JP2003161665A - 耐蝕型圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期信頼性を有し、シリコンオイル漏れの現
象はなく高精度の圧力検出ができる耐蝕型圧力センサを
提供する。 【解決手段】 本発明の耐蝕型圧力センサ１０は、感圧
抵抗素子２１を積層する単結晶質サファイアダイアフラ
ム１７と、円形の切欠部１３Ａを有する底部１３の内側
に単結晶質サファイアダイアフラム１７を設けたボディ
ー本体部１１とを備え、切欠部１３Ａを介し結晶質サフ
ァイアダイアフラム１７にかかる圧力を検出することと
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸やアルカリなど
の薬品剤の気体圧または液体圧を検出する耐蝕型圧力セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧力センサには、酸やアルカリな
どの薬品剤の気体圧または液体圧を検出するものがあ
る。

【０００３】この従来の圧力センサは、薬品剤の侵蝕を
防ぐために、薬品剤の気体圧または液体圧を受ける円形
状に形成された金属ダイアフラムにフッ素樹脂のコーテ
ングをしたものである。コーテングされた金属ダイアフ
ラムは、切欠部が形成されたボディー本体部の底部の内
側にＯリングを介し固定されている。

【０００４】この従来の圧力センサにより薬品剤の気体
圧または液体圧を検出するときには、コーテングされた
金属ダイアフラムに切欠部を介し気体圧または液体圧が
加わると、コーテングされた金属ダイアフラムはその圧
力を受け撓み、その圧力変化をコーテングされた金属ダ
イアフラムに形成された歪検出素子により検出する。

【０００５】また、従来の圧力センサには、薬品剤の侵
蝕を防ぐために、薬品剤の気体圧または液体圧を受ける
セラミックダイアフラムにフッ素樹脂のコーテングをし
たものもある。コーテングされたセラミックダイアフラ
ムは、切欠部が形成されたボディー本体部の底部の内側
にＯリングを介し固定されている。この従来の圧力セン
サは、コーテングされた金属ダイアフラムの場合と同様
に薬品剤の気体圧または液体圧を検出する。

【０００６】さらに、従来の圧力センサには、薬品剤の
侵蝕を防ぐために、フッ素樹脂膜のダイアフラムを用い
て内部にシリコンオイルを封入した二重ダイアフラム構
造のものもある。この従来の圧力センサにより薬品剤の
気体圧または液体圧を検出するときには、フッ素樹脂膜
のダイアフラムに気体圧または液体圧が加わると、その
圧力は封入しているシリコンオイルに伝達され、そのシ
リコンオイルの圧力変化を圧力検出素子により検出す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
薬品剤の気体圧または液体圧を検出する圧力センサに
は、次のような問題があった。

【０００８】上記したごとく、フッ素樹脂のコーテング
をした金属ダイアフラムを用いて薬品剤の侵蝕を防ぎ、
薬品剤の気体圧または液体圧を検出することができる
が、フッ素樹脂は接着性が低いためコーテングしたフッ
素樹脂層と金属ダイアフラムとの間の密着性が低く剥離
する可能性があり、また、フッ素樹脂層は膜厚を薄くす
る必要性があることから耐久性が低く長期信頼性に問題
があった。

【０００９】また、フッ素樹脂のコーテングを行ったセ
ラミックダイアフラムを用いて薬品剤の侵蝕を防ぎ、薬
品剤の気体圧または液体圧を検出する場合も、同様に長
期信頼性に問題があった。

【００１０】さらに、内部にシリコンオイルを封入した
フッ素樹脂膜のダイアフラムを用いて薬品剤の侵蝕を防
ぎ、薬品剤の気体圧または液体圧を検出することができ
るが、フッ素樹脂膜のダイアフラムはシリコンオイルに
気体圧または液体圧を効果的に伝達するために薄板とな
っており、気体圧または液体圧がフッ素樹脂膜のダイア
フラムに長期間かかると破損する可能性があり長期信頼
性に問題があり、また、フッ素樹脂膜のダイアフラムの
破損により、圧力を検出する気体や液体に密封されてい
るシリコンオイルが漏れるという問題があった。また、
フッ素樹脂膜のダイアフラムは、中心から対称的に歪ま
ない可能性もあり精度面にも問題をかかえていた。

【００１１】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
って、長期信頼性を有し、シリコンオイル漏れの現象は
なく高精度の圧力検出ができる耐蝕型圧力センサを提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の耐蝕型圧力セン
サは、感圧抵抗素子を形成する単結晶質サファイアダイ
アフラムと、円形の切欠部を有する底部の内側に前記単
結晶質サファイアダイアフラムを設けたボディー本体部
とを備え、前記切欠部を介し前記結晶質サファイアダイ
アフラムにかかる圧力を検出することとした。

【００１３】また、前記単結晶質サファイアダイアフラ
ムは、前記ボディー本体部の内部に固定される台座と前
記底部の内側とに挟まれ、前記ボディー本体部に固定さ
れることとした。

【００１４】また、前記単結晶質サファイアダイアフラ
ムと前記底部の内側とは表面処理され、前記表面処理さ
れた面が合わされ前記単結晶質サファイアダイアフラム
は前記底部に固定されることとした。

【００１５】また、前記ボディー本体部は、フッ素樹脂
で形成することとした。高温状態まで計測が可能であ
る。ダイアフラム部以外においても薬品剤による侵蝕を
受ける可能性は極めて低い。

【００１６】さらに、前記感圧抵抗素子は、前記単結晶
質サファイアダイアフラム上にエピタキシャル成長させ
たシリコン半導体を積層して形成することとした。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。

【００１８】図１は、本発明における実施形態の耐蝕型
圧力センサ１０の断面図である。

【００１９】図１に示すように、この耐蝕型圧力センサ
１０は、感圧抵抗素子２１（図２参照）を積層した単結
晶質サファイアダイアフラム１７と、円筒部１２と底部
１３とを有し、底部１３には導通穴１３Ｂに接続する円
形の切欠部１３Ａが形成され単結晶質サファイアダイア
フラム１７が内側に設けられるカップ形状のフッ素樹脂
で形成されたボディー本体部１１と、ボディー本体部１
１に形成されたネジ部１２Ａと、ネジ部１６Ａによりボ
ディー本体部１１の内部に固定される円筒形状のセラミ
ックの台座１６とにより構成され、導通穴１３Ｂと切欠
部１３Ａとを介し単結晶質サファイアダイアフラム１７
にかかる圧力を検出するものである。

【００２０】単結晶質サファイアダイアフラム１７は、
台座１６と、底部１３の内側とに挟まれボディー本体部
１１に固定されている。単結晶質サファイアダイアフラ
ム１７が薬品環境下での影響を受けることはなく、ボデ
ィー本体部１１には、単結晶質サファイアダイアフラム
１７が直接圧力を受けるように底部１３の中央部に導通
穴１３Ｂと切欠部１３Ａは形成されている。

【００２１】ボディー本体部１１は、フッ素樹脂で形成
しているため薬品剤の影響を受け難く、また、フッ素樹
脂は耐熱性の高いＰＴＦＥやＰＦＡなどを選択すること
により、２００°Ｃまでの温度範囲での使用が可能であ
る。

【００２２】単結晶質サファイアダイアフラム１７と底
部１３の内側の接合部１４とは、例えば研磨加工などの
表面処理を行い、表面処理された単結晶質サファイアダ
イアフラム１７と底部１３の面が接合部１４で合わさ
れ、台座１６により単結晶質サファイアダイアフラム１
７は固定される。そのため単結晶質サファイアダイアフ
ラム１７とボディー本体部１１の接合部１４の表面処理
により、高密着性を持って固定される。また、底部１３
には環状溝１３ＣにＯリング１５を設け二重の気密構造
にすることもできる。

【００２３】耐蝕型圧力センサ１０により薬品剤の気体
圧や液体圧を検出するときには、矢印Ｐに示すように気
体圧や液体圧が導通穴１３Ｂと切欠部１３Ａを介し単結
晶質サファイアダイアフラム１７に加わったとき、単結
晶質サファイアダイアフラム１７は内側に撓み、その撓
みを単結晶質サファイアダイアフラム１７に積層した感
圧抵抗素子２１（図２参照）により検出して圧力信号と
し、高精度で圧力の検出が行われる。

【００２４】なお、耐蝕型圧力センサ１０は、薬品剤に
限らず、また、搬送管内を流れる気体や液体の流体圧の
検出や、容器内の圧力を検出することもできる。

【００２５】以上、耐蝕型圧力センサ１０は、圧力を検
出する気体や液体に薬品剤が入っていてもその薬品環境
下での影響を受けることはなく、単結晶質サファイアダ
イアフラム１７で圧力を受けるため、フッ素樹脂などの
保護膜形成を不要とし、前記した剥離や耐久性やシリコ
ンオイルの漏れの問題はなく、長期信頼性を有し高精度
の圧力検出をすることができる。

【００２６】図２は、感圧抵抗素子２１を形成した単結
晶質サファイアダイアフラム１７の断面図である。

【００２７】感圧抵抗素子２１は、単結晶質サファイア
ダイアフラム１７上にエピタキシャル成長させシリコン
半導体を積層して形成したもので、予め定めた位置に複
数個設定することができ、単結晶質サファイアダイアフ
ラム１７が圧力を受け撓むことにより長さや断面積が変
化して抵抗値が変化するものであり、ホイートストン・
ブリッジの回路構成にして圧力に応じた電圧信号を出力
し、圧力検出を行うことができる。

【００２８】感圧抵抗素子２１は、保護酸化膜２２の被
膜により保護され、また、半導体の製造技術を応用しシ
リコン半導体を積層しているため、３５０°Ｃまで安定
した特性を得ることができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の耐蝕型圧力センサは、感圧抵抗
素子を形成する単結晶質サファイアダイアフラムと、円
形の切欠部を有する底部の内側に前記単結晶質サファイ
アダイアフラムを設けたボディー本体部とを備え、前記
切欠部を介し前記結晶質サファイアダイアフラムにかか
る圧力を検出することとしたため、圧力を受けるダイア
フラムに化学的に安定している単結晶サファイアを用い
ることで、圧力を検出する気体や液体に薬品剤が入って
いてもその薬品環境下での影響を受けることはなく、長
期信頼性を有し高精度の圧力検出をすることができる。

【００３０】また、前記単結晶質サファイアダイアフラ
ムは、前記ボディー本体部の内部に固定される台座と前
記底部の内側とに挟まれ、前記ボディー本体部に固定さ
れることとしたため、単結晶質サファイアダイアフラム
を確実に固定することができる。

【００３１】また、前記単結晶質サファイアダイアフラ
ムと前記底部の内側とは表面処理され、前記表面処理さ
れた面が合わされ前記単結晶質サファイアダイアフラム
は前記底部に固定されることとしたため、単結晶質サフ
ァイアダイアフラムを高密着で固定することができる。

【００３２】また、前記ボディー本体部は、フッ素樹脂
で形成することとしたため、高温状態まで計測ができ、
また、薬品剤による侵蝕を受ける可能性は極めて低くす
ることができる。

【００３３】さらに、前記感圧抵抗素子は、前記単結晶
質サファイアダイアフラム上にエピタキシャル成長させ
たシリコン半導体を積層して形成することとしたため、
前記単結晶質サファイアダイアフラムと前記感圧抵抗素
子は原子結合している。そのため、歪みによる変位が前
記切欠部を均一に変形させ、前記切欠部円の中心を基準
として対称に変形すると、前記接合部に支えられた前記
単結晶質サファイアダイアフラムの前記感圧抵抗素子の
抵抗比率が一定となる。

【００３４】よって、圧力に対する歪みがリニアであ
り、付随して出力されるホイートストンブリッジの出力
電圧もリニアな出力となるため、優れた圧力―出力電圧
の特性を得ることができる。また、高温状態まで安定し
た圧力―出力電圧の特性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における実施形態の耐蝕型圧力センサの
断面図である。

【図２】感圧抵抗素子を形成した単結晶質サファイアダ
イアフラムの断面図である。

【符号の説明】

１０ 耐蝕型圧力センサ １１ ボディー本体部 １２ 円筒部 １３ 底部 １３Ｂ 導通穴 １３Ａ 切欠部 １６ 台座 １４ 接合部 １３Ｃ 環状溝 １５ Ｏリング １７ 単結晶質サファイアダイアフラム ２１ 感圧抵抗素子 ２２ 保護酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F055 AA31 BB20 CC02 DD05 DD19 EE13 EE18 FF38 GG11 GG25 4M112 AA01 BA01 CA01 CA08 CA15 DA07 EA03 EA13 FA02 FA05 FA07 GA01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 感圧抵抗素子を形成する単結晶質サファ
   イアダイアフラムと、円形の切欠部を有する底部の内側
   に前記単結晶質サファイアダイアフラムを設けたボディ
   ー本体部とを備え、前記切欠部を介し前記結晶質サファ
   イアダイアフラムにかかる圧力を検出することを特徴と
   する耐蝕型圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記単結晶質サファイアダイアフラム
   は、前記ボディー本体部の内部に固定される台座と前記
   底部の内側とに挟まれ、前記ボディー本体部に固定され
   ることを特徴とする請求項１に記載の耐蝕型圧力セン
   サ。
3. 【請求項３】 前記単結晶質サファイアダイアフラムと
   前記底部の内側とは表面処理され、前記表面処理された
   面が合わされ前記単結晶質サファイアダイアフラムは前
   記底部に固定されることを特徴とする請求項１に記載の
   耐蝕型圧力センサ。
4. 【請求項４】 前記ボディー本体部は、フッ素樹脂で形
   成することを特徴とする請求項１に記載の耐蝕型圧力セ
   ンサ。
5. 【請求項５】 前記感圧抵抗素子は、前記単結晶質サフ
   ァイアダイアフラム上にエピタキシャル成長させたシリ
   コン半導体を積層して形成することを特徴とする請求項
   １に記載の耐蝕型圧力センサ。