KR830002334B1 - 차압검출기(差壓檢出器) - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도는 본원 발명의 일실시예에 의한 차압검출기의 전체구조 단면도.
제2도는 차압검출부의 상세단면도.
제3도는 측정다이어프램의 평면도.
제4도는 측정다이어프램에 압력을 인가했을 때의 변형분포도.
제5도는 유리워셔의 경(徑)에 대한 지지부재의 경을 바꾸었을 때의 정수압에 의한 영향을 나타낸도면.
제6도는 다른 실시예에 의한 차압검출부의 상세단면도.
제7도는 {110}면에 있어서의 피에조 저항계수를 나타낸 도면.
제8도는 {211}면에 있어서의 피에조 저항 계수를 나타낸 도면.
본원 발명은 고압유체와 저압유체의 차(差)의 압력을 반도체의 측정 다이어프램(diaphram)을 사용하여 전기신호로 변환해서 검출하는 차압검출기에 관한 것이다.
차압검출에 사용되고 있는 Si 등의 반도체의 측정다이어프램으로서 미합중국 특허번호 제4,135,408호에 나타낸 바와 같은 외주 및 중앙부가 두꺼우며(肉厚), 그 사이가 엷게(薄肉)형성되고, 이 엷은 변형을 일으키는 부분에 확산법 또는 이온플란테이션법에 의해 게이지저항이 설치된 다이어프램이 알려져 있다. 이 측정다이어프램은 압력인가방향(게이지면측인지 그 반대측인지)이 달라도 대충 같은 특성이 얻어지는 이점이 있다.
그런대, 게이지저항은 Si의 측정다이어프램에 대해서 PN 접합에 의해 절연되고 있다고는 하지만, PN 접합의 절연저항은 비교적 작다. 이 때문에 외부에서 게이지 저항에 미치는 전기적 소란을 방지하는 것은 매우 곤란하다. 상술한 미합중국 특허번호 제4,135,408호에 있어서는 Si의 측정다이어프램을 전기적으로 절연한 구성은 채용하고 있지 않으며, 따라서 이와 같은 구성으로는 차압검출 기전체를 전기적으로 절연하지 않으면 게이지 저항이 외란(外亂)의 영향을 받지 않도록 할 수는 없다.
이 때문에, 측정다이어프램만을 절연하도록 하면 절연이 간단하며, 측정 다이어프램을 측정 다이어프램과 근사한 열팽창계수를 갖는 유리의 지지부재에 부착하는 것을 검토했다. 그런대 차압검출기에 있어서는 측정다이어프램의 양면에 100kg/cm2정도의 높은 라인압력(정수압)이 걸리고, 그 사이의 0,1kg/cm2정도의 작은 차압을 측정할 필요가 있다. 이러한 조건하에서 상기 구성의 차압검출기를 사용했더니, 높은 정수압(靜水壓)에 의해 측정다이어프램 및 유리가 일정한 압축력을 받아 변형하고, 정수압에 의한 출력이 발생하여 측정오차가 발생했다. 이것에 대해서 검토했더니, 측정다이어프램은 Si로 구성되어있고, 유리와는 다른 영율(Young 率)을 가지며, 이 영율의 차이가 측정다이어프램과 유리의 변형량의 차이로 나타나는 것에 기인한다는 것이 판명되었다.
따라서 본원 발명의 목적은 측정다이어프램만을 차압검출기본체에서 전기적으로 절연하고, 더구나 정수압의 영향을 잘받지 않는 차압검출기를 제공하는데 있다.
본원발명은 Si 등의 반도체의 측정다이어프램을 유리로 이루어진 제1의 지지부재 및 금속으로 이루어진 제2의 지지부재에 의해서 차압검출기본체에 부착하도록 했다. 측정다이어프램은 그 외주 및 중앙을 두껍게 그 사이를 엷게 형성하고, 엷은 부분에 게이지 저항이 설치되어 있다. 유리의 제1지 지부재는 붕규산염(硼硅酸鹽) 유리등의 열팽창계수가 Si의 그것과 근사한 것이 사용된다. 또 금속의 제2의 지지부재는 Fe-Ni 또는 Fe-Ni-Co 합금 등의 열팽창계수 및 영율이 Si의 그것과 근사한 것이 사용된다. 따라서, 측정다이어프램과 유리 및 유리와 금속과는 양극접합법(兩極接合法 : Anodic Bonding)에 의한 접합도 가능해진다.
제1도는 차압검출기의 전체구조단면도로서, 자압검출기는 수압부(受壓部)(10)와 차압검출부 (12)로 구성되어 있다. 수압부본체(14)는 그 양측면에 스테인레스(고부식유체의 경우는 모넬, 하스텔로이, 탄탈 등)의 고압측 수압다이어프램(16), 저압축 수압다이어프램(18)의 주위를 용접고정하고 있으며, 수압부본체(14)와의 사이에 고압측수압실(20), 저압수압실(22)을 형성하고 있다. 수압부본체(14)의 중심에는 고압측 및 저압측수압다이어프램(16), (18)에서 스티프네스(stiffness)가 큰 스테인레스강철로 이루어진 센터다이어프램(24)이 용접고정되어 있고, 수압부본체(14)와의 사이에 고압측격리실(26), 저압측격리실(28)을 형성하고 있다. 고압 측수압실(20)과 고압측격리실(26)은 조리개(30)을 갖는 도압로(導壓路)(32), 저압측수압실(22)과 저압측격리실(28)은 도압로(34)를 통해서 연통하고 있다. 수압부본체(14)에는 고압측격리실(26)과 저압측격리실(28)을 차압검출부에 각기 연통하여 도압로(36), (38)이 설치되고, 또 수압부(10) 및 차압검출부(12)내에 봉입되는 실리콘오일 등의 비압축성의 봉입액(封入液)의 봉입구(40), (42)가 설치되어 있다 또, 수압부본체(14)의 양측면에는 고압측시일다이어프램(16) 및 저압측시일 다이어프램(18)을 덮게끔 고압 유체도입구(44)를 갖는 고압측플랜지(46), 및 저압유체도입구(48)를 갖는 저압측플랜지(50)가 그 내귀근처에 있어서 보울트(52)와 너트(54)로 체착고정(締着固定)되어 있다.
차압검출부(12)는 그 대충 중앙에 (110)면의 n형 단결정 Si로 이루어진 측정다이어프램(56) 확인도(56)은 제2도 및 제3도에 나타낸 바와 같이 그 중앙에 중심각(체中心剛體)(58), 와주에 고정부(60)의 두꺼운 부분을 가지며, 환상으로 변형을 일으키는 부분으로 되는 엷은 부분(62)을 형성하고 있다. 중심강체(58)의 두께는 고정부(60)보다 엷게 형성되고, 유리워셔(66)와의 사이에 간극이 형성되어 있다. 이 엷은 변형을 일으키는 부분(62)에는 P형 게이지저항(64)이 감도의 최대가 되는 <111> 축방향의 경방향(徑方向)에 연해서 복수개 확산법 또는 이온플란테이션법에 의해 형성되어 있다. 측정다이어프램(56)은 한쪽면에 게이지저항(64)을 형성한 다음, 다른쪽면을 기계가공 또는 에칭에 의해 가공하여 형성된다. 게이지저항(64)의 위치는 외주고정부(60)근방에 2개, 중심감체(58)근방에 2개 형성되어 있고, 이들 저항은 휘이트스톤브리지(Wheatstone bridge)로 짜여져 차동적(差動的)으로 출력을 얻도록되어 있다. 게이지저항(64)의 출력은 알루미늄배선(65)에 의해서 꺼내진다. 이때, 중심강체(58)의 근방에 설치되는 게이지저항의 알루미늄배선은 일단 중심강체상에 끌려 돌려지고, 게이지저항위치에서 변형을 일으키는 부분위를 지나서 외주고정부(60)에 이르고 있다. 즉, 알루미늄배선도 변형을 일으키는 부분(62)의 표면에 설치되게 되지만, 게이지저항에서 떨어진 위치에 설치되기 때문에 게이지 저항에 미치는 영향을 없앨 수 있다.
측정다이어프램(56)은 도압로(67)를 갖는 원판상의 유리워셔(66) 및 도압로(69)를 갖는 원통상의 금속의 유지쇄장식(68)의 2개의 지지부재를 통해서 스테인레스제의 차압검출부본체(70)로 부터 돌출하도록 설치된다. 유리워셔(66)는 Si의 열챙창계수(3.125×10-6/℃)와 대충 같은 재질을 갖는 것이 사용되고, 또 유지쇠장식(68) Si의 열팽창계수와 영율(1.732×104kg/mm2)의 양쪽의 대충 같은 재질을 갖는 것이 사용된다. 구체적으로는 유리워셔(66)는 붕규산염유리(열팽창계수 3.18×10-6/℃, 영율 6.68×103kg/mm2)이며, 유지쇠장식(68)은 철-니켈(Ni, 40%)(열팽창계수 3.6×10-6/℃, 영율 1.57×104kg/mm2)합금 또는 철-니켈-코발트합금(Ni 30%, Co, 17%)(열팽창계수 5.4×10-6/℃, 영율 1.25×104kg/mm2)이다. 측정다이어프램(56)과 유리워셔(66)및 유리워셔(66)와 유리쇠장식(68)은 양극결합법에 의해, 유지쇠장식(68)과 차압검출부본체(70)은 아아크용접에 의해 각기 접합된다. 차압검출부본체(70)에는 도우너트상의 세라믹으로 이루어진 프린트기관(72)이 설치되어 있고, 프린트 기관(72)과 측정다이어프램(56)은 대충 동일평면이 되도록 구성되어 있다. 프린트 기판(72)은 차압검출부본체에 동일원주에 연해서 중심축방향으로 설치된 복수의 관통구멍(透札)(74)을 지나고 있는 도체(76)에 납땜에 의해 유지되고 있다. 도체(76) 관통구멍(74) 내에 설치된 하아메틱시일(78)에 지지되어 있다. 프린트기판(72)과 측정다이어프램(56)의 게이지저항(64)과는 도체(80)로 접소고디며, 하아메틱시일(78)에 지지된 도체(76)는 외부인출용도체(82)에 접속되어 있다. 수압부본체(14)에 도압로(84), (86)을 갖는 연결쇠장식(88)이 용접고정되고, 이 연결쇠장식(88)에 차압검출부본체(70)가 용접고정된다. 차압검출부본체(70)에는 도압로(86)와 유지쇠장식(68)의 도압로를 연통하도록 플레이트(90)가 용접고정되고, 또 측정다이어프램(56)과 도압로(84)와의 사이에 프린트기판(72)의 보호커버(92)가 설치되어 있다. 차압검출부본체(70)는 하아메틱시일(78)을 실시했을 때 어니일링(annealing)되어 차압검출부본체(70)의 내식성(耐蝕性)이 저하되지만, 그것을 보호하기 위해 스테인레스제의 보호커버(94)가 설치되어 있다. 차압검출부의 윗쪽에는 도시하지 않은 증폭부가 접속되지만 증폭 부본체 케이스(96)는 연결쇠장식(88)에 보울트(98)로 고정되어 있다.
고압측수압실(20)과 고압측격리실(26) 또는 저압측수압실(22)과 저압측격리실(28)의 용적은 격리실쪽이 크게 되도록 형성되어 있다. 즉, 고압측 또는 저압측시일 다이어프램(16), (18)이 과부하 압력에 의해서 수압부본체(14)에 착좌(着座)하더라도 센터다이어프램(24)은 수압부본체(14)에 착좌하지 않도록 되어 있다. 이 결과 측정다이어프램(56)에는 과부하압력이 작용하지 않기 때문에 측정다이어프램(56)의 특성열화(特性劣化) 손상을 방지할 수 있다.
또한 프로세스유체등의 고압유체가 고압측플랜지(46)의 고압유체도입구(44)로 부터 인도되면, 고압유체의 압력은 공바측 시일다이어프램(16), 도압로(32), 고압측격리실(26), 도압로(36), (84)를 통해서 측정다이어프램(56)의 한쪽면에 작용한다. 또, 저압유체도 마찬가지로 저압측플랜지(50)의 저압유체도입구(48)로 부터 인도되면, 저압유체의 압력은 저압측 시일다이어프램(18), 도압로(34), 저압측격리실(28), 도압로(38), (86), (69), (67)을 통해서 측정다이어프램(56)의 다른쪽면에 작용한다. 이 결과, 측정다이어프램(56)의 변형을 일으키는 부분(62)은 압력차에 응해서 휘고, 그것에 의해서 게이지저항(64)의 저항치가 변화한다. 이 저항변화는 도체(80), 프린트기판(72), 도체(76), (82)를 통해서 증폭부에 이르러 압력차를 표시한다.
제4도에 있어서 화살표방향으로 부터 압력 P가 가해지면 측정다이어프램(56)의 변형을 일으키는 부분(62)의 표면에는 도면에 나타낸 바와 같은 변형이 발생한다. 이 극대변형 εm, -εm을 나타내는 위치근처에 배치된 게이지저항(64A), (64B), (64C), (64D)는 피에조저항효과에 의햐, (64B)(64D)는 인장변형을 받아 저항치가 증대하며(64A), (64C)는 압축변형을 받아 저항치가 감소한다. 따라서 이들 게이지저항으로 이루어진 휘이트스톤브리지에는 압력에 대응한 출력전압이 차동적으로 꺼내진다.
다음에 차압검출기전체에 정수압이 가해지면, 측정다이어프램(56)과 유리워셔(66)의 영율이 다르기 때문에 측정다이어프램(56)의 변형을 일으키는 부분(62)에는 영율이 다른 부재와 절합한 것에 기인하는 변형성에 측정다이어프램(56)의 변형을 일으키는 부분(62)에는 영율이 다른 부재와 절합한 것에 기인하는 변형성분이 발생한다. 그러나, Fe-Ni로 이루어진 유지쇠장식(68)의 영율이 Si로 이루어진 측정다이어프램(56)의 영율과 근사하기 때문에 유리워셔(66)의 변형이 완화되고 정수압에 의한 출력전압의 발생을 억제할 수 있다.
제5도는 유리워셔(66)의 판두께를 페러미터로 하고, 유리워셔(66)의 경 ag에 대한 Fe-Ni로 이루어진 유지쇠장식(68)의 경 af를 바꾸었을 경우의 정수압에 의한 영향을 나타낸 것이다. T1은 유리워셔(66)의 판두께가 측정다이어플매의 판두께의 1/2배, T2는 갈고, T3는 2배, T4는 3배의 경우이다. 도면에서 명백한 것처럼, 정수압의 영향을 없애기 위해서는 유리워셔(66)의 판두께가 커짐에 따라서 유지쇠장식(68)의 경 af를 작게할 필요가 있다는 것을 알 수 있다. 또 유리워셔(66)의 판두께가 측정다이어프램(56)의 판두께의 3배 이상이 되면, 유지쇠장식(66)의 경을 제아무리 작게해도 정수압에 의한 영향을 없일 수는 없다. 따라서 정수압에 의한 영향을 없애기 위해서는 유리워셔(66)의 판두께를 측정다이어프램의 판두께의 3배 이하로 하고, 더구나 유리워셔 (66)의 판두께 작아짐에 따라서 유지쇠장식(68)의 경을 큰 값으로 선정할 필요가 있다.
제6도는 제5도의 결과에 의거하여, 유리워셔(66)를 박막화(薄膜化)(수십~수백 ㎛ 정도) 하고, 또한 유지쇠장식(68)의 한쪽의 단부를 측정다이어프램의 경과 대충 같게 구성한 것이다. 이 절과, 유집부재(68)의 영율이 유리의 영율보다 크고, Si의 그것에 가까우므로 전체에 정수압이 가해졌을 때 유리는 상하양면에서 인장되고, 영율의 차이에 의거한, 측정다이어프램(56)이 받는 일방향변형은 저감된다. 이 때문에 본원구조의 차압검출기는 더욱 정압영향을 받지 않게 된다.
발명자들의 실험에 의하면 이 유리재의 안감붙이기부(lining部)가 되는 금속의 두께는 적어도 유리두께의 2배 이상이 되면 효과가 크다는 것이 판명되었다.
제6도는 Si의 측정다이어프램의 절정면 {110}에 관한 P형의 피에 조저항계수소자의 피에조 저항계수 πl(소자의 전류방향과 응력방향이 평행일 경우의 피에조저항계수), πt(직교하는 경우의 미에조저항계수)의 분포를 나타내는 것으로, 이 도면에서 상술한 <111> 축의 유효성이 명백하다. 제7도는 다른 절정면에 있어서의 πl, πt의 분포의 예로서, {211}면상의 P형피에조 저항소자에 대해서 나타내는 것이다. {211}면의 경우도 {110}면과 가찬가지로 <111>축이 유효하다. 이처럼 본원구조에는 출력전압이 커지고, 또한 변형을 게이지 저항에 평행으로 줄수있기 때문에 그 특성은 거의 세로 방향 피에조 저항과의 특성에 의해 지배된다.
그런데, 우리들의 실험결과에 의하면, 정전류여기(定電流勵起)때의 출력의 온도변화는 세로 방향 피에조 저항효과쪽이 가로 방향피에조 저항효과때보다 작아진다는 것이 알려져 있다. 또 변형-저향변화에 있어서의 비직선오차의 크기는 온도에 비해 변화하지만, 그 변화량은 역시 세로 방향 피에조 저항효과를 이용한 편이 가로 방향 피에조 저항효과를 이용하는 것보다도 작아진다.
이상의 일로부터, 본원 구조의 측정다이어프램은 경방향에 주성분을 배치한 게이지저항으로 브리지를 짤 수 있기 때문에 출력을 크개 취할 수 있고, 또한 스팬, 비직선오차의 양자의 온도 의존성을 작게할 수 있는 이점이 있다.
이상 본원발명에 의하면, 측정다이어프램만을 차압검출기 본체에서 전기적으로 절연할 수 있기 때문에 절연이 간단해지고, 더구나 정수압의 영향을 잘 받지 않는 차압검출기를 얻을 수 있다.
Claims (1)
- 압력이 다른 두 가지의 유체가 도입되는 차압검출부 본체(70)와 두꺼운 부분의 외주에 게이지저항(64)이 형성된 엷은 변형을 일으키는 부분(62)과, 이 변형을 일으키는 부분(62)의 외주에 두꺼운 부분의 고정부(60)를 갖는 반도체의 측정다이어프램(56)과 이 측정다이어프램(56)의 고정부(60)에 접합되는 유지지지체와 이 유지지지체와, 상기 차압검출부본체(70)와의, 사이에 설치된 금속 지지체와 상기 유지 지지체의 연통(連通)해서 형성된 유체의 도압로(32)(34)를 구비한 것을 특징으로 하는 차압검출기.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019800004691A KR830002334B1 (ko) | 1980-12-10 | 1980-12-10 | 차압검출기(差壓檢出器) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019800004691A KR830002334B1 (ko) | 1980-12-10 | 1980-12-10 | 차압검출기(差壓檢出器) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR830004600A KR830004600A (ko) | 1983-07-16 |
| KR830002334B1 true KR830002334B1 (ko) | 1983-10-22 |
Family
ID=19218461
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019800004691A Expired KR830002334B1 (ko) | 1980-12-10 | 1980-12-10 | 차압검출기(差壓檢出器) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR830002334B1 (ko) |
-
1980
- 1980-12-10 KR KR1019800004691A patent/KR830002334B1/ko not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR830004600A (ko) | 1983-07-16 |
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Legal Events
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