JPH03115943A - 圧力または差圧力測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野〕 本発明は圧力／差圧力測定装置、特に、高い静ライン圧
力の存在において低差圧力を正確に計測でき同時に静圧
力を計測できるような装置に関する。

［従来技術］ 米国特許箱４，１３５，４０８号明！ＩｆＩ書は、過圧
を二重にする隔離膜、およびそれと共に移動するための
計測隔膜に設けられたシリコンの圧力抵抗性圧力センサ
を有する差圧カニニットを開示している。

フォクスボロ氏は、差圧力センサ上に別の静圧力変換器
を配置した。

ハニーウェル氏は、弁および圧力抵抗性センサを利用す
る過圧保護を備えたユニットを開発した。

米国特許箱４，７１２，０８２号明細書は、圧力導入部
分の端部に設けられた金属隔膜を含む圧力センサを開示
する。それはその圧力導入部側と反対側の金属隔膜の表
面に固着したガラス層、およびこのガラス層の表面に固
着された半導体歪計として作用する半導体チップを有す
る。シリコンに近い熱膨張率を持つはんだはない。それ
故にイトウ氏等は、金属隔膜とシリコンチップとの間の
中間媒体としてかなり広い範囲から自由に選択され得る
熱膨張率を有するガラスを使用して、熱応力の問題を解
決した。その設計は、本発明で成されるような金属支持
体からシリコンチップを遠ざける可能性を有さない。

［発明の解決すべき課題］ それ故に本発明の目的は、高い静ライン圧力の存在にお
いて低差圧力を正確に計測し、一方向時に静圧力を計測
するための測定装置を提供することである。

本発明の別の目的は、圧力が供給される側に関係なく差
圧力センサを高い差圧力にさらされることから保護する
ことである。

［課題解決のための手段］ 本発明の主要な観点によると、静圧力および差圧力セン
サが設けられた計測板を有する圧力・差圧力測定装置が
提供される。高圧力隔離板は計測板の一方の端に取付け
られ、低圧力隔離板は他方の側に取付けられる。高圧力
隔膜は計測板と反対側の高圧力隔離板の側部に取付けら
れ、そこへ密封固定される。低圧力隔膜は計測板と反対
側の低圧力隔離板の側部に取付けられ、そこへ密封固定
される。第１および第２の流体室は、高圧力隔膜とセン
サ構造の高圧力隔離板側との間、および低圧力隔膜とセ
ンサ構造の低圧力隔離板との間に形成される。コンジッ
トは、第１および第２の流体室の間に形成され、コンジ
ットに設けられた計測隔膜は第１の流体室と第２の流体
室との間を隔離している。高圧力および低圧力を高圧力
および低圧力隔膜の外側にそれぞれ供給するための手段
が提供される。

本発明の第２の観点において、計測板の一側部はそこに
設けられた計測隔膜を有し、第４の隔膜は計測板に取付
けられ第１の流体室からその高圧力側へと走るコンジッ
トを備えている。第４の隔膜は通常着座しており、高圧
力側部の圧力が低圧力側部の圧力よりも高く維持されて
いる限りは移動しない。しかし第４の隔膜は、もし低圧
力隔膜が着座しているときに低圧力側部の圧力が高圧力
側部の圧力を超過するならば、移動することができる。

本発明の別の観点は、圧力センサが、チップと反対側の
チップキャリアの側部に固着された中空ステムを備えた
チップキャリア上に取付けられた圧力抵抗性センサチッ
プを使用することにある。

チップキャリアおよびステムは、センサ感度上の熱膨張
の影響を最小にする材料で作られる。静圧センサチップ
は、チップとチップキャリアとの間の底部が真空である
。差圧力センサにおいて、低圧力がチップの底部に供給
され、−刃高圧力が上部に供給されるように、孔が中空
ステムへ導かれるチップキャリアを通って延在する。

本発明のさらに別の目的、特徴、および利点は、図面を
参照にした明細書の説明によって明白になるであろう。

［実施例］ 本発明は、単一のカプセル内に含まれ、高い静ライン圧
力の存在において低差圧力を正確に計１（１１できその
一方別々に静圧力を計測できる圧力または差圧力測定装
置に関する。本装置は圧力センサが高圧力にさらされる
のを防ぐ。圧力感知素子は圧力抵抗型である。単純な３
つ或いは４つの隔膜カプセル設計は、２つの方向におい
て著しく超過した圧力保護によって使用される。

カプセルは３つの主要な部品から構成される。

第１図を参照すると、低圧力隔離板１０、高圧力隔離板
１２、計測板１４が使用されている。高圧力隔離隔膜１
６は板１２の高圧力側に取付けられる。第２図において
２Ｂで示される低圧力隔膜は、板１０の反対側に取付け
られている。計測隔膜１８は計測板１４の高圧力側に取
付けられる。電気接続は、計測板１４の孔２３から外部
へ導出される導線２２を備えたコネクタステム２０を通
してセンサへ接続される。

第２図を参照すると、線Ａ−Ａに沿って図示された第１
図の構造の断面が示されている。高圧力隔離板１２は、
その隔離板に結合し隔離板１２との間に室２４を形成す
る隔膜１Ｂを備えて示される。同様に低圧力隔離板ｌＯ
は、その隔離板に結合し隔離板ＩＯとの間に室２８を形
成する隔膜２６を有する。計測隔膜１８は、低圧力隔離
室２８から差圧力センサ３４と静圧力センサ３６の底部
へ走る直列のコンジット３２の間に延在するコンジット
３０の高圧力側部に取付けられる。高圧力側の室２４は
、直列なコンジット３８を通って計測隔膜１８の高圧力
側部およびセンサ構造３４．３６の高圧力側部へ通じる
。密閉して定着されたヘッダー４０は、センサチップ４
２．４４から導線を測定装置の外部へ導出するために使
用される。

第３図を参照すると、高圧力または低圧力側部のための
典型的な隔離が例示されている。隔膜１６．２６旦それ
と隔離板１０．１２との間に室２４．２８を限定する。

過圧を二重にする保護は二重である隔膜１Ｂ或いは２６
に対するシート４６によって行われ、そのとき圧力はセ
ンサに対して付加的圧力の供給を停止０ 止し、センサチップ４２．４４の破裂を阻止するのに十
分である。

センサ構造の付加的な構造」二の詳細は、第４図および
第５図に示されている。第４図は、チップキャリア４８
に取付けられたセンサチップ４２を有する差圧力センサ
構造を例示している。この実施例は５２でチップ４８の
底部に固着された中空のガラスステム５０を示す。ステ
ンレススチールステムマウント５４は熱膨張の影響を最
小にするためにガラスステムの十分に下にガラスステム
５０に固着し、計測板１４の低圧力側にその他方の端部
５Ｇを結合しても良い。低圧力がコンジット３２を介し
てセンサチップ４２の底部に対して供給されるように、
ガラスステム５０の中空部分６０およびステンレススチ
ールステムマウント５４の中空部分６２と一直線上にあ
るチップキャリア４８の中心を通る孔５８が示されてい
る。

第５図の静圧力センサは、静圧力チップキャリア６１に
は孔５８がないが、その代わり静圧力がコンジット３８
における圧力であるチップ４４の外部と真１ 空との間で計測されるように室６３が真空である点を除
いては、第４図の差圧力センサと同一である。

センサ構造３４および３６のステムは上記の材料である
ことが好ましい。しかし、セラミック材質はガラスの代
わりに使用することができ、幾つかの例においてチップ
キャリア４８．６１およびステムマウント５４に対して
もまた材料の結合がセンサの感度に対して熱膨張の影響
を十分に最小にする限りは使用できる。

第６図を参照すると、そこに取付けられた計測隔膜１Ｂ
を有する計測板１４の平面図が示されている。

第７図を参照すると、計測板１４内の孔６４を通って下
方に延在するガラスステム５０を備えたチップキャリア
６１上に設けられた歪計障壁４５を有する静圧力センサ
構造の取付けを例示する第６図のＢ−Ｂに沿った部分断
面図が示されている。真空室６３は歪計障壁４５とチッ
プキャリア６０との間に示されている。

第６図の詳細を示した第８図を参照すると、差圧力チッ
プ４２および静圧力チップ４４は接触部６６を　２ 通して密閉コネクタと相互に連結して示されている。

第９図は、端子６６での１ミリアンペア入力および端子
６８および７０を横断する出力を備えたチップ４２およ
び４４上のブリッジセンサ形態を示している。

帰線およびゼロ補償は端子７２．７４間に与えられる。

抵抗素子７５．７６．７８．８０はホイートストーンブ
リッジの腕部を形成する。チップ４２．４４上のこれら
の素子の形態は第１０図を参照することによって最も良
く示される。それにおいて圧力抵抗性素子の形態は隔膜
８２上で下方へ圧力が励起されるときに、素子７５．８
０がそれらの抵抗値を下降する圧縮状態になり、一方素
子７６．７８が抵抗値を上昇する張力状態になる。これ
は、素子７５．８０の長い脚部は一般に隔膜８２の半径
に垂直であるのに対して、素子７Ｂ、７８の長い脚部は
半径方向であるからである。

第１１図は、密閉Ｏリング９２によって計測板１４、高
圧力および低圧力隔離板１２．１０から構成されるカプ
セル９０に密封状態で固着される高圧力および低圧力処
理フランジ８４．８８を示す分解図でその構３ 造を示す。

充填プラグ９４は、第２図に示された構造の低圧力側部
３２および高圧力側部３８がそこを通って流体で満たさ
れる、第１図に示された低圧力側部の充填プラグコンジ
ット９Ｇおよび高圧力側部の充填プラグコンジット９Ｂ
を密閉するのに使用される。

２つの隔離隔膜１６と２６との間の内部空間は計測隔膜
１８によってほぼ半分に分割される。第１１図で示され
た処理フランジ８４および８８を介して各隔離隔膜に供
給された圧力は、充満した流体を通して圧力センサに伝
達される。チャンネルを横断して発達した正味の圧力が
カプセルの低圧力側部と高圧力側部との間に供給される
圧力の差とほぼ等しいように差圧力センサは第２図のチ
ャンネル３２および３３を介して両方の圧力室に対して
さらされる。

静圧力センサは絶対圧力を計測し、下側が真空である高
圧力側部３８のみにさらされる。センサは圧力抵抗型で
あり、圧力による電気抵抗の変化の原理で動作する。各
センサにおいて、薄い隔膜は第１０図に示されたような
選択的食刻方法によって形４ 成される。隔膜上で圧力を誘導された応力は、第９図に
示されたホイートストーンブリッジの形状で隔膜８２上
に配置された４つの圧力抵抗７５．７６．７８．８０に
よって感知される。正確に励起されたブリッジの出力は
、センサを横断して発達した差圧力に比例する。第４図
および第５図に示されたセンサ構造は、設置の影響を最
小にするために記載されたように形成される。それはま
た差圧力センサ構造上の静圧力と温度感度および静圧力
センサ上の同等のものを減少させる。両センサの出力は
、＝１′Ａ１１ｊ板１４に設けられた第２図に示される
密閉して固着されたヘッダー４０を通って伝送される。

計測板１４に同様に設けられた計測隔膜１８は、高圧力
室と低圧力室との間で発達した最大の圧力を制御する。

圧力合計素子としての計測隔膜は、低圧力の方向に移動
することによっておよびその実効的な表面領域とその運
動に比例した容量の変化において、そこを横断する差圧
力に反応する。計測隔膜は、見積もられた圧力範囲内の
圧力の関数として線状の容量の変位を有するように設計
され５ る。計測隔膜１８が移動するときに、高圧力である隔離
隔膜１６の下側から流体が引き出される。流体で支持さ
れなければ、隔離隔膜■６は第３図に示された相応する
二重の板４６内に引き込まれる。１度高圧力側の隔離隔
膜１６が二重の板４６に完全に接触すると、すべての内
部部品は温度が一定のまま存続すると仮定して外部圧力
のさらなる増加から保護する。本装置のこの機能は、差
圧カセンザ３４を保護し、特にセンサチップ４２を定格
の安全に作用する圧力値を超過した高い差圧力にさらさ
れることから保護する。

過度に超過した圧力がカプセルから除去されるとき、計
測隔膜１８および隔離隔膜１６に蓄積されたエネルギは
二重の板４６からの高圧力側隔離隔膜１６から離す作用
を促進する。通常の各圧力範囲において、適切な静圧力
および差圧力センサおよび隔膜の範囲が選択され得る。

残りの部品はどのカプセルでも共通している。２つ或い
は３つの計測隔膜は、製造の際に共通に計ΔＩＩＩされ
た差圧力の範囲のほとんどをカバーするであろう。

６ 前記設計の利点は以下の通りである。

１、同一のパッケージ内で圧力および差圧力を計測する
能力。

２、著しく超過した圧力の保護。すなわち、もし高圧力
が偶然に低圧力側部と結合した際の故障しないで残る可
能性。

３、限定された幾つかの部品は、装置の信頼性を増加さ
せる。

４、コストを低下させる共通の部品が、広範囲に渡り使
用可能になる。

５、センサの特性を保持する。

第２の実施例は第１２図乃至第１４図に示されている。

第１２図は、計測隔膜９８、差圧力および静圧力センサ
４２．４４を有する計測板９６の実施例の平面図を示す
。第１３図は線Ａ−Ａに沿った第１２図の断面図であり
、第４の隔膜１０４から第１２図に示された孔ｉｏａ　
、ｉ、ｏｇを通ってセンサの上方へ延在する２つのコン
ジット１．００．１０２を示す。もし下側の圧力が上側
の圧力より高いが、低圧力隔膜２６が最初に位置される
ので計測板９６に接触しないならば、７ 隔膜１０４は通常その圧力隔離板（図示されない）に対
して接触して配置され空間１０５に自由に移動でき流体
をそこに移動できる。第１４図は、計測隔膜９８の下側
からセンサ４２および４４の低圧力側へ走る２つの付加
的なコンジット　１１０．１１２を示す第１２図のＥ−
Ｅに沿った断面図を示す。第４の隔膜１０４は通常低圧
力隔離板（図示されない）に接して配置され、低圧力隔
膜２６が接触して配置されるようなときまでもし低圧力
側の圧力が高圧力側の圧力を超過するならば移動できる
が、高圧力側の圧力が低圧力側の圧力より高いままであ
る限りは移動できない。センサチップは低圧力側部の過
圧からの損傷をより受は易いので、これはセンサチップ
を過圧から保護するために低圧力側部上の隔膜２６から
油を受は入れる。

本発明の特定の実施例が記載されてきたが、形態および
たとえばセンサマウント用の材料の両者において多くの
変形が可能であるので、本発明は特定の実施例に限定す
るようには意図していないことが当然理解されるであろ
う。それ故に、本発］８ 明の真の意図および技術的範囲内に含まれるような任意
の変形が特許請求の範囲に含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、点線で示される複数の流体コンジットを備え
た高圧力隔膜および計測隔膜を示す、計測板および高圧
力、低圧力隔離板の分解斜視図である。 第２図は、種々の隔膜およびセンサ構造を示す、計測板
および高圧力、低圧力隔離板の断面図である。 第３図は、二重形態を備えた典型的な隔離隔膜の配置を
示す部分断面図である。 第４図は差圧力センサ側面図である。 第５図は静圧力センサの側面図である。 第６図は組立てられた計測板を上から見た平面図である
。 第７図は、第６図の線Ｂ−Ｂにおける静圧力センサ構造
の部分断面図である。 第８図は、静圧力および差圧力構造から外部ケ９ 一プルへの接続を示す第６図のＡの部分の詳細図である
。 第９図は差圧力および静圧力センサチップの概略図であ
る。 第１０図はセンサチップ上のセンサ形態を示す。 第１１図は、高圧力および低圧力処理フランジに関する
センサカプセルの構造を示す分解斜視図である。 第１２図は、２つの計測隔膜を存する本発明の第２の実
施例を示す組立てられた計測板の平面図である。 第１３図は、第１２図のＡ−Ａに沿ったセンサ構造の断
面を示し、低圧力側の計測板から高圧力室へ通ずるコン
ジットを示す断面図である。 第１４図は、高圧力計測板から低圧力室へ通ずるコンジ
ットを示す第１２図の線Ｅ−Ｈに沿った第２の断面図で
ある。 ｌＯ・・・低圧力隔離板、１２・・・高圧力隔離板、１
４　、９　Ｂ・・・計測板、１６・・・高圧力隔離隔膜
、１８．９８・・・計測隔膜、２６・・・低圧力隔離隔
膜、２４．２８・・・室、３Ｑ、’８２．３８゜０ １００．１０２・・・コンジット、３４・・・差圧力セ
ンサ、３６・・・静圧力センサ、４２．４４・・・セン
サチップ、４８．６１・・・チップキャリア、５０・・
・中空ガラスステム、５４・・・ステムマウント、８２
，１０４・・・隔膜、８４．８８・・・フランジ、９０
・・・カプセル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）計測板と、前記計測板に設けられた静圧力センサ
   構造および差圧力センサ構造と、前記計測板の一側部に
   設けられた高圧力隔離板と、前記計測板と反対側の前記
   高圧力隔離板の側部に密封固着された高圧力隔膜と、前
   記高圧力隔膜の内部と前記センサ構造の高圧力隔離板側
   部との間の第１流体室と、前記計測板の他方の側部に設
   けられた低圧力隔離板と、前記計測板と反対側の前記低
   圧力隔離板の側部に密封固着された低圧力隔膜と、前記
   低圧力隔膜の内部と前記センサ構造の前記低圧力隔離板
   側部との間の第２流体室と、前記第１および第２の流体
   室の間のコンジットと、前記第１および第２の室を隔離
   する前記コンジットに設けられた計測隔膜と、前記高圧
   力および低圧力隔膜それぞれの外側に高圧力および低圧
   力を供給する手段とを具備することを特徴とする圧力ま
   たは差圧力測定装置。（２）センサに対する過圧の供給
   を阻止するために圧力の供給の後に、高圧力隔離板に対
   して高圧力隔膜を、また低圧力隔離板に対して低圧力隔
   膜を接触するように配置する手段が設けられている請求
   項１記載の圧力測定装置。 （３）前記計測板の一側部に設けられ、高圧力隔膜が配
   置されるまで計測板に関して移動できる前記計測隔膜を
   有する請求項２記載の測定装置。 （４）計測板に設けられ、第１の流体室からその高圧力
   側へ走るコンジットを有する第４の隔膜を含み、前記第
   ４の隔膜は、通常は高圧力側の圧力が低圧力側の圧力よ
   り高いまま維持される限りは着座されて移動できないが
   、低圧力隔膜が着座されているときにもし低圧力側の圧
   力が高圧力側の圧力を超過するならば移動可能である請
   求項３記載の圧力測定装置。 （５）前記差圧力センサが、前記センサチップの下側の
   室へ通ずる孔を有するチップキャリアに設けられた圧力
   抵抗性センサチップと、ステムの内部中空部分と連絡す
   る前記孔を備えた前記チップと反対側の前記チップキャ
   リアの側部に固着された中空ステムと、前記ステムの他
   方の端部を前記計測板の低圧力側に固着する手段とを含
   み、前記チップキャリアおよび前記ステムが前記センサ
   の感度への熱膨張の影響を最小にする材料で形成されて
   いる請求項１記載の測定装置。 （６）前記チップキャリアおよび前記ステムは非金属製
   である請求項５記載の測定装置。（７）前記の非金属製
   のステムはセラミック製である請求項６記載の測定装置
   。 （８）前記差圧力センサが、前記センサチップの下側の
   室へ通ずる孔を有するガラスチップキャリアに設けられ
   た圧力抵抗性センサチップと、前記ステムの内部中空部
   分と連絡する前記孔を備えた前記チップと反対側の前記
   チップキャリアの側部に固着された中空ガラスステムと
   、熱膨張の影響を最小にするために前記ガラスステムの
   十分に下方でエポキシ樹脂によって前記ガラス側部に設
   けられ、その他方の端部が前記計測板の低圧力側に結合
   されている中空の金属製ステムマウントとを含む請求項
   １記載の測定装置。 （９）前記静圧力センサが、一側部上で排気された室を
   有し、チップキャリア上に設けられた圧力抵抗性センサ
   チップと、前記チップと反対側の前記チップキャリアの
   側部に固着され、その他方の端部が前記計測板の低圧力
   側に結合されているステムとを含み、前記チップキャリ
   アと前記ステムは前記センサ上の熱膨張の影響を最小に
   する材料で形成されている請求項１記載の測定装置。 （１０）前記チップキャリアおよびステムは非金属製で
   ある請求項９記載の測定装置。 （１１）前記の非金属製のステムはセラミック製である
   請求項１０記載の測定装置。 （１２）前記静圧力センサは、一側部上で排気された室
   を有しチップキャリア上に設けられた圧力抵抗性センサ
   チップと、前記チップと反対側の前記チップキャリアの
   側面に固着されたガラスステムと、熱膨張の影響を最小
   にするための前記ガラスステムの十分に下方で前記ガラ
   スステムに接着され、その他方の端部を前記計測板の低
   圧力側に結合された金属製ステムとを含む請求項１記載
   の測定装置。