專利名稱：壓力傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種能充分提高超限壓保護動作壓力、并可實現小型化的簡易結構的壓力傳感裝置。
(2)背景技術概略性地講，隔膜型的壓力傳感裝置裝備有在由硅或玻璃等構成的薄板狀隔膜(diaphragm)上形成有應變電阻計(日文歪み抵抗ゲ一ジ)的傳感芯片。并且，從受到壓力而變位的隔膜上所形成的所述應變電阻計的電阻值變化中檢測出施加于所述隔膜的壓力。
例如，這種壓力傳感裝置是將具有隔膜的傳感芯片1裝入例如圖13所示的儀表本體2中而構成的。該儀表本體2在其本體部3上具有成為一對受壓部的屏障隔膜(barrier diaphragm)4a、4b。并且，儀表本體2具有如下結構分別通過由大直徑的中心隔膜6隔離的壓力緩沖室7a、7b使裝入傳感器部5的傳感芯片(壓力傳感器)與所述各屏障隔膜4a、4b之間連通。在連接所述傳感芯片1與各屏障隔膜(受壓部)4a、4b的通道8a、8b中分別密封有硅油等壓力傳送介質。
采用這種構造的儀表本體2，如圖14中其動作形態的示意圖所示，在常態時，施加于屏障隔膜4a、4b的壓力Pa、Pb通過由中心隔膜6隔離的壓力緩沖室7a、7b分別引向傳感芯片1的隔膜(未圖示)的兩個面。其結果是，傳感芯片(壓力傳感器)1的隔膜產生相當于上述壓力Pa、Pb的差壓ΔP(Pa-Pb)的變位。
對此，在向屏障隔膜4a、4b的一方施加超限壓Pover時，例如，如圖15所示屏障隔膜4a會產生大的變位。這樣，中心隔膜6跟隨該屏障隔膜4a的大的變位而產生變位，以吸收上述超限壓Pover。當屏障隔膜4a到達該本體部3而其變位受到限制時，就可通過屏障隔膜4a阻止更大的壓力P的傳遞。其結果是，能將因施加超限壓Pover而導致的傳感芯片1破損防患于未然。并且，傳感芯片1只對施加于一對屏障隔膜4a、4b的壓力Pa、Pb的差壓ΔP進行檢測。
然而，將傳感芯片1裝入上述構造的儀表本體2中的壓力傳感裝置，如上所述裝備有屏障隔膜4a、4b和中心隔膜6。作成利用這些隔膜4a、4b、6的作用來保護傳感芯片1免受超限壓Pover的構造。因此，包含有儀表本體2的壓力傳感裝置的整體形狀難以避免會大型化。對此，強烈希望在實現壓力傳感裝置小型化的同時能充分提高壓力傳感裝置的超限壓保護動作壓力(耐壓)。
為此，為了防止隔膜意外破損、破壞，例如在日本專利特開平10-7836號公報中，提出一種在傳感芯片1的隔膜上以規定間隙相對地設置止擋(限制)部、利用該止擋(限制)部來阻止所述隔膜的過度變位的方案。特別是在上述公報中，提出通過將止擋部作成階梯狀的凹面，從而即使施加超限壓而隔膜變位時也不會在該隔膜的周緣部產生應力集中的現象。
但是，即使與隔膜相對地設置階梯狀的止擋(限制)部，與傳感芯片1本身所具有的耐壓相比，也只不過能將該超限壓保護動作壓力提高數倍。因此，在提高對差壓ΔP的檢測靈敏度、且將該超限壓保護動作壓力設定得非常高的場合，一般來講必須利用上述構造的儀表本體2。因此在想實現壓力傳感裝置的小型化時，因必須需要上述儀表本體2而成為大問題。
(3)發明內容考慮到以上的問題，本發明的目的在于提供一種能充分提高對傳感芯片的超限壓保護動作壓力、并能實現小型化的簡易構造的壓力傳感裝置。
為了達到上述目的，本發明的壓力傳感裝置，其特征在于，包括表面形成有應變電阻計的薄板狀的隔膜；以及限制構件，該限制構件具有凹部，該凹部由沿著所述隔膜的變位所形成的面的曲面構成，且該凹部與所述隔膜相對地設置。其特征在于，最好是將所述限制構件分別設置在隔膜的兩個面上。
即，本發明的壓力傳感裝置，其特征在于，將與隔膜相對設置的限制構件的形狀形成為曲面沿著該隔膜的變位所形成的面的凹部。再具體地講，其特征在于，將所述限制構件所具有的凹部形成為如下的4次函數所表示的曲面在將所述隔膜的半徑設為r、厚度設為t、彎曲剛度設為D時，則距離所述隔膜中心的距離為x的部位的深度y相對于超限壓保護動作壓力p為，y＝pr4(1-x2/r2)2/64DD＝Et3/12(1-υ2)式中，E表示楊氏模量，υ表示泊松比。
若采用與隔膜相對地設置限制構件、且該限制構件具有呈這種曲面的凹部的壓力傳感裝置的話，則由于受到超限壓而變位的隔膜的整體與所述限制構件的凹部以同樣的形狀接觸，因此施加于隔膜的所有壓力都均勻地由限制構件的凹部曲面所承受。其結果是，在隔膜上不會產生局部性的應力集中，且由于施加于隔膜的超限壓均勻地分散在其整體上，因此能有效防止隔膜的破壞。并且，能充分提高壓力傳感裝置的超限壓保護動作壓力p。
在將硅油等壓力傳送介質導入隔膜時，最好是將該壓力傳送介質的導入孔設置在所述限制構件的呈所述曲面的凹部的頂部。由此，若將壓力導入孔設置在限制構件的凹部的頂部，由于可實質性忽視該凹部的曲面上所開設的壓力導入孔的存在，從而只需考慮施加壓力所引起的隔膜的變位特性，能容易地設計所述凹部的曲面。
另外，本發明的壓力傳感裝置，其特征在于，包括表面形成有應變電阻計的隔膜；一對限制構件，具有曲面沿著所述隔膜的變位所形成的面的凹部，分別將該凹部與所述隔膜相對地設置在所述隔膜的兩個面上；以及基座，具有流體通道和一對受壓部，該流體通道從這些限制構件的所述凹部的頂部分別向所述隔膜的兩個面引導壓力傳送介質，該一對受壓部分別與這些流體通道連接，并向密封在該流體通道中的所述壓力傳送介質傳遞壓力。
另外，對于由所述隔膜和一對限制構件構成的傳感芯片，最好是通過玻璃等壓力緩沖體組裝在由黃銅或不銹鋼等構成的基座上。
采用本發明，由于裝備有限制構件，該限制構件具有沿著隔膜的變位所形成的面的凹曲面，因此，能用簡易的構造來有效地防止超限壓所引起的隔膜破壞，能充分提高其耐壓。其結果是，不需要具有中心隔膜的儀表本體，能獲得可大幅度地實現小型化等實用上的極大效果。
(4)
圖1為表示本發明的壓力傳感裝置的基本構造的圖。
圖2為表示本發明的差壓型壓力傳感裝置的基本構造的圖。
圖3為表示限制構件的有無與限制構件形狀不同所引起的最大拉伸應力與隔膜的施加壓力的關系對比的圖。
圖4為表示限制構件是平直面時隔膜相對施加壓力的變位的進展圖。
圖5為表示限制構件是階梯形狀時隔膜相對施加壓力的變位的進展圖。
圖6為表示限制構件是曲面形狀時隔膜相對施加壓力的變位的進展圖。
圖7為表示本發明一實施形態的壓力傳感裝置的概略構成的分解立體圖。
圖8為表示圖5所示的壓力傳感裝置的構造及其制作順序的圖。
圖9為表示隔膜上形成的應變電阻計的構造圖。
圖10為表示使用應變電阻計的差壓、靜壓檢測電路的構成例的圖。
圖11為表示將隔膜裝入儀表本體中的壓力傳感裝置的構造例的圖。
圖12為表示將隔膜裝入儀表本體中的壓力傳感裝置的另一構造例的圖。
圖13為表示以往的壓力傳感裝置的概略構成的圖。
圖14為表示常態時的儀表本體的作用圖。
圖15為示意地表示中心隔膜對超限壓的吸收作用的圖。
(5)具體實施方式
下面參照
本發明的實施形態的壓力傳感裝置。
圖1為表示本發明的壓力傳感裝置的基本結構的主要部分剖視圖。11是形成有規定直徑的薄壁的隔膜12的基體。該基體11由硅(Si)和玻璃等脆性材料構成。13是具有與所述隔膜12相對的凹部14并與所述基體11接合而一體化的限制構件。所述凹部14形成為曲面，并沿著所述隔膜12的變位所形成的面(變位面)。
該凹部14的曲面形成為如下的4次函數所表示的曲面在將所述隔膜12的半徑設為r、厚度設為t、彎曲剛度設為D時，距離所述隔膜12中心的距離為x的部位的深度y相對于該超限壓保護動作壓力p為，y＝pr4(1-x2/r2)2/64DD＝Et3/12(1-υ2)式中，E表示楊氏模量，υ表示泊松比。即，凹部14所呈的曲面由稱為非球面的4次曲面構成。
例如，對硅(Si)制的半徑r為[1.15nn]、厚度t為
的隔膜12施加超限壓保護動作壓力p[300kPa]時的變位、具體而言是距離隔膜12中心的距離為x的部位的變位量y，在楊氏模量E為[1.72×1011Pa]、泊松比υ為
時，可用下列4次函數來表示y＝0.012X4-0.032x2+0.021因此，在本發明中，限制構件13的所述凹部14的曲面形成為由上述4次函數表示的沿著隔膜12的變位面的面。
對于具有這種凹部14的限制構件13，一般來講，可通過對其形成坯材進行機械加工即直接研磨、磨削來制作，但也可應用IC制作工序中所使用的平版印刷技術來制作。具體來講，最好是使用能使光的透射率變化的灰色梯尺膜片(gray scale mask)，使涂覆在限制構件13的形成坯材即硅基板或玻璃基板的表面上的保護層曝光，在該保護層上形成自由曲面(凹面)。然后，在此狀態下對上述的硅基板或玻璃基板與形成了自由曲面的所述保護層一起進行干蝕刻等，在該硅基板或玻璃基板上形成上述自由曲面(凹面)，由此制作成具有凹部14的限制構件13。
在采用加壓成形技術制作具有凹部14的限制構件13時，最好是預先準備好通過精密機械加工在超級鋼、陶瓷、或冰碳(日文グラシ一カ一ボン)上形成有所需凹曲面和與其配對的凸曲面的金屬模。并且，使用上述金屬模對例如在高溫、真空中軟化的玻璃進行加壓，由此來制作形成有所需曲面的凹部14的限制構件13。
在將壓力傳感裝置作成了對分別施加在上述隔膜12的兩個面上的壓力P1、P2的差壓ΔP進行檢測的差壓型結構時，如圖2的概略性剖面構造所示，最好是在隔膜12的兩個面上分別設置具有所述凹部14的一對限制構件13，將這些構件接合而一體化。但是，該場合，大多時候是使形成隔膜12的基體11本身薄板化，將其一部分用作隔膜12。因此，最好是構成為，包含從兩個面夾持薄板化的隔膜12而接合一體化的一對限制構件13在內，將整體結構固定支承在由硅(Si)或玻璃等構成的規定厚度的底座15上。此時，對于向所述隔膜(隔膜面)12導入壓力用的壓力導入孔16，最好是如圖2所示，在限制構件13上所設置的凹部14的頂部，分別設置成大小不會破壞該凹部14的曲面的貫通孔。
分別如圖1和圖2所示，若采用與隔膜12相對地設置具有由凹曲面構成的凹部14(稱為非球面限制器)的限制構件13的壓力傳感裝置的話，則在隔膜12受到超限壓而變位時，由于該整個變位面由所述凹部14的凹曲面承受，因此可防止隔膜12上的局部性應力集中。并且，由于利用凹部14的整個凹曲面來承受隔膜12的變位，因此，能有效防止施加超限壓而引起的該隔膜12的意外破壞，能充分提高該超限壓保護動作壓力(耐壓)p。
圖3表示分別對無限制器的隔膜、前述日本專利特開平10-78366號公報所示的具有階梯狀的限制器的隔膜、以及本發明的具有非球面限制器的隔膜的最大拉伸應力與施加壓力的關系(特性A、B、C)作了調查后所作出的這些特性A、B、C的對比。比較這些圖3所示的特性A、B、C可以看出，若采用本發明的具有非球面限制器的隔膜，則在施加壓力在50MPa以內時，可將最大拉伸應力控制在該隔膜的坯材即硅(Si)的破壞應力界限以下。
另外，在使用無限制器的隔膜時，若施加壓力超過700kPa，則最大拉伸應力超過硅(Si)的破壞應力界限。在使用具有階梯狀的限制器的隔膜時，若施加壓力超過3MPa，則最大拉伸應力超過硅(Si)的破壞應力界限。這里所說的最大拉伸應力超過硅(Si)的破壞應力界限就是指隔膜的坯材即硅(Si)破壞。關于這一點，在本發明的具有非球面限制器的隔膜中，為了產生超過硅(Si)的破壞應力界限的最大拉伸應力，必須將施加壓力提高到50MPa以上。換言之，因本發明的隔膜具有非球面限制器，故能將該超限壓保護動作壓力(耐壓)p提高到50MPa程度。
圖4、圖5、圖6是針對上述的無限制器的隔膜、日本專利特開平10-78366號公報所示的具有階梯狀的限制器的隔膜、以及本發明的具有非球面限制器的隔膜，分別將施加壓力變化時的隔膜的變位量作為與距離其中心的距離x對應的變位量的進展特性(變位形狀的變化)進行解析。
分別如這些圖4、圖5、圖6所示，當向隔膜施加從50kPa到150kPa程度的壓力時，隔膜感應到了該施加壓力，產生較圓滑的變位。然而，使用無限制器的隔膜時，若施加壓力超過200kPa，則到達了壓力施加方向的變位界限，如圖4所示，其應力逐漸集中到隔膜的周緣部。其結果是，一旦施加壓力超過其破壞應力界限即700kPa，就會因應力集中而產生隔膜破壞。
在采用具有階梯狀的限制器的隔膜時，受到1MPa的施加壓力而變位的隔膜與階梯狀的限制器接觸，將變位抑制在一定范圍內。然而，若進一步增高施加壓力，則如圖5所示，將與階梯狀限制器接觸的接觸部作為變位限制部，逐漸產生橫向的應力(變位)。若施加壓力超過3MPa，就會因上述橫向產生的應力(變位)而導致隔膜破壞。
對此，若采用本發明的具有非球面限制器的隔膜，則隔膜的變位原封不變地由非球面限制器的整個面承受。因此，采用本發明的隔膜的話，則不會產生圖6所示的橫向應力。其結果是，即使將施加壓力提高到50MPa也不會在隔膜上產生局部性的應力集中，由此不會產生應力集中引起的破壞。能充分提高作為壓力傳感裝置的耐壓。
下面說明具有上述非球面限制器的壓力傳感裝置的具體實施形態。圖7為表示該實施形態中的壓力傳感裝置的概略構成的分解立體圖。21是成為隔膜的由薄板構成的基體。22是設置在基體21上面的第1限制構件22。23是設置在基體21下面的第2限制構件23。24是設置在第1限制構件22上面的蓋體。
所述基體21例如由將(100)面作為主面的硅基板構成，如圖8所示，將其中央部作為對施加于其兩個面間的差壓ΔP進行高靈敏度檢測的圓形主隔膜部21a。將該基體21的所述主隔膜部21a的周緣部作為檢測后述靜壓用的圓環狀副隔膜部22b來使用。特別是在主隔膜部21a的周緣部附近，以90度間隔形成有檢測差壓用的沿<110>方向延伸的4個應變電阻計R11、R12、R13、R14。在副隔膜部21a上，以90度間隔形成有檢測靜壓用的沿<110>方向延伸的4個應變電阻計R21、R22、R23、R24。并且，在基體21的離開所述隔膜部21a、21b的周緣位置上形成有沿<100>方向延伸的溫度檢測用的電阻Rt。
在所述副隔膜部22b上設置有穿通基體21的表里面的貫通孔22c。該貫通孔22c如后所述用于向副隔膜部22b的兩個面引導硅油等壓力傳送介質。
例如，如圖9的例子所示，所述應變電阻計R11～R14、R21～R24、Rt是分別通過在成為基體21的n型硅基板的表面埋入p型電阻層21x而形成的。對于電極從這些各電阻層21x的引出，最好是從各電阻層21x的兩端部通過歐姆電極21y來進行。檢測硅基板的電位時，最好是在該硅基板的表面上，例如通過離子注入或擴散形成n型高雜物層21z，在該高雜物層21z上設置歐姆電極21y。
例如，如圖10的例子所示，這些應變電阻計R11～R14、R21～R24進行橋接，以進行差壓檢測及靜壓檢測。具體來講，應變電阻計R11～R14進行橋接，構成差壓檢測電路，應變電阻計R21～R24進行橋接，構成靜壓檢測電路。電阻Rt用于溫度檢測。
在所述第1、第2限制構件22、23的與所述基體21的相向面上，分別設置與主隔膜部21a相對的具有前述曲面的凹部22a、23a。并且，在所述第1、第2限制構件22、23上分別設置有與所述副隔膜部21b相對的圓環狀的槽22b、23b。在第1、第2限制構件22、23的各凹部22a、23a的頂部分別設置有向主隔膜部21a引導壓力傳送介質用的導入孔22c、23c。
在第1、第2限制構件22、23上的形成有各槽22b、23b的部位上，分別設置有穿通該第1、第2限制構件22、23的表里面的貫通孔22d、23d。特別是設于第1限制構件22的貫通孔22d通過設于該第1限制構件22上面的槽22e與所述導入孔22c連通。該槽22e在用所述蓋體24將第1限制構件22的上面蓋住時，在與該蓋體24之間形成連接導入孔22c與貫通孔22d的所述壓力傳送介質的通道。第1限制構件22的邊緣部所設置的缺口槽22f是所述應變電阻計R11、R12、R13、R14等的電極取出部。
使用這種成為隔膜的基體22和第1、第2限制構件22、23來實現的壓力傳感裝置，如圖8的例子所示，是如此制作的先將基體21與第1限制構件22接合一體化，其次，將基體21研磨到能作為隔膜發揮功能的規定厚度地進行薄板化。然后，將第2限制構件23與薄板化的基體21的里面側接合一體化，使用第1、第2限制構件22、23將成為隔膜的基體21夾住。
另外，在實現耐壓為100kPa的壓力傳感裝置時，例如，最好是主隔膜部21a的直徑為2mm，厚度為30μm。此時，作為第1、第2限制構件22、23的厚度只要為500μm左右就很充分。對于分別設置于凹部22a、23a頂部的壓力導入孔22c、23c的直徑最好是設定為15mm左右。若采用這種尺寸的壓力導入孔22c、23c，則不會破壞所述凹部22a、23a的限制功能，能圓滑地向所述基體21上形成的隔膜導入壓力傳送介質(硅油)。
在具有這種構造的壓力傳感裝置中，通過設置在第2限制構件23上的導入孔23c將壓力LP導入所述基體21形成的隔膜的下面側。導入第2限制構件23上所設置的貫通孔23d的壓力HPc，從圓環狀的槽23b通過貫通孔21c導入第1限制構件22上所設置的圓環狀的槽22b中，再從貫通孔22d通過槽22e和導入孔22c導入所述基體21形成的隔膜的上面側。其結果是，基體21形成的隔膜(主隔膜部21a)感應到分別導入其兩個面(上下面)的壓力LP、HP的差壓ΔP(＝HP-LP)而發生變位。并且，通過前述的應變電阻計R11、R12、R13、R14檢測該變位的大小。
分別導入槽22b、23b的壓力HP從兩個面壓縮副隔膜部21b。從隨該壓縮壓力而變化的應變電阻計R21、R22、R23、R24的電阻值中檢測出該靜壓。這樣，通過作成可在檢測差壓的同時檢測此時的靜壓的結構，從而能將對隔膜差壓ΔP的靈敏度與對靜壓(壓力HP)的靈敏度分開地進行檢測。并且，可減小差壓與靜壓之間的串擾。
在將這種構造的壓力傳感器(傳感芯片)裝入儀表本體時，如前所述，由于通過第1、第2限制構件22、23充分提高了隔膜的耐壓，因此，例如，分別如圖11和圖12所示，能將壓力從儀表本體上所設置的受壓部4a、4b直接導入隔膜。換言之，若使用上述構造的壓力傳感器(傳感芯片)，就不需采用前面用圖13所說明的設置由中心隔膜6隔離的壓力緩沖室7a、7b而通過中心隔膜6來吸收超限壓的構造。由此，不需要大直徑的中心隔膜6，可相應地使儀表本體大幅度小型化，能實現耐壓高的壓力傳感裝置的便攜化。
另外，圖11所示的壓力傳感裝置中將一對受壓部4a、4b并列設置在儀表本體的底面上，圖12所示的壓力傳感裝置中將一對受壓部4a、4b分別設置在儀表本體的相向的側面上。無論采用哪種構造都不需要在儀表本體的內部設置中心隔膜6。因此，可獲得實現小型化且構造簡單化這一實用上的極大效果。
圖11和圖12中，31是支承傳感芯片1的玻璃制的底座，作為傳感芯片1的相對由黃銅或不銹鋼等構成的儀表本體的壓力緩沖體來發揮作用。32是將傳感芯片1固定在底座31上的彈簧構件。這樣，在將傳感芯片1裝入儀表本體時，最好是預先將圖7所示的方形的基體21、第1、第2限制構件22、23的角部切去，將傳感芯片1本身形成為圓形(圓盤狀)。
本發明不限定于上述實施形態。例如，可以根據壓力檢測的規格來設定隔膜的直徑和厚度。前述靜壓檢測用的應變電阻計，對壓力傳感裝置來說并不需要一定具備。另外，本例以差壓檢測用的傳感器為主體作了說明，當然也可實現只是在隔膜的單一面上設置限制構件的壓力傳感器。其它方面，本發明在不脫離其宗旨的范圍內可作出各種變形來實施。
權利要求
1.一種壓力傳感裝置，其特征在于，包括表面形成有應變電阻計的隔膜；以及限制構件，具有凹部，該凹部由曲面構成，該曲面沿著由所述隔膜的變位形成的面且該凹部與所述隔膜相對設置。
2.如權利要求1所述的壓力傳感裝置，其特征在于，所述限制構件分別相對地設置在所述隔膜的兩個面上。
3.如權利要求1或2所述的壓力傳感裝置，其特征在于，所述限制構件所具有的凹部的曲面由如下的4次函數所表示的曲面構成在將所述隔膜的半徑設為r、厚度設為t、彎曲剛度設為D時，距離所述隔膜中心的距離為x的部位的深度y相對于其超限壓保護動作壓力p為，y＝pr4(1-x2/r2)2/64DD＝Et3/12(1-υ2)式中，E表示楊氏模量，υ表示泊松比。
4.如權利要求1或2所述的壓力傳感裝置，其特征在于，所述限制構件在形成曲面、且該曲面沿著由所述隔膜的變位所形成的面的凹部的頂部上，具有向所述隔膜導入壓力傳送介質的導入孔。
5.一種壓力傳感裝置，其特征在于，包括表面形成有應變電阻計的隔膜；一對限制構件，具有由曲面構成的凹部，該曲面沿著由所述隔膜的變位所形成的面，將該凹部與所述隔膜相對地分別設置在該隔膜的兩個面上；以及基座，具有流體通道和一對受壓部，該流體通道從這些限制構件的所述凹部的頂部分別向所述隔膜的兩個面引導壓力傳送介質，該一對受壓部分別與這些流體通道連接，并向密封在該流體通道中的所述壓力傳送介質傳遞壓力。
6.如權利要求5所述的壓力傳感裝置，其特征在于，由所述隔膜和所述一對限制構件構成的傳感芯片通過壓力緩沖體組裝在所述基座上。
7.如權利要求5所述的壓力傳感裝置，其特征在于，所述一對受壓部由設置在基座上的一對隔膜構成。
全文摘要
一種壓力傳感裝置，包括表面形成有應變電阻計的薄板狀的隔膜(12)；以及限制構件(13)，具有曲面沿著該隔膜的變位形成面的凹部(14)，且該凹部與所述隔膜相對設置。尤其是將限制構件的所述凹部形成為如下的4次函數所表示的曲面在將所述隔膜的半徑設為r、厚度設為t、彎曲剛度設為D時，距離所述隔膜中心的距離為x的部位的深度y相對于超限壓保護動作壓力p為[y＝pr
文檔編號G01L19/06GK1839300SQ20048002374
公開日2006年9月27日 申請日期2004年8月20日 優先權日2003年8月20日
發明者米田雅之, 溝口純, 梶尾恭弘, 石川雅也, 東洋一, 土屋直久 申請人:株式會社山武