JP2005164345A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】高温で信頼性が高く簡便な圧力センサーおよび加重センサーを提供する。
【解決手段】印加された圧力により変形するダイアフラムがダイアフラムに平行して置かれた略平板に形成された同心円状に多数配置された電極を有する下部電極に変形の度合いに応じて接触するようにする。この接触した場所を知ることで印加された圧力を知ることができる。この方法では高温でも誤差が小さく、検出手段が単純であり簡便にデジタル量として計測できる。
【選択図】図２

Description

本発明は自動車ならびに半導体製造装置ならびに食品管理等に使用される高温で使用される圧力センサーに関する。

半導体業界ではプロセスの変化に伴い、高温での使用が可能な圧力センサーが求められてきた。これに対し耐熱性の高いSiC等の材料の使用、熱源からの距離を離す方法等があり実用化されているが、信頼性が不十分である、あるいは複雑な回路構成が必要である、高価になる、あるいは大きくなる等の様々な問題があり簡便に使え、且つ信頼性の高いセンサーが求められている。

高温でも使用可能な圧力センサーとしては従来以下の２つが代表的な手法である。
（１）高温でも使用可能な検知素子を用いる方法
（２）高温部から離した位置に検知器を配置し、その放熱を良くし検知部の温度を下げる方法。
（１）については金属系の検知部を用いるか、光ファイバーとファブリペロー干渉計を組み合わせる、あるいは高温でのリーク電流の小さいSiC等の半導体を用いる、あるいはP型N型等の半導体を単層を棒状にして配置するかである。この場合金属系は許容最大圧力がフルスケールの１２０％程度と十分で無く安全を見るためにはフルスケールよりかなり小さい限度で測定せざるを得ないので感度に問題がある。またSiC等の高温でも使用可能な半導体を使用する場合価格が高価になってしまう。またこれら半導体を使用する場合温度係数が大きい為補正回路が必要でありこれらを調整する為に高価になってしまう。
（２）については圧力の測定箇所から離れる為測定が実際の圧力変動より遅れてしまう。また高温な雰囲気では使用できない等の問題がある。

本発明による圧力センサーにおいては印加された圧力で変形するダイアフラムがダイアフラムに平行して置かれた略平板に形成された複数の位置に配置された電極を有する下部電極に変形の度合いに応じて接触するようにする。この接触した場所を知ることで印加された圧力を知ることができる。この方法では簡便にデジタル量として印加された圧力を計測できることから直接ＣＰＵに接続可能である。またダイアフラムの材質に関してはヤング率が低く且つ引っ張り強度が高く且つ耐食性の高い性質を利用し、金属ガラスで形成することで、高温でも問題なく使用可能である。また過冷却時に液状で存在できることを利用し、微細な部分に充填できることから外部に取り出す電極に金属ガラスを用いることで、より簡便に圧力センサーを形成できる。このような構成においては電極を取り出す為の金属として利用でする。この様な構成にするとにより耐熱温度は金属ガラスの軟化点３５０C程度までの使用が可能である。さらに外部に取り出す電極として金属ガラスを埋め込むことでより安易に作ることが可能である。

本発明により構成された圧力センサーにおいては動作及び検出方法が極めて単純でありま信頼性は単純に構成する材質による。この材料として金属ガラスを使用することでより高い信頼性を得ることができる。また温度特性は単純に熱膨張係数のみで決まる為全体を近い熱膨張係数の材料で形成することでかなり小さくできる。また金属ガラスを用いるなら全体をかなりの部分を鋳造により安価に製造できる。さらにデジタル量で測定可能な為回路を単純化することができる。さらに圧力に線形にダイアフラムに接触する電極位置が決まればより容易に圧力を読み取れる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。但し図面はもっぱら説明の為のものであって、本発明の技術的範囲を限定するものでない。

図１．に示すように、ダイアフラム１aが圧力により変形し、変形したダイアフラム１bの触れる面に同心円状に電極を各々が独立の配線となるようにそれぞれを絶縁して配置する。このような形状においてはダイアフラムが電極に対し接触するかどうかを調べることでダイアフラムを変形した圧力を知ることができる。さらにはダイアフラムが対称形に接触できるように略平板の接触する部分に適切な曲率あるいは傾斜を持たせることにより、より確実に測定が可能である。これを図３に示す回路でにより出力する。回路系の動作は、まずダイアフラム１ｂと電極の間に抵抗６及スイッチ４を介し電源９により電圧を印加する。次にマイコン５のI/Oポートより各電極３毎に配置されたスイッチ４を順次一定時間ONにしていく。これにより各電極３はこれがダイアフラム１bに接している場合抵抗６に電流が流れる。つまり電極３にダイアフラム１が接している電極３をONした時に抵抗６の両端に電位差が生じる。電極３とダイアフラム１が接触していない場合、抵抗６の両端には十分な電位差は生じない。例えば印加電圧を５Vとし、閾値電圧４V以上を「１」及び１V以下を「０」とすれば、ダイアフラム１bに接触した電極は「１」接触しない電極は「０」となる。このことによりダイアフラム１bの変形のしかたがわかり、印加された圧力が推定される。マイコン５からの出力は例えば表示素子８、あるいは制御機器７に接続される。あるいは図４に示すように電極毎に抵抗６を設け、その出力線のうち制御する圧力に対応する配線のみ外部端子に出すことで、圧力スイッチ等に応用可能である。

本発明による圧力センサーの特徴は３００度程度の温度でも簡便に利用でき且つ故障の少ない構造である為比較的高温になるW−CVD等の半導体製造装置用あるいは高い温度を使用する食品関連機器の管理用に最適に使用可能である。

本発明による圧力センサーの平面図である。 図１のII−II断面図である。 回路の概略図である。 別の回路の概略図である。 請求項２による曲率および傾斜を示す図である。

符号の説明

１aダイアフラム
１b変形後のダイアフラム
２基板
２ａ傾斜を加えた基板
３01・・・306実施例による電極
４スイッチ（複数）
５マイコン
６1・・・６６抵抗
７制御装置
８表示素子
９電源

Claims (3)

1. 印加された圧力により弾性変形するダイアフラムがダイアフラムに平行に配置された略平板に設けられた複数の電極に、ある規則性に基づき接触し、この接触した電極の場所によりダイアフラムの変形量が推測され、このことから印加された圧力を推定することができることを特徴とした圧力センサー。
2. 請求項１において略平板がダイアフラムの変形時にダイアフラムが対称形に変形するための曲率あるいは勾配を有した圧力センサー。
3. ダイアフラムにかかる圧力に線形に比例してダイアフラムに略平板に設けられた複数の電極がダイアフラム順次接触とするよう略平板に電極を配置することを特徴とした請求項１の圧力センサー。

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