JP3947389B2 - Corrosion-resistant pressure sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸やアルカリなどの薬品剤の気体圧または液体圧を検出する耐蝕型圧力センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の圧力センサには、酸やアルカリなどの薬品剤の気体圧または液体圧を検出するものがある。
【0003】
この従来の圧力センサは、薬品剤の侵蝕を防ぐために、薬品剤の気体圧または液体圧を受ける円形状に形成された金属ダイアフラムにフッ素樹脂のコーテングをしたものである。コーテングされた金属ダイアフラムは、切欠部が形成されたボディー本体部の底部の内側にOリングを介し固定されている。
【0004】
この従来の圧力センサにより薬品剤の気体圧または液体圧を検出するときには、コーテングされた金属ダイアフラムに切欠部を介し気体圧または液体圧が加わると、コーテングされた金属ダイアフラムはその圧力を受け撓み、その圧力変化をコーテングされた金属ダイアフラムに形成された歪検出素子により検出する。
【0005】
また、従来の圧力センサには、薬品剤の侵蝕を防ぐために、薬品剤の気体圧または液体圧を受けるセラミックダイアフラムにフッ素樹脂のコーテングをしたものもある。コーテングされたセラミックダイアフラムは、切欠部が形成されたボディー本体部の底部の内側にOリングを介し固定されている。この従来の圧力センサは、コーテングされた金属ダイアフラムの場合と同様に薬品剤の気体圧または液体圧を検出する。
【0006】
さらに、従来の圧力センサには、薬品剤の侵蝕を防ぐために、フッ素樹脂膜のダイアフラムを用いて内部にシリコンオイルを封入した二重ダイアフラム構造のものもある。この従来の圧力センサにより薬品剤の気体圧または液体圧を検出するときには、フッ素樹脂膜のダイアフラムに気体圧または液体圧が加わると、その圧力は封入しているシリコンオイルに伝達され、そのシリコンオイルの圧力変化を圧力検出素子により検出する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の薬品剤の気体圧または液体圧を検出する圧力センサには、次のような問題があった。
【0008】
上記したごとく、フッ素樹脂のコーテングをした金属ダイアフラムを用いて薬品剤の侵蝕を防ぎ、薬品剤の気体圧または液体圧を検出することができるが、フッ素樹脂は接着性が低いためコーテングしたフッ素樹脂層と金属ダイアフラムとの間の密着性が低く剥離する可能性があり、また、フッ素樹脂層は膜厚を薄くする必要性があることから耐久性が低く長期信頼性に問題があった。
【0009】
また、フッ素樹脂のコーテングを行ったセラミックダイアフラムを用いて薬品剤の侵蝕を防ぎ、薬品剤の気体圧または液体圧を検出する場合も、同様に長期信頼性に問題があった。
【0010】
さらに、内部にシリコンオイルを封入したフッ素樹脂膜のダイアフラムを用いて薬品剤の侵蝕を防ぎ、薬品剤の気体圧または液体圧を検出することができるが、フッ素樹脂膜のダイアフラムはシリコンオイルに気体圧または液体圧を効果的に伝達するために薄板となっており、気体圧または液体圧がフッ素樹脂膜のダイアフラムに長期間かかると破損する可能性があり長期信頼性に問題があり、また、フッ素樹脂膜のダイアフラムの破損により、圧力を検出する気体や液体に密封されているシリコンオイルが漏れるという問題があった。また、フッ素樹脂膜のダイアフラムは、中心から対称的に歪まない可能性もあり精度面にも問題をかかえていた。
【0011】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、長期信頼性を有し、シリコンオイル漏れの現象はなく高精度の圧力検出ができる耐蝕型圧力センサを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐蝕型圧力センサは、感圧抵抗素子を形成する単結晶質サファイアダイアフラムと、円筒部と底部を有し、前記底部には円形の切欠部が形成され、前記単結晶質サファイアダイアフラムが内側に設けられるカップ形状のボディー本体部と、前記ボディー本体部の内部に固定される円筒形状のセラミックの台座とを備え、かつ、前記底部には環状溝にOリングを設けた耐蝕型圧力センサにおいて、前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記底部の内側の接合部とは表面処理され、前記表面処理された前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記底部の内側の接合部とが合わされ、前記単結晶質サファイアダイアフラムは前記台座と前記ボディー本体部の前記底部の内側の接合部とに挟まれ高密着性を持って固定され、かつ、前記Oリングを介して固定されることによって、二重の気密構造を形成し、前記切欠部を介し前記単結晶質サファイアダイアフラムにかかる圧力を検出することとした。
【0015】
また、前記ボディー本体部は、フッ素樹脂で形成することとした。高温状態まで計測が可能である。ダイアフラム部以外においても薬品剤による侵蝕を受ける可能性は極めて低い。
【0016】
さらに、前記感圧抵抗素子は、前記単結晶質サファイアダイアフラム上にエピタキシャル成長させたシリコン半導体を積層して形成することとした。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【0018】
図1は、本発明における実施形態の耐蝕型圧力センサ10の断面図である。
【0019】
図1に示すように、この耐蝕型圧力センサ10は、感圧抵抗素子21(図2参照)を積層した単結晶質サファイアダイアフラム17と、円筒部12と底部13とを有し、底部13には導通穴13Bに接続する円形の切欠部13Aが形成され単結晶質サファイアダイアフラム17が内側に設けられるカップ形状のフッ素樹脂で形成されたボディー本体部11と、ボディー本体部11に形成されたネジ部12Aと、ネジ部16Aによりボディー本体部11の内部に固定される円筒形状のセラミックの台座16とにより構成され、導通穴13Bと切欠部13Aとを介し単結晶質サファイアダイアフラム17にかかる圧力を検出するものである。
【0020】
単結晶質サファイアダイアフラム17は、台座16と、底部13の内側とに挟まれボディー本体部11に固定されている。単結晶質サファイアダイアフラム17が薬品環境下での影響を受けることはなく、ボディー本体部11には、単結晶質サファイアダイアフラム17が直接圧力を受けるように底部13の中央部に導通穴13Bと切欠部13Aは形成されている。
【0021】
ボディー本体部11は、フッ素樹脂で形成しているため薬品剤の影響を受け難く、また、フッ素樹脂は耐熱性の高いPTFEやPFAなどを選択することにより、200°Cまでの温度範囲での使用が可能である。
【0022】
単結晶質サファイアダイアフラム17と底部13の内側23とは、例えば研磨加工などの表面処理を行い、表面処理された単結晶質サファイアダイアフラム17と底部13の内側23とが合わされ、台座16により単結晶質サファイアダイアフラム17は固定される。そのため単結晶質サファイアダイアフラム17と底部13の内側23の表面処理により、高密着性を持って固定される。また、底部13には環状溝13CにOリング15を設け二重の気密構造にすることもできる。
【0023】
耐蝕型圧力センサ10により薬品剤の気体圧や液体圧を検出するときには、矢印Pに示すように気体圧や液体圧が導通穴13Bと切欠部13Aを介し単結晶質サファイアダイアフラム17に加わったとき、単結晶質サファイアダイアフラム17は内側に撓み、その撓みを単結晶質サファイアダイアフラム17に積層した感圧抵抗素子21(図2参照)により検出して圧力信号とし、高精度で圧力の検出が行われる。
【0024】
なお、耐蝕型圧力センサ10は、薬品剤に限らず、また、搬送管内を流れる気体や液体の流体圧の検出や、容器内の圧力を検出することもできる。
【0025】
以上、耐蝕型圧力センサ10は、圧力を検出する気体や液体に薬品剤が入っていてもその薬品環境下での影響を受けることはなく、単結晶質サファイアダイアフラム17で圧力を受けるため、フッ素樹脂などの保護膜形成を不要とし、前記した剥離や耐久性やシリコンオイルの漏れの問題はなく、長期信頼性を有し高精度の圧力検出をすることができる。
【0026】
図2は、感圧抵抗素子21を形成した単結晶質サファイアダイアフラム17の断面図である。
【0027】
感圧抵抗素子21は、単結晶質サファイアダイアフラム17上にエピタキシャル成長させシリコン半導体を積層して形成したもので、予め定めた位置に複数個設定することができ、単結晶質サファイアダイアフラム17が圧力を受け撓むことにより長さや断面積が変化して抵抗値が変化するものであり、ホイートストン・ブリッジの回路構成にして圧力に応じた電圧信号を出力し、圧力検出を行うことができる。
【0028】
感圧抵抗素子21は、保護酸化膜22の被膜により保護され、また、半導体の製造技術を応用しシリコン半導体を積層しているため、350°Cまで安定した特性を得ることができる。
【0029】
【発明の効果】
本発明の耐蝕型圧力センサは、感圧抵抗素子を形成する単結晶質サファイアダイアフラムと、円形の切欠部を有する底部の内側に前記単結晶質サファイアダイアフラムを設けたボディー本体部とを備え、前記切欠部を介し前記結晶質サファイアダイアフラムにかかる圧力を検出することとしたため、圧力を受けるダイアフラムに化学的に安定している単結晶サファイアを用いることで、圧力を検出する気体や液体に薬品剤が入っていてもその薬品環境下での影響を受けることはなく、長期信頼性を有し高精度の圧力検出をすることができる。
【0030】
また、前記単結晶質サファイアダイアフラムは、前記ボディー本体部の内部に固定される台座と前記底部の内側とに挟まれ、前記ボディー本体部に固定されることとしたため、単結晶質サファイアダイアフラムを確実に固定することができる。
【0031】
また、前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記底部の内側とは表面処理され、前記表面処理された面が合わされ前記単結晶質サファイアダイアフラムは前記底部に固定されることとしたため、単結晶質サファイアダイアフラムを高密着で固定することができる。
【0032】
また、前記ボディー本体部は、フッ素樹脂で形成することとしたため、高温状態まで計測ができ、また、薬品剤による侵蝕を受ける可能性は極めて低くすることができる。
【0033】
さらに、前記感圧抵抗素子は、前記単結晶質サファイアダイアフラム上にエピタキシャル成長させたシリコン半導体を積層して形成することとしたため、前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記感圧抵抗素子は原子結合している。そのため、歪みによる変位が前記切欠部を均一に変形させ、前記切欠部円の中心を基準として対称に変形すると、前記接合部に支えられた前記単結晶質サファイアダイアフラムの前記感圧抵抗素子の抵抗比率が一定となる。
【0034】
よって、圧力に対する歪みがリニアであり、付随して出力されるホイートストンブリッジの出力電圧もリニアな出力となるため、優れた圧力―出力電圧の特性を得ることができる。また、高温状態まで安定した圧力―出力電圧の特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明における実施形態の耐蝕型圧力センサの断面図である。
【図2】 感圧抵抗素子を形成した単結晶質サファイアダイアフラムの断面図である。
【符号の説明】
10 耐蝕型圧力センサ
11 ボディー本体部
12 円筒部
13 底部
13A 切欠部
13B 導通穴
13C 環状溝
14 接合部
15 Oリング
16 台座
17 単結晶質サファイアダイアフラム
21 感圧抵抗素子
22 保護酸化膜 [0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a corrosion-resistant pressure sensor that detects the gas pressure or liquid pressure of a chemical agent such as acid or alkali.
[0002]
[Prior art]
Some conventional pressure sensors detect the gas pressure or liquid pressure of chemical agents such as acids and alkalis.
[0003]
In this conventional pressure sensor, a fluororesin coating is applied to a metal diaphragm formed in a circular shape that receives the gas pressure or liquid pressure of the chemical agent in order to prevent the chemical agent from corroding. The coated metal diaphragm is fixed via an O-ring to the inside of the bottom of the body main body where the notch is formed.
[0004]
When the gas pressure or liquid pressure of the chemical agent is detected by the conventional pressure sensor, when the gas pressure or the liquid pressure is applied to the coated metal diaphragm through the notch, the coated metal diaphragm is bent under the pressure, The pressure change is detected by a strain detection element formed on a coated metal diaphragm.
[0005]
Some conventional pressure sensors include a fluororesin coating on a ceramic diaphragm that receives the gas pressure or liquid pressure of the chemical agent in order to prevent the chemical agent from corroding. The coated ceramic diaphragm is fixed via an O-ring to the inside of the bottom of the body main body where the notch is formed. This conventional pressure sensor detects the gas pressure or liquid pressure of a chemical agent as in the case of a coated metal diaphragm.
[0006]
Further, some conventional pressure sensors have a double diaphragm structure in which silicon oil is sealed inside using a fluororesin film diaphragm to prevent the chemical agent from eroding. When the gas pressure or liquid pressure of the chemical agent is detected by this conventional pressure sensor, when the gas pressure or liquid pressure is applied to the diaphragm of the fluororesin film, the pressure is transmitted to the enclosed silicon oil, and the silicon oil The pressure change is detected by the pressure detecting element.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional pressure sensor for detecting the gas pressure or liquid pressure of the chemical agent has the following problems.
[0008]
As described above, it is possible to prevent the chemical agent from corroding and detect the gas pressure or liquid pressure of the chemical agent by using the metal diaphragm coated with the fluororesin, but the fluororesin is coated so that the adhesive has low adhesion. There is a possibility that the adhesiveness between the layer and the metal diaphragm is low, and there is a possibility that the fluororesin layer may be peeled off. Further, since the thickness of the fluororesin layer needs to be reduced, there is a problem in durability and long-term reliability.
[0009]
Similarly, when a ceramic diaphragm coated with a fluororesin is used to prevent the chemical agent from corroding and the gas pressure or liquid pressure of the chemical agent is detected, there is also a problem in long-term reliability.
[0010]
Furthermore, the fluororesin membrane diaphragm with silicon oil sealed inside can prevent the chemical agent from corroding and detect the gas pressure or liquid pressure of the chemical agent. In order to effectively transmit pressure or liquid pressure, it is a thin plate, and it may break if gas pressure or liquid pressure is applied to the fluororesin membrane diaphragm for a long time, and there is a problem in long-term reliability, There has been a problem that silicon oil sealed in a gas or a liquid for detecting pressure leaks due to breakage of the diaphragm of the fluororesin film. In addition, the fluororesin film diaphragm may not be symmetrically distorted from the center, and has a problem in accuracy.
[0011]
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a corrosion-resistant pressure sensor that has long-term reliability and is free from the phenomenon of silicon oil leakage and capable of highly accurate pressure detection.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The corrosion-resistant pressure sensor of the present invention has a single-crystal sapphire diaphragm forming a pressure-sensitive resistance element, a cylindrical portion and a bottom portion, and a circular notch is formed in the bottom portion, and the single-crystal sapphire diaphragm Corrosion-resistant pressure sensor comprising a cup-shaped body main body provided on the inside and a cylindrical ceramic pedestal fixed inside the body main body, and an O-ring in the annular groove on the bottom The single crystalline sapphire diaphragm and the inner joint of the bottom are surface-treated, and the surface-treated single crystalline sapphire diaphragm and the inner joint of the bottom are combined to form the single crystalline sapphire the diaphragm is sandwiched between the inside of the joining portion of the bottom portion of the body main portion and the base is fixed with high adhesion, and the O- By being secured through the grayed, to form a double air-tight structure, it was decided to detect the pressure exerted on the monocrystalline sapphire diaphragm through the notch.
[0015]
Further, the body main body is formed of a fluororesin. Measurement is possible up to high temperature. The possibility of being eroded by the chemical agent is extremely low even outside the diaphragm portion.
[0016]
Further, the pressure sensitive resistance element is formed by laminating a silicon semiconductor epitaxially grown on the single crystalline sapphire diaphragm.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a corrosion-
[0019]
As shown in FIG. 1, the corrosion-
[0020]
The monocrystalline sapphire diaphragm 17 is sandwiched between the
[0021]
The body main body 11 is made of fluororesin so that it is not easily affected by chemicals. In addition, the fluororesin can be used in a temperature range up to 200 ° C. by selecting PTFE or PFA having high heat resistance. Can be used.
[0022]
The single-crystal sapphire diaphragm 17 and the inner side 23 of the
[0023]
When the gas pressure or liquid pressure of the chemical agent is detected by the corrosion-
[0024]
The corrosion-
[0025]
As described above, the corrosion-
[0026]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the single crystalline sapphire diaphragm 17 in which the pressure sensitive resistance element 21 is formed.
[0027]
The pressure-sensitive resistance element 21 is formed by epitaxially growing on the single-crystal sapphire diaphragm 17 and stacking silicon semiconductors. A plurality of pressure-sensitive resistance elements 21 can be set at predetermined positions, and the single-crystal sapphire diaphragm 17 applies pressure. The resistance value is changed by changing the length and the cross-sectional area by receiving and bending, and the pressure signal can be detected by outputting a voltage signal corresponding to the pressure in the Wheatstone bridge circuit configuration.
[0028]
The pressure-sensitive resistance element 21 is protected by a coating of the protective oxide film 22 and, since a silicon semiconductor is laminated by applying a semiconductor manufacturing technique, stable characteristics up to 350 ° C. can be obtained.
[0029]
【The invention's effect】
The corrosion-resistant pressure sensor of the present invention includes a single-crystal sapphire diaphragm forming a pressure-sensitive resistance element, and a body main body provided with the single-crystal sapphire diaphragm inside a bottom portion having a circular notch, Since the pressure applied to the crystalline sapphire diaphragm through the notch is detected, the chemical agent is applied to the gas or liquid for detecting the pressure by using chemically stable single crystal sapphire for the diaphragm receiving the pressure. Even if it is contained, it is not affected by the chemical environment, and can detect pressure with high accuracy and long-term reliability.
[0030]
In addition, the single crystalline sapphire diaphragm is sandwiched between the base fixed inside the body main body and the inside of the bottom, and fixed to the body main body, so that the single crystalline sapphire diaphragm is securely attached. Can be fixed to.
[0031]
In addition, the single crystal sapphire diaphragm and the inside of the bottom are surface-treated, the surface-treated surfaces are combined, and the single crystal sapphire diaphragm is fixed to the bottom. Can be fixed with high adhesion.
[0032]
Further, since the body main body portion is formed of a fluororesin, it can be measured up to a high temperature state, and the possibility of being eroded by a chemical agent can be extremely low.
[0033]
Furthermore, since the pressure-sensitive resistor element is formed by stacking a silicon semiconductor epitaxially grown on the single-crystal sapphire diaphragm, the single-crystal sapphire diaphragm and the pressure-sensitive resistor element are atomically bonded. . Therefore, when the displacement due to strain uniformly deforms the notch and deforms symmetrically with respect to the center of the notch circle, the resistance of the pressure-sensitive resistor element of the single-crystal sapphire diaphragm supported by the joint The ratio is constant.
[0034]
Therefore, since the distortion with respect to the pressure is linear and the output voltage of the Wheatstone bridge that is output accompanying it is also a linear output, an excellent pressure-output voltage characteristic can be obtained. In addition, a stable pressure-output voltage characteristic can be obtained up to a high temperature state.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a corrosion-resistant pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a single crystalline sapphire diaphragm in which a pressure sensitive resistance element is formed.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
円筒部と底部を有し、前記底部には円形の切欠部が形成され、前記単結晶質サファイアダイアフラムが内側に設けられるカップ形状のボディー本体部と、
前記ボディー本体部の内部に固定される円筒形状のセラミックの台座とを備え、
かつ、前記底部には環状溝にOリングを設けた耐蝕型圧力センサにおいて、
前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記底部の内側の接合部とは表面処理され、
前記表面処理された前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記底部の内側の接合部とが合わされ、
前記単結晶質サファイアダイアフラムは前記台座と前記ボディー本体部の前記底部の内側の接合部とに挟まれ高密着性を持って固定され、かつ、前記Oリングを介して固定されることによって、二重の気密構造を形成し、
前記切欠部を介し前記単結晶質サファイアダイアフラムにかかる圧力を検出することを特徴とする耐蝕型圧力センサ。A single crystalline sapphire diaphragm forming a pressure sensitive resistor element;
A cylindrical body and a bottom, wherein the bottom is formed with a circular cutout, and the single-crystal sapphire diaphragm is provided inside, a cup-shaped body body,
A cylindrical ceramic pedestal fixed inside the body body,
And in the corrosion-resistant pressure sensor in which an O-ring is provided in the annular groove at the bottom,
The single crystal sapphire diaphragm and the joint inside the bottom are surface-treated,
The surface-treated single crystalline sapphire diaphragm and the inner joint of the bottom are combined,
The single-crystal sapphire diaphragm is sandwiched between the base and the joint portion inside the bottom portion of the body main body, and is fixed with high adhesion , and is fixed through the O-ring. Forming a heavy airtight structure,
A corrosion-resistant pressure sensor that detects a pressure applied to the single crystalline sapphire diaphragm through the notch.
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