出装置にお
いては、シリコーンオイルの使用量を削減することがで
きるので、周囲の温度変化による影響が少なく、上記し
た実施の形態と同様に温度特性を向上させることができ
る。

【００３２】また、粒体２１が球形でないもの、あるい
は球形であっても精度の悪いものを使う場合は、液体７
の割合を多くして流動性を確保するようにしてもよい。
この場合、受圧ダイアフラム５が垂直になるように圧力
検出装置を垂直に設置すると、受圧ダイアフラム５の下
端部とハウジング２の上面２ａの下部との間に粒体２１
が詰まり、受圧ダイアフラム５が動かなくなるおそれが
ある。したがって、水平に設置して使用することが望ま
しい。

【００３３】図５は本発明のさらに他の実施の形態を示
す圧力伝達媒体の拡大断面図である。この実施の形態
は、上記した実施の形態と同様に圧力伝達媒体として粒
体２１と液体７の混合体３０を用い、粒体２１の粒径を
ある値以下にまで小さくするとともに、液体７の量を上
記した実施の形態における割合よりも少し多くすること
により、粒体２１を液体（シリコーンオイル）７中に浮
遊させブラウン運動をさせるようにした例を示す。ここ
で、本実施の形態においては粒体２１の粒径を１０ｎｍ
としている。このような粒体２１を液体７中に浮遊させ
ると、粒体２１の沈殿堆積を防止することができる。よ
って、例えば圧力検出装置を垂直に設置して使用して
も、受圧ダイアフラム５とハウジング２の上面２ａとの
間に粒体２１が詰まったりすることはなく、経時変化に
より検出特性が変化するということはない。

【００３４】ブラウン運動の「運動の大きさ」は、液体
の粘度、密度、粒体の密度、粒径等から計算で求めるこ
とができるので、「ブラウン運動可能な条件」、すなわ
ち液体と粒体の種類が決まっているときの粒体の粒径は
計算で求めることができるし、また実験（顕微鏡観察）
でも求めることができる。

【００３５】なお、上記した実施の形態においては、い
ずれも１種類の材質からなる粒体２１を用いた例を示し
たが、これに限らず適宜な割合で混合された２種類以上
の粒体を用いてもよい。また、圧力センサはピエゾ抵抗
式圧力センサに限らず静電容量式の圧力センサであって
もよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように第１の発明に係る圧
力検出装置によれば、圧力伝達媒体として微細な無数の
粒体を用いたので、シリコーンオイル等の封入液を圧力
伝達媒体として用いた従来装置に比べて温度による圧力
伝達媒体の体積膨張が小さく、被測定流体の圧力が同じ
であれば、温度が異なっても出力は変化しない。したが
って、検出装置の温度特性を向上させることができる。

【００３７】また、第２の発明は、圧力伝達媒体として
微細な無数の粒体と液体との混合体を用いたので、シリ
コーンオイル等の封入液を圧力伝達媒体として用いた従
来装置に比べて液体の量が少なくなる。したがって、周
囲の温度変化による影響が少なく、上記発明と同様に検
出装置の温度特性を向上させることができる。

【００３８】また、第３の発明は、粒体が沈殿堆積する
ようなことはないので、経時変化により検出特性が変化
するということもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る圧力検出装置の一実施の形態を
示す断面図である。

【図２】 粒体の拡大図である。

【図３】 本発明の他の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図４】 要部の拡大断面図である。

【図５】 本発明のさらに他の実施の形態における粒子
がブラウン運動をしている様子を示す図である。

【図６】 圧力検出装置の従来例を示す断面図である。

【符号の説明】

１…圧力検出装置、２…ハウジング、３…半導体圧力セ
ンサ、５…受圧ダイアフラム、６…裏側室、７…封入液
（液体）、８…シリコンダイアフラム、２１…粒体、３
０…混合体。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受圧ダイアフラムに加わる被測定流体の
   圧力を前記受圧ダイアフラムの裏側室に封入した圧力伝
   達媒体を介して圧力センサに伝達する圧力検出装置にお
   いて、 前記圧力伝達媒体として剛性を有する無数の微細な粒体
   を用いたことを特徴とする圧力検出装置。
2. 【請求項２】 受圧ダイアフラムに加わる被測定流体の
   圧力を前記受圧ダイアフラムの裏側室に封入した圧力伝
   達媒体を介して圧力センサに伝達する圧力検出装置にお
   いて、 前記圧力伝達媒体として剛性を有する無数の微細な粒体
   と液体との混合体を用いたことを特徴とする圧力検出装
   置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の圧力検出装置において、 粒体と液体は、粒体がブラウン運動可能な条件を備えて
   いることを特徴とする圧力検出装置。