JPH04212032A - 複合センサとそれを用いた複合伝送器とプラントシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は化学プラント等で流量や
圧力を検出する差圧伝送器における静圧センサの差圧負
荷時の特性を改善した複合センサと、それを用いた複合
伝送器及びプラントシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、インテリジェント差圧伝送器のセ
ンシング部に用いられる複合センサは差圧と静圧、及び
温度のセンサが一つの基板上に構成され、上記３種類の
センサが相互に補正し合い、高精度に差圧を測定する構
成となっている。しかし、従来の複合センサでは、各セ
ンサの出力が独立にそれぞれの変化量を検出することが
できず、相互に影響しあうことが知られている。

【０００３】なお、従来の差圧伝送器は化学プラント等
のパイプライン中に設けられたオリフィスを、加圧ポン
プによって圧送された液体が通過するときに生じる圧力
差ΔＰを測定して、次式により流量を検出するものであ
る。

【０００４】

【数１】

【０００５】ここで、Ｑは流量、ｋはレイノルズ数等で
決まる定数である。前述したように、差圧センサ出力は
、静圧Ｐｓ　や温度Ｔの影響を受けるため、流量を測定
する場合にもパイプラインに加わる静圧Ｐｓ　や、周囲
の温度変化は外乱となり、この影響を極力取り除く必要
がある。このため、従来は差圧伝送器のほか、静圧Ｐｓ
　を検知するための圧力伝送器を同一のパイプライン中
に併設していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の複合センサを用
いた差圧伝送器では、静圧，温度，差圧を夫々のセンサ
で検出する構成となっているが、上記のように各センサ
に各々の変化量も加算された状態で検出されるため、こ
れら相互影響を取り除くために複雑な手順で補正を行な
っていた。

【０００７】また、１つの半導体基板に差圧検出用ダイ
アフラムと静圧検出用ダイアフラムを設けると、両ダイ
アフラム間隔はエッチング工程中に狭くなり、台との接
着強度が低下するという問題がある。

【０００８】また、異方性エッチングを用いて中心剛体
部付きの差圧検出用ダイアフラムを形成する場合＜１１
１＞面で囲まれる四角形状の中心剛体部が最も出来易く
、角部に応力が集中し、耐圧が低下するという問題があ
る。

【０００９】さらに、差圧検出用ダイアフラムと静圧検
出用ダイアフラムが同じ板厚であると、半導体基板を小
形化する際、静圧検出用ダイアフラムが小さくなりすぎ
、ゲージ抵抗を配置し難くなるという問題がある。

【００１０】従来の複合センサ中の静圧センサは、差圧
センサの出力補正用として設けられたものであり、静圧
センサ単体の出力は小さく、更に、差圧負荷による影響
が大きいという問題があった。したがって、静圧検出精
度が十分得られず、センサを複合化したにもかかわらず
、差圧伝送器と圧力伝送器を同一パイプライン中に併設
しなければならないという問題がある。

【００１１】本発明の目的は、差圧が付加されたときに
静圧センサに作用する差圧の影響を取り除くように静圧
センサを構成した複合センサと、前記複合センサを用い
ることによって簡単な演算で精度の良い差圧及び、静圧
を検出できる複合伝送器を提供することにある。

【００１２】本発明の他の目的は前記複合伝送器を構成
する複合センサの検出精度を向上させるため、差圧ダイ
アフラムの板厚を静圧ダイアフラムの板厚よりも薄く加
工したり、エッチングの手順を工夫したり、シリコン基
板の不純物濃度を制限するなどの複合センサの製造方法
を提供するにある。

【００１３】他の目的は、一定の接着強度を保つセンサ
構成を提供することにある。

【００１４】他の目的は、高耐圧の中心剛体部形状を提
供するにある。

【００１５】本発明の他の目的は、高精度複合伝送器を
用いて流量を計測する化学プラントシステムを提供する
にある。

【００１６】本発明の他の目的は、１台の複合伝送器で
差圧伝送器と圧力伝送器２台の機能を提供することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、差圧センサダイアフラムとは別に静圧センサ用ダイ
アフラムを１つ以上設けるとともに、前記静圧センサ用
ダイアフラムに設けたゲージ抵抗と固定部に設けたゲー
ジ抵抗の出力を用いて演算処理することで静圧を検出す
る静圧センサにおいて、前記差圧が作用したときの非線
形な影響を取り除くために、前記各静圧センサ用ゲージ
抵抗を差圧負荷に伴う応力がほぼ等しく働く位置に配置
する構成とした。さらに、前記センサを用いることによ
って、処理回路中に記録する補正マップの構成を簡略化
すると共に、信号処理も各々のセンサの出力をそのまま
加減算するだけで済むようにした。

【００１８】さらに、他の目的を達成するために出力が
大きく、差圧の影響が小さい静圧センサと差圧センサを
１つのセンサチップに搭載することにより静圧と差圧を
１つの伝送器で計測できるようにした。

【００１９】さらに、他の目的を達成するために｛００
１｝面シリコンウエハをＫＯＨ水溶液等によって異方性
エッチングする場合、ほとんどエッチングの進まない＜
１１０＞方向の辺を最近接辺とするように静圧検出用ダ
イアフラムを配置し、所望のダイアフラム間隔を確保し
、高い耐圧を確保するものである。

【００２０】上記他の目的と達成するために、中心剛体
部形状を六角形以上の多角形とするものである。

【００２１】上記他の目的を達成するために、差圧検出
用ダイアフラムの表面をエッチングし、静圧検出用ダイ
アフラムの板厚よりも薄く加工したり、差圧検出用ダイ
アフラムと、静圧検出用ダイアフラムを同じに加工する
等の方法を用いるものである。さらに、シリコン基板の
不純物濃度を２×１０１８／ｃｍ３　以下としたもので
ある。

【００２２】

【作用】差圧，静圧センサが同一基板上に形成された複
合センサでは差圧が加わったときに、この差圧の影響に
よって静圧センサにも応力が加わる。差圧センサの近く
に静圧センサを形成した場合、この応力は主に差圧ダイ
アフラムからの距離に関係するため、これを考慮せずに
配置すると、各々の静圧センサに異なった大きさの差圧
による出力が発生する。そこで、本発明は差圧により発
生する応力が各々等しくなるように静圧センサを配置し
、各々の静圧センサに作用する差圧の影響を打ち消す様
にブリッジを組んで静圧を測定するようにしたものであ
る。しかし、検出原理が同一のゲ−ジ抵抗を組み合わせ
て、差圧の影響を打ち消す構成とすると当然静圧も一緒
に打ち消して出力電圧が得られなくなるため、固定台の
弾性率差を利用して静圧を検出するように固定部に配置
したゲージ抵抗と、絶対圧を検出するように静圧検出用
ダイアフラム上に配置したゲージ抵抗とを２種類設け、
静圧が作用した場合にダイアフラム上に配置したゲージ
抵抗が固定部上に配置したゲージ抵抗よりも抵抗変化が
大きいことを利用して、差圧の影響を打ち消して静圧の
みを検出するようにしたものである。

【００２３】また、絶対圧型の静圧センサは出力が大き
く、非直線誤差も小さい。さらに上記のように弾性率差
を利用した静圧センサと組み合わせることにより、差圧
の影響も相殺できる。このように静圧検出精度が高い静
圧センサを差圧センサと集積し、１台の伝送器で差圧と
静圧を検出するようにしたものである。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１から図５を用
いて説明する。

【００２５】図１は、本発明の複合伝送器を用いた流量
測定装置を組み込んだ、パイプラインシステムの一例で
ある。

【００２６】化学プラント等のパイプライン５５０の途
中に設けたオリフイス５６０の両端に発生する差圧ΔＰ
を、本発明の複合伝送器３００により測定し、パイプラ
イン中を流れる流量を求めて、制御装置５００へ送信す
る。制御装置５００では測定された流量に応じて、パイ
プライン中の流体へ圧力を与えるポンプを制御し、適正
な流量が送られるように調整する。また、コミュニケー
タ４００はシステムの状態を人が監視し、制御量の変更
等を指令するための入出力装置である。

【００２７】本システムでは差圧と静圧を正確に測定で
きれば、流量の検出精度も向上し、より効率的にプラン
トを稼働することができる。

【００２８】従来のシステムは静圧による流体圧縮の影
響を補正するため、差圧伝送器のほか、圧力伝送器を同
一のパイプラインに設けていた。しかし、本複合伝送器
によれば差圧と静圧を１台で検出出来るため、システム
を簡略化できる。

【００２９】ところで、本発明の複合伝送器３００は図
２に示す構成となっている。この図で、１６は差圧セン
サ，静圧センサ及び温度センサ等で構成された複合セン
サである。１０２は高圧側と低圧側を隔てるセンタダイ
アフラム、１０３ａ，１０３ｂは外部環境と伝送器内部
の圧力伝達媒体（シリコンオイルなど）を隔て外部の圧
力を受けるシリコンダイアフラム、１０４はＳＵＳ等か
らなる伝送器本体、１０５ａ，１０５ｂは圧力導入口、
１０６はセンサ出力を増幅し、補正演算を行なう信号処
理回路である。

【００３０】このように、差圧伝送器は２つの液室をも
つ受圧部からなり、高，低圧側から加わる静圧Ｐｓ　は
１００気圧以上と大きいため、この２つの液室の封入液
量差や、受圧部の変形に起因して、両側からの圧力が等
しい場合でも微小な差圧が発生し、差圧センサの出力を
変動させる。これが静圧影響と呼ばれる誤差であり、こ
の静圧影響を取り除くために静圧を独立に検出するため
のセンサが必要となる。しかし、従来の静圧センサは静
圧センサ自体が差圧の影響を受け、この差圧の影響を補
正する必要があった。さらに、静圧センサや差圧センサ
は温度の変化の影響も受けやすいため、温度による変化
量も補正する必要があった。さらに、従来の静圧センサ
は出力が小さかったため、これを増大させる必要があっ
た。そこで、本発明では、図３に示す構成とすることに
よって静圧センサに加わる差圧の影響を取り除き正確な
静圧が検出でき、静圧センサ出力の大きな複合センサを
実現するとともに、後述するように簡単な処理により差
圧を求めることができるようにした。

【００３１】図３（ａ）において、ゲージ抵抗６は静圧
検出用ダイアフラム上に形成された静圧検出用ゲージ抵
抗であり、ゲージ抵抗５は固定部にゲージ抵抗６に平行
に形成された静圧検出用ゲージ抵抗である。また、図３
（ｅ）においてゲージ抵抗８はゲージ抵抗５と同じく固
定部に形成された静圧検出用ゲージ抵抗であるが、ゲー
ジ抵抗６とは直角に形成されている。ゲ−ジ抵抗５と８
はゲ−ジ抵抗６に比べ、差圧検出用ダイアフラム９に近
い距離に設置される。

【００３２】これは、図１５に示すようにゲ−ジ抵抗５
と６を差圧ダイアフラムから等距離に置いた場合、差圧
負荷に伴う力Ｆをゲ−ジ抵抗５の位置では断面Ａ−Ａ′
で受け、ゲ−ジ抵抗６の位置ではＡ−Ａ′よりも小さな
断面Ｂ−Ｂ′で受けるため、静圧検出用ダイアフラム上
のゲ−ジ抵抗６は固定部上のゲ−ジ抵抗５よりも大きな
応力を受ける。

【００３３】しかし、ゲ−ジ抵抗に働く応力は図１６に
示すように差圧ダイアフラムからの距離に強く依存する
。これを利用して固定部上のゲ−ジ抵抗５を静圧検出用
ダイアフラム上のゲ−ジ抵抗６よりも差圧ダイアフラム
側に近づけ、等しい応力が働く位置に配置すれば、図４
に示すような抵抗値変化を示す。本図で、ゲージ抵抗５
と６は符号まで含めて等しく変化し、ゲージ抵抗８は６
に比べ逆符号で変化する。従って、図３（ｂ）に示すよ
うに、定電流源２４と５，６を直列につなぎ、両ゲージ
抵抗間電圧Ｖ２，Ｖ１を設定し、図３（ｃ）に示す減算
器２５を用いることにより、差圧の影響は相殺される。 一方、静圧が付加された場合、ゲージ抵抗５の変化はゲ
ージ抵抗６の変化に比べて著しく小さいため、減算して
もゲージ抵抗５の変化に対応した静圧により出力が発生
する。また、図３（ｂ）において、ゲージ抵抗５を図３
（ｅ）に示すゲージ抵抗８に置き換えると、今度はＶ１
，Ｖ２は差圧負荷時に、大きさが等しく逆符号の変化を
示す。従って、この場合、図３（ｄ）のような加算器２
６によって差圧の影響を相殺することができる。

【００３４】以上の動作を数式的に説明する。静圧セン
サはゲージ抵抗５，６で構成され図３（ｂ）のように結
線されている。定電流Ｉで励起すれば静圧センサの出力
ｖは、

【００３５】

【数２】

【００３６】となる。ここでＲ５０，Ｒ６０は差圧ΔＰ
、静圧Ｐｓが共に０のときの抵抗値、ΔＲ５，ΔＲ６は
差圧，静圧が付加されたときの変化量である。この値は
、

【００３７】

【数３】

【００３８】

【数４】

【００３９】と表される。ここで、ｒ，ｒ′は差圧ダイ
アフラム９端から静圧ゲージ中心までの距離、ｘ，ｘ′
は基板の最近接辺からの距離である。Ｒ５とＲ６で第２
項ｇ（ｘ，Ｐｓ），Ｇ（ｘ′，Ｐｓ）が異なる理由は、
Ｒ５　は固定部上に配置された弾性率差利用の静圧検出
用ゲージ抵抗であり、Ｒ６　は静圧検出用ダイアフラム
上に形成された絶対圧型の静圧検出用ゲージ抵抗となっ
ているためで、

【００４０】

【数５】

【００４１】数５の関係がある。

【００４２】数３，数４式で、Ｒ５０とＲ６０が等しく
Ｒ０　となるように形成し、図１６，図４に示したよう
にｒ＝ｒ１，ｒ′＝ｒ２の位置に配置すれば、差圧ΔＰ
に依存する第１項の値が同じなのでうち消され数２式は
、

【００４３】

【数６】

【００４４】となる、前述のように、静圧Ｐｓ　の一次
係数Δｇ／ΔＰｓ｜Ｐｓ＝０とΔＧ／ΔＰｓ｜Ｐｓ＝０
はゲージ抵抗が静圧検出用ダイアフラム上にある場合と
固定部上にある場合では大きく異なる。故にこの差を取
れば数５のように差圧影響項ｆ（ｒ，ΔＰ）、Ｆ（ｒ，
ΔＰ）は除かれ、静圧による項が残るので、差圧の影響
のない静圧センサを構成することができる。

【００４５】次に、上記複合センサの詳細構成を図５を
用いて説明する。

【００４６】図５（ａ）は複合センサの平面図であり、
（ｂ）は前記平面図のＡ−Ａ断面図である。また、（ｃ
）は上記静圧センサと差圧センサを結線した時の結線例
である。（ａ）において１〜４はシリコン単結晶からな
る半導体基板１０にイオン打ち込みや熱拡散により不純
物をドーピングした差圧検出用ゲージ抵抗である。 これらは、アルカリエッチングまたはドライエッチング
等で加工されたダイアフラム９の領域内に形成されてい
る。５〜８は静圧検出用のゲージ抵抗であり、６は静圧
用ダイアフラム１２ａ上に形成され、７はこれとは別の
静圧用ダイアフラム１２ｂ上に形成されている。また、
差圧負荷によってゲージ抵抗６と７に応力が発生する。 この応力と等しい大きさの応力が発生する位置にゲージ
抵抗５と８を形成している。ゲージ抵抗３０は温度ゲー
ジであり、固定部に配置されている。さらに、温度ゲー
ジ３０は応力による感度の無い＜１００＞方向に配置さ
れている。１３ａ〜１３ｆは電極パッドである。図５（
ｃ）のように結線した後、１３ａ〜１３ｂ間に定電圧を
印加して１３ｃ〜１３ｄ間で差圧出力を、１３ｅ〜１３
ｆ間で静圧を得る構成となっている。

【００４７】また、図５（ｂ）に記載されている１１は
、ほう珪酸ガラス等から成る半導体基板１０の固定台で
ある。この複合センサに差圧が負荷された場合、図４に
示すようにゲージ抵抗５と６が抵抗値を増加させたとす
れば、ゲージ抵抗７と８は値が等しく逆符号の変化を示
す。従って、図５（ｃ）のようなブリッジ回路を構成し
て差圧により変動しない静圧センサ出力を得ることがで
きる。

【００４８】また、従来の弾性率差を利用した静圧セン
サでは静圧約１００気圧による抵抗値変化が約０．５％
　程度と小さかったのに対し、本実施例では、絶対圧型
の静圧センサを含むために、抵抗値変化を約１０倍の５
％にアップすることが可能となった。すなわち、従来の
弾性率差を利用した静圧センサに比べ静圧に対する感度
を約１０倍にできるものである。

【００４９】このような構成とすることによって静圧検
出用ダイアフラムの径を小さく構成することができると
ともに、静圧センサに作用する差圧の影響を取り除くこ
とができ差圧を正確に測定できるため、小型で高精度の
差圧検出器を実現することができる。

【００５０】図６に本発明の複合センサの他の実施例を
示す。

【００５１】本図は静圧センサ用ダイアフラム１２を一
つだけ設け、そこに静圧検出用ゲージ抵抗６と７を同方
向に設けたものである。これらゲージ抵抗の静圧出力は
電極パッド１３ａ，１３ｂに電圧を印加し、電極パッド
１３ｆと１３ｅから得られる。このような構成とするこ
とによって、静圧ダイアフラムが１つで済むため、図５
の例に比べて加工，配線が簡単になり小型化が図れる。

【００５２】以上の複合センサの説明では図５の実施例
のように温度センサについては何ら説明しなかったが（
図示せず）、本実施例でも半導体基板１０上には温度変
化による抵抗値変化を測定する専用のゲージ抵抗が配置
されている。

【００５３】図７に本発明の複合センサの他の実施例を
示す。本図は静圧検出用のゲージ抵抗５〜８を差圧検出
用ダイアフラムに対し〈１００〉方向に配置したもので
ある。このような構成とすれば、差圧負荷に基づく応力
σはゲージ抵抗５〜８に対し斜め４５度に働く。ゲージ
の抵抗変化は

【００５４】

【数７】

【００５５】で与えられる。ここで、πｌは長手方向の
ピエゾ抵抗係数、πｔは横手方向のピエゾ抵抗係数、σ
ｌは長手方向の応力、σｔは横手方向の応力を表す。

【００５６】ゲージが〈１１０〉方向に配列されている
本実施例の場合、πｌ＝０．５π４４、πｔ＝−０．５
π４４（π４４は剪断のピエゾ抵抗係数）であり、かつ

【００５７】

【数８】

【００５８】であるから、各々代入して、ΔＲ／Ｒ＝０
となる。従って、本実施例によれば静圧センサに及ぶ差
圧負荷の影響を相殺することができる。

【００５９】そこで本発明では図８に示すような加工を
する。すなわち、異方性エッチングにより形成される差
圧検出用ダイアフラム９の＜１１０＞方向の辺に最近接
するように静圧検出用ダイアフラム１２ａ，１２ｂを設
けたものである。このような配置を取ると、差圧検出用
ダイアフラム９と静圧検出用ダイアフラム１２ａ，１２
ｂの間隔ｄは高精度にエッチング加工できる。従って、
図５に図示した固定台１１との接着面積を一定に保つこ
とができ、歩留まりの向上が図れる。

【００６０】図９（ａ）に本発明の複合センサの他の実
施例を示す。

【００６１】本図は、差圧検出用ダイアフラム９にチッ
プの厚さとほぼ等しい中心剛体部１４を設けたものであ
る。さらに、ダイアフラム９，１２の薄化に異方性エッ
チングを用い、上記中心剛体部形状１４を八角形とした
ものである。異方性エッチングを用いる場合図９（ｂ）
に示した＜１１１＞面で囲まれる四角形状の中心剛体部
が最も形成され易いが、エッチングマスクの設計により
、｛１００｝面のウエハでは八角形以上、｛１１０｝面
のウエハでは六角形以上の多角形中心剛体部を形成する
ことができる。この様に、六角形以上の中心剛体部形状
とすることにより、四角形に比較し、角部の応力集中を
緩和でき耐圧の向上を図れる。

【００６２】図１０に本発明の複合センサの他の実施例
を示す。

【００６３】本図は差圧検出用ダイアフラム９の上面か
ら、差圧ゲージ１，４と２，３を連結する領域（梁）１
５を残してエッチングし、薄化したものである。

【００６４】センサの感度は（ダイアフラム面積）／（
薄肉部板厚）２でほぼ決定される。従って、図１０のよ
うな構造とし、差圧センサ感度を一定に保つものとすれ
ば、ダイアフラム面積が小さくなり、よってセンサチッ
プを薄化前と同一サイズとすれば、感度の向上が図れる
。さらに梁構造とすることにより、差圧センサの非直線
性を低減することができる。

【００６５】さらに表面からのエッチングに等方的ウエ
ットエッチングを用いることにすれば、表面と裏面を同
時にエッチングすることができ、工程時間の短縮が図れ
る。加えて、異方性エッチング後の角部が等方的エッチ
ングにより丸められ、耐圧が向上する。

【００６６】図１１は、シリコン単結晶｛１００｝面を
異方性エッチングする場合の基板不純物濃度とエッチン
グレートとの関係を示す図である。

【００６７】この図からわかるように、不純物濃度を２
×１０１８／ｃｍ３　以下とすることにより、高速エッ
チングを達成でき、センサ製作時間の短縮を図ることが
できる。

【００６８】上記の複合センサを図２の差圧伝送器に組
み込み信号処理回路１０６で信号処理して流量を測定し
図１の制御装置５００に送信する。図１２に信号処理回
路１０６のブロック図を示す。複合センサ１６の差圧，
静圧，温度によるゲージ抵抗の変化を出力し、マルチプ
レクサ１７に選択的に取り込まれ、プログラマブルゲイ
ンアンプ１８で増幅される。次にＡ／Ｄ変換器１９でデ
ジタル信号に変換され、マイクロコンピュータ２１に送
信される。メモリ２０には差圧，静圧，温度センサの各
特性が予め記憶されており、このデータを用いてマイク
ロコンピュータ２１でセンサ出力を補正し、高精度に差
圧及び静圧を検出する。検出した差圧と静圧はＤ／Ａ変
換器２２で再びアナログ信号に変換し、電圧−電流変換
器２３を介して制御装置５００へ出力する構成と成って
いる。

【００６９】上記構成の特徴的な部分は、以下に述べる
メモリ２０とマイクロコンピュータ２１の部分である。 すなわち、メモリ２０に差圧，静圧，温度の特性を補正
マップとして予め記憶させる。補正マップは差圧センサ
出力Ｅｄ，静圧センサ出力Ｅｓ、温度センサ出力Ｅｔを
三次元的に表したものである。マイクロコンピュータ２
１では図１３（ａ）の処理手順に従って処理を行う。す
なわち、静圧センサと温度センサの出力から補正マップ
２０２を用いて正確な静圧を求め、これを出力する。こ
の静圧出力を用いて差圧出力の補正を行う。次に、この
補正された差圧センサ出力を補正マップ２０３を用いて
温度の補正を行い、正確な差圧出力を得る。従来の複合
センサでは、静圧の出力に差圧の影響が大きく加算され
ていたため、静圧の影響を取り除くため、図１３（ｂ）
に示すように複雑な処理を行っていた（すなわち、静圧
センサに作用する差圧の影響を補正する必要があり、こ
の処理工程が必要であった）。本発明では、ほぼ静圧だ
けを抽出できるため処理も簡単化されている。図１４に
この補正のフローチャートを示す。まず、Ｓ１で静圧出
力Ｅｓと温度出力Ｅｔを読み込み、次にＳ２で差圧セン
サに対する影響値Ｅｋｄと温度補正された正確な静圧Ｅ
ｓ′を求める。次に、差圧センサの出力Ｅｄを取り込み
Ｓ３、差圧センサの出力から先に求めた影響値Ｅｋｄを
除去して、温度センサの出力Ｅｔから温度補正して正確
な差圧Ｅｄ′を求める。

【００７０】以上のように、本発明の差圧伝送器を用い
れば演算処理も簡単になり、正確な差圧と静圧を検出で
き、プラントシステムの流量検出用に小型化も図れると
いう効果を有する。

【００７１】

【発明の効果】本発明によれば、静圧センサに現れる差
圧の影響をほぼ０にできる。このため、差圧影響の特性
補正が不要と成り、差圧測定精度を向上できる。さらに
、静圧や温度の補正手順が簡略化され特性測定に関する
処理時間の短縮が図れプラント全体の制御性能が向上す
るという効果がある。

【００７２】さらに本発明によれば、差圧と静圧を高精
度に検出できるため、差圧伝送器の機能と圧力伝送器の
機能を１台で達成できるという効果がある。

【００７３】さらに本発明のセンサ基板の加工方法を取
ることによって精度の高い加工をすることができ、セン
サの検出精度の向上も図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインテリジェント伝送器を用いたプラ
ントシステムの全体構成図。

【図２】インテリジェント伝送器の全体構成図。

【図３】本発明の複合センサの静圧検出方法の原理説明
図。

【図４】静圧検出ゲージの差圧変化時の抵抗変化率を示
した図。

【図５】本発明の複合センサの一実施例の全体構成図。

【図６】本発明の複合センサの他の実施例。

【図７】本発明の複合センサの他の実施例。

【図８】本発明の複合センサの製造方法を説明する図。

【図９】本発明の複合センサの他の実施例。

【図１０】本発明の複合センサの他の実施例。

【図１１】センサ基板の不純物濃度とエッチングレート
の特性図。

【図１２】本発明の信号処理回路のブロック図。

【図１３】差圧検出のブロック図。

【図１４】信号の処理フローを示した図である。

【図１５】静圧センサによぶ差圧の影響を示した図。

【図１６】ゲージ抵抗の位置と差圧影響との関係を示し
た図。

【符号の説明】

１〜４…差圧検出用ゲージ抵抗、５〜８…静圧検出用ゲ
ージ抵抗、９…差圧検出用ダイアフラム、１０…センサ
基板（エッチングウエハ）、１１…センサ基板固定台、
１２…静圧検出用ダイアフラム。

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の感歪ゲージ素子を形成した１つのセ
   ンサ基板と、前記センサ基板を支持する固定台からなる
   複合センサにおいて、前記センサ基板に形成した差圧検
   出用ダイアフラムとは別に、１個以上の静圧検出用ダイ
   アフラムを設け、前記静圧検出用ダイアフラム上に形成
   した感歪ゲージ素子と、前記センサ基板の固定部上に形
   成した感歪ゲージ素子とで構成した静圧検出手段を有す
   ることを特徴とする複合センサ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記静圧検出用ダイア
   フラム上に形成した感歪ゲージ素子と、前記固定部上に
   形成した感歪ゲージ素子とを、差圧負荷による応力が等
   しい大きさで働く位置に形成したことを特徴とする複合
   センサ。
3. 【請求項３】請求項１において、前記固定部上に形成し
   た感歪ゲージ素子を前記静圧検出用ダイアフラム上に形
   成した感歪ゲージ素子よりも前記差圧検出用ダイアフラ
   ムに接近させて設けたことを特徴とする複合センサ。
4. 【請求項４】請求項１において、前記差圧検出用ダイア
   フラムの感歪ゲージ素子形成面とは反対面からのエッチ
   ング深さを、前記静圧検出用ダイアフラムのエッチング
   深さと同じ深さで形成したことを特徴とする複合センサ
   。
5. 【請求項５】請求項１において、前記センサ基板をシリ
   コン単結晶で形成し、前記感歪ゲージ素子は前記センサ
   基板とは導伝性の異なるピエゾ抵抗素子からなることを
   特徴とする複合センサ。
6. 【請求項６】一つのセンサ基板上に設けた差圧センサ，
   静圧センサ及び温度センサよりなる複合センサの静圧検
   出方法において、差圧検出用とは別に設けた静圧検出用
   ダイアフラム上に形成した感歪ゲージ素子と、固定部上
   に形成した感歪ゲージ素子との出力信号を処理し、差圧
   によるクロストークを相殺することを特徴とする複合セ
   ンサの静圧検出方法。
7. 【請求項７】一つのセンサ基板上に設けた差圧検出用ダ
   イアフラム上に形成した感歪ゲージ素子と、前記差圧検
   出用ダイアフラムとは別に設けた静圧検出用ダイアフラ
   ム上に形成した感歪ゲージ素子と固定部上に形成した感
   歪ゲージ素子、及び温度検出用非感歪ゲージ素子の出力
   信号を処理する信号処理手段により構成され、差圧，静
   圧，温度を別々に検出することを特徴とする複合センサ
   。
8. 【請求項８】｛１００｝面単結晶半導体基板を異方性エ
   ッチングすることによりダイアフラムを形成してなる複
   合センサにおいて、静圧検出用ダイアフラムを差圧検出
   用ダイアフラムの中心から〈１００〉方向に配列するこ
   とを特徴とする複合センサ。
9. 【請求項９】差圧，静圧を検出する歪ゲージ素子からな
   るセンシング手段と、前記センシング手段を保護する受
   圧手段とからなる複合伝送器において、前記センシング
   手段はセンサ基板に設けた差圧検出用ダイアフラム上に
   形成した差圧検出用感歪ゲージ素子で構成された差圧検
   出手段と、前記差圧検出用ダイアフラムとは別に設けた
   静圧検出用ダイアフラム上に形成した感歪ゲージ素子と
   固定部上に形成した感歪ゲージ素子とからなる静圧検出
   手段とで構成されることを特徴とする複合伝送器。
10. 【請求項１０】請求項９において、センサ基板の固定部
    上に温度検出用非感歪ゲ−ジ素子を形成したことを特徴
    とする複合伝送器。
11. 【請求項１１】請求項９において、静圧検出手段は前記
    静圧検出用ダイアフラム上に形成した感歪ゲージ素子と
    、前記固定部上に形成した感歪ゲージ素子とから成り、
    これらを差圧負荷による応力が等しい大きさで働く位置
    に形成したことを特徴とする複合伝送器。
12. 【請求項１２】請求項９において、前記固定部上に形成
    した感歪ゲージ素子を前記静圧検出用ダイアフラム上に
    形成した感歪ゲージ素子よりも前記差圧検出用ダイアフ
    ラムに接近させて設けたことを特徴とする複合伝送器。
13. 【請求項１３】請求項９において、前記差圧検出用ダイ
    アフラムの感歪ゲージ素子形成面とは反対面からのエッ
    チング深さを、前記静圧検出用ダイアフラムのエッチン
    グ深さと同じ深さで形成したことを特徴とする複合伝送
    器。
14. 【請求項１４】請求項９において、前記センサ基板をシ
    リコン単結晶で形成し、前記感歪ゲージ素子は前記セン
    サ基板とは導伝性の異なるピエゾ抵抗素子からなること
    を特徴とする複合伝送器。
15. 【請求項１５】差圧，静圧を検出する歪ゲージ素子から
    なるセンシング手段と、前記センシング手段を保護する
    受圧手段と、前記センシング手段の出力信号を演算処理
    する信号処理する手段とからなる複合伝送器において、
    前記センシング手段はセンサ基板に設けた差圧検出用ダ
    イアフラム上に形成した差圧検出用感歪ゲージ素子で構
    成された差圧検出手段と、前記差圧検出用ダイアフラム
    とは別に設けた静圧検出用ダイアフラム上に形成した感
    歪ゲージ素子と固定部上に形成した感歪ゲージ素子とか
    らなる静圧検出手段とで構成されることを特徴とする複
    合伝送器。
16. 【請求項１６】前記信号処理手段は前記静圧検出手段の
    出力の温度変化による影響を前記温度検出手段の出力を
    用いて補正し、前記差圧検出手段の出力の静圧変化によ
    る影響を前記補正された静圧値を用いて補正し、さらに
    、前記温度検出手段の出力を用いて補正することを特徴
    とする複合伝送器。
17. 【請求項１７】請求項１６において、前記信号処理手段
    はマイクロプロセッサとメモリとで構成され、前記メモ
    リには、温度変化に対する静圧又は差圧の関係を３次元
    マップデータとして記録し、前記マイクロプロセッサで
    前記センシング手段の検出値を前記メモリに記録された
    データに基づいて補正することを特徴とするインテリジ
    エント伝送器。
18. 【請求項１８】｛１００｝面単結晶シリコンウエハを異
    方性エッチングすることによりダイアフラムを形成して
    なる複合センサの製造方法において、静圧検出用ダイア
    フラムを差圧検出用ダイアフラムの＜１１０＞方向の辺
    に最近接するように配列することを特徴とする複合セン
    サの製造方法。
19. 【請求項１９】請求項１８において、前記静圧検出用ダ
    イアフラムをセンサ基板の対角線上に配置するようにエ
    ッチング加工することを特徴とする複合センサの製造方
    法。
20. 【請求項２０】請求項１８において、前記単結晶シリコ
    ンウエハは不純物濃度が２×１０１８／ｃｍ３　以下の
    ものを使用することを特徴とする複合センサの製造方法
    。
21. 【請求項２１】半導体基板に設けた差圧検出用ダイアフ
    ラム上に形成された感歪ゲージ素子と、静圧検出用ダイ
    アフラム上に形成された感歪ゲージと、固定部上に形成
    された感歪ゲージと非感歪ゲージからなる複合センサに
    おいて、前記半導体基板上の差圧検出用ダイアフラムを
    六角形以上の多角形形状に形成したことを特徴とする複
    合センサ。
22. 【請求項２２】パイプライン中に設けられたオリフィス
    の両端の圧力差から流量を測定する複合伝送器と、前記
    複合伝送器の計測結果、及び入出力装置の指令に基づい
    てパイプライン中の流量が所定値になるようにポンプ等
    のアクチュエータへの指令信号を作成する制御装置から
    なるプラントシステムにおいて、前記複合伝送器は、セ
    ンサ基板に設けた差圧検出用ダイアフラム上に形成した
    感歪ゲージ素子からなる差圧センサと、前記差圧検出用
    ダイアフラムとは別に設けた静圧検出用ダイアフラム上
    に形成した感歪ゲージ素子と固定部上に形成した感歪ゲ
    ージ素子からなる静圧センサと、固定部上に形成された
    非感歪ゲージ素子からなる温度センサとで構成されるセ
    ンシング部と、温度による静圧センサの変化を補正する
    手段と、前記静圧及び温度による差圧センサの変化を補
    正する手段を有する信号処理部とを有することを特徴と
    するプラントシステム。
23. 【請求項２３】請求項２２において、前記複合伝送器は
    、パイプラインを流れる流体の静圧と差圧を出力するこ
    とを特徴とするプラントシステム。