本发明涉及一种压力测定装置。
背景技术：
例如，在石油、石油化学、化工厂等中，为了测定工艺流体的流量、压力、液位、比重等，使用基于压电电阻式压力传感器的压力测定装置(参照专利文献1)。压电电阻式的压力传感器虽然响应的线性优良，但在小的压力区域中灵敏度低。在这种压力传感器中，为了提高灵敏度，有使膜片更薄的对策。但是，如果使膜片变薄，则产生体压降低，并且，可测定的压力的上限值降低等问题。
另一方面，提出了与压电电阻式相比具有50倍以上的应变系数的应变检测元件(参照专利文献2)。该元件具备磁化因应变而变化的检测磁性层和参照磁性层，具有所述检测磁性层和所述参照磁性层隔着势垒层而隧道结合的磁隧道结结构(磁隧道结元件)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：专利第5227729号公报
专利文献2：日本特开2016-014581号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
但是，使用了磁隧道结元件的压力传感器在压力值小的范围内具有高灵敏度，但存在自身的检测范围外的压力的响应的线性丧失，不能高精度地进行压力测定这样的问题。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，能够在小的压力范围内以良好的灵敏度进行测定，并且能够在更宽的压力范围内高精度地进行测定。
解决问题的技术手段
本发明的压力测定装置具备压力传感器和压力计算部，压力传感器包括：膜片层；受压区域，其形成于膜片层；压电应变测定部，其由压电应变元件构成，所述压电应变元件设置在受压区域的外周部的膜片层上，利用压电电阻效应测定受压区域的应变；以及磁应变测定部，其由磁应变元件构成,所述磁应变元件设置在膜片层的受压区域，由磁化因应变而变化的材料构成，并对受压区域的应变进行测定，压力计算部包括：第一计算功能部，其构成为根据压电应变测定部的测定结果求出受压区域受到的压力值；第二计算功能部，其构成为根据磁应变测定部的测定结果求出受压区域受到的压力值；以及切换功能部，其在第一计算功能部求出的压力值没有超过设定的阈值时，输出第二计算功能部求出的压力值，在第一计算功能部求出的压力值超过阈值时，输出第一计算功能部求出的压力值。
在上述压力测定装置中，压电应变测定部和磁应变测定部配置在受压区域的、产生的应力成为峰值的位置。
在上述压力测定装置的一构成例中，压电应变测定部配置在受压区域的产生压电效应的部位。
在上述压力测定装置的一构成例中，压电应变测定部由构成第一桥电路的第一压电应变元件、第二压电应变元件、第三压电应变元件以及第四压电应变元件构成，磁应变测定部由构成第二桥电路的第一磁应变元件、第二磁应变元件、第三磁应变元件以及第四磁应变元件构成，磁应变测定部配置在与压电应变测定部不同的部位。
在上述压力测定装置的一构成例中，受压区域俯视呈圆形。
在上述压力测定装置的一构成例中，受压区域俯视呈正方形。
发明的效果
如以上说明，根据本发明，由于在膜片层的受压区域设置压电应变测定部和磁应变测定部，因此能够在更宽的压力范围内高精度地进行测定。
附图说明
图1a是表示本发明的实施方式1的压力测定装置的构成的俯视图。
图1b是表示本发明的实施方式1的压力测定装置的构成的剖面图。
图2a是表示本发明的实施方式2的压力测定装置的构成的俯视图。
图2b是表示本发明的实施方式2的压力测定装置的构成的剖面图。
图3是表示本发明的实施方式3的另一压力测定装置的局部构成的俯视图。
图4是表示本发明的实施方式的压力测定装置的硬件构成的构成图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式的压力测定装置进行说明。
[实施例1]
首先，参照图1a、图1b说明本发明的实施方式1的压力测定装置。
该压力测定装置具备压力传感器100和压力计算部105。压力传感器100具备膜片层101和形成于膜片层101的受压区域102。受压区域102例如俯视呈圆形。受压区域102是膜片层101的一部分的区域，例如能够在膜片层101的平面的法线方向上挠曲(变形)。另外，受压区域102的俯视形状也可以做成正方形等多边形。膜片层101例如形成在基台111上。基台111上形成有在厚度方向上贯通基台111的贯通孔112。基台111例如可由单晶硅构成。在这种情况下，受压区域102是由贯通孔112的空间限定的膜片层101的一部分的区域。
另外，压力传感器100在受压区域102的外周部的膜片层101上具备第一压电应变元件103a、第二压电应变元件103b、第三压电应变元件103c以及第四压电应变元件103d。第一压电应变元件103a、第二压电应变元件103b、第三压电应变元件103c、第四压电应变元件103d分别成为利用压电电阻效应测定受压区域102的应变的压电应变测定部。压电应变元件可以配置在受压区域102的、产生的应力成为峰值的位置。另外，压电应变元件配置在受压区域102的产生压电效应的部位。
例如，膜片层101由以主表面为(100)晶面的单晶硅构成。另外，压电应变元件能够在由单晶硅构成的膜片层101的规定部位由压电电阻区域构成，该压电电阻区域由p型区域构成，在该p型区域中被导入有作为p型杂质的硼(b)。
在该例中，第一压电应变元件103a、第二压电应变元件103b、第三压电应变元件103c、第四压电应变元件103d这四个元件等间隔地配置在受压区域102的周向上。另外，连接第一压电应变元件103a和第三压电应变元件103c的第一直线与连接第二压电应变元件103b和第四压电应变元件103d的第二直线相互正交。第一直线和第二直线被设为以构成膜片层101的主表面为(100)晶面的单晶硅的110方向。
第一压电应变元件103a、第三压电应变元件103c的俯视的形状形成为长边方向在单晶硅的110方向上延伸的长方形，测定因受压区域102的挠曲而产生的应变。在该例中，第一压电应变元件103a、第三压电应变元件103c的俯视的形状被设为各自的长边方向的轴与从受压区域102的中心朝向径向的直线平行的长方形。
另一方面，第二压电应变元件103b、第四压电应变元件103d的俯视的形状也形成为长边方向在单晶硅的110方向上延伸的长方形，测定因受压区域102的挠曲而产生的应变。在该例中，第二压电应变元件103b、第四压电应变元件103d的俯视的形状被设为各自的长边方向的轴与从受压区域102的中心朝向径向的直线垂直的长方形。
通过设为上述构成，成为受压区域102挠曲时的第一压电应变元件103a及第三压电应变元件103c、和第二压电应变元件103b及第四压电应变元件103d各自的电阻值的符号不同的状态。
另外，压力传感器100在膜片层101的受压区域102具备第一磁应变元件104a、第二磁应变元件104b、第三磁应变元件104c以及第四磁应变元件104d。第一磁应变元件104a、第二磁应变元件104b、第三磁应变元件104c、第四磁应变元件104d由磁化因应变而变化的材料构成，成为测定受压区域102的应变的磁应变测定部。磁应变元件可以配置在受压区域102的、产生的应力成为峰值的位置。
第一磁应变元件104a、第二磁应变元件104b、第三磁应变元件104c、第四磁应变元件104d各自的磁应变元件具备磁化因应变而变化的检测磁性层和成为检测磁性层的参照的参照磁性层，检测磁性层和参照磁性层隔着势垒层而隧道结合，根据检测磁性层和参照磁性层之间的电阻的变化来测定受压区域102的应变。参照磁性层例如是磁化被固定的层，磁化不会因应变而变化。
各磁应变元件的检测磁性层、势垒层以及参照磁性层例如以沿膜片层101的厚度方向层叠的状态配置在膜片层101上。在这种情况下，第一磁应变元件104a、第二磁应变元件104b配置在因受压区域102的挠曲而产生拉伸应变的部位。例如，第一磁应变元件104a、第二磁应变元件104b配置在受压区域102的外周部的膜片层101上。通过将它们配置在拉伸应变产生最大的部位(成为峰值的位置)，能够得到高灵敏度。
另一方面，第三磁应变元件104c、第四磁应变元件104d配置在因受压区域102的挠曲而产生压缩应变的部位。例如，第三磁应变元件104c、第四磁应变元件104d配置在受压区域102的中央部。第三磁应变元件104c、第四磁应变元件104d也可以配置在不发生应变的部位(受压区域102以外)。
另外，第一磁应变元件104a、第二磁应变元件104b、第三磁应变元件104c、第四磁应变元件104d配置在与第一压电应变元件103a、第二压电应变元件103b、第三压电应变元件103c、第四压电应变元件103d不同的位置。例如，连接第一磁应变元件104a和第三磁应变元件104c的第三直线与第一直线所成的角可以为45°。
在上述的压力测定装置中，首先，第一压电应变元件103a、第二压电应变元件103b、第三压电应变元件103c、第四压电应变元件103d构成将它们作为电阻元件的第一桥电路。第一桥电路在一定的电流流过的状态下在受压区域102产生应力时，将由产生的应力引起的各压电应变元件(压电电阻区域)的电阻值的变化作为电压的变化而输出。第一桥电路的各节点经由在膜片层101的未图示的区域的面上形成的布线图案，与未图示的电极连接。
另外，在该压力测定装置中，第一磁应变元件104a、第二磁应变元件104b、第三磁应变元件104c、第四磁应变元件104d构成将它们作为电阻元件的第二桥电路。在对第一磁应变元件104a、第二磁应变元件104b、第三磁应变元件104c、第四磁应变元件104d施加外部磁场的状态下，在受压区域102中产生应力时，将由产生的应力引起的各磁隧道结元件的电阻值的变化作为电压的变化而输出。
另外，磁应变元件也可以将磁化因应变而变化的检测磁性层、由非磁性材料构成的非磁性层、以及成为检测磁性层的参照的参照磁性层按该顺序层叠，通过与非磁性层的平面平行的方向的电阻的变化来测定受压区域102的应变。在该情况下，与压电应变元件的构成同样，能够使用第一磁应变元件、第二磁应变元件、第三磁应变元件、第四磁应变元件这四个应变元件。另外，在该情况下，第一磁应变元件、第三磁应变元件的俯视的形状可以是各自的长边方向的轴与从受压区域102的中心朝向径向的直线平行的长方形，第二磁应变元件、第四磁应变元件的俯视的形状可以是各自的长边方向的轴与从受压区域102的中心朝向径向的直线垂直的长方形。
压力计算部105具备第一计算功能部106、第二计算功能部107和切换功能部108。第一计算功能部106根据上述压电应变测定部的测定结果求出受压区域102受到的压力值。第二计算功能部107根据磁应变测定部的测定结果求出受压区域102受到的压力值。
在由第一计算功能部106求出的压力值没有超过设定的阈值时，切换功能部108输出由第二计算功能部107求出的压力值，当由第一计算功能部106求出的压力值超过阈值时，切换功能部108输出由第一计算功能部106求出的压力值。基于磁应变测定部(磁应变元件)的响应成为线性的范围来确定阈值。
根据上述实施方式1的压力测定装置，在由压电应变测定部求出的压力值小于所设定的阈值的范围内，选择(输出)由磁应变测定部求出的压力值，在由压电应变测定部求出的压力值比阈值大的范围内，选择(输出)由压电应变测定部求出的压力值，因此能够在小的压力范围内以良好的灵敏度进行测定，并且能够在更宽的压力范围内高精度地进行测定。
[实施方式2]
接着，参照图2a、图2b说明本发明的实施方式2的压力测定装置。
该压力测定装置具备压力传感器100a和压力计算部105a。压力传感器100a具备膜片层101和形成于膜片层101的受压区域102。另外，压力传感器100a具备第一压电应变元件103a、第二压电应变元件103b、第三压电应变元件103c以及第四压电应变元件103d。另外，该压力测定装置具备第一磁应变元件104a、第二磁应变元件104b、第三磁应变元件104c以及第四磁应变元件104d。这些构成与上述实施方式1相同。
另外，压力传感器100a在膜片层101的受压区域102的周围形成有第一副受压区域202a、第二副受压区域202b、第三副受压区域202c以及第四副受压区域202d。例如，如图2b所示，第二副受压区域202b和第四副受压区域202d是由形成于基台111的空洞113b、空洞113d限定的膜片层101的一部分区域。第一副受压区域202a和第三副受压区域202c也同样。另外，图2b表示穿过图2a的受压区域102的中央部的线的剖面。第一副受压区域202a、第二副受压区域202b、第三副受压区域202c以及第四副受压区域202d分别为俯视时相邻的边的长度不同的长方形。
另外，压力传感器100a在第一副受压区域202a设置有第一副压电应变元件203a、第二副压电应变元件203b。另外，在第二副受压区域202b设置有第一副磁应变元件204a、第二副磁应变元件204b。另外，在第三副受压区域202c设置有第三副压电应变元件203c、第四副压电应变元件203d。另外，在第四副受压区域202d设置有第三副磁应变元件204c、第四副磁应变元件204d。
第一副压电应变元件203a、第二副压电应变元件203b、第三副压电应变元件203c、第四副压电应变元件203d与第一压电应变元件103a、第二压电应变元件103b、第三压电应变元件103c、第四压电应变元件103d相同，是具有压电电阻区域的元件。
第一副磁应变元件204a、第二副磁应变元件204b、第三副磁应变元件204c、第四副磁应变元件204d与第一磁应变元件104a、第二磁应变元件104b、第三磁应变元件104c、第四磁应变元件104d相同。
在实施方式2中，利用受压区域102构成差压测定部，利用第一副受压区域202a及第三副受压区域202c构成第一静压测定部，利用第二副受压区域202b及第四副受压区域202d构成第二静压测定部(参照专利文献1)。
在此，第一副压电应变元件203a、第一副磁应变元件204a、第三副压电应变元件203c、第三副磁应变元件204c分别配置在第一副受压区域202a、第二副受压区域202b、第三副受压区域202c、第四副受压区域202d各自的中央。另外，第一副压电应变元件203a、第三副压电应变元件203c在俯视下沿着长方形的副受压区域102的长边方向设置。
另外，第二副压电应变元件203b、第二副磁应变元件204b、第四副压电应变元件203d、第四副磁应变元件204d分别配置在第一副受压区域202a、第二副受压区域202b、第三副受压区域202c、第四副受压区域202d各自的边缘。另外，第二副压电应变元件203b、第四副压电应变元件203d在俯视下沿着长方形的副受压区域102的长边方向设置。
另外，压力计算部105a具备第一计算功能部106、第二计算功能部107、切换功能部108a、第一校正功能部109以及第二校正功能部110。第一计算功能部106、第二计算功能部107与上述实施方式1相同。
第一校正功能部109根据通过第一副受压区域202a及第三副受压区域202c构成的第一静压测定部的测定结果，校正第一计算功能部106求出的压力值。另外，第二校正功能部110根据由第二副受压区域202b及第四副受压区域202d构成的第二静压测定部的测定结果，校正第二计算功能部107求出的压力值。
另外，在实施方式2中，首先，在由第一校正功能部109校正后的压力值没有超过所设定的阈值时，切换功能部108a输出由第二校正功能部110校正后的压力值。另一方面，当由第一校正功能部109校正后的压力值超过阈值时，切换功能部108a输出由第一校正功能部109校正后的压力值。
根据上述的实施方式2，能够高效地测定静压测定部中的产生应力。其结果，能够提高静压的测定灵敏度。另外，根据实施方式2，由于通过静压校正功能部校正由计算部求出的压力值，因此能够抑制因静压的影响影响差压、压力等而导致输出的零点偏移的被称为串扰的问题。
在上述的实施方式2中，在压力值小的范围内，利用磁应变测定部测定压力，在压力值大的范围内，利用压电应变测定部测定压力，所以能够在小的压力范围内以良好的灵敏度进行测定，并且能够在更宽的压力范围内高精度地进行测定。
但是，受压区域也可以俯视呈正方形。参照图3对采用俯视呈正方形的受压区域102a的压力传感器100b进行说明。
压力传感器100b具备膜片层101和形成于膜片层101的受压区域102a。受压区域102a俯视呈正方形。该正方形的各边为以构成膜片层101的主表面为(100)晶面的单晶硅的110方向。
另外，压力传感器100b具备第一压电应变元件123a、第二压电应变元件123b、第三压电应变元件123c、以及第四压电应变元件123d。第一压电应变元件123a和第二压电应变元件123b的组配置在俯视呈正方形的受压区域102a的第一边161的中央部。另外，第三压电应变元件123c和第四压电应变元件123d的组配置在俯视呈正方形的受压区域102a的第二边162的中央部。第二边162是与第一边161相邻的边。
另外，压力传感器100b与上述同样，具备第一磁应变元件124a、第二磁应变元件124b、第三磁应变元件124c以及第四磁应变元件124d。第一磁应变元件124a配置在俯视呈正方形的受压区域102a的第四边164的中央部。另外，第二磁应变元件124b配置在俯视呈正方形的受压区域102a的第三边163的中央部。第三边163是与第二边162和第四边164相邻且与第一边161相对的边。第四边164与第一边161和第三边163相邻，并且与第二边162相对的边。
另外，与上述同样，在膜片层101的受压区域102a的周围形成有第一副受压区域202a、第二副受压区域202b、第三副受压区域202c以及第四副受压区域202d。
第一副受压区域202a和第三副受压区域202c配置在通过第一边161的中点与第三边163的中点的第一直线151上。另外，第二副受压区域202b和第四副受压区域202d配置在通过第二边162的中点与第四边164的中点的第一直线152上。
在第一直线151上配置有第一压电应变元件123a和第二压电应变元件123b的组。换言之，从受压区域102a的中心观察，第一副受压区域202a配置在配置有第一压电应变元件123a和第二压电应变元件123b的组的延长线上。另外，在第一直线151上配置有第二磁应变元件124b。换言之，从受压区域102a的中心观察，第四副受压区域202d配置在配置有第二磁应变元件124b的延长线上。
在第二直线152上配置有第一磁应变元件124a。换言之，从受压区域102a的中心观察，第二副受压区域202b配置在配置有第一磁应变元件124a的延长线上。另外，在第二直线152上配置有第三压电应变元件123c和第四压电应变元件123d的组。换言之，从受压区域102a的中心观察，第三副受压区域202c配置在配置有第三压电应变元件123c和第四压电应变元件123d的组的延长线上。
另外，与上述同样，在第一副受压区域202a设置有第一副压电应变元件203a、第二副压电应变元件203b。另外，在第二副受压区域202b设置有第一副磁应变元件204a、第二副磁应变元件204b。另外，在第三副受压区域202c设置有第三副压电应变元件203c、第四副压电应变元件203d。另外，在第四副受压区域202d设置有第三副磁应变元件204c、第四副磁应变元件204d。
第一副压电应变元件203a、第二副压电应变元件203b、第三副压电应变元件203c、第四副压电应变元件203d与第一压电应变元件123a、第二压电应变元件123b、第三压电应变元件123c、第四压电应变元件123d相同，是具有压电电阻区域的元件。
第一副磁应变元件204a、第二副磁应变元件204b、第三副磁应变元件204c、第四副磁应变元件204d与第一磁应变元件124a、第二磁应变元件124b、第三磁应变元件124c、第四磁应变元件124d相同。
与上述同样，利用受压区域102a构成差压测定部，利用第一副受压区域202a、第二副受压区域202b、第三副受压区域202c以及第四副受压区域202d构成静压测定部(参照专利文献1)。
在此，第一副压电应变元件203a、第一副磁应变元件204a、第三副压电应变元件203c、第三副磁应变元件204c分别配置在第一副受压区域202a、第二副受压区域202b、第三副受压区域202c、第四副受压区域202d各自的中央。另外，第一副压电应变元件203a、第三副压电应变元件203c在俯视下沿着长方形的副受压区域的长边方向设置。
另外，第二副压电应变元件203b、第二副磁应变元件204b、第四副压电应变元件203d、第四副磁应变元件204d分别配置在第一副受压区域202a、第二副受压区域202b、第三副受压区域202c、第四副受压区域202d各自的边缘。另外，第二副压电应变元件203b、第四副压电应变元件203d在俯视下沿着长方形的副受压区域的长边方向设置。
在压力传感器100b中，也能够高效地测定静压测定部中的产生应力。其结果，能够提高静压的测定灵敏度。
另外，如图4所示，上述实施方式的压力测定装置的压力计算部是具备cpu(centralprocessingunit：中央运算处理装置)301、主存储装置302、外部存储装置303和网络连接装置304等的计算机设备，cpu301通过在主存储装置302中展开的程序进行动作(执行程序)，由此也能够实现上述各功能。上述程序是用于计算机执行上述实施方式所示的压力计算部的功能的程序。网络连接装置304与网络305连接。另外，各功能也可以分散到多个计算机设备中。
另外，上述的压力计算部也可以通过fpga(field-programmablegatearray)等可编程逻辑器件(pld：programmablelogicdevice)构成。例如，通过在fpga的逻辑元件中作为电路而分别具备存储部、第一计算功能部、第二计算功能部、切换功能部、第一校正功能部以及第二校正功能部，能够作为压力计算部发挥功能。存储电路、第一计算电路、第二计算电路、切换电路、第一校正电路、第二校正电路分别能够连接规定的写入装置而写入fpga。另外，写入fpga的上述各电路可以通过与fpga连接的写入装置来确认。
如上所述，根据本发明，由于在膜片层的受压区域设置压电应变测定部和磁应变测定部，因此能够在更宽的压力范围内高精度地进行测定。
另外，本发明并不限定于以上说明的实施方式，在本发明的技术思想内，本领域具有通常知识的人能够实施多种变形和组合，这是显而易见的。
符号说明
100…压力传感器、101…膜片层、102…受压区域、103a…第一压电应变元件、103b…第二压电应变元件、103c…第三压电应变元件、103d…第四压电应变元件、104a…第一磁应变元件、104b…第二磁应变元件、104c…第三磁应变元件、104d…第四磁应变元件、105…压力计算部、106…第一计算功能部、107…第二计算功能部、108…切换功能部、111…基台、112…贯通孔。
1.一种压力测定装置，其特征在于，
具备压力传感器和压力计算部，
所述压力传感器包括：
膜片层；
受压区域，其形成于所述膜片层；
压电应变测定部，其由压电应变元件构成，所述压电应变元件设置在所述受压区域的外周部的所述膜片层上，利用压电电阻效应测定所述受压区域的应变；以及
磁应变测定部，其由磁应变元件构成,所述磁应变元件设置在所述膜片层的所述受压区域，由磁化因应变而变化的材料构成，并对所述受压区域的应变进行测定，
所述压力计算部包括：
第一计算功能部，其构成为根据所述压电应变测定部的测定结果求出所述受压区域受到的压力值；
第二计算功能部，其构成为根据所述磁应变测定部的测定结果求出所述受压区域受到的压力值；以及
切换功能部，其在所述第一计算功能部求出的压力值没有超过设定的阈值时，输出所述第二计算功能部求出的压力值，在所述第一计算功能部求出的压力值超过所述阈值时，输出所述第一计算功能部求出的压力值。
2.根据权利要求1所述的压力测定装置，其特征在于，
所述压电应变测定部和所述磁应变测定部配置在所述受压区域的、产生的应力成为峰值的位置。
3.根据权利要求1或2所述的压力测定装置，其特征在于，
所述压电应变测定部配置在所述受压区域的产生压电效应的部位。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的压力测定装置，其特征在于，
所述压电应变测定部由构成第一桥电路的第一压电应变元件、第二压电应变元件、第三压电应变元件以及第四压电应变元件构成，
所述磁应变测定部由构成第二桥电路的第一磁应变元件、第二磁应变元件、第三磁应变元件以及第四磁应变元件构成，
所述磁应变测定部配置在与所述压电应变测定部不同的部位。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的压力测定装置，其特征在于，
所述受压区域俯视呈圆形。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的压力测定装置，其特征在于，
所述受压区域俯视呈正方形。
技术总结