(57)【要約】  センサ（２００）は接合部分と、少なくとも１つのチャネルによって接合部分（２５０、２５２）から分離された主ボスとを有するダイアフラム（２０２）を含み、主ボス（２０５）は、第１の側面と、第２の側面と、第１の側面を第２の側面に接続する面取りされたコーナー面とを有する。センサのベース（２０３）は主ボス（２０５）と位置合わせされ、主ボス（２０５）から分離された第１の接触領域（２０７）を有し、ダイアフラムの接合部分（２５０、２５２）がベースに接合される。少なくとも１つの感知素子がダイアフラム２０２の動きを感知する。
2019533141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合部分と、少なくとも１つのチャネルによって接合部分から分離された主ボスとを有するダイアフラムであって、主ボスは、第１の側面と、第２の側面と、第１の側面を第２の側面に接続する面取りされたコーナー面とを有する、ダイアフラムと、
主ボスと位置合わせされ、主ボスから分離された第１の接触領域を有するベースであって、ダイアフラムの接合部分がベースに接合される、ベースと、
ダイアフラムの動きを感知する少なくとも１つの感知素子と、
を含むセンサ。
【請求項２】
前記主ボスは、第３の側面と、第４の側面と、前記第２の側面と前記第３の側面との間の第２の面取りされたコーナー面と、前記第３の側面と前記第４の側面との間の第３の面取りされたコーナー面と、前記第４の側面と前記第１の側面との間の第４の面取りされたコーナー面とをさらに備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
チャネルによって主ボスの第１の側面から分離された第２のボスをさらに備え、前記第２のボスは、第１の側面と、端面と、第１の側面と端面との間の第１の面取りされたコーナー面とを有する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記主ボスの前記第２の側面から第２のチャネルによって分離された第２の二次ボスと、前記主ボスの第３の側面から第３のチャネルによって分離された第３の二次ボスと、前記主ボスの第４の側面から第４のチャネルによって分離された第４の二次ボスとをさらに備える、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記主ボスの長さは、二次ボスの長さと同じである、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
第２のボスを通る線と第２の第２のボスを通る線との交点に配置された第１のピラミッドボスをさらに備える、請求項４に記載のセンサ。
【請求項７】
前記第１のピラミッドボスは、前記第２のボスを通る線に対して４５度のベースエッジを有する、請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記ベースが前記第２のボスと位置合わせされ、かつ該第２のボスから分離された接触バーメサと、前記第１のピラミッドボスと位置合わせされ、かつ該第１のピラミッドボスから分離された接触ピラミッドメサとをさらに備え、圧力閾値を超えると、前記主ボスが前記第１の接触領域に接触し、同時に、前記第２のボスは前記接触バーメサと接触し、前記第１のピラミッドボスは前記接触ピラミッドメサと接触する、請求項６に記載のセンサ。
【請求項９】
前記主ボスは、丸みを帯びたボス縁部を有する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１０】
ベースと、
ダイアフラムが、ベース上に配置され、面取りされたコーナーを有する少なくとも１つのボスを有する、ダイアフラムと、
ダイアフラムの変化を感知するように配置された感知素子と、
を含む圧力センサ。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのボスは、ダイアフラム上の中央に位置する主ボスを備える、請求項１０に記載の圧力センサ。
【請求項１２】
前記主ボスの側部に配置され、少なくとも１つの面取りされたコーナーを有する、少なくとも１つの二次ボスをさらに備える、請求項１１に記載の圧力センサ。
【請求項１３】
主ボスの面取りされたコーナーがピラミッドボスに面するように配置されたピラミッドボスをさらに備える、請求項１０に記載の圧力センサ。
【請求項１４】
前記ピラミッドボスは、正方形ベースの一方の縁部が前記面取りされたコーナーの縁部に平行であるように、正方形ベースを有する、請求項１３に記載の圧力センサ。
【請求項１５】
主ボスの面取りされたコーナーがピラミッドボスに面するように配置されたピラミッドボスをさらに備える、請求項１２に記載の圧力センサ。
【請求項１６】
前記ボスは、ドライ等方性エッチングによって形成された丸みを帯びた縁部を有する、請求項１０に記載の圧力センサ。
【請求項１７】
ベースと、
ダイアフラムは、２つのエッジと前記２つのエッジ間のコーナーとを有する主ボスと、前記主ボスのコーナーに近接して配置され、前記主ボスの２つのエッジの両方に対して斜めのエッジを有するベースを有するピラミッドボスとを備える、ダイアフラムと、
ダイアフラムの動きを感知する感知素子、
を含む圧力センサ。
【請求項１８】
前記主ボスの前記２つの縁部の間のコーナーは、面取りされている、請求項１７に記載の圧力センサ。
【請求項１９】
前記主ボスの前記面取りされたコーナーは、前記ピラミッドボスの前記縁部に平行な縁部を有する、請求項１８に記載の圧力センサ。
【請求項２０】
主ボスの２つの縁部の一方に平行な縁部を有するベースを有する二次ボスをさらに備える、請求項１７に記載の圧力センサ。
【請求項２１】
二次ボスは、少なくとも１つの面取りされたコーナーを備える、請求項１７に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、圧力センサに関する。特に、本開示は、過剰圧力保護を有する圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの圧力センサにおいて、可撓性ダイアフラムは、ダイアフラムの頂部に加えられる圧力に応答してベースに対して移動する。適用された圧力に応答して反復可能な単調な動きを提供するダイアフラムが好ましい。結果として、結晶シリコンから作られたもののような結晶ダイアフラムは加えられた圧力に応答して単調な動きを提供し、一般にヒステリシス効果がないので、広く採用されてきた。残念ながら、このような結晶構造を有するセンサは過剰圧力に対する能力が限られており、センサダイアフラムに対する過剰圧力は、結晶構造の最大破断強度を超える大きな引張応力を引き起こし得る。このようなセンサの故障はしばしば破滅的である傾向があり、完全に破砕された構造をもたらす。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
センサは接合部分と、少なくとも１つのチャネルによって接合部分から分離された主ボスとを有するダイアフラムを含み、主ボスは、第１の側面と、第２の側面と、第１の側面を第２の側面に接続する面取りされたコーナー面とを有する。センサのベースは主ボスと位置合わせされ、主ボスから分離された第１の接触領域を有し、ダイアフラムの接合部分はベースに接合される。少なくとも１つの感知素子が、ダイアフラムの動きを感知する。
【０００４】
さらなる実施形態では、圧力センサがベースと、ベースの上に配置され、面取りされたコーナーを有する少なくとも１つのボスを有するダイアフラムと、ダイアフラムの変化を感知するように配置された感知素子とを含む。
【０００５】
さらに別の実施形態では、圧力センサがベースと、２つのエッジを有する主ボスと、２つのエッジ間のコーナーと、主ボスのコーナーに近接して配置され、主ボスの２つのエッジの両方に対して斜めのエッジを有するベースを有するピラミッドボスとを備えるダイアフラムとを含む。感知素子は、ダイアフラムの動きを感知する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１はダイアフラムがベースの一部と接触し、引張応力および圧縮応力を示すような十分に高い圧力下での圧力センサの一実施形態の断面図を提供する。
【図２】図２は、印加圧力の機能としての最大主応力の例示的なグラフを提供する。
【図３】図３は、圧力の関数としての、一実施形態の圧力センサ上のダイアフラムエッジ引張歪み抵抗器の抵抗値の例示的なグラフを提供する。
【図４】図４は、一実施形態の圧力センサの底面斜視図を提供する。
【図５】図５は、図４の圧力センサの上面斜視図である。
【図６】図６は、一実施形態の圧力センサの断面図を提供する。
【図７】第２実施形態の圧力センサの断面図である。
【図８】図８は、第３の実施形態の圧力センサの断面図である。
【図９】図９は、第４の実施形態の圧力センサの断面図である。
【図１０】図１０は、第５の実施形態の圧力センサの断面図である。
【図１１】図１１は、第６の実施形態の圧力センサの断面図である。
【図１２】図１２は、さらなる実施形態のダイアフラムの四分の一対称部分の底面斜視図を提供する。
【図１３】図１３は、図１２のダイアフラムの断面の上面斜視図である。
【図１４】図１４は、さらなる実施形態のダイアフラムの四分の一対称部分の底面斜視図を提供する。
【図１５】図１５は、図１４のダイアフラムの断面の上面斜視図である。
【図１６】図１６は、図１４のダイアフラムを用いた圧力センサの断面図である。
【図１７】図１７は、実施形態を利用することができる工業プロセス制御システムの一部の簡略図を提供する。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
様々な実施形態は結晶ダイアフラムを有する圧力センサを提供し、圧力センサは過剰圧力ボスを含み、ダイアフラムの側部およびダイアフラムの上部の静水圧負荷を使用して、ダイアフラム上の引張応力を制限する。
【０００８】
様々な実施形態によれば、ダイアフラム２０２の接合部分２５０および２５２などの接合部分でベース２０３に取り付けられたダイアフラム２０２を含む、図１の圧力センサ２００が提供される。ダイアフラム２０２および／またはボス２０５および２０７などのベース２０３上の高圧接触部分はしきい値を超える静水圧負荷がダイアフラム２０２の外部上面２１８および側面２０６および２０８などの外部側面に加えられたときに、互いに相互作用して、ダイアフラム２０２の一部の移動を阻止する。側面２０６および２０８に加えられる横方向の静水圧荷重は、矢印２１０、２１２、２１４および２１６によって示される。ボス２０５および２０７におけるダイアフラム２０２とベース２０３との間の接触はダイアフラム２０２の側面上の横方向の静水圧負荷と共に組み合わさって、ダイアフラム２０２に加えられる引張応力を減少させ、その結果、ダイアフラムに加えられる最大の主要応力は上面２１８および側面２０６および２０８に加えられる圧力が増加することにつれて実際に減少する。これは、水平軸３００に沿った印加圧力と、垂直軸３０２に沿った最大主応力とを示す図２のグラフから分かる。
【０００９】
図２のグラフ３０４は、従来技術の圧力センサのダイアフラムの最大主応力を示している。破線で示されるグラフ３０４において、最大主応力は点３０６に達するまで、加えられた圧力と共に直線的に増加し、この点において、応力は、ダイアフラムの破断応力を超え、ダイアフラムは破断する。図２のグラフ３０７は、本実施形態のダイアフラムセンサについて、印加圧力によって最大主応力がどのように変化するかの一例を示す。図２において、最大主応力は、部分３０８に沿って加えられた圧力と共に直線的に増加する。これは、ボスが接触することなくダイアフラム２０２が撓むときに生じる。点３１０において、１つ以上のボスが接触する。ボスが接触した後、点３１４で再び増加し始める前に、部分３１２に沿って加えられた圧力と共に最大主応力が減少する。
【００１０】
図２に示す実施形態では、グラフ３０７の部分３０８に沿ってボスが接触する前の印加圧力による最大主応力の変化がグラフ３０４に示す従来技術のダイアフラムの最大主応力の変化よりも大きい。グラフ３０７の点３１４の後、加えられた圧力による主応力の変化率は、ボスが接触していなかったときよりもかなり低い。抵抗歪みゲージは応力と印加圧力との間に単調な変化を有する位置に配置されるべきであるので、最大の主要応力は抵抗歪みゲージなどの感知素子が配置される位置ではないことに留意されたい。しかしながら、ダイアフラムは最も高い引張応力を有する位置で破損しやすいため、最大主応力はダイアフラムの破損しやすい点での応力を示す。
【００１１】
最大主応力を減少させることに加えて、ボスと横方向の静水圧荷重との間の接触は、従来技術のダイアフラムに見られる引張応力を図１の位置２２６及び２２８における圧縮応力に変換する。したがって、ダイアフラム２０２の接触部分２０５に隣接するダイアフラム２０２の内部部分２２６および２２８は、接触部分２０５がベース２０３の接触部分２０７に接触した後に圧縮応力を受ける。逆に、接触部分２０５の上方の外側部分２３４に隣接するダイアフラム２０２の外側位置２３０および２３２は、引張応力を受けている。ダイアフラムの高圧接触部分または接合領域の上方にない領域、例えば領域２３６および２３８は、ダイアフラムの高圧接触部分がベースに接触した後も偏向し続ける二次偏向可能領域として作用する。
【００１２】
結晶シリコンなどの結晶ダイアフラム構造は一般に、それらの最大引張応力をはるかに超える圧縮応力の大きさに耐えることができる。有効な「レバーアーム」もまた、拘束されたボスのために減少されるので、全ての応力の大きさ、引張および圧縮の両方が、拘束されていないボスの場合と比較して減少する。一旦、ダイアフラムがボスとの接触によって垂直方向に移動することを抑制されると、横方向の静水圧負荷は、ダイアフラム内で横方向の圧縮を生じる。その結果、全ての引張力が減少し、全ての圧縮力が増加する。引張応力をチェック状態に保つことにより、センサは、圧力がダイアフラムの上面にのみ加えられた場合よりもずっと高い外部圧力に耐えることができる。
【００１３】
図３は、図１のダイアフラム２０２の頂部に適用されたダイアフラムエッジ引張り歪み抵抗器の抵抗対圧力の例示的なグラフを提供する。図３において、圧力は水平軸４００に沿って示され、抵抗は垂直軸４０２に沿って示される。ダイアフラムおよび／またはベースのボスが接触する前に、抵抗は、グラフ４０６の部分４０４によって示されるように単調に変化する。いくつかの実施形態によれば、部分４０４は、圧力センサの通常の動作圧力範囲に沿って延在する。加えられた圧力が通常の動作圧力範囲の最上部に達すると、ボスはグラフ４０６の点４０８で接触する。ボスが接触した後、抵抗は部分４１０に沿って加えられた圧力と共に単調に変化し続けるが、部分４０４に沿ってとは異なる速度で変化する。これは、システムがセンサの通常の動作圧力範囲をはるかに超える圧力を測定し続ける機会を作り出す。
【００１４】
図４は一実施形態による圧力センサ５００の底面斜視図を提供し、図５は、上面斜視図を提供する。図４では、圧力センサ５００が中央に配置され、圧力センサ５００の周囲にチャンバを画定するハウジングに接続することができる台座（ｐｅｄｅｓｔａｌ）または支持体５０４を有するベース５０２を含む。ダイアフラム５０６は、ベース５０２の上に配置され、結合層５０８によってベース５０２に結合される。ダイアフラム５０６の上面５１０に沿って、感知素子５１２、５１４、５１６、５１８、５２０、５２２、５２４および５２６などの１つ以上の感知素子は、上面５１０に印加される圧力および側面５３０、５３２、５３４および５３６に応じて、上面５１０の周囲の閉じた周囲５３８に沿って上面５１０から延在するダイアフラム５０６の屈曲および／またはダイアフラム５０６の変化を検知するように配置される。したがって、側面はダイアフラム５０６が他の構造との接触から隔離されるように、およびダイアフラム５０６の周囲の流体が上面５１０の周囲の閉じた周囲５３８の全体に沿って上面５１０から下に延びる側面のそれぞれに横方向の静水圧負荷力を加えることができるように、上面５１０の全体の周囲に延びる。
【００１５】
感知素子５１２、５１４、５１６、５１８、５２０、５２２、５２４および５２６の各々は、ダイアフラム５０６の変化に基づいて出力を提供する。いくつかの実施形態では、この出力が感知素子５１８に接続された電気トレース５４０および５４２などの電気トレースを通して電流および／または電圧を印加することによって感知することができる抵抗またはキャパシタンスなどの電気特性である。例えば、感知素子がピエゾ抵抗素子である場合、電気トレースを使用してピエゾ抵抗素子に電流を流し、ピエゾ抵抗感知素子の抵抗を、ピエゾ抵抗感知素子の電流または電圧出力に基づいて測定する。ピエゾ抵抗感知素子が議論されてきたが、感知素子の他の例はキャパシタンス、光学変位感知、圧電、および共振感知を含む。
【００１６】
いくつかの実施形態によれば、ダイアフラム５０６およびベース５０２は両方とも、等方性または異方性エッチングされたシリコンウエハから形成され、このシリコンウエハは以下で説明するような特定の特徴（ｆｅａｔｕｒｅ）を提供するようにパターニングされ、次いで、ウエハからダイシングまたは切断される。
【００１７】
図６および図７は、２つの異なる実施形態を表す圧力センサ７００および８００の断面図である。図６において、圧力センサ７００は、ダイアフラム７０２と、ベース７０４と、ダイアフラム７０２上の、図６に見られるには小さすぎる感知素子とを含む。いくつかの実施形態によれば、ダイアフラム７０２およびベース７０４は両方とも、等方性または異方性エッチングされたシリコンウエハから形成され、このシリコンウエハは以下で説明するような特定の特徴を提供するようにパターニングされ、次いで、ウエハからダイシングまたは切断される。ベース７０４はエッチングされた台座７０６を有し、この台座は応力隔離構造として作用し、パッケージおよび取付けによって誘起された応力が圧力センサ７００の動作に影響を及ぼさないようにする。台座７０６の底面７０８はダイアフラム７０２が圧力センサ７００の外側の他の構造との接触から隔離され、ハウジング７５０によって画定されるチャンバ７５２内の流体によって囲まれるように、ハウジング７５０に取り付けられる。ダイアフラム７０２はベース７０４の反対側の上面７３４と、上面７３４の周りの閉じた周囲に沿って、上面７３４からベース７０４に向かって延びる側面（例えば、側面７３０および７３２）とを有する。したがって、側面はダイアフラム７０２が他の構造との接触から隔離されるように、およびダイアフラム７０２の周囲の流体が上面７３４の周囲の閉じた周囲の全体に沿って上面７３４から下に延びる側面のそれぞれに横方向の静水圧を加えることができるように、上面７３４の全体の周囲に延びる。ダイアフラム７０２はまた、接着層部分７１４および７１６によってベース７０４に接合される取付部分または接着部分７１０および７１２を含む。一実施形態では、接合層部分７１４および７１６がしばしば「フリット」と呼ばれる高温ガラスベースの接合材料である。接合部分または取付部分７１０および７１２は、ダイアフラム７０２の内部部分７１８に対してベース７０４に向かって突出する。
【００１８】
ダイアフラム７０２上の中央に位置するボス７１９の高圧接触部分７２０は内部部分７１８からベース７０４に向かって突出し、ギャップ７２２によってベース７０４の高圧接触部分７２４から分離される。第１の圧力範囲にわたって、高圧接触部分７２０はベース７０４に接触せず、ダイアフラム７０２上の感知素子は、ダイアフラム７０２の側面７３０、７３２および頂部７３４に加えられる圧力の変化に伴う単調な第１の変化率を提供する。圧力閾値を超えると、高圧接触部分７２０は高圧接触点７２４でベース７０４に接触する。この接触後、内部部分７１８は第２の偏向可能領域として作用し、静水圧負荷の増加と共に偏向し続ける。増大した圧力の関数としての感知素子の出力の変化率は接触後に変化し、接触前の変化率よりも小さくなる。しかし、感知素子の出力の変化は、ダイアフラム７０２とベース７０４との間の接触後でさえも単調なままである。
【００１９】
いくつかの実施形態によれば、ギャップ７２２の厚さは、フリット部分７１４および７１６の厚さによって制御され、高圧接触部分７２０が取り付け部分７１０および７１２の外面と同一高さになるようにする。
【００２０】
図７の圧力センサ８００は図６の実施形態と同様であり、図６の実施形態と共通の要素には、同様に番号が付けられ、同様に動作する。図７の実施例では、接合層部分７１４及び７１６が除去され、短くされたボス８１９及び中央に配置された高圧接触部分８２０を有するダイアフラム８０２がダイアフラム７０２の代わりに使用される。高圧接触部分８２０は図６の高圧接触部分７２０が内部部分７１８から突出する限り、ダイアフラム８０２の内部部分８１８から突出しない。結果として、高圧接触部分８２０はベース７０４の高圧接触部分７２４と高圧接触部分８２０との間にギャップ８２２を提供するように、取り付け部分８１０および８１２に対して凹んでいる。いくつかの実施形態によれば、ダイアフラム８０２およびベース７０４は両方とも、等方性または異方性エッチングされたシリコンウエハから形成され、このシリコンウエハは以下で説明するような特定の特徴を提供するようにパターニングされ、次いで、ウエハからダイシングまたは切断される。
【００２１】
ダイアフラム８０２は、ベース７０４の反対側の上面８３４と、上面８３４の周りの閉じた周囲に沿って、側面８３０および８３２などの上面８３４から延びる側面とを有する。したがって、側面はダイアフラム８０２が他の構造との接触から隔離されるように、およびダイアフラム８０２の周囲の流体が上面８３４の周囲の閉じた周囲の全体に沿って上面８３４から下に延びる側面のそれぞれに横方向の静水圧負荷力を加えることができるように、上面８３４の全体の周囲に延びる。
【００２２】
図７の実施形態では、ダイアフラム８０２が例えば、溶融接合、陽極接合、シリコン合金接合、または金属はんだ接合などのプロセスによってベース７０４に接合される。陽極接合を使用する実施形態では、ダイアフラムはシリコンから作られ、ベースはイオン性アルカリガラスから作られる。
【００２３】
動作時、ダイアフラム８０２の側面８３０および８３２および頂部８３４に加えられる圧力は、ダイアフラム８０２の内部部分８１８をベース７０４に向かって撓ませ、頂部表面８３４上の感知素子が圧力の変化と共に単調な信号変化を提供するようにする。圧力閾値を超えると、ダイアフラム８０２の高圧接触部分８２０は、ベース７０４の高圧接触部分７２４と接触する。この接触の後、内部部分８１８は第２の偏向可能な領域として作用し、静水圧負荷の増加と共に偏向し続ける。増大した圧力の機能としての感知素子の出力の変化率は接触後に変化し、接触前の変化率よりも小さくなる。しかしながら、検知素子の出力の変化は、ダイアフラム８０２とベース７０４との間の接触後でさえも単調なままである。
【００２４】
図８は、さらなる実施形態による圧力センサ９００の断面図を提供する。圧力センサ９００は、ハウジング９５０によって画定されるチャンバ９５２内に取り付けられる。圧力センサ９００は、ダイアフラム９０２と、ベース９０４と、図８に見られるには小さすぎる感知素子とを含む。いくつかの実施形態によれば、ダイアフラム９０２およびベース９０４は両方とも、等方性または異方性エッチングされたシリコンウエハから形成され、このシリコンウエハは以下で説明するような特定の特徴を提供するようにパターニングされ、次いで、ウエハからダイシングまたは切断される。
【００２５】
ダイアフラム９０２は、ベース９０４の反対側の上面９３４と、上面９３４の周りの閉じた周囲に沿って、側面９３０および９３２などの上面９３４から延びる側面とを有する。したがって、側面はダイアフラム９０２が他の構造との接触から隔離されるように、およびダイアフラム９０２の周囲の流体が上面９３４の周囲の閉じた周囲の全体に沿って上面９３４から下に延びる側面のそれぞれに横方向の静水圧負荷力を加えることができるように、上面９３４の全体の周囲に延びる。
【００２６】
ベース９０４はハウジング９５０に取り付けられた取り付け領域９０８を有する台座９０６を含み、チャンバ９５２内の流体が横方向の静水荷重をダイアフラム９０２の側部９３０および９３２に加え、垂直方向の静水荷重をダイアフラム９０２の上部９３４に加えることを可能にする。台座９０６は応力隔離構造として作用し、パッケージおよび取付けによって誘発される応力がセンサの動作に影響を及ぼさないようにし、ダイアフラム９０２を圧力センサ９００の外側の他の構造との接触から隔離する。
【００２７】
ダイアフラム９０２はダイアフラム９０２の内部９１８から突出し、接着層部分９１４および９１６によってベース９０４に固定される取付部分９１０および９１２を含む。一実施形態によれば、接合層部分９１４および９１６は、フリットと呼ばれることが多い高温ガラスベースの接合材料である。
【００２８】
ベース９０４はダイアフラム９０２の内部９１８に向かって突出するメサ（ｍｅｓａ）９２０を含み、ダイアフラム９０２の内部９１８の中央に位置する高圧接触部９２４と整列する高圧接触部９２２を有する。間隙９２６は、ベース９０４の高圧接触部９２２をダイアフラム９０２の高圧接触部９２４から分離する。図８において、ダイアフラム９０２の内部９１８は平面として示されている。
【００２９】
動作時、ダイアフラム９０２の側面９３０および９３２ならびに頂部９３４に加えられる圧力は、ダイアフラム９０２の内部部分９１８をベース９０４に向かって撓ませ、頂部表面９３４上の感知素子が圧力の変化と共に単調な信号変化をもたらすようにする。圧力閾値を超えると、ダイアフラム９０２の高圧接触部９２４は、高圧接触部９２２においてメサ９２０に接触する。この接触の後、内部部分９１８の部分９１９および９２１は二次偏向可能領域として作用し、静水圧負荷の増加と共に偏向し続ける。増大した圧力の関数としての感知素子の出力の変化率は接触後に変化し、接触前の変化率よりも小さくなる。しかし、ダイアフラム９０２とメサ９２０とが接触した後でも、感知素子の出力の変化は単調なままである。
【００３０】
図９は接合層部分９１４および９１６が除去され、メサ９２０の高さが短縮されて、ギャップ９２６のサイズが同じであり続けるように、ベース１００４にメサ１０２０を形成していることを除いて、図８の圧力センサ９００と同様の圧力センサ１０００の断面図を提供する。いくつかの実施形態によれば、ダイアフラム９０２およびベース１００４は両方とも、等方性または異方性エッチングされたシリコンウエハから形成され、このシリコンウエハは以下で説明するような特定の特徴を提供するようにパターニングされ、次いで、ウエハからダイシングまたは切断される。圧力センサ９００に共通の要素は、圧力センサ１０００についても同様に番号が付けられ、圧力センサ９００について上述したのと同じ方法で動作する。圧力センサ１０００では、ダイアフラム９０２が融着、シリコン合金接合、陽極接合、または金属はんだ接合などの接合技法によってベース９０４に接合される。陽極接合を使用する実施形態では、ダイアフラムはシリコンから作られ、ベースはイオン性アルカリガラスから作られる。
【００３１】
動作時、ダイアフラム９０２の側面９３０および９３２ならびに頂部９３４に加えられる圧力は、ダイアフラム９０２の内部部分９１８をベース９０４に向かって撓ませ、頂部表面９３４上の感知素子が圧力の変化と共に単調な信号変化をもたらすようにする。圧力閾値を超えると、ダイアフラム９０２の高圧接触部９２４は、高圧接触部９２２においてメサ１０２０と接触する。この接触の後、内部部分９１８の部分９１９および９２１は二次偏向可能領域として作用し、静水圧負荷の増加と共に偏向し続ける。増大した圧力の関数としての感知素子の出力の変化率は接触後に変化し、接触前の変化率よりも小さくなる。しかし、ダイアフラム９０２とメサ１０２０とが接触した後でも、感知素子の出力の変化は単調なままである。
【００３２】
図１０は、さらなる実施形態の下での圧力センサ１１００の断面図を提供する。圧力センサ１１００は、ダイアフラム１１０２と、ベース１１０４と、図１０の図に見られるには小さすぎる感知素子とを含む。いくつかの実施形態によれば、ダイアフラム１１０２およびベース１１０４は両方とも、等方性または異方性エッチングされたシリコンウエハから形成され、このシリコンウエハは以下で説明するような一定の特徴を提供するようにパターニングされ、次いで、ウエハからダイシングまたは切断される。ダイアフラム１１０２は、ベース１１０４と反対側の上面１１３４と、上面１１３４の周りの閉じた周囲に沿って、側面１１３０および１１３２などの上面１１３４から延びる側面とを有する。したがって、側面はダイアフラム１１０２が他の構造との接触から隔離されるように、およびダイアフラム１１０２の周囲の流体が上面１１３４の周囲の閉じた周囲の全体に沿って上面１１３４から下に延びる側面のそれぞれに横方向の静水圧負荷力を加えることができるように、上面１１３４の全体の周囲に延びる。
【００３３】
ベース１１０４は、取付面１１０８を有する台座１１０６を有する。台座１１０６はチャンバ１１５２を形成するハウジング１１５０に圧力センサ１１００を取り付けることを可能にし、その結果、流体はダイアフラム１１０２の側面１１３０および１１３２に横方向の静水圧負荷を提供することができ、ダイアフラム１１０２の上部１１３４に垂直方向の静水圧負荷を提供することができる。台座１１０６は応力隔離構造として作用し、パッケージおよび取付けによって誘発された応力がセンサの動作に影響を及ぼさないようにし、ダイアフラム１１０２を圧力センサ１１００の外側の他の構造との接触から隔離する。
【００３４】
ダイアフラム１１０２はベース１１０４に向かって突出し、接着層部分１１１４および１１１６によってベース１１０４に取り付けられる接着部分１１１０および１１１２を含む。一実施形態によれば、接合層部分１１１４および１１１６は、しばしばフリットと呼ばれる高温ガラスベースの接合材料である。ダイアフラム１１０２はまた、中央に配置された高圧接触部分１１２０を有するボス１１１８を含む。ボス１１１８は、ダイアフラム１１０２の内部１１２２に対してベース１１０４に向かって突出する。ベース１１０４は、高圧接触部分１１２６を有するメサ１１２４を含む。メサ１１２４は、ダイアフラム１１０２に向かって突出する。高圧接触部１１２０および１１２６において、ボス１１１８とメサ１１２４との間にギャップ１１２８が形成される。第１の圧力範囲にわたって、側面１１３０および１１３２にかかる横方向の圧力およびダイアフラム１１０２の上部１１３４にかかる垂直方向の圧力は、ボス１１１８をギャップ１１２８内に移動させる。第１の圧力範囲にわたって、ダイアフラム１１０２上の感知素子は圧力変化に伴って単調であり、加えられた圧力の変化に伴って第１の変化率を有する出力を生成する。閾値圧力において、高圧接触部分１１２０は高圧接触部分１１２６に接触する。この接触の後、内部１１２２は二次偏向可能領域として作用し、静水圧負荷の増加と共に偏向し続け、ダイアフラム１１０２上の感知素子が、圧力変化に伴って単調であるが、印加圧力の変化に伴って第２の変化率を有する出力を提供し続けるようにする。
【００３５】
図１１は、接合層部分１１１４および１１１６が除去され、ダイアフラム１１０２がダイアフラム１２０２に置き換えられていることを除いて、図１０の圧力センサ１１００と同様の圧力センサ１２００の断面図を提供する。いくつかの実施形態によれば、ダイアフラム１２０２およびベース１１０４は両方とも、等方性または異方性エッチングされたシリコンウエハから形成され、このシリコンウエハは以下で説明するような特定の特徴を提供するようにパターニングされ、次いで、ウエハからダイシングまたは切断される。ダイアフラム１２０２は、ベース１１０４とは反対側の上面１２３４と、上面１２３４の周りの閉じた周囲に沿って、側面１２３０および１２３２などの上面１２３４から延びる側面とを有する。したがって、側面はダイアフラム１２０２が他の構造との接触から隔離されるように、およびダイアフラム１２０２の周囲の流体が上面１２３４の周囲の閉じた周囲の全体に沿って上面１２３４から下に延びる側面のそれぞれに横方向の静水圧負荷力を加えることができるように、上面１２３４の全体の周囲に延びる。
【００３６】
ダイアフラム１２０２はまた、ベース１１０４に向かって突出し、ベース１１０４に直接取り付けられる接合部分１２１０および１２１２を含む。接合部分１２１０および１２１２は、接合部分１１１０および１１１２がダイアフラム１１０２の内部１１２２から延びるよりも、ダイアフラム１２０２の内部１２２２からさらに延びる。ダイアフラム１２０２はまた、中央に配置された高圧接触部分１２２０を有するボス１２１８を含む。ボス１２１８は、内部１２２２に対してベース１１０４に向かって突出する。圧力センサ１２００および圧力センサ１１００に共通の他の要素は、図１０の番号と同じ番号が付けられ、同じように動作する。
【００３７】
図１１の実施形態では、ダイアフラム１２０２が例えば、溶融接合、陽極接合、シリコン合金接合、または金属はんだ接合などのプロセスによってベース１１０４に接合される。陽極接合を使用する実施形態では、ダイアフラムはシリコンから作られ、ベースはイオン性アルカリガラスから作られる。
【００３８】
第１の圧力範囲にわたって、側面１２３０および１２３２にかかる横方向の圧力およびダイアフラム１２０２の頂部１２３４にかかる垂直方向の圧力は、ボス１２１８をギャップ１１２８内に移動させる。第１の圧力範囲にわたって、ダイアフラム１２０２上の感知素子は圧力変化に伴って単調であり、加えられた圧力の変化に伴って第１の変化率を有する出力を生成する。閾値圧力では、高圧接触部分１２２０は高圧接触部分１１２６に接触する。この接触の後、内側部分１２２２は二次偏向可能領域として作用し、静水圧負荷の増加と共に偏向し続け、ダイアフラム１２０２上の感知素子が、圧力変化に伴って単調であるが、印加圧力の変化に伴って第２の変化率を有する出力を提供し続けるようにする。
【００３９】
図１２はさらなる実施形態による、ダイアフラムの四分の一対称セクション１３００の底面斜視図を提供し、図１３は、上面斜視図を提供する。ダイアフラム部分１３００は、ダイアフラムの外周１３０４の周りに延びる接合部分１３０２を含むように示されている。ダイアフラムの中央に位置する主ボス１３０６は、ダイアフラムの底面から圧力センサのベースに向かって下方に延びている。二次ボス１３０８および１３１０は、主ボス１３０６の長さに一致する長さを有する隆起部を形成する。例えば、二次ボス１３１０の長さ１３１２は、主ボス１３０６の長さ１３１４と一致する。完全なダイアフラムでは、４つの二次ボスがあり、主ボス１３０６の各側に１つずつある。
【００４０】
ダイアフラム部１３００はまた、二次ボス１３０８及び１３１０から及びそれに沿って延びるラインの交点に沿って形成されるピラミッドボス１３１６を含む。したがって、ピラミッドボス１３１６は、主ボス１３０６の２つの側面の間のコーナー１３１５に近接して配置される。ピラミッドボス１３１６は、チャネル１３１８によって第２のボス１３１０から分離され、チャネル１３２０によって第２のボス１３０８から分離される。ピラミッドボス１３１６はエッジ１３１９などのエッジを有する正方形ベース１３１７を有し、エッジ１３１９は、エッジ１３２１などの主ボス１３０６のエッジ、および二次ボス１３０８および１３１０のエッジに平行である。ダイアフラム全体には、４つのこのようなピラミッドボスがある。二次ボス１３０８および１３１０ならびにピラミッドボス１３１６は、ダイアフラムの全体に沿って接合部分１３０２の内部の周りに延びるチャネル１３２２によって接合部分１３０２から分離される。二次ボス１３０８および１３１０は、主ボス１３０６を囲むチャネル１３２４によって主ボス１３０６から分離される。
【００４１】
主ボス１３０６、二次ボス１３０８および１３１０、ならびにピラミッドボス１３１６のそれぞれは、ダイアフラムに加えられる圧力が閾値を超えるとベース領域に接触する高圧接触部分として働くことができる。
【００４２】
図１４は底面斜視図を提供し、図１５は、さらなる実施形態によるダイアフラムの４分の１対称部分１４００の上面斜視図を提供する。ダイアフラムセクション１４００は、ダイアフラムの外周１４０４の周りに延びる接合部分１４０２を含むように示されている。ダイアフラムの中央に位置する主ボス１４０６は、ダイアフラムの底面から圧力センサのベースに向かって下方に延びている。二次ボス１４０８および１４１０は、主ボス１４０６の長さに一致する長さを有する隆起部を形成する。例えば、二次ボス１４１０の長さ１４１２は、主ボス１４０６の長さ１４１４と一致する。ダイアフラム全体には、４つの二次ボスがあり、主ボス１４０６の各側に１つずつある。二次ボスの各々は、主ボス１４０６の縁部に平行な縁部を有する。
【００４３】
図１４の実施形態では、主ボス１４０６の長さ１４１４が図１２の実施形態の主ボス１３０６の長さ１３１４よりも短い。主ボス１４０６の寸法のこの減少は、二次ボス１４０８及び１４１０のような二次ボスが図１４及び１５の実施例においてダイアフラムの中心に向かってシフトされることを可能にする。二次ボスのこの内方への移動は二次ボスを、過剰圧力事象中に二次ボスにかかる応力がより少ない位置に移動させ、それにより、過剰圧力事象中に二次ボスに骨折が生じる可能性を低減する。
【００４４】
ダイアフラムセクション１４００はまた、二次ボス１４０８および１４１０から延び、かつそれに沿って延びる線の交差部に形成されるピラミッドボス１４１６を含む。ピラミッドボス１４１６は、チャネル１４１８によって第２のボス１４１０から分離され、チャネル１４２０によって第２のボス１４０８から分離される。図１４および図１５の実施形態では、ピラミッドボス１４１６が図１２および図１３のピラミッドボス１３１６に対してピラミッドボス１４１６の中心軸上で４５度回転される。その結果、ピラミッドボス１４１６の正方形ベース１４１７のエッジ、例えばエッジ１４１９は、二次ボス１４０８及び１４１０から延びる交差線に対して４５度の角度をなす。さらに、正方形ベース１４１７の縁部は側縁部１４９５などの主ボス１４０６の側縁部に対して斜めであり、したがって、主ボス１４０６の側縁部と平行ではない。この回転は、ピラミッドボス１４１６のコーナーを、過剰圧力事象中にダイアフラム１４００に生じる高引張応力場から遠ざける。ダイアフラム全体には、４つのこのようなピラミッドボスがある。
【００４５】
二次ボス１４０８および１４１０ならびにピラミッドボス１４１６は、ダイアフラムの全体に沿って接合部分１４０２の内部の周りに延びるチャネル１４２２によって接合部分１４０２から分離される。二次ボス１４０８および１４１０は、主ボス１４０６を囲むチャネル１４２４によって主ボス１４０６から分離される。
【００４６】
二次ボス１４０８および１４１０は、面取りされた端部１４５０および１４５２を有する。面取りされた端部１４５０は端面１４６４に対して４５°であり、２つのそれぞれの側面１４６６および１４６８に対して４５°である２つの面取りされたコーナーまたは面１４６０および１４６２を含む。面取りされた端部１４５２は端面１４７４に対して４５°であり、２つのそれぞれの側面１４７６および１４７８に対して４５°である２つの面取りされたコーナーまたは面１４７０および１４７２を含む。図１４および図１５の実施形態では、各二次ボスの各端部が面取りされた端部１４５０および１４５２と同じ方法で面取りされている。
【００４７】
主ボス１４０６は２つの側面１４９４および１４９６に対して４５°であり、ピラミッドボス１４１６に面する面取りされたコーナー／面１４９２を有する。その結果、面取りされたコーナー１４９２のエッジは、ピラミッドボス１４１６のエッジ１４１９に平行である。図１４および図１５の実施形態では、主ボス１４０６の各コーナーが面取りコーナー１４９２と同じ方法で面取りされる。
【００４８】
二次ボスの面取りされた端部および主ボス１４０６の面取りされたコーナーは、幾何学的効果による二次ボスおよび主ボスへの応力増幅を低減する。そのような応力をさらに減少させるために、いくつかの実施形態は、ボスのコーナーおよび縁部を丸めるために乾燥等方性エッチングを利用する。１つの特定の実施形態では、ドライ等方性エッチングが１６μｍの曲率半径を有するエッジを提供する。
【００４９】
図１６は、さらなる実施形態の圧力センサ１６００の断面図を提供する。図１６において、圧力センサ１６００は、図１４のダイアフラム１４００、ベース１６０４、および図１６に見られるには小さすぎるダイアフラム１４００上の感知素子を含む。いくつかの実施形態によれば、ダイアフラム１４００およびベース１６０４は、両方とも、等方性エッチングされたシリコンウエハから形成され、このシリコンウエハは以下で説明するように、特定の特徴を提供するようにパターニングされ、次いで、ウエハからダイシングまたは切断される。ベース１６０４の底面１６０８はダイアフラム１４００が圧力センサ１６００の外側の他の構造との接触から隔離され、ハウジング１６５０によって画定されるチャンバ１６５２内の流体によって囲まれるように、ハウジング１６５０に取り付けられる。ダイアフラム１４００は、ベース１６０４の反対側の上面１６３４と、上面１６３４の周りの閉じた周囲に沿って、上面１６３４からベース１６０４に向かって延びる側面、例えば側面１６３０および１６３２を有する。したがって、側面はダイアフラム１４００が他の構造との接触から隔離されるように、およびダイアフラム１４００の周囲の流体が上面１６３４の周囲の閉じた周囲の全体に沿って上面１６３４から下に延びる側面のそれぞれに横方向の静水圧を加えることができるように、上面１６３４の全体の周囲に延びる。ダイアフラム１４００はまた、接着層１６１４によってベース１６０４に接合される取り付け部分または接着部分１４０２を含む。一実施形態では、接合層１６１４がしばしば「フリット」と呼ばれる高温ガラスベースの接合材料である。接合または取り付け部分１４０２は、ダイアフラム１４００の内部部分のチャネル１４２２に対してベース１６０４に向かって突出する。
【００５０】
主ボス１４０６の高圧接触部分１６２０はベース１６０４に向かって突出し、ギャップ１６２２によってベース１６０４の高圧接触部分１６２４から分離されている。バーメサ（ｂａｒ  ｍｅｓａ）１６５０および１６５２はベース１６０４上に配置され、ダイアフラム１４００の二次ボス１４０８および１４９８にそれぞれ整列し、上方に向かって延びる。ピラミッドメサ１６５４および１６５６はベース１６０４上に配置され、ダイアフラム１４００のピラミッドボス１４１６および１４９６にそれぞれ整列し、それらに向かって上方に延びる。バーメサ１６５０および１６５２はベース１６０４の接触部分１６２４の上方に第１の距離だけ延び、ピラミッドメサ１６５４および１６５６は接触部分１６２４の上方に第２の距離だけ延び、第２の距離は、ピラミッドメサの頂部がバーメサの頂部が第２のボスの底部にあるよりもピラミッドボスの底部に近くなるように、第１の距離よりも大きい。同様に、バーメサの頂部は、高圧接触部分１６２４が主ボス１４０６の高圧接触部分１６２０よりも二次ボスの底部に近い。
【００５１】
第１の圧力範囲にわたって、高圧接触部分１６２０はベース１６０４に接触せず、二次ボス１４０８および１４９８はバーメサ１６５０および１６５２に接触せず、ピラミッドボス１４１６および１４９６はピラミッドメサ１６５４および１６５６に接触しない。その結果、ダイアフラム１４００上の感知素子は、ダイアフラム１４００の側面１６３０、１６３２および頂部１６３４に加えられる圧力の変化に伴う単調な第１の変化率を提供する。加えられた圧力のこれらの変化により、ダイアフラム１４００は主ボス１４０６が二次ボス１４０８および１４９８よりもさらに撓み、二次ボス１４０８および１４９８がピラミッドボス１４１６および１４９６よりもさらに撓むように、下方に撓む。
【００５２】
圧力閾値を超えると、高圧主ボス１４０６は高圧接触点１６２４でベース１６０４に接触し、一方、実質的に同時に、二次ボス１４０８および１４９８はバーメサ１６５０および１６５２に接触し、ピラミッドボス１４１６および１４９６は、ピラミッドメサ１６５４および１６５６に接触する。このほぼ同時の接触は、様々なボスの各々がそれぞれのボスが圧力閾値で撓む距離に実質的に等しい距離だけ、ベースまたはメサの対応する部分から隔てられているので、達成される。例えば、主ボス１４０６は、ボスの大部分を撓ませ、ベース１６０４から最大距離だけ離される。二次ボス１４０８および１４９８は主ボス１４０６よりも撓まないが、バーメサ１６５０および１６５２がベース１６０４上の接触点１６２４に対して持ち上げられるので、バーメサ１６５０および１６５２からより短い距離だけ離れている。ピラミッドボス１４１６および１４９６は、ピラミッドメサ１６５４および１６５６がバーメサ１６５０および１６５２よりも高く持ち上げられるので、最小の距離だけピラミッドメサ１６５４および１６５６から最小の偏向しかつ分離される。
【００５３】
図１７は、いくつかの実施形態による、上述の圧力センサが使用されるプロセス制御システムの一部の斜視図である。図１７において、プロセス変数トランスミッタ１７００は、取付部材１７１６によってパイプセクション１７１２のプロセスカップリング１７１０に取り付けられる。
【００５４】
取付部材１７１６は、プロセスカップリング１７１０から隔離ダイアフラムアセンブリ１７３０まで延びるボア１７２０を含む。隔離ダイアフラムアセンブリ１７３０は、パイプセクション１７１２内のプロセス流体を隔離毛細管１７３２内に運ばれる隔離流体から隔離する隔離ダイアフラムを含む。隔離毛細管１７３２は、上述の圧力センサの１つの形態をとる圧力センサ１７３４に結合する。センサ１７３４は絶対圧力（真空に対する）またはゲージ圧力（大気圧に対する）を測定し、電気出力１７３６をトランスミッター回路１７３８に供給するように構成される。
【００５５】
トランスミッター回路１７３８は、管理室１７０５と通信して、絶対圧力およびゲージ圧力などの１つまたは複数のプロセス変数を管理室１７０５に提供する。トランスミッター回路１７３８は、有線通信および無線通信の両方を含む様々な技法を使用して、抵抗１７０５Ａおよび電源１７０５Ｂとして示される制御室１７０５と通信することができる。１つの一般的な有線通信技術は２線プロセス制御ループ１７０３として知られるものを使用し、１対のワイヤが、トランスミッター１７００に電力を供給するだけでなく、情報を運ぶために使用される。情報を伝送する１つの技術は、プロセス制御ループ１７０３を通る電流レベルを４ミリアンペアと２０ミリアンペアとの間で制御することによる。４〜２０ミリアンペアの範囲内の電流の値は、プロセス変数の対応する値にマッピングすることができる。デジタル通信プロトコルの例としては、ＨＡＲＴ（登録商標）（標準的な４〜２０ｍＡアナログ信号に重畳されたデジタル通信信号からなる混成物理層）、FOUNDATIONTM Fieldbus(１９９２年に米国計器協会によって公表された全デジタル通信プロトコル）、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ通信プロトコルなどが挙げられる。ＩＥＣ６２５９１によるＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）を含む無線周波数通信技術などの無線プロトコルも実装することができる。
【００５６】
本発明は好ましい実施形態に関して説明されているが、当業者であれば、様々な変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなく形状および細部になされてもよいことは認識できる。
【図１】
2019533141.tif 000003
【図２】
2019533141.tif 000004
【図３】
2019533141.tif 000005
【図４】
2019533141.tif 000006
【図５】
2019533141.tif 000007
【図６】
2019533141.tif 000008
【図７】
2019533141.tif 000009
【図８】
2019533141.tif 000010
【図９】
2019533141.tif 000011
【図１０】
2019533141.tif 000012
【図１１】
2019533141.tif 000013
【図１２】
2019533141.tif 000014
【図１３】
2019533141.tif 000015
【図１４】
2019533141.tif 000016
【図１５】
2019533141.tif 000017
【図１６】
2019533141.tif 000018
【図１７】
2019533141.tif 000019
【国際調査報告】
2019533141.tif 000020
2019533141.tif 000021