KR101792372B1

KR101792372B1 - 압력 센서 및 그것을 사용한 매스 플로우 미터 및 매스 플로우 컨트롤러

Info

Publication number: KR101792372B1
Application number: KR1020157019801A
Authority: KR
Inventors: 겐고 스즈키; 이사오 사카구치; 아츠시 가자마
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2017-10-31
Also published as: CN104956194A; US20150362391A1; KR20150099827A; JPWO2014188817A1; CN104956194B; WO2014188817A1; JP5839150B2; US9891124B2

Abstract

본 발명은, 스트레인 센서의 초기 제로점의 출력 오프셋 및 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 개선한 압력 센서를 얻는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 압력 센서는, 상기 과제를 해결하기 위하여, 압력에 의해 변형되는 박막부와 지지부를 포함하는 제1 재료로 형성된 다이어프램과, 해당 다이어프램 상에 접합되고, 제2 재료에 복수의 스트레인 게이지를 형성하고 있는 스트레인 센서를 구비하고, 상기 스트레인 센서가 상기 다이어프램의 중심으로부터 떨어진 단부 위치에 접합되어 있으며, 또한, 상기 다이어프램 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 대하여 수직인 방향이면서, 또한 상기 스트레인 센서와 인접 또는 소정 거리 떨어진 다이어프램 상에 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

압력 센서 및 그것을 사용한 매스 플로우 미터 및 매스 플로우 컨트롤러{PRESSURE SENSOR, AND MASS FLOW METER AND MASS FLOW CONTROLLER USING SAME}

본 발명은 압력 센서에 관한 것으로, 특히 압력 인가에 수반되는 다이어프램의 변형을 이용하여 압력을 검출하기에 적합한 압력 센서 및 그것을 사용한 매스 플로우 미터 및 매스 플로우 컨트롤러에 관한 것이다.

압력 인가에 수반하는 다이어프램의 변형을 이용하여 압력을 검출하는 압력 센서로서는, 다이어프램 상에 스트레인 게이지를 형성(부착 등)함으로써, 압력 인가에 수반되는 다이어프램의 변형을 스트레인으로서 검출하는 압력 센서가 잘 알려져 있다.

상술한 스트레인 게이지는, 약간의 변형으로도 자신의 전기 저항을 바꾼다. 통상 스트레인 게이지는 4개 1조로 형성되어 있고, 브리지 회로를 구성함으로써 압력에 비례한 차동 전압 출력으로서 계측하는 방법이 잘 사용되고 있으며, 브리지 회로를 구성하고, 스트레인 게이지 자체의 온도 특성을 보상하는 것을 가능하게 하고 있다. 예를 들어, 스트레인 게이지 자체에 온도 특성을 갖고 있어도, 온도 변화에 의한 4개의 스트레인 게이지의 변형이 각각 동등할 때는 스트레인 센서의 출력은 변동되지 않는다.

또한, 계측 대상의 압력이 낮은 경우에는 실리콘 기판을 일부 박막화함으로써 수압부로 되는 실리콘 다이어프램을 형성하고, 이 다이어프램 상에 스트레인 게이지를 불순물 확산으로 형성하는 구성의 압력 센서가 사용된다. 이 센서는, 감도가 높고, IC를 일체 구조로서 형성하는 것이 가능하다는 이점을 갖고 있다.

그러나, 계측 대상의 압력이 높은 경우나 내식성이 필요한 경우에는 적합하지 않고, 금속제의 다이어프램에 스트레인 게이지를 부착하거나, 스트레인 게이지를 형성한 스트레인 센서를 부착한 구성의 압력 센서가 많이 사용된다.

특허문헌 1에는 압력 센서가 개시되고, 제1 재료로 이루어지는 제1 다이어프램이 온도에 관한 가로 팽창을, 제2 재료의 스트레인 센서의 스트레인 게이지로 전달하게 되어 있고, 가로 팽창의 전달이, 제1 다이어프램과 적어도 일부 사이에 설치된 제1 결합 재료를 개재하여 행하여지도록 되어 있다. 게다가, 제1 재료로 이루어지는 제1 다이어프램이, 제2 재료의 스트레인 센서보다도 큰 열팽창 계수를 갖고 있으며, 제1 다이어프램이, 온도에 관한 가로 팽창을 스트레인 센서의 스트레인 게이지로 전달하여, 가로 팽창의 전달을, 제1 다이어프램과 제1 영역의 적어도 일부 사이에 설치된 제1 결합 재료를 개재하여 행하게 되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는 다이어프램의 직경 방향의 후육의 빔부와, 이 후육의 빔부를 제외한 박육의 막부와, 후육의 빔부의 상면에 형성된 스트레인 센서로 이루어지는 반도체 압력 센서의 다이어프램이 기재되고, 후육의 빔부와 박육의 막부로 단차가 형성되는 것을 상정할 수 있다.

일본 특허 공개 제2005-227283호 공보 일본 특허 공개(평) 6-241930호 공보

전술한 특허문헌 1에는, 스트레인 센서와 다이어프램의 열팽창 계수의 차에 의한 스트레인 센서의 파손을 방지하는 압력 센서의 구조가 기재되어 있지만, 스트레인 센서를 고온에서 고정하는 것에 의한 초기 제로점 출력의 오프셋이나, 센서 사용 시의 온도 변화에 수반되는 제로점 출력의 변동을 개선하는 효과는 기대할 수 없다.

통상 압력 인가나 온도 변화에 수반하여 스트레인 센서가 등방적으로 변형되는 장소에 스트레인 센서를 설치한 경우는, 브리지 회로의 기능에 의해 출력은 변동되지 않는다. 그러나, 스트레인 센서의 설치 장소는, 압력 인가에 수반하여 출력을 얻기 위하여, 스트레인 센서에 스트레인의 차가 발생하는 장소일 필요가 있다. 따라서, 온도 변화에 수반하여 스트레인 센서와 다이어프램의 열팽창 계수의 차에 의해 야기되는 스트레인 센서의 변형도 등방적이 아니고, 상기한 과제가 발생한다.

즉, 종래 구조의 압력 센서에 있어서는, 다이어프램 박막부의 단부에 스트레인 센서를 고정한 경우에는, 온도 변화에 수반하여 출력이 발생한다. 이것은, 다이어프램의 재료인 강의 열팽창 계수가, 스트레인 센서의 재료인 실리콘의 5배 이상으로 차가 있기 때문이다. 또한, 다이어프램 박막부의 변형을 효율적으로 스트레인 센서로 전달하기 위한 접합층이, 단단한 재료인 Au/Sn이나 Au/Ge로 형성되어 있는 영향도 크다.

또한, 압력 센서의 외부 온도가 저하되면, 스트레인 센서에는 X 방향(도 2 참조)과 Y 방향(도 2 참조) 모두에, 압축의 스트레인이 발생한다. 양자의 스트레인이 동등하면 출력은 변화하지 않지만, 다이어프램 박막부의 단부의 두께가 있는 부분에 스트레인 센서가 고정되어 있으므로, X 방향보다 Y 방향의 압축 스트레인이 더 커지기 때문에, 출력이 변화한다. 이것은, X 방향은 다이어프램 박막부가 변형됨으로써 응력 완화되고 있지만, Y 방향에서는 다이어프램 박막부의 면적이 작게 변형되기 어렵기 때문에, X 방향보다도 응력을 완화시킬 수 없는 것이 원인이다.

또한, 다이어프램과 스트레인 센서의 고정에는, Au/Sn 공정 접합 등의 280℃ 이상의 고온에서의 접합을 사용하기 때문에, 접합 후에 온도를 저하시키면, X 방향과 Y 방향에서 스트레인차가 생겨, 초기 제로점의 출력 오프셋으로서 검출된다. 이 초기 제로점의 출력 오프셋이 발생하면, 오프셋분을 제로로 수정하기 위한 회로가 필요해지거나, 압력 센서의 사용 범위가 좁아지거나 하는 등의 과제가 발생한다. 또한, 압력 센서의 사용 시에 있어서도, 민간용 압력 센서에 있어서는 100℃ 정도, 차량 탑재용 압력 센서에 있어서는 160℃ 정도의 온도 변화가 있기 때문에, 압력 센서의 제로점 출력은 변동되어 버린다.

또한, 특허문헌 2에는 스트레인 센서가 다이어프램의 단부에 배치되는 것에 대해서는 기재되어 있지 않고, 스트레인 센서와 단차의 위치 관계도 불분명하여, 상기 과제를 해결할 수 없는 것은 명확하다.

본 발명은 상술한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 점은 스트레인 센서의 초기 제로점의 출력 오프셋 및 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 개선한 압력 센서 및 그것을 사용한 매스 플로우 미터 및 매스 플로우 컨트롤러를 제공하는 데 있다.

본 발명의 압력 센서는, 상기 목적을 달성하기 위하여, 압력에 의해 변형되는 박막부와 지지부를 포함하는 제1 재료로 형성된 다이어프램과, 해당 다이어프램 상에 접합되고, 제2 재료에 복수의 스트레인 게이지를 형성하고 있는 스트레인 센서를 구비하고, 상기 스트레인 센서가 상기 다이어프램의 중심으로부터 떨어진 단부 위치에 접합되어 있으며, 게다가, 상기 다이어프램 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 대하여 수직인 방향이면서, 또한 상기 스트레인 센서와 인접 또는 소정 거리 떨어진 다이어프램 상에 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 매스 플로우 미터는, 상기 목적을 달성하기 위하여, 상기 구성의 압력 센서를 내장하여 평가 대상의 압력을 모니터링하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 매스 플로우 컨트롤러는, 상기 목적을 달성하기 위하여, 상기 구성의 압력 센서를 내장하여 평가 대상의 압력을 모니터링하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 스트레인 센서의 초기 제로점의 출력 오프셋 및 온도 변화에 수반되는 제로점의 출력 변동을 개선한 압력 센서 및 그것을 사용한 매스 플로우 미터 및 매스 플로우 컨트롤러를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 압력 센서의 실시예 1의 전회 구성을 도시하는 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 압력 센서를 파선 A-A를 따른 단면을 포함하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 압력 센서에 채용되는 스트레인 센서를 나타내고, 4개의 스트레인 게이지로 형성한 브리지 회로의 예이다.
도 4는 본 발명의 압력 센서의 실시예 1에 있어서의 다이어프램과 스트레인 센서로 구성되는 수압 구조를 도시하는 평면도이다.
도 5는 도 4의 일점쇄선 A-A를 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 압력 센서의 실시예 2에 있어서의 다이어프램과 스트레인 센서로 구성되는 수압 구조를 도시하는 평면도이다.
도 7은 도 6의 일점쇄선 A-A를 따른 단면도이다.
도 8은 본 발명의 압력 센서의 실시예 3에 있어서의 다이어프램과 스트레인 센서로 구성되는 수압 구조를 도시하는 평면도이다.
도 9는 도 8의 일점쇄선 A-A를 따른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 압력 센서의 실시예 4에 있어서의 다이어프램과 스트레인 센서로 구성되는 수압 구조를 도시하는 평면도이다.
도 11은 도 10의 일점쇄선 A-A를 따른 단면도이다.
도 12는 본 발명의 압력 센서의 실시예 5에 있어서의 다이어프램과 스트레인 센서로 구성되는 수압 구조를 도시하는 평면도이다.
도 13은 도 12의 일점쇄선 A-A를 따른 단면도이다.
도 14는 본 발명의 압력 센서의 실시예 6에 있어서의 다이어프램과 스트레인 센서로 구성되는 수압 구조를 도시하는 평면도이다.
도 15는 도 14의 일점쇄선 A-A를 따른 단면도이다.
도 16은 본 발명의 압력 센서의 실시예 7에 있어서의 다이어프램과 스트레인 센서로 구성되는 수압 구조를 도시하는 평면도이다.
도 17은 도 16의 일점쇄선 A-A를 따른 단면도이다.
도 18은 본 발명의 압력 센서의 실시예 8에 있어서의 다이어프램과 스트레인 센서로 구성되는 수압 구조를 도시하는 평면도이다.
도 19는 도 18의 일점쇄선 A-A를 따른 단면도이다.
도 20은 본 발명의 압력 센서의 실시예 9에 있어서의 다이어프램과 스트레인 센서로 구성되는 수압 구조를 도시하는 평면도이다.
도 21은 도 20의 일점쇄선 A-A를 따른 단면도이다.

이하, 도시된 실시예에 기초하여 본 발명의 압력 센서를 설명한다. 또한, 본 발명의 대상은 압력 센서이며, 이하의 실시예에서는, 스트레인 센서를 사용한 절대압 센서를 예로 하여 설명한다. 또한, 각 실시예에 있어서, 동일 구성 부품에는 동일 부호를 사용한다.

실시예 1

우선, 본 발명의 대상인 압력 센서의 전체 구성을 도 1 및 도 2를 사용하여 설명한다.

해당 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서의 압력 센서(1)는 기밀 하우징(5)과, 이 기밀 하우징(5)의 중앙부에 형성되어 있는 기밀 공간(6)에 배치되는 다이어프램(2)과, 이 다이어프램(2) 위에 접합층(4)을 개재하여 설치되는 스트레인 센서(3)로 개략 구성되어 있다.

상술한 다이어프램(2)은, 다이어프램 박막부(21)와, 이 다이어프램 박막부(21)를 지지하는 다이어프램 지지부(22)와, 다이어프램 지지부(22)를 기밀 하우징(5)에 고정하는 플랜지(23)와, 상세히 후술하는 다이어프램 박막부(21)에 형성된 단차(도시하지 않음)로 구성되어 있다.

또한, 다이어프램(2)은 제1 재료로 형성되어 있고, 예를 들어 내식성이 높은 강 등의 금속 재료를 재질로 한다. 게다가, 다이어프램(2)은 원통형을 이루고 있고, 중앙부를 가공에 의해 박막화되거나, 또는 가공을 실시한 얇은 기판을 중첩함으로써, 다이어프램 박막부(21)를 형성하고 있다. 박막화의 가공 방법으로서는, 절삭이나 프레스 가공, 확산 접합 등이 있다.

한편, 다이어프램 박막부(21)의 단부는 필렛이 형성되어 있고, 압력 인가나 온도 변화에 수반하는 응력 집중을 완화시키는 구조로 되어 있다. 또한, 다이어프램 박막부(21)는, 계측 대상의 압력을 스트레인 센서(3)의 설치면과 반대의 면으로부터 받음으로써 변형되어, 접합한 스트레인 센서(3)에 압력에 비례한 스트레인을 발생시키는 구조로 되어 있다. 또한, 다이어프램 지지부(22)는, 다이어프램 박막부(21)보다 두껍기 때문에, 계측 대상의 압력의 영향으로 변형되기 어려운 구조로 되어 있다. 또한, 플랜지(23)는 다이어프램 지지부(22)와 기밀 하우징(5)의 접속을 위하여 형성되어 있고, 저항 용접이나 레이저 용접이 가능한 두께와 폭을 구비하고 있다.

이어서, 스트레인 센서(3)의 구성에 대하여, 도 1 내지 도 3을 사용하여 설명한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 스트레인 센서(3)의 표면 중심에는, 4개의 스트레인 게이지(7a, 7b, 7c, 7d)가 형성되어 있고, 4개 1조의 브리지 회로가 구성되어 있다. 또한, 스트레인 센서(3)는 선팽창률이 다이어프램(2)의 제1 재료와 상이한 제2 재료(예를 들어, 실리콘 등)로 형성되어 있고, 스트레인 게이지(7a, 7b, 7c, 7d)는, 예를 들어 실리콘 기판에 불순물 확산하거나 함으로써 형성되어 있다. 또한, 스트레인 게이지(7a, 7b)는, 도 2에 도시하는 다이어프램(2)의 수평 방향인 다이어프램(2)의 중심으로부터 스트레인 센서(3)가 접합된 방향(이하, X 방향이라고 함)이, 스트레인 게이지(7c, 7d)는, 도 2에 도시하는 다이어프램(2)의 전후 방향인 다이어프램(2)의 중심으로부터 스트레인 센서(3)가 접합된 방향에 대하여 수직인 방향(이하, Y 방향이라고 함)이 전류 방향으로 되도록 배치되어 있다.

이러한 스트레인 센서(3)의 구성에 의해, X 방향과 Y 방향의 변형차에 비례한 출력이 브리지 회로의 중간 전위의 차동 출력으로서 얻어진다. 한편, 스트레인 게이지(7a, 7b, 7c, 7d)의 게이지율의 온도 특성에 의한 영향은, 온도 특성이 4개인 스트레인 게이지(7a, 7b, 7c, 7d)에서 동등하면, 저항 변화도 동등해져, 브리지 회로로 보상할 수 있다.

또한, 원통형의 다이어프램(2)의 압력에 의한 변형은, 축 대칭이면서, 또한 다이어프램(2)의 중앙에 스트레인 센서(3)를 배치하면, X 방향과 Y 방향의 변형차가 얻어지지 않는다. 따라서, 스트레인 센서(3)는 감도의 향상을 목적으로, 다이어프램 박막부(21)의 단부에 설치하고 있다. 스트레인 센서(3)를 다이어프램 박막부(21)의 단부에 설치함으로써, 스트레인 센서(3)에 X 방향과 Y 방향에서, 각각 압축 변형과 인장 변형이 발생하여, 변형차를 크게 하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 압력 센서(1)의 감도의 향상을 예상할 수 있다.

또한, 다이어프램(2)과 스트레인 센서(3)는, 접합층(4)을 개재하여 견고하게 고정되어 있다.

예를 들어, 다이어프램(2)과 스트레인 센서(3)의 접합에 금속 접합 혹은 유리 접합을 사용함으로써, 장기간의 온도나 압력 인가에 수반하는 크리프 변형을 억제할 수 있다. 또한, 금속은 단단한 재료이기 때문에, 다이어프램 박막부(21)의 변형을 스트레인 센서(3)에 효율적으로 전달할 수 있다.

상술한 금속 접합으로서, Au/Sn 공정 접합이나 Au/Ge 공정 접합 등을 사용할 수 있고, 280℃ 이상의 고온에서 접합할 수 있다. 또한, 상술한 유리 접합으로서, 바나듐계 저융점 유리(V-glass)를 사용할 수 있고, 370℃ 이상의 고온에서 접합할 수 있다.

또한, 기밀 하우징(5)은, 다이어프램(2)이나 스트레인 센서(3)를 둘러싸도록 플랜지(23)와 고정되어 있고, 다이어프램 박막부(21)의 주위의 기밀 공간(6)을, 일정한 기압(예를 들어, 진공)으로 유지하고 있다. 기밀 하우징(5)과 플랜지(23)의 고정에는, 예를 들어 저항 용접이나 레이저 용접 등의 기밀성을 유지 가능한 고정 방법을 사용할 수 있다. 이에 의해, 압력 센서(1)의 사용 시에는 계측 대상 이외의 압력 변동의 영향을 받지 않는 절대압 센서로서 구성할 수 있다.

또한, 기밀 하우징(5)에는 압력 센서(1)를 소정의 개소에 고정하기 위한 복수의 나사 구멍을 형성할 수 있다. 이 나사 구멍은, 나사의 체결에 의해 기밀 하우징(5)에 불측의 응력이 가해져, 스트레인 센서(3)에 의한 변형의 측정에 악영향을 미치지 않도록, 예를 들어 다이어프램(2)으로부터 떨어진 위치에 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 압력 센서(1)에는 스트레인 센서(3)로부터의 출력을 외부에 취출할 수 있는 전극(도시 생략)을 설치할 수 있다. 이 전극은, 예를 들어 기밀 하우징(5)의 기밀 공간(6)과 외부와 연통되는 구멍에, 전기적 절연을 갖고 복수개 관통시켜 설치할 수 있다. 또한, 전극의 기밀 공간(6)측의 단부와 스트레인 센서(3)는, 예를 들어 플렉시블 플랫 케이블 등의 유연성이 있는 배선 부재(도시 생략)를 사용하여 전기적으로 접속할 수 있다. 이에 의해, 다이어프램 박막부(21) 및 이것에 접합된 스트레인 센서(3)가 평가 대상의 압력 변동에 따라 이동한 경우에도 전극과 스트레인 센서(3)의 전기적 접속을 안정되게 유지할 수 있다.

이어서, 본 실시예에 있어서의 다이어프램 박막부(21)에 형성된 단차(24)에 대하여, 도 4 및 도 5를 사용하여 설명한다. 또한, 도 4의 파선은, 다이어프램 박막부(21)의 외형을 나타내는 숨은선이다(이하에 설명하는 각 실시예에 있어서의 파선도 마찬가지임).

해당 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는, 다이어프램(2)에 가공을 실시함으로써, 다이어프램(2)을 Y 방향으로도 변형되기 쉽게 하여, 스트레인 센서(3)에 가해지는 Y 방향의 압축 변형을 저감시키도록 한 것이다. 즉, 다이어프램(2)의 중심으로부터 스트레인 센서(3)가 접합된 방향(X 방향)에 대하여 수직인 방향(Y 방향)이면서, 또한 스트레인 센서(3)와 인접 또는 소정 거리(실장 위치 어긋남(가공 어긋남 포함함)을 포함하고, 다이어프램 박막부(21)를 포함하는 범위의 거리) 떨어진 다이어프램(2) 상에 단차(24a, 24b)를 형성한 것이다. 즉, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는, 다이어프램(2)의 표면을 파내려 감으로써, 스트레인 센서(3)의 Y 방향으로, 스트레인 센서(3)를 사이에 두도록 2개소에 단차(24a, 24b)를 형성하고 있다. 이 단차(24a, 24b)를 형성함으로써, Y 방향의 다이어프램 박막부(21)의 변형이 용이해져, X 방향과 Y 방향의 스트레인의 차가 작아지므로, 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 억제하는 것이 가능해진다.

상술한 단차(24a, 24b)는, 다이어프램 박막부(21)를 관통하지 않는 일정한 깊이로 형성되어 있다. 또한, 단차(24a, 24b)의 X 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)의 길이는 접합한 스트레인 센서(3)와 동등한 길이로 형성되어 있고, 단차(24a, 24b)의 위치는 스트레인 센서(3)의 단부터 단까지 위치 어긋남 없이 형성되어 있다. 한편, 단차(24a, 24b)의 Y 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)의 길이는 다이어프램(2)의 단까지는 형성되어 있지 않고, 단차(24a, 24b)의 위치는, 스트레인 센서(3)와 인접 또는 소정 거리 떨어져 있고, 적어도 일부가 다이어프램 박막부(21)를 포함하는 범위에 형성되어 있다.

또한, 온도 변화에 따라 스트레인 센서(3)에 가해지는 압축 스트레인은, 스트레인 센서(3)의 Y 방향의 다이어프램(2)의 표면을 파내려 간 단차(24a, 24b)를 형성함으로써, Y 방향의 다이어프램 박막부(21)의 변형이 용이해져, Y 방향의 압축 스트레인이 완화된다. 이에 의해, X 방향과 Y 방향의 스트레인의 차가 작아져, 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 억제할 수 있다.

또한, 단차(24a, 24b)가, 스트레인 센서(3)의 이웃에만 형성되어 있으므로, 압력이 인가된 경우의 다이어프램 박막부(21) 전체의 변형량이 억제되어, 다이어프램 박막부(21)에 집중하는 응력을 단차(24a, 24b)가 없는 경우와 동등하게 할 수 있다. 이에 의해, 온도 변화에 수반하는 제로점 출력의 변동을 억제하면서, 압력 인가에 수반하는 변형에서의 다이어프램(2)의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 단차(24a, 24b)는, 스트레인 센서(3)로부터 Y 방향으로 일정 거리 떨어진 장소에 형성되어 있고, 스트레인 센서(3)를 실장하는 위치를 어긋나게 함으로써, 스트레인 센서(3)와 단차(24a, 24b)가 겹쳐지지는 않는다. 이에 의해, 스트레인 센서(3)의 접합 면적 감소의 방지, 단차(24a, 24b)의 단부에서 발생하는 응력 집중 기인의 접합층(4)의 크리프 변형을 방지하는 효과가 있다.

이러한 본 실시예의 구성으로 함으로써, 스트레인 센서(3)의 초기 제로점의 출력 오프셋 및 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 개선한 압력 센서(1)를 얻을 수 있다. 즉, 본 실시예의 압력 센서(1)와 같이, 다이어프램(2) 상을 파내려 감으로써 단차(24a, 24b)를 형성하고, 스트레인 센서(3)의 고정을 위한 접합에 수반하는 열응력에 의한 초기 제로점의 출력 오프셋이나, 센서 사용 시의 온도 변화에 수반하는 열응력에 의한 제로점 출력 변동을 억제하는 것이 가능한 압력 센서(1)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 저비용화를 목적으로, 다이어프램(2)의 재료를 스트레인 센서(3)와 열팽창 계수가 상이한 저렴한 재료로 한 경우에 있어서도, 초기 제로점 출력의 오프셋을 억제하여, 사용 온도의 변화에 수반하는 출력 변동인 온도 특성을 개선하는 효과가 얻어진다.

실시예 2

도 6 및 도 7에 본 발명의 압력 센서의 실시예 2을 나타낸다. 이하에 기재하는 실시예 2에서는, 실시예 1과의 상위점만 설명한다.

해당 도면에 나타내는 본 실시예에서는, 단차(24a, 24b)는, 다이어프램 박막부(21)를 관통하지 않는 일정한 깊이로 형성되어 있음과 함께, 단차(24a, 24b)의 X 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)의 길이는 접합한 스트레인 센서(3)보다 길게 형성되어 있고, 스트레인 센서(3)와 동등한 위치로부터 중심을 걸치는 범위에 형성되어 있다. 또한, 다이어프램 지지부(22)의 표면에 크게 단차(24a, 24b)를 형성하지 않는 것은, 다이어프램 지지부(22)가 다이어프램 박막부(21)보다 두껍게 변형되기 어렵기 때문에, 압축 스트레인을 완화시키는 효과가 다이어프램 박막부(21)보다 작기 때문이다. 한편, 단차(24a, 24b)의 Y 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)의 길이는 다이어프램(2)의 단까지 형성되어 있지 않고, 단차(24a, 24b)의 위치는 스트레인 센서(3)로부터 인접 또는 소정 거리 떨어져 있고, 적어도 일부가 다이어프램 박막부(21)를 포함하는 범위에 형성되어 있다.

이렇게 구성함으로써, 실시예 1과 마찬가지의 효과가 얻어진다.

또한, 온도 변화에 따라 스트레인 센서(3)에 가해지는 압축 스트레인에는, 스트레인 센서(3)의 Y 방향의 다이어프램(2)의 표면을 파내려 가서 단차(24a, 24b)를 형성함으로써, Y 방향의 다이어프램 박막부(21)의 변형이 용이해져, Y 방향의 압축 변형이 완화된다. 이에 의해, X 방향과 Y 방향의 스트레인의 차가 작아져, 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 억제할 수 있다. 또한, 단차(24a, 24b)를 실시예 1보다도 크게 함으로써, 다이어프램 박막부(21)의 Y 방향으로의 변형은, 실시예 1보다 용이하여, 보다 압축 변형을 완화시킬 수 있는 효과가 있다.

실시예 3

도 8 및 도 9에 본 발명의 압력 센서의 실시예 3을 나타낸다. 이하에 나타내는 실시예 3에서는, 실시예 1과의 상위점만 설명한다.

해당 도면에 나타내는 본 실시예에서는, 단차(24a, 24b)는, 다이어프램 박막부(21)를 관통하지 않는 일정한 깊이로 형성되어 있음과 함께, 단차(24a, 24b)의 X 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)는, 다이어프램(2)의 단부터 단까지 형성되어 있다. 한편, 단차(24a, 24b)의 Y 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)의 길이는 다이어프램(2)의 단까지 형성되어 있지 않고, 단차(24a, 24b)의 위치는 스트레인 센서(3)로부터 인접 또는 소정 거리 떨어져 있고, 적어도 일부가 다이어프램 박막부(21)를 포함하는 범위에 형성되어 있다.

이와 같이, 단차(24a, 24b)를 다이어프램(2)의 단까지 형성하는 구조로 함으로써, 실시예 1과 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 물론, 다이어프램 박막부(21)의 형성 후에, 프라이즈반 등을 사용한 가공을 용이하게 행할 수 있어, 저비용화도 도모된다.

또한, 온도 변화에 따라 스트레인 센서(3)에 가해지는 압축 스트레인은, 스트레인 센서(3)의 Y 방향의 다이어프램(2)의 표면을 파내려 가서 단차(24a, 24b)를 형성함으로써, Y 방향의 다이어프램 박막부(21)의 변형이 용이해져, Y 방향의 압축 스트레인이 완화된다. 이에 의해, X 방향과 Y 방향의 스트레인의 차가 작아져, 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 억제할 수 있다. 또한, 단차(24a, 24b)를 실시예 1보다도 크게 함으로써, 다이어프램 박막부(21)의 Y 방향으로의 변형은, 실시예 1보다 용이하여, 보다 압축 변형을 완화시킬 수 있는 효과가 있다.

실시예 4

도 10 및 도 11에 본 발명의 압력 센서의 실시예 4를 나타낸다. 이하에 기재하는 실시예 4에서는, 실시예 1과의 상위점만 설명한다.

해당 도면에 나타내는 본 실시예에서는, 단차(24a, 24b)는, 다이어프램 박막부(21)를 관통하지 않는 일정한 깊이로 형성되어 있음과 함께, 단차(24a, 24b)의 X 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)가 다이어프램(2)의 단부터 단까지 형성되어 있다. 한편, 단차(24a, 24b)의 Y 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)는, 스트레인 센서(3)와 인접 또는 소정 거리 떨어진 위치부터 다이어프램(2)의 단까지 형성되어 있다.

또한, 온도 변화에 따라 스트레인 센서(3)에 가해지는 압축 스트레인은, 스트레인 센서(3)의 Y 방향의 다이어프램(2)의 표면을 파내려 가서 단차(24a, 24b)를 형성함으로써, Y 방향의 다이어프램 박막부(21)의 변형이 용이해져, Y 방향의 압축 변형이 완화된다. 이에 의해, X 방향과 Y 방향의 스트레인의 차가 작아져, 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 억제할 수 있다. 또한, 단차(24a, 24b)를 실시예 1 내지 3보다도 크게 함으로써, 다이어프램 박막부(21)의 Y 방향으로의 변형은, 실시예 1 내지 3보다 용이하여, 보다 압축 스트레인을 완화시킬 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 실시예 1 내지 3과 같은 가공을 실시해도, Y 방향의 압축 스트레인이 X 방향보다 큰 경우에 있어서는, 본 실시예의 구성에 의해, 제로점의 출력 변동을 더 억제할 수 있다.

실시예 5

도 12 및 도 13에 본 발명의 압력 센서의 실시예 5를 나타낸다. 이하에 기재하는 실시예 5에서는, 실시예 1과의 상위점만 설명한다.

해당 도면에 나타내는 본 실시예에서는, 단차(24a, 24b)는, 다이어프램 박막부(21)를 관통하지 않는 일정한 깊이로 형성되어 있음과 함께, 단차(24a, 24b)의 X 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)가 다이어프램(2)의 단부터 단까지 형성되어 있다. 한편, 단차(24a, 24b)의 Y 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)는, 스트레인 센서(3)의 인접한 위치부터 다이어프램(2)의 단까지 형성되어 있다.

이와 같이, 단차(24a, 24b)가 인접함으로써, 실시예 1과 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 물론, 스트레인 센서(3)의 실장 시의 얼라인먼트에 이용할 수 있어, 스트레인 센서(3)의 위치 결정을 용이하게 행할 수 있다.

또한, 온도 변화에 따라 스트레인 센서(3)에 가해지는 압축 스트레인은, 스트레인 센서(3)의 Y 방향의 다이어프램(2)의 표면을 파내려 가서 단차(24a, 24b)를 형성함으로써, Y 방향의 다이어프램 박막부(21)의 변형이 용이해져, Y 방향의 압축 스트레인이 완화된다. 이에 의해, X 방향과 Y 방향의 스트레인의 차가 작아져, 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 억제할 수 있다. 또한, 단차(24a, 24b)를 실시예 1 내지 3보다도 크게 함으로써, 다이어프램 박막부(21)의 Y 방향으로의 변형은, 실시예 1 내지 3보다 용이하여, 보다 압축 스트레인을 완화시킬 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 실시예 1 내지 3과 같은 가공을 실시해도, Y 방향의 압축 변형이 X 방향보다 큰 경우에 있어서는, 본 실시예의 구성에 의해, 제로점의 출력 변동을 더 억제할 수 있다.

실시예 6

도 14 및 도 15에 본 발명의 압력 센서의 실시예 6을 나타낸다. 이하에 나타내는 실시예 6에서는, 실시예 1과의 상위점만 설명한다.

해당 도면에 나타내는 본 실시예에서는, 단차(24a, 24b)는, 다이어프램 박막부(21)를 관통하지 않는 일정한 깊이로 형성되어 있음과 함께, 단차(24a, 24b)의 X 방향에 있어서는, 길이는 접합된 스트레인 센서(3)보다 길게 형성되어 있고, 단차(24a, 24b)의 위치는 다이어프램(2)의 단부터 다이어프램(2)의 중심 위치까지 형성되어 있다. 한편, 단차(24a, 24b)의 Y 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)가 스트레인 센서(3)와 인접 또는 소정 거리 떨어진 위치부터 다이어프램(2)의 단까지 형성되어 있고, 적어도 일부가 다이어프램 박막부(21)를 포함하는 범위에 형성되어 있다.

또한, 온도 변화에 따라 스트레인 센서(3)에 가해지는 압축 스트레인은, 스트레인 센서(3)의 Y 방향의 다이어프램(2) 표면을 파내려 가서 단차(24a, 24b)를 형성함으로써, Y 방향의 다이어프램 박막부(21)의 변형이 용이해져, Y 방향의 압축 스트레인이 완화된다. 이에 의해, X 방향과 Y 방향의 스트레인의 차가 작아져, 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 억제할 수 있다.

또한, 단차(24a, 24b)의 가공을 실시하지 않는 구조에 있어서는, 압력 인가에 수반하여, 다이어프램(2)의 중심으로부터 스트레인 센서(3)의 설치 방향과는 역방향의 다이어프램 박막부(21)의 단부에서 응력이 집중된다. 따라서, 단차(24a, 24b)를 응력이 집중되는 스트레인 센서(3)의 설치 방향에는 단차를 형성하지 않음으로써, 다이어프램 박막부(21)에의 응력 집중의 증가를 억제할 수 있어, 다이어프램(2)의 파손을 방지할 수 있다.

실시예 7

도 16 및 도 17에 본 발명의 압력 센서의 실시예 7을 나타낸다. 이하에 나타내는 실시예 7에서는, 실시예 1과의 상위점만 설명한다.

해당 도면에 나타내는 본 실시예에서는, 단차(24a, 24b)는, 다이어프램 박막부(21)를 관통하지 않는 일정한 깊이로 형성되어 있음과 함께, 단차(24a, 24b)의 X 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)가 다이어프램 박막부(21)의 단부부터 다이어프램(2)의 중심을 걸치는 다른 한쪽 다이어프램 박막부(21)의 단부까지 형성되어 있다. 한편, 단차(24a, 24b)의 Y 방향에 있어서는, 단차(24a, 24b)가 스트레인 센서(3)와 인접 또는 소정 거리 떨어진 위치부터 다이어프램 박막부(21)의 단부까지 형성되어 있고, 다이어프램 지지부(22)의 표면에는 형성되어 있지 않다.

또한, 온도 변화에 따라 스트레인 센서(3)에 가해지는 압축 스트레인은, 스트레인 센서(3)의 Y 방향의 다이어프램(2)의 표면을 파내려 가서 단차(24a, 24b)를 형성함으로써, Y 방향의 다이어프램 박막부(21)의 변형이 용이해져, Y 방향의 압축 스트레인이 완화된다. 이에 의해, X 방향과 Y 방향의 스트레인의 차가 작아져, 온도 변화에 수반하는 제로점의 출력 변동을 억제할 수 있다.

또한, 단차(24a, 24b)의 가공을 실시하지 않는 구조에 있어서는, 압력 인가에 수반하여, 다이어프램 박막부(21)의 단부에서 응력 집중이 발생한다. 따라서, 단차(24a, 24b)를 응력이 집중되는 다이어프램 박막부(21)의 단부를 넘어서 형성하지 않음으로써, 다이어프램 박막부(21)에의 응력 집중의 증가를 억제할 수 있어, 다이어프램(2)의 파손을 방지할 수 있다.

실시예 8

도 18 및 도 19에 본 발명의 압력 센서의 실시예 8을 나타낸다. 이하에 기재하는 실시예 8은, 도 8 및 도 9에 나타내는 실시예 3의 변형예이며, 실시예 3과 상위점만 설명한다.

해당 도면에 나타내는 본 실시예에서는, 플랜지(23)의 상방이면서, 또한 다이어프램 지지부(22)의 측면에, 스트레인 센서(3)가 접합된 위치로부터 다이어프램 중심 방향(X 방향)으로 연신되는 절결(25)이 형성되어 있는 것이다. 다른 구성은, 실시예 3과 마찬가지이다.

통상 플랜지(23)는, 타부재인 예를 들어 가스 유로 베이스(도시하지 않음)에 설치하기 위한 것이지만, 이 가스 유로 베이스로 설치할 때, 가스가 누설되지 않도록 플랜지(23)의 저부와 가스 유로 베이스 사이에 O링 또는 메탈 O링을 개재하여 나사 체결하고 있다. 그러나, 그 나사 체결에 의해 플랜지(23)가 변형되어, 다이어프램 지지부(22) 및 다이어프램 박막부(21)에 스트레인을 부여하고, 스트레인 센서(3)가 그 스트레인을 검지해 버려, 스트레인 센서(3)로 검지한 스트레인이, 경시적으로 변화하면 센서 정밀도에 영향을 미쳐 버릴 우려가 있다.

그러나, 상술한 본 실시예에 의하면, 실시예 3과 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 물론, 다이어프램 지지부(22)의 측면에 절결(25)을 형성함으로써, 플랜지(23)의 변형을 다이어프램 박막부(21)에 전반하는 것을 억제할 수 있고, 나사 체결에 의해 플랜지(23)가 변형되었다고 해도, 플랜지(23)의 변형을 다이어프램 박막부(21)에 전반하는 것이 억제되므로, 스트레인 센서(3)가 스트레인을 검지하는 일이 없어져, 센서 정밀도에 영향을 미치지 않는다는 효과가 있다.

실시예 9

도 20 및 도 21에 본 발명의 압력 센서의 실시예 9를 나타낸다. 이하에 기재하는 실시예 9는, 도 18 및 도 19에 기재하는 실시예 8의 변형예이며, 실시예 8과 상위점만 설명한다.

해당 도면에 나타내는 본 실시예에서는, 다이어프램(2)의 표면에, 스트레인 센서(3)의 선팽창 계수와 가까운 선팽창 계수의 재질로 이루어지는 피접합 부재(26)를 갖고, 이 피접합 부재(26) 및 접합층(4)을 개재하여 스트레인 센서(3)가 접합되어 있음과 함께, 피접합 부재(26)면에, 실시예 8과 마찬가지의 단차(24a, 24b)가 형성되어 있다.

통상 실리콘으로 이루어지는 스트레인 센서(3)를 다이어프램(2)면에 접합하는 수단은, 크리프 등의 문제로부터 견고한 금속 접합(Au/Sn 공정 접합이나 Au/Ge 공정 접합) 혹은 유리 접합(V-glass)이 유효하다. 어느 쪽 접합도 280℃ 이상의 온도에서 접합재를 용융시켜 접착하는 것이며, 선팽창 계수가 상이한 재료를 접합하면 고착 시에 큰 스트레인이 잔류되어 버린다.

선팽창 계수가 15.9×10^-6/℃의 내식성 양호한 SUS316L재로 이루어지는 다이어프램(2)과 선팽창 계수가 3.1×10^-6/℃의 실리콘으로 이루어지는 스트레인 센서(3)를 접합하면, 선팽창 계수가 지나치게 상이하여, 극단적인 경우, 스트레인 센서(3)에 균열이 생겨 버린다. 또한, 크랙 없이 접합할 수 있었다고 해도, 온도 변화에 따라 열수축차에 의한 스트레인이 발생하여, 온도 특성이 나쁜 센서로 되어 버린다.

그러나, 상술한 본 실시예에 의하면, 실시예 8과 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 물론, 다이어프램(2)의 표면에, 스트레인 센서(3)의 선팽창 계수와 가까운 선팽창 계수의 재질로 이루어지는 피접합 부재(26)를 갖고, 이 피접합 부재(26)를 개재하여 스트레인 센서(3)가 접합되어 있으므로, 양자가 선팽창 계수가 가까워, 스트레인 센서(3)에 균열이 생기는 일이 없어져, 온도 변화에 따라 열수축차에 의한 스트레인도 발생하지 않아, 온도 특성이 양호한 센서를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 피접합 부재(26)는, 선팽창 계수가 실리콘에 가까운 것으로 하는 것이 최선이며, 예를 들어 선팽창 계수 5×10^-6/℃ 정도의 Kovar(Ni-Co-Fe) 또는 42Alloy(42Ni-Fe) 등이 바람직하다.

단, 이들 재료는, 내식성으로부터 접가스 부재로서 바람직하지 않다. 따라서, 저선팽창재와 SUS316L재를 맞댄 복합재를 가공하여, 접가스부를 SUS316L재로 한 다이어프램(2)을 실현하고 있다. 또한, 다이어프램 박막부(21)는, 최대한 SUS316L층이 얇은 것이 좋고, 다이어프램 박막부(21)의 전체 두께(도 21에 L로 나타냄)의 1/4 이하가 바람직하다.

또한, 실시예 9에서는, 다이어프램(2)의 표면 전체에 피접합 부재(26)를 갖고 있지만, 스트레인 센서(3)가 설치되어 있는 개소의 다이어프램 박막부(21)에 피접합 부재(26)가 갖고 있는 것이어도 좋다. 이 경우는, 다이어프램(2)의 표면에 상술한 단차(24a, 24b)가 형성되게 된다.

이어서, 본 발명에 있어서의 다이어프램 박막부(21)의 단차(24a, 24b)의 효과를 확인하기 위하여, 본 발명자들이 행한 유한 요소법에 의한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 압력 센서(1)의 감도와 온도 특성을 계산한 결과를 설명한다.

계산에 사용한 다이어프램(2)의 형상은, 다이어프램 지지부(22)의 외경이 10.0㎜, 다이어프램(2)의 높이가 2.0㎜, 다이어프램 지지부(22)의 내경이 7.6㎜, 다이어프램 박막부(21)의 두께를 0.25㎜로 하고, 단차(24a, 24b)의 형상은 도 4 내지 도 7 또는 도 10 및 도 11의 형상으로 하고, 단차(24a, 24b)의 깊이는 0.1㎜로 했다. 또한, 다이어프램(2)의 선팽창률의 값에는 Ni-Co 합금(코바)의 값인 5.1×10^-6/K를 사용했다.

계산에 사용한 스트레인 센서(3)의 형상은, 종횡이 각각 2.4㎜, 두께를 0.16㎜로 하고, 스트레인 센서(3)의 선팽창률의 값에는 실리콘의 값인 3.0×10^-6/K를 사용했다. 또한, 스트레인 센서(3)의 접합 위치는, 스트레인 센서(3)의 중심이 다이어프램 박막부(21)의 중심으로부터 직경 방향으로 2.9㎜만 떨어진 위치에 오는 위치로 했다.

계산에 사용한 접합층(4)의 형상은, 종횡이 각각 2.4㎜, 두께를 0.01㎜로 하고, 접합층(4)의 선팽창 계수의 값에는 Au/Sn 공정 합금의 값인 17.5×10^-6/K를 사용했다.

압력 센서(1)의 감도는, 다이어프램 박막부(21)에 평가 대상의 압력이 가해진 경우의 스트레인 센서(3)로 검지되는 X 방향의 변형 ε_X와 Y 방향의 변형 ε_Y의 차ε_X-ε_Y로 평가하고, 단차(24a, 24b)가 없는 경우의 감도를 1로 한 경우의 계수로서 구했다.

압력 센서(1)의 온도 특성은, Au/Sn 공정 합금의 융점인 280℃부터 20℃까지 냉각되는 과정에서 생기는 ε_X-ε_Y의 값을 계산하고, 단차(24a, 24b)가 없는 경우의 온도 계수를 1로 한 경우의 계수로서 구했다.

시뮬레이션의 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 관한 도 4 내지 도 7 또는 도 10 및 도 11에 도시하는 단차(24a, 24b)를 형성한 다이어프램(2)을 채용한 경우는, 단차(24a, 24b)가 없는 경우에 비하여 압력 센서(1)의 감도, 온도 특성이 모두 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

상기한 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 실제로 확인하기 위하여, 상기한 사이즈와 도 8 및 도 9의 형상을 갖는 다이어프램(2)을 Ni-Co 합금(코바)으로 제작하고, 이것에 상기한 사이즈의 스트레인 센서(3)를 상기한 위치에 Au/Sn 공정 합금을 사용하여 금속 접합하여, 압력 센서 a를 제작했다.

또한, 비교 자료로서, 동일한 재료로 단차가 없는 다이어프램을 제작하고, 마찬가지로 스트레인 센서를 금속 접합하여, 압력 센서 b를 제작했다.

이들 압력 센서의 다이어프램에, 압력 500Pa의 질소 가스를 첨가했을 때의 감도를 측정한 바, 압력 센서 b가 1.00인 것에 대해, 압력 센서 a에서는 1.13이었다.

또한, 이들 압력 센서를 5℃부터 60℃까지 가열했을 때의 온도 계수의 절댓값을 측정한 바, 압력 센서 b에서는 0.60με/℃인 것에 대해, 압력 센서 a에서는 0.42με/℃이었다.

이상의 결과로부터, 본 발명에 관한 압력 센서는, 종래의 압력 센서에 비하여 감도 및 온도 특성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

이어서, 본 발명의 실시예 8에 있어서, 메탈 O링을 개재하여 플랜지(23)를 유로 베이스에 체결했을 때의 스트레인 센서(3)가 감수하는 출력을 표 2에 나타낸다(표 2는 절결(25)이 없는 경우의 출력을 1로서 표시하고 있음). 그때의 도 19에 나타내는 W 치수는 1.4㎜, 높이 치수 H는 2.8㎜이다.

표 2로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 절결(25)이 있음으로써 체결 변형이 다이어프램 박막부(21)에 전반하기 어려워져, 스트레인 센서(3)의 출력은 경감되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 높이 H를 크게 하면, 그 효과가 더 큰 것도 알 수 있다.

이상 설명한 본 발명에 관한 압력 센서(1)의 용도는, 특별히 한정되는 것은 아니나, 다이어프램(2)을 형성하는 제1 재료에 내식성이 높은 강 등의 재료를 채용한 경우에는, 예를 들어 부식성이 높은 계측 대상의 압력을 측정하는 용도 등에 적절하게 사용할 수 있다. 이러한 용도에 사용하는 경우, 다이어프램(2)을 형성하는 제1 재료에 내식성이 높은 강 등의 재료를 채용하는 것 대신에 또는 내식성이 높은 강 등의 재료를 채용하는 것에 추가하여, 제1 재료의 표면에 각종 코팅을 실시할 수 있다. 코팅은, 예를 들어 니켈이나 금 등의 내식성이 우수한 금속의 도금층으로서 구성해도 좋고, 불소 수지 등의 내부식성이 우수한 수지의 도포층으로서 구성해도 좋고, 이들의 조합이어도 좋다.

또한, 본 발명에 관한 압력 센서(1)는, 소형이고, 온도 특성이 우수하므로, 예를 들어 반도체 제조 장치에 사용되는 매스 플로우 미터나 매스 플로우 컨트롤러 등에 내장하여 계측 대상의 압력을 모니터링하는 용도에도 적절하게 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형예가 포함된다.

예를 들어, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위하여 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 또한 어느 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 추가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대하여, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.

1…압력 센서, 2…다이어프램, 3…스트레인 센서, 4…접합층, 5…기밀 하우징, 6…기밀 공간, 7a, 7b, 7c, 7d…스트레인 게이지, 21…다이어프램 박막부, 22…다이어프램 지지부, 23…플랜지, 24, 24a, 24b…단차, 25…절결, 26…피접합 부재

Claims

압력에 의해 변형되는 박막부와 지지부를 포함하는 제1 재료로 형성된 다이어프램과, 해당 다이어프램 상에 접합되고, 제2 재료에 복수의 스트레인 게이지를 형성하고 있는 스트레인 센서를 구비하고, 상기 스트레인 센서가 상기 다이어프램의 중심으로부터 떨어진 단부 위치에 접합되어 있음과 함께, 상기 스트레인 센서는, 2개가 서로 대향하여 배치되는 스트레인 게이지가 4개 1조로 브리지 회로가 형성되고, 이들 중 한쪽의 서로 대향하는 2개의 상기 스트레인 게이지와 다른 쪽의 서로 대향하는 2개의 상기 스트레인 게이지는 수직인 방향으로 되도록 배치되고, 또한 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 대하여 수직인 방향이면서, 또한 상기 스트레인 센서와 인접 또는 소정 거리 떨어진 다이어프램 상에 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항에 있어서, 상기 복수의 스트레인 게이지는, 상기 스트레인 센서의 중심 근방에 형성되고, 또한 상기 스트레인 센서의 중심이, 상기 다이어프램의 박막부의 단부 근방에 맞도록 접합되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단차는, 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 대하여 수직한 방향으로, 상기 스트레인 센서를 사이에 두도록 적어도 2개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제3항에 있어서, 상기 단차는, 상기 다이어프램의 박막부를 관통하지 않는 깊이로 형성되어 있음과 함께, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 있어서는, 그 길이가 상기 스트레인 센서와 동등하면서, 또한 그 위치는 상기 스트레인 센서의 단부터 단까지 위치 어긋남 없이 설정되고, 한편, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 대하여 수직인 방향에 있어서는, 그 길이가 상기 다이어프램의 단까지는 형성되어 있지 않고, 또한 그 위치는 상기 스트레인 센서와 인접 또는 소정 거리 떨어져, 적어도 일부가 상기 다이어프램의 박막부를 포함하는 범위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제3항에 있어서, 상기 단차는, 상기 다이어프램의 박막부를 관통하지 않는 깊이로 형성되어 있음과 함께, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 있어서는, 그 길이는 상기 스트레인 센서보다 길게 형성되고, 또한 상기 스트레인 센서와 동등한 위치로부터 중심을 걸치는 범위로 설정할 수 있으며, 한편, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 대하여 수직인 방향에 있어서는, 그 길이는 상기 다이어프램의 단까지 형성되어 있지 않고, 또한 그 위치는 상기 스트레인 센서와 인접 또는 소정 거리 떨어져, 적어도 일부가 상기 다이어프램의 박막부를 포함하는 범위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제3항에 있어서, 상기 단차는, 상기 다이어프램의 박막부를 관통하지 않는 깊이로 형성되어 있음과 함께, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 있어서는, 상기 다이어프램의 단부터 단까지 형성되고, 한편, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 대하여 수직인 방향에 있어서는, 그 길이는 상기 다이어프램의 단까지 형성되어 있지 않고, 그 위치는 상기 스트레인 센서와 인접 또는 소정 거리 떨어져, 적어도 일부가 상기 다이어프램의 박막부를 포함하는 범위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제3항에 있어서, 상기 단차는, 상기 다이어프램의 박막부를 관통하지 않는 깊이로 형성되어 있음과 함께, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 있어서는, 상기 다이어프램의 단부터 단까지 형성되고, 한편, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 대하여 수직인 방향에 있어서는, 상기 스트레인 센서와 인접 또는 소정 거리 떨어진 위치부터 상기 다이어프램의 단까지 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제3항에 있어서, 상기 단차는, 상기 다이어프램의 박막부를 관통하지 않는 일정한 깊이로 형성되어 있음과 함께, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 있어서는, 상기 다이어프램의 단부터 단까지 형성되고, 한편, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 대하여 수직인 방향에 있어서는, 상기 스트레인 센서의 인접한 위치부터 상기 다이어프램의 단까지 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제3항에 있어서, 상기 단차는, 상기 다이어프램의 박막부를 관통하지 않는 깊이로 형성되어 있음과 함께, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 있어서는, 그 길이는 상기 스트레인 센서보다 길게 형성되면서, 또한 그 위치는, 상기 다이어프램의 단부터 상기 다이어프램의 중심 위치까지 설치되고, 한편, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 대하여 수직인 방향에 있어서는, 상기 스트레인 센서와 인접 또는 소정 거리 떨어진 위치부터 상기 다이어프램의 단까지 형성되고, 적어도 일부가 상기 다이어프램의 박막부를 포함하는 범위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제3항에 있어서, 상기 단차는, 상기 다이어프램의 박막부를 관통하지 않는 깊이로 형성되어 있음과 함께, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 있어서는, 상기 다이어프램의 박막부의 단부부터 상기 다이어프램의 중심을 걸치는 다른 한쪽의 상기 다이어프램의 박막부의 단부까지 형성되고, 한편, 상기 단차의 상기 다이어프램의 중심으로부터 상기 스트레인 센서가 접합된 방향에 대하여 수직인 방향에 있어서는, 상기 스트레인 센서와 인접 또는 소정 거리 떨어진 위치부터 상기 다이어프램의 박막부의 단부까지 형성되고, 상기 다이어프램의 지지부의 표면에는 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스트레인 센서가 실리콘으로 형성되고, 또한 상기 다이어프램이 금속 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제11항에 있어서, 상기 다이어프램의 금속 재료는 SUS316L재인 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스트레인 센서의 접합에, Au/Sn 공정 접합 혹은 Au/Ge 공정 접합 또는 바나듐계 저융점 유리(V-glass)를 사용하고 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다이어프램의 저부에 다른 부재와 체결하기 위한 플랜지를 구비하고, 상기 플랜지가 기밀 하우징과 고정되어, 상기 다이어프램과 상기 기밀 하우징으로 둘러싸인 기밀 공간이 일정한 기압을 유지하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제14항에 있어서, 상기 플랜지의 상방에서, 또한 상기 다이어프램의 지지부의 측면에, 상기 스트레인 센서가 접합된 위치로부터 상기 다이어프램의 중심 방향으로 연신되는 절결이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다이어프램은, 그 표면에 상기 스트레인 센서의 선팽창 계수와 가까운 선팽창 계수의 재질로 이루어지는 피접합 부재를 갖고, 해당 피접합 부재를 개재하여 상기 스트레인 센서가 접합되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제16항에 있어서, 상기 피접합 부재의 표면에, 상기 단차가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제16항에 있어서, 상기 피접합 부재는 Kovar(Ni-Co-Fe) 또는 42Alloy(42Ni-Fe)로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 압력 센서.
제1항 또는 제2항에 기재된 압력 센서를 내장하여 평가 대상의 압력을 모니터링하는 것을 특징으로 하는, 매스 플로우 미터.
제1항 또는 제2항에 기재된 압력 센서를 내장하여 평가 대상의 압력을 모니터링하는 것을 특징으로 하는, 매스 플로우 컨트롤러.