JP2012018049A - 圧力測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】正確に圧力を測定可能な圧力測定器を提供する。
【解決手段】圧力を受ける可撓膜１と、可撓膜１を保持し底面が円形の凸部１２が設けられた台座２と、凸部１２の円形の底面に接合された図１に示す保持部材３と、を備える圧力測定器を提供する。可撓膜１は、例えばシリコンからなり、（１００）面を主面とする。また、可撓膜１は、凹部２３が設けられたシリコン基板２１と、凹部２４が設けられたシリコン基板２２に挟まれて配置されている。そのため、可撓膜１は、シリコン基板２２を介して、台座２に保持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は測定技術に係り、圧力測定器に関する。

半導体のピエゾ抵抗効果を利用した圧力測定器が、小型、軽量、及び高感度であることから、プラント等で広く利用されている（例えば、特許文献１、２参照。）。このような圧力測定器においては、半導体からなるダイアフラムに、歪ゲージが設けられている。ダイアフラムに加わる圧力によって歪ゲージが変形すると、ピエゾ抵抗効果によって歪ゲージの抵抗値が変化する。したがって、歪ゲージの抵抗値を測定することにより、圧力を測定することが可能となる。

特許第３３０７２８１号公報 特開２００６−１７０８２３号公報

圧力測定器においては、測定対象となる圧力以外の外力が加わった場合に、構成部品の接合面において応力集中が生じ、圧力測定に誤差が生じる場合がある。また、従来提案されている応力集中を緩和するための機構や構造は複雑であり、製造コストがかかるという問題もある。そこで、本発明は、応力集中を緩和し、正確に圧力を測定可能な圧力測定器を提供することを目的の一つとする。

本発明の態様は、（イ）圧力を受ける可撓膜と、（ロ）可撓膜を保持し、底面が円形の凸部が設けられた台座と、（ハ）凸部の円形の底面に接合された保持部材と、を備える圧力測定器であることを要旨とする。本発明の態様に係る圧力測定器によれば、保持部材が、台座に設けられた底面が円形の凸部を介して台座に固定されている。そのため、台座と、保持部材と、の接合面において、応力集中が生じにくくなる。

本発明によれば、正確に圧力を測定可能な圧力測定器を提供可能である。

本発明の実施の形態に係る圧力測定器の断面図である。 本発明の実施の形態に係る台座の底面図である。 本発明の実施の形態に係る第１のシリコン基板の底面図である。 本発明の実施の形態に係る第２のシリコン基板の上面図である。 本発明の実施の形態に係るガラス基板の上面図である。 本発明の実施の形態に係る可撓膜の上面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る圧力測定器の断面図である。 本発明のその他の実施の形態に係る圧力測定器の断面図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

実施の形態に係る圧力測定器は、図１に示すように、圧力を受ける可撓膜１と、可撓膜１を保持し、図２に示すように底面が円形の凸部１２が設けられた台座２と、凸部１２の円形の底面に接合された図１に示す保持部材３と、を備える。可撓膜１は、例えばシリコンからなり、（１００）面を主面とする。また、可撓膜１は、凹部２３が設けられたシリコン基板２１と、凹部２４が設けられたシリコン基板２２に挟まれて配置されている。シリコン基板２２は、台座２上に配置されている。そのため、可撓膜１は、シリコン基板２２を介して、台座２に保持されている。

図１及び図３に示すように、シリコン基板２１には、凹部２３の中心から上面に貫通する貫通孔２７が設けられている。図１及び図４に示すように、シリコン基板２２には、凹部２４の中心から底面に貫通する貫通孔２８が設けられている。

例えば、図３に示す凹部２３の外周と、図４に示す凹部２４の外周と、は合同である。図１に示すように、シリコン基板２１とシリコン基板２２とは、凹部２３の外周と、凹部２４の外周と、の横方向の位置が一致するように配置されている。

シリコン基板２１上には、ガラス基板３１が配置されてもよい。図５に示すように、ガラス基板３１には、シリコン基板２１の貫通孔２７に連通する貫通孔３３が設けられている。図１に示すシリコン基板２２の底面に配置された台座２は、ガラス（例えば、テンパックスガラス（登録商標））等からなる。台座２には、シリコン基板２２の貫通孔２８に連通する貫通孔１３が設けられている。凸部１２が設けられた台座２は、例えば、切削又はエッチングすることにより、容易に製造可能である。台座２の凸部１２の底面に接するように配置された保持部材３は、ステンレス鋼等からなる。保持部材３には、台座２の貫通孔１３に連通する貫通孔１４が設けられている。保持部材３は、例えば可撓膜１等を囲むパッケージであり、板状に限定されない。

可撓膜１の凹部２３及び凹部２４を覆う図６に示す円形の部分１０１は、上面に加わる圧力と、底面に加わる圧力と、の差圧を測定するためのダイアフラムとして機能する。差圧を測定するためのダイアフラムとして機能する可撓膜１の円形の部分１０１には、９０°間隔で（１１０）方向に４つの歪み抵抗ゲージ５１，５２，５３，５４が設けられている。差圧により可撓膜１が撓むことにより、歪み抵抗ゲージ５１，５２，５３，５４の電気抵抗値が変化する。したがって、歪み抵抗ゲージ５１，５２，５３，５４の電気抵抗値を計測することにより、差圧の測定が可能となる。例えば、歪み抵抗ゲージ５１，５２，５３，５４は、シリコンからなる可撓膜１に不純物イオンを注入することにより形成される。

以上説明した図１に示す圧力測定器においては、保持部材３が、台座２に設けられた図２に示すように底面が円形の凸部１２に接合して固定されている。そのため、保持部材３に外力が加わった場合に、それぞれ材料が異なる台座２と、保持部材３と、の接合面において、応力集中が生じにくい。したがって、接合部破壊が生じにくい。また、同じ径の場合、四角よりも円形の方が接合面積が小さくなり、発生応力自体を小さくすることが可能、かつ、くびれ構造をとることにより、上部構造への応力伝播をも小さくすることができる。したがって、図１に示す圧力測定器においては、応力伝播によって生じうる測定誤差が抑制される。また、上部構造の応力集中による破損等も生じにくくなる。

（変形例）
図７に示す圧力測定器は、図１に示す圧力測定器と異なり、台座２及び保持部材３に貫通孔が設けられていない。そのため、台座２により、シリコン基板２２の貫通孔２８は塞がれている。シリコン基板２２の凹部２４も可撓膜１で覆われているため、シリコン基板２２の凹部２４及び貫通孔２８が形成する空間は、閉ざされている。この場合、可撓膜１の底面には、一定の基準圧力が加わる。そのため、測定された差圧から、可撓膜１の上面に加わった圧力を容易に求めることが可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、台座に設けられた底面が円形の凸部に保持部材を接合する限りにおいて、圧力測定器は様々な形態をとることが可能である。

例えば、図８に示す圧力測定器は、シリコン基板２２２、シリコン基板２２２上に配置された酸化珪素膜２５０、及び酸化珪素膜２５０上に配置されたシリコン基板２０１を含むＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板から製造されたものである。ＳＯＩ基板のシリコン基板２２２から、エッチング等により凹部２２４が設けられている。凹部２２４が達したシリコン基板２０１の部分は薄膜化し、圧力を受けるダイアフラムとして機能する。図８に示す構成においても、台座２に設けられた底面が円形の凸部１２に保持部材３が接合されているため、接合面における応力集中を緩和することが可能となる。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

１ 可撓膜
２ 台座
３ 保持部材
１２，２２４ 凸部
１３，１４、２７，２８，３３ 貫通孔
２１，２２，２０１，２２２ シリコン基板
２３，２４ 凹部
３１ ガラス基板
５１，５２，５３，５４ 抵抗ゲージ
１０１ 可撓膜の円形の部分
２５０ 酸化珪素膜

Claims (6)

1. 圧力を受ける可撓膜と、
   前記可撓膜を保持し、底面が円形の凸部が設けられた台座と、
   前記凸部の円形の底面に接合された保持部材と、
   を備える圧力測定器。
2. 前記台座がガラスからなり、前記保持部材が金属からなる、請求項１に記載の圧力測定器。
3. 前記台座が、シリコン基板を介して前記可撓膜を保持する、請求項１又は２に記載の圧力測定器。
4. 前記シリコン基板に、前記可撓膜で覆われる凹部が設けられている、請求項３に記載の圧力測定器。
5. 前記可撓膜がシリコンからなる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力測定器。
6. 前記可撓膜と、前記台座と、の間に閉空間が設けられた、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧力測定器。

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