JP2007101544A - 媒体の圧力を検出するための方法および圧力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定媒体を簡単に廉価にかつ確実に測定エレメント（圧電抵抗）と評価回路とから分離する。
【解決手段】当該装置が、媒体１３を変換装置４から分離するための分離装置２と、測定したい圧力ｐによって生ぜしめられた機械的な力を媒体１３から変換装置４に伝達するための伝達装置３とを有しているようにした。
これによって、シリコン圧力センサの使用に対して、過度に高い圧力を有しているかまたは過度に侵食性であるかまたは過度に高温である測定媒体を検出することもできるという利点が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に、圧力センサ、特に圧力測定装置であって、当該圧力センサが、圧電抵抗型の圧力検出器を有しており、該圧力検出器が、種々異なる媒体および圧力範囲における圧力を測定するために適している形式のものに関する。特に本発明は、媒体の、測定したい圧力を検出するための圧力測定装置であって、当該圧力測定装置が、圧力ハウジングと、該圧力ハウジングに配置された、媒体の、測定したい圧力によって生ぜしめられた機械的な力を電気的な信号に変換するための変換装置と、測定したい圧力に相当する電気的な信号を送出するための送出ユニットとを有している形式のものに関する。

今日のテクノロジは、マイクロマシニング型のコンポーネントとマイクロエレクトロニクス型のコンポーネントとを一緒に１つのチップ（回路ユニット）、たとえばシリコンチップに配置することができるという利点を提供する。圧電抵抗型の圧力センサは、種々異なる媒体および圧力範囲における圧力を測定するために自動車に使用される。このような圧力センサでは、この圧力センサが大きな精度と高い頑丈性とをその寿命にわたって有していて、製作において廉価であることが特に重要である。圧電抵抗型の測定原理では、圧電抵抗型の４つの電気的な抵抗が圧力測定ダイヤフラムの適切な箇所に配置されるかもしくは被着される。

圧力測定ダイヤフラムに加えられた圧力によって、この圧力測定ダイヤフラムが変形させられる。この場合、この圧力測定ダイヤフラムから圧電抵抗に伝達された変形が抵抗の抵抗変化に繋がる。測定ブリッジとして提供された、いわゆる「ホイートストンブリッジ」では、４つの抵抗が接続されている。この場合、測定ブリッジは、ブリッジ対角方向電圧として、媒体の、測定したい圧力に相当する電気的な信号を送出するように設計され得る。抵抗の変形時には、その抵抗値の変化が生ぜしめられる（圧電抵抗効果と呼ばれる）。これによって、ホイートストンブリッジ回路が離調される。 このホイートストンブリッジ回路は、ブリッジ対角方向電圧が、加えられた圧力に比例する信号を発生させ、これによって、後置された評価回路（評価電子装置）で、トリミング可能な特性線が評価可能となるように設計され得る。当業者には、ブリッジ回路の種々異なる設計が周知である。

シリコンマイクロマシニングとして知られているテクノロジによって、ただ１つの回路チップ（ただ１つの電子的な回路ユニット）へのセンサ機能、たとえばダイヤフラムと、圧電抵抗と、評価回路もしくは評価電子装置との有効な組込みが可能となる。この、いわゆる「シングルチップ」原理は、このような圧力センサのコストを、簡単なマイクロマシニング型のかつマイクロエレクトロニクス型の構造のため著しく削減する。たとえば、評価回路を有していなければならない付加的な回路支持体が省略される。さらに、大きな距離にわたる評価回路と回路支持体との間のコンタクティングが不要となる。

マイクロマシニング型のコンポーネントだけでなく、マイクロエレクトロニクス型のコンポーネントも有するこのようなシングルチップセンサの欠点は、このシングルチップセンサに配置されたマイクロエレクトロニクス型のコンポーネントに基づき、シングルチップセンサを高い温度（通常、１５０℃を上回る温度）で運転することができないことにある。さらに、侵食性の媒体をシングルチップアッセンブリベースのこのような圧力センサによって測定することができないことが欠点である。さらに、１０ｂａｒを上回る範囲内の圧力を検出することができないことが不利である。なぜならば、シングルチップアッセンブリが、このような高い圧力範囲では、過度に大きな機械的な力にさらされているからである。

圧力差を検出するためにも設計されている慣用の圧力センサは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９２８５４２号明細書に基づき公知である。 この公知の圧力センサはダイヤフラムを有している。このダイヤフラムはその上面にまたは下面にセンサエレメントを備えている。このセンサエレメントは、たとえば互いに接続された圧電抵抗として提供されている。この圧電抵抗の抵抗はダイヤフラム伸長に基づき変化する。このようなダイヤフラム伸長ひいては回路抵抗の変化は、測定したい圧力もしくは測定したい圧力差に対する量である。

米国特許第４８９５０２６号明細書に開示された差圧センサは、低い圧力差の場合にしか使用することができない。この場合、このセンサは、不利には、異なる２つの測定ダイヤフラムを装備している。

慣用の圧力センサを高い温度でまたは侵食性の媒体にまたは（１０ｂａｒを上回る）高い圧力を測定するために使用することができるようにするために、公知先行技術では、このような圧力センサが金属製のダイヤフラムを備えていることが提案されている。このダイヤフラムの裏面には、圧電抵抗が被着されている。したがって、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３７０３６８５号明細書には、測定したい媒体と、測定ダイヤフラムの、測定したい媒体に向かい合った面との間に、抵抗性の分離ダイヤフラムが配置されている圧力センサが記載されている。この場合、中間室は非圧縮性の媒体で充填されている。こうして、侵食性のかつ／または腐食性の媒体もその圧力に関して測定することが可能となる。

このような圧力センサの著しい欠点は、この圧力センサが極めて手間をかけて形成されており、中間媒体として使用される非圧縮性の媒体に与えられる周辺条件の影響に基づき、十分な精度が達成されないことにある。

慣用の形式では、防護装置として使用される分離ダイヤフラムの裏面に圧電抵抗が被着される。この抵抗は金属製の抵抗またはシリコン抵抗であってよい。この抵抗はスパッタリングにより被着されているかまたは接着されているかまたはガラス融着されている。不利には、このような構造によって、抵抗センサにより供給された電気的な信号を評価するための評価回路が付加的な回路支持体（付加的なボード）を要求することが生ぜしめられる。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９２８５４２号明細書 米国特許第４８９５０２６号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第３７０３６８５号明細書

したがって、本発明の課題は、測定媒体を簡単に廉価にかつ確実に測定エレメント（圧電抵抗）と評価回路とから分離することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、当該装置が、媒体を変換装置から分離するための分離装置と、測定したい圧力によって生ぜしめられた機械的な力を媒体から変換装置に伝達するための伝達装置とを有しているようにした。

これによって、シリコン圧力センサの使用に対して、過度に高い圧力を有しているかまたは過度に侵食性であるかまたは過度に高温である測定媒体を検出することもできるという利点が得られる。

特に種々異なる媒体および種々異なる圧力範囲における圧力を検出することができるという利点が得られる。したがって、廉価な構造、シングルチップアッセンブリおよび簡単な設計にあるシリコンマイクロマシニングの利点を、有利には、金属製の分離ダイヤフラムを備えた構造の利点に結び付けることができる。この場合、金属製の分離ダイヤフラムの利点は、より高い温度、より高い圧力およびより侵食性の媒体の場合の１つの測定可能性にある。

測定したい圧力によって生ぜしめられた機械的な力を電気的な信号に変換するために使用される変換装置から、測定したい媒体を分離するための金属製の分離装置の提供は、このような分離装置を幾何学的な設計を介して簡単に種々異なる（ほんの数バールないし最大数千バールの）圧力範囲に適合させることができることにある。この場合、ダイヤフラム厚さ、移行曲率半径およびダイヤフラムサイズが変更される。

さらに、本発明による圧力測定装置の主要な利点は、圧力を電気的な信号に変換するための組み込まれた評価回路によるマイクロマシニング型の圧力測定原理の使用によって、測定エレメントのコストだけでなく、残りの構造のコストも最小限に抑えられることである。

有利には、金属ダイヤフラムに圧電抵抗が被着される必要はない。このことは、金属ダイヤフラムを簡単に圧力センサの接続管片に組み込むことができるという利点を生ぜしめる。したがって、ダイヤフラムは機械的な必要性に応じて設計されさえすればよく、付加的に、抵抗を被着するためのプロセスの必要性に応じて設計される必要もない。さらに、ダイヤフラムと接続管片との間の溶接シームが省略されると有利である。これによって、プロセスコストが減じられる。溶接シームの省略の別の利点は、これによって、最大限に可能な圧力負荷時の制限するエレメントが省略されることにある。

さらに、突き棒として形成された伝達装置を接続管片のダイヤフラムに組み込むことが可能である。これによって、突き棒に対するシリコンチップの改善された位置精度が達成される。接続管片への突き棒の位置決めおよび位置固定によって生ぜしめられる付加的な誤差は完全に排除される。

媒体の、測定したい圧力を検出するための本発明による圧力測定装置は、圧力ハウジングと、この圧力ハウジングに配置された、測定したい圧力によって生ぜしめられた機械的な力を電気的な信号に変換するための変換装置と、媒体の圧力に相応の電気的な信号を送出するための送出ユニットとを有している。この場合、媒体を変換装置から分離するための分離装置と、測定したい圧力によって生ぜしめられた機械的な力を変換装置に伝達するための伝達装置とが提供されている。

さらに、圧力測定装置は、測定したい第２の圧力によって生ぜしめられた第２の機械的な力を変換装置に伝達するための第２の伝達装置を有するために設計されてよい。この場合、測定したい圧力と、測定したい第２の圧力との間の差圧が検出可能となる。

媒体を変換装置から分離するための分離装置を分離ダイヤフラムとして設計することが有利である。媒体を変換装置から分離するための分離装置と、測定したい圧力によって生ぜしめられた機械的な力を変換装置に伝達するための伝達装置とが、一体のユニットとして設計されていると有利である。

さらに、分離装置と、測定したい圧力によって生ぜしめられた機械的な力を電気的な信号に変換するための変換装置と、評価電子装置に組み込まれた測定変換器とを形成することが可能である。 この場合、分離装置と、変換装置と、評価電子装置に組み込まれた測定変換器とを、シリコンベースのマイクロマシニング型の構造のシリコンチップに提供することが特に有利である。

測定したい圧力によって生ぜしめられた機械的な力を変換装置に伝達するための伝達装置が、分離装置に形成された突き棒として形成されると有利である。

媒体の圧力に相応の電気的な信号を送出するための送出ユニットは、防護装置により防護された接続ピンによって提供されてよい。圧力ハウジングは、変換装置を少なくとも所定の圧力で負荷するための少なくとも１つの圧力通路を有している。検出しなければならない圧力を備えた媒体は、ガス状のまたは液状の凝集状態で付与されてよい。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、本発明の有利な実施例による圧力測定装置１の横断面図が示してある。

図１には、符号１１で圧力ハウジングが示してある。この圧力ハウジング１１には、圧力通路１２が加工されている。この圧力通路１２を介して、測定したい媒体１３の圧力ｐを検出することができる。さらに、圧力ハウジング１１には、たとえば六角体の形の固定装置１０が取り付けられている。この固定装置１０によって、圧力測定装置１全体を対象物に取り付けることができる。さらに、圧力測定装置１は分離装置２を有している。この分離装置２は媒体１３を変換装置４から分離する。

この変換装置４は圧力ハウジング１１に配置されていて、測定したい圧力ｐによって生ぜしめられた機械的な力を電気的な信号１４に変換するために設計されている。この電気的な信号１４は送出ユニット８を介して送出される。符号７で接続管片が示してある。この接続管片７は、圧力測定装置を対象物（測定対象物）に取り付けるために働く。

防護装置９は、接続ピンの形で設計されていてよい送出ユニット８を機械的な負荷、化学的な負荷および／または腐食性の負荷に対して防護する。本発明によれば、分離装置２に突き棒の形の伝達装置３が形成されている。この伝達装置３は、シリコンチップとして形成された変換装置に接触させられる。

本発明による圧力測定装置１は、以下のような信号変換連鎖を有している。測定したい媒体１３の圧力ｐが、金属製の分離ダイヤフラムとして設計される分離装置２の変形によって、この分離装置２に形成された突き棒（伝達装置３）の軸方向の運動に変換される。伝達装置３のこのような軸方向の運動は、変換装置４、すなわち、保持装置５（ヘッダ）に機械的な受けとして形成されたマイクロマシニング型のシリコンチップ、つまり、マイクロマシニング技術により製作されたシリコンチップの圧力負荷を結果的に生ぜしめる。変換装置４の圧力負荷は、この変換装置４に被着された圧電抵抗の伸長に繋がるこの圧電抵抗またはＳｉ抵抗はホイートストンブリッジ回路の形で接続されている。この場合、シリコンチップ４、すなわち、変換装置には、組み込まれた評価回路が提供されている。この評価回路は電気的な信号１４を電気的な特性線に変換する。

保持装置５はプリロードスリーブ６を介して接続管片７に結合されている。こうして、力伝達経路が閉じられている。圧力信号はボンディング部（図示せず）によって電気的な信号１４として送出ユニット８（すなわち接続ピンもしくはピン）を介して差込み装置（図示せず）に伝送される。接続ピン８を防護するためには、この接続ピン８が、防護装置９として提供されたガラス製の電気的な絶縁体に嵌め込まれている。

本発明によれば、金属製の分離ダイヤフラム（すなわち分離装置）が、有利には接続管片７の一部であり、要求された圧力範囲に関連して、伝達装置３（すなわち突き棒）の、変換装置４（シリコンチップ）での評価のために適した軸方向の運動が提供されるように設計されている。このような軸方向の運動は、有利には数マイクロメートルのオーダにある。この場合、分離装置２の材料、すなわち、ダイヤフラム材料の強度は上回られない。圧電抵抗もしくはシリコン抵抗が直接分離装置、すなわち、分離ダイヤフラムに被着されている公知先行技術による方法と異なり、本発明による圧力測定装置によれば、大きなセンサ信号ひいては妨害されにくいセンサ信号を得るために、ダイヤフラムが高い機械的な伸長を有することが不要となる。こうして、大きな材料負荷もしくは材料疲労が回避されるという利点が得られる。

本発明による圧力測定装置の設計時には、シリコンチップとしての変換装置４が、プリロードを伴って、つまり、予備荷重が加えられた状態で伝達装置３、すなわち、突き棒に向かって押圧され、これによって、規定されたプリロード状態が圧力測定装置全体の寿命にわたってコンスタントに維持されたままとなる。この場合、プリロードは、変換装置４からの伝達装置３の離反および変換装置４への伝達装置３の再接触を、異なる温度、温度変化、振動を有するあらゆる運転状態に対して回避するために必要となる。こうして、非線形の特性線と、場合により、変換装置４の破壊とが回避される。

寿命にわたるプリロードの変化は、圧力測定装置の定常偏差のドリフトひいてはセンサ使用事例に関連して、規定された量を上回ってはならない測定誤差に繋がる。図１に示した、本発明の有利な実施例による圧力測定装置の構造は、保持装置５とプリロードスリーブ６とに結合された変換装置４を有している。この場合、プリロードは、プリロードスリーブ６の引伸しまたは保持装置５の撓みまたは同時に両効果を介して達成することができる。有利には、プリロードスリーブ６は接続管片７に溶接もしくは固着によって固定される。

本発明による圧力測定装置では、熱膨張と温度勾配とに基づき生ぜしめられる測定誤差を少なく保つために、分離装置２と保持装置５との間の力伝達経路を短く設計することも有利である。同時に、プリロードスリーブ６のための材料の選択時には、このプリロードスリーブ６の熱膨張係数が、温度変化による歪みを回避するために、一方でプリロードスリーブ６のかつ他方で変換装置４の熱膨張係数に良好に適合されていることに注意しなければならない。こうして、測定誤差が少なく保たれる。

プリロードスリーブ６による本発明による圧力測定装置の設計によって、周辺影響、たとえばねじ込みモーメント、熱膨張等からの力伝達経路の最適な機械的な分離も達成される。なぜならば、力伝達経路が、たとえば六角体として設計された固定装置１０と、たとえばねじ込みねじ山を有する圧力ハウジング１１とから十分に機械的に分離されているからである。

電磁適合性を改善するためには、コンデンサが、大きな付加手間なしに、接続ピンとして設計された送出ユニット８の間の保持装置５の裏面に取り付けられ得る。

本発明の有利な実施例による、媒体の、測定したい圧力を検出するための圧力測定装置の横断面図である。

符号の説明

１ 圧力測定装置、 ２ 分離装置、 ３ 伝達装置、 ４ 変換装置、 ５ 保持装置、 ６ プリロードスリーブ、 ７ 接続管片、 ８ 送出ユニット、 ９ 防護装置、 １０ 固定装置、 １１ 圧力ハウジング、 １２ 圧力通路、 １３ 媒体、 １４ 信号、 ｐ 圧力

Claims (10)

1. 媒体（１３）の、測定したい圧力（ｐ）を検出するための圧力測定装置（１）であって、
   ａ）圧力ハウジング（１１）と、
   ｂ）該圧力ハウジング（１１）に配置された、測定したい圧力（ｐ）によって生ぜしめられた機械的な力を電気的な信号（１４）に変換するための変換装置（４）と、
   ｃ）媒体（１３）の圧力（ｐ）に相応の電気的な信号（１４）を送出するための送出ユニット（８）と
   が設けられている形式のものにおいて、
   当該装置が、さらに、
   ｄ）媒体（１３）を変換装置（４）から分離するための分離装置（２）と、
   ｅ）測定したい圧力（ｐ）によって生ぜしめられた機械的な力を媒体（１３）から変換装置（４）に伝達するための伝達装置（３）と
   を有していることを特徴とする、媒体の、測定したい圧力を検出するための圧力測定装置。
2. 当該装置が、さらに、測定したい第２の圧力（ｐ_２）によって生ぜしめられた第２の機械的な力を変換装置（４）に伝達しかつ測定したい圧力（ｐ）と、測定したい第２の圧力（ｐ_２）との間の差圧（ｐ−ｐ_２）の検出するための第２の伝達装置（３）を有している、請求項１記載の装置。
3. 媒体（１３）を変換装置（４）から分離するための分離装置（２）が、分離ダイヤフラムとして形成されている、請求項１または２記載の装置。
4. 媒体（１３）を変換装置（４）から分離するための分離装置（２）と、測定したい圧力（ｐ）によって生ぜしめられた機械的な力を変換装置（４）に伝達するための伝達装置（３）とが、一体のユニットとして形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 当該装置が、分離装置（２）と、測定したい圧力（ｐ）によって生ぜしめられた機械的な力を電気的な信号（１４）に変換するための変換装置（４）と、評価電子装置に組み込まれた測定変換器とを有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置
6. 分離装置（２）と、変換装置（４）と、評価電子装置に組み込まれた測定変換器とが、シリコンベースのマイクロマシニング型の構造のシリコンチップに提供されている、請求項５記載の装置。
7. 測定したい圧力（ｐ）によって生ぜしめられた機械的な力を変換装置（４）に伝達するための伝達装置（３）が、分離装置（２）に形成された突き棒として形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 媒体（１３）が、ガス状のまたは液状の凝集状態で付与されるようになっている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 媒体（１３）の圧力（ｐ）に相応の電気的な信号（１４）を送出するための送出ユニット（８）が、防護装置（９）により防護された接続ピン（８）によって提供されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 圧力ハウジング（１１）が、変換装置（４）を少なくとも所定の圧力（ｐ，ｐ_２）で負荷するための少なくとも１つの圧力通路（１２）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。

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