JPH09503056A - 懸架ダイアフラム圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 圧力センサ（４０）はリムに沿って一体に接合され、両者間に空所（６２Ａ）を形成するように隔離された１対のダイアフラム（５８Ａ、６０Ａ）を有するダイアフラム組立体（５４Ａ）を含む。圧力入力（５０Ａ）が前記ダイアフラムの外側表面に圧力流体を導入する。ダイアフラム組立体（５４Ａ）はタブ（８２Ａ）に沿って取り付けブロックに結合されるが、ダイアフラム（５４Ａ）の残りの部分は前記前記取り付け部から自由にされる。ダイアフラム組立体（５４Ａ）の偏向が感知され、これは印加圧力に関係する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 懸架ダイアフラム圧力センサ 発明の背景 本発明は圧力センサに関する。特に本発明は、応力分離を達成するために懸架 状態とされたダイアフラム圧力センサに関する。 従来技術は、圧力感知のために偏向可能なダイアフラムを備えた種々の固体圧 力センサを開示している。それらの幾つかはバッチ処理で製造されることができ る。固体圧力センサを半導体材料などの比較的脆弱な材料で作り、しかも“堅固 な取り付け”(hard mounted)とすることは望ましいことである。ここで「堅固な 取り付け」とは、支持面上に非弾性的に取り付けられる取り付け表面を有するこ とを意味する。また、被測定流体圧によって感知素子が完全に包囲されること、 およびセンサ全体や支持構造物が同じ材料で構成されることも望ましいことであ る。このような型式の構造はライン圧の変動に起因する誤差を最小にするであろ う。換言すれば、センサは差圧には応答するが、共通圧力の変化には感応しなく なるであろう。動作中に、これらのセンサはしばしば外部要因 による歪みにさらされる。測定ダイアフラムに対する好ましくない応力の原因と なる、支持表面に対する外部歪みの影響を最小にするには多くの困難があった。 このために偽の、または不正確な圧力の読みが与えられる。１９８６年９月１６ 日に発行された「容量式圧力センサ」と題する米国特許第４６１２５９９号には 、シリコンで作られた圧力センサが示されている。１９８９年１月３日に発行さ れた「堅固な取り付けのための歪み分離を備えた圧力トランスジューサ」と題す る米国特許第４８００７５８号には応力分離手段を備えたバッチ製造の圧力セン サが開示されている。 発明の概要 本発明はバッチ製造される懸架式ダイアフラム圧力センサに改善された応力分 離をもたらすと共に、静圧の変動がある場合の正確度を改善する。ダイアフラム 組立体は、リムに沿って互いに接合された１対のダイアフラムを含む。ダイアフ ラムは、それらの間に空所が形成されるように互いに隔離された中心部を有する 。感知手段は少なくとも一方のダイアフラムに保持されてその偏向を感知し、出 力を発生する。ダイアフラム組立体の外側表面に圧力が加わるにつれて、空所の 寸法が変化し、ダイアフラムが偏向する。この偏向は加わっ た圧力を表わす。ダイアフラム組立体はリムに連結されたタブによって取り付け ブロックに固定されるので、空所およびリムの残りの部分は固定的取り付けされ ずに自由にされる。 図面の簡単な説明 図１は本発明による懸架式ダイアフラム圧力センサの一部破断斜視図である。 図２は図１の２−２線に沿った断面図である。 図３は図１の３−３線に沿った断面図である。 図４は本発明にしたがった差圧センサの断面斜視図である。 図５は図４の差圧センサの分解斜視図である。 図６は本発明の他の実施例による懸架式ダイアフラム圧力センサの断面図であ る。 図７は本発明の他の実施例による懸架式ダイアフラム圧力センサの断面図であ る。 図８は本発明の他の実施例による懸架式ダイアフラム圧力センサの断面図であ る。 図９は本発明の他の実施例による懸架式ダイアフラム圧力センサの断面図であ る。 図１０は本発明の他の実施例による懸架式ダイアフラム圧力センサの断面図で ある。 図１１は本発明にしたがったダイアフラム対よりなる電気的容量装置の断面図 である。 図１２はガード容量回路の概略図である。 好ましい実施例の詳細な説明 本発明の圧力センサ層はバッチ製造技術で作られる。シリコンウエーファすな わちシリコン層が通常の方法でエッチングされて所望の形状に整形され、さらに 適当な材質の他の層とサンドイッチ状に組合わされてセンサが構成される。ウエ ーファまたは層の整形の後、それらは個々のセンサに切断される。このようなバ ッチ製造技術は一般的に好ましいものである。既知の処理技術は、ガラス、絶縁 材、金属、シリコンのような半導体、およびその他の適当な半導体またはサファ イアなどを陽極接合や溶融（fusion）接合によって、あるいはガラスフリットを 含む材料で一体に接合する工程を含む。適当なエポキシ、その他の接合材もまた 使用することができる。素材層の一体的接合に際しては、特定の接合方法である 必要はなく、上述のような既知の方法を含むことができる。 さらに、シリコンウエーファ内に、より薄いダイアフラム部を形成し、その周 縁に一体的なリムを具備させるためには既知のエッチング技術が必要である。こ のようなウエーファ に、開口部およびこれを取り巻く肩部をエッチングまたは他の技術で形成するこ とは、既知の技術範囲内にある。 図１は本発明による懸架式ダイアフラム圧力センサ１０の一部破断斜視図であ る。懸架式ダイアフラム圧力センサ１０は下部基板１２および上部基板１４を有 する。下部ダイアフラム基板１６は下部基板１２に接合され、上部ダイアフラム 基板１８は上部基板１４に接合される。下部ダイアフラム基板１６と上部ダイア フラム基板１８とは相互に一体に接合される。下部ダイアフラム基板１６は溝２ ０および電気接点２２、２４を有する。圧力導入口２６は上部基板１４を貫通し て伸びている。上部ダイアフラム基板１８は支持タブ３０によって支持された上 部ダイアフラム２８を含む。 図２は図１の２−２線に沿う懸架ダイアフラム式圧力センサ１０の断面図であ る。図３は図１の３−３線に沿う懸架ダイアフラム式圧力センサ１０の断面図で ある。図２および３は、上部ダイアフラム２８に結合された下部ダイアフラム３ ２を示す。上部ダイアフラム２８および下部ダイアフラム３２はダイアフラム空 所３４を有するダイアフラム組立体を構成し、通常このダイアフラム空所３４は 溝２０を介して供給される基準圧力に保持される。上部ダイアフラム２８と下 部ダイアフラム３２はそれらのリムに沿って互いに接合されている。上部ダイア フラム２８と下部ダイアフラム３２とは、圧力導入口２６に連通している圧力導 入空所３６内に懸架されている。 動作時には、懸架式ダイアフラム圧力センサはダイアフラム空所３４と圧力導 入空所３６との間の圧力差を感知するのに使用される。ダイアフラム空所３４は 圧力導入口２６を介して供給される圧力に応答し、圧力導入空所３６内で膨脹し たり、収縮したりする。この結果、上部ダイアフラム２８と下部ダイアフラム３ ２とがダイアフラム空所３４の内側に向かって湾曲するか、あるいは、ダイアフ ラム空所３４から外向きに偏向する。流体は、支持タブ３０を通して延びる溝２ ０を介してダイアフラム空所３４に流れ込むか、あるいはダイアフラム空所３４ から流出する。ダイアフラム２８および３２の偏向（したがって、印加された圧 力）は電気接点２２および２４を介して検知される。これらの接点はダイアフラ ム２８および３２に形成されたセンサに接続されている。 ある実施例においては、これらのセンサはコンデンサ電極すなわちメタライズ 層である。上部ダイアフラム２８はコンデンサ電極を有し、下部ダイアフラム３ ２もコンデンサ電極 を有する。圧力導入口２６を介して供給される印加圧力にしたがってこれら２つ の電極が変位すると、両者間の容量が変化する。他の実施例においては、前記電 気接点２２および２４は、ダイアフラム上に設けら、上部ダイアフラム２８と下 部ダイアフラム３２との変形につれてその抵抗値が変化する歪み計に接続される 。 図１〜３に示すように、圧力を検知するダイアフラム組立体（上部ダイアフラ ム２８、下部ダイアフラム３２および空所３４）は、支持構造体である下部基板 １２、下部ダイアフラム基板１６からは応力の点で事実上隔絶されている。その 理由は、ダイアフラム２８、３２で構成されるダイアフラム組立体が支持タブ３ ０のみを介して周囲の支持構造物に連結されているからである。これにより基板 １２、１４に加わる応力に起因する上部ダイアフラム２８、下部ダイアフラム３ ２のあらゆる変形が低減される。これが圧力測定の精度を改善し、所望の精度で の圧力測定に必要なダイアフラム空所３４の寸法を減少させる。 懸架ダイアフラム式圧力センサ１０の測定範囲を超えるような過大圧がもしも 加わったとしても、上部ダイアフラム２８と下部ダイアフラム３２が互いに押し 合うだけで、セン サ１０が破損することはないという点で、本発明はもう一つの利点を有する。過 大圧が加わった状態では、ダイアフラムの中心部の材料は引っ張り状態ではなく て圧縮状態になる。シリコンのような脆弱材料は圧縮状態では大きな強度を有す るが、引っ張り状態では弱い。これに加えて本発明は、動作のためには非常に少 量の充填油しか必要としないので測定精度も改善される。 好ましい実施例においては、懸架ダイアフラム式圧力センサ１０は単結晶シリ コンやサファイヤ材のような脆弱材料で、バッチ処理工程で製造される。これら の材料は非常に僅かなヒステリシス特性と良好な寸法上の安定性を備えているの で、精密性の改善に役立つ。さらにシリコン、セラミック、ガラスなどの物質は 、既知の製造技術を用いて容易にバッチ製造できる。 図４は本発明にしたがって製造された懸架ダイアフラム式圧力センサ４０の断 面斜視図である。圧力センサ４０は、図１に示した圧力センサ１０と同様の、ダ イアフラム組立体の間に延在する溝２０（図１）のような溝（図４では、図示を 省略している）を有する１対の圧力センサを一体的に配置して形成される。 差圧センサ４０は下部基板４２、上部基板４４、下部ダイアフラム基板４６、 上部ダイアフラム基板４８を含む。差圧は圧力導入口５０Ａ、５０Ｂを介して供 給される。圧力導入口５０Ａ、５０Ｂはそれぞれダイアフラム組立体５４Ａ、５ ４Ｂはに連通される。ダイアフラム組立体５４Ａはダイアフラム空所６２Ａを構 成する上部ダイアフラム５８Ａおよび下部ダイアフラム６０Ａを含む。ダイアフ ラム空所６２Ａは、圧力導入口５０Ａに連通される圧力導入空所６４Ａ内に保持 される。ダイアフラム組立体５４Ｂの構造はダイアフラム組立体５４Ａのそれと 類似している。 懸架ダイアフラム式差圧センサ４０では、ダイアフラム空所６２Ａは図４では 図示されていないが、図１に示した溝２０と類似である溝を通してダイアフラム 空所６２Ｂに連通される。ダイアフラム空所６２Ａおよび６２Ｂを連通する溝は ダイアフラム組立体５４Ａ、および５４Ｂを圧力導入空所６４Ａ、６４Ｂ内にそ れぞれ支持するタブを介して延在している。ダイアフラム空所６２Ａ、６２Ｂは 、ある封入量の比較的非圧縮性の流体で充満されているから、１つの空所が供給 圧力によって膨脹されると他方の空所は収縮する。 図５は差圧センサ４０の分解図であり、圧力導入口５０Ａ、 ５０Ｂに連通された圧力管６６Ａ、６６Ｂを示す。図４には示されなかったが、 上部基板はアクセス孔６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃおよび６８Ｄを含む。アクセス孔 ６８Ａ、６８Ｂおよび６８Ｄはダイアフラム組立体を電気的に接続するのに用い られ、アクセス孔６８Ｃはダイアフラム空所６２Ａおよびダイアフラム空所６２ Ｂへの油充填に使用される。 下部ダイアフラム基板４６は下部ダイアフラム６０Ａ、６０Ｂに支持され、導 体リード７２Ａ、７２Ｂにそれぞれ接続されたコンデンサ電極板７０Ａ、７０Ｂ を含む。上部ダイアフラム基板４８は電気接点７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃを含む。 電気接点７６Ａは接点７２Ａに接続され、接点７６Ｃは接点７２Ｂに接続される 。接点７６Ｂは、点線で示した基板４８上の導電性溝（トレンチ）７４に接続さ れる。導電性溝７４は上部ダイアフラム５８Ａ、５８Ｂの下側に保持されたコン デンサ電極板７１Ａ、７１Ｂに電気的に接続され、図５では点線で示されている 。加えて、溝７４はダイアフラム空所６２Ａ、６２Ｂと油充填口７８との間の流 体連通路となる。基板４６、４８もまたレーザカット経路８０を含み、これが上 部ダイアフラム５８Ａ、５８Ｂおよび下部ダイアフラム６０Ａ、６０Ｂを規定す る。 製造の途中において、標準的なバッチ製造のエッチングおよびマスク技術を用 いて基板４２、４４、４６および４８が作られる。コンデンサ電極板７０Ａ、７ ０Ｂ、７１Ａ、７１Ｂが、ダイアフラム６０Ａ、６０Ｂ、５８Ａ、５８Ｂの上に それぞれ沈積される。ダイアフラム５８Ａ、５８Ｂ、６０Ａ、６０Ｂは、ダイア フラムの背面（空所６４Ａ、６４Ｂに露出した面）を、より撓み易いダイアフラ ム膜が形成されるようにエッチング除去して作られる。基板４６、４８が、流体 密な接合が形成されるように一体に接合される。この接合によって同時に、ダイ アフラム５８Ａのリムがダイアフラム６０Ａのリムに、またダイアフラム５８Ｂ のリムがダイアフラム６０Ｂのリムにそれぞれ接合される。前記「リム」は、コ ンデンサ電極板７０Ａ、７０Ｂ、７１Ａ、７１Ｂの縁を越えて突出しているダイ アフラムの領域である。接合工程の後に、ダイアフラム組立体５４Ａ、５４Ｂが 支持タブ８２Ａ、８２Ｂによって基板４６、４８に結合されるように、支持タブ ８２Ａ、８２Ｂの回りを除いて、レーザカット経路８０に沿って経路をレーザで 切削することにより、ダイアフラム組立体５４Ａ、５４Ｂが基板４６、４８から 切り離される。基板４６、４８の一体化接合に続いて、基板４２、４４が基板 ４６、４８にそれぞれ接合される。接合は、ダイアフラム５８Ａ、５８Ｂ、６０ Ａ、６０Ｂを規定する凹部領域６２Ａ、６２Ｂを除くすべての部分で行なわれる 。これらの凹部は、過負荷状態で応力を最小にするように、できるだけ小さく作 られる。凹部領域６２Ａ、６２Ｂは、典型的には約０．１ミルの厚みである。 基板４２〜４８が一体に接合された後、ダイアフラム組立体５４Ａ、５４Ｂに 油を充填するのが望ましい。油の充填は、油充填口７８、溝７４、およびダイア フラム空所６２Ａ、６２Ｂに連通するアクセス孔６８Ｃを通じて行なわれる。圧 力油が入り口７８から注入され、空所６２Ａ、６２Ｂに充填される。その後、入 り口７８は油が漏出しないように封止される。ある実施例では、入り口７８は開 口６８Ｃに挿入された金栓で封止される。 １つの実施例では、基板４２、４４は約５０ミル(mil)、基板４６、４８は約 １０ミルである。完成したセンサの寸法は幅が３５０ミル、長さが７００ミル、 厚さが１１５ミルである。 図６、７、８、９、１０は本発明による他の多くのダイアフラム構造の断面図 である。図６は隔離層８８、９０を含む 懸架式ダイアフラム圧力センサ８６である。隔離層８８、９０はダイアフラム組 立体から外側基板層を分離するのに用いられる。図７は、ダイアフラム組立体の ための空所を提供するのに外側基板がエッチングされていない懸架式ダイアフラ ム圧力センサ９２である。図７の構成は好ましい実施例の１つである。図８は、 基板層へのエッチング沈下(depression)のためというよりは、隔離のために隔離 層９６、９８、１００が使用されている懸架式ダイアフラム圧力センサ９４であ る。図９は、上部および下部ダイアフラム層がダイアフラム空所を形成するため にエッチングされておらず、油が充填されてダイアフラムが分離されている懸架 式ダイアフラム圧力センサ１０２である。加えて、上部および下部基板がエッチ ングされている。図１０は、ダイアフラム空所に油が不足気味に充填されている 懸架式ダイアフラム圧力センサ１０４である。これにより、圧力センサは異なる 圧力範囲に亘って作動することができる。 本発明の懸架式ダイアフラムの偏向は、差圧であれ、絶対圧であれ、印加され る圧力に関係する。この偏向または変形を検知することによって圧力を決定する ことができる。この検知はどのような適当な手法でも測定できる。好ましい実施 例では、ダイアフラムの変形は、各ダイアフラムの上に１つずつ保持された２つ のコンデンサ電極間の容量の変化を測定することによって検知できる。 図１１は、それぞれ上部コンデンサ電極１１４および下部コンデンサ電極１１ ６を有する上部および下部ダイアフラム１１０、１１２を含む懸架式ダイアフラ ム１０８の断面図である。電極１１４、１１６が絶縁層１１８、１２０をそれぞ れ介してダイアフラム１１０、１１２上に形成されている。ダイアフラム１１０ と１１２との間の領域が空所１２２に形成され、なるべくはそこに油が充填され る。 図１１には、電極１１４と１１６との間の容量である静電容量ＣＡを示す。容 量ＣＡの値は懸架式ダイアフラム１０８に加わる圧力に関係する。故に、この容 量を測ることによって圧力が決定できる。しかし、浮遊容量ＣＳ１、ＣＳ２がこ の測定の妨害になる。この容量は電極１１４とダイアフラム１１０との間、なら びに電極１１６とダイアフラム１１２との間の各容量に依存する。この容量は、 絶縁層１１８、１２０が電極１１４、１１６をそれぞれダイアフラム１１０、１ １２から分離することによって発生する。それ故に、容量ＣＳの測定から浮遊容 量を除去することが望ましい。 図１２は、容量ＣＳ１、ＣＳ２による容量ＣＡの測定に対する妨害を除去する ための回路１２４を示す。回路１２４はコンデンサＣＡの被駆動側に接続された 方形波ドライバ１３０を含む。コンデンサＣＳ１の１極（すなわち、基板１１０ ）が、ＣＳ２の１極（すなわち、基板１１２）と同じように電気的接地に接続さ れる。コンデンサＣＡの感知側は演算増幅器１３２の負入力に接続される。演算 増幅器１３２は積分コンデンサ１３４を介して負帰還接続される。演算増幅器１ ３２の非反転入力は仮想接地を提供する。演算増幅器１３２の出力は容量測定回 路に与えられ、圧力の演算に用いられる。 回路１２４は基板１１０、１１２を感知電極１１６と「同電位」に保持する。 なぜならば、感知電極１１６が負帰還付き演算増幅器１３２によって仮想接地（ 電位）に保持されるからである。これにより、容量ＣＳ２が、電極１１６に接続 された回路によっては測定されなくなるので、浮遊容量に起因して圧力測定に含 まれる誤差が減少される。 本発明はバッチ製造に良く適合し、また応力分離に面でも改良された懸架式ダ イアフラム圧力センサを提供する。ダイアフラム空所を充填する油も少量で済み 、これが正確度を改 善する。さらに前記構造は、たとえ大きな圧力が加わったとしてもダイアフラム は相互に凭れ合うだけと言う点で、過大圧に対する自己保護性を有する。本発明 は平坦な素材からバッチ製造できる３次元構造体を提供する。 本発明は好ましい実施例を参照して説明されたが、当該技術分野の熟達者には 、発明の精神や範囲から逸脱することなしに、形式および詳細において変更が可 能であることを理解するであろう。例えば、ダイアフラム組立体を支持するタブ は近接隔離配列された多数のタブに分割できる。さらにダイアフラム組立体はサ ファイアから作られることができる。サファイアは導電度が低いので、半導体に 比べて浮遊容量も減少する。加えて、単一のダイアフラムのみが固定基板に対し て相対的に変位することによって圧力測定ができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．リムに沿って基板に接合されたダイアフラムを有し、前記ダイアフラムお よび基板が互いに隔離されて両者間に第１の空所が形成された第１のダイアフラ ム組立体と、 ダイアフラムの外部表面に圧力流体を供給する入り口手段と、 ダイアフラム上に配置されてその偏向を感知し、流体圧を代表する出力を発生 する感知手段と、 リムに連結され、ダイアフラムおよび基板の中心部ならびに残りのリムをより 強固な取り付けから自由にしておくタブを含む取り付けブロックとを具備した圧 力センサ。 ２．センサ出力に接続されたリード線をタブが含む請求項１記載の圧力センサ 。 ３．ダイアフラム組立体はシリコンを主体とする材料から作られた請求項１記 載の圧力センサ。 ４．感知手段は、ダイアフラムに結合された第１の電極と、基板に結合された 第２の電極とよりなる請求項１記載の圧力センサ。 ５．ダイアフラムと基板とが、リムに沿った隔離層によって相互に接合された 請求項１記載の圧力センサ。 ６．前記第１の空所と流体的に連通した第２の空所を有する第２のダイアフラ ム組立体を含み、前記第１の空所の寸法が差圧に応答する前記第２の空所の寸法 とは逆に変化する請求項１記載の圧力センサ。 ７．リムに沿って接合され、互いに隔離されて両者間に第１の空所を形成する ダイアフラムおよび基板を有する第１のダイアフラム組立体と、 リムに沿って接合され、両者間に第２の空所を形成するように隔離されたダイ アフラムおよび基板を有する第２のダイアフラム組立体と、 第１ダイアフラム組立体の外側表面に流体を適用する第１の入り口手段と、 第２ダイアフラム組立体の外側表面に流体を適用する第２の入り口手段と、 第１のダイアフラム組立体のリムに結合された第１のタブ、および第２のダイ アフラム組立体のリムに結合された第２のタブを含む支持構造物と、 第１のダイアフラム組立体に結合されてダイアフラムの偏向を感知し、流体圧 を表わす出力を発生する感知手段とを具備し、 前記第１および第２のタブは相互に結合されて前記第１および第２の空所と流 体的に連通し、これによって第１空所の容積の変化が第２空所の容積変化とは逆 になるような差圧センサ。 ８．タブがセンサ出力に接続されるリードを含む請求項７記載の差圧センサ。 ９．第１および第２のダイアフラム組立体がシリコンを主体とする材料で作ら れた請求項７記載の差圧センサ。 １０．感知手段が、ダイアフラムに結合された第１の電極と基板に結合された 第２の電極とよりなる請求項７記載の差圧センサ。 １１．第１および第２のダイアフラム組立体のダイアフラムと基板とが、隔離 層によって相互に接合された請求項７記載の差力センサ。 １２．３次元構造物を構成するように相互に接合された複数の実質上平坦な基 板と、 前記複数の基板から構成されて圧力に応答する圧力センサと、 被測定圧を受ける複数の基板からなり、圧力センサを取り巻いている包囲部材 とを具備し、 前記圧力センサがタブによって前記包囲部材に結合されている圧力測定装置。 １３．圧力センサがリムに沿って基板に接合されたダイアフラムを有するダイ アフラム組立体よりなり、前記ダイアフラムおよび基板が互いに隔離されて両者 間に空所が形成された請求項１２記載の装置。 １４．ダイアフラム組立体は支持タブ部を除いて包囲部材から自由であり、こ れによって応力分離が行なわれる請求項１３記載の装置。 １５．脆弱で耐腐食性の材料で作られ、プロセス流体の圧力に応答するセンサ 本体と、 支持部材と、 センサ本体に支持され、センサ本体の変形に応答するセンサ素子と、 前記支持部材およびセンサ本体の間に延在し、センサ本体と同じ材料で作られ た細長い応力分離部材とを具備し、 前記分離部材はセンサ素子に接続された電気導体を支持するコンジット(condu it)を含むプロセス流体の圧力測定装置。 １６．前記支持部材がセンサ本体と同じ材料で作られた請求項１５記載の装置 。 １７．センサ素子は可変コンデンサである請求項１５記載の装置。 １８．支持構造物、センサ本体、および応力分離部材は、３次元構造を形成す るように、事実上平坦な基板を相互に接合して構成された請求項１５記載の装置 。 １９．センサ本体は、リムに沿って互いに接合され、両者間に空所を形成する 第１および第２のダイアフラムよりなる請求項１５記載の装置。