JPS6239368B2 - - Google Patents

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JPS6239368B2
JPS6239368B2 JP2870479A JP2870479A JPS6239368B2 JP S6239368 B2 JPS6239368 B2 JP S6239368B2 JP 2870479 A JP2870479 A JP 2870479A JP 2870479 A JP2870479 A JP 2870479A JP S6239368 B2 JPS6239368 B2 JP S6239368B2
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JP
Japan
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pressure
diaphragm
diaphragms
housing
liquid
Prior art date
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JP2870479A
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English (en)
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JPS55122126A (en
Inventor
Noboru Ozawa
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、シリコンダイアフラムを用いて2つ
の被測定流体間の圧力差を機械的な歪に変換し、
次に電気信号に変換して検出する差圧変換器に関
する。
シリコンダイアフラムは、一般に、シリコンの
基板の一面にボロン等の不純物を選択拡散してス
トレンゲージを形成させ、他面を加工して全体を
凹形に形成するか、あるいは、薄板状のシリコン
基板の一面にボロン等の不純物を選択拡散してス
トレンゲージを形成させ、他面を支持体に接着し
て構成される。そして、このシリコンダイアフラ
ムをハウジングに取付け、ハウジングに測定せん
とする2つの流体を導入する。この2つの被測定
流体をシリコンダイアフラムの両面に導き差圧を
検出する。ところで、シリコンダイアフラムの場
合、加圧して凹形に形成したダイアフラムにあつ
ては加工面、接着して形成したダイアフラムにあ
つては接着面の耐圧が、加工条件、接着条件、あ
るいはシリコンダイアフラムの厚さ等によつて種
種異なるが、数倍から数十倍も低い。
従つて、このようなシリコンダイアフラムを差
圧変換器に用いた場合、過大圧に対するシリコン
ダイアフラムの保護の基準値を耐圧の低い側にし
なければならない。このため、比較的差圧測定範
囲の狭い変換器しか実現できなかつた。
本発明の目的は、シリコンダイアフラムの両面
の耐圧に応じた差圧範囲を測定可能な差圧変換器
を提供するにある。
このため本発明は、差圧検出用のシリコンダイ
アフラムが取り付けられるハウジング内に、一方
が孔を有する2枚のダイアフラムからなる受圧ダ
イアフラムを設けたものである。したがつて、こ
の受圧ダイアフラムは、2つの被測定流体に対し
異なるスチフネスを有している。つまり、高圧側
流体に対しては大きいスチフネス、低圧側流体に
対しては小さいスチフネスを持つている。2つの
被測定流体はハウジング内に導入されるが、ハウ
ジング内でシリコンダイアフラムと受圧ダイアフ
ラムの両者によつて2つの流体は分離されてい
る。両ダイアフラムの受圧面積は、受圧ダイアフ
ラムの方がはるかに大きい。両ダイアフラムはそ
れぞれ別個にハウジングに設けても良く、一体に
して設けても良い。シリコンダイアフラムのハウ
ジングへの取り付けにあたつては、両者間にガラ
ス等を介在させハウジングからの熱応力を緩和さ
せるのが良い。
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明の原理を説明する図である。図
において、ハウジングH内には受圧ダイアフラム
Dが設置され、ハウジングH内を容積VH,VL
2つに分離している。受圧ダイアフラムDは、ダ
イアフラムD1と孔Oを有するダイアフラムD2
2枚から構成されている。
かかるハウジングH内に、一方から圧力PH
流体、他方から圧力PLの流体を導入する。そし
て、受圧ダイアフラムDに差圧△PH=PH−PL
が作用した場合、その時の容積変化量△VHは下
記の式で示される。
△VH=A /SD1+SD2・△PH ……(1) ここで、 AD:受圧ダイアフラムDの受圧面積 SD1:ダイアフラムD1のスチフネス SD2:ダイアフラムD2のスチフネス である。
同様に、差圧△PL=PL−PHが作用した場
合、その時の容積変化量△VLは(2)式で示され
る。
△VL=A /SD1・△PL ……(2) 上記(1),(2)式における△Pと△Vの関係をグラ
フで表わすと第2図のA,Bのようになる。第2
図における傾斜、すなわち△Pと△Vの関係は、
ダイアフラムD1,D2のスチフネスを変えること
によつて種々変えられる。
上記(1),(2)式において、(1),(2)の△Pが等しい
と仮定した場合、容積変化量△VHと△VLは(3)式
の関係となる。
△VL=(1+SD2/SD1)・△VH ……(3) すなわち、同じ差圧に対して容積変化量が異な
つてくる。このことは、同じ容積変化量(△Vh
=△Vl)を許容するとした場合、△PHと△PL
の関係は(4)式で示される。
△PH=(1+SD2/SD1)・△VL ……(4) つまり、第2図からも明らかなように、△PH
側に対し差圧が大きくとれることを意味する。
本発明は、かかる原理を応用したもので、以下
具体的な実施例を説明する。
第3図において、ハウジング1の両側に高圧側
フランジ2、低圧側フランジ3が溶接等によつて
固定されており、両フランジ2,3には測定せん
とする圧力PHの高圧流体の導入口4、圧力PL
低圧流体の導入口5が設けられている。ハウジン
グ1内に圧力測定室6が形成されており、この圧
力測定室6内に受圧ダイアフラム7とシリコンダ
イアフラム8が設けられている。受圧ダイアフラ
ム7とシリコンダイアフラム8はそれぞれ別個に
圧力測定室6の壁に固定されており、受圧ダイア
フラム7とシリコンダイアフラム8の両者でもつ
て圧力測定室6を2分している。受圧ダイアフラ
ム7は、ダイアフラム7Aと孔70を有するダイ
アフラム7Bの2枚から構成されている。もちろ
んダイアフラムの数は3枚以上でも良く、又孔の
径は小さい方が好ましく、その数には制限はな
い。孔70は平坦な面に形成した方が加工上有利
である。ダイアフラムはエツチングにより形成さ
れるが、ダイアフラム7Aと7Bの間隙はできる
だけ小さくなるようにし、差圧△P(=PH−P
L)がダイアフラム7A側から作用した時、即座
に2枚のダイアフラム7A,7Bで受けるように
する。又、ダイアフラム7Aと7Bは類似の形状
に形成し、両ダイアフラム間で形成する空間を少
なくするようにする。ダイアフラム7Aと対向す
る圧力測定室6の壁6A、およびダイアフラム7
Bと対向する圧力測定室6の壁6Bには、ダイア
フラム7A,7Bと類似の形状のバツクプレート
が形成されている。このバツクプレート6A,6
Bは、圧力測定室6の容積を減少させるのに有効
である。
シリコンダイアフラム8は全体が単結晶のシリ
コン基板から形成されている。シリコン基板の一
方の面にボロン等の不純物を選択拡散して4つの
ストレンゲージ80を形成し、他方の面を機械加
工、エツチングし、全体が凹形のダイアフラムを
形成する。4つのストレンゲージ80は、シリコ
ンダイアフラム8が差圧△Pを受けてたわむ時、
2つが引張り、2つが圧縮を受けるようになつて
おり、これらがホイートストン・ブリツジ回路に
接続され、抵抗変化が差圧△Pの変化として検出
される。
ハウジング1は一般にステンレス鋼で作られて
おり、シリコンダイアフラム8とではかなりの熱
膨張係数の違いがある。このためハウジング1と
シリコンダイアフラム8との間に、シリコンと大
体同じ熱膨張係数を有する中空の支持体9を設
け、シリコンダイアフラム8を圧力測定室6内に
突出させるようにする。支持体9に硼圭酸ガラス
等の耐熱ガラスを使えば、シリコンダイアフラム
8、支持体9、ハウジング1の3者は陽極結合法
で接合でき、各部材間の接着面のすべりのない強
固な接着ができる。
ハウジング1と高圧側フランジ2、および低圧
側フランジ3との間に、圧力導入室10,11を
形成されている。この圧力導入室10,11内に
隔液ダイアフラム12,13を設け、この隔液ダ
イアフラム12,13と対向するハウジング1の
壁10A,11Aに隔液ダイアフラム12,13
と類似の形状のバツクプレートが形成されてい
る。隔液ダイアフラム12,13とバツクプレー
ト10A,11Aとで形成される空間と、圧力測
定室6は、連通口14,15を介して導通してい
る。そして、隔液ダイアフラム12,13間にシ
リコンオイル等の封入液が満たされ、この封入液
が連通口16,17を介してシリコンダイアフラ
ム8の上下面にまで至つている。封入液は受圧ダ
イアフラム7とシリコンダイアフラム8とによつ
て2分されているが、その量がほぼ均等になるよ
うに配慮されている。封入液量は、周囲の温度変
化の影響をできるだけ少なくする上で少ない方が
好ましいが、バツクプレート6A,6B,10
A,11Aが封入液量を少なくするのに役立つて
いる。
隔液ダイアフラム12,13のスチフネスは、
圧力に対する応答性、および封入液の熱膨張を吸
収する上で小さい方が好ましい。受圧ダイアフラ
ム7と隔液ダイアフラム12,13との間には、
隔液ダイアフラム12,13がバツクプレート1
0A,11Aに当接する前に受圧ダイアフラム7
がバツクプレート6A,6Bに当接しないような
関係にしておく。
かかる差圧変換器において、導入口4,5から
圧力PHの被測定高圧流体、圧力PLの被測定流体
がハウジング1内に導入された場合、流体の圧力
H,PLはそれぞれ隔液ダイアフラム12,13
を介して封入液に伝達され、シリコンダイアフラ
ム8により両流体の差圧△P=|PH−PL|が検
出されることになる。
この時、PH>PLとすると、隔液ダイアフラム
12および受圧ダイアフラム7は第3図の右方に
移動する。そして、圧力測定室6の左側半分の容
積変化量を△VH,△PH=PH−PLとすると、△
Hと△VHの関係は第4図のイとなる。すなわ
ち、△PHの増加と共に△VHも増加するが、a点
(△P1,△V1)を境に△VHは増加しない。このa
点が、断液ダイアフラム12がバツクプレート1
0Aに当接した時点であり、それ以上隔液ダイア
フラム12が右方へ移動しないたる△VHは増加
せず、またシリコンダイアフラム8にも△P1以上
の圧力は加わらないことになる。
同様に、PL>PH、△PL=PL−PH、圧力測
定室6の右側半分の容積変化量を△VLとする
と、△PLと△VLの関係は第4図のロとなる。b
点(△P2,△V2)は隔液ダイアフラム13がバツ
クプレート11Aに当接した時点である。
第4図から理解できるように、シリコンダイア
フラムの強度が強い方に対しては大きい差圧△
P1、または弱い方に対しては小さい差圧△P2が加
わるようにすることができ、△P1〜△P2の広い範
囲の差圧を検出することができる。また、シリコ
ンダイアフラムには△P1あるいは△P2以上の圧力
が加わらないため、測定流体の圧力に関係なく差
圧測定が可能となる。受圧ダイアフラムが1枚で
しかも高低圧両流体に対するスチフネスが同一の
場合、△PHと△VHの関係は第4図のハとなる。
すなわち、ダイアフラム1枚では、圧力方向が変
わつても△Pと△Vの関係は同じである。しか
も、VHとVLはほぼ均等であるから、△P2=△P3
となり、きわめて狭い範囲の差圧しか測定できな
い。
以上、本発明によれば、シリコンダイアフラム
の両面の耐圧に応じた差圧範囲を測定できる差圧
変換器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る原理図、第2図は第1図
の場合の△Pと△Vの関係を示す図、第3図は本
発明の一実施例になる差圧変換器の断面図、第4
図は第3図の場合の△Pと△Vの関係を示す図で
ある。 1……ハウジング、2……高圧側フランジ、3
……低圧側フランジ、4,5……導入口、6……
圧力測定室、6A,6B,10A,11A……バ
ツクプレート、7……受圧ダイアフラム、7A,
7B……ダイアフラム、8……シリコンダイアフ
ラム、9……支持体、10,11……圧力導入
室、12,13……隔液ダイアフラム、14,1
5,16,17……連通口、70……孔、80…
…ストレンゲージ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 その内部に封入液が満たされたハウジング
    と、前記封入液と測定すべき2つの流体とを分離
    する2つの隔液ダイアフラムと、この2つの隔液
    ダイアフラムにある一定量以上のハウジング側へ
    の移動を阻止する手段と、前記ハウジング内に設
    けられた機械―電気変換機能を有するシリコンダ
    イアフラムと、前記ハウジング内に設けられた一
    方が孔を有する2枚のダイアフラムからなる受圧
    ダイアフラムとよりなり、前記シリコンダイアフ
    ラムおよび受圧ダイアフラムにより前記封入液を
    2分するようにしたことを特徴とする差圧変換
    器。
JP2870479A 1979-03-14 1979-03-14 Pressure difference converter Granted JPS55122126A (en)

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JP2870479A JPS55122126A (en) 1979-03-14 1979-03-14 Pressure difference converter

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4285244A (en) * 1980-02-13 1981-08-25 Honeywell Inc. Non-symmetrical overload protection device for differential pressure transmitter
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