(57)【要約】圧力センサ組立体（１００）は、センサ取付けブロック（１０４）に取付けられた細長い圧力センサ（１０２）を含む。保護要素膜（１２０）は、接触するプロセス流体から圧力センサを妨げるために細長い圧力センサ（１０２）を覆う。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
近位の接続端部および遠位の圧力感知端部を有する細長い圧力センサ、
第１の側面、反対の第２の側面、およびそれらの間に延び、また細長い圧力センサがそこを通って延びる開口部を有するセンサ取付けブロック、
該取付けブロックと該細長い圧力センサとの間のシール、および
該圧力センサに印加される圧力を伝達するために構成された腐食性の材料と接触することによる接合剤の腐食を防ぐために、前記シールおよび細長い圧力センサの少なくとも一部分を覆う保護要素からなる圧力センサ組立体。
【請求項２】
耐食性取付けブロック、
近位の接続端部および遠位の圧力感知端部を有する細長い圧力センサ、
近位端部で開き、細長い圧力センサをその中に保持する遠位端部で閉じ、かつ圧力センサの形にほぼに一致する耐腐食性の材料の細長いシース、
前記シースに印加された圧力を、前記圧力センサに伝達するように構成された、前記シースと前記圧力センサの間のパッキング材料、および
前記細長いシースを前記取付けブロックに結合する、耐腐食性の材料の接合剤からなる圧力センサ組立体。
【請求項３】
前記保護要素またはシースが鋳造された材料からなる請求項１または２の発明。
【請求項４】
前記鋳造された材料が、前記細長い圧力センサに一致するように機械加工される請求項３の発明。
【請求項５】
前記保護要素またはシースが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる請求項１または２の発明。
【請求項６】
前記保護要素またはシースが、金属箔からなる請求項１または２の発明。
【請求項７】
前記保護要素またはシースが、オーバーモールドされた金属層からなる請求項１または２の発明。
【請求項８】
前記保護要素またはシースが、金属、ＰＴＦＥ、ポリサリン（polyethalynes）、ポリプロペリン（polypropelynes）、ニッケル・クロム合金、およびハストアロイ（Hastalloy）のグループから選択された材料からなる請求項１または２の発明。
【請求項９】
前記保護要素またはシースが、前記保護要素上の電気めっきされた金属層を含む請求項１または２の発明。
【請求項１０】
前記シースと前記細長い圧力センサとの間のパッキング材料を含む請求項１の発明。
【請求項１１】
前記保護要素シースを前記センサ取付けブロックへ接合する溶接を含む請求項１または２の発明。
【請求項１２】
前記保護要素シースが真空封止される請求項１または２の発明。
【請求項１３】
前記パッキング材料が金属粉を含む請求項２または１０の発明。
【請求項１４】
前記パッキング材料が１包みの状態である請求項２または１０の発明。
【請求項１５】
前記パッキング材料が焼結されている請求項２または１０の発明。
【請求項１６】
前記パッキング材料を前記シース内に封止するように構成されたキャップを含む請求項２または１０の発明。
【請求項１７】
前記パッキング材料が接合剤を含む請求項２または１０の発明。
【請求項１８】
前記パッキング材料がセラミック粉を含む請求項２または１０の発明。
【請求項１９】
前記パッキング材料が誘電性の粉を含む請求項２または１０の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサに関する。より詳細には、本発明は、腐食性の環境の中で使用される圧力センサに関する。
【０００２】
圧力センサは、産業プロセスにおいて使用されるプロセス流体圧力を測定するために用いられる。測定された圧力は、産業プロセスの動作を監視および／または制御するために用いられる。
【背景技術】
【０００３】
圧力センサによって感知されるプロセス流体は、いくつかの実例においては、腐食性であるか、あるいはそうでなければ、非常に純粋な環境を必要とする。そのような設置要件に取り組む１つの技術は、隔離ダイアフラムを用いて、プロセス流体から圧力センサを分離することである。ダイアフラムに印加された圧力が圧力センサに印加されるように、圧力センサは、充満したオイルにより隔離ダイアフラムに連結されている。しかしながら、この隔離技術は、圧力測定に誤差を引き起こす可能性がある。
【０００４】
様々な圧力センサの設計が、従来技術において周知である。１つのタイプの圧力センサは、細長い本質的に壊れやすい材料で作られる。センサ自体は、サファイアのような耐食性材料で作られる。このタイプの圧力センサの例は、次の米国特許に説明されている。１９９７年６月１０日に付与された米国特許５，６３７，８０２号、２０００年６月２７日に付与された米国特許６，０７９，２７６号、２０００年７月４日に付与された米国特許６，０８２，１９９号、２０００年７月１８日に付与された米国特許６，０８９，０９７号、２０００年１月６日に出願された米国特許出願０９／４７８，４３４号、２０００年１月６日に出願された米国特許出願番号０９／４７８，３８３号、２０００年１月６日に出願された米国特許出願番号０９／４７７，６８９号、２０００年６月２６日に出願された米国特許出願番号０９／６０３，６４０号、２００１年１月５日に出願された米国特許出願番号０９／７５５，３４６号、および２００１年１０月１５日に出願された米国特許出願０９／９７８，３１１号。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ある実施例では、細長い圧力センサを取付け構造に結合するために用いられる接合剤またはシールは、あるタイプのプロセス流体によって腐食されるか、または高純度のプロセス流体の汚染源となる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
圧力センサ組立体は、細長い圧力センサおよびセンサ取付けブロックを含む。細長い圧力センサは、取付けブロック内の開口部を通って延び、シールは、取付けブロックと細長い圧力センサとの間に提供される。保護要素は、接合剤がプロセス流体と接触するのを防ぐために、少くともシールおよび細長い圧力センサ部分を覆う。
【０００７】
１つの実施例では、圧力センサは、圧力センサの形にほぼ一致する細長いシース内に保持される。シースと圧力センサとの間のパッキング材料は、シースに印加される圧力を圧力センサに伝達するように構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
圧力センサは、プロセスを監視し、かつ／または応答して制御するために、プロセス監視およびプロセス制御に用いられる。様々な産業プロセスは、すべての接液部材（すなわちプロセス流体にさらされる材料）が超高純度であることを必要とする。例えば、半導体産業で用いられるいくつかの処理ステップは、プロセス流体に対する超高純度な操作手順を要求する。半導体産業は、ＳＥＭＩ（セミコンダクタ  イクイップメント  アンド  マテリアルズ  インスティテュート  インコーポレイテッド：Semiconductor Equipment and Materials Institute, Inc.）によって規定された超高純度操作用仕様に従っている。これらのガイドラインは、プロセス媒体と直接接触する要素として好ましい材料および表面状態を規定する。超高純度な手段を必要とする他の規格および産業がある。
【０００９】
プロセス流体の操作のために超高純度な手段を必要とする多くの産業は、新しい材料または表面をプロセス中に導入するのに抵抗する傾向にある。新しい材料を使用するためには、長期にわたる証明および試験プロセスが必要である。証明に続いて、当該産業は、新しい材料または表面がプロセスに不純物を加えないというひとつの信頼水準を作り出さなければならない。したがって、新しい材料を超高純度処理に導入することは不可能であるか、または長い時間がかかる。
【００１０】
一般的には、超高純度プロセス内で圧力を測定するために一般的に使用される圧力送信機は、圧力測定に誤り（error）がある。誤りの１つの原因は、圧力センサが超高純度技術のならわしに従わなければならないことである。このことは、圧力センサをプロセス流体から物理的に分離する隔離ダイアフラムの導入を必要とする。誤りの別の原因は、単なる圧力センサの構成および特性にある。本発明は、超高純度プロセスにおいて非常に正確な細長い圧力センサを使用するための技術を提供する。
【００１１】
図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃは、それぞれ本発明の１つの実施例による細長い圧力センサ組立体１００の側面斜視図、側面平面図、および正面斜視図である。圧力センサ組立体１００は、細長い圧力センサ１０２を含む。圧力センサ１０２は、非常に正確な圧力センサであり、サファイアのような壊れやすい材料で作ることができる。圧力センサ１０２は、それら全てが本出願に参照として組み入れられる１９９７年６月１０日に付与された米国特許５，６３７，８０２号、２０００年６月２７日に付与された米国特許６，０７９，２７６号、２０００年７月４日に付与された米国特許６，０８２，１９９号、２０００年７月１８日に付与された米国特許６，０８９，０９７号、および２００１年１０月１５日に出願された米国特許出願番号０９／９７８，３１１号公報に説明されている。
【００１２】
センサ取付けブロック１０４は、第１の側面１０６および反対側の第２の側面１０８を有し、その間に延在する開口部１１０を備えている。細長い圧力センサ１０２は、側面１０６と１０８との間の開口部１１０を通って延びている。シール（あるいは接合剤）１１２は、センサ１０２と取付けブロック１０４との間の境界を封止する。シール１１２は、例えば溶接または蝋付け結合（金ゲルマニウム、ハンダ、接着剤など）から成る。
【００１３】
このタイプのセンサ構成は、いくつかの場合において、従来技術技法より高い桁の精度で、正確な測定を提供する。センサ１０２は、３０００ｐｓｉまでの圧力で作動することができる絶対圧感知装置に基づくキャパシタンスを生成するために融合された、本質的には壊れやすい材料で作られた２つのウエハから成る。例えばスパッタリング（sputtering）によって、クロムのような金属の薄い層が、センサ１０２の全長にわたって堆積させられる。クロムは、漂遊容量（キャパシタンス）および電気的ノイズに対するシールドを提供する。ニッケルの層は、クロム上に堆積されて、センサが取付けブロックに装着される時に、センサに接合するために用いられる。
【００１４】
このセンサ構成を使用する際の１つの困難さは、センサ１０２を、取付けブロック１０４のようなあるタイプの支持構造に、プロセスに接続可能なように取付けることである。プロセスにさらされるすべての材料が、超高純度適用の条件に合っていなければならない。材料の例としては、電解研磨された表面仕上げの、真空溶解されたオーステナイトステンレス鋼（austenitic stainless steel）、クロムおよびニッケルがある。さらに、高純度構成においては、パーフロロエラストマ（perfluoroelastomers）／フッ素共重合体（fluoropolymers）も使用されうる。
【００１５】
本発明の１つの実施例によれば、保護要素（すなわちシース（sheath）または被膜）１２０が、細長い圧力センサ１０２およびシール１１２を覆う。保護要素１２０は、圧力センサ１０２およびシール１１２をプロセス流体１２３から隔離する。保護要素１２０には、任意の適切な技術の使用を適用することができる。様々な例を以下に説明する。
【００１６】
動作において、圧力センサ１０２の遠位端部１３０は、印加された圧力に応答する。センサ１０２の近位端部１３４上に保持された電気接点１３２は、印加された圧力を表す出力を提供する。例えば、容量性極板が、遠位端部１３０内に保持される。キャパシタンスは、前記容量性極板の偏向およびその結果印加された圧力と関連づけられて、前記接点１３２を介して測定される。
【００１７】
保護要素１２０は、加圧された流体に接しており、加圧された流体によって印加された圧力が圧力センサ１０２に伝達されるように偏向する。保護要素１２０は、任意の適切な技術を用いて製作することができ、超高純度プロセスにおいて必要な技法に従う一方、印加される圧力が正確に反復可能に圧力センサ１０２に伝達されるような構成であることが望ましい。幾つかの具体的構成および製作技術を以下に説明する。しかしながら、本発明はこれらの特定の実施例に限定されるものではない。
【００１８】
１つの実施例では、保護要素１２０は、被膜を構成し、センサ１０２および取付けブロック１０４の少なくとも一部上に、プラスチックのような、より大きな１片の型入れ成形可能な材料を鋳造（mold）することによって製作される。１つの代案は、非常に薄い被膜を作るために高圧鋳造技術を使用する鋳造プロセスを用いることである。あるいは、鋳造片（molding piece）は厚い本体として形成され、次いで該鋳造片が加工プロセス（machining process）によるなどの材料除去プロセスをうける。保護膜１２０は、印加される圧力がセンサ１０２に伝達されるのを可能にするのに十分な程の薄さにされる。任意の適切な成型可能なプラスチックは、ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene：ＰＴＦＥ）を含んで用いられる。センサ１０２の高いヤング率は、プラスチックの保護膜によるあらゆる影響を最小限にする。
【００１９】
図１Ｃの斜視図に図示される別の実施例では、保護要素１２０は、センサ１０２上にオーバーモールドされた（overmolded）金属層からなる。材料は、センサ１０２が破損する温度より低い温度で鋳造されなければならない。例えば、マグネシウム合金が使用可能である。センサが金属オーバーモールドに使用される材料にかかわらず小さな圧力変化に反応できるように、オーバーモールド層１２０は、センサ１０２の感知部上では比較的に薄くなければならない。すべての接液表面は、ステンレス鋼またはクロム層で電気めっきされて、電解研磨されるのが望ましい。
【００２０】
図２Ａは、保護要素１３８が、圧力センサ１０２を収容する柔軟なシース／被膜からなる、センサ組立体１００の別の具体的実施例の斜視図である。被膜／シース１３８は、柔軟な材料の薄い層からなり、センサ１０２を収容する「バッグ」を形成する。その輪郭がセンサ１０２に接触し、きっちりと一致するように、シース／被膜１３８の開いた終端１４２に真空が適用される。被膜／シース１３８は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン：Polytetrafluoroethylene）、ＰＦＡ（パーフロロアルコキシ：Perfluoroalkoxy）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル：Polyvinyl chloride）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン：Polyetheretherketone）、またはＰＥＴ（ポリエチレン・テレフタレート：Polyethylene Terephthalate）から形成することができる。被膜／シース１３８は、熱、熱音波（thermal sonic）、あるいは接着技術を含む任意の適切な技術によって封止される。
【００２１】
図２Ｂに図示された別の実施例では、保護要素１３９は、センサ１０２のまわりを溶接された継ぎ目を含む、金属箔の薄い層のような柔軟な金属から構成される。金属箔は、超高純度プロセスにおいて許容され、印加される圧力を圧力センサに伝達するのに十分な材料でなければならない。前述の実施例に関して説明されたパッキング材料のような中間材が、保護金属箔１３９とセンサ１０２との間の結合材として用いられるのが望ましい。また、継ぎ目溶接工程は気密性を必要とし、接液表面は電解研磨される必要がある。金属箔の材料例としては、３００シリーズステンレス鋼（300 Series Stainless Steel）、ニッケルクロム合金（Nickel Chromium alloy）、ハストアロイ（Hastalloy）、エルギロイ（Elgiloy）がある。溶接は、レーザ電子ビームによって、あるいは抵抗溶接で形成されるのが望ましい。図２Ｂの実施例では、保護要素１３９は、例えば溶接などの接合方法によって取付けブロック１０４に結合される。
【００２２】
図３Ａは、保護要素１６０が、センサ１０２がその中に配置される薄いチューブによって形成される本発明の別の実施例の側断面図である。保護要素１６０は、超高純粋なプロセス仕様を満足する材料で製作されたシースによって形成される。例えば、金属チューブが使用される。具体例としては、３００シリーズステンレス鋼がある。保護要素１６０は、センサ１０２の形にほぼ一致する。
【００２３】
オプションのパッキング材料１６２は、保護膜１６０とセンサ１０２との間のすべての空間を埋めるために用いられる。パッキング材料１６２は、例えば、純粋なアルミナ・パウダーからなる。製作の際には、パウダーはスラリー形状で用いられ、該スラリーは遠心分離機によって保護要素１６０の開口部へ詰め込まれる。キャップ１６４は、パッキング材料１６２を保護膜１６０内に保持し、センサ１０２をその中に固定するために使用される。キャップ１６４は、例えばエポキシか低温ガラスの層であり、所望ならば湿度を遮断する役割を果たす。
【００２４】
別の例においては、焼結の際にパッキング材料を凝固させるために、少量の接合剤がパッキング材料１６２中に用いられる。例えば、十分に低い温度で焼結するか溶融するガラス粉体が、パッキング材料１６２を固定するために用いられることができる。
【００２５】
パッキング材料１６２の別の例は、パックされた状態又は焼結させた状態のいずれか一方で用いられる金属粉を含む。金属粉は、保護膜１６０を永続的に封止するために、ブレイズ（braise）されるか鑞付けされる。すべての実施例において、パッキング材料は、センサ１０２に取付圧力を与えることなく、保護要素１６０とセンサ１０２との間を結合する。パッキング材料を焼結するかリフロー（reflow）することによって、パッキング材料の変化による性能の低下が低減される。
【００２６】
図３の実施例では、保護要素１６０は、例えば接合１６６によって、取付けブロック１０４に結合される。その接合は溶接を含む。溶接処置により、超純度装置に適切な材料を用いて、気密にできる。その後に、接液表面は電解研磨される。
【００２７】
図３Ｂおよび図３Ｃは、図３Ａの実施例の一変形例であり、それぞれ、保護要素が、一方の端部が溶接して閉じられてセンサ１０２に一致するようにその中間部でスエージ加工された金属チューブの形をとる斜視図および平面図である。図３Ｂおよび図３Ｃに図示されるように、スエージ加工された部分は、保護要素１６１を平らにして、センサ１０２の形に一致させるセンサ１０２の遠位の長さ（distal length）に沿って延びる。しかしながら、金属チューブの近位端部はスエージ加工されず、取付けブロック１０４に溶接される一般的には環伏の断面を有する。上述のように、パッキング材料は、接液スエージ加工チューブからセンサへ圧力を伝達するために、媒体として、スエージ加工されたチューブとセンサとの間に挿入されるか配置されるのが望ましい。
【００２８】
図４は、本発明による保護膜を有する圧力センサ組立体２０２Ａおよび２０２Ｂを含む差圧送信機２００を示す。送信機２００は、送信機本体２０４、センサ本体２０６、およびフランジ２０８を有する。センサ本体２０６は、それぞれプロセス流体の絶対圧Ｐ１および絶対圧Ｐ２を測定する圧力センサ組立体２０２Ａおよび２０２Ｂを含む。送信機本体２０４は、４−２０ｍＡカレントループ２１２のような２線式プロセス制御ループを通じて、圧力Ｐ１およびＰ２に関する情報を送る送信機（Ｉ／Ｏ）回路２１０を含む。回路基板２１４は、センサ回路基板２１６をセンサ２０２Ａおよび２０２Ｂに接続し、圧力Ｐ１およびＰ２に関する電気的信号を受信する。センサ回路基板２１６上の回路は、これらの信号をディジタル化して処理し、データバス２２０を用いて、送信機回路２１０に圧力情報を伝達する。
【００２９】
本発明は、超高純度プロセスに好ましい構成において、非常に正確な圧力センサを利用する圧力センサ組立体を提供する。保護要素は、壊れやすい材料でできた圧力センサを取付けブロックに接合する接合剤を覆うと共に、超高純度プロセス手順に適合しない表面を覆うために用いられる。保護要素は、接合剤がプロセス流体と接触するのを妨げる一方、圧力が圧力センサに伝達されるように構成される。保護要素は、適切な材料からなり、超高純度プロセスを利用する産業にふさわしい方法で処理される。
【００３０】
本発明は好ましい実施例に関して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱しないで、形状および細部において変形できることを認識できるであろう。例えば、異なる状況では、他のタイプの被覆材料または技術が使用されてよい。さらに、保護要素を作るために用いられる様々な技術は、保護要素の形状に合わせて変形することができる。本明細書の図と説明は細長い圧力センサに関するが、ある状況のおいては、他の圧力センサ構成が本発明の範囲内に含まれる。同様に、異なる状況においては、本発明は壊れやすい材料でできた圧力センサに制限されない。他のパッキング材料としては、ヒステリシスを低減し、エラーを低減する（伝導性または非伝導性の）セラミック粉、あるいはガラスおよび光学用合成石英ガラス（ＳｉＯ２）などの誘電体パウダーがある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】本発明による圧力センサ組立体の側面斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの圧力センサ組立体の側面平面図である。
【図１Ｃ】図１Ａの圧力センサ組立体の正面斜視図である。
【図２Ａ】他の実施例による圧力センサ組立体の斜視図である。
【図２Ｂ】他の実施例による圧力センサ組立体の斜視図である。
【図３Ａ】シースによって形成された本発明による保護要素を有する圧力センサの側断面図である。
【図３Ｂ】本発明の１つの実施例の斜視図である。
【図３Ｃ】本発明の１つの実施例の平面図である。
【図４】図１Ａ〜図１Ｃ、図２Ａ、図２Ｂ、または図３Ａ〜図３Ｃの圧力センサ組立体を含む送信機の側断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００……圧力センサ組立体
１０２……圧力センサ
１０４……センサ取付けブロック
１０６……第１の側面
１０８……第２の側面
１１０……開口部
１１２……シール（接合剤）
１２０……保護要素
１２３……プロセス流体
１３０……圧力センサの遠位端部
１３２……電気接点
１３４……圧力センサの近位端部
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【図３Ａ】
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【図４】
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【国際調査報告】
2005524847.tif 000009
2005524847.tif 000010
2005524847.tif 000011