JPH0797058B2 - 半導体圧力変換器 - Google Patents
半導体圧力変換器Info
- Publication number
- JPH0797058B2 JPH0797058B2 JP914888A JP914888A JPH0797058B2 JP H0797058 B2 JPH0797058 B2 JP H0797058B2 JP 914888 A JP914888 A JP 914888A JP 914888 A JP914888 A JP 914888A JP H0797058 B2 JPH0797058 B2 JP H0797058B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure
- static pressure
- outer peripheral
- rigid body
- differential pressure
- Prior art date
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は複合機能形差圧センサを使用した半導体圧力変
換器に係り、特に静圧影響が少ない温度補正された差圧
信号を得るのに好適な半導体圧力変換器に関する。
換器に係り、特に静圧影響が少ない温度補正された差圧
信号を得るのに好適な半導体圧力変換器に関する。
〔従来の技術〕 従来、差圧と温度とを検出するようにした差圧センサは
種々提案されているが、第８図は特開昭56−87196号公
報に記載された差圧センサの原理構造の一例を示したも
のである。差圧センサは受圧部１と差圧検出部２とから
構成されており、差圧検出部２のほぼ中央部に〈110〉
面ｎ形単結晶シリコンからなる測定ダイアフラム３が設
けられている。この測定ダイアフラム３は凹形のダイア
フラムで、中央部に中心剛体部５を、外周部に肉厚の外
周固定部６をそれぞれ設け、かつ中心剛体部５と外周固
定部６とを連結する肉薄の環状起歪部８を設けてある。
この環状起歪部８には差圧に感応するゲージ抵抗が形成
されている。また外周固定部６には温度のみに感応する
ゲージ抵抗が形成されている。これらのゲージ抵抗は高
い静圧には不感応に作られており、それぞれ本体９に設
けた耐圧気密端子10からリード線11を介して外部回路に
接続されている。また測定ダイアフラム３は、シリコン
とはヤング率の異なるガラス等の絶縁材からなる固定台
12に接着されており、この固定台12は本体９に固定され
た金属管からなる支持部材13に接着されている。
種々提案されているが、第８図は特開昭56−87196号公
報に記載された差圧センサの原理構造の一例を示したも
のである。差圧センサは受圧部１と差圧検出部２とから
構成されており、差圧検出部２のほぼ中央部に〈110〉
面ｎ形単結晶シリコンからなる測定ダイアフラム３が設
けられている。この測定ダイアフラム３は凹形のダイア
フラムで、中央部に中心剛体部５を、外周部に肉厚の外
周固定部６をそれぞれ設け、かつ中心剛体部５と外周固
定部６とを連結する肉薄の環状起歪部８を設けてある。
この環状起歪部８には差圧に感応するゲージ抵抗が形成
されている。また外周固定部６には温度のみに感応する
ゲージ抵抗が形成されている。これらのゲージ抵抗は高
い静圧には不感応に作られており、それぞれ本体９に設
けた耐圧気密端子10からリード線11を介して外部回路に
接続されている。また測定ダイアフラム３は、シリコン
とはヤング率の異なるガラス等の絶縁材からなる固定台
12に接着されており、この固定台12は本体９に固定され
た金属管からなる支持部材13に接着されている。
第８図において、差圧センサの作用の概略を説明する。
高圧流体が高圧側フランジ15の高圧流体導入口16より導
入されると、高圧流体の圧力PHは高圧側シールダイアフ
ラム18、導圧路19、高圧側隔離室20、導圧路21を介して
測定ダイアフラム３の一方の面に作用する。また低圧流
体も同様に低圧側フランジ22の低圧流体導入口23より導
入されると、低圧流体の圧力PLは低圧側シールダイアフ
ラム25、導圧路26、低圧側隔離室28、導圧路29を介して
測定ダイアフラム３の他方の面に作用する。この結果、
測定ダイアフラム３の環状起歪部８は圧力差に応じてた
わみ、それによってゲージ抵抗値が変化する。そして環
状起歪部８のゲージ抵抗から差圧に、外周固定部６のゲ
ージ抵抗から温度にそれぞれ比例する信号を得て、この
信号はリード線11により外部回路に伝達され、温度補償
された差圧信号を得ることができる。
高圧流体が高圧側フランジ15の高圧流体導入口16より導
入されると、高圧流体の圧力PHは高圧側シールダイアフ
ラム18、導圧路19、高圧側隔離室20、導圧路21を介して
測定ダイアフラム３の一方の面に作用する。また低圧流
体も同様に低圧側フランジ22の低圧流体導入口23より導
入されると、低圧流体の圧力PLは低圧側シールダイアフ
ラム25、導圧路26、低圧側隔離室28、導圧路29を介して
測定ダイアフラム３の他方の面に作用する。この結果、
測定ダイアフラム３の環状起歪部８は圧力差に応じてた
わみ、それによってゲージ抵抗値が変化する。そして環
状起歪部８のゲージ抵抗から差圧に、外周固定部６のゲ
ージ抵抗から温度にそれぞれ比例する信号を得て、この
信号はリード線11により外部回路に伝達され、温度補償
された差圧信号を得ることができる。
しかし、上記差圧センサの測定ダイアフラム３の両側に
加わる静圧は、通常100気圧以上と高いため、両側の室
の封入液の収縮量の不整や本体９の変形により測定ダイ
アフラム３を変形させ、それにともないゲージ抵抗の抵
抗値が変化する。したがって、差圧による信号に静圧に
よる信号が重畳され、正確な差圧信号が出力できなくな
る。すなわち、静圧影響を受け、誤差を生ずる結果とな
る。この静圧誤差を防止するためには、両側の室の封入
液の液量を厳密に一致させたり、本体９を静圧によって
変形しないように剛性の大きいものとしなければなら
ず、設計、製作上の大きな制約となり、差圧センサの小
形化、低コスト化の障害となっていた。
加わる静圧は、通常100気圧以上と高いため、両側の室
の封入液の収縮量の不整や本体９の変形により測定ダイ
アフラム３を変形させ、それにともないゲージ抵抗の抵
抗値が変化する。したがって、差圧による信号に静圧に
よる信号が重畳され、正確な差圧信号が出力できなくな
る。すなわち、静圧影響を受け、誤差を生ずる結果とな
る。この静圧誤差を防止するためには、両側の室の封入
液の液量を厳密に一致させたり、本体９を静圧によって
変形しないように剛性の大きいものとしなければなら
ず、設計、製作上の大きな制約となり、差圧センサの小
形化、低コスト化の障害となっていた。
これを解決するために、特開昭58−120142号公報に記載
されているような半導体圧力変換器が提案されている。
この半導体圧力変換器は差圧では発生するひずみが小さ
く、大きな静圧では固定台12とのヤング率差でひずみの
発生する外周固定部６に、静圧感知用ゲージを形成し、
静圧影響を補正するようになっている。しかし、この半
導体圧力変換器の場合、静圧センサの感度を大きくしよ
うとすると、測定ダイヤフラム３の厚さを薄くして、静
圧印加時の固定台12と測定ダイアフラム３との間のヤク
グ率差にもとづく応力を大きくする必要があり、そのた
め差圧センサの静圧によるクロストークが大きくなると
いう問題点があった。
されているような半導体圧力変換器が提案されている。
この半導体圧力変換器は差圧では発生するひずみが小さ
く、大きな静圧では固定台12とのヤング率差でひずみの
発生する外周固定部６に、静圧感知用ゲージを形成し、
静圧影響を補正するようになっている。しかし、この半
導体圧力変換器の場合、静圧センサの感度を大きくしよ
うとすると、測定ダイヤフラム３の厚さを薄くして、静
圧印加時の固定台12と測定ダイアフラム３との間のヤク
グ率差にもとづく応力を大きくする必要があり、そのた
め差圧センサの静圧によるクロストークが大きくなると
いう問題点があった。
本発明の目的は、静圧影響が少ない差圧信号を得ること
ができるようにした半導体圧力変換器を提供することで
ある。
ができるようにした半導体圧力変換器を提供することで
ある。
かかる目的達成のため、本発明は中央部に中心剛体部
を、外周部に肉厚の外周固定部をそれぞれ設け、かつ前
記中心剛体部と外周固定部とを連結する肉薄の環状起歪
部を設けたシリコンからなる測定ダイアフラムと、この
測定ダイアフラムを固定しシリコンとはヤング率の異な
る固定台とを備えた半導体圧力変換器において、前記環
状起歪部に差圧検出素子を、前記中心剛体部に少なくと
も１個の静圧検出素子をそれぞれ設けたものである。
を、外周部に肉厚の外周固定部をそれぞれ設け、かつ前
記中心剛体部と外周固定部とを連結する肉薄の環状起歪
部を設けたシリコンからなる測定ダイアフラムと、この
測定ダイアフラムを固定しシリコンとはヤング率の異な
る固定台とを備えた半導体圧力変換器において、前記環
状起歪部に差圧検出素子を、前記中心剛体部に少なくと
も１個の静圧検出素子をそれぞれ設けたものである。
上述の構成によれば、中心剛体部に静圧検出素子が形成
されており、この静圧検出素子の位置がなんらかの要因
でずれた場合でも中心剛体部の応力は、半径方向の位置
に関係なく一定であるので、安定した静圧出力が得られ
る。従って静圧影響が少ない差圧信号が得られる。
されており、この静圧検出素子の位置がなんらかの要因
でずれた場合でも中心剛体部の応力は、半径方向の位置
に関係なく一定であるので、安定した静圧出力が得られ
る。従って静圧影響が少ない差圧信号が得られる。
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。
第１図から第３図は本発明の第１実施例に係り、第８図
に示すものと同一又は同等の部分には同一符号を付して
説明する。
に示すものと同一又は同等の部分には同一符号を付して
説明する。
測定ダイアフラム３の環状起歪部８には差圧に感応する
差圧検出素子であるＰ形ゲージ抵抗31が感度の最大とな
る〈111〉軸方向の径方向に沿って複数、例えば４個拡
散法又はイオンインプランテーション法により形成され
ている。このゲージ抵抗31は温度影響を少なくするため
に中心剛体部５近傍に２個、外周固定部６近傍に２個そ
れぞれ形成されており、これらの抵抗はホイートストン
ブリッジに組まれ差動的に出力を得るようになってい
る。また外周固定部６にも〈111〉軸方向の接線方向に
沿って静圧検出素子であるＰ形ゲージ抵抗32が２個拡散
法又はイオンインプランテーション法により形成され、
さらに中心剛体部５には〈110〉軸方向の径方向に沿っ
て静圧検出素子であるＰ形ゲージ抵抗33が少なくとも１
個、例えば２個外周面近傍に対向して拡散法又はイオン
インプランテーション法により形成されている。これら
のゲージ抵抗32,33はホイートストンブリッジに組まれ
差動的に出力を得るようになっている。
差圧検出素子であるＰ形ゲージ抵抗31が感度の最大とな
る〈111〉軸方向の径方向に沿って複数、例えば４個拡
散法又はイオンインプランテーション法により形成され
ている。このゲージ抵抗31は温度影響を少なくするため
に中心剛体部５近傍に２個、外周固定部６近傍に２個そ
れぞれ形成されており、これらの抵抗はホイートストン
ブリッジに組まれ差動的に出力を得るようになってい
る。また外周固定部６にも〈111〉軸方向の接線方向に
沿って静圧検出素子であるＰ形ゲージ抵抗32が２個拡散
法又はイオンインプランテーション法により形成され、
さらに中心剛体部５には〈110〉軸方向の径方向に沿っ
て静圧検出素子であるＰ形ゲージ抵抗33が少なくとも１
個、例えば２個外周面近傍に対向して拡散法又はイオン
インプランテーション法により形成されている。これら
のゲージ抵抗32,33はホイートストンブリッジに組まれ
差動的に出力を得るようになっている。
つぎに、本発明の第１実施例の作用を説明する。
第３図は外周固定部６の外径14mm、内径10mm、環状起歪
部８の厚さ0.09mm、中心剛体部５の外径7mm、厚さ0.5mm
の測定ダイアフラム３と、外径14mm、厚さ3.8mmの固定
台（パイレックスガラス製）12とを接着したものに、直
径7mmの金属管支持部材13を接着し、全体に15MPa（≒15
0kgf/cm2）の静圧を印加したときの測定ダイアフラム３
表面の発生応力を示したものである。同図において、σ
θは接線方向応力、σｚは深さ方向応力を示している。
部８の厚さ0.09mm、中心剛体部５の外径7mm、厚さ0.5mm
の測定ダイアフラム３と、外径14mm、厚さ3.8mmの固定
台（パイレックスガラス製）12とを接着したものに、直
径7mmの金属管支持部材13を接着し、全体に15MPa（≒15
0kgf/cm2）の静圧を印加したときの測定ダイアフラム３
表面の発生応力を示したものである。同図において、σ
θは接線方向応力、σｚは深さ方向応力を示している。
差圧印加に対しては中心剛体部５および外周固定部６に
はほとんど応力が発生しないので、ゲージ抵抗33,32は
差圧に感応せずシリコンと固定台12とのヤング率の相違
に基づく静圧による歪に主として感応する。また中心剛
体部５の応力は半径方向の位置に関係なく一定であるた
め、ゲージ抵抗33の位置がなんらかの要因でずれた場合
でも安定した静圧出力が得られる。また静圧により応力
の最も大きくなる中心剛体部５と、逆の応力が発生する
外周固定部６の両方にゲージ抵抗33,32が設置されてお
り、これにより静圧センサの感度が大きくなり、従来の
外周固定部６上のゲージ抵抗のみで構成した静圧センサ
に比較して1.5〜２倍の出力を得ることができる。
はほとんど応力が発生しないので、ゲージ抵抗33,32は
差圧に感応せずシリコンと固定台12とのヤング率の相違
に基づく静圧による歪に主として感応する。また中心剛
体部５の応力は半径方向の位置に関係なく一定であるた
め、ゲージ抵抗33の位置がなんらかの要因でずれた場合
でも安定した静圧出力が得られる。また静圧により応力
の最も大きくなる中心剛体部５と、逆の応力が発生する
外周固定部６の両方にゲージ抵抗33,32が設置されてお
り、これにより静圧センサの感度が大きくなり、従来の
外周固定部６上のゲージ抵抗のみで構成した静圧センサ
に比較して1.5〜２倍の出力を得ることができる。
第４図および第５図は本発明の第２実施例に係り、第１
実施例と異なるところは、静圧検出素子が中心剛体部５
のみに設置されている点である。静圧検出素子である２
個のゲージ抵抗33は感度の最も大きい〈110軸方向〉に
形成され、他の２個のゲージ抵抗33は感度の最も小さい
〈100〉軸方向に形成されており、これらのゲージ抵抗3
3はホイートストンブリッジに組まれている。本実施例
によれば、静圧センサの感度は第１実施例の場合の半分
程度となるが、中心剛体部５の静圧による応力は、第１
実施例と同様位置に関係なく一定であるので、なんらか
の要因でゲージ抵抗33の位置がずれた場合でも一定の安
定した出力が得られる。
実施例と異なるところは、静圧検出素子が中心剛体部５
のみに設置されている点である。静圧検出素子である２
個のゲージ抵抗33は感度の最も大きい〈110軸方向〉に
形成され、他の２個のゲージ抵抗33は感度の最も小さい
〈100〉軸方向に形成されており、これらのゲージ抵抗3
3はホイートストンブリッジに組まれている。本実施例
によれば、静圧センサの感度は第１実施例の場合の半分
程度となるが、中心剛体部５の静圧による応力は、第１
実施例と同様位置に関係なく一定であるので、なんらか
の要因でゲージ抵抗33の位置がずれた場合でも一定の安
定した出力が得られる。
第６図および第７図は本発明の第３実施例に係り、第２
実施例と異なるところは、〈100〉軸方向のゲージ抵抗3
3がｎ形に形成されている点である。例えばＰウエルを
形成し、その中にｎ形ゲージ抵抗を形成している。ｎ形
ゲージ抵抗は〈100〉軸方向が最も感度が大きいので、
第２実施例に比較して補助歪センサは２倍以上の出力を
得ることができる。
実施例と異なるところは、〈100〉軸方向のゲージ抵抗3
3がｎ形に形成されている点である。例えばＰウエルを
形成し、その中にｎ形ゲージ抵抗を形成している。ｎ形
ゲージ抵抗は〈100〉軸方向が最も感度が大きいので、
第２実施例に比較して補助歪センサは２倍以上の出力を
得ることができる。
上述のとおり、本発明によれば、感度が大きく出力が安
定した静圧検出素子を同一チップに形成することができ
るので、静圧影響の少ない差圧信号が得られる。
定した静圧検出素子を同一チップに形成することができ
るので、静圧影響の少ない差圧信号が得られる。
第１図から第３図は本発明の第１実施例に係り、第１図
は測定ダイアフラムを中心部で破断して示す斜視図、第
２図は測定ダイアフラムの平面図、第３図は測定ダイア
フラムにおいて発生する応力の分布図、第４図および第
５図は本発明の第２実施例に係り、第４図は測定ダイア
フラムの縦断面図、第５図は測定ダイアフラムの平面
図、第６図および第７図は本発明の第３実施例に係り、
第６図は測定ダイアフラムの縦断面図、第７図は測定ダ
イアフラムの平面図、第８図は差圧センサの原理構造を
示す縦断面図である。 ３……測定ダイアフラム、 ５……中心剛体部、 ６……外周固定部、 ８……環状起歪部、 12……固定台、 31……差圧検出素子であるゲージ抵抗、 32,33……静圧検出素子であるゲージ抵抗。
は測定ダイアフラムを中心部で破断して示す斜視図、第
２図は測定ダイアフラムの平面図、第３図は測定ダイア
フラムにおいて発生する応力の分布図、第４図および第
５図は本発明の第２実施例に係り、第４図は測定ダイア
フラムの縦断面図、第５図は測定ダイアフラムの平面
図、第６図および第７図は本発明の第３実施例に係り、
第６図は測定ダイアフラムの縦断面図、第７図は測定ダ
イアフラムの平面図、第８図は差圧センサの原理構造を
示す縦断面図である。 ３……測定ダイアフラム、 ５……中心剛体部、 ６……外周固定部、 ８……環状起歪部、 12……固定台、 31……差圧検出素子であるゲージ抵抗、 32,33……静圧検出素子であるゲージ抵抗。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−87196（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−40735（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−120142（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−167432（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】中央部に中心剛体部を、外周部に肉厚の外
周固定部をそれぞれ設け、かつ前記中心剛体部と外周固
定部とを連結する肉薄の環状起歪部を設けたシリコンか
らなる測定ダイアフラムと、この測定ダイアフラムを固
定しシリコンとはヤング率の異なる固定台とを備えた半
導体圧力変換器において、前記環状起歪部に差圧検出素
子を、前記中心剛体部に少なくとも１個の静圧検出素子
をそれぞれ設けたことを特徴とする半導体圧力変換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP914888A JPH0797058B2 (ja) | 1988-01-19 | 1988-01-19 | 半導体圧力変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP914888A JPH0797058B2 (ja) | 1988-01-19 | 1988-01-19 | 半導体圧力変換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01184433A JPH01184433A (ja) | 1989-07-24 |
| JPH0797058B2 true JPH0797058B2 (ja) | 1995-10-18 |
Family
ID=11712538
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP914888A Expired - Lifetime JPH0797058B2 (ja) | 1988-01-19 | 1988-01-19 | 半導体圧力変換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0797058B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2689744B2 (ja) * | 1990-03-19 | 1997-12-10 | 株式会社日立製作所 | 複合センサとそれを用いた複合伝送器とプラントシステム |
| JP5064665B2 (ja) * | 2005-08-23 | 2012-10-31 | 日本特殊陶業株式会社 | 圧力検出装置 |
-
1988
- 1988-01-19 JP JP914888A patent/JPH0797058B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01184433A (ja) | 1989-07-24 |
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