JPS61500633A - 圧力変換器 - 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】 圧力変換器 発明の背景 本発明は圧力変換器に関し、特に、第１の圧力Ｐ１と第２の圧力Ｐ２との間の差 圧、すなわち、ＰＬ−Ｐ２を測定する変換器に関する。この変換器は、また絶対 圧力やゲージ圧力を測定するのにも、容易に応用することができる。

多くの有用々差圧変換器は、米国特許第３，６１８，３９０号、米国特許第４， ３９８，１９４号等に開示されているように、既知である。ダイアフラムを使用 する大部分の差圧変換器は、一枚の共通のダイアフラム又は二枚のダイアフラム に影響を与えるために、二つの圧力が同一の面に反対方向から印加されるように 設計されている。多くのそのよりな装置は、ダイアフラムの偏向が差圧の関数に なるように１共通の充填流体を使用している。

発明の要約 本発明は、差圧、絶対圧力又はゲージ圧力を感知する変換器を提供する。変換器 は石英、シリコンおよびガラスのような材料から作成され、通常の一括（ｂａｔ ｃｈ　）製作技術を用いて製造される。変換器は二つの感知ダイアフラムを有す る。

差圧を感知するように形成された時には、第１のダイアフラムは第１の圧力（Ｐ ｌ）を受け入れ、第２のダイアフラムは第２の圧力（Ｐ２）を受け入れる。両方 のダイアフラムは１個の実質的に平坦なダイアフラムウェハの表面で形成されて いる。

ダイアフラムは、それに印加される圧力Ｐ１又はＰ２に応答して密封された共通 の空所中にある流体に作用し、ダイア７２ムの各々の偏向が差圧（ＰＬ−Ｐ２） を表わすように構成されている。

変換器の構成シ・よびセンサの材料のゆえに、ダイアフラムの偏向は種々の異な る感知手段を用いて、普通の方法で、測定することができる。さらに、その構造 は超小屋（ｍ１ｃｒ。

ｍ１ｎｉａｔｕｒｅ　）に作れるので、ダイアフラムは／Ｊ％さな質量を有し、 密封された空所の中に入れられる流体の量は微少である。したがって、変換器は 、差圧（ＰＩ−Ｐ２）の急激な変化又はパルス的変化に対する応答が速い。この ため、この変換器は、差圧の変化の周波数が流速の関数で表わされる渦動流速計 に用いると好適でちる。また、差圧の急激な変化を測定できるというメリットが ある。

図面の簡単な説明 第１図は本発明による変換器の側面の立面断面図であり、容量感知手段およびブ ロックダイアフラム形式の電気回路を示す。

第２図は本発ＢＡＫよる変換器の側面の立面断面図であシ、抵抗プリクジ、抵抗 、ピエゾ電気センナあるいはピエゾ抵抗センサのような感知手段と電気回路を示 す。

実施例の詳細な説明 圧力変換器は、一般ＫＩＯで示されている。全ての変換器の構成要素は、好まし くはシリコン、石英又はガラスおよび同類の物で形成されており、これらの構成 要素はそのような材料の薄板の上に既知の方法を施すことＫよシ、たやすく一括 製造することができる。そのような一括製造に続いて、構成要素はさいの目に切 られ、個々に処理される。しかし、好ましくは、後述する変換器を全部作るに必 要な構成要素を一度に作った後、所望の個々の変換器を提供するために、さいの 目に切られる。

変換器１０は、好ましくは、平らな矩形のウェハでちるダイアフラムウェハを有 している。少くともウェハの一面が実質的に平坦であるという条件さえ満たされ ていれば、他の幾何学的な形状のウェハが本発明に従って使用されることがでキ ル。ウェハ２０は、シリコンがら形成されるが、す７アイヤや石英のような他の 材料もまた使用できる。

第１図の実施例において、ウェハ２ｏの両面は、最初は、実質的に平らである。

ウェハの一面を異方性的に（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃａ＃ｙ　）エツチングする ような処理によって、２つの相対的に薄い部分がウェハ２０に形成される。これ らの部分は、第１のダイアフラム２２と第２のダイアフラム２４として使用され る。ウェハ２０中の第１の面２６は実質的に平坦である。そのような面は、ダイ アフラム２２と２４の各々の一方の面を形成する。容量がダイアフラムの偏向を 感知するのに使用される時には、薄い電気的導電層２８．３０が、スパッタリン グ、蒸着、又は拡散によって、ウェハ２ｏの面２６上に形成される。このため、 感知された容量は、各々、ダイアフラム２２，２４の偏向を表わすことになる。

そのような導電層２８．３０は、好ましくは２〜３μｍ以下の厚さである。その ような層２８．３０が形成された後、面２６が実質的に平らＫなることを保証す るために１面２６は、エツチング又は機械にかけられる。このため、導電材料の 各層２８．３０がその上に形成された時、面２６が平らになる。

導電層は大変薄いので、エツチングや機械にかけることによって、面２６にくほ みを形成することは、大てぃの場合、必要でない。回路の通路は、各々適当なリ ード線３２．３４に接続するために１層２８．３０がらウェハ２ｏの周面に向け てウェハ２０中にエツチングして作られる。リード線３２゜３４はセンサ信号を 読み出し回路３３へ伝送する。そのよりな通路は、それからエツチングされた通 路の中に導電材料を塗布され、これによって層２８．３０はそれぞれリード線３ ２．３４に結合される。適当な非導電材料は該導電材料の上Ｋｍ布される。エツ チング、塗布および層２８．３０の回路通路およびリード線３２．３４との接続 の方法は、周知である。第１図の実施例においては、層２８．３０は、リード線 ３２．３４と接続されるために、直接リード線と交叉するように、外の方へ単純 に延長されている。

厚みの大きい中央部３６が、またウェハ２０上に示されている。部分３６は実質 的に、第１ダイアフラム２２の機械的なストレスを第２ダイアフラム２４がら切 り離すこと、および第２ダイアフラム２４の機械的ストレスを’ＪｉＧ１ダイア フラム２２から切り離すことに役立っている。

シリコン、ガラス又は他の適当な材料で形成された裏打ちウェハ３５は、好まし くは、ダイア７ラムウエハ２０の第１の面２６の反対側の表面３７と整合（ｅｏ ｎｆ　ｏｒｒｍｌ　）するように形成されている。裏打ちウエノ・３５には、第 １の圧力Ｐ１および第２の圧力Ｐ２が、それぞれ、ダイアフラム２２，２４に容 易に伝わるように、二個のエツチングされた又は穴をあけられた貫通圧力ポ−） ３８．３９が設けられている。裏打ちウェハ３５はダイアフラム２２．２４の機 械的なストレスが相互に影響しあわないようにするために、および動作のために 変換器１０が収納されるハウジングから機械的なストレスを受けないようにする ために、若干厚目に形成されている。

裏打ちウェハ３５はスパッタされたパイレックスボンド（ｐｙｒｅｘ　ｂｏｎｄ 　）、陽極ボンド（ａｎｏｄｉｃ　ｂｏｎｄ　）、ガラス７リツト、金属拡散又 は他の既知の方法によってダイアフラムウェハ２０に接着される。

処理の前にはダイアフラムウニＩ・２０と実質的に対称的な形状をもつ過圧停止 ウェハ４０は、その第１の停止面４２が大変わずかな深さく１万分の２〜３イン チ又はそれ以下のＸ−ダ）に異方性的にエツチングされ、該面４２にくぼみ４４ が形成される。ダイアフラム２２，２４は、好ましくは子分の１インチル千分の １０インチのオーダの厚さで８＋９、この実施例では、くぼみ４４の深さとダイ アフラム２２．２４の厚さとの閾とは、大体、少くとも十の１乗のオーダの差が るる。好ましくは、エツチングされた表面は実質的に平坦でろる。過圧停止ウェ ハ４０は、゛また、エツチング又はドリルで形成されるウェハ４０を貫通する中 央孔４６を石している。

中央孔４６はウェハ４０の中央部に設けられ、また、過圧停止ウェハ４０がダイ ア７ラムクエハ２０に固定された後では、ダイア７２ム２２，２４が過圧を受け た時、該ダイア７−）ム２２．２４が中央孔４６の上に乗らないように構成され ている０２αの薄い導゛ｒ：Ｌ；Ｊ５　ｔＪ　、　５２は、ｎ」述した方法でく ぼ与４４の甲に礒債される。停止；ｊ５０ｔ５２は、元ｎＫリード！３２．３４ をｉ８２８　、３０に接続したのと同僚の方法で、そｎぞれリードｇ５１，５３ に載台される。この几め、停止、ｊ　５０　、５２は層２８ンよび３ｏと協働し 、停止層５２は第１のダイアフラム２２と共に第１の可Ｒ容ｆ（ａｌ）を形成し 、ゆ止！−５２は：ｓ２のダイアフラム２４と共ＫＪ２の可変コンデンサ（Ｃ２ ）を形成する。リードＪｕｌ、５３はその上のオ号を読み出し回路３３へ伝送す る。読み出し回路３３は、ｌ換器１０が上記のように構成された時、差圧ＰＬ− Ｐ２、ゲージ圧力、又は絶対圧力を表わす信号を提供する既知の回目であるくぼ み４４の必要性は、ダイアフラム２０又は過圧停止ウェハ４０が接合される周面 を高くすることによって減じられるということは理解されるべきである。そのよ りな組立ては、そのような周囲に接着剤又は大変薄い堆積材料を形成すること又 は他の適当な平膜によ＃）達成される。中央孔４６の周りの環状のくほみ５４は 過圧停止ウェハ４０中にエツチングすることにより形成される。

ダイアフラムウェハ２０と過圧停止ウェハ４０は、陽極接合、共融接合又はガラ ス７リント接合によって接合される。

ダイアフラムウェハ２０と過圧停止ウェハ４０が接合される時、空所５６はダイ アフラムウェハ２０の第１の面２６と過圧停止ウェハ４０のくぼみ４４とにより て形成される。空所５６は中央孔４６と連続する開口を有している。空所５６は 、大変号・さい。例えば、その厚さは、たったの１万分の２インチ（０，０００ ２インチ）である。空所５６の厚さは、わかシ易くするために１図では誇張され て描かれている。実質的に非圧縮性の流体でらる流体６０は、その後中央孔４６ を通って空所５６に充填される。流体６ｏは、容量検知の場合には、適当な誘電 率をもつものが選ばれる。中央孔４６と空所５６中の流体６００体積は大変小さ いことは理解されるべきである。

好ましい実施例におけるその全体積は約２Ｘ１０　立方インチである。充填と共 に行なわれる排気は流体６Ｇが均一になることを保証するために行なわれる。

図示されていない他の適当な充填方法は、中央孔４６の中に毛細管を配置し、所 望の流体の充填が空所５６内で達成されたとき、それを封じ切る（　ｐｉｎｃｈ 　ｏｆｆ　）方法である。この方法が用いられる時は、ダイアフラム２２，２４ が過圧停止ウェハ４０から離れる方向に偏向を受けるように、流体は圧力をかけ られる。’Ｆ−Ｗｒ　５６の与圧は所望のものＫなされる。毛細管が用いられる 時、空所５６と中央孔４６はそれによってシールされ、それ以外のシール手段は 必要とされない。充填は、また、既知の方法で行なりことができる。くさび形の 橙（ｗｅｄｇｅｄ　ｐｌｕｇ　）が中央孔４６の中に挿入される。栓は、それか ら通冨の如く、中央孔４６に接合される。この栓は、流体６０中に所望の圧力を 付与するために、中央孔４６の中に押し入れ（−ｇ−）もれる。

環状のくぼみ５４は少量の過剰流体６０を集め、一括処理方法が採用された時、 該過剰流体が過圧停止ウェハ４ｏの上面の全面又は隣接し九過圧停止りエハに広 がることを防止する。環状のくぼみ５４は、また、カバープレート６４が、空所 ５６＄−よび中央孔４６中の流体６ｏを封止するために過圧停止ウェハ４０に接 着される時に、過剰流体６ｏを集める。

そのような表面の流体は、中央孔４６中の流体６０で形成されたメニスカス（ｔ ｎｅｎｉｓｅｕｓ　）を形成する。

カバープレート６４はガラス、シリコン又は他の適当な材料から形成された第４ のウェハである。カバープレート６４は通常過圧停止ウェハ４ｏに接着される。

流体６ｏは高温に敏感であるので、過圧停止ウェハ４０に対するカバープレート ６４の接着はそのような温度以下で作成されなければならない。シリコンが流体 ６０として使用される時、接着は３００℃以下でなされなければならないことが わかった。接着剤はよく知られている有機物でありてもよいし、非有機物であっ てもよい。選ばれた感知手段が高誘電率の流体を必要としない時には、グリセリ ン、又はグリ七す／と水の適当な混合物が流体６０として用いられることができ る。グリセリン又はグリセリンと水の混合物は、変換器１０の材料の熱膨張率に 非常に近い、小さな熱膨張係数を有している。

熱セ／す６６は、変換器１０の中の例えばダイアフラムウェハ２０上に設けるこ とができる。リード線６８は温度センサの信号を読み出し回路３３へ運ぶ。その 温度データは、既知の読み出し回路３３中で、温度が大きく変化する時に発生す る反覆測定エラー、例えは流体膨張特性、感知手段が容量である時の流体の誘電 率の変化、弾性係数の変化および寸法の変化等を補償するのに用いられる。この 補正の結果、変換器構成要素が高弾性特性および機械的安定性を示すので、大変 正確な読み出し出力を得ることができるようになる。

動作に関して説明すると、第１の圧力Ｐ１が第１のダイアプラム上に印加される と、該第１のダイアフラム２２は過圧停止ウェハ４０の方へ偏向し、一方、第２ の圧力Ｐ２が第２のダイアフラム２４上に印加されると、該第２のダイアフラム ２４は過圧停止ウェハ４ＯＫ向って偏向する。ダイアフラム２２と２４の両方は 、空所５６中の流体６０によって過圧停止ウェハ４０の側面上で流体的に結合さ れる。このように、ダイアフラム２２と２４の偏向は差圧（ＰＩ−Ｐ２）に比例 する。

第１実施例のように、容量感知が使用される時、層２８と停止層５０の各々は第 １の容量Ｃ１の容量板を提供し、層３０と停止層５２の各々は第２の容量Ｃ２の 容量板を提供する。

停止層５０と停止層５２は共通な導電層でるるということは理解されるべきであ る。そのような共通層は容量Ｃ１とＣ２のための共通容量板を形成している。層 ２８と３０は、それぞれ、ダイアフラム２２，２４上に形成されているから、ダ イアフラム２２，２４の偏向はそれぞれ、容量Ｃ１とＣ２によって測定される。

この結果、容量ＣＩとＣ２の容量値は、差圧（ＰＩ−Ｐ２）の関数になる。ＣＩ とＣ２は差圧を表わすので、差圧測定のためには、Ｃ１又はＣ２が活性でなけれ ばならないこと、および層２８と停止層５０、又は層３０と停止層５２は、変換 器が差圧を表わす容量信号を提供するよりにするために形成される必要があると いうことは理解されるべきである。

ＣＩと０２の測定された容量値は、リード線３２．３４と５１．５３を通って適 当な既知の読み出し回路３３へ供給される。測定された容量値ＣＩとＣ２に応答 する回路は、それから、差圧（ＰＬ−Ｐ２）を表わす信号を提供する。

前記した実施例は容量感知の例であったが、他の既知の感知技術を使用すること ができる。第２図に示されている感知方法は、例えば、全抵抗ブリッジ、半抵抗 ブリッジ又は少くとも１つのダイアフラム２２又は２４に結合された単一抵抗体 、少くとも１つのダイアフラム２２又は２４に結合された誘導性センサ、少くと もダイアフラム２２又２４の１つに結合されたピエゾ電気又はピエゾ抵抗セ／す を含むものである。

そのようなセンサ７２，７４は真空蒸着、拡散又は他の既知の方法によって、ダ イアフラム２２，２４中又はその上に作成することができる。光学的感知又は他 の感知手段が、また使用可能である。

変換器は、また多くの利点を有しており、その中には、例示した手段によって一 括処理に十分に適するように、低コストで製造できるという利点を含んでいる。

ダイアフラム２２゜２４は、それらが共通の実質的に平らな表面、平らな面２６ をもっているので、たやすく製造されることができる。共通の過圧停止手段は、 また平らな表面を有している。この平らな表面は、ダイアフラム２２．２４がわ ずかのみしか偏向しないといり理由で、凸面形状の過圧停止手段の如き複雑な外 形を４たずとも、ダイアフラム２２．２４の過圧保護を達成することができる。

七のような輪郭をつけられた形状は、複雑であり、製造に大きなコストがかかる 。しかし、好ましい案施例は、もしそのよプな輪郭が望まれるのなら、過圧停止 ウェハ４０中にそのような輪郭の付けられた形状を拒むものではない。

空所５６と過圧停止ウェハ４０中の中央孔４６の中に１大変小さな体積の流体６ ０が入って−へる。したがって、流体６０の熱膨張係数がたとえ変換器１０を作 るのに用いられる他の材料と違うものであっても、変換器１０は温度の広い範囲 にわたって正確である。また、流体６００体積は大変小さいので、たとえ温度が 上っても、ダイアフラム２２．２４を破裂させる可能性は低い。

ここで説明した変換器は、Ｐ　１又はＰｌの一方、又はＰｌとＰｌの両方から印 加される極端な過圧にも耐えることができる。ＰｌとＰｌの一方からの過圧の保 護は実質的に平らな過圧停止手段でダイアフラム２２，２４を支持することＫよ って達成される。また、ＰｌとＰｌの両方から同時に印加されろ過圧は流体結合 によって達成される。両方の場合において、ダイアフラム２２，２４の偏向は変 換器の設計範囲に制限される。

圧力ボート３８又は３９は、既知のように排気された後封じされるか、又は圧力 をかけられた後封じされることは理解されるべきである。従りて、変換器は、簡 単に絶対圧力又はゲージ圧力のだめの構成にすることができる。

国際調査報告

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．第１の圧力Ｐ１が印加される第１の感知ダイアフラムと第２の圧力Ｐ２が印 加される第２の感知ダイアフラムとを有し、該二つのダイアフラムはダイアフラ ムウエハで形成され、前記圧力に応答する各ダイアフラムは、ダイアフラムの偏 向が差圧（Ｐ１−Ｐ２）を表わすように、密封された共通の空所の中にある流体 に作用を及ぼし、第１および第２のダイアフラムが１個の実質的に平坦なダイア フラムウエハで形成されていることを特徴とする変換器。
2. ２．差圧Ｐ１−Ｐ２を測定するために、少くともダイアフラムの一つに結合され た感知手段を含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。
3. ３．前記変換器は、さらに、ダイアフラムウエハ上に配置され、該ダイアフラム ウエハに接着され、該イアフラムウエハと協働して共通の流体空所を形成し、か つ支持手段をもつ過圧停止ウエハを含み、ダイアフラムの各々に対して過圧停止 の作用が行なわ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。
4. ４．前記ダイアフラムの過圧停止の作用が行なわれるように、前記支持手段が、 実質的に平らな表面をもつ過圧停止ウエハの中に限定されたくぼみを形成してい る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．前記感知手段は、前記ダイアフラムの少くとも一方に堆積された導電材料層 と、そのようなダイアフラムに近接する過圧停止ウエハ上に堆積された少くとも 一層の導電材料層を含み、前記ダイアフラムの偏向に応答して少くとも一個の容 量を提供するようにしたことを特徴とする前記請求の範囲第４項記載の変換器。
6. ６．前記流体は高い誘電率の非圧縮流体を含むことを特徴とする前記請求の範囲 第５項記載の変換器。
7. ７．前記ダイアフラムウエハがシリコン、石英又はサフアイアを含む群から選ば れた材料から形成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。
8. ８．前記流体が小さな熱膨張係数を有する流体を含むことを特徴とする前記請求 の範囲第２項記載の変換器。
9. ９．前記感知手段が抵抗ブリツジ、抵抗、ピエゾ電気センサ又はピエゾ抵抗セン サを含む群から選択されたセンサを含むことを特徴とする前記請求の範囲第２項 記載の変換器。