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JP3607420B2 - Dry type pressure detector - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学プラント等の液体、気体等の流体を制御するために、それら流体の圧力を測定し、プラント全体の運転制御のために用いられる絶対圧形の圧力検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、化学プラントの圧力や、半導体装置内の圧力を測定することはプラントや半導体装置を安全に効率良く運転するために欠かせないものであることは衆知である。この目的のために、従来から絶対圧形の圧力検出装置が、一般的に広く使用されてきた。
【0003】
このような圧力検出装置では、特開平4−5532号公報、特開平3−185325号公報に示された圧力発振器や圧力センサから理解できるように、圧力を検知する受圧部と、この受圧部からの検知信号を一般化したアナログ信号やディジタル信号に変換する信号変換器とから成る。そして、受圧部は基準室を有し、この基準室内の圧力と測定圧との圧力差を検出する構成となっている。
【0004】
図9は、従来例における絶対圧形の圧力検出装置の一般的な構造を示す概略断面図である。この絶対圧形の圧力検出装置は、化学プラントの圧力や、半導体装置内の圧力を測定し、プロセスの圧力監視や制御または半導体装置の機器の保守やプロセスの品質を維持するための監視装置や制御装置として広く用いられている。
【0005】
図9において、受圧部本体20は、半導体圧力センサ11又は靜電容量形の圧力センサ11を内蔵している。また、プロセス接続フランジ10は圧力印加口101を有しており、この圧力印加口101から受圧部本体20に圧力が伝達されるように、受圧部本体20及び検出部本体がプロセスフランジ10に、その内面に形成されたネジ部によって組み込まれている。
【0006】
プロセスの圧力は、受圧部本体20内のダイアフラム3で受け、この圧力は、ダイアフラム3と圧力センサ11との間に封入された封入液31を介して圧力センサ11に伝達される。
【0007】
圧力センサ11の、封入液31に接触する面側には、ピエゾ抵抗素子111〜114が配置される。また、圧力センサ11の、封入液31に接触しない面側は、溝部120が形成され、この溝部120は固定台2とともに空間部を形成している。
【0008】
また、ピエゾ抵抗素子111〜114は、ハウジング3に形成された孔内に充填された導電材52及び導電ピン41を介してプリント基板4に接続されている。そして、ピエゾ抵抗素子111〜114(Rg1〜Rg4)は、図10に示す等価回路図のように、ホイートストンブリッジ回路を形成する。また、圧力センサ11には、温度補償用の抵抗体115(RT)が配置されている。
【0009】
そして、上記ホイートストンブリッジ回路の出力電圧EPV1が温度補償用抵抗体115により補償され、出力電圧ETV1とされる。この出力電圧ETV1が、圧力信号として電気信号変換器を介して上位制御機器に伝送されるようになっている。
なお、図9において、9は、ハウジングであり、21は、溝部120を封止するため、固定台2に形成された孔に挿入される封止ピンである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の絶対圧形の圧力検出装置においては、圧力−電気信号変換器である圧力センサ11が、測定するプロセス流体との直接の接触を回避するために、プロセスの圧力はダイアフラム3と封入液31とを介して伝達されるため、構成要素が多く、構成が複雑となっていた。
【0011】
さらに、従来の圧力検出装置により、高真空域(1×10−5 Torr以下の真空域域)の圧力を測定すると、内部の封入液31が沸騰してしまうため、測定が不可能であった。従来の圧力検出装置の一般的な測定領域は、沸騰温度が最良の封入オイルを使用し、かつその封入時に脱気等の処置を実施しても、温度100゜Cで1〜10Torr域の低真空領域である。
このため、高真空域(1×10−5 Torr以下の真空域域)の圧力も測定可能であり、かつ、構成簡単な圧力検出装置の実現が望まれていた。
【0012】
本発明の目的は、簡単な構成でありながら、高真空域(1×10−5 Torr以下の真空域域)の圧力も測定可能であるドライタイプ圧力検出装置を実現することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成される。
(1)被測定流体の圧力を検出する圧力検出素子及び温度を検出する温度検出素子を複合化した半導体圧力センサ及びこの半導体圧力センサを固定する固定台からなる受圧部と、この受圧部に接続され、上記半導体センサからの検出信号を処理する信号処理部とを備えるドライタイプ圧力検出装置において、上記半導体圧力センサは、一方の面の中央部分に凹部が形成されることで薄肉部と厚肉部を有し、当該凹部が形成された反対面の薄肉部上に複数の圧力検出素子が配置され、且つ厚肉部上に上記圧力検出素子に接続される複数の接続端子が配置され、上記固定台は、中央部分に凹部が形成され、且つ当該凹部周囲に上記接続端子の配置位置に対応して設けられ、上記半導体圧力センサに対向する面から上記信号処理部に対向する面間を貫通し、上記信号処理部に接続される複数の引き出し端子が形成され、当該固定台の凹部が形成された面と上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配置された面を上記接続端子と上記引き出し電極を合わせるように接合し、且つ当該接合によって上記固定台の凹部による圧力基準室を形成し、上記半導体圧力センサの凹部形成面および上記固定台の上記被測定流体が接触する面には、上記センサ及び固定台共に酸化膜が形成され、上記被測定流体が、上記半導体圧力センサの凹部に接触して伝達された圧力が、上記圧力検出素子により検出される。
【0014】
被測定流体の圧力を検出する半導体圧力センサの圧力検出素子が配置されている面の反対面が直接、被測定流体に接して圧力が伝達される構成としたので、圧力伝達要素であるダイアフラムと封入液を省略でき、組立性に優れ、検出装置全体が小形化し構成要素も少なく、機器の信頼性が向上するとともにメンテナンスが容易に行えるようになる。
また、封入液が存在しないので、その使用範囲の制限を一掃でき、測定域が拡大し、機器の省力化を達成できる。
【0018】
(2)好ましくは、上記(1)において、上記酸化膜に代わって、四フッ化エチレン膜が形成される。
【0019】
(3)また、好ましくは、上記(2)において、上記酸化膜に代わって、金からなる保護膜が形成される。
(4)また、好ましくは、上記(2)において、上記酸化膜に代わって、白金からなる保護膜が形成される。
(5)また、好ましくは、上記(2)において、上記固定台の凹部と、上記半導体センサとにより形成される空間は、周囲から密閉された真空の基準圧力室を形成する。
(6)また、好ましくは、上記(5)において、上記固定台の上記半導体圧力センサが接合される面であって、この半導体圧力センサが接合された領域以外の領域の表面には、少なくとも一つの真空測定用のセンサが配置されている。
【0021】
(7)また、好ましくは、上記(6)において、上記真空測定用のセンサは、被測定流体の熱伝導による熱の損失が被測定流体の圧力とともに変化することを利用したセンサである。
【0022】
(8)また、好ましくは、上記()において、上記真空測定用のセンサは、被測定流体の生成イオンの数を検出するセンサであり、検出した生成イオンの数に応じて被測定流体の圧力を測定する。
【0023】
(9)また、好ましくは、上記()において、上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配置される面には、第1電極が配置され、上記固定台の凹部には、上記第1電極と対向する第2電極が配置され、上記信号処理部は、上記第1電極と第2電極との間の静電容量値を検出する。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるの絶対圧形の圧力検出装置を添付図を用いて説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態である絶対圧形のドライタイプ圧力検出装置の概略断面図であり、図2及び図3は、図1に示した圧力検出装置のセンサ部と固定台の構成を示す図である。
【0028】
図1〜図3において、この絶対圧形の圧力検出装置の全体構成は、概略的には、プロセス流体の圧力を検出するセンサ部組100A、100Bと、これらセンサ部組100A、100Bからの信号を処理する信号処理回路が収容された信号処理部190によって構成されている。
【0029】
複合機能形圧力センサチップ11は、(100)面のn形単結晶シリコンであり、このセンサチップ11の、ほぼ中央に、円形の薄肉部110を有し、この薄肉部110の一方の面、つまり圧力流体が接触する側の面に溝部120が形成されている。
【0030】
そして、薄肉部110の一方の面及び他方の面(圧力流体が接触する側の面と反対側の面)に、それぞれ第1のプロセス圧力と第2のプロセス圧力を印加することにより、薄肉部110(ダイアフラム)は圧力に感応する起歪体となり、圧力検出用の感圧ダイアフラムとして動作する。
【0031】
圧力感応ダイアフラム110の他方の面には(100)面におけるピエゾ抵抗係数が最大となる<110>軸方向に、第1の圧力センサであるP形抵抗素子(ゲージ抵抗素子)111〜114が、それぞれ結晶軸に対して平行又は直角方向に熱拡散法あるいはインプラ法により形成される。
【0032】
各抵抗素子111〜114の配置位置は、圧力印加時に圧力感応ダイアフラム110上に発生する半径方向、円周方向の歪が最大になる固定部近傍である。
また、これらの抵抗素子111〜114の配置方向としては、抵抗素子111及び抵抗素子113を半径方向とし、抵抗素子112及び抵抗素子114を接線方向として、同じ配置方向を向いた抵抗素子のそれぞれの一端を結線して、それぞれの抵抗素子の他端を検出端子に接続して図6に示すようなブリッジ回路を構成する。
【0033】
また、センサチップ11の圧力感応ダイアフラム110以外の厚肉部には、圧力に対し感度のない方向に、温度に感応する抵抗素子115を形成する。この抵抗素子115の抵抗値変化を出力端子から取り出すことにより、プロセス流体の温度も測定できるようになっている。
【0034】
そして、圧力感応ダイアフラム110の形状とその肉厚は感応する圧力に応じて、抵抗素子111〜114が配置された面と反対面側から、異方性ウェットエッチング、あるいはドライエッチングによって所望の形状と肉厚に設定され、溝部120が形成される。
【0035】
この溝部120に、被測定流体が接触しながら、プロセスの被測定流体圧力が印加されると、圧力感応ダイアフラム110上の抵抗素子111〜114は、ダイアフラム110に発生する歪を受け、ピエゾ抵抗効果により抵抗が変化するため、その変化を信号として取り出すことができる。
【0036】
複合機能形圧力センサチップ11は、固定台2を介してハウジング9に取り付けられる。固定台2は、複合機能形圧力センサチップ11との電気絶縁およびハウジング9との線膨張係数の相違による熱歪の低減を考慮して、シリコンと線膨張係数の近似したセラミックス(例えばSiC)または、パイレックスガラスを使用することが望ましい。
また、固定台2は、炭化珪素系の焼結体、又はホウ珪酸ガラスでもよい。
【0037】
固定台2とセンサチップ11とは、接合部材29を介して接合される。この接合部材29には低融点ガラス等の酸化物ソルダーや、金属ソルダーが用いられ、その組立時に融着される。この他、Au−Si合金層又はAuの薄膜をスパッタリング法、あるいは蒸着法により、固定台2やセンサチップ11にあらかじめ形成しておき、その組立時に融着して固定台2とセンサチップ11とを接合する方法や陽極接合も採用できる。さらに、有機質あるいは無機質のバインダーを用いて、固定台2とセンサチップ11とを接合することも可能である。
【0038】
上記固定台2とセンサチップ11との間に接合部材29をはさみ、センサチップ11の抵抗素子111〜114が形成された面と固定台2の一方の面とが互いに対向するように配置して、センサチップ11と固定台2とを接合する。
【0039】
また、その接合時には、後述するように、センサチップ11の接続パッド端子a〜jと固定台2に設けた導電体33及び導電ピン41とも接合されるので、電気的な接続が達成できる。
【0040】
一方、固定台2のセンサチップ11との接合面側には、プロセスの被測定流体圧力を基準圧力と比較するための比較測定室となる溝22が形成されている。センサチップ11と台2とは、真空雰囲気にて接合部材29を介して接合され、接合完了時には貫通孔35は封止されるので、この溝22により真空の基準圧室を形成することができる。
【0041】
また、溝22の形状を、センサチップ11との接合面と反対側の面側に貫通孔35により貫通し、センサチップ11と台2との接合完了時には大気開放されるように構成すれば、大気圧の基準室を形成することができる。
【0042】
また、ダイアフラム110の固定台2に対向する側の面には、第1電極116が形成され、固定台2の第1電極116に対する面には、第2電極117が形成されている。そして、第2電極117は、固定台2に形成された孔に充填され導電体34及び導電ピン41に接続されている。
【0043】
また、センサチップ11の、被測定流体に接触する側の表面には、被測定流体に合わせて、酸化膜や四フッ化エチレン、又は耐食性の高い金(Au)や白金(Pt)又はテフロン等の薄膜121がスパッタ法、あるいは蒸着法により形成されている。
【0044】
この薄膜121は、センサチップ11と固定台2との接合後でも容易に形成することができる。これにより、薄膜121は、センサチップ11のみならず、固定台2の表面にも形成することができる。
【0045】
したがって、プロセスの被測定流体圧力は、センサチップ11の溝部120に伝達され、基準圧力は、センサチップ11の抵抗素子111〜114が配置された面側に伝達されるているので、その差分の圧力が、ダイアフラム110面上に作用し、この差圧を電気信号に変換できる。
【0046】
このとき、センサチップ11の抵抗素子111〜114の配置面側は、被測定流体に接することはないので、従来から使用していた金属のダイアフラムと圧力伝達のために封止される封入液は全く不要となる。なお、9及び91はハウジング、10はフランジ、101は圧力印加口である。
【0047】
複合機能形圧力センサチップ11からの圧力、温度の各信号は、センサチップ11の接続パッド端子a〜jと、固定台2に設けた微細穴に導電体33を注入して固定された導電ピン41とを介して外部にそれぞれ取り出される。一般には、この導電ピン41は、固定台2を製作する時点で形成される。
【0048】
ところで、本発明の第1の実施形態においては、複合機能形圧力センサチップ11の圧力感応ダイアフラム110の厚みを薄くするにしたがって、その測定圧力は低い圧力域まで測定することができる。
【0049】
しかし、圧力感応ダイアフラム110を必要以上に薄くすると、圧力−電圧の関係における非直線性が大となり、補正が困難となる。これは、ダイアフラム110を、その厚みの限界値に設定し、ダイアフラム110の径を大きくすることで対策できるが、これでは低コスト化、コンパクト化を達成できない。
【0050】
このため、本発明の第1の実施形態では、その測定域をより低い圧力域まで延ばすために、別の圧力センサを配置させることで解決している。
この別のセンサとしては、熱伝導率の変化を測定することによって、その圧力を検出するタイプのセンサと、電離を利用して圧力を測定するタイプのセンサを、固定台2の上に設ける構成があるが、この第1の実施形態においては、熱伝導率の変化を利用したセンサを採用した構成としている。
【0051】
熱伝導率の変化を利用したセンサとしては、圧力変化によって起こる抵抗の温度変化をその抵抗変化で検出できるようにしている。抵抗素子としては抵抗温度係数の大きなサーミスタを用いている。
【0052】
サーミスタは金属の酸化物系の半導体であり、金属と比較すると約10〜20倍も大きな負の抵抗係数をもっている。
【0053】
図1及び図3に示すように、サーミスタ118は、固定台2のセンサチップ11と接合する側の面に、厚膜技術又は蒸着技術によって形成される。このサーミスタ118は、素子の放熱表面積をできるだけ大きくし、かつリード線1181の熱の損失を小さくするために、タングステンまたは白金のパッド119に接続される。
【0054】
さらに、これらの要素118、1181、119で構成される抵抗体RTH(図6に示す)は熱の安定化を図るために、カバー120Aで覆われる。このカバー120Aは、接合部材29と同様な接合部材12により固定台2に接合される(図3、図4(図3のA−A線に沿った断面図)、図5(図3のB−B線に沿った断面図)参照)。
【0055】
また、図4及び図5に示すように、パッド119は、固定台2に形成された孔32に充填された導電体33に接触して固定され、導電ピン41にも接続される。
【0056】
上記抵抗素子111〜114(Rg1〜Rg4)、118(RTH)の抵抗変化は、図6に示すようなブリッジ回路でその不平衡電圧(EPV1、EPV2)を取り出すことにより検出できる。サーミスタ118と共にブリッジ回路を構成する他の抵抗体1111、1112、1113(R0)は信号処理部190の基板42に配置されている(図1)。
【0057】
サーミスタ118の出力と圧力との関係は、その製造時において、その出力と温度との関係を情報として予め収集し、メモリ739(図7に示す)に収めておけば、この情報に基づいて容易に補償できるので、正確な圧力を検出することができる。
【0058】
上述した構成においては、その測定域は10−5〜10−2Torrの圧力を測定することが可能であり、その測定域は広範囲となっている。また、サーミスタ118、抵抗体1111〜の1113の寿命を確保するために、これらサーミスタ118、抵抗体1111〜1113は、必要時のみ動作させる構成としている。
【0059】
すなわち、必要な時に、電圧源Eとサーミスタ118等からなるブリッジ回路との間に配置されたスイッチSW(図6に示す)を閉として、このブリッジ回路を動作させる構成となっている。これにより、抵抗体の温度上昇時間を最小化している。
【0060】
このスイッチSWは信号処理部に配置され、センサチップ11に形成された第1電極116と第2電極117との間の静電容量が規定値に達した時に、マイコン730からの指令により動作する。この規定値はセンサチップ11の測定圧力感度に対応して、第1電極116と第2電極117との間の距離を決定することにより設定している。
【0061】
ところで、圧力感応ダイアフラム110上の抵抗素子111〜114はダイアフラム110の表面と溝部120の圧力差により発生する歪を受け、ピエゾ抵抗効果により抵抗が変化するため、その信号を取り出すことができる。
【0062】
しかし、これらの抵抗素子111〜114は、圧力感応ダイアフラム110の両面にかかる圧力が等しいときでさえ、または温度が変化してもそれに感応して出力が変化する。
【0063】
温度変化時のゼロ点変化は、主に抵抗素子111〜114の各抵抗値のバラツキと、抵抗素子111〜114の抵抗値が温度の関数となっているためである。したがって、温度センサ115の出力信号と圧力センサ111〜114の出力信号との関係を明確に関係づけることができ、この関係を予め記憶させておけば、補償も容易である。
【0064】
つまり、圧力センサのゼロ点変化と温度との関係を情報として、予め収集しメモリ739(図7)に格納しておけば、この情報に基づいて補償できる。
【0065】
さて、半導体複合圧力センサ11からの出力信号は、フレキシブルプリント基板4とコネクタ41とを介して、信号処理部190の回路基板42の回路に伝達される。最終的な信号情報が接続されたケーブル200から、例えば4〜20mAのアナログ定電流信号として、または4〜20mAのアナログ定電流信号に矩形波のディジタル信号が重畳した信号として、またはディジタルの定電流信号に変換され出力される。
【0066】
次に、信号処理部190について詳細に説明する。センサ部組100A、100Bからの信号は、コネクタ41を介して、基板42上の信号処理回路に供給され、信号処理される。さらに、これらの基板42上の信号処理回路を駆動するための電源回路は、SUS又はアルミダイキャストで作られた円筒形状の信号処理部ケース92内に納められ、配線接続口300に挿入された2線式伝送路を介して上記電源回路と外部電源とが接続されている。
信号処理部ケース92は、ハウジング91に機械的に連結されており、コンパクトで、省材料化でき、剛性が高くなるように構成することができる。
【0067】
図7は、本発明の第1の実施形態におけるドライタイプ圧力検出装置の信号処理回路の概略構成図である。図7において、圧力センサ111〜114、温度センサ115、サーミスタ(真空センサ)118からの出力信号は、マルチプレクサ(MPX)731により、選択的に取り込まれる。
【0068】
マルチプレクサ731に取り込まれたセンサの信号は、プログマブルゲインアンプ(PGA)733で増幅され、A/D変換器734でディジタル信号に変換される。そして、A/D変換器734でディジタル信号に変換された信号は、マイクロプロセッサ(MPU)730に供給される。
【0069】
メモリ739(EEPROM)には、圧力センサ111〜114と温度センサ115の各特性データが予め記憶されており、これらの特性データを用いてマイクロプロセッサ730が、圧力センサ111〜114及び温度センサ115の出力信号を補正演算することにより、高精度の圧力信号値と、温度信号値とを演算する。
【0070】
このマイクロプロセッサ730の演算結果は、D/A変換器737とV/I変換器738とを介して、通常のアナログ信号に変換され、DC4〜20mAの直流電流信号として上位の制御装置であるコンピュータや信号変換器に送信できる構成となっている。また、内部の表示器736或いは外部の表示器737にその情報を表示する。
【0071】
また、この図7に示す例では、複合機能圧力センサ11により求めたプロセス状態に関する情報を、DC4〜20mAの直流電流にディジタル信号として重畳して外部の上位制御装置等に送信することも可能である。
【0072】
さらに、図示していないが、信号処理回路から直流電流によるディジタル信号を用いて、プロセス情報を外部の上位制御装置等に送信することも可能である。
【0073】
また、直流電流信号にディジタル信号を重畳する通信方法、又はディジタル信号で外部に設けられた監視制御装置と通信を行う通信方法では、V/I変換器738内に収められたディジタルI/O回路により、例えばオペレータズコンソール、またはハンドヘルドターミナルにプロセス状態に関する情報を表示する。
【0074】
そして、これらハンドヘルドターミナル等から測定レンジなどのパラメータの設定、変更、出力調整、入出力モニタ、自己診断などの指定を行うように構成することができる。
【0075】
また、第1電極116と第2電極117とが接触したか否かを、マイクロプロセッサ730で判断し、接触した場合には、表示器736又は737に表示し、警報するように構成することもできる。
【0076】
つまり、被測定流体の圧力が規定値以上となったときには、第1電極116と第2電極117とが接触するための距離を予め、実験等により算出し、算出した距離で第1電極116と第2電極117とを配置する。このように構成すれば、被測定流体が異常圧力を発生した場合に、それを警報することが可能となる。
【0077】
以上のように、本発明の第1の実施形態によれば、半導体圧力センサ11の表面に耐食性の高いAu、Pt又はテフロンからなる薄膜121を形成し、薄膜121が形成された半導体圧力センサ11のダイアフラム110に、直接、被測定流体を接触させ、この被測定流体の圧力を印加するように構成したので、従来、必要であった、封入液や、この封入液を被測定流体から隔離するためのダイアフラムが不要となる。
したがって、簡単な構成でありながら、高真空域(1×10−5 Torr以下の真空域域)の圧力も測定可能であるドライタイプ圧力検出装置を実現することができる。
【0078】
また、第1の実施形態において、ダイアフラム110上の圧力センサとは、別個に、熱伝導率の変化を測定することによって、その圧力を検出するタイプのセンサ118を配置させるているので、より低い圧力領域まで測定可能となっている。
【0079】
また、第1の実施形態においては、センサチップ11を被測定流体に接触させる構成となっているので、上述した熱伝導率の変化を測定するセンサ118に代えて、電離を利用して圧力を測定するタイプのセンサ、つまり、被測定流体の生成イオンと圧力との関係を利用するセンサを、固定台2の上に設けることもできる。この場合には、センサ118と同様に、より低い圧力領域まで測定可能であるとともに、測定精度をさらに、向上することが可能である。
【0080】
また、サーミスタ118、抵抗体1111〜1113は、必要時のみ動作させる構成としている。すなわち、必要な時に、電圧源Eとサーミスタ118等からなるブリッジ回路との間に配置されたスイッチSWを閉として、このブリッジ回路を動作させる構成となっている。
【0081】
これにより、サーミスタ118、抵抗体1111〜の1113を長寿命化できるとともに、抵抗体の温度上昇時間を最小化することができる。
【0082】
また、溝22は、プロセス流体の圧力が何らかの要因で仕様以上の圧力になった場合でも、圧力感応ダイアフラム110の過度の変形を阻止する機械的なストッパーとして機能する。この溝22の深さはセンサの測定圧力の仕様に応じて決定され、一般にはフルスケールの約1.5〜2倍のダイアフラムの変形量で設定してある。
このため、万一、ダイアフラム110に過大な圧力が印加されてもダイアフラム110は破損することがないので、圧力センサの信頼性を向上することができる。
【0083】
なお、上述した第1の実施形態においては、圧力感応素子を有するセンサのダイアフラム110を、ほぼ均一の厚みの形状のものを示したが、本発明ではこの形状に限定されるものではなく、非直線性を向上させる種々の形状を採用しても、同様の効果が得られるとともに、さらに測定精度が向上したドライタイプ圧力センサを実現できる。
【0084】
図8は、本発明の第2の実施形態である絶対圧形の圧力検出装置の概略断面図であり、ダイアフラム110はその中央部に剛体部130が形成された例である。この剛体部130は、その厚みが、センサチップ11におけるダイアフラム110の外周側の部分(支持部分)と、ほぼ同等の厚みとなっている。他の構成は、第1の実施形態と同様となっているので、説明は省略する。
【0085】
この第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様な効果を得ることができる他、ダイアフラム110に配置された抵抗素子からの出力特性の非直線性を向上させることができ、さらに測定精度が向上したドライタイプ圧力センサを実現することができる。
【0086】
なお、上述した第1及び第2の実施形態においては、圧力センサ111〜114とは別個の圧力センサとして、熱伝導率形センサ又は電離式センサのどちらか一方を、配置することとしたが、熱伝導率形センサ及び電離式センサの2つのセンサを、配置することも可能であり、さらに測定域を拡大することができるとともに、精度を向上したドライタイプ圧力センサを実現することができる。
【0087】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているため、次のような効果がある。被測定流体の圧力を検出する半導体圧力センサの圧力検出素子が配置されている面の反対面が直接、被測定流体に接して圧力が伝達される構成としたので、圧力伝達要素であるダイアフラムと封入液を省略でき、組立性に優れ、検出装置全体が小形化し構成要素も少なく、機器の信頼性が向上するとともにメンテナンスが容易に行えるようになる。
【0088】
また、封入液が存在しないので、その使用範囲の制限を一掃でき、測定域が拡大し、機器の省力化を達成できる。
また、検出装置自体を非常にコンパクトにでき経済的な優位性と共に、さらに、システムのリプレイスが容易であり、保守、点検時にも非常に使い易い構成になっている。
【0089】
さらに、本発明の圧力検出装置によれば、機器自体の信頼性を向上するができきるので、設備のメンテナンス期間またはプラントの定期点検期間を延長することができる。
【0090】
このように本発明の圧力検出装置は耐環境性に優れ、さらに、保守、点検時にも非常に使い易くなっており、さらに、プラントの施行費の低減をも可能としている。さらに、機器自身は安定で信頼性が高い構成にすることが可能なので、プラントの運転効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態である絶対圧形のドライタイプ圧力検出装置の概略断面図である。
【図2】図1に示したセンサ部の概略構成図である。
【図3】図1の示した固定台の概略構成図である。
【図4】図3のA−A線に沿った断面図である。
【図5】図3のB−B線に沿った断面図である。
【図6】図1の例におけるセンサの等価回路図である。
【図7】図1の例における信号処理部の概略構成図である。
【図8】本発明の第2の実施形態である絶対圧形のドライタイプ圧力検出装置の概略断面図である。
【図9】従来における圧力センサの一例の概略構成断面図である。
【図10】図9の例におけるセンサの等価回路図である。
【符号の説明】
2 固定台
4 フレキシブルプリント基板
9 ハウジング
10 プロセスフランジ
11 圧力センサ
12、29 接合材
22 固定台の溝(基準室)
32、35 微細穴
33、34 導電体材
41 導電ピン
42 回路基板
91 ハウジング
92 信号処理部ケース
100A、100B センサ部組
101 圧力印加口
110 ダイアフラム
111〜114 圧力感応素子
115 温度センサ
116 第1電極
117 第2電極
118 サーミスタ
119 電極
120 センサの凹部
120A カバー
121 保護膜
130 剛体部
190 信号処理部
200 ケーブル
731 マルチプレクサ
733 PGA
730 MPU
737 D/A変換器
738 V/I変換器
736、737 表示器
739 メモリ
1111〜1113 抵抗体
1181 リード線
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an absolute pressure type pressure detection device that measures the pressure of fluids such as chemical plants and the like, controls the fluid pressure, and is used for operation control of the entire plant.
[0002]
[Prior art]
For example, it is well known that measuring the pressure of a chemical plant and the pressure in a semiconductor device is indispensable for operating the plant and the semiconductor device safely and efficiently. For this purpose, an absolute pressure type pressure detection device has been widely used.
[0003]
In such a pressure detection device, as can be understood from the pressure oscillator and the pressure sensor disclosed in JP-A-4-5532 and JP-A-3-185325, the pressure-receiving unit that detects the pressure, and the pressure-receiving unit And a signal converter for converting the detected signal into a generalized analog signal or digital signal. The pressure receiving unit has a reference chamber, and is configured to detect a pressure difference between the pressure in the reference chamber and the measured pressure.
[0004]
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a general structure of an absolute pressure type pressure detection device in a conventional example. This absolute pressure type pressure detection device measures the pressure in chemical plants and in semiconductor devices, and monitors and controls process pressure, maintains equipment for semiconductor devices, and maintains process quality. Widely used as a control device.
[0005]
In FIG. 9, the pressure receiving body 20 includes a semiconductor pressure sensor 11 or a capacitive type pressure sensor 11. Further, the process connection flange 10 has a pressure application port 101, and the pressure receiving unit main body 20 and the detection unit main body are connected to the process flange 10 so that pressure is transmitted from the pressure application port 101 to the pressure receiving unit main body 20. It is incorporated by a screw part formed on the inner surface.
[0006]
The pressure of the process is received by the diaphragm 3 in the pressure receiving unit main body 20, and this pressure is transmitted to the pressure sensor 11 through the sealed liquid 31 sealed between the diaphragm 3 and the pressure sensor 11.
[0007]
Piezoresistive elements 111 to 114 are disposed on the surface side of the pressure sensor 11 that contacts the sealed liquid 31. Further, a groove portion 120 is formed on the surface side of the pressure sensor 11 that does not contact the sealed liquid 31, and the groove portion 120 forms a space portion together with the fixing base 2.
[0008]
Further, the piezoresistive elements 111 to 114 are connected to the printed circuit board 4 via the conductive material 52 and the conductive pins 41 filled in the holes formed in the housing 3. And the piezoresistive elements 111-114 (Rg1-Rg4) form a Wheatstone bridge circuit like the equivalent circuit diagram shown in FIG. The pressure sensor 11 is provided with a temperature compensating resistor 115 (RT).
[0009]
Then, the output voltage EPV1 of the Wheatstone bridge circuit is compensated by the temperature compensating resistor 115 to obtain the output voltage ETV1. This output voltage ETV1 is transmitted as a pressure signal to the host control device via the electric signal converter.
In FIG. 9, 9 is a housing, and 21 is a sealing pin inserted into a hole formed in the fixing base 2 in order to seal the groove 120.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional absolute pressure type pressure detector, the pressure of the process is set to the diaphragm 3 in order that the pressure sensor 11 which is a pressure-electric signal converter avoids direct contact with the process fluid to be measured. Because of this, there are many components and the configuration is complicated.
[0011]
Furthermore, a high vacuum region (1 x 10-5  When the pressure in the vacuum region below Torr) was measured, the internal sealing liquid 31 would boil, so measurement was impossible. The general measurement area of the conventional pressure detection device is a low 1 to 10 Torr range at a temperature of 100 ° C. even if a sealed oil with the best boiling temperature is used and a degassing process is performed at the time of sealing. It is a vacuum region.
For this reason, the high vacuum region (1 × 10-5  It has been desired to realize a pressure detection device that can measure the pressure in a vacuum region below Torr) and has a simple configuration.
[0012]
An object of the present invention is to provide a high vacuum region (1 × 10 10) while having a simple configuration.-5  It is to realize a dry type pressure detecting device capable of measuring a pressure in a vacuum region below Torr.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
(1) Fluid to be measuredCombined with a pressure detection element that detects the pressure of the gas and a temperature detection element that detects the temperatureIn a dry type pressure detection apparatus comprising a semiconductor pressure sensor and a pressure receiving unit comprising a fixing base for fixing the semiconductor pressure sensor, and a signal processing unit connected to the pressure receiving unit and processing a detection signal from the semiconductor sensor, The semiconductor pressure sensor has a thin portion and a thick portion by forming a recess in the central portion of one surface, and a plurality of pressure detection elements are arranged on the thin portion on the opposite surface where the recess is formed. And a plurality of connection terminals connected to the pressure detection element are disposed on the thick wall portion, and the fixing base has a recess formed in a central portion, and around the recess.,Connection terminal abovePlacement positionCorresponding toPenetrating between the surface facing the signal processing unit from the surface facing the semiconductor pressure sensor,A plurality of lead terminals connected to the signal processing unit are formed, and the connection terminal and the lead electrode are aligned with the surface on which the concave portion of the fixing base is formed and the surface on which the pressure detection element of the semiconductor pressure sensor is disposed. The pressure reference chamber is formed by the concave portion of the fixing base by the bonding, and the sensor and the fixing are formed on the concave portion forming surface of the semiconductor pressure sensor and the surface of the fixing base in contact with the fluid to be measured. An oxide film is formed on both the tables, and the pressure transmitted from the fluid to be measured in contact with the recess of the semiconductor pressure sensor is detected by the pressure detecting element.
[0014]
Since the pressure is transmitted directly in contact with the fluid to be measured, the surface opposite to the surface on which the pressure detection element of the semiconductor pressure sensor for detecting the pressure of the fluid to be measured is disposed, The filled liquid can be omitted, the assemblability is excellent, the entire detection device is miniaturized and the number of components is small, the reliability of the device is improved and the maintenance can be easily performed.
In addition, since there is no encapsulated liquid, restrictions on the range of use can be eliminated, the measurement area can be expanded, and labor saving of the instrument can be achieved.
[0018]
(2)Preferably, in (1) above, an ethylene tetrafluoride film is formed in place of the oxide film.
[0019]
(3)Preferably, in (2) above, a protective film made of gold is formed in place of the oxide film.
(4)Preferably, in (2) above, a protective film made of platinum is formed in place of the oxide film.
(5)Preferably, in the above (2), the space formed by the concave portion of the fixed base and the semiconductor sensor forms a vacuum reference pressure chamber sealed from the periphery.
(6)Preferably, in the above (5), at least one vacuum measurement is performed on a surface of the fixed base to which the semiconductor pressure sensor is bonded, and in a region other than the region where the semiconductor pressure sensor is bonded. Sensors are arranged.
[0021]
(7) Preferably, in the above (6),The sensor for vacuum measurement is a sensor that utilizes the fact that the heat loss due to the heat conduction of the fluid to be measured changes with the pressure of the fluid to be measured.
[0022]
(8) Preferably, the above (6), The sensor for vacuum measurement isThe sensor detects the number of product ions, and measures the pressure of the fluid to be measured according to the number of product ions detected.
[0023]
(9) Preferably, the above (6)A first electrode is disposed on the surface of the semiconductor pressure sensor on which the pressure detection element is disposed, a second electrode facing the first electrode is disposed in the concave portion of the fixed base, and the signal processing unit is The capacitance value between the first electrode and the second electrode is detected.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an absolute pressure type pressure detection device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an absolute pressure type dry type pressure detection apparatus according to a first embodiment of the present invention. FIGS. 2 and 3 are fixed to a sensor section of the pressure detection apparatus shown in FIG. It is a figure which shows the structure of a stand.
[0028]
In FIG. 1 to FIG. 3, the entire configuration of the absolute pressure type pressure detection device is schematically shown as a sensor unit set 100 </ b> A, 100 </ b> B for detecting the pressure of a process fluid and signals from these sensor unit sets 100 </ b> A, 100 </ b> B. The signal processing unit 190 in which a signal processing circuit for processing the above is accommodated.
[0029]
The multi-function pressure sensor chip 11 is a (100) plane n-type single crystal silicon, and has a circular thin portion 110 at substantially the center of the sensor chip 11, and one surface of the thin portion 110, That is, the groove part 120 is formed in the surface on the side where the pressure fluid contacts.
[0030]
Then, by applying the first process pressure and the second process pressure to the one surface and the other surface of the thin portion 110 (the surface opposite to the surface on which the pressure fluid contacts), respectively, the thin portion 110 (diaphragm) is a strain generating body sensitive to pressure and operates as a pressure sensitive diaphragm for pressure detection.
[0031]
On the other surface of the pressure-sensitive diaphragm 110, P-type resistance elements (gauge resistance elements) 111 to 114, which are first pressure sensors, are arranged in the <110> axis direction in which the piezoresistance coefficient in the (100) plane is maximized. Each is formed by a thermal diffusion method or an implantation method in a direction parallel or perpendicular to the crystal axis.
[0032]
The arrangement positions of the resistance elements 111 to 114 are in the vicinity of the fixed portion where the radial and circumferential distortions generated on the pressure-sensitive diaphragm 110 when pressure is applied are maximized.
Further, as the arrangement directions of these resistance elements 111 to 114, the resistance elements 111 and 113 are set in the radial direction, and the resistance elements 112 and 114 are set as the tangential directions. One end is connected, and the other end of each resistance element is connected to the detection terminal to form a bridge circuit as shown in FIG.
[0033]
In addition, a resistive element 115 that is sensitive to temperature is formed in a thick portion other than the pressure sensitive diaphragm 110 of the sensor chip 11 in a direction insensitive to pressure. By extracting the change in resistance value of the resistance element 115 from the output terminal, the temperature of the process fluid can also be measured.
[0034]
The shape and thickness of the pressure-sensitive diaphragm 110 are changed to a desired shape by anisotropic wet etching or dry etching from the side opposite to the surface on which the resistance elements 111 to 114 are arranged, depending on the pressure to be sensitive. The thickness is set, and the groove 120 is formed.
[0035]
When the measured fluid pressure of the process is applied while the measured fluid is in contact with the groove portion 120, the resistance elements 111 to 114 on the pressure sensitive diaphragm 110 are subjected to the distortion generated in the diaphragm 110, and the piezoresistive effect. Since the resistance changes due to, the change can be taken out as a signal.
[0036]
The multi-function pressure sensor chip 11 is attached to the housing 9 via the fixed base 2. The fixing base 2 is made of ceramics (for example, SiC) having a linear expansion coefficient approximate to that of silicon in consideration of electrical insulation with the composite function type pressure sensor chip 11 and reduction of thermal strain due to a difference in linear expansion coefficient with the housing 9. It is desirable to use Pyrex glass.
The fixing base 2 may be a silicon carbide sintered body or borosilicate glass.
[0037]
The fixing base 2 and the sensor chip 11 are joined via a joining member 29. The joining member 29 is made of oxide solder such as low melting point glass or metal solder, and is fused at the time of assembly. In addition, an Au—Si alloy layer or an Au thin film is formed in advance on the fixing table 2 or the sensor chip 11 by sputtering or vapor deposition, and is fused at the time of assembly to fix the fixing table 2 and the sensor chip 11. It is also possible to employ a method of joining and anodic bonding. Furthermore, it is also possible to join the fixing base 2 and the sensor chip 11 using an organic or inorganic binder.
[0038]
The bonding member 29 is sandwiched between the fixed base 2 and the sensor chip 11, and the surface of the sensor chip 11 on which the resistance elements 111 to 114 are formed and one surface of the fixed base 2 are arranged to face each other. The sensor chip 11 and the fixing base 2 are joined.
[0039]
Further, at the time of joining, as will be described later, the connection pad terminals a to j of the sensor chip 11 and the conductor 33 and the conductive pin 41 provided on the fixing base 2 are also joined, so that electrical connection can be achieved.
[0040]
On the other hand, a groove 22 serving as a comparative measurement chamber for comparing the fluid pressure to be measured in the process with the reference pressure is formed on the surface of the fixed base 2 where the sensor chip 11 is joined. The sensor chip 11 and the base 2 are joined through a joining member 29 in a vacuum atmosphere, and when the joining is completed, the through hole 35 is sealed, so that a vacuum reference pressure chamber can be formed by the groove 22. .
[0041]
Further, if the shape of the groove 22 is configured to penetrate the surface side opposite to the joint surface with the sensor chip 11 through the through-hole 35 and be released to the atmosphere when the joint between the sensor chip 11 and the base 2 is completed, An atmospheric pressure reference chamber can be formed.
[0042]
A first electrode 116 is formed on the surface of the diaphragm 110 facing the fixed base 2, and a second electrode 117 is formed on the surface of the fixed base 2 with respect to the first electrode 116. The second electrode 117 is filled in a hole formed in the fixed base 2 and connected to the conductor 34 and the conductive pin 41.
[0043]
Further, on the surface of the sensor chip 11 on the side in contact with the fluid to be measured, an oxide film, tetrafluoroethylene, high corrosion resistance gold (Au), platinum (Pt), Teflon, or the like according to the fluid to be measured The thin film 121 is formed by sputtering or vapor deposition.
[0044]
The thin film 121 can be easily formed even after the sensor chip 11 and the fixing base 2 are joined. Thereby, the thin film 121 can be formed not only on the sensor chip 11 but also on the surface of the fixed base 2.
[0045]
Therefore, the fluid pressure to be measured in the process is transmitted to the groove 120 of the sensor chip 11, and the reference pressure is transmitted to the surface side where the resistance elements 111 to 114 of the sensor chip 11 are arranged. Pressure acts on the diaphragm 110 surface, and this differential pressure can be converted into an electrical signal.
[0046]
At this time, since the arrangement surface side of the resistance elements 111 to 114 of the sensor chip 11 does not come into contact with the fluid to be measured, the conventionally used metal diaphragm and the sealed liquid sealed for pressure transmission are not used. It becomes absolutely unnecessary. In addition, 9 and 91 are a housing, 10 is a flange, 101 is a pressure application port.
[0047]
The pressure and temperature signals from the multi-function pressure sensor chip 11 are obtained by injecting the conductor 33 into the connection pad terminals a to j of the sensor chip 11 and the fine holes provided in the fixing base 2 and fixing the conductive pins. 41 to the outside. In general, the conductive pins 41 are formed when the fixing base 2 is manufactured.
[0048]
By the way, in the first embodiment of the present invention, as the thickness of the pressure sensitive diaphragm 110 of the multi-function pressure sensor chip 11 is reduced, the measured pressure can be measured to a lower pressure range.
[0049]
However, if the pressure-sensitive diaphragm 110 is made thinner than necessary, the nonlinearity in the pressure-voltage relationship becomes large and correction becomes difficult. This can be counteracted by setting the diaphragm 110 to the limit value of its thickness and increasing the diameter of the diaphragm 110, but this cannot achieve cost reduction and compactness.
[0050]
For this reason, in the first embodiment of the present invention, in order to extend the measurement range to a lower pressure range, another pressure sensor is arranged.
As another sensor, a sensor that detects the pressure by measuring a change in thermal conductivity and a sensor that measures the pressure using ionization are provided on the fixed base 2. However, in the first embodiment, a sensor using a change in thermal conductivity is employed.
[0051]
As a sensor using a change in thermal conductivity, a temperature change of resistance caused by a pressure change can be detected by the resistance change. A thermistor having a large resistance temperature coefficient is used as the resistance element.
[0052]
The thermistor is a metal oxide semiconductor, and has a negative resistance coefficient that is about 10 to 20 times larger than that of a metal.
[0053]
As shown in FIGS. 1 and 3, the thermistor 118 is formed on the surface of the fixed base 2 on the side to be joined with the sensor chip 11 by a thick film technique or a vapor deposition technique. The thermistor 118 is connected to a tungsten or platinum pad 119 in order to maximize the heat radiating surface area of the element and reduce the heat loss of the lead wire 1181.
[0054]
Further, a resistor RTH (shown in FIG. 6) composed of these elements 118, 1181, and 119 is covered with a cover 120A in order to stabilize heat. The cover 120A is joined to the fixing base 2 by the joining member 12 similar to the joining member 29 (FIGS. 3 and 4 (cross-sectional view along the line AA in FIG. 3), FIG. 5 (B in FIG. 3). (See cross-sectional view along line B)).
[0055]
As shown in FIGS. 4 and 5, the pad 119 contacts and is fixed to the conductor 33 filled in the hole 32 formed in the fixing base 2, and is also connected to the conductive pin 41.
[0056]
The resistance change of the resistance elements 111 to 114 (Rg1 to Rg4) and 118 (RTH) can be detected by taking out the unbalanced voltages (EPV1 and EPV2) with a bridge circuit as shown in FIG. Other resistors 1111, 1112, 1113 (R 0) that form a bridge circuit together with the thermistor 118 are arranged on the substrate 42 of the signal processing unit 190 (FIG. 1).
[0057]
The relationship between the output of the thermistor 118 and the pressure can be easily based on this information if the relationship between the output and temperature is collected in advance as information and stored in the memory 739 (shown in FIG. 7). Therefore, accurate pressure can be detected.
[0058]
In the configuration described above, the measurement area is 10-5-10-2It is possible to measure the pressure of Torr, and the measurement range is wide. Further, in order to ensure the lifetime of the thermistor 118 and the resistors 1111 to 1113, the thermistor 118 and the resistors 1111 to 1113 are configured to operate only when necessary.
[0059]
That is, when necessary, the bridge SW is operated by closing the switch SW (shown in FIG. 6) disposed between the voltage source E and the bridge circuit including the thermistor 118 and the like. Thereby, the temperature rise time of the resistor is minimized.
[0060]
This switch SW is disposed in the signal processing unit, and operates according to a command from the microcomputer 730 when the capacitance between the first electrode 116 and the second electrode 117 formed on the sensor chip 11 reaches a specified value. . This specified value is set by determining the distance between the first electrode 116 and the second electrode 117 corresponding to the measured pressure sensitivity of the sensor chip 11.
[0061]
By the way, the resistance elements 111 to 114 on the pressure sensitive diaphragm 110 are subjected to distortion caused by the pressure difference between the surface of the diaphragm 110 and the groove 120, and the resistance changes due to the piezoresistive effect, so that the signal can be taken out.
[0062]
However, even when the pressure applied to both surfaces of the pressure-sensitive diaphragm 110 is equal, or even when the temperature changes, these resistance elements 111 to 114 change their outputs in response to them.
[0063]
The zero point change at the time of temperature change is mainly because the resistance values of the resistance elements 111 to 114 and the resistance values of the resistance elements 111 to 114 are functions of temperature. Therefore, the relationship between the output signal of the temperature sensor 115 and the output signals of the pressure sensors 111 to 114 can be clearly related, and if this relationship is stored in advance, compensation is easy.
[0064]
That is, if the relationship between the change in the zero point of the pressure sensor and the temperature is collected as information in advance and stored in the memory 739 (FIG. 7), compensation can be made based on this information.
[0065]
The output signal from the semiconductor composite pressure sensor 11 is transmitted to the circuit of the circuit board 42 of the signal processing unit 190 via the flexible printed board 4 and the connector 41. From the cable 200 to which the final signal information is connected, for example, as a 4 to 20 mA analog constant current signal, or as a signal in which a rectangular digital signal is superimposed on a 4 to 20 mA analog constant current signal, or a digital constant current It is converted into a signal and output.
[0066]
Next, the signal processing unit 190 will be described in detail. Signals from the sensor unit sets 100A and 100B are supplied to the signal processing circuit on the substrate 42 via the connector 41 and are subjected to signal processing. Furthermore, the power supply circuit for driving the signal processing circuit on the substrate 42 is housed in a cylindrical signal processing unit case 92 made of SUS or aluminum die-casting, and inserted into the wiring connection port 300. The power supply circuit and an external power supply are connected via a two-wire transmission line.
The signal processing unit case 92 is mechanically coupled to the housing 91 and can be configured to be compact, save material, and increase rigidity.
[0067]
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a signal processing circuit of the dry type pressure detection device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 7, output signals from the pressure sensors 111 to 114, the temperature sensor 115, and the thermistor (vacuum sensor) 118 are selectively captured by a multiplexer (MPX) 731.
[0068]
The sensor signal captured by the multiplexer 731 is amplified by a programmable gain amplifier (PGA) 733 and converted to a digital signal by an A / D converter 734. The signal converted into a digital signal by the A / D converter 734 is supplied to a microprocessor (MPU) 730.
[0069]
In the memory 739 (EEPROM), the characteristic data of the pressure sensors 111 to 114 and the temperature sensor 115 are stored in advance, and the microprocessor 730 uses these characteristic data to store the pressure sensors 111 to 114 and the temperature sensor 115. By correcting and calculating the output signal, a highly accurate pressure signal value and temperature signal value are calculated.
[0070]
The calculation result of the microprocessor 730 is converted into a normal analog signal via a D / A converter 737 and a V / I converter 738, and is a computer that is a higher-level control device as a DC 4-20 mA DC current signal. And can be transmitted to a signal converter. The information is displayed on the internal display 736 or the external display 737.
[0071]
Further, in the example shown in FIG. 7, it is possible to superimpose information on the process state obtained by the multi-function pressure sensor 11 as a digital signal on a DC current of 4 to 20 mA and transmit it to an external host control device or the like. is there.
[0072]
Furthermore, although not shown, it is also possible to transmit process information to an external host control device or the like using a digital signal generated by a direct current from a signal processing circuit.
[0073]
In a communication method in which a digital signal is superimposed on a direct current signal or a communication method in which a digital signal is used to communicate with a monitoring control device provided outside, a digital I / O circuit housed in a V / I converter 738 is used. Displays information about the process status on, for example, an operator's console or handheld terminal.
[0074]
Then, the configuration such as setting, changing, output adjustment, input / output monitoring, self-diagnosis, etc. of parameters such as the measurement range can be performed from these handheld terminals.
[0075]
Further, the microprocessor 730 determines whether or not the first electrode 116 and the second electrode 117 are in contact with each other. If they are in contact with each other, the display 736 or 737 is displayed and an alarm is provided. it can.
[0076]
That is, when the pressure of the fluid to be measured exceeds a specified value, the distance for the first electrode 116 and the second electrode 117 to contact each other is calculated in advance through experiments or the like. A second electrode 117 is disposed. If comprised in this way, when the fluid to be measured generates abnormal pressure, it is possible to warn it.
[0077]
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the semiconductor pressure sensor 11 in which the thin film 121 made of Au, Pt, or Teflon having high corrosion resistance is formed on the surface of the semiconductor pressure sensor 11 is formed. Since the fluid to be measured is directly brought into contact with the diaphragm 110 and the pressure of the fluid to be measured is applied, the sealed liquid and the sealed liquid, which are conventionally required, are isolated from the fluid to be measured. The diaphragm for this is no longer necessary.
Therefore, while having a simple configuration, a high vacuum region (1 × 10 10-5  It is possible to realize a dry-type pressure detection device that can also measure the pressure in a vacuum region below Torr.
[0078]
In the first embodiment, the pressure sensor on the diaphragm 110 is arranged separately from a sensor 118 that detects the pressure by measuring a change in thermal conductivity, and thus is lower. Measurement is possible up to the pressure range.
[0079]
In the first embodiment, since the sensor chip 11 is configured to contact the fluid to be measured, instead of the sensor 118 that measures the above-described change in thermal conductivity, the pressure is applied using ionization. A sensor of the type to be measured, that is, a sensor that uses the relationship between the generated ions of the fluid to be measured and the pressure can be provided on the fixed base 2. In this case, similarly to the sensor 118, it is possible to measure up to a lower pressure region, and it is possible to further improve the measurement accuracy.
[0080]
The thermistor 118 and the resistors 1111 to 1113 are configured to operate only when necessary. That is, when necessary, the bridge SW is operated by closing the switch SW disposed between the voltage source E and the bridge circuit including the thermistor 118 and the like.
[0081]
Thereby, the thermistor 118 and the resistors 1111 to 1113 can be extended in life, and the temperature rise time of the resistor can be minimized.
[0082]
Further, the groove 22 functions as a mechanical stopper that prevents excessive deformation of the pressure-sensitive diaphragm 110 even when the pressure of the process fluid exceeds the specification for some reason. The depth of the groove 22 is determined in accordance with the measurement pressure specifications of the sensor, and is generally set with a diaphragm deformation amount of about 1.5 to 2 times the full scale.
For this reason, even if an excessive pressure is applied to the diaphragm 110, the diaphragm 110 is not damaged, so that the reliability of the pressure sensor can be improved.
[0083]
In the first embodiment described above, the diaphragm 110 of the sensor having a pressure sensitive element is shown to have a substantially uniform thickness. However, the present invention is not limited to this shape and is not limited to this. Even if various shapes that improve the linearity are adopted, the same effect can be obtained, and a dry type pressure sensor with improved measurement accuracy can be realized.
[0084]
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an absolute pressure type pressure detecting device according to a second embodiment of the present invention, and the diaphragm 110 is an example in which a rigid body portion 130 is formed at the center thereof. The rigid body portion 130 has a thickness substantially equal to the outer peripheral portion (support portion) of the diaphragm 110 in the sensor chip 11. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof will be omitted.
[0085]
In the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the non-linearity of the output characteristic from the resistance element arranged in the diaphragm 110 can be improved. A dry type pressure sensor with improved accuracy can be realized.
[0086]
In the first and second embodiments described above, either the thermal conductivity type sensor or the ionization type sensor is arranged as a pressure sensor separate from the pressure sensors 111 to 114. Two sensors, a thermal conductivity type sensor and an ionization type sensor, can be arranged, and the measurement range can be further expanded, and a dry type pressure sensor with improved accuracy can be realized.
[0087]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects. Since the pressure is transmitted directly in contact with the fluid to be measured, the surface opposite to the surface on which the pressure detection element of the semiconductor pressure sensor for detecting the pressure of the fluid to be measured is disposed, The filled liquid can be omitted, the assemblability is excellent, the entire detection device is miniaturized and the number of components is small, the reliability of the device is improved and the maintenance can be easily performed.
[0088]
In addition, since there is no encapsulated liquid, restrictions on the range of use can be eliminated, the measurement area can be expanded, and labor saving of the instrument can be achieved.
In addition, the detection device itself can be made very compact, and it has an economical advantage. Furthermore, the system can be easily replaced, and is very easy to use during maintenance and inspection.
[0089]
Furthermore, according to the pressure detection device of the present invention, the reliability of the equipment itself can be improved, so that the maintenance period of equipment or the periodic inspection period of the plant can be extended.
[0090]
As described above, the pressure detection device of the present invention is excellent in environmental resistance, is very easy to use during maintenance and inspection, and can reduce the cost of implementing the plant. Furthermore, since the equipment itself can be configured to be stable and highly reliable, the operation efficiency of the plant can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an absolute pressure type dry type pressure detection apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a sensor section shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the fixed base shown in FIG. 1;
4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
5 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 3. FIG.
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the sensor in the example of FIG.
7 is a schematic configuration diagram of a signal processing unit in the example of FIG.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an absolute pressure type dry type pressure detection apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic sectional view of an example of a conventional pressure sensor.
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of the sensor in the example of FIG.
[Explanation of symbols]
2 fixed base
4 Flexible printed circuit boards
9 Housing
10 Process flange
11 Pressure sensor
12, 29 Bonding material
22 Fixed table groove (reference room)
32, 35 fine holes
33, 34 Conductor material
41 Conductive pin
42 Circuit board
91 Housing
92 Signal processor case
100A, 100B sensor assembly
101 Pressure application port
110 Diaphragm
111-114 Pressure sensitive element
115 Temperature sensor
116 1st electrode
117 Second electrode
118 Thermistor
119 electrode
120 Sensor recess
120A cover
121 Protective film
130 Rigid body
190 Signal processor
200 cables
731 Multiplexer
733 PGA
730 MPU
737 D / A converter
738 V / I converter
736, 737 Display
739 memory
1111 to 1113 resistors
1181 Lead wire

Claims (9)

被測定流体の圧力を検出する圧力検出素子及び温度を検出する温度検出素子を複合化した半導体圧力センサ及びこの半導体圧力センサを固定する固定台からなる受圧部と、この受圧部に接続され、上記半導体センサからの検出信号を処理する信号処理部とを備えるドライタイプ圧力検出装置において、
上記半導体圧力センサは、一方の面の中央部分に凹部が形成されることで薄肉部と厚肉部を有し、当該凹部が形成された反対面の薄肉部上に複数の圧力検出素子が配置され、且つ厚肉部上に上記圧力検出素子に接続される複数の接続端子が配置され、
上記固定台は、中央部分に凹部が形成され、且つ当該凹部周囲に上記接続端子の配置位置に対応して設けられ、上記半導体圧力センサに対向する面から上記信号処理部に対向する面間を貫通し、上記信号処理部に接続される複数の引き出し端子が形成され、
当該固定台の凹部が形成された面と上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配置された面を上記接続端子と上記引き出し電極を合わせるように接合し、且つ当該接合によって上記固定台の凹部による圧力基準室を形成し、
上記半導体圧力センサの凹部形成面および上記固定台の上記被測定流体が接触する面には、上記センサ及び固定台共に酸化膜が形成され、
上記被測定流体が、上記半導体圧力センサの凹部に接触して伝達された圧力が、上記圧力検出素子により検出されることを特徴とするドライタイプ圧力検出装置。
A semiconductor pressure sensor that combines a pressure detection element that detects the pressure of the fluid to be measured, and a temperature detection element that detects the temperature, and a pressure receiving portion that includes a fixed base that fixes the semiconductor pressure sensor, and is connected to the pressure receiving portion. In a dry type pressure detection device comprising a signal processing unit for processing a detection signal from a semiconductor sensor,
The semiconductor pressure sensor has a thin portion and a thick portion by forming a recess in the central portion of one surface, and a plurality of pressure detection elements are disposed on the thin portion on the opposite surface where the recess is formed. And a plurality of connection terminals connected to the pressure detection element are arranged on the thick part,
The fixed base, a concave portion is formed in the center portion, and around the concave portion provided corresponding to the positions of the connection terminals, between the semiconductor pressure sensor opposite from the surface facing to the signal processing unit on the surface And a plurality of lead terminals connected to the signal processing unit are formed,
The surface on which the concave portion of the fixing base is formed and the surface on which the pressure detection element of the semiconductor pressure sensor is disposed are joined so that the connection terminal and the extraction electrode are aligned, and the pressure by the concave portion of the fixing base is obtained by the joining. Forming a reference chamber,
An oxide film is formed on both the sensor and the fixing table on the concave surface of the semiconductor pressure sensor and the surface of the fixing table that contacts the fluid to be measured.
A dry type pressure detecting device, wherein the pressure transmitted by the fluid to be measured contacting the recess of the semiconductor pressure sensor is detected by the pressure detecting element.
請求項1記載のドライタイプ圧力検出装置において、上記酸化膜に代わって、四フッ化エチレン膜が形成されることを特徴とするドライタイプ圧力検出装置。2. The dry type pressure detecting device according to claim 1, wherein a tetrafluoroethylene film is formed instead of the oxide film. 請求項2記載のドライタイプ圧力検出装置において、上記酸化膜に代わって、金からなる保護膜が形成されることを特徴とするドライタイプ圧力検出装置。3. The dry type pressure detecting device according to claim 2, wherein a protective film made of gold is formed instead of the oxide film. 請求項2記載のドライタイプ圧力検出装置において、上記酸化膜に代わって、白金からなる保護膜が形成されることを特徴とするドライタイプ圧力検出装置。3. The dry type pressure detecting device according to claim 2, wherein a protective film made of platinum is formed instead of the oxide film. 請求項2記載のドライタイプ圧力検出装置において、上記固定台の凹部と、上記半導体圧力センサとにより形成される空間は、周囲から密閉された真空の基準圧力室を形成することを特徴とする絶対圧形のドライタイプ圧力検出装置。3. The dry type pressure detecting device according to claim 2, wherein the space formed by the concave portion of the fixed base and the semiconductor pressure sensor forms a vacuum reference pressure chamber sealed from the surroundings. Pressure type dry type pressure detector. 請求項5記載のドライタイプ圧力検出装置において、上記固定台の上記半導体圧力センサが接合される面であって、この半導体圧力センサが接合された領域以外の領域の表面には、少なくとも一つの真空測定用のセンサが配置されていることを特徴とする絶対圧形のドライタイプ圧力検出装置。6. The dry type pressure detection device according to claim 5, wherein at least one vacuum is formed on a surface of the fixed base to which the semiconductor pressure sensor is bonded, and in a region other than the region where the semiconductor pressure sensor is bonded. An absolute pressure type dry type pressure detecting device, wherein a sensor for measurement is arranged. 請求項6記載のドライタイプ圧力検出装置において、上記真空測定用のセンサは、被測定流体の熱伝導による熱の損失が被測定流体の圧力とともに変化することを利用したセンサであることを特徴とする絶対圧形のドライタイプ圧力検出装置。7. The dry type pressure detection device according to claim 6, wherein the vacuum measurement sensor is a sensor that utilizes the fact that heat loss due to heat conduction of the fluid to be measured changes with the pressure of the fluid to be measured. Absolute pressure type dry type pressure detector. 請求項6記載のドライタイプ圧力検出装置において、上記真空測定用のセンサは、被測定流体の生成イオンの数を検出するセンサであり、検出した生成イオンの数に応じて被測定流体の圧力を測定することを特徴とする絶対圧形のドライタイプ圧力検出装置。7. The dry type pressure detection apparatus according to claim 6, wherein the vacuum measurement sensor is a sensor that detects the number of generated ions of the fluid to be measured, and controls the pressure of the fluid to be measured according to the number of detected ions. An absolute pressure dry type pressure detector characterized by measuring. 請求項6記載のドライタイプ圧力検出装置において、上記半導体圧力センサの圧力検出素子が配置される面には、第1電極が配置され、上記固定台の凹部には、上記第1電極と対向する第2電極が配置され、上記信号処理部は、上記第1電極と第2電極との間の静電容量値を検出することを特徴とする絶対圧形のドライタイプ圧力検出装置。7. The dry type pressure detection apparatus according to claim 6, wherein a first electrode is disposed on a surface of the semiconductor pressure sensor on which the pressure detection element is disposed, and a concave portion of the fixed base is opposed to the first electrode. An absolute pressure type dry type pressure detecting device, wherein a second electrode is disposed, and the signal processing unit detects a capacitance value between the first electrode and the second electrode.
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