JPH06507491A - 高弾性係数支持材付き圧力センサ - 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】 高弾性係数支持材付き圧力センサ 発明の背景 本発明は、流体圧力用の圧力センサに関する。

従来技術 脆性材料で形成され、バッチプロセスで製造された差圧センサは、例えば、ネヒ ト（Ｋｎｅｃｈｔ）他による米国特許４．８３３，９２０　号（Ｐ　ＣＴ公報ｗ ０８ｇ１００３３５号）　Ｊ：ヨッテ知うしている。代表的には、検出ダイアフ ラムは、金属コンデンサ電極の被膜がその上に施されたガラスの基準板に接合さ れたシリコン層で形成されている。それからダイアフラム層および基準層の組立 体は、高いライン圧がかかフたときに基準板が曲がろうとする傾向を低減する支 持筒の間に固定される。

センサは、コンデンサ電極とダイアフラムとの間の圧力感応容量を検知する電気 回路に接続され、圧力を代表する出力信号を供給する。

検出すべき圧力以外の周囲の条件によっても、ダイアフラムまたは基準板は望ま しくない偏倚を受け得る。この望ましくない偏倚は当該センサの正確な検出範囲 （レンジ）を制限する。ダイアフラム、基準板、または固定装置に使用されてい る材料間の熱膨張係数の不整合によって、ダイアフラムは望ましくない変位を生 じ、またはひび割れの誘因となる応力をセンサに生じさせる。ライン圧による基 準板の膨出は差圧の測定に悪影響を及ぼすことがある。ダイアフラムおよび支持 層間、または支持層および遮断部への管結合部間における接合部および封止部の 強度は、センサに対して安全に適用できる圧力の上限を制限し、または温度、圧 力ないしはこれらの双方の変化による非反復性つまりヒステリシス型の誤差を引 き起こすことがある。

差圧およびライン圧、温度またはこれらの複数に対する動作範囲拡大の要請があ るが、センサに使用されている材料、幾何学的構造配置および接着材料に関する 制約が、その性能に制限を加え続けている。したがって、選択されたライン圧、 差圧および温度範囲全体にわたって要求精度を提供することができるような、幾 何学的に接合された材料を組合わせた圧力センサを提供する必要性がある。

発明の概要 本発明では、ダイアフラム層の半導体接合領域が、金属薄膜によって、高弾性係 数（ｍｏｄｕｌｕｓ）をもった支持ブロックのセラミック接合領域に接合されて おり、前記支持ブロックの熱膨張係数は前記ダイアフラムのそれと整合されてい る。前記構成によって、ダイアフラム層中の圧力検出ダイアフラムは望ましくな い歪みから遮断され、センサの精度が改善される。

ダイアフラム層は層線（外縁）で形状が決定された層面を有している。前記層面 は、ダイアフラム層内に形成された検出ダイアフラムを取囲む半導体接合領域を 露出させている。

結合手段によって流体圧が検出ダイアフラムに結合され、該ダイアフラムが偏倚 （偏向）される。前記偏倚を検知し、かつ圧力を代表する出力信号を与えるため 、前記検出ダイアフラムに検出手段が結合される。前記支持ブロックはブロック 縁で形状が決定された第１および第２の面を有し、前記第１のブロック面はセラ ミック接合領域を露出して半導体接合領域に対向している。互いに対向している 前記半導体接合領域およびセラミック接合領域間に配置された金属薄膜で薄膜層 が形成されている。前記薄膜層によって、半導体接合領域がセラミック接合領域 に接合される。

図面の簡単な説明 図１は本発明に係るセンサを含む圧力送信機の下部ハウジングの断面図である。

図２は支持ブロックの正面図である。

図３は図２の支持ブロックの断面図である。

図４はダイアフラム層の正面図である。

図５は本発明に係るセンサの断面図である。

図６は金属化被膜（メタライズ層）がその上に沈積されたダイアフラム層の一部 分の断面図である。

図７は本発明に係るセンサの一部分の断面図である。

図８は本発明に係るセンサの断面図である。

図９は本発明に係るセンサの一部分の断面図である。

好ましい実施例の詳細な説明 図１に、圧力送信機の下部ハウジング２０を示す。下部ハウジング２０において 、２つの流体アイソレータ（遮断部材）２２．２４が送信機にかかる圧力ＰＩ、 Ｐ２を受けている。

下部ハウジング２０の通路２６．２８によってアイソレータ２２．２４が圧力セ ンサ３０に結合される。流体圧力センサ３０へ圧力を結合するため、非圧縮性流 体、例えばシリコーン油３２でアイソレータ２２，２４および通路２６．２８が 満たされている。流体圧力センサ３０は圧力を感知し、圧力を示す電気的出力信 号をコネクタ３４に供給する。下部ハウジングのねじ３６にねじ込まれる上部ハ ウジングの送信機回路（図示せず）は、センサ３０の電気的出力信号を受信し、 それを遠距離へ伝送できる信号、例えば４〜２０ｍＡの出力信号、またはデジタ ル出力信号に変換する。

図２および図３には、その両側の平坦面４４．４６を取囲む外縁４２を有する支 持ブロック４０を示す。中央通路つまり孔４８は平坦面４４．４６の間に延びて いる。支持ブロック４０はダイアフラム層５０（図４参照）に接合され、該ダイ アフラム層を支持している。支持ブロック４０は、好ましくは、３．８ｍｍ（０ ，１５インチ）から１０．２ｍｍ（０，４０インチ）範囲内の厚さｒＴＪを有し ている。支持ブロックの厚さｒＴＪは、このセンサで検出される圧力の上限に応 じ、接合されるダイアフラム層の約１０〜４０倍に決定される。厚さｒＴＪは、 好ましくはダイアフラム層の厚さの１５倍以上であるのが望ましい。支持ブロッ ク４０は、シリコンの剛性（スティフネス）の２．５倍であって、約４５００万 ポンド／平方インチの弾性係数を有する高い剛性を持つように選択されたセラミ ック材料で形成されている。

支持構造のための好ましい高弾性係数セラミック材料は、コネチカット州、二ニ ー・カナンのワラカー・ケミカルズＵＳＡ社（警ａｃｋｅｒ　Ｃｈｅｎ＋１ｃａ ｌｓ　ＵＳＡ　ＩＮＧ、　、）　、Ｅ　Ｓ　Ｋ　・エンジニアード・セラミック ス（ＥＳＫ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ　Ｃｅｒａｍｌｃｓ）から「ｅｎｄｏｗｅｄ 　５ＲＢＳＮＪまたはｒｓｓＮＪの商品名で供給されている。この高弾性係数セ ラミック材料はバルク気密性を示し、例えばフリット封止および活性金属硬ロー 付けのような封止手段により、他の材料に対してハーメチック・シールを形成し 得る。この高弾性係数セラミック材料は、さらに電気的に絶縁性である。電気的 絶縁性によって、センサの電気的付勢部分、例えばリード線およびコンデンサ電 極を、支持構造と該支持構造が装着される金属部との間に付加的な電気絶縁材料 を設けることなく、支持構造面に対して間近で接触させることを可能にする。ｒ ｅｎｄｏｗｅｄＳＲＢＳＮＪはシリコンのそれと極めて良く整合する熱膨張係数 を有する。このことは、異なる熱膨張係数を持った部材同士の隣接表面間の歪み を低減するための中間層または弾性材料を付加することなく、堅固で実質的に撓 むことがない状態で支持ブロック４０をダイアフラム層５０に対して装着するこ とを可能にする。膨張特性の整合により、広い温度範囲に亘って反復性および非 反復性の温度誤差が低減される。圧力および温度変化によるセンサ出力信号のヒ ステリシスは格段に低減される。選択された前記セラミック材料は単一のブロッ ク材料でありながら、所望の諸特性を効果的に兼ね備えているので、所望の電気 的絶縁性、接合性、温度係数、空気遮断性および剛性特性を得るために異なる材 料を多層に積層する場合の問題が回避される。単一の材料に諸特性が兼ね備えら れることによって、温度変化、ライン圧、差圧および装着装置による望ましくな い応力の影響が制御され、センサの構造が簡素化される。

図４に、ダイアフラム層５０を示す。ダイアフラム層５０は層面５４を取囲む外 縁５２を有する。反対の層面である第２の層面５６（図４には示していない）は 層面５４と同様である。金属化被膜５８は、外縁５２および中央ダイアフラム６ ０間の平坦な層面５６に選択的に沈積されている。ダイアフラム６０は環状溝６ ４に取囲まれた凹状面６２を有する。

ダイアフラム層５０の外縁５２は、支持ブロック４０の外縁４２の寸法と略同− であるが、図４、図２および図３では詳細に示すため異なる尺度で図示されてい る。

図５には、ダイアフラム層５０および２つの支持ブロック４０で形成されたセン サ本体７０を示す。支持ブロック４０の面４６上に被着された金属化被膜によっ て円形のコンデンサ電極４７が形成されている。ダイアフラム層５０および支持 ブロックは図５に示すように互いに接触するように配置され、この組立体は約５ ６０〜７００”Ｃの温度で加熱される。

金属化被膜５８は支持ブロックの面４６の表面粗さに匹敵する厚さを有する。約 ０．５〜２６０ミクロンのアルミニウムの金属化被膜が望ましい。このような高 温下では、金属化被膜５８は支持ブロックの面４６に対する接合剤となる。前記 接合剤は、センサに圧力が加わったときに、センサ本体７゜からのブロックの剥 離に対する抵抗強度を有し、かつダイアフラム６０の周りにおける流体封止を与 える。図５において、各支持ブロック４０の中央の孔４８は金属化被膜７２で被 覆され、各ブロックの面４４．４６間の導電経路つまり密封された貫通接続を提 供している。筒状延長部材７４．７６が、活性金属硬ロー付け７８で支持ブロッ ク４０の平坦面４４に密封性を保って固着されている。活性金属硬ロー付け７８ は圧力下で剥離力に抗して圧力に対する密封性を与え、かつ金属化被膜７２から コネクタ金具８０への電気的貫通接続部を提供している。ドープされたシリコン 半導体材料で形成されたダイアフラム５０は、金属トラック８４を介してコネク タ金具８２に電気的に接続されている。

図５において、金属フィッティング８６．８８がロー付け接合部９０．９２によ って筒状延長部材７４．７６に結合されている。前記金属フィッティング８６． ８８は下部送信機本体２０（図１）内の通路２６．２８に連通し、遮断流体（代 表的にはシリコーン油）をダイアフラム６０に結合させる。筒状延長部材は、コ ンデンサ電極のための貫通接続（例えば金属化被膜７２およびロー付は接合部７ ８）および金属製の送信機本体２０間の電気的絶縁を提供する。前記金属フィッ ティング８６．８８およびセラミックである筒状延長部材７４．７６の各熱膨張 係数は、きわめて整合性に乏しい。

このため、ロー付は接合部９０．９２はロー付は後に部品が収縮して圧縮状態と なる。より小さい直径のセラミック筒７４．７６の周囲に大きい直径の金属延長 部材を接合した前記構成によって、セラミック材料内に過度の引張力を生ずるの が回避される。

図６に、ダイアフラム部分の構造をより詳細に示す。金属化被膜５８か周囲の平 坦面に選択的に沈積される。ダイアフラム６２の表面は凹状であり、任意に付加 される溝６４で取囲まれている。金属化被膜５８およびコンデンサ電極４７の厚 さは、コンデンサ電極４７とダイアフラム５０間に所望の間隙を得るように調整 できる。

図７．　８．　９に、電気的および圧力貫通接続の代替構成の例を示す。図７に おいて、支持ブロック４０Ａの中に環状の壕１００が掘られ、ブロック４０Ａに ロー付けされた金属カップリング８６との間の応力低減（解放）部を構成してい る。

分離された貫通接続孔１０２，１０４が、コンデンサ電極４８およびダイアフラ ム５０の貫通接続のために設けられている。電気的接続を完結するため、金属化 被膜１０６゜１０８が孔１０２，１０４に施されている。金属タブつまりコネク タ金具８０．８２が支持ブロック４０Ａにロー付けされ、孔１０２，１０４を密 封している。

図８には、図７に示したような２つの支持ブロック４０Ａではなくて、ただ１つ の支持ブロック４０Ｂのみを含むセンサ本体１１０を示す。センサ本体１１０は ゲージ圧センサであり、そこには、アイソレータ（図示せず）と連結するための 変形された金属フィッティング８６Ａがロー付けされている。

図９には、関連するコンデンサ電極から離れたところで電気的貫通接続を封止す るため、矩形のセラミックブロック１１５がロー付けされたセンサ本体１１２を 示す。図９においては、アイソレータから圧力検知ダイアフラムへ流体を供給す るため、支持ブロック４０Ｃの孔１１８の内径面上に、管１１４がロー付は接合 部１１６により結合されている。

図７．　８．　９に示した変形例は、図５に示したセンサ本体７０のようなセン サ本体に適用でき、本発明を各種の用途やプロセス装置に適合させることができ る。

本発明は、好ましい実施例によって説明したが、当該技術に精通した技術者は、 形状や詳細に関し、本発明の精神や範囲からはずれることなく変形できることを 認識するであろう。

国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　ローワギー、ベネット　エル。

アメリカ合衆国　５５４４１　ミネソタ州、プリマス、ユニオン　テラス　レイ ン　２１１

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．層縁によって輪郭が定義された層面を有するダイアフラム層であって、前記 層面が、該ダイアフラム層内に形成されている検知ダイアフラムを取囲む半導体 接合領域を露出させているダイアフラム層と、 流体圧を前記検知ダイアフラムに結合させて該検知ダイアフラムを偏倚させる手 段と、 前記検知ダイアフラムに結合され、前記偏倚を検知して圧力を代表する出力信号 を供給する手段と、ブロック縁で輪郭が定義された第１および第２のブロック面 を有する支持ブロックであって、前記第１のブロック面が半導体接合領域に対向 するセラミック接合領域を露出させている支持ブロックと、 対向する半導体接合領域およびセラミック接合領域間に配置された金属化薄膜で 形成され、半導体接合領域をセラミック接合領域に接合する薄膜層とを具備した ことを特徴とする流体圧力センサ。
2. ２．前記支持ブロックが、前記ダイアフラム層の弾性係数よりも実質的に高い弾 性係数を有する脆性材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載のセン サ。
3. ３．偏倚を検知するための手段が、前記支持ブロックの前記第１の面上に配置さ れ、前記ダイアフラムに対して容量結合されている導体を含むことを特徴とする 請求項２記載のセンサ。
4. ４．偏倚検知手段の一部分を形成している電気的貫通接続リードが圧力通路を貫 通していることを特徴とする請求項２記載のセンサ。
5. ５．前記圧力を結合する手段が、遮断流体で充満されたアイソレータをさらに具 備し、前記アイソレータは遮断ダイアフラムと、遮断流体を前記遮断イアフラム から検知ダイアフラムへ結合する金属管とを含むことを特徴とする請求項２記載 のセンサ。
6. ６．前記金属管から圧力通路へ圧力を密封結合するセラミック管をさらに具備し 、該セラミック管は応力遮断機能を有することを特徴とする請求項５記載のセン サ。
7. ７．前記セラミック管は前記金属管を電気的貫通接続から電気的に絶縁すること を特徴とする請求項６記載のセンサ。
8. ８．応力遮断のため、前記第１のセラミックブロックの前記第２の面に環状溝が 掘られていることを特徴とする請求項５記載のセンサ。
9. ９．前記支持ブロックが、前記ダイアフラム層の熱膨張係数と実質的に整合する 熱膨張係数を有するセラミック材料で形成されていることを特徴とする請求項５ 記載のセンサ。
10. １０．前記支持ブロックが、前記ダイアフラム層の厚さの少なくとも１５倍から 多くて４０倍である第１および第２の面の間の厚さを有していることを特徴とす る請求項１記載のセンサ。
11. １１．層縁によって輪郭が定義された層面を有するダイアフラム層であって、前 記層面が、該ダイアフラム層内に形成されている検知ダイアフラムを取囲む半導 体接合領域を露出させているダイアフラム層と、 流体圧力を該検知ダイアフラムに結合させて前記検知ダイアフラムを偏倚させる 手段と、 前記検知ダイアフラムに結合され、前記偏倚を検知して圧力を代表する出力信号 を供給する手段と、半導体接合領域に接合された金属薄膜で形成された薄膜層と 、 ブロック縁で輪郭が定義された第１および第２のブロック面を有する支持ブロッ クであって、前記第１のブロック面が半導体接合領域に接合されるセラミック接 合領域を露出させている支持ブロックとを具備したことを特徴とする流体圧力セ ンサ。
12. １２．前記支持ブロックが、実質的にダイアフラム層の弾性係数より高い弾性係 数を有する電気的絶縁性の焼結材料で形成されていることを特徴とする請求項１ １記載のセンサ。