CN116086685A - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明减少因来自被测定流体的热传递引起的传感器膜片的变形，并且使传感器元件的支承结构小型化。压力传感器的传感器元件(40)具备：因流入到流入空间(R2)的被测定流体的压力而变形的传感器膜片(41)以及支承传感器膜片的环状的支承部(42)。支承传感器元件(40)的支承结构(70)具备从流入空间(R2)侧覆盖传感器膜片的板状构件(72)以及配置在传感器元件与板状构件之间的间隔件(73)。板状构件(72)具备将被测定流体导入到传感器膜片侧的导入孔(72A)，间隔件具备固定在支承部上的环状部(73A)；从环状部伸出并与导入孔相对的相对部(73B)；以及在俯视时在环状部(73A)的内侧与传感器膜片重叠的贯通孔(73C)。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器。

背景技术

已知使用传感器膜片测量被测定流体的压力的压力传感器。这样的压力传感器如专利文献1(特别是专利文献1的图14)所公开的那样，具备：传感器封装件；配置在传感器封装件内的传感器膜片式的传感器元件；以及覆盖传感器膜片并且在中央具备贯通孔的基座构件(板状构件)。在专利文献1所公开的压力传感器中，在传感器元件与基座构件之间设置有俯视时包围传感器膜片的间隔件。基座构件以及间隔件是支承传感器元件的支承结构的一部分。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2020-30203号公报

发明内容

发明要解决的问题

在专利文献1所公开的压力传感器中，为了防止因来自被测定流体的热传递引起的传感器膜片的变形，加厚间隔件，加长传感器膜片与基座构件的距离。但是，包含间隔物的传感器元件的支承结构与加厚间隔件相应地大型化。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其课题在于，减少因来自被测定流体的热传递引起的传感器膜片的变形，并且使传感器元件的支承结构小型化。

解决问题的技术手段

用于解决上述课题的本发明的压力传感器具备：封装件，其形成被测定流体流入的流入空间；传感器元件，其配置在所述封装件内，所述传感器元件具备因流入到所述流入空间的所述被测定流体的压力而变形的传感器膜片和包围所述传感器膜片并支承所述传感器膜片的环状的支承部；以及支承结构，其以所述传感器膜片朝向所述流入空间侧的方向支承所述传感器元件，所述支承结构具备：板状构件，其从所述流入空间侧覆盖所述传感器膜片；以及间隔件，其配置在所述传感器元件与所述板状构件之间，所述板状构件具备导入孔，该导入孔设置在俯视时与所述传感器膜片重叠的位置，将所述被测定流体导入到所述传感器膜片侧，所述间隔件具备：环状部，其固定在所述支承部上；相对部，其从所述环状部伸出并与所述导入孔相对，与来自所述导入孔的所述被测定流体接触；以及贯通孔，其在俯视时在所述环状部内侧与所述传感器隔膜重叠，将与所述相对部接触的所述被测定流体引导至所述传感器膜片。

所述支承结构可以具备固定在所述封装件上、隔着所述间隔件支承所述传感器元件的支承膜片，所述支承膜片具备：开口；朝向所述流入空间侧的、以覆盖所述开口的状态固定有所述板状构件的第1面；以及固定有所述间隔件的所述环状部的、与所述第1面相反的第2面。

所述板状构件也可以具备设置在俯视时与所述传感器膜片的外缘部重叠的位置上的多个导入孔作为所述导入孔，所述间隔件具备从所述环状部伸出并与所述多个导入孔分别相对的多个相对部作为所述相对部，所述贯通孔从所述环状部的内侧的区域的中央跨越所述多个相对部的各自之间。

所述相对部也可以具备中央部和从所述中央部延伸并与所述环状部连接的多个连接部，所述间隔件具备俯视时在所述环状部的内侧与所述传感器膜片重叠的多个贯通孔作为所述贯通孔，所述多个贯通孔配置在多个连接部各自之间。

所述导入孔也可以与所述中央部相对。

所述导入孔也可以与所述连接部相对。

也可以是所述间隔物的热膨胀率与所述传感器元件的热膨胀率相同。

发明的效果

根据本发明，能够减少因来自被测定流体的热传递引起的传感器膜片的变形，并且能够使传感器元件的支承结构小型化。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的压力传感器的纵截面图。

图2是图1的压力传感器的传感器元件以及支承结构的立体截面图。

图3是图1的支承结构的分解立体图。

图4是图1的支承结构的分解立体图。

图5是第2实施方式的压力传感器的传感器元件以及支承结构的立体截面图。

图6是图5的支承结构的分解立体图。

图7是第3实施方式的压力传感器的传感器元件以及支承结构的立体截面图。

图8是图7的支承结构的分解立体图。

具体实施方式

<第1实施方式>

参照图1～图4说明本发明的第1实施方式的压力传感器10。在图1中，将构成后述的传感器元件40的传感器膜片41、支承部42、可动电极45以及固定电极46的各厚度和后述的支承结构70的支承膜片71的各厚度比图2夸张地进行了描画。后述的俯视是指沿着压力传感器10(特别是后述的传感器膜片41)的中心轴方向观察压力传感器10的状态，在此是指从图1的上方观察的状态。在图2中，用点表示截面，而不是图1那样的阴影线(图5和图7也相同)。另外，对于具有相同功能等的多个要素，有时仅对其一部分赋予符号。各图所示的上下方向是为了方便起见，并不表示压力传感器10的实际使用状态。压力传感器10也可以将图1中的上侧作为地面侧而配置。

如图1所示，压力传感器10具备封装件20、挡板30、传感器元件40、接触焊盘50、电极构件60和支承结构70。压力传感器10作为测定包含真空室内的残留气体以及处理气体的被测定流体L的压力的真空计而构成。

封装件20具备第1封装构件21、第2封装构件22和第3封装构件23，并收纳传感器元件40、接触焊盘50、支承结构70等。封装件20形成导入被测定流体L的导入路R1、被测定流体L从导入路R1流入的流入空间R2、封入有与流入空间R2的气压即被测定流体L的气压进行比较的真空压的真空室R3。封装件20由铬镍铁合金等金属形成。

第1封装构件21具有漏斗形状，该漏斗形状通过圆筒状的小径部划分导入路R1，并且通过杯状的大径部与支承结构70一起划分流入空间R2。在第1封装构件21的下端，通过焊接等夹着支承结构70的后述的支承膜片71的周缘部而接合有圆筒状的第2封装构件22。在第2封装构件22的下端，通过焊接等接合有圆板形状的第3封装构件23。第3封装构件23与第2封装构件22、传感器元件40以及支承结构70一起划分真空室R3。

挡板30通过未图示的固定构件等固定在第1封装构件21上。挡板30将通过导入路R1流入到流入空间R2的被测定流体L的流动向封装件20的外周方向改变。

传感器元件40通过将被测定流体L的压力转换为电信号来检测该压力。传感器元件40被配置在封装件20内，由支承结构70支承。如图1以及图2所示，传感器元件40具备圆形的传感器膜片41和包围传感器膜片41并支承传感器膜片41的环形的支承部42。传感器膜片41的朝向流入空间R2侧的上表面是受到被测定流体L的压力的受压面。流入到流入空间R2的被测定流体L如后述那样通过支承结构70，通过其压力按压传感器膜片41的受压面而使传感器膜片41变形。

传感器膜片41和支承部42一体地作为一个构件形成。传感器元件40还具有通过焊接等固定在支承部42上的板材43。板材43与传感器膜片41以及支承部42一起形成容量室C。容量室C通过形成于板材43上的未图示的贯通孔与真空室R3连通而成为真空。传感器膜片41、支承部42以及板材43由蓝宝石等构成。

传感器元件40具备形成于与传感器膜片41的受压面相反的测定面上的可动电极45和形成于板材43上的固定电极46。可动电极45与固定电极46相对。可动电极45以及固定电极46的形状和数量是任意的。

通过传感器膜片41变形，可动电极45变位，可动电极45与固定电极46之间的距离变化。即，由可动电极45和固定电极46构成的电容器的静电电容发生变化。传感器元件40输出表示该静电电容的变化的电信号。这样，传感器元件40将传感器膜片41的变形即被测定流体L的压力转换为电信号。该电信号例如是具有与被测定流体L的压力对应的电压值的电压信号。

如图1所示，在板材43的与形成有固定电极46的面相反一侧的面上形成有多个接触焊盘50。多个接触焊盘50通过省略了图示的各种布线与可动电极45或固定电极46电连接。多个接触焊盘50用于从传感器元件40输出的、表示被测定流体L的压力的电信号的取出。

在多个接触焊盘50上分别连接有多个电极构件60，该多个电极构件60用于将表示被测定流体L的压力的电信号取出到封装件20的外部。各电极构件60在封装件20中贯通第3封装构件23，通过未图示的密封件固定在第3封装构件23上。各电极构件60具备：传输所述的电信号的导电销61、包围导电销61的圆筒状的屏蔽部62、连接导电销61和接触焊盘50的接触弹簧63。导电销61在通过屏蔽部62内的状态下通过密封件等固定在屏蔽部62上。所述的电信号通过接触焊盘50、接触弹簧63以及导电销61传输，其结果，被输出到压力传感器10外部。

如图1和图2所示，支承结构70以传感器膜片41朝向流入空间R2侧的方向将传感器元件40支承在封装件20内。如图1～图4所示，支承结构70具备支承膜片71、板状构件72和间隔件73。支承膜片71、板状构件72以及间隔件73由蓝宝石等形成。支承膜片71、板状构件72、间隔件73、传感器元件40和压力传感器10的各中心轴一致。

支承膜片71隔着间隔件73支承传感器元件40。如图1所示，支承膜片71的周缘部被封装件20的第1封装构件21和第2封装构件22夹住，从而被固定在封装件20中。

如图1～图4所示，在支承膜片71的朝向流入空间R2侧的第1面71A上，通过焊接等固定有板状构件72。在支承膜片71的与第1面71A相反的第2面71B上，通过焊接等固定有间隔件73。在间隔件73上通过焊接等固定有传感器元件40。间隔件73配置在板状构件72与传感器元件40之间，更详细地说，配置在支承膜片71与传感器元件40之间。在支承膜片71的中央设置有开口71C。在俯视时，开口71C比传感器膜片41大，以在内侧包含传感器膜片41的全部的方式与传感器膜片41重叠。开口71C也可以是在俯视时与传感器膜片41一致的形状。

板状构件72形成为平板形状，面向流入空间R2。通过将板状构件72的外缘部固定在支承膜片71的开口71C的周边部，板状构件72覆盖支承膜片71的开口71C。

板状构件72具备四个导入孔72A，这些导入孔72A使开口71C与流入空间R2连通，将流入到流入空间R2的被测定流体L导入到传感器膜片41侧。四个导入孔72A是在板状构件72的厚度方向上延伸的贯通孔。如图2所示，导入孔72A设置在俯视时与传感器膜片41的外缘部重叠的位置。

如图1～图4所示，间隔件73确保板状构件72与传感器元件40的间隔。间隔件73具备固定在传感器元件40上的环状形状的环状部73A和分别与多个导入孔72A相对的多个(这里为4个)相对部73B。多个相对部73B分别从环状部73A的内周壁向环状部73A的内侧伸出。间隔件73还具备设置在环状部73A的内侧并与相对部73B相邻的贯通孔73C。贯通孔73C形成为大致十字形状，具有从环状部73A的内侧的区域即被环状部73A包围的区域的中央分别跨越多个相对部73B之间的形状。

环状部73A的支承膜片71侧的端面(上端面)固定在支承膜片71的开口71C的周边部。环状部73A的传感器元件40侧的端面(下端面)固定在传感器元件40的支承部42上。间隔件73和板状构件72夹入支承膜片71，也作为支承传感器元件40的支承基座起作用。间隔件73与传感器元件40一起从真空室R3侧覆盖开口71C。

相对部73B和贯通孔73C在俯视时与传感器元件40的传感器膜片41重叠。贯通孔73C与开口71C一起使传感器膜片41的一部分、即传感器膜片41中的没有被间隔件73的相对部73B覆盖的部分向流入空间R2侧露出。覆盖开口71C的板状构件72从流入空间R2侧覆盖相对部73B、贯通孔73C以及传感器膜片41。

如图2所示的粗线箭头所示，流入到流入空间R2的被测定流体L通过板状构件72的导入孔72A，然后，通过支承膜片71的开口71C，与间隔件73的相对部73B接触。相对部73B将与该相对部73B接触的被测定流体L引导至相邻的贯通孔73C。贯通孔73C将该被测定流体L引导至传感器元件40的传感器膜片41。传感器膜片41因被引导的被测定流体L的压力而变形。

在该实施方式中，通过了板状构件72的导入孔72A的被测定流体L与相对部73B接触，由此在被测定流体L和相对部73B进行热交换。由此，被测定流体L的温度下降(被测定流体L为高温的情况下)或上升(被测定流体L为低温的情况下)，减少因来自被测定流体L的热传递引起的传感器膜片41的变形。由此，能够降低由传感器膜片41的滞后或移位等引起的输出信号的误差的产生。进一步地，假设间隔件73不具备相对部73B时，需要加厚间隔件73，以使到达传感器膜片41时的被测定流体L的温度充分下降。在该实施方式中，被测定流体L与相对部73B接触，因此与不设置相对部73B时相比，能够使间隔件73的厚度变薄。由此，支承结构70乃至压力传感器10整体小型化。如上所述，根据本实施方式，能够减少因来自被测定流体L的热传递引起的传感器膜片41的变形，并且能够使支承传感器元件40的支承结构70小型化。

另外，在该实施方式中，贯通孔73C具有从环状部73A的内侧的区域的中央分别跨越多个相对部73B之间的形状，形成得较大。因此，在压力传感器10的制造工序等中的清洗中，清洗液容易脱离支承结构70。导入孔72A及相对部73B的数量是任意的，也可以是一个。

在该实施方式中，间隔件73的贯通孔73C在俯视时与传感器膜片41重叠。另一方面，与此不同地，也可以考虑减小贯通孔73C，将其设置在间隔件73的传感器膜片41的外侧的位置。在该情况下，需要在传感器元件40的支承部42上设置从贯通孔73C向传感器膜片41引导被测定流体L的引导孔。但是，在传感器元件40与间隔件73的接合时，该引导孔和贯通孔73C的对位变得困难。在该实施方式中，在俯视时贯通孔73C与传感器膜片41重叠，因此不需要在支承部42上设置引导孔等，省去上述对位的麻烦，相应地能够抑制压力传感器10的制造成本。另外，在俯视时，间隔件73的相对部73B比板状构件72的导入孔72A大，导入孔72A位于相对部73B内，因此间隔件73与板状构件72的一些位置偏移也被吸收。

另外，在该实施方式中，板状构件72的固定在支承膜片71上的端面72B(参照图4)比板状构件72的其他面、特别是导入孔72A的下端周边部的面突出。进一步地，间隔件73的环状部73A的固定在支承膜片71上的端面73D(参照图3)比相对部73B的支承膜片71侧的面(上端面)突出。因此，即使使支承膜片71变薄，也能够确保导入孔72A与相对部73B之间的间隔。由此，确保了从板状构件72的导入孔72A与间隔件73的相对部73B接触而流向贯通孔73C的被测定流体L在板状构件72和相对部73B之间流动时的流量。另外，板状构件72与间隔件73中的某一方的端面突出即可。

传感器元件40(特别是传感器膜片41、支承部42、板材43)、支承膜片71、板状构件72以及间隔件73的各材料是任意的，但也可以采用相同的材料等，使各构件的热膨胀率实质上相等。这是为了防止如下情况：如果热膨胀率不同，则在压力传感器10的使用时的自加热时，各构件的膨胀程度不同，从而导致传感器膜片41变形。特别是通过使传感器元件40和直接固定有该传感器元件40的间隔件73的各热膨胀率实质上相等，能够减少传感器膜片41的变形。

<第2实施方式>

在第2实施方式中，如图5及图6所示，支承结构70变更为支承结构170。更具体地说，板状构件72变更为板状构件172，间隔件73变更为间隔件173。关于其他部分，与第1实施方式相同，所以标注相同的符号并省略详细说明。

板状构件172具备将流入到流入空间R2的被测定流体L导入到传感器膜片41侧的一个导入孔172A来代替多个导入孔72A。导入孔172A形成在板状构件72的中央。

间隔件173具备：具有与第1实施方式的环状部73A相同的功能及形状的环状部173A；以及具有与第1实施方式的相对部73B相同的功能但形状不同的相对部173B。相对部173B具备：在俯视时位于环状部173A的内侧的区域的中央的中央部173BA；以及从中央部173BA放射状延伸并与环状部173A连接的多个连接部173BB。在本实施方式中，设置有四个连接部173BB，相对部173B形成为大致十字形状，但连接部173BB的数量是任意的。中央部173BA与板状构件172的导入孔172A相对。

间隔件173具备具有与第1实施例的贯通孔73C相同功能的多个贯通孔173C。多个贯通孔173C俯视时在环状部173A的内侧与传感器膜片41重叠，将与相对部173B、更具体而言是与中央部173BA接触的被测定流体L引导至传感器膜片41。多个贯通孔173C分别配置在多个连接部173BB各自之间。换言之，贯通孔173C和连接部173BB沿着间隔件的周向交替配置。

在该实施方式中，通过了板状构件172的导入孔172A的被测定流体L与相对部173B的中央部173BA接触，由此在被测定流体L和相对部173B进行热交换。因此，在本实施方式中，也与第1实施方式同样地，能够减少因来自被测定流体L的热传递引起的传感器膜片41的变形，并且能够使支承传感器元件40的支承结构170小型化。

另外，在该实施方式中，相对部173B具备中央部173BA和从中央部173BA延伸并与环状部173A连接的多个连接部173BB。因此，间隔件173所具有的贯通孔173C的开口面积比第1实施方式小，相应地对间隔件173附加了刚性。相对部173B的形状、即贯通孔173C的形状、位置以及个数能够通过拓扑分析等导出。通过拓扑分析等，导出能够确保间隔件173的刚性的最佳的相对部173B的形状等。

<第3实施方式>

在第3实施方式中，如图7及图8所示，支承结构70变更为支承结构270。支承结构270是将第1实施方式的支承结构70的间隔件73变更为第2实施方式的间隔件173的结构。在本实施方式中，板状构件72的四个导入孔72A分别与间隔件173的相对部173B的四个连接部173BB相对。被测定流体L与连接部173BB接触而进行热交换，通过间隔件173的贯通孔173C到达传感器元件40的传感器膜片41。即使是该实施方式，也能够适当得到与第1实施方式及第2实施方式相同的效果。

<变形例>

对于上述各实施方式，可以实施各种变更。例如，各构件的形状，特别是间隔件的形状可以适当变更。例如，间隔件的相对部的连接部的数量是任意的。也可以相对于多个连接部中的至少一部分在板状构件上设置导入孔。导入孔的位置只要是与相对部相对的位置即可。也可以设置分别与中央部和连接部相对的导入孔。上述实施方式中的压力传感器的传感方式为静电电容式，但本发明并不限定于该传感方式。本发明可以应用于例如使用通过粘贴或溅射电阻计等成膜的应变计或半导体压阻的方式等的压力传感器。即，本发明可应用于具备将传感器膜片的变形转换为电信号的传感方式的所有压力传感器。压力传感器的使用目的地也可以是成膜装置以外的各种装置。

<发明的范围>

以上，参照实施方式及变形例说明了本发明，但本发明不限于上述实施方式及变形例。例如，本发明包含本领域技术人员在本发明的技术思想范围内能够理解的对上述实施方式以及变形例的各种变更。在上述实施方式和变形例中列举的各构成可以在没有矛盾的范围内适当组合。

符号说明

10…压力传感器、20…封装件、21…第1封装构件、22…第2封装构件、23…第3封装构件、30…挡板、40…传感器元件、41…传感器膜片、42…支承部、43…板材、45…可动电极、46…固定电极、50…接触焊盘、60…电极构件、61…导电销、62…屏蔽部、63…接触弹簧、70…支承结构、71…支承膜片、71A…第1面、71B…第2面、71C…开口、72…板状构件、72A…导入孔、72B…端面、73…间隔件、73A…环状部、73B…相对部、73C…贯通孔、73D…端面、170…支承结构、172…板状构件、172A…导入孔、173…间隔件、173A…环状部、173B…相对部、173BA…中央部、173BB…连接部、173C…贯通孔、270…支承结构、C…容量室、L…被测定流体、R1…导入路、R2…流入空间、R3…真空室。

Claims (10)

1.一种压力传感器，其特征在于，具备：

封装件，其形成被测定流体流入的流入空间；

传感器元件，其配置在所述封装件内，所述传感器元件具备因流入到所述流入空间的所述被测定流体的压力而变形的传感器膜片以及包围所述传感器膜片并支承所述传感器膜片的环状的支承部；以及

支承结构，其以所述传感器膜片朝向所述流入空间侧的方向支承所述传感器元件，

所述支承结构具备：板状构件，其从所述流入空间侧覆盖所述传感器膜片；以及间隔件，其配置在所述传感器元件与所述板状构件之间，

所述板状构件具备导入孔，所述导入孔设置在俯视时与所述传感器膜片重叠的位置，将所述被测定流体导入到所述传感器膜片侧，

所述间隔件具备：环状部，其固定在所述支承部上；相对部，其从所述环状部伸出并与所述导入孔相对，与来自所述导入孔的所述被测定流体接触；以及贯通孔，其在俯视时在所述环状部的内侧与所述传感器膜片重叠，将与所述相对部接触的所述被测定流体引导至所述所述传感器膜片。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，

所述支承结构具备支承膜片，所述支承膜片固定在所述封装件上，隔着所述间隔件支承所述传感器元件，

所述支承膜片具备：开口；第1面，其朝向所述流入空间侧，以覆盖所述开口的状态固定有所述板状构件；以及第2面，其固定有所述间隔件的所述环状部，与所述第1面相反。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，

所述板状构件具备设置在俯视时与所述传感器膜片的外缘部重叠的位置的多个导入孔作为所述导入孔，

所述间隔件具备从所述环状部伸出并分别与所述多个导入孔相对的多个相对部作为所述相对部，

所述贯通孔从所述环状部的内侧的区域的中央跨越所述多个相对部各自之间。

4.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，

所述相对部具备中央部和从所述中央部延伸并与所述环状部连接的多个连接部，

所述间隔件具备在俯视时在所述环状部的内侧与所述传感器膜片重叠的多个贯通孔作为所述贯通孔，

所述多个贯通孔配置在多个连接部各自之间。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，

所述导入孔与所述中央部相对。

6.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，

所述导入孔与所述连接部相对。

7.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，

所述间隔件的热膨胀率与所述传感器元件的热膨胀率相同。

8.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，

所述间隔件的热膨胀率与所述传感器元件的热膨胀率相同。

9.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，

所述间隔件的热膨胀率与所述传感器元件的热膨胀率相同。

10.根据权利要求5或6所述的压力传感器，其特征在于，

所述间隔件的热膨胀率与所述传感器元件的热膨胀率相同。

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