JP2016004016A - 二重ダイアフラム式圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化による内圧の上昇を最小限にすること。
【解決手段】凹部を有する金属容器２１の底部２１ｂに搭載される圧力センサユニット４と、前記容器２１凹部の開口部２１ａに気密接合される金属ダイアフラム２３と、該金属ダイアフラム２３と前記容器２１の凹部とで形成される空間を満たす圧力伝達媒体２４と、前記容器２１の底部２１ｂに前記容器２１とは電気的に絶縁気密状態で貫通する金属端子２６と、前記半導体圧力センサユニット４で検出した外部圧力を変換した電気信号を外部に出力する構成を備える二重ダイアフラム式圧力センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、二重ダイアフラムを有する液体封止型の圧力センサに関する。

液体の圧力検出用の圧力センサは、家電、自動車用冷房装置などで用いられている。このような圧力センサとして、図５に示すような、容器１内に圧力伝達媒体２（液体）を密封した圧力センサ（液体封止型圧力センサ１０）が知られている。（ａ）は圧力センサのダイアフラム上方からみた平面図、（ｂ）は（ａ）のダイアフラムを直径方向で切断した断面図である。液体封止型（液封型）圧力センサ１０は、一般的には気体の圧力検出用圧力センサに比較して、より高圧の圧力検出用として用いられる。金属ダイアフラム３と圧力センサユニット４との間に前記圧力伝達媒体２（液体）を密封した空間を備える容器１として構成される。この圧力センサの金属ダイアフラム３には同心円状の波型３ａが成形されている。この圧力伝達媒体２（液体）としてはオイル２ａなどの、圧力で体積が変動しにくい液体が好ましい。図６の矢印で示すように、測定、検出しようとする外部液体の液圧を波型３ａを有する金属ダイアフラム３および封止空間に密封されたオイ２ａを介して圧力センサユニット４に伝えることにより、外部液体の液圧が検出される。図５、図６に示す液封型圧力センサ１０は、金属ダイアフラム３と、圧力センサユニット４に作り込まれている図示しない半導体シリコンダイアフラムとの二重のダイアフラムを備えているので、圧力センサユニット４を直接外部液体に接触させることが無く、圧力センサユニット４を外部液体から完全に保護することができる特長を有する。

この液封型圧力センサ１０に使用される金属ダイアフラム３の材料には、主にステンレス鋼材が用いられ、１５μｍ〜４０μｍの厚さに加工されたものが使用される。ステンレス以外にもりん青銅などの非鉄金属が使用されることもある。この金属ダイアフラム３に受けた外部液体の圧力を、内部の圧力センサユニット４へ伝えるための圧力伝達媒体２（オイル２ａ）としては、例えば、シリコーンオイル２ｂが好ましい。このシリコーンオイル２ｂは金属ダイアフラム３と圧力センサユニット４との間の空間に密封される。このシリコーンオイル２ｂは一定の温度では金属ダイアフラム３で受けた外部液体の圧力を圧力センサユニット４に適正に伝達させる機能を有する。しかし、密封されたシリコーンオイル２ｂは温度の変化に対しては体積変化を起こす、すなわち、図４に示すように、加熱すれば、元の破線の位置から膨張し、冷却すれば収縮する。この温度変化による体積変化は図４の矢印に示すように、密封された空間を構成する容器１の内壁に圧力とし働き、同じ空間内に搭載されている圧力センサユニット４にも圧力として作用するので、圧力センサユニット４の温度特性に著しく悪影響を及ぼす。この圧力センサの金属ダイアフラム３には同心円状の波型３ａが成形されている。その目的は、同心円状の波型３ａの形状やサイズなどを変化させることにより金属ダイアフラム３自体のばね係数（剛性）を低くし、同じ受圧面積で金属ダイアフラムの実質面積を大きくして内圧の上昇を抑える目的に用いられる。

このような構成の液体封止型圧力センサに関して、磁気抵抗変換器の発明に関する文献であるが、熱膨張係数が異なる複数のダイアフラムが重ねて張り合わされ、該複数のダイアフラムの膨張係数差により温度補償をする構成の温度補償用ダイアフラムに関する記述がある（特許文献１）。

温度変化によるダイアフラムの変型を低減するために、熱膨張係数の異なるステンレスをそれぞれ内層と外層とに分けて用いることが記載されている（特許文献２）。

実開平３−１１５８３１号公報（実用新案登録請求の範囲の（４）内の第１０行から同第１３行にかけて） 特開２００９−１８６２０９号公報（要約の課題、解決手段）

しかしながら、製品の小型化などの要求から、金属ダイアフラムの受圧面積が小さくなると、従来と同じダイアフラム板厚や波形状では、ばね定数が大きくなり内圧上昇も大きくなる。このため、さらに金属ダイアフラムの剛性を下げるために板厚の薄肉化などが検討される。しかし、板厚をさらに薄肉化すると、今度は波型加工の限界、材料強度の低下による変形、取り扱いの難しさなどの２次要因が新たに発生する。

本発明は前述した点を考慮してなされたものであり、本発明の目的は、加工限界以上のダイアフラム材料の板厚を確保し、温度変化による内圧の上昇を最小限にする二重ダイアフラム式圧力センサを提供することである。

前記本発明の目的を達成するために、凹部を有する金属容器の底部に搭載される圧力センサユニットと、前記容器凹部の開口部に気密接合される金属ダイアフラムと、該金属ダイアフラムと前記容器の凹部とで形成される空間を満たす圧力伝達媒体と、前記容器の底部に前記容器とは電気的に絶縁気密状態で貫通する金属端子と、前記圧力センサユニットで検出した外部圧力を変換した電気信号を外部に出力する構成を備える二重ダイアフラム式圧力センサとする。

本発明によれば、加工限界以上のダイアフラム材料の板厚を確保し、温度変化による内圧の上昇を最小限にする二重ダイアフラム式圧力センサを提供することができる。

本発明の二重ダイアフラム式圧力センサの断面図である。 本発明にかかる図１の破線枠内の拡大断面図である。 本発明にかかる、高温時のバイメタル変形による体積変化量とオイルの熱膨張による体積変化量を示す二重ダイアフラム式圧力センサの断面図である。 従来の二重ダイアフラム式圧力センサにおける高温時の内圧外圧のかかり方を示す断面図である。 従来の二重ダイアフラム式圧力センサの金属ダイアフラムの平面図（ａ）と金属容器の断面図（ｂ）である。 従来の二重ダイアフラム式圧力センサにおける常温時の内圧外圧のかかり方を示す断面図である。 本発明に適用する圧力センサユニット４の一例の要部断面図である。

以下、本発明の二重ダイアフラム式圧力センサにかかる実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明に用いられる添付図面は、見易くまたは理解し易くするために正確なスケール、寸法比で描かれていない。また、本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施形態の記載に限定されるものではない。

図１に示す本発明の二重ダイアフラム式圧力センサ２０は、ステンレス３０４などのステンレス鋼を基材とし、一方側（上方側）に開口部２１ａを有する凹部状金属容器２１を備える。この凹部状金属容器２１の内底面２１ｂの中央には、圧力センサユニット４が接合され、この圧力センサユニット４を取り巻くように配置される複数の貫通孔２２を備える。この貫通孔２２にはガラス２７などで金属容器２１とは電気的に絶縁保持されるガラスハーメチックシールされた金属端子２６が設置される。この金属端子２６は金属容器２１内部にある一端２６aからガラスハーメチックシールされた貫通孔２２を通って、他端２６ｂは容器外部へ導出されている。この凹部状金属容器２１の前記開口部２１ａの上縁部には、本発明にかかる、表面側と裏面側で熱膨張係数の異なる金属ダイアフラム２３（２３ａ、２３ｂ）が溶接されている。この金属ダイアフラム２３と金属容器２１とにより構成される空間は気密空間となる。この気密空間にはシリコーンオイル２４が充填される。シリコーンオイル２４は金属容器２１の底部２１ｂに設けられた複数の金属端子２６のうち、図示しない中空の金属端子パイプから注入され、注入後パイプを封止することにより気密に充てんされる。その他の金属端子２６と前記圧力センサユニット４とは検出した液体圧力を電気信号に変換して外部と入出力するために、金ワイヤやアルミワイヤなどのボンディングワイヤ２５により所要の配線接続が施される。

図７は、本発明に適用する歪ゲージ方式の半導体圧力センサを用いた圧力センサユニット４の一例の要部断面図である。

圧力センサユニット４は、真空基準室１０９となる凹部１０１０を有する半導体圧力センサチップ１０１と、凹部１０１０の開口部側の半導体圧力センサチップ１０１（裏面）に静電接合されるガラス基板１０１１を備える。半導体圧力センサチップ１０１にガラス基板１０１１が固着することで真空基準室１０９が形成される。半導体圧力センサチップ１０１にはダイアフラム１０２ａと、このダイアフラム１０２ａと電気的に接続する歪ゲージ抵抗１０２とを備える。この歪ゲージ抵抗１０２に電気的に接続し、半導体圧力センサチップ１０１上に配置されるシリコン酸化膜１０３である層間絶縁膜と、このシリコン酸化膜１０３上に配置されるＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ膜であるアルミ配線層１０４とを備える。このアルミ配線層１０４上に、Ｐｔ膜やＡｕ膜などのパッド電極８シリコン酸化膜１０３およびアルミ配線層１０４を覆うパッシベーション膜１０６を備える。

また、半導体圧力センサチップ２０１としては、さらに同一の半導体圧力センサチップ１０１上に、半導体温度センサ等による温度検出部と、デジタル／アナログコンバータと、出力信号増幅回路などを含むことができる。

また、圧力センサユニット４としては、ガラス台座１０１１を設けない半導体圧力センサチップ１のみとしてもよい。さらには、外部導出端子および半導体圧力センサチップ１を配置する凹部を備えた樹脂ケース（不図示）内に図７に記載の圧力センサユニット４を配置する構成としてもよい。

なお、本発明は、歪ゲージ方式の半導体圧力センサ以外の例えば静電容量方式の半導体圧力センサを用いることができる。さらに、半導体圧力センサ以外の圧力センサを用いることができる。

熱膨張係数の違う異種金属２３ａ、２３ｂ材料を張り合わせた金属ダイアフラム２３とすることで、金属ダイアフラム２３にバイメタルと同様の機能を持たせることができる。この金属ダイアフラム２３は、図１の破線枠Ａの拡大断面図である図２の矢印に示すように、熱を加えた時、熱膨張係数の大きい金属板部２３ａが大きく伸び、熱膨張係数の小さいもう一方の金属板部２３ｂはあまり伸びない。この結果、膨張係数の大きい金属板部２３aが外面にあるとき、金属ダイアフラム２３は図３に示すように、破線の位置から外側に膨らむように変形し、内部空間は図面上方へ凸形状に変形する。逆に冷却した場合は加熱したときの逆の挙動を示し、金属ダイアフラム２３は内側に凹むように変形し内部空間は凹形状に変形する。この凸形状と凹形状の差を利用することで、内部に密閉された圧力伝達媒体であるシリコーンオイル２４の温度による体積膨張収縮による内圧変化を金属ダイアフラム２３の熱変形によって吸収することが可能になる。

すなわち、外部雰囲気または測定液体の温度が高いとき、本発明の二重ダイアフラム式圧力センサ２０の温度が上昇すると、図３に示すように圧力伝達媒体であるシリコーンオイル２４は熱膨張を起こし圧力センサ２０を構成する金属容器２１の内部には正の圧力（内圧）が発生する。しかし、同時に熱膨張係数の小さい内側材料２３ｂと熱膨張係数の大きい外側材料２３ａからなる金属ダイアフラム２３自体にも、温度上昇により金属容器２１内の気密空間の体積を増加させるように外側に膨らむ応力が発生する結果、金属容器２１の内部には負の圧力が発生する。その結果、前記内圧により体積増加させる方向の正の圧力増加分と金属ダイアフラムの変型による体積増加による負の圧力減少分を等しくさせれば、内圧の発生をキャンセルさせることができる。その結果、圧力センサの温度特性の改善に寄与することが可能となる。

さらに、この金属ダイアフラムによるシリコーンオイル２４の内圧上昇を緩和するため、金属ダイアフラム２３には同心円状の波型２３ｃが成形されることも好ましい。

そのような金属ダイアフラム２３を形成するために、直径１０ｍｍ、表面側（外側）材料として、熱膨張係数１５．９×１０^-6（２０℃）で、厚さ１５μｍのＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼からなる板材２３ａを用いる。このステンレス鋼板材２３ａと、内側材料として熱膨張係数４．３×１０^-6（２０℃）で、厚さ１５μｍのＦｅ/Ｎｉ４２（４２アロイ）からなる板材２３ｂとを貼り合わせ、等間隔の４重の同心円で、波の振幅高さ５０μｍの波型を成形した。この金属ダイアフラム２３を、図1に示すように、金属容器２１の開口部２１aの上縁部に溶接する。この金属容器２１は、その凹部底部２１ｂにシリコン圧力センサユニット４が接合される。この凹部底部２１ｂに設けた貫通孔２２にはガラスハーメチックシールを介して金属端子２６が固定される。前記シリコン圧力センサユニット４と金属容器２１とは絶縁された複数の金属端子の上端部２６ｂとの間に所要のアルミワイヤ２５配線が施されている。前述の金属ダイアフラムの厚さは１５μｍ〜４０μｍの範囲から選択することができる。

前述したように金属ダイアフラム２３が金属容器２１の開口部２１aの上縁部に溶接された後、前記複数の金属端子２６のうち、パイプ状の金属端子（図示せず）を介して、金属容器２１の凹部内に熱膨張係数３１７×１０^-6（２０℃）のシリコーンオイル２４を注入し、内部空間を満たす。その後、金属容器の外部に導出された部分のパイプを潰してシリコーンオイル２４を金属容器２１内に密封することにより、本発明の二重ダイアフラム式圧力センサができる。

この二重ダイアフラム式圧力センサによれば、ダイアフラム材料を加工限界以上の板厚を確保することができる。また、温度変化による内圧の上昇を最小限に抑え、圧力測定の際の温度特性に及ぼす悪影響を少なくすることができる。

４ 圧力センサユニット
２０ 本発明の二重ダイアフラム式圧力センサ
２１ 金属容器
２１ａ 開口部
２１ｂ 凹部底部
２２ ガラスハーメチック
２３ 二重金属ダイアフラム
２３ａ 上側ダイアフラム
２３ｂ 下側ダイアフラム
２４ シリコーンオイル
２５ アルミワイヤ
２６ 金属端子
２６ａ 一端
２６ｂ 他端
２７ ガラス

Claims (9)

1. 凹部を有する金属容器の底部に搭載される圧力センサユニットと、前記容器凹部の開口部に気密接合される金属ダイアフラムと、該金属ダイアフラムと前記容器の凹部とで形成される空間を満たす圧力伝達媒体と、前記容器の底部に前記容器とは電気的に絶縁状態で貫通する金属端子と、前記圧力センサユニットで検出した外部圧力を変換した電気信号を外部に出力する構成を備えることを特徴とする二重ダイアフラム式圧力センサ。
2. 前記金属ダイアフラムが、熱膨張係数が大の外側ダイアフラムと、熱膨張係数が小の内側ダイアフラムとを貼り合わせた構成を有することを特徴とする請求項1記載の二重ダイアフラム式圧力センサ。
3. １５μｍ乃至４０μｍから選ばれるいずれかの厚さのダイアフラムであって、前記熱膨張係数が大の外側ダイアフラムがＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼であり、熱膨張係数が小の内側ダイアフラムがＦｅ/Ｎｉ４２であることを特徴とする請求項２記載の二重ダイアフラム式圧力センサ。
4. 前記金属ダイアフラムが円形であって、同心円状の波型を備えていることを特徴とする請求項３に記載の二重ダイアフラム式圧力センサ。
5. 前記同心円状の波型が等間隔の３重〜５重の同心円で、波の振幅高さ３０〜５０μｍの波型であることを特徴とする請求項４記載の二重ダイアフラム式圧力センサ。
6. 前記圧力伝達媒体がシリコーンオイルであることを特徴とする請求項1記載の二重ダイアフラム式圧力センサ。
7. 前記容器がステンレス鋼であることを特徴とする請求項1記載の二重ダイアフラム式圧力センサ。
8. 前記圧力センサユニットが半導体圧力センサチップを備えることを特徴とする請求項１記載の二重ダイアフラム式圧力センサ。
9. 前記圧力センサユニットが半導体圧力センサチップであることを特徴とする請求項１記載の二重ダイアフラム式圧力センサ。
   

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