JP5965165B2 - Differential pressure transmitter - Google Patents
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Description
この発明は、圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた差圧発信器に関するものである。 The present invention relates to a differential pressure transmitter using a sensor diaphragm that outputs a signal corresponding to a pressure difference.
従来より、工業用の差圧発信器（伝送器）として、圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムを用いた差圧発信器が用いられている。この差圧発信器は、高圧側および低圧側の受圧ダイアフラムに加えられる各測定圧を、圧力伝達媒体としての封入液によってセンサダイアフラムの一方の面および他方の面に導き、そのセンサダイアフラムの歪みを例えば歪抵抗ゲージの抵抗値変化として検出し、この抵抗値変化を電気信号に変換して取り出すように構成されている。 Conventionally, as an industrial differential pressure transmitter (transmitter), a differential pressure transmitter using a sensor diaphragm that outputs a signal corresponding to a pressure difference is used. This differential pressure transmitter guides each measured pressure applied to the pressure receiving diaphragm on the high pressure side and the low pressure side to one side and the other side of the sensor diaphragm by the sealing liquid as the pressure transmission medium, and strains the sensor diaphragm. For example, it is configured to detect a change in resistance value of a strain resistance gauge and to convert the resistance value change into an electric signal and take it out.
このような差圧発信器は、例えば石油精製プラントにおける高温反応塔等の被測定流体を貯蔵する密閉タンク内の上下２位置の差圧を検出することにより、液面高さを測定するときなどに用いられる。 Such a differential pressure transmitter is used, for example, when measuring the liquid level height by detecting the differential pressure at two positions above and below in a closed tank that stores a fluid to be measured such as a high-temperature reaction tower in an oil refinery plant. Used for.
なお、差圧発信器のボディおよび受圧ダイアフラムは、耐食性や耐環境性、内部のセンサダイアフラムの保護のために、剛性の高い金属（例えば、ステンレス）が用いられる。 The body of the differential pressure transmitter and the pressure receiving diaphragm are made of a highly rigid metal (for example, stainless steel) for corrosion resistance, environmental resistance, and protection of the internal sensor diaphragm.
図５に従来の差圧発信器の概略構成を示す。この差圧発信器１００は、センサダイアフラム（図示せず）を有するセンサチップ１をメータボディ２に組み込んで構成される。センサチップ１におけるセンサダイアフラムは、シリコン（Ｓｉ）やガラスなどの半導体材料よりなり、薄板状に形成されたダイアフラムの表面に歪抵抗ゲージが形成されている。メータボディ２は、金属製の本体部３とセンサ部４とからなり、本体部３の側面に一対の受圧部をなす金属製のバリアダイアフラム（受圧ダイアフラム）５ａ，５ｂが設けられ、センサ部４にセンサチップ１が組み込まれている。
FIG. 5 shows a schematic configuration of a conventional differential pressure transmitter. The
メータボディ２において、センサ部４に組み込まれたセンサチップ１と本体部３に設けられたバリアダイアフラム５ａ，５ｂとの間は、大径のセンタダイアフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ，７ｂを介してそれぞれ連通され、センサチップ１とバリアダイアフラム５ａ，５ｂとを結ぶ連通路８ａ，８ｂにシリコーンオイル等の圧力伝達媒体９ａ，９ｂが封入されている。
In the
なお、シリコーンオイル等の圧力媒体が必要となるのは、センサダイアフラムに対する計測媒体中の異物付着を防ぐこと、センサダイアフラムを腐食させないため、耐食性を持つ受圧ダイアフラムと応力（圧力）感度を持つセンサダイアフラムとを分離する必要があるためである。 The pressure medium such as silicone oil is required because it prevents the foreign matter in the measurement medium from adhering to the sensor diaphragm and does not corrode the sensor diaphragm. Therefore, the pressure receiving diaphragm has corrosion resistance and the sensor diaphragm has stress (pressure) sensitivity. This is because it is necessary to separate them.
この差圧発信器１００では、図６(ａ)に定常状態時の動作態様を模式的に示すように、プロセスからの第１の測定圧Ｐａがバリアダイアフラム５ａに印加され、プロセスからの第２の測定圧Ｐｂがバリアダイアフラム５ｂに印加される。これにより、バリアダイアフラム５ａ，５ｂが変位し、その加えられた圧力Ｐａ，Ｐｂがセンタダイアフラム６により隔離された圧力緩衝室７ａ，７ｂを介し、圧力伝達媒体９ａ，９ｂを通して、センサチップ１のセンサダイアフラムの一方の面および他方の面にそれぞれ導かれる。この結果、センサチップ１のセンサダイアフラムは、その導かれた圧力Ｐａ，Ｐｂの差圧ΔＰに相当する変位を呈することになる。
In this
これに対して、例えば、バリアダイアフラム５ａに過大圧Ｐoverが加わると、図６(ｂ)に示すようにバリアダイアフラム５ａが大きく変位し、これに伴ってセンタダイアフラム６が過大圧Ｐoverを吸収するように変位する。そして、バリアダイアフラム５ａがメータボディ２の凹部１０ａの底面（過大圧保護面）に着底し、その変位が規制されると、バリアダイアフラム５ａを介するセンサダイアフラムへのそれ以上の差圧ΔＰの伝達が阻止される。バリアダイアフラム５ｂに過大圧Ｐoverが加わった場合も、バリアダイアフラム５ａに過大圧Ｐoverが加わった場合と同様にして、バリアダイアフラム５ｂがメータボディ２の凹部１０ｂの底面（過大圧保護面）に着底し、その変位が規制されると、バリアダイアフラム５ｂを介するセンサダイアフラムへのそれ以上の差圧ΔＰの伝達が阻止される。この結果、過大圧Ｐoverの印加によるセンサチップ１の破損、すなわちセンサチップ１におけるセンサダイアフラムの破損が未然に防止される。
On the other hand, for example, when an excessive pressure Pover is applied to the
この差圧発信器１００では、金属製のメータボディ２にセンサチップ１を内包させているので、プロセス流体など外部腐食環境からセンサチップ１を保護することができる。しかしながら、センタダイアフラム６やバリアダイアフラム５ａ，５ｂの変位を規制するための凹部１０ａ，１０ｂを備え、これらによってセンサチップ１を過大圧Ｐoverから保護する構造をとっているので、その形状が大型化することが避けられない。
In this
そこで、センサチップに第１のストッパ部材および第２のストッパ部材を設け、この第１のストッパ部材および第２のストッパ部材の凹部をセンサダイアフラムの一方の面および他方の面に対峙させることによって、過大圧が印加された時のセンサダイアフラムの過度な変位を阻止し、これによってセンサダイアフラムの破損・破壊を防止する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 Therefore, by providing the sensor chip with a first stopper member and a second stopper member, the concave portions of the first stopper member and the second stopper member are opposed to one surface and the other surface of the sensor diaphragm, There has been proposed a structure that prevents excessive displacement of the sensor diaphragm when an excessive pressure is applied, thereby preventing damage or destruction of the sensor diaphragm (see, for example, Patent Document 1).
図７に特許文献１に示された構造を採用したセンサチップの概略を示す。同図において、１１−１はセンサダイアフラム、１１−２および１１−３はセンサダイアフラム１１−１を挟んで接合された第１および第２のストッパ部材である。センサダイアフラム１１−１やストッパ部材１１−２，１１−３はシリコンやガラスなどの半導体材料より構成されている。
FIG. 7 shows an outline of a sensor chip adopting the structure shown in
このセンサチップ１１において、ストッパ部材１１−２，１１−３には凹部１１−２ａ，１１−３ａが形成されており、ストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａをセンサダイアフラム１１−１の一方の面に対峙させ、ストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａをセンサダイアフラム１１−１の他方の面に対峙させている。凹部１１−２ａ，１１−３ａは、センサダイアフラム１１−１の変位に沿った曲面（非球面）とされており、その頂部に圧力導入孔１１−２ｂ，１１−３ｂが形成されている。
In this
図８にこのセンサチップ１１をメータボディ１２に組み込んで構成した差圧発信器２００の概略構成を示す。この差圧発信器２００において、メータボディ１２は、金属製の本体部１３とセンサ部１４とからなり、本体部１３の側面に一対の受圧部をなすバリアダイアフラム（受圧ダイアフラム）１５ａ，１５ｂが設けられ、センサ部１４にセンサチップ１１が組み込まれている。
FIG. 8 shows a schematic configuration of a
メータボディ１２において、センサ部１４に組み込まれたセンサチップ１１と本体部１３に設けられたバリアダイアフラム１５ａ，１５ｂとの間は、センサダイアフラム１１−１の一方の面（第１のストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａが対峙している面）とバリアダイアフラム１５ａとの間が連通路１６ａによって連通され、センサダイアフラム１１−１の他方の面（第２のストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａが対峙している面）とバリアダイアフラム１５ｂとの間が連通路１６ｂによって連通され、連通路１６ａ，１６ｂにシリコーンオイル等の圧力伝達媒体１７ａ，１７ｂが封入されている。
In the
なお、本体部１３の側面（下面）には、圧力伝達媒体１７ａを連通路１６ａに封入するための第１の封入孔１８ａと、圧力伝達媒体１７ｂを連通路１６ｂに封入するための第２の封入孔１８ｂとが形成されている。この封入孔１８ａおよび１８ｂは、連通路１６ａおよび１６ｂへの圧力伝達媒体１７ａおよび１７ｂの封入後、ネジ止め、抵抗溶接、プラズマ溶接などの手法で封止されている。この例では、図９に拡大して示すように、封入孔１８ａ，１８ｂに金属球１９ａ，１９ｂを溶接することによって、封入孔１８ａ，１８ｂを封止している。
The side surface (lower surface) of the
この差圧発信器２００では、プロセスからの第１の測定圧Ｐａがバリアダイアフラム１５ａに印加され、プロセスからの第２の測定圧Ｐｂがバリアダイアフラム１５ｂに印加される。これにより、バリアダイアフラム１５ａ，１５ｂが変位し、その加えられた圧力Ｐａ，Ｐｂが連通路１６ａ，１６ｂ中の圧力伝達媒体１７ａ，１７ｂを通して、センサチップ１１のセンサダイアフラム１１−１の一方の面および他方の面にそれぞれ導かれる。この結果、センサチップ１１のセンサダイアフラム１１−１は、その導かれた圧力Ｐａ，Ｐｂの差圧ΔＰに相当する変位を呈することになる。
In the
これに対して、例えば、バリアダイアフラム１５ａに過大圧Ｐoverが加わると、センサチップ１１のセンサダイアフラム１１−１が大きく変位し、その変位面の全体が第２のストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａの曲面（非球面（過大圧保護面））によって受け止められ、センサダイアフラム１１−１のそれ以上の過度な変位が阻止される。バリアダイアフラム１５ｂに過大圧Ｐoverが加わった場合も、バリアダイアフラム１５ａに過大圧Ｐoverが加わった場合と同様にして、センサチップ１１のセンサダイアフラム１１−１の変位面の全体が第１のストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａの曲面（非球面（過大圧保護面））によって受け止められ、センサダイアフラム１１−１のそれ以上の過度な変位が阻止される。この結果、過大圧Ｐoverの印加によるセンサチップ１１の破損、すなわちセンサチップ１１におけるセンサダイアフラム１１−１の破損が未然に防止される。
On the other hand, for example, when an excessive pressure Pover is applied to the
このような構造の差圧発信器２００とすることにより、図５に示した差圧発信器１００で必要としていたセンタダイアフラムや圧力緩衝室を不要として、またバリアダイアフラムの変位を規制するための凹部の作り込みを考慮する必要性をなくして、メータボディ１２の小型化を図ることが可能となる。
By using the
しかしながら、この種の差圧発信器では、耐環境性は厳しくないが、設置場所が狭いような現場やアプリケーションにも使用可能なように、さらなるボディの小型化が要求される。 However, this type of differential pressure transmitter is not strict in environmental resistance, but it is required to further reduce the size of the body so that it can be used in fields and applications where the installation site is small.
そこで、本出願人は、図８に示した差圧発信器２００において、センサ部１４にバリアダイアフラム１５ａ，１５ｂを設けることによって、メータボディ１２の本体部１３をなくすことを考えた。この場合、バリアダイアフラム１５ａ，１５ｂの小型化が必要となる。
Therefore, the present applicant has considered eliminating the
しかし、バリアダイアフラム１５ａ，１５ｂは金属製（例えば、ステンレス）であり、この金属製のバリアダイアフラム１５ａ，１５ｂの径を小さくするには、バネ強度を等しくするために、その厚みを薄くする必要がある。しかし、金属製のバリアダイアフラム１５ａ，１５ｂの厚みを薄くすると、測定流体によっては水素透過を生じる可能性がある。すなわち、金属製のバリアダイアフラムを持つボディでの小型化には必然的に限界がある。
However, the
なお、バリアダイアフラムを水素透過を起こしにくいＳｉＮ，サファイア，Ｓｉ，ＳｉＣ，石英，硼珪酸ガラスなどの半導体材料で構成することも考えられるが、ボディが金属製であるために、熱膨張係数などの差により、割れなどの問題が発生する。 The barrier diaphragm may be made of a semiconductor material such as SiN, sapphire, Si, SiC, quartz, or borosilicate glass, which hardly causes hydrogen permeation. However, since the body is made of metal, the thermal expansion coefficient, etc. Due to the difference, problems such as cracking occur.
本発明は、このような課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、水素透過や割れなどの問題を発生させることなく、受圧ダイアフラム（バリアダイアフラム）の径を小さくし、ボディのさらなる小型化を図ることが可能な差圧発信器を提供することにある。 The present invention was made in order to solve such problems, and the object of the present invention is to reduce the diameter of the pressure-receiving diaphragm (barrier diaphragm) without causing problems such as hydrogen permeation and cracking. An object of the present invention is to provide a differential pressure transmitter capable of further reducing the size of a body.
このような目的を達成するために、本発明に係る差圧発信器は、圧力差に応じた信号を出力するセンサダイアフラムと、このセンサダイアフラムの一方の面にその凹部を対峙させて設けられ当該センサダイアフラムの他方の面に過大圧が印加された時の過度な変位を阻止する第１のストッパ部材と、センサダイアフラムの他方の面にその凹部を対峙させて設けられ当該センサダイアフラムの一方の面に過大圧が印加された時の過度な変位を阻止する第２のストッパ部材とを備えたセンサチップと、センサチップを収容したボディと、ボディの側面に設けられプロセスからの第１の測定圧を受ける第１の受圧ダイアフラムと、ボディの側面に設けられプロセスからの第２の測定圧を受ける第２の受圧ダイアフラムと、ボディの内部に形成された第１の連通路に封入され、第１の受圧ダイアフラムが受けた圧力をセンサダイアフラムの一方の面に伝達する第１の圧力伝達媒体と、ボディの内部に形成された第２の連通路に封入され、第２の受圧ダイアフラムが受けた圧力をセンサダイアフラムの他方の面に伝達する第２の圧力伝達媒体とを備え、センサチップ、第１および第２の受圧ダイアフラム、ボディの全てが半導体材料で構成され、ボディは、第１の連通路に連通する第１の封入孔および第２の連通路に連通する第２の封入孔を側面に有し、第１の封入孔は、ボディの側面に開口する孔の縁面およびこの縁面につながる内壁面にメタルが成膜されており、第２の封入孔は、ボディの側面に開口する孔の縁面およびこの縁面につながる内壁面にメタルが成膜されており、第１の封入孔のボディの側面に開口する孔は、メタルが成膜された面に加熱溶解された第１の溶融金属によって塞がれ、第２の封入孔のボディの側面に開口する孔は、メタルが成膜された面に加熱溶解された第２の溶融金属によって塞がれ、第１の溶融金属によって塞がれた第１の封入孔には、第１の連通路の一部として第１の圧力伝達媒体が封止されており、第２の溶融金属によって塞がれた第２の封入孔には、第２の連通路の一部として第２の圧力伝達媒体が封止されていることを特徴とする。 In order to achieve such an object, a differential pressure transmitter according to the present invention is provided with a sensor diaphragm that outputs a signal corresponding to a pressure difference, and a concave portion of the sensor diaphragm that faces the concave portion. A first stopper member that prevents excessive displacement when an excessive pressure is applied to the other surface of the sensor diaphragm, and one surface of the sensor diaphragm that is provided with the recess facing the other surface of the sensor diaphragm Sensor chip having a second stopper member for preventing excessive displacement when an excessive pressure is applied to the body, a body housing the sensor chip, and a first measurement pressure from the process provided on the side of the body A first pressure receiving diaphragm that receives the pressure, a second pressure receiving diaphragm that is provided on a side surface of the body and receives a second measured pressure from the process, and is formed inside the body. A first pressure transmission medium that is enclosed in one communication path and transmits the pressure received by the first pressure receiving diaphragm to one surface of the sensor diaphragm, and a second communication path that is formed inside the body. And a second pressure transmission medium for transmitting the pressure received by the second pressure receiving diaphragm to the other surface of the sensor diaphragm, and the sensor chip, the first and second pressure receiving diaphragms, and the body are all made of a semiconductor material. The body has a first sealing hole communicating with the first communication path and a second sealing hole communicating with the second communication path on a side surface, and the first sealing hole opens on a side surface of the body. The metal is formed on the edge surface of the hole to be formed and the inner wall surface connected to the edge surface. The second sealing hole has the metal on the edge surface of the hole opened on the side surface of the body and the inner wall surface connected to the edge surface. The film is formed and the first encapsulation The hole opened in the side surface of the body is closed by the first molten metal heated and dissolved on the surface on which the metal film is formed, and the hole opened in the side surface of the body of the second sealing hole is formed by the metal. The first sealed hole closed by the second molten metal melted by heating and melted on the filmed surface and filled with the first molten metal has a first pressure as a part of the first communication path. The transmission medium is sealed, and the second pressure transmission medium is sealed as a part of the second communication path in the second sealing hole closed by the second molten metal. Features.
この発明において、第１および第２の受圧ダイアフラムは、半導体材料で構成されている。半導体材料（例えば、ＳｉＮ，サファイア，Ｓｉ，ＳｉＣ，石英，硼珪酸ガラスなど）は水素透過を起こしにくい。これにより、水素透過の問題を発生させることなく、受圧ダイアフラムの径を小さくして、ボディの小型化を図ることが可能となる。 In the present invention, the first and second pressure receiving diaphragms are made of a semiconductor material. Semiconductor materials (eg, SiN, sapphire, Si, SiC, quartz, borosilicate glass, etc.) are less likely to cause hydrogen permeation. This makes it possible to reduce the diameter of the pressure receiving diaphragm and reduce the size of the body without causing the problem of hydrogen permeation.
また、この発明において、センサチップ、第１および第２の受圧ダイアフラム、ボディの全ては、半導体材料で構成されている。これにより、センサチップ、第１および第２の受圧ダイアフラム、ボディの熱膨張係数を近似させるなどして、割れなどの問題を生じさせないようにすることが可能となる。 In the present invention, the sensor chip, the first and second pressure receiving diaphragms, and the body are all made of a semiconductor material. As a result, it is possible to avoid problems such as cracking by approximating the thermal expansion coefficients of the sensor chip, the first and second pressure receiving diaphragms, and the body.
なお、本発明において、センサチップ、第１および第２の受圧ダイアフラム、ボディは半導体材料で構成されていればよく、第１および第２の受圧ダイアフラムとボディとが異種の材料で構成されていたりしてもよい。例えば、第１および第２の受圧ダイアフラムがサファイアで構成され、ボディがシリコンで構成されていたりしてもよい。
また、本発明において、第１の封入孔は、ボディの側面に開口する孔の縁面およびこの縁面につながる内壁面にメタルが成膜されており、この第１の封入孔のボディの側面に開口する孔は、メタルが成膜された面に加熱溶解された第１の溶融金属によって塞がれている。また、この第１の溶融金属によって塞がれた第１の封入孔には、第１の連通路の一部として第１の圧力伝達媒体が封止されている。
また、本発明において、第２の封入孔は、ボディの側面に開口する孔の縁面およびこの縁面につながる内壁面にメタルが成膜されており、この第２の封入孔のボディの側面に開口する孔は、メタルが成膜された面に加熱溶解された第２の溶融金属によって塞がれている。また、この第２の溶融金属によって塞がれた第２の封入孔には、第２の連通路の一部として第２の圧力伝達媒体が封止されている。
このような封止構造とすることで、機械的負荷や高熱負荷を与えずに、第１および第２の封入孔を封止することが可能となる。
In the present invention, the sensor chip, the first and second pressure receiving diaphragms, and the body may be made of a semiconductor material, and the first and second pressure receiving diaphragms and the body may be made of different materials. May be. For example, the first and second pressure receiving diaphragms may be made of sapphire and the body may be made of silicon.
In the present invention, the first sealing hole is formed by forming a metal film on the edge surface of the hole opened on the side surface of the body and the inner wall surface connected to the edge surface, and the side surface of the body of the first sealing hole. The hole opened in is closed by a first molten metal that is heated and dissolved on the surface on which the metal is formed. A first pressure transmission medium is sealed as a part of the first communication path in the first sealing hole closed by the first molten metal.
In the present invention, the second sealing hole is formed by depositing metal on the edge surface of the hole opened on the side surface of the body and the inner wall surface connected to the edge surface, and the side surface of the body of the second sealing hole. The hole opened in is closed by a second molten metal which is heated and dissolved on the surface on which the metal is formed. A second pressure transmission medium is sealed as a part of the second communication path in the second sealing hole closed by the second molten metal.
By setting it as such a sealing structure, it becomes possible to seal the 1st and 2nd enclosure hole, without giving a mechanical load and a high heat load.
本発明によれば、センサチップ、第１および第２の受圧ダイアフラム、ボディの全てを半導体材料で構成するようにしたので、水素透過の問題を発生させることなく、受圧ダイアフラムの径を小さくすることが可能となり、また、センサチップ、第１および第２の受圧ダイアフラム、ボディの熱膨張係数を近似させるなどして、割れなどの問題を生じさせないようにすることが可能となり、ボディのさらなる小型化を図ることが可能となる。 According to the present invention, since the sensor chip, the first and second pressure receiving diaphragms, and the body are all made of a semiconductor material, the diameter of the pressure receiving diaphragm can be reduced without causing the problem of hydrogen permeation. In addition, the sensor chip, the first and second pressure-receiving diaphragms, and the thermal expansion coefficient of the body can be approximated to prevent problems such as cracks. Can be achieved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る差圧発信器の一実施の形態の概略構成を示す図である。同図において、図８と同一符号は図８を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment of a differential pressure transmitter according to the present invention. In FIG. 8, the same reference numerals as those in FIG. 8 denote the same or equivalent components as those described with reference to FIG.
図１において、２０はセンサチップ１１が組み込まれたメータボディであり、ＳｉＮ，サファイア，Ｓｉ，ＳｉＣ，石英，硼珪酸ガラスなどの半導体材料で構成されている。本実施の形態において、メータボディ（以下、単にボディと呼ぶ）２０は、シリコンによって構成されているものとする。
In FIG. 1,
ボディ２０の大きさは、図８に示した差圧発信器２００におけるセンサ部１４と同程度の大きさとされており、このボディ２０の側面（下面）に一対の受圧部をなすバリアダイアフラム（受圧ダイアフラム）２１ａ，２１ｂを設けている。
The
本実施の形態において、バリアダイアフラム２１ａ，２１ｂは、ボディ２０を加工することによって、ボディ２０に対して一体的に設けられている。すなわち、本実施の形態において、バリアダイアフラム２１ａ，２１ｂはボディ２０の一部として設けられ、ボディ２０と同じシリコンによって構成されている。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態において、センサチップ１１のセンサダイアフラム１１−１、第１のストッパ部材１１−２、第２のストッパ部材１１−３は、何れもシリコンによって構成されているものとする。すなわち、本実施の形態において、センサチップ１１、バリアダイアフラム２１ａ，２１ｂ、ボディ２０は全て半導体材料で構成され、しかもその半導体材料は同じシリコンとされている。
Further, in the present embodiment, the sensor diaphragm 11-1, the first stopper member 11-2, and the second stopper member 11-3 of the
ボディ２０において、センサチップ１１とバリアダイアフラム２１ａ，２１ｂとの間は、センサダイアフラム１１−１の一方の面（第１のストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａが対峙している面）とバリアダイアフラム２１ａとの間が連通路２２ａによって連通され、センサダイアフラム１１−１の他方の面（第２のストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａが対峙している面）とバリアダイアフラム２１ｂとの間が連通路２２ｂによって連通され、連通路２２ａ，２２ｂにシリコーンオイル等の圧力伝達媒体２３ａ，２３ｂが封入されている。
In the
なお、ボディ２０の側面には、圧力伝達媒体２３ａを連通路２２ａに封入するための第１の封入孔２４ａと、圧力伝達媒体２３ｂを連通路２２ｂに封入するための第２の封入孔２４ｂとが形成されている。
Note that a side surface of the
この差圧発信器３００では、プロセスからの第１の測定圧Ｐａがバリアダイアフラム２１ａに印加され、プロセスからの第２の測定圧Ｐｂがバリアダイアフラム２１ｂに印加される。これにより、バリアダイアフラム２１ａ，２１ｂが変位し、その加えられた圧力Ｐａ，Ｐｂが連通路２２ａ，２２ｂ中の圧力伝達媒体２３ａ，２３ｂを通して、センサチップ１１のセンサダイアフラム１１−１の一方の面および他方の面にそれぞれ導かれる。この結果、センサチップ１１のセンサダイアフラム１１−１は、その導かれた圧力Ｐａ，Ｐｂの差圧ΔＰに相当する変位を呈することになる。
In this
これに対して、例えば、バリアダイアフラム２１ａに過大圧Ｐoverが加わると、センサチップ１１のセンサダイアフラム１１−１が大きく変位し、その変位面の全体が第２のストッパ部材１１−３の凹部１１−３ａの曲面（非球面（過大圧保護面））によって受け止められ、センサダイアフラム１１−１のそれ以上の過度な変位が阻止される。バリアダイアフラム２１ｂに過大圧Ｐoverが加わった場合も、バリアダイアフラム２１ａに過大圧Ｐoverが加わった場合と同様にして、センサチップ１１のセンサダイアフラム１１−１の変位面の全体が第１のストッパ部材１１−２の凹部１１−２ａの曲面（非球面（過大圧保護面））によって受け止められ、センサダイアフラム１１−１のそれ以上の過度な変位が阻止される。この結果、過大圧Ｐoverの印加によるセンサチップ１１の破損、すなわちセンサチップ１１におけるセンサダイアフラム１１−１の破損が未然に防止される。
On the other hand, for example, when an excessive pressure Pover is applied to the
この差圧発信器３００では、受圧ダイアフラム２１ａおよび２１ｂがシリコンで構成されているので、水素透過を起こしにくい。これにより、本実施の形態では、水素透過の問題を発生させることなく、受圧ダイアフラム２１ａおよび２１ｂの径を小さくして、ボディ２０の小型化を図ることができている。
In this
また、この差圧発信器３００では、センサチップ１１、受圧ダイアフラム２１ａおよび２１ｂ、ボディ２０の全てがシリコンで構成されている。この場合、センサチップ１１、受圧ダイアフラム２１ａおよび２１ｂ、ボディ２０の熱膨張係数が等しいので、割れなどの問題が生じないものとなる。
In the
また、受圧ダイアフラム２１ａおよび２１ｂとセンサダイアフラム１１−１とが同じシリコンで構成されているので、両者の熱膨張係数が等しくなり、差圧の測定精度に対する熱の影響を小さくすることも可能となる。
Further, since the
この差圧発信器３００では、ボディ２０をシリコンで構成しているので、封入孔２４ａ，２４ｂからの連通路２２ａ，２２ｂへの圧力伝達媒体２３ａ，２３ｂの封入後、封入孔２４ａ，２４ｂをネジ止め・抵抗溶接・プラズマ溶接などで封止するという手法をとることができない。
In the
そこで、本実施の形態では、図２に拡大して示すように、封入孔２４ａの縁面２４ａ１およびこの縁面２４ａ１につながる内壁面（入口付近の側壁部）２４ａ２にＴｉ−Ｐｔ−ＡｕやＮｂ−Ｐｔ−Ａｕなどの密着性の高いメタルを成膜し（図２参照）、連通路２２ａへの圧力伝達媒体２３ａの封入後、そのメタルが成膜された面（メタル成膜面）２４ａ３にボール状の半田（半田プリフォーム）２５ａを置いて加熱溶解させ、かつ入口のメタルの薄膜になじませることによって、封入孔２４ａを封止している。封入孔２４ｂについても封入孔２４ａと同様にして半田プリフォーム２５ｂを用いて封止している。
Therefore, in the present embodiment, as shown in an enlarged view in FIG. 2, the edge surface 24a1 of the sealing
このような封止構造とすることで、機械的負荷や高熱負荷を与えずに、封入孔２４ａ，２４ｂを封止することが可能となる。なお、図３に示すように、封止強度を補強するために、半田プリフォーム２５ａ（２５ｂ）と金属プレート２６ａ（２６ｂ）とを併用する構造としてもよい。また、必ずしも半田プリフォームを用いなくてもよく、他の溶融金属を用いて封止するようにしてもよい。
With such a sealing structure, it is possible to seal the sealing holes 24a and 24b without applying a mechanical load or a high heat load. In addition, as shown in FIG. 3, it is good also as a structure which uses
上述した実施の形態では、ボディ２０の側面としてボディ２０の下面にバリアダイアフラム２１ａ，２１ｂを設けた構造としたが、図４に示すように、ボディ２０の上下面にバリアダイアフラム２１ａ，２１ｂを設けた構造とするなどしてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上述した実施の形態では、バリアダイアフラム２１ａ，２１ｂとボディ２０とを同じシリコンで構成するようにしたが、例えば、バリアダイアフラム２１ａ，２１ｂをサファイアで構成し、ボディ２０をシリコンで構成するなどとしてもよい。シリコンとサファイアでは熱膨張係数が異なるが、同じ半導体材料であるので熱膨張係数は近似しており、熱膨張係数の差は小さく、割れなどの問題が発生する虞はない。
In the above-described embodiment, the
また、上述した実施の形態において、バリアダイアフラム２１ａ，２１ｂに対するボディ２０の凹部２７ａ，２７ｂの底面を過大圧保護面として機能させ、過大圧が加わった時のバリアダイアフラム２１ａ，２１ｂの変位を規制するようにしてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the bottom surfaces of the
また、上述した実施の形態では、センサダイアフラム１１−１を圧力変化に応じて抵抗値が変化する歪抵抗ゲージを形成したタイプとしているが、静電容量式のセンサチップとしてもよい。静電容量式のセンサチップは、所定の空間（容量室）を備えた基板と、その基板の空間上に配置されたダイアフラムと、基板に形成された固定電極と、ダイアフラムに形成された可動電極とを備えている。ダイアフラムが圧力を受けて変形することで、可動電極と固定電極との間隔が変化してその間の静電容量が変化する。 In the above-described embodiment, the sensor diaphragm 11-1 is a type in which a strain resistance gauge whose resistance value changes according to a change in pressure is formed. However, a capacitive sensor chip may be used. A capacitance type sensor chip includes a substrate having a predetermined space (capacitance chamber), a diaphragm disposed in the space of the substrate, a fixed electrode formed on the substrate, and a movable electrode formed on the diaphragm. And. When the diaphragm is deformed by receiving pressure, the distance between the movable electrode and the fixed electrode changes, and the capacitance between them changes.
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
[Extension of the embodiment]
The present invention has been described above with reference to the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the technical idea of the present invention.
１１…センサチップ、１１−１…センサダイアフラム、１１−２，１１−３…ストッパ部材、１１−２ａ，１１−３ａ…凹部、１１−２ｂ，１１−３ｂ…圧力導入孔、２０…メータボディ（ボディ）、２１ａ，２１ｂ…バリアダイアフラム（受圧ダイアフラム）、２２ａ，２２ｂ…連通路、２３ａ，２３ｂ…圧力伝達媒体、２４ａ，２４ｂ…封入孔、２４ａ１，２４ｂ１…縁面、２４ａ２，２４ｂ２…内壁面、２４ａ３，２４ｂ３…メタル成膜面、２５ａ，２５ｂ…ボール状の半田（半田プリフォーム）、２６ａ，２６ｂ…金属プレート、２７ａ，２７ｂ…凹部、３００…差圧発信器。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記センサチップを収容したボディと、
前記ボディの側面に設けられプロセスからの第１の測定圧を受ける第１の受圧ダイアフラムと、
前記ボディの側面に設けられプロセスからの第２の測定圧を受ける第２の受圧ダイアフラムと、
前記ボディの内部に形成された第１の連通路に封入され、前記第１の受圧ダイアフラムが受けた圧力を前記センサダイアフラムの一方の面に伝達する第１の圧力伝達媒体と、
前記ボディの内部に形成された第２の連通路に封入され、前記第２の受圧ダイアフラムが受けた圧力を前記センサダイアフラムの他方の面に伝達する第２の圧力伝達媒体とを備え、
前記センサチップ、前記第１および第２の受圧ダイアフラム、前記ボディの全てが半導体材料で構成され、
前記ボディは、前記第１の連通路に連通する第１の封入孔および前記第２の連通路に連通する第２の封入孔を側面に有し、
前記第１の封入孔は、前記ボディの側面に開口する孔の縁面およびこの縁面につながる内壁面にメタルが成膜されており、
前記第２の封入孔は、前記ボディの側面に開口する孔の縁面およびこの縁面につながる内壁面にメタルが成膜されており、
前記第１の封入孔の前記ボディの側面に開口する孔は、前記メタルが成膜された面に加熱溶解された第１の溶融金属によって塞がれ、
前記第２の封入孔の前記ボディの側面に開口する孔は、前記メタルが成膜された面に加熱溶解された第２の溶融金属によって塞がれ、
前記第１の溶融金属によって塞がれた前記第１の封入孔には、前記第１の連通路の一部として前記第１の圧力伝達媒体が封止されており、
前記第２の溶融金属によって塞がれた前記第２の封入孔には、前記第２の連通路の一部として前記第２の圧力伝達媒体が封止されている
ことを特徴とする差圧発信器。 A sensor diaphragm that outputs a signal corresponding to a pressure difference, and a concave part on one side of the sensor diaphragm that faces the concave part prevents excessive displacement when an excessive pressure is applied to the other side of the sensor diaphragm. And a second stopper for preventing excessive displacement when an excessive pressure is applied to one surface of the sensor diaphragm. A sensor chip comprising a member;
A body containing the sensor chip;
A first pressure receiving diaphragm that is provided on a side surface of the body and receives a first measured pressure from a process;
A second pressure receiving diaphragm provided on a side surface of the body and receiving a second measured pressure from a process;
A first pressure transmission medium enclosed in a first communication path formed inside the body and transmitting the pressure received by the first pressure receiving diaphragm to one surface of the sensor diaphragm;
A second pressure transmission medium enclosed in a second communication path formed inside the body and transmitting the pressure received by the second pressure receiving diaphragm to the other surface of the sensor diaphragm;
The sensor chip, the first and second pressure receiving diaphragms, and the body are all made of a semiconductor material,
The body has a first sealing hole communicating with the first communication path and a second sealing hole communicating with the second communication path on a side surface,
In the first sealing hole, a metal film is formed on an edge surface of the hole opened on the side surface of the body and an inner wall surface connected to the edge surface,
In the second sealing hole, a metal film is formed on an edge surface of the hole opened on the side surface of the body and an inner wall surface connected to the edge surface,
The hole that opens in the side surface of the body of the first sealing hole is closed by the first molten metal that is heated and dissolved on the surface on which the metal is formed,
The hole that opens in the side surface of the body of the second sealing hole is blocked by a second molten metal that is heated and dissolved on the surface on which the metal is formed,
The first pressure transmission medium is sealed as a part of the first communication path in the first sealing hole closed by the first molten metal,
The second pressure transmission medium is sealed as a part of the second communication path in the second sealing hole blocked by the second molten metal. Transmitter.
前記センサチップ、前記第１および第２の受圧ダイアフラム、前記ボディの熱膨張係数が近似している
ことを特徴とする差圧発信器。 In the differential pressure transmitter according to claim 1,
The sensor chip, the first and second pressure receiving diaphragms, and the body have approximate thermal expansion coefficients.
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