JPS61500632A - 測定ダイアフラムのための平担な過圧停止手段を有する圧力センサ - 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】 測定ダイアフラムのための平坦な過圧停止手段を有する圧力センサ 発明の背景 本発明は，ゲージ圧力，絶対圧力および差圧変換器に関する。多くの有用な変換 器の構成が米国特許第３，　６　１　８，　３　９　０号および米国特許第４３ ９８．１９４号等κ開示されていろ。

多くの変換器は、Ｊ，６１８，３｛Ｑ特許に示されているよう罠、引き伸ばされ たダイアプラムを使用している。しかし、大部分のダイアクラムは最小の圧力又 は零の差圧力が印加される時。

静止位置にありかつ平坦な状態にある。このような開示に対して，本発明は？ｉ 度の圧力が印加される時，平坦になる検出ダイアフラムを提供する。このような 変換器の製造が単純化されかつ組立が簡単化されていろことは，下記に開示され た本発明から明らかであろう。

発明の要約 この発明は・最小の変動により，ゲージ圧力，絶対圧力又は差圧を感知する非金 属変換器を提供する。変換器は、その中に中央停止板か設けられたハウジングを 含んでいる。該中央停止板は実質的罠平坦な第１の面とｍ２の面を有しており。

その各々は第１の感知ダイアフラムと第２の感知ダイアフラムと協働して、それ ぞれ第１の圧力室と第２の圧力室を形成している。中央停止板は、流体的に第１ の室を第２の室に結合し、また流体を該室および通路に予じめ定められた圧力に なるように挿入および封じするための１貫通通路手段を含んでいる。ダイアフラ ムは圧力を受け、それに応答して偏向する。ダイアフラムは、シリコン（単結晶 又は結晶）、サフイア又は石英のような実質的に、ヒステリシスかなく、もろい （ｂｒｉｔｔｌｅ）非金−材ｌから構成されている。ダイアフラムは中央停止板 の上に配置され、ダイアプラムの一方九作用する圧力の大きさが予定の最大値を 超えろ時、その圧力に応答するダイア７クムは中央停止板の平坦な面の上に！ｌ ！質的に支持される。

ダイアフラムは平らに製造され、該ダイアフラムが変換器の中央停止板に固定さ れる時、予じめ引張り力を与えたり。

ストレスを与えたりする必要がないので、このダイアフラムの構成は、製造およ び担立か簡単である。変換器の構成材料はｔ高い熱伝導性と、極めて小さい非弾 性機械特性を有しているので、変換器の正確さと安定性は非常に優れている。温 度条件を広（＾化させて圧力を６ｊ定できるようにするため罠。

温度センサか変換器温度の測定のために配置され、そこから得られた温度データ は読み出し回路中の反覆測定エラーを補償するのに使用される。他の利点は１本 発明の好ましい実施例の説明（（おいて、明らかＫなるであろう。

口面の簡単な説明 第１図は１本発明による変換器の側面の立面ｌｆｒ面図であり、容量を用いた測 定手段とブロック図で表わした電気回路を示している。

第２図は、本発明による変換器のダイアフラム構体の諷面の立面断面図である。

第３図は１本発明による変換器の冑面の立面断面図であり、ブロック図で表わし た電気回路、８よσ本発明による遮断ダイアクラムおよび遮断室を示している。

実施例の詳細な説明 圧力変換器は一般に１０で示されており１図示されているように圧力ハウジング １１と読出し回１ａ１２を含んでいる。

ハウジング１１と読出し回路１２は、好ましくは、適当な容器の甲に設置されて いる。適当な塊材で形成された中央停止板２０は貫通した！＠１の孔２２と、該 第１の孔２２から損方向１ｃ延びた第２の孔２４を有している。鴎ｌの孔２２は 、図では、−個の孔として示されているが、望ましくは、多数のそのような孔を 用いることができる。第２の孔２４は、停止板２０の端面から内部方向に延び、 接続点２６で第１の孔２２と交わっている。このため、孔２２と２４は、共に、 板れているように、プラグやスクリユウのような封じ手段２８は、通路２７の端 部を封じるために使用することができる。

又は、−泡を封じた管が、通路２７ぢよびＣれに結合された空所（これは、ｆ麦 述されろ）を莢貸的（（非圧８性の液体又はガスのような適当な流体で充たし、 これを封じるために・通路２７１Ｃ結合されることができる。

変換器１０は、第１のダイアフラム構体３０と第２のダイアフラム構体４０を有 している。構体３０と４０は、各々１組の同一原材から形Ｆ！、′：！−れてい る。第１のダイアフラム構体３０は薄い第１のダイアフラム３２とその周囲に配 置されたスペーサ３４を有している。

同様に、第２のダイアフラム構体４０は薄い第２のダイアフラム４２とその周囲 に配置されたスペーサ４４を有している。中央停止板２０とダイアフラム構体３ ０，４０は、好ましくは、ヒステリシスがなく、もろい非金属材料である、シリ コン、石英、サファイアあるいは他の適当な材料から形成されている。これらの 材料は、印加されろ圧力に応答する偏向によって惹起されて応力（ストレス）の 下で、優れた弾性特性を示す物質として知られている。薄いダイアフラム３２゜ ３４は、好ましくは１機械的方法、エツチングあるいは他の方法で作られる。第 ２図を参照すると、ダイアフラム構体３０．４０のダイアフラム３２と４２は静 止位置で平坦であることがわかる。このため、ダイアプラム３２．４２は、簡単 に、ダイアフラム構体３０．４０の中に形成されることかで変換器の測定手段が 容量性のものである第１図の実施例では、金属のような材料からなる薄く、かつ 電気的に導通する層３６と４６が、各々、第１のダイアフラム３２および第２の ダイアフラム４２の面３８および４８上に設けられている。

材料の層３６と４６は・スパッタリング、蒸着又はこれと同等の方法で形成する ことができろ。薄い導電材料Ｆ１５３は中央停止板２０の第１の表面５２上く形 成され、また導電材料層５５は第２の表面５４上に同様に形成されている。薄い 導電材料層５３および５５は２〜３μｍ以下の厚さを有している。ダイアフラム ３２と４２の面３８と４８．および停止板２０の第１および第２の表面５２と５ ４が、実質的に平坦になることを保証するために、そのような面と表面には、導 電層を収納するための浅いくぼみがエツチング又は根株で形成される。このため 、各々の導電材料層が形成された時、ダイアフラム又は面は実質的に平坦になる 。導電層は大変薄いから、上記のような（ぼみを形成することは、必ずしも、最 もよい動作条件を提供するものではない。ある場合には、蕗ｌＶｃ酸化膜のよう な薄い非導電層を作成又は成長させ、次いで、導電層を形成するのが望ましい。

第１のダイア７２ム構体３０と第２のダイアフラム構体４０は、その後、図示さ れているよう罠、中央停止板２ｏに対接される。中央停止板２０と構体３０，４ ０は、好ましくは、全て円筒形であるが、全てか互に対称になるように形成され た。適当な形状であってもよい。石英で形成された時には、構体３０．４０およ び中央停止板２ｏは、好ましくは・５６で示されているように、それらの周囲を 溶着によって接合される。また、シリコンあるいはサファイアで形成されている ときには、これらはガラスのような適当な接着剤、あるいはシリコンの接合に適 している、例えば金の共融混合物（ｇｏｌｄ　ａｕｔｅｃｔｉｅ　）　Ｋよって 接合することができる。ガラスによる接着が使用されるとき、中央停止板２０中 のわずかな凹所５８は、接着効果を増す働きをする。感知ダイアフラム３２．４ ２と中央停止板２０の面５２．５４の平面的なインタフェイスは、このようＫし て達成されろ。

中央停止板２０に組立てられた時、第１のダイアフラム３２とｍ２のダイア７５ ｐム４２の表面３８と４８は実質的に平坦な第１の面５２と実質的に平坦な第２ の面５４の各々の上に静止する。圧力のかけられた適当な流体が第２の孔２４を 通って、通６２７に入れられる。この流体は通路２７の一部を形成する孔２２ｆ −入る。充填の際に排気を行なう標準的な技術が充填流体の均一性を保証するた めに使用される。第１のダイアフラム３２と第２のダイア７２ム４２は充填流体 によって、第１の面５２および第２の面５４の各々から、離れる方向に押しやら れる。流体の充填に対応するダイアフラム３２，４２の、中央停止板２０の面５ ２　、５４　からの外方向に向う偏向は、わかりやすく図示するため、第１図で 誇張して描かかれている。面５２．５４の各々からの実際の偏向は、ダイアフラ ム３２と４２の厚さ以下である。充填に使用される流体の体積は、最大圧力（ゲ ージ圧、絶対圧又は差圧）が最も低い期待温度で測定できろように、算定される 。所望の体積が充填されると、封じ手段２８が停止板２０に対して、装着固定、 又は溶着等の適当な手段により固定される。このようにして、第１のダイアフラ ム構体３０の凸面３８によって形成された第１の空所（ｅａｖｉｔｙ　）　６０ と、第２のダイアフラム４０の凸面４８によって形成される第２の空所６２と、 通路２７のやに流体が封じ込められる。空所　６０．６２の両方は通路２７を経 て、流体的に互に結合されている。空所６０と６２および、通路２７に流体を充 填する一つの方法は、流体の供給中に、ダイア７２ム３２と４２の面の外側に所 定の圧力を印加して行なう方法である。ダイアフラム３２と４２が・その各々の 面５２と５４上の停止位置かられずかに偏向する時、助記封じ手段は固定される 。ダイアフラム３２と４２の下にあるオイルの体積の最後の調節は、封じ手段２ ８が固定される前に一該封じ手一段２８を適当な位置ＫＷ＜ことによってなされ ることは注意すべきである。池の適当な方法は一因示されていないが一通路５６ の甲に全書の毛砒管を挿入し、それを、ダイアフラム３２と４２に所定の圧力が 印カロされるまで、押し進めて封じする方法である。

ハウジング１１は、それから、ａ！Ｊｌのダイアフラム検体３０と第２のダイア フラム構体４０の各側面上に、接合部６３に沿ってハウジング部分を配置Ｔるこ とによって形成される。ハウジング部分は所望の方法で、スペーサ３４．４４に 接着される。

もし、ハウジング１１が石英で形成されているなら、そのような接着は、好まし くは溶着が選択される。変換器１０の全ての要素か石英から形成されかつ浴着に よって接着されている時には、熱膨ｒ３歪みの違いは、＄実上、無視できる。

ハウジング１１上に配置された温度センサ６４は、リード線６５を通って読出し 回路１２へ接続さｎ、温Ｈの変化によって惹起されろ反６Ｆ測定工２−の補正情 報を提供する。この皮板測定エラーは１例えば、流体の膨張特注、−Ｊ定手段が 容量性である時罠は元′４流体の誘を幕の変化・弾性係数の変１しおよび寸法の 変化等である。この補正によって大変正確な読み出しか行なわｎ、ＥＣＣ６０徊 成ｇ！素の高い弾性特性と機は的な安定性の利点を大いに発揮Ｔろことができる 。

ハウジング１１は圧力ＰＩを提供する祐ｌの圧力源に同りて開いている第１の圧 力ポ−）　６６と、圧力Ｐ２に対する第２の圧力ポートロ８を嵌合している。圧 力ポートロ６と６８はハウジング１１と各々のダイアフラム構体３０．４０と共 に、第１の圧力室７０と第２の圧力室７２とを形成することは注目されろべきで ある。したがって、第１の圧力Ｐ１は第１のダイアフラム３２に印加され、第２ の圧力Ｐ２は第２のダイアプラム４２に印加される。圧力ポート　６６又は６８ は個々の圧力室Ｔｏ、７２を排気し、封じるために使用され。

また、図示されているように＋、Ｐｌ又はＰｌへ開いた状態で保持されている。

したがって、センサは絶対圧力、ゲージ圧力又は差圧計測を行なうのに適してい る。

差圧感知のための第１図の実施例において、圧力Ｐ１とＰｌは、それぞれダイア フラム３２と４２に作用する。圧力に応答して、各々のダイアクラムは、ダイア フラムの各々の［Ｋ印加される圧力に応答して偏向する。圧力Ｐ１１’Ｃよって 惹起された停止板２０に向うダイアクラム３２の偏向は、もしもＰｌがＰｉ以下 であれば、第１ｓ６よび第２の空所６０と６２の中で、ダイアフラム４２を面５ ４から離れる方向に偏向させろは体を生ずる。基本的には、そのような実施例の ダイアフラムは差圧（ＰＩ−Ｐｌ）に応答している。

面５２ＩＣ対するダイアフラム３２の偏向は、一つの容量板を形成するダイア７ ２ム３２上の導電層３６と、容ｊｉｃ１のための第２の容量板を形成する第１の 面５２上の導電層５３によって形成されろ第１の容−１ｌｌ（Ｃ１）として測定 される。

面５４からのダイアクラム４２の偏向は、一方の容量板を形成する導電層４６と 、容量Ｃ２のためしし第２の容量板を形成する第２の面５４上の導′１！Ｆ４５ ５とによって形成される第２の容量（Ｃ２）として測定される。適当な電気的リ ード線８２．８４．８６および８８が、それぞれ、層３６．ｌ１１４６．層５３ および層５５に電気的に接続されている。これらのリード線は、導を層３６．４ ６．５３．５５からダイアフラム益体３０．４０　および中央停止板２０上へ延 びるｉ略をエツチングによって形成し、変換器の周囲へ向−うそのような通路に 導電打開を付着し、かつ通常の方法でそこにリード線を接己するという、一般的 な方法で読み出し回路１２に接続される。

適当な非導電層は、それから、そのような通路の導電材の上に被覆される。

圧力又は差圧は、それから、変換器の構成九依存して・容量Ｃ１と０２の関数と して、普通の回路によって、読み出し回路１２中で演算される。感知ダイアフラ ム３２，４２で形成された二つの容量から得られた容量信号は、好ましくは圧力 のｆＡｌｊ定に用いられる。しかし、１個のダイアフラムのみを用いて、所望の 圧力１ｇ＋１定を行なってもよいことは勿論である。

温度センサ６４からの電気信号は、既昶の読み出し回路１２中でエラーを誘起す るシステム温ばを補償するのに使用される。第１図に示され、説明された感知手 段が容量感知手段であったが、感知手友は本発明の範囲から逸脱しない範囲にお いて、誘導性、ピエゾ抵抗、ピエゾ電気１表面弾性波（ａｃｏｕｓｔｉｃｓｕｒ ｆａｃｅ　ｗａｖｅ　）感知手段、又は光学的手段であってもよい。

そのような感知手段は、所定の普通の方法で、ダイアフラム３２と４２の上に作 成される。ピエゾ捻抗通路は、不発明の範囲から逸脱することなしに、シリコン ダイア７２ムに２いて、すでに使用されている。

本発明の他の好ましい＞Ｎ　１Ｍ例は、第３図に示さｎている。

ハウジング１１は外恢ノの濱面に形成された空所９０．９２を有し・該空所９０ ．９２を横切って、隔離ダイアフラム９４゜９６がそれぞれ配置されている。空 所９０　、９２の隔離ダイアフラム　９４．９６　、圧力ポートロ６．６８．第 １のダイアフラム得惇　３０，４０の外構１．にあろリム３４　、４４は、それ ぞれ・第１８よび第２の隔離室を形成している。この隔離室は、好ましくは、非 圧縮流体で充満されている。この非圧ね流体は、孔９５．９７をふって、適当に 封じできる製置９８゜１００　を有するハウジング１１の中へ導かれる。その後 、そのような隔離ダイアフラム９４．９６は、それぞれ、圧力Ｐ１およびＰｌを もつ圧力源に開かれろ。

このような隔離は、感知ダイア７２ム３２．４２を化学的に腐蝕する流体の圧力 を測定するのに用いるのか好ましい。

隔離室（Ｃ充填する流体の体積は、ＰＩ又はＰｌの圧力を超えろと、第１のダイ アフラム３２又は第２のダイアフラム４２が、それぞれ、隔離ダイアフラム９４ ，９６および感知ダイアフラム３２．４２の両方を過度のストレスから保躾する ために、第１の面５２又は第２の面５４に突き当るように、決定されろ。隔離ダ イアクラムは、最良の正確さを保障するために、ダイアフラム　３２，４２より 小さな偏向抵抗をもつようにされるべきである。このことは、普通、図示されて いるように〜それらにしわをつけることによって、あるいは、ダイア７２ム３２ ．４２　Ｋ比べて、より薄い材料、弾性係数の小さい材料、大きな直径の材料を 使用することによって達成されることができろ。

さらに好ましい実り例（（おいては、もし４ｍダイアクラムが用いられないなら ば、適当な化学的に不活性な材料がダイアプラム　３２．４２の通路６６と６８ に、面する側、および空所７０と７２の他の内面に設けられることＫより、化学 的な腐蝕を防止することができる。

ここで説明した変換器は、Ｐｌ又はＰ２のいずれか一方又は両方からの過度の圧 力に耐えることができろ。Ｐｌ又はＰ２の一方の過圧力からの採掘はある平坦な 面で各々のダイアフラムを支持することＫより達成され、また、ＰｌとＰ２の両 方から同時に印加されろ過圧力からの保損は流体の結合によって行なわれる。い ずれの場合においても、ダイアフラム３２と４２の偏向は変換器の設計範囲に制 限される。

上記の災施例では、ダイアフラムやベース上に導電層を設けて容量板を形成する 例を説明したが、半導体材料が導１！層や被覆を用いずＩＣ使用できる。シリコ ンのような半導体は、容量板として十分に動作する。また、容量板を形成するた めに、半導体の所定の面に２ある層か”ドープ′されてもよい。

このドープされた層は、電気的導電性を増加する働きをする。

ここに示されているようなダイアフラムのための平坦な停止面は、もし金属のダ イアプラムかその初期の外方向にわんａした位置から中央部を起えようとする時 に起る過度のストレスすなわち”オイル罐”効果を回避するために、金属の感知 ダイアフラムと良好に協働する。

国際調査報告

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．ハウジング、 第１の圧力室の一部を構成する実質的に平坦な第１の面と、第２の圧力室の一部 を構成する臭質的に平坦な第２の面を有する前記ハウジング中に支持された中央 停止手段、前記第１の面で前記第１の圧力室を封じるために、前記中央停止手段 上に支持され、第１の圧力に応動する第１のセンサダイアフラム手段、 前記第２の面で、前記第２の圧力室を封じるために、前記中央停止手段上に支持 された第２のセンサダイアフラム手段、 第１の圧力の大きさが予定の大きさを超える時、第１のセンサダイアフラムか中 央停止手段の第１の面によって支持されるように、第１の圧力室を第２の圧力室 に流体的に結合するための中央停止手段中に設けられた通路手段、とを具備した 、少くとも第１の圧力の大きさを感知するために、第１および第２の圧力室をも つ、第１の圧力の大きさを感知するための変換器。
2. ２．前記第１の圧力量、第２の圧力室および通路手段が実質的に非圧縮流体で充 填されていることを特徴とする前記請求の範囲第１項記載の変換器。
3. ３．非圧縮流体が予定の圧力で封入されていることを特徴とする前記請求の範囲 第２項記載の変量器。
4. ４．予定の圧力が、最も低い期待混度で最大の期待圧力の関係になるようにした ことを特徴とする前記請求の範囲第３項記載の変換器。
5. ５．前記変換器は、第１のセンサダイアフラムと第１の圧力との間に挿入され、 かつ該第１のセンサダイアフラムに流体的に結合された第１の隔離手段を含み、 前記第１の圧力は前記隔離手段を偏向させ、そのような偏向に応答して流体の結 合が前記第１のセンサダイアフラムを前記第１の圧力に応答して偏向させるよう にしたことを特徴とする前記請求の範囲第２，３又は第４項記載の交換器。
6. ６．第１の圧力の大きさと第２の圧力の大きさの差を測定する手段、第２のセン サダイアフラム手段から第２の圧力に向けて設けられた開口、第１および第２の 圧力差に応じて偏向する第２のダイアフラム手段を具備し、第１と第２の圧力の 差の大きさが予定の差以上になった時にのみ、第１のダイアフラム手段と第２の ダイアフラム手段のそれぞれが中央停止手段の第１および第２の面のそれぞれで 支持されるようにしたことを特徴とする前記請求の範囲第２項記載の変換器。
7. ７．各々が第１のセンサダイアフラム手段と第２のセンサダイアフラム手段に流 体的に結合されている第１の隔離室手段と第２の隔離室手段、第１の圧力に応答 する前記第１の隔離室手段、第２の圧力に応答する第２の隔離室手段、前記第１ の隔離室から第１のセンサダイアフラム手段に影響を与える流体的結合。第２の 隔離室から第２のセンサダイアフラム手段に影響を与える流体的結合を具備し、 前記第１および第２の隔離室に作用する圧力差が第１および第２のセンサダイア フラム手段に該圧力差に応じた変位を与えるようにしたことを特徴とする前記請 求の範囲第６項記載の変換器。
8. ８．少くとも、前記ダイアフラム手段の一方の偏向を感知するための感知手段を 言むことを特徴とする前記請求の範囲第１項記載の変換器。
9. ９．前記感知手使が、前記第１の面の導電表面部分と、前記第１のダイアフラム 手段の導電表面部分によって形成された第２の容量板とによって形成された容量 を含むようにしたことを特徴とする前記請求の範囲第８項記載の変換器。
10. １０．さらに、第１のセンサと第２のセンサを含むことを特徴とする前記請求の 範囲第４項記載の変換器。
11. １１．感知手段が、第１の容量を測定するための第１の面の導電表面と第１のダ イアフラム手段とによって形成された第１の容量と、第２の容量を測定するため の第２の面の導電表面と第２のダイアフラム手段によって形成された第２の容量 であることを特徴とする前記請求の範囲第８項記載の変換器。
12. １２．感知手段が、ピエゾ抵抗、表面弾性波又は光学センサから選択されるよう にしたことを特徴とする前記請求の範囲第８項記載の変換器。
13. １３．平坦な面と外周エフジ部をもつプレート、そのエッジ部で該プレートのエ ッジ部に密封的に固く留められ、対向する面の一つの上に横になって乗っており 、前記プレートに固く留められた時にその一つの面と実質的に接触するように構 成された第１のダイアフラム。 そのエッジ部で該プレートの反対の面上にある該プレートのエッジ部に密封的に 固く留められ、該プレート中に設けられかつ、第１と第２のダイアフラムのエッ ジによって形成される空間の中で、対向する面の間に延びている。流体通路の上 にそれを覆うように横に設置された第２のダイアフラム。 両方のダイアフラムにこれらがプレートの各々の面から離れる方向に力を与え、 通路を充填する実質的に非圧縮性の流体、 第１のダイアフラム上に設けられ、かつ第１のダイアフラムをダイアフラム間の 非圧縮性流体を通って第２のダイアフラムによって抵抗を受けるプレート方向に 偏向させるように、前記ハウジング中に感知されるべき圧力を導くための手段を 含むハウジング、および 少くとも第１のダイアフラムの偏向を感知する手段とを具備したことを特徴とす る圧力変換器。
14. １４．前記ダイアフラムは、各々、そのエッジの周りに■状のリムを有し、かつ 、該リムと整列した部分で停止ブロックに固く留められていることを特徴とする 前記請求の範囲第８項記載の変換器。
15. １５．前記リムがプレートの各面から離れる方向に延びており前記ハウジングは 少くとも、第１のダイアフラムのリムに固く留められていることを特徴とする前 記請求の範囲第９項記載の変換器。