JPH109979A

JPH109979A - ドライタイプ圧力検出装置

Info

Publication number: JPH109979A
Application number: JP16006896A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Hida; 朋之飛田; Seiichi Ukai; 征一鵜飼
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1996-06-20
Publication date: 1998-01-16
Anticipated expiration: 2016-06-20
Also published as: JP3607420B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成でありながら、高真空域（１×１０
^-5 Torr以下の真空域域）の圧力も測定可能であるドラ
イタイプ圧力検出装置を実現する。【解決手段】固定台2とセンサチップ11とはセンサチッ
プ11の抵抗素子111〜114の配置面と固定台2の一方面と
が対向するように接合され、固定台2とセンサチップ11
との間には、被測定流体圧力を基準圧力と比較するため
の溝22が形成される。ダイアフラム110には第１電極116
が形成され電極116に対向して第２電極117が形成され、
電極117は固定台2の導電体34、導電ピン41に接続され
る。センサチップ11の被測定流体への接触面にはＡｕ等
の薄膜121が形成される。被測定流体はセンサチップ11
の溝部120に接触しその圧力が伝達され、基準圧力との
圧力がダイアフラム110に作用し電気信号に変換され
る。センサチップ11の抵抗素子111〜114の配置面は被測
定流体に接さず、従来必要であった封入液は全く不要と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学プラント等の
液体、気体等の流体を制御するために、それら流体の圧
力を測定し、プラント全体の運転制御のために用いられ
る絶対圧形の圧力検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、化学プラントの圧力や、半導体
装置内の圧力を測定することはプラントや半導体装置を
安全に効率良く運転するために欠かせないものであるこ
とは衆知である。この目的のために、従来から絶対圧形
の圧力検出装置が、一般的に広く使用されてきた。

【０００３】このような圧力検出装置では、特開平４−
５５３２号公報、特開平３−１８５３２５号公報に示さ
れた圧力発振器や圧力センサから理解できるように、圧
力を検知する受圧部と、この受圧部からの検知信号を一
般化したアナログ信号やディジタル信号に変換する信号
変換器とから成る。そして、受圧部は基準室を有し、こ
の基準室内の圧力と測定圧との圧力差を検出する構成と
なっている。

【０００４】図９は、従来例における絶対圧形の圧力検
出装置の一般的な構造を示す概略断面図である。この絶
対圧形の圧力検出装置は、化学プラントの圧力や、半導
体装置内の圧力を測定し、プロセスの圧力監視や制御ま
たは半導体装置の機器の保守やプロセスの品質を維持す
るための監視装置や制御装置として広く用いられてい
る。

【０００５】図９において、受圧部本体２０は、半導体
圧力センサ１１又は靜電容量形の圧力センサ１１を内蔵
している。また、プロセス接続フランジ１０は圧力印加
口１０１を有しており、この圧力印加口１０１から受圧
部本体２０に圧力が伝達されるように、受圧部本体２０
及び検出部本体がプロセスフランジ１０に、その内面に
形成されたネジ部によって組み込まれている。

【０００６】プロセスの圧力は、受圧部本体２０内のダ
イアフラム３で受け、この圧力は、ダイアフラム３と圧
力センサ１１との間に封入された封入液３１を介して圧
力センサ１１に伝達される。

【０００７】圧力センサ１１の、封入液３１に接触する
面側には、ピエゾ抵抗素子１１１〜１１４が配置され
る。また、圧力センサ１１の、封入液３１に接触しない
面側は、溝部１２０が形成され、この溝部１２０は固定
台２とともに空間部を形成している。

【０００８】また、ピエゾ抵抗素子１１１〜１１４は、
ハウジング３に形成された孔内に充填された導電材５２
及び導電ピン４１を介してプリント基板４に接続されて
いる。そして、ピエゾ抵抗素子１１１〜１１４（Ｒｇ1
〜Ｒｇ4）は、図１０に示す等価回路図のように、ホイ
ートストンブリッジ回路を形成する。また、圧力センサ
１１には、温度補償用の抵抗体１１５（ＲＴ）が配置さ
れている。

【０００９】そして、上記ホイートストンブリッジ回路
の出力電圧ＥＰＶ１が温度補償用抵抗体１１５により補
償され、出力電圧ＥＴＶ１とされる。この出力電圧ＥＴ
Ｖ１が、圧力信号として電気信号変換器を介して上位制
御機器に伝送されるようになっている。なお、図９にお
いて、９は、ハウジングであり、２１は、溝部１２０を
封止するため、固定台２に形成された孔に挿入される封
止ピンである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した従
来の絶対圧形の圧力検出装置においては、圧力−電気信
号変換器である圧力センサ１１が、測定するプロセス流
体との直接の接触を回避するために、プロセスの圧力は
ダイアフラム３と封入液３１とを介して伝達されるた
め、構成要素が多く、構成が複雑となっていた。

【００１１】さらに、従来の圧力検出装置により、高真
空域（１×１０^-5 Torr以下の真空域域）の圧力を測定
すると、内部の封入液３１が沸騰してしまうため、測定
が不可能であった。従来の圧力検出装置の一般的な測定
領域は、沸騰温度が最良の封入オイルを使用し、かつそ
の封入時に脱気等の処置を実施しても、温度１００゜Ｃ
で１〜１０Torr域の低真空領域である。このため、高真
空域（１×１０^-5 Torr以下の真空域域）の圧力も測定
可能であり、かつ、構成簡単な圧力検出装置の実現が望
まれていた。

【００１２】本発明の目的は、簡単な構成でありなが
ら、高真空域（１×１０^-5 Torr以下の真空域域）の圧
力も測定可能であるドライタイプ圧力検出装置を実現す
ることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

（１）上記目的を達成するため、本発明は次のように構
成される。すなわち、被測定流体の圧力を検出する圧力
検出素子及び温度を検出する温度検出素子を複合化した
半導体圧力センサ及びこの半導体圧力センサを固定する
固定台を有する受圧部と、この受圧部に接続され、上記
センサからの圧力検出信号及び温度検出信号を処理する
信号処理部とを備えるドライタイプ圧力検出装置におい
て、上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配置される
面の反対面には、保護膜が形成されるとともに、上記被
測定流体が接触して圧力が伝達される凹部が形成され、
上記固定台は、ほぼ中央部に凹部を有し、この凹部が、
上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配置される面に
対向するように、上記半導体圧力センサと接合される。

【００１４】被測定流体の圧力を検出する半導体圧力セ
ンサの圧力検出素子が配置されている面の反対面が直
接、被測定流体に接して圧力が伝達される構成としたの
で、圧力伝達要素であるダイアフラムと封入液を省略で
き、組立性に優れ、検出装置全体が小形化し構成要素も
少なく、機器の信頼性が向上するとともにメンテナンス
が容易に行えるようになる。また、封入液が存在しない
ので、その使用範囲の制限を一掃でき、測定域が拡大
し、機器の省力化を達成できる。

【００１５】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記固定台には、上記半導体圧力センサが接合される面
とは反対側の面と上記固定台の凹部とを貫通する貫通孔
が形成されている。（３）また、好ましくは、上記（１）において、上記固
定台は、炭化珪素系の焼結体からなり、上記半導体圧力
センサとソルダー材によって気密接合されている。

【００１６】（４）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記固定台は、ホウ珪酸ガラスからなり、上記半
導体圧力センサとソルダー材によって気密接合されてい
る。（５）また、好ましくは、上記（２）において、上記貫
通孔内には、導電性の材料とリード線とが充填されてい
る。

【００１７】（６）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配置され
る面は、被測定流体の圧力が所定圧力以上となったとき
に、上記固定台の凹部の低面と接触する。

【００１８】（７）また、被測定流体の圧力を検出する
圧力検出素子及び温度を検出する温度検出素子を複合化
した半導体圧力センサ及びこの半導体圧力センサを固定
する固定台を有する受圧部と、この受圧部に接続され、
上記センサからの圧力検出信号及び温度検出信号を処理
する信号処理部とを備えるドライタイプ圧力検出装置に
おいて、上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配置さ
れる面の反対面には、保護膜が形成されるとともに、上
記反対面の中央部分の周囲には、上記被測定流体が接触
して圧力が伝達される凹部が形成され、上記固定台は、
ほぼ中央部に凹部を有し、この凹部が、上記半導体圧力
センサの圧力検出素子が配置される面に対向するよう
に、上記半導体圧力センサと接合される。

【００１９】（８）好ましくは、上記（１）又は（７）
において、上記保護膜は酸化膜、四フッ化エチレン膜、
白金又は金である。（９）また、好ましくは、上記（１）において、上記固
定台の凹部と、上記半導体センサとにより形成される空
間は、周囲から密閉された真空の基準圧力室を形成す
る。

【００２０】（１０）また、好ましくは、上記（９）に
おいて、上記固定台の上記半導体圧力センサが接合され
る面であって、この半導体圧力センサが接合された領域
以外の領域の表面には保護膜が形成される。

【００２１】（１１）また、好ましくは、上記（９）に
おいて、上記固定台の上記半導体圧力センサが接合され
る面であって、この半導体圧力センサが接合された領域
以外の領域の表面には、少なくとも一つの真空測定用の
センサが配置されている。

【００２２】（１２）また、好ましくは、上記（１１）
において、上記真空測定用のセンサは、被測定流体の熱
伝導による熱の損失が被測定流体の圧力とともに変化す
ることを利用したセンサである。（１３）また、好ましくは、上記（１２）において、上
記真空測定用のセンサは、温度抵抗係数の大きなサーミ
スタである。

【００２３】（１４）また、好ましくは、上記（１１）
において、上記真空測定用のセンサは、被測定流体の生
成イオンの数を検出するセンサであり、検出した生成イ
オンの数に応じて被測定流体の圧力を測定する。

【００２４】（１５）また、好ましくは、上記（１１）
において、上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配置
される面には、第１電極が配置され、上記固定台の凹部
には、上記第１電極と対向する第２電極が配置され、上
記信号処理部は、上記第１電極と第２電極との間の静電
容量値を検出する。

【００２５】（１６）また、好ましくは、上記（１５）
において、上記真空測定用のセンサを動作させるか否か
を選択するスイッチを備え、上記信号処理部は、上記第
１電極と第２電極との間の静電容量値が、所定の値以下
となったときに、上記スイッチにより真空測定用のセン
サを動作させる。

【００２６】（１７）また、好ましくは、上記（１５）
において、上記第１電極と第２電極との間の静電容量値
が零となったときに、上記信号処理部により動作され、
警報を表示する表示手段を備える。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるの絶対圧形の
圧力検出装置を添付図を用いて説明する。図１は、本発
明の第１の実施形態である絶対圧形のドライタイプ圧力
検出装置の概略断面図であり、図２及び図３は、図１に
示した圧力検出装置のセンサ部と固定台の構成を示す図
である。

【００２８】図１〜図３において、この絶対圧形の圧力
検出装置の全体構成は、概略的には、プロセス流体の圧
力を検出するセンサ部組１００Ａ、１００Ｂと、これら
センサ部組１００Ａ、１００Ｂからの信号を処理する信
号処理回路が収容された信号処理部１９０によって構成
されている。

【００２９】複合機能形圧力センサチップ１１は、（１
００）面のｎ形単結晶シリコンであり、このセンサチッ
プ１１の、ほぼ中央に、円形の薄肉部１１０を有し、こ
の薄肉部１１０の一方の面、つまり圧力流体が接触する
側の面に溝部１２０が形成されている。

【００３０】そして、薄肉部１１０の一方の面及び他方
の面（圧力流体が接触する側の面と反対側の面）に、そ
れぞれ第１のプロセス圧力と第２のプロセス圧力を印加
することにより、薄肉部１１０（ダイアフラム）は圧力
に感応する起歪体となり、圧力検出用の感圧ダイアフラ
ムとして動作する。

【００３１】圧力感応ダイアフラム１１０の他方の面に
は（１００）面におけるピエゾ抵抗係数が最大となる＜
１１０＞軸方向に、第１の圧力センサであるＰ形抵抗素
子（ゲージ抵抗素子）１１１〜１１４が、それぞれ結晶
軸に対して平行又は直角方向に熱拡散法あるいはインプ
ラ法により形成される。

【００３２】各抵抗素子１１１〜１１４の配置位置は、
圧力印加時に圧力感応ダイアフラム１１０上に発生する
半径方向、円周方向の歪が最大になる固定部近傍であ
る。また、これらの抵抗素子１１１〜１１４の配置方向
としては、抵抗素子１１１及び抵抗素子１１３を半径方
向とし、抵抗素子１１２及び抵抗素子１１４を接線方向
として、同じ配置方向を向いた抵抗素子のそれぞれの一
端を結線して、それぞれの抵抗素子の他端を検出端子に
接続して図６に示すようなブリッジ回路を構成する。

【００３３】また、センサチップ１１の圧力感応ダイア
フラム１１０以外の厚肉部には、圧力に対し感度のない
方向に、温度に感応する抵抗素子１１５を形成する。こ
の抵抗素子１１５の抵抗値変化を出力端子から取り出す
ことにより、プロセス流体の温度も測定できるようにな
っている。

【００３４】そして、圧力感応ダイアフラム１１０の形
状とその肉厚は感応する圧力に応じて、抵抗素子１１１
〜１１４が配置された面と反対面側から、異方性ウェッ
トエッチング、あるいはドライエッチングによって所望
の形状と肉厚に設定され、溝部１２０が形成される。

【００３５】この溝部１２０に、被測定流体が接触しな
がら、プロセスの被測定流体圧力が印加されると、圧力
感応ダイアフラム１１０上の抵抗素子１１１〜１１４
は、ダイアフラム１１０に発生する歪を受け、ピエゾ抵
抗効果により抵抗が変化するため、その変化を信号とし
て取り出すことができる。

【００３６】複合機能形圧力センサチップ１１は、固定
台２を介してハウジング９に取り付けられる。固定台２
は、複合機能形圧力センサチップ１１との電気絶縁およ
びハウジング９との線膨張係数の相違による熱歪の低減
を考慮して、シリコンと線膨張係数の近似したセラミッ
クス（例えばＳｉＣ）または、パイレックスガラスを使
用することが望ましい。また、固定台２は、炭化珪素系
の焼結体、又はホウ珪酸ガラスでもよい。

【００３７】固定台２とセンサチップ１１とは、接合部
材２９を介して接合される。この接合部材２９には低融
点ガラス等の酸化物ソルダーや、金属ソルダーが用いら
れ、その組立時に融着される。この他、Ａｕ−Ｓｉ合金
層又はＡｕの薄膜をスパッタリング法、あるいは蒸着法
により、固定台２やセンサチップ１１にあらかじめ形成
しておき、その組立時に融着して固定台２とセンサチッ
プ１１とを接合する方法や陽極接合も採用できる。さら
に、有機質あるいは無機質のバインダーを用いて、固定
台２とセンサチップ１１とを接合することも可能であ
る。

【００３８】上記固定台２とセンサチップ１１との間に
接合部材２９をはさみ、センサチップ１１の抵抗素子１
１１〜１１４が形成された面と固定台２の一方の面とが
互いに対向するように配置して、センサチップ１１と固
定台２とを接合する。

【００３９】また、その接合時には、後述するように、
センサチップ１１の接続パッド端子ａ〜ｊと固定台２に
設けた導電体３３及び導電ピン４１とも接合されるの
で、電気的な接続が達成できる。

【００４０】一方、固定台２のセンサチップ１１との接
合面側には、プロセスの被測定流体圧力を基準圧力と比
較するための比較測定室となる溝２２が形成されてい
る。センサチップ１１と台２とは、真空雰囲気にて接合
部材２９を介して接合され、接合完了時には貫通孔３５
は封止されるので、この溝２２により真空の基準圧室を
形成することができる。

【００４１】また、溝２２の形状を、センサチップ１１
との接合面と反対側の面側に貫通孔３５により貫通し、
センサチップ１１と台２との接合完了時には大気開放さ
れるように構成すれば、大気圧の基準室を形成すること
ができる。

【００４２】また、ダイアフラム１１０の固定台２に対
向する側の面には、第１電極１１６が形成され、固定台
２の第１電極１１６に対する面には、第２電極１１７が
形成されている。そして、第２電極１１７は、固定台２
に形成された孔に充填され導電体３４及び導電ピン４１
に接続されている。

【００４３】また、センサチップ１１の、被測定流体に
接触する側の表面には、被測定流体に合わせて、酸化膜
や四フッ化エチレン、又は耐食性の高い金（Ａｕ）や白
金（Ｐｔ）又はテフロン等の薄膜１２１がスパッタ法、
あるいは蒸着法により形成されている。

【００４４】この薄膜１２１は、センサチップ１１と固
定台２との接合後でも容易に形成することができる。こ
れにより、薄膜１２１は、センサチップ１１のみなら
ず、固定台２の表面にも形成することができる。

【００４５】したがって、プロセスの被測定流体圧力
は、センサチップ１１の溝部１２０に伝達され、基準圧
力は、センサチップ１１の抵抗素子１１１〜１１４が配
置された面側に伝達されるているので、その差分の圧力
が、ダイアフラム１１０面上に作用し、この差圧を電気
信号に変換できる。

【００４６】このとき、センサチップ１１の抵抗素子１
１１〜１１４の配置面側は、被測定流体に接することは
ないので、従来から使用していた金属のダイアフラムと
圧力伝達のために封止される封入液は全く不要となる。
なお、９及び９１はハウジング、１０はフランジ、１０
１は圧力印加口である。

【００４７】複合機能形圧力センサチップ１１からの圧
力、温度の各信号は、センサチップ１１の接続パッド端
子ａ〜ｊと、固定台２に設けた微細穴に導電体３３を注
入して固定された導電ピン４１とを介して外部にそれぞ
れ取り出される。一般には、この導電ピン４１は、固定
台２を製作する時点で形成される。

【００４８】ところで、本発明の第１の実施形態におい
ては、複合機能形圧力センサチップ１１の圧力感応ダイ
アフラム１１０の厚みを薄くするにしたがって、その測
定圧力は低い圧力域まで測定することができる。

【００４９】しかし、圧力感応ダイアフラム１１０を必
要以上に薄くすると、圧力−電圧の関係における非直線
性が大となり、補正が困難となる。これは、ダイアフラ
ム１１０を、その厚みの限界値に設定し、ダイアフラム
１１０の径を大きくすることで対策できるが、これでは
低コスト化、コンパクト化を達成できない。

【００５０】このため、本発明の第１の実施形態では、
その測定域をより低い圧力域まで延ばすために、別の圧
力センサを配置させることで解決している。この別のセ
ンサとしては、熱伝導率の変化を測定することによっ
て、その圧力を検出するタイプのセンサと、電離を利用
して圧力を測定するタイプのセンサを、固定台２の上に
設ける構成があるが、この第１の実施形態においては、
熱伝導率の変化を利用したセンサを採用した構成として
いる。

【００５１】熱伝導率の変化を利用したセンサとして
は、圧力変化によって起こる抵抗の温度変化をその抵抗
変化で検出できるようにしている。抵抗素子としては抵
抗温度係数の大きなサーミスタを用いている。

【００５２】サーミスタは金属の酸化物系の半導体であ
り、金属と比較すると約１０〜２０倍も大きな負の抵抗
係数をもっている。

【００５３】図１及び図３に示すように、サーミスタ１
１８は、固定台２のセンサチップ１１と接合する側の面
に、厚膜技術又は蒸着技術によって形成される。このサ
ーミスタ１１８は、素子の放熱表面積をできるだけ大き
くし、かつリード線１１８１の熱の損失を小さくするた
めに、タングステンまたは白金のパッド１１９に接続さ
れる。

【００５４】さらに、これらの要素１１８、１１８１、
１１９で構成される抵抗体ＲＴＨ（図６に示す）は熱の
安定化を図るために、カバー１２０Ａで覆われる。この
カバー１２０Ａは、接合部材２９と同様な接合部材１２
により固定台２に接合される（図３、図４（図３のＡ−
Ａ線に沿った断面図）、図５（図３のＢ−Ｂ線に沿った
断面図）参照）。

【００５５】また、図４及び図５に示すように、パッド
１１９は、固定台２に形成された孔３２に充填された導
電体３３に接触して固定され、導電ピン４１にも接続さ
れる。

【００５６】上記抵抗素子１１１〜１１４（Ｒｇ1〜Ｒ
ｇ4）、１１８（ＲＴＨ）の抵抗変化は、図６に示すよ
うなブリッジ回路でその不平衡電圧（ＥＰＶ１、ＥＰＶ
２）を取り出すことにより検出できる。サーミスタ１１
８と共にブリッジ回路を構成する他の抵抗体１１１１、
１１１２、１１１３（Ｒ0）は信号処理部１９０の基板
４２に配置されている（図１）。

【００５７】サーミスタ１１８の出力と圧力との関係
は、その製造時において、その出力と温度との関係を情
報として予め収集し、メモリ７３９（図７に示す）に収
めておけば、この情報に基づいて容易に補償できるの
で、正確な圧力を検出することができる。

【００５８】上述した構成においては、その測定域は１
０^-5〜１０^-2Torrの圧力を測定することが可能であり、
その測定域は広範囲となっている。また、サーミスタ１
１８、抵抗体１１１１〜の１１１３の寿命を確保するた
めに、これらサーミスタ１１８、抵抗体１１１１〜１１
１３は、必要時のみ動作させる構成としている。

【００５９】すなわち、必要な時に、電圧源Ｅとサーミ
スタ１１８等からなるブリッジ回路との間に配置された
スイッチＳＷ（図６に示す）を閉として、このブリッジ
回路を動作させる構成となっている。これにより、抵抗
体の温度上昇時間を最小化している。

【００６０】このスイッチＳＷは信号処理部に配置さ
れ、センサチップ１１に形成された第１電極１１６と第
２電極１１７との間の静電容量が規定値に達した時に、
マイコン７３０からの指令により動作する。この規定値
はセンサチップ１１の測定圧力感度に対応して、第１電
極１１６と第２電極１１７との間の距離を決定すること
により設定している。

【００６１】ところで、圧力感応ダイアフラム１１０上
の抵抗素子１１１〜１１４はダイアフラム１１０の表面
と溝部１２０の圧力差により発生する歪を受け、ピエゾ
抵抗効果により抵抗が変化するため、その信号を取り出
すことができる。

【００６２】しかし、これらの抵抗素子１１１〜１１４
は、圧力感応ダイアフラム１１０の両面にかかる圧力が
等しいときでさえ、または温度が変化してもそれに感応
して出力が変化する。

【００６３】温度変化時のゼロ点変化は、主に抵抗素子
１１１〜１１４の各抵抗値のバラツキと、抵抗素子１１
１〜１１４の抵抗値が温度の関数となっているためであ
る。したがって、温度センサ１１５の出力信号と圧力セ
ンサ１１１〜１１４の出力信号との関係を明確に関係づ
けることができ、この関係を予め記憶させておけば、補
償も容易である。

【００６４】つまり、圧力センサのゼロ点変化と温度と
の関係を情報として、予め収集しメモリ７３９（図７）
に格納しておけば、この情報に基づいて補償できる。

【００６５】さて、半導体複合圧力センサ１１からの出
力信号は、フレキシブルプリント基板４とコネクタ４１
とを介して、信号処理部１９０の回路基板４２の回路に
伝達される。最終的な信号情報が接続されたケーブル２
００から、例えば４〜２０ｍＡのアナログ定電流信号と
して、または４〜２０ｍＡのアナログ定電流信号に矩形
波のディジタル信号が重畳した信号として、またはディ
ジタルの定電流信号に変換され出力される。

【００６６】次に、信号処理部１９０について詳細に説
明する。センサ部組１００Ａ、１００Ｂからの信号は、
コネクタ４１を介して、基板４２上の信号処理回路に供
給され、信号処理される。さらに、これらの基板４２上
の信号処理回路を駆動するための電源回路は、ＳＵＳ又
はアルミダイキャストで作られた円筒形状の信号処理部
ケース９２内に納められ、配線接続口３００に挿入され
た２線式伝送路を介して上記電源回路と外部電源とが接
続されている。信号処理部ケース９２は、ハウジング９
１に機械的に連結されており、コンパクトで、省材料化
でき、剛性が高くなるように構成することができる。

【００６７】図７は、本発明の第１の実施形態における
ドライタイプ圧力検出装置の信号処理回路の概略構成図
である。図７において、圧力センサ１１１〜１１４、温
度センサ１１５、サーミスタ（真空センサ）１１８から
の出力信号は、マルチプレクサ（ＭＰＸ）７３１によ
り、選択的に取り込まれる。

【００６８】マルチプレクサ７３１に取り込まれたセン
サの信号は、プログマブルゲインアンプ（ＰＧＡ）７３
３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器７３４でディジタル信号に
変換される。そして、Ａ／Ｄ変換器７３４でディジタル
信号に変換された信号は、マイクロプロセッサ（ＭＰ
Ｕ）７３０に供給される。

【００６９】メモリ７３９（ＥＥＰＲＯＭ）には、圧力
センサ１１１〜１１４と温度センサ１１５の各特性デー
タが予め記憶されており、これらの特性データを用いて
マイクロプロセッサ７３０が、圧力センサ１１１〜１１
４及び温度センサ１１５の出力信号を補正演算すること
により、高精度の圧力信号値と、温度信号値とを演算す
る。

【００７０】このマイクロプロセッサ７３０の演算結果
は、Ｄ／Ａ変換器７３７とＶ／Ｉ変換器７３８とを介し
て、通常のアナログ信号に変換され、ＤＣ４〜２０ｍＡ
の直流電流信号として上位の制御装置であるコンピュー
タや信号変換器に送信できる構成となっている。また、
内部の表示器７３６或いは外部の表示器７３７にその情
報を表示する。

【００７１】また、この図７に示す例では、複合機能圧
力センサ１１により求めたプロセス状態に関する情報
を、ＤＣ４〜２０ｍＡの直流電流にディジタル信号とし
て重畳して外部の上位制御装置等に送信することも可能
である。

【００７２】さらに、図示していないが、信号処理回路
から直流電流によるディジタル信号を用いて、プロセス
情報を外部の上位制御装置等に送信することも可能であ
る。

【００７３】また、直流電流信号にディジタル信号を重
畳する通信方法、又はディジタル信号で外部に設けられ
た監視制御装置と通信を行う通信方法では、Ｖ／Ｉ変換
器７３８内に収められたディジタルＩ／Ｏ回路により、
例えばオペレータズコンソール、またはハンドヘルドタ
ーミナルにプロセス状態に関する情報を表示する。

【００７４】そして、これらハンドヘルドターミナル等
から測定レンジなどのパラメータの設定、変更、出力調
整、入出力モニタ、自己診断などの指定を行うように構
成することができる。

【００７５】また、第１電極１１６と第２電極１１７と
が接触したか否かを、マイクロプロセッサ７３０で判断
し、接触した場合には、表示器７３６又は７３７に表示
し、警報するように構成することもできる。

【００７６】つまり、被測定流体の圧力が規定値以上と
なったときには、第１電極１１６と第２電極１１７とが
接触するための距離を予め、実験等により算出し、算出
した距離で第１電極１１６と第２電極１１７とを配置す
る。このように構成すれば、被測定流体が異常圧力を発
生した場合に、それを警報することが可能となる。

【００７７】以上のように、本発明の第１の実施形態に
よれば、半導体圧力センサ１１の表面に耐食性の高いＡ
ｕ、Ｐｔ又はテフロンからなる薄膜１２１を形成し、薄
膜１２１が形成された半導体圧力センサ１１のダイアフ
ラム１１０に、直接、被測定流体を接触させ、この被測
定流体の圧力を印加するように構成したので、従来、必
要であった、封入液や、この封入液を被測定流体から隔
離するためのダイアフラムが不要となる。したがって、
簡単な構成でありながら、高真空域（１×１０^-5 Torr
以下の真空域域）の圧力も測定可能であるドライタイプ
圧力検出装置を実現することができる。

【００７８】また、第１の実施形態において、ダイアフ
ラム１１０上の圧力センサとは、別個に、熱伝導率の変
化を測定することによって、その圧力を検出するタイプ
のセンサ１１８を配置させるているので、より低い圧力
領域まで測定可能となっている。

【００７９】また、第１の実施形態においては、センサ
チップ１１を被測定流体に接触させる構成となっている
ので、上述した熱伝導率の変化を測定するセンサ１１８
に代えて、電離を利用して圧力を測定するタイプのセン
サ、つまり、被測定流体の生成イオンと圧力との関係を
利用するセンサを、固定台２の上に設けることもでき
る。この場合には、センサ１１８と同様に、より低い圧
力領域まで測定可能であるとともに、測定精度をさら
に、向上することが可能である。

【００８０】また、サーミスタ１１８、抵抗体１１１１
〜１１１３は、必要時のみ動作させる構成としている。
すなわち、必要な時に、電圧源Ｅとサーミスタ１１８等
からなるブリッジ回路との間に配置されたスイッチＳＷ
を閉として、このブリッジ回路を動作させる構成となっ
ている。

【００８１】これにより、サーミスタ１１８、抵抗体１
１１１〜の１１１３を長寿命化できるとともに、抵抗体
の温度上昇時間を最小化することができる。

【００８２】また、溝２２は、プロセス流体の圧力が何
らかの要因で仕様以上の圧力になった場合でも、圧力感
応ダイアフラム１１０の過度の変形を阻止する機械的な
ストッパーとして機能する。この溝２２の深さはセンサ
の測定圧力の仕様に応じて決定され、一般にはフルスケ
ールの約１.５〜２倍のダイアフラムの変形量で設定し
てある。このため、万一、ダイアフラム１１０に過大な
圧力が印加されてもダイアフラム１１０は破損すること
がないので、圧力センサの信頼性を向上することができ
る。

【００８３】なお、上述した第１の実施形態において
は、圧力感応素子を有するセンサのダイアフラム１１０
を、ほぼ均一の厚みの形状のものを示したが、本発明で
はこの形状に限定されるものではなく、非直線性を向上
させる種々の形状を採用しても、同様の効果が得られる
とともに、さらに測定精度が向上したドライタイプ圧力
センサを実現できる。

【００８４】図８は、本発明の第２の実施形態である絶
対圧形の圧力検出装置の概略断面図であり、ダイアフラ
ム１１０はその中央部に剛体部１３０が形成された例で
ある。この剛体部１３０は、その厚みが、センサチップ
１１におけるダイアフラム１１０の外周側の部分（支持
部分）と、ほぼ同等の厚みとなっている。他の構成は、
第１の実施形態と同様となっているので、説明は省略す
る。

【００８５】この第２の実施形態においても、第１の実
施形態と同様な効果を得ることができる他、ダイアフラ
ム１１０に配置された抵抗素子からの出力特性の非直線
性を向上させることができ、さらに測定精度が向上した
ドライタイプ圧力センサを実現することができる。

【００８６】なお、上述した第１及び第２の実施形態に
おいては、圧力センサ１１１〜１１４とは別個の圧力セ
ンサとして、熱伝導率形センサ又は電離式センサのどち
らか一方を、配置することとしたが、熱伝導率形センサ
及び電離式センサの２つのセンサを、配置することも可
能であり、さらに測定域を拡大することができるととも
に、精度を向上したドライタイプ圧力センサを実現する
ことができる。

【００８７】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、次のような効果がある。被測定流体の圧力
を検出する半導体圧力センサの圧力検出素子が配置され
ている面の反対面が直接、被測定流体に接して圧力が伝
達される構成としたので、圧力伝達要素であるダイアフ
ラムと封入液を省略でき、組立性に優れ、検出装置全体
が小形化し構成要素も少なく、機器の信頼性が向上する
とともにメンテナンスが容易に行えるようになる。

【００８８】また、封入液が存在しないので、その使用
範囲の制限を一掃でき、測定域が拡大し、機器の省力化
を達成できる。また、検出装置自体を非常にコンパクト
にでき経済的な優位性と共に、さらに、システムのリプ
レイスが容易であり、保守、点検時にも非常に使い易い
構成になっている。

【００８９】さらに、本発明の圧力検出装置によれば、
機器自体の信頼性を向上するができきるので、設備のメ
ンテナンス期間またはプラントの定期点検期間を延長す
ることができる。

【００９０】このように本発明の圧力検出装置は耐環境
性に優れ、さらに、保守、点検時にも非常に使い易くな
っており、さらに、プラントの施行費の低減をも可能と
している。さらに、機器自身は安定で信頼性が高い構成
にすることが可能なので、プラントの運転効率を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態である絶対圧形のドラ
イタイプ圧力検出装置の概略断面図である。

【図２】図１に示したセンサ部の概略構成図である。

【図３】図１の示した固定台の概略構成図である。

【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

【図５】図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

【図６】図１の例におけるセンサの等価回路図である。

【図７】図１の例における信号処理部の概略構成図であ
る。

【図８】本発明の第２の実施形態である絶対圧形のドラ
イタイプ圧力検出装置の概略断面図である。

【図９】従来における圧力センサの一例の概略構成断面
図である。

【図１０】図９の例におけるセンサの等価回路図であ
る。

【符号の説明】２固定台４フレキシブルプリント基板９ハウジング１０プロセスフランジ１１圧力センサ１２、２９接合材２２固定台の溝（基準室）３２、３５微細穴３３、３４導電体材４１導電ピン４２回路基板９１ハウジング９２信号処理部ケース１００Ａ、１００Ｂセンサ部組１０１圧力印加口１１０ダイアフラム１１１〜１１４圧力感応素子１１５温度センサ１１６第１電極１１７第２電極１１８サーミスタ１１９電極１２０センサの凹部１２０Ａカバー１２１保護膜１３０剛体部１９０信号処理部２００ケーブル７３１マルチプレクサ７３３ＰＧＡ７３０ＭＰＵ７３７Ｄ／Ａ変換器７３８Ｖ／Ｉ変換器７３６、７３７表示器７３９メモリ１１１１〜１１１３抵抗体１１８１リード線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定流体の圧力を検出する圧力検出素子
及び温度を検出する温度検出素子を複合化した半導体圧
力センサ及びこの半導体圧力センサを固定する固定台を
有する受圧部と、この受圧部に接続され、上記センサか
らの圧力検出信号及び温度検出信号を処理する信号処理
部とを備えるドライタイプ圧力検出装置において、上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配置される面の
反対面には、保護膜が形成されるとともに、上記被測定
流体が接触して圧力が伝達される凹部が形成され、上記
固定台は、ほぼ中央部に凹部を有し、この凹部が、上記
半導体圧力センサの圧力検出素子が配置される面に対向
するように、上記半導体圧力センサと接合されることを
特徴とするドライタイプ圧力検出装置。
【請求項２】請求項１記載のドライタイプ圧力検出装置
において、上記固定台には、上記半導体圧力センサが接
合される面とは反対側の面と上記固定台の凹部とを貫通
する貫通孔が形成されていることを特徴とするドライタ
イプ圧力検出装置。
【請求項３】請求項１記載のドライタイプ圧力検出装置
において、上記固定台は、炭化珪素系の焼結体からな
り、上記半導体圧力センサとソルダー材によって気密接
合されていることを特徴とするドライタイプ圧力検出装
置。
【請求項４】請求項１記載のドライタイプ圧力検出装置
において、上記固定台は、ホウ珪酸ガラスからなり、上
記半導体圧力センサとソルダー材によって気密接合され
ていることを特徴とするドライタイプ圧力検出装置。
【請求項５】請求項２記載のドライタイプ圧力検出装置
において、上記貫通孔内には、導電性の材料とリード線
とが充填されていることを特徴とするドライタイプ圧力
検出装置。
【請求項６】請求項第１記載のドライタイプ圧力検出装
置において、上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配
置される面は、被測定流体の圧力が所定圧力以上となっ
たときに、上記固定台の凹部の低面と接触することを特
徴とするドライタイプ圧力検出装置。
【請求項７】被測定流体の圧力を検出する圧力検出素子
及び温度を検出する温度検出素子を複合化した半導体圧
力センサ及びこの半導体圧力センサを固定する固定台を
有する受圧部と、この受圧部に接続され、上記センサか
らの圧力検出信号及び温度検出信号を処理する信号処理
部とを備えるドライタイプ圧力検出装置において、上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配置される面の
反対面には、保護膜が形成されるとともに、上記反対面
の中央部分の周囲には、上記被測定流体が接触して圧力
が伝達される凹部が形成され、上記固定台は、ほぼ中央
部に凹部を有し、この凹部が、上記半導体圧力センサの
圧力検出素子が配置される面に対向するように、上記半
導体圧力センサと接合されることを特徴とするドライタ
イプ圧力検出装置。
【請求項８】請求項１又は７記載のドライタイプ圧力検
出装置において、上記保護膜は酸化膜であることを特徴
とするドライタイプ圧力検出装置。
【請求項９】請求項１又は７記載のドライタイプ圧力検
出装置において、上記保護膜は四フッ化エチレン膜であ
ることを特徴とするドライタイプ圧力検出装置。
【請求項１０】請求項１又は７記載のドライタイプ圧力
検出装置において、上記保護膜は白金であることを特徴
とするドライタイプ圧力検出装置。
【請求項１１】請求項１又は７記載のドライタイプ圧力
検出装置において、上記保護膜は金であることを特徴と
するドライタイプ圧力検出装置。
【請求項１２】請求項１記載のドライタイプ圧力検出装
置において、上記固定台の凹部と、上記半導体センサと
により形成される空間は、周囲から密閉された真空の基
準圧力室を形成することを特徴とする絶対圧形のドライ
タイプ圧力検出装置。
【請求項１３】請求項１２記載のドライタイプ圧力検出
装装置において、上記固定台の上記半導体圧力センサが
接合される面であって、この半導体圧力センサが接合さ
れた領域以外の領域の表面には保護膜が形成されること
を特徴とする絶対圧形のドライタイプ圧力検出装置。
【請求項１４】請求項１２記載のドライタイプ圧力検出
装置において、上記固定台の上記半導体圧力センサが接
合される面であって、この半導体圧力センサが接合され
た領域以外の領域の表面には、少なくとも一つの真空測
定用のセンサが配置されていることを特徴とする絶対圧
形のドライタイプ圧力検出装置。
【請求項１５】請求項１４記載のドライタイプ圧力検出
装置において、上記真空測定用のセンサは、被測定流体
の熱伝導による熱の損失が被測定流体の圧力とともに変
化することを利用したセンサであることを特徴とする絶
対圧形のドライタイプ圧力検出装置。
【請求項１６】請求項１５記載のドライタイプ圧力検出
装置において、上記真空測定用のセンサは、温度抵抗係
数の大きなサーミスタであることを特徴とする絶対圧形
のドライタイプ圧力検出装置。
【請求項１７】請求項１４記載のドライタイプ圧力検出
装置において、上記真空測定用のセンサは、被測定流体
の生成イオンの数を検出するセンサであり、検出した生
成イオンの数に応じて被測定流体の圧力を測定すること
を特徴とする絶対圧形のドライタイプ圧力検出装置。
【請求項１８】請求項１４記載のドライタイプ圧力検出
装置において、上記半導体圧力センサの圧力検出素子が
配置される面には、第１電極が配置され、上記固定台の
凹部には、上記第１電極と対向する第２電極が配置さ
れ、上記信号処理部は、上記第１電極と第２電極との間
の静電容量値を検出することを特徴とする絶対圧形のド
ライタイプ圧力検出装置。
【請求項１９】請求項１８記載のドライタイプ圧力検出
器において、上記真空測定用のセンサを動作させるか否
かを選択するスイッチを備え、上記信号処理部は、上記
第１電極と第２電極との間の静電容量値が、所定の値以
下となったときに、上記スイッチにより真空測定用のセ
ンサを動作させることを特徴とする絶対圧形のドライタ
イプ圧力検出装置。
【請求項２０】請求項１８記載のドライタイプ圧力検出
装置において、上記第１電極と第２電極との間の静電容
量値が零となったときに、上記信号処理部により動作さ
れ、警報を表示する表示手段を備えることを特徴とする
絶対圧形のドライタイプ圧力検出装置。