(57)【要約】本発明はスペーサ素子および封止ビーズを利用して、静電容量圧力変換器の筐体とダイヤフラムとの間に置かれるシールを形成する。封止ビーズはスペーサ素子の融解温度より低い融解温度を有する。封止ビーズは融解され、非融解スペーサ素子の回りを流れ、取り囲む。これにより、凝固すると、封止ビーズとスペーサ素子とがシールを形成する。シールの厚みは、スペーサ素子の高さを調整することにより正確に均一に生成できる。正確で均一な厚みを有するシールを利用することによって、静電容量圧力変換器の対向する導体は、製造プロセスの間において、相互に正確に位置合わせおよび方向付けすることができる。【選択図】      図３Ｂ
2008516230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量圧力変換器アセンブリの筐体とダイヤフラムとの間にシールを形成する方法であって、
封止領域上に第１セットのビーズを配置することであって、前記封止領域は筐体の一部または前記ダイヤフラムの一部のいずれかであり、前記第１セットのビーズは第１融解温度特性を有することと、
封止領域上に第２セットのビーズを配置することであって、前記第２セットのビーズは第２融解温度特性を有し、前記第２融解温度は前記第１融解温度より低いことと、
前記筐体と前記ダイヤフラムとを相互に付勢して、前記第２セットのビーズの少なくとも一部は前記筐体および前記ダイヤフラムと接触するようにすることと、
前記ダイヤフラムおよび筐体を、前記第１および第２融解温度間の温度に加熱し、これにより、前記第２セットのビーズの少なくとも一部分を融解することと、
前記ダイヤフラムおよび筐体を前記第２融解温度より低い温度にまで冷却することと、
を備える方法。
【請求項２】
前記ダイヤフラムは、セラミック材料から構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記セラミック材料は、酸化アルミニウムから構成される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記筐体は、セラミック材料から構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１および第２セットのビーズは、ガラス材料から構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ダイヤフラムおよび前記筐体は、酸化アルミニウムを含むセラミック材料から成り、前記第１および第２セットのビーズはガラス材料から構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１セットの各ビーズは、ほぼ同一のビーズ高さを有することを確立することをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１セットの各ビーズはほぼ同一のビーズ高さを有することを確立することは、
前記第１セットの各ビーズのビーズ高さを測定することと、
前記測定されたビーズ高さを目標のビーズ高さと比較することと、
前記測定されたビーズ高さが前記目標のビーズ高さを超える場合、ビーズを研磨して、前記目標のビーズ高さを得ることと、
を備える、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記付勢は、前記静電容量圧力変換器上に追加の重量体を置くことにより生じる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記付勢は、前記筐体と前記ダイヤフラムとの間に加えられる外部力によって生じる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１セットのビーズの少なくとも一部が前記筐体および前記ダイヤフラムに接触するまで、前記ダイヤフラムおよび筐体の前記力を加え続け、加熱することをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１および第２セットのビーズは印刷プロセスによって配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１および第２セットの各ビーズはガラス粒子から構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記配置された第１セットのビーズを乾燥することと、
前記配置された第１セットのビーズ内に存在する、いずれかの有機溶剤および接着剤の少なくとも一部を脱ガスすることと、
前記第１セットのビーズの各ビーズ内で、各ビーズに含有される前記グラス粒子の少なくとも一部を一緒に融解することと、
前記第１セットのビーズを冷却することにより、この第１セットのビーズを凝固することと、
前記第１セットのビーズの各ビーズのビーズ高さを測定することと、
前記第１セットのビーズの各ビーズの前記測定されたビーズ高さを目標のビーズ高さと比較することと、
前記測定されたビーズ高さが前記目標のビーズ高さを超える場合、前記第１セットのビーズ内のビーズを前記目標のビーズ高さにまで研磨することと、
をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２セットの各ビーズはガラス粒子から構成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記配置された第２セットのビーズを乾燥することと、
前記配置された第２セットのビーズ内に存在する、いずれかの有機溶剤および接着剤の少なくとも一部を脱ガスすることと、
前記第２セットのビーズの各ビーズ内で、各ビーズに含有される前記グラス粒子の少なくとも一部を一緒に融解することと、
前記第２セットのビーズを冷却することにより、この第２セットのビーズを凝固することと、
前記第２セットのビーズの各ビーズのビーズ高さを測定することと、
前記第２セットのビーズの各ビーズの前記測定されたビーズ高さを第２の目標のビーズ高さと比較することと、
前記ビーズの前記測定されたビーズ高さが第２の前記目標のビーズ高さを超える場合、前記第２セットのビーズ内のビーズを第２の前記目標のビーズ高さにまで研磨することと、
をさらに備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１および第２セットのビーズは、チャネルが近接のビーズ間に存在するようにして前記封止面上に配置される、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
静電容量圧力変換器であって、
筐体と、
前記筐体の面上に配置されている第１導体と、
ダイヤフラムであって、このダイヤフラムの一部がダイヤフラム上に作用する差圧に応答して移動する、ダイヤフラムと、
前記ダイヤフラム上に配置されている第２導体であって、前記第１および第２導体は静電容量を生成し、この静電容量は前記ダイヤフラムの一部と前記第１導体との間に存在する空隙を表す、第２導体と、
前記筐体の一部と前記ダイヤフラムの一部との間に配置されているシールと、
を備え、
前記シールはセットのスペーサ素子を少なくとも部分的に囲む第１素子を含み、
前記第１素子および前記スペーサはガラス材料から構成され、
前記シールは前記スペーサ素子の高さにほぼ等しい厚みを有し、
前記第１素子は第１融解温度特性を有し、
前記スペーサ素子は第２融解温度特性を有し、前記第１融解温度は前記第２融解温度より低い、静電容量圧力変換器。
【請求項１９】
前記ダイヤフラムは、セラミック材料から構成されている、請求項１８に記載の変換器。
【請求項２０】
前記セラミック材料は、酸化アルミニウムから構成されている、請求項１９に記載の変換器。
【請求項２１】
前記筐体は、セラミック材料から構成されている、請求項１８に記載の変換器。
【請求項２２】
前記ダイヤフラムおよび前記筐体は、酸化アルミニウムを含むセラミック材料から成り、前記第１素子および前記セットのスペーサ素子はガラス材料から構成されている、請求項１８に記載の変換器。
【請求項２３】
前記ダイヤフラムの前記一部と前記第１導体との間に存在する前記間隙は、前記シールの厚みに依存する、請求項１８に記載の変換器。
【請求項２４】
前記間隙は、前記シールの厚みにほぼ等しい、請求項２３に記載の変換器。
【請求項２５】
前記第１導体は、第１厚みを有し、前記第２導体は第２厚みを有し、
前記間隙は前記シールの厚みから前記第１および第２厚みを差し引いた値にほぼ等しい、請求項２３に記載の変換器。
【請求項２６】
前記変換器は、絶対圧力を測定できる、請求項１８に記載の変換器。
【請求項２７】
前記変換器は、ゲージ圧力を測定できる、請求項１８に記載の変換器。
【請求項２８】
前記変換器は、差圧を測定できる、請求項１８に記載の変換器。
【請求項２９】
静電容量圧力変換器アセンブリであって、
内部空洞を形成する本体と、
前記本体内に配置されているダイヤフラムであって、このダイヤフラムは前記内部空洞を第１チャンバと第２チャンバに分割し、前記ダイヤフラムの一部が、前記第２チャンバ内の圧力より高い第１チャンバ内の圧力に応答して第１方向に移動し、前記ダイヤフラムの前記一部は、前記第１チャンバ内の圧力より高い第２チャンバ内の圧力に応答して第１方向と反対の第２方向に移動する、ダイヤフラムと、
前記本体上に配置されている第１導体と、
前記ダイヤフラム上に配置されている第２導体であって、前記第１および第２導体は静電容量を生成し、この静電容量は前記ダイヤフラムの一部と前記第１導体との間に存在する空隙を表す、第２導体と、
前記本体の一部と前記ダイヤフラムの一部との間に配置されているシールと、
を備え、
前記シールはセットのスペーサ素子を少なくとも部分的に囲む第１素子を含み、
前記シールは前記スペーサ素子の高さにほぼ等しい厚みを有し、
前記第１素子は第１融解温度特性を有し、
前記スペーサ素子は第２融解温度特性を有し、前記第１融解温度は前記第２融解温度より低い、静電容量圧力変換器アセンブリ。
【請求項３０】
前記ダイヤフラムは導電性であり、前記第２導体として作用する、請求項２９に記載のアセンブリ。
【請求項３１】
前記ダイヤフラムは非導電性であり、前記第２導体は前記ダイヤフラム上に配置されている、請求項２９に記載のアセンブリ。
【請求項３２】
前記ダイヤフラムは、セラミック材料から構成されている、請求項３１に記載のアセンブリ。
【請求項３３】
前記本体は上部筐体と下部筐体とを備え、前記上部筐体および前記ダイヤフラムは前記第１チャンバを形成している、請求項２９に記載のアセンブリ。
【請求項３４】
前記上部筐体は、セラミック材料から構成されている、請求項３３に記載のアセンブリ。
【請求項３５】
前記ダイヤフラムおよび前記上部筐体は、酸化アルミニウムを含むセラミック材料から成り、前記第１素子および前記セットのスペーサ素子は、ガラス材料から構成されている、請求項３３に記載のアセンブリ。
【請求項３６】
前記第１素子および前記セットのスペーサ素子は、ガラス材料から構成されている、請求項２９に記載のアセンブリ。
【請求項３７】
前記変換器アセンブリは、絶対圧力を測定できる、請求項２９に記載のアセンブリ。
【請求項３８】
前記変換器アセンブリは、ゲージ圧力を測定できる、請求項２９に記載のアセンブリ。
【請求項３９】
前記変換器アセンブリは、差圧を測定できる、請求項２９に記載のアセンブリ。
【請求項４０】
前記ダイヤフラムの前記一部と前記第１導体との間に存在する前記間隙は、前記シールの厚みに依存する、請求項２９に記載のアセンブリ。
【請求項４１】
前記間隙は前記シールの厚みにほぼ等しい、請求項４０に記載のアセンブリ。
【請求項４２】
前記第１導体は第１厚みを有し、前記第２導体は第２厚みを有し、
前記間隙は前記シールの厚みから前記第１および第２厚みを差し引いた値にほぼ等しい、請求項４０に記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容量型圧力変換器に関する。より詳細には、本発明は、容量型圧力変換器の筐体とダイヤフラムとの間にシールを形成するための、改良された方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１Ａは、組み立て後の従来の容量型圧力変換器アセンブリ１０の断面図を示す。図１Ｂは、図１Ａの上部筐体４０とダイヤフラム５６と下部筐体６０の分解組立図である。簡単に言えば、容量型圧力変換器アセンブリ１０は、内部空洞を形成する本体を含んでいる。比較的薄く、柔軟性のあるセラミックダイヤフラム５６によって、内部空洞が第１封止内部チャンバ５２と第２封止内部チャンバ５４とに分割されている。以下に詳細に述べるとおり、ダイヤフラム５６は、チャンバ５２、５４の圧力差に応じて、ダイヤフラム５６が湾曲、移動または変形するように取り付けられている。変換器アセンブリ１０は、ダイヤフラムの湾曲度を表すパラメータを提供し、したがってこのパラメータは、チャンバ５２、５４間の圧力差を間接的に表す。圧力差を表す、変換器アセンブリ１０によって提供されるパラメータは、ダイヤフラム５６と、上部筐体４０に配置された１つまたは複数の導体との間の静電容量である。
【０００３】
容量型圧力変換器アセンブリ１０は、セラミックの上部筐体４０、セラミックダイヤフラム５６およびセラミックの下部筐体６０とを含んでいる。上部筐体４０は、一般に、上から見ると円筒形をしており、上面４１と、中心下面４７と、下面４２ａを有する環状肩部４２と、中心下面４７と環状肩部４２との間に位置する環状チャネル４３とを形成している。環状肩部４２の下面４２ａは、中心下面４７と実質的に同一平面上にある。上部筐体はさらに、上部側から下部側に筐体４０を通過して延びる中心開口４８（または通路）を形成する圧力チューブ４４を含む。金属導体４６は下部面４７の中心部分上に配置される。
【０００４】
ダイヤフラム５６は、一般に、上面５７と、反対側の下面５９とを有する円形の薄いダイヤフラムである。金属導体５８が、ダイヤフラム５６の上面５７の中央部に配置されている。ダイヤフラム５６と上部筐体４０とは、上部筐体４０の導体４６がダイヤフラム５６の導体５８と対向して置かれるように配置されている。ダイヤフラム５６は、詳細に下記される気密シール（またはジョイント）７０によって上部筐体４０に結合されている。シール７０は、上部筐体４０の環状肩部４２の下面４２ａと、ダイヤフラム５６の面５７の対応する環状部分との間に位置している。封止されると、上部筐体４０、シール７０およびダイヤフラム５６によって、基準チャンバ５２が形成される。圧力チューブ４４の開口４８が、基準チャンバ５２への入口または入口路を提供する。
【０００５】
一般には円形形状の下部筐体６０は、中心開口６４と、上面６２ａを有する上向きに突出した環状肩部６２とを形成している。下部筐体６０の肩部６２の上面６２ａは、気密シール（またはジョイント）７６によってダイヤフラム５６の下面５９の対応する部分と結合されている。シール７６は、シール７０と同様の方法で置かれ、組み込むことができる。封止されると、下部筐体６０とシール７６とダイヤフラム５６の面５９によって、プロセスチャンバ５４が形成される。
【０００６】
入口通路６８を有する圧力管６６は、入口通路６８が下部筐体６０の開口６４と位置合わせされるように、下部筐体６０に結合される。したがって、プロセスチャンバ５４は、開口６４と入口通路６８とを介して、外部環境と流体連通される。作動中、容量型圧力変換器アセンブリ１０は、この外部環境の圧力を測定する。
【０００７】
容量型圧力変換器アセンブリ１０の導体４６、５８は、可変コンデンサＣの平行板を形成する。周知のように、Ｃ＝Ａεｒε０／ｄであって、Ｃは２枚の平行板の間の静電容量であり、Ａは平行板間の共通面積であり、ε０は真空の誘電率であり、εｒは平行板を分離する材料の比誘電率であり（例えば、真空の場合εｒ＝１）、ｄは平行板間の軸方向の距離（すなわち、平行板の法線に沿って測定された平行板間の距離）である。したがって、コンデンサＣによって与えられる静電容量は、導体４６と導体５８との間の軸方向の距離の関数である。チャンバ５２、５４間の圧力差の変化に応じて、ダイヤフラム５６が上下に移動または湾曲するため、コンデンサＣによって与えられる静電容量も変化する。いずれの時点であっても、コンデンサＣによって与えられる静電容量は、チャンバ５２、５４間の瞬時圧力差を表している。公知の電気回路（例えば、コンデンサＣによって与えられる静電容量の関数である共振周波数によって特徴付けられる「タンク」回路）を用いて、コンデンサＣによって与えられる静電容量を測定し、圧力差を表す電気信号を生成することができる。導体４６、５８は、例えば金または銅などの広範囲の導体材料から構成することができ、公知の薄膜もしくは厚膜プロセスまたは他の公知の製造方法によって製造することができる。薄膜プロセスが利用される場合、導体４６、４８の厚みは、例えば約１μｍであってもよい。
【０００８】
ダイヤフラム５６は合酸化アルミニウムから作製されることが多い。しかし、ガラスセラミックの単結晶酸化物材料など他のセラミック材料を用いてもよい。セラミック構成部品を有する静電容量センサが、米国特許第５，９２０，０１５号および第６，１２２，９７６号で開示されている。
【０００９】
作動中、静電容量圧力変換器アセンブリ１０が一般に、絶対圧力変換器として使用される。この形態では、基準チャンバ５２が一般に、圧力チューブ４４に真空ポンプ（図示なし）を接続することにより、最初に排気される。基準チャンバ５２が排気された後、次に、チューブ４４が封止されて、基準チャンバ５２内の真空を維持する。さらに「ゲッター」をチューブ４４に結合して、長期間にわたり基準チャンバ内の真空を維持できる。これにより、チャンバ５２内に「基準」圧力を生成する。真空は好都合な基準圧力であるが、他の基準圧力を用いることもできる。基準圧力がチャンバ５２内に生成された後、次に、圧力チューブ６６を流体源（図示せず）に接続して、この流体の圧力を測定することができる。このように圧力チューブ６６を結合することにより、圧力が測定される流体をプロセスチャンバ５４（およびダイヤフラム５６の下面５９）に送る。ダイヤフラム５６の中心が、チャンバ５２、５４間の圧力差に応じて上下に移動または湾曲し、これによってキャパシタＣの静電容量が変化する。キャパシタＣの瞬時静電容量はダイヤフラム５６の位置を表すため、変換器アセンブリ１０は、チャンバ５２内に生成された基準圧力を基準にしたチャンバ５４内の圧力を測定することができる。
【００１０】
言うまでもなく、変換器アセンブリ１０は差圧変換器としても使用できる。この形態では、圧力チューブ４４は第１の流体源（図示なし）に接続され、圧力チューブ６６は第２の流体源（図示なし）に接続される。その後、変換器アセンブリ１０は２つの流体圧力間の差圧を測定可能になる。あるいは、基準チャンバ５２を大気圧に維持して、「ゲージ型」変換器を実現できる。
【００１１】
上述のとおり、チャンバ５２、５４間の圧力差の変化によって、ダイヤフラム５６は湾曲し、それによって導体４６と導体５８との間の間隙が変化する。間隙の変化を測定することによって、圧力差を測定することができる。しかし、間隙は、圧力とは無関係な要因によって影響を受けることもある。例えば、間隙は、温度変化によって影響を受ける可能性がある。変換器アセンブリ１０の構成部品は、それぞれが特有の熱膨張係数を有する多種多様な材料から作製することができるため、周囲環境における温度変化によって、ダイヤフラム５６は導体４６に接近または離れる方向に移動する可能性がある。好都合な点は、温度変化による間隙の変化は、圧力差の変化による間隙の変化とは異なる特性を有する。周囲環境温度の変化によって生じる間隙の変化を補償するために、上部筐体４０の下面４７上に、導体４６と隣接して配置された第２の導体（図示せず）を含むことが知られている。このような実施形態では、導体４６、５８は可変コンデンサＣ１の平行板を形成し、導体５８と第２導体は可変コンデンサＣ２の平行板を形成する。２つのコンデンサＣ１、Ｃ２を公知の方法で使用して、温度変化に対する変換器の感度を低減することができる。
【００１２】
上部筐体４０は、下面４７とこの上に置かれたいずれかの導体とが、チャンバ５２、５４内の圧力が等しいときに導体５８（すなわち、ダイヤフラム５６）によって形成された面と平行な面に置かれるように位置合わせされている。上述のとおり、導体４６、５８によって形成される静電容量は、これらの対向する導体間に存在する間隙（すなわち、軸方向の距離）に依存している。比較的小さい（例えば、０．０００４インチ（１０〜１２μｍ）程度）間隙は、一部は、シール７０の厚さと、上部筐体４０の形状および構成（例えば、下面４２ａが平面から外れる量、すなわち、もしあるとすれば、下面４７に対するずれ）に左右される。
【００１３】
シール７０および７６を形成する方法は、米国特許第６，１２２，９７６号で開示されている。この方法では、２つの面間に固体ガラスビーズを置き、その後に封止ビーズを融解することによって、シールが形成される。融解すると、融解したビーズは２つの面間の空間内に流れ込む。冷却すると、流れた封止ビーズ材料は２つの面間にシールを形成する。
【００１４】
図２は図１Ａおよび１Ｂの上部筐体４０の底面図を示す。米国特許第６，１２２，９７６号の教示によれば、ガラス粒子が接着剤および溶剤と混合され、ペースト材料が形成される。次に、ペースト材料はシールが形成される面上に、例えば上部筐体４０の肩部４２の下部面４２ａおよび下部筐体６０の肩部６２の上部面６２ａ上に、封止ビーズ７２のパターンとして置かれる。封止ビーズ７２のパターンは、適切なスクリーン印刷またはパッド／ブラシ印刷堆積プロセスを利用して、表面上に配置および形成することができる。以下に詳細に説明されるとおり、封止ビーズ７２は、封止ビーズ７２間に開放チャネル７８が存在するように置かれる。封止ビーズ（ペースト）７２のパターンが面上に置かれた後、封止ビーズ７２は乾燥プロセス、「バーンオフ」プロセス、およびその後の前融解／焼結プロセスを受ける。各後続ステップでは、封止ビーズ７２は段階的に上昇する高温度に曝される。例えば、封止ビーズ７２は乾燥プロセスの間に、１００〜１５０℃に加熱され、融解プロセスの間に３２５〜３７５℃に加熱され、前融解／焼結プロセスの間に４９０〜５００℃に加熱される。堆積された封止ビーズ（ペースト）７２は乾燥プロセスにおいて硬化され、加工に耐えることができる。バーンオフ・プロセスの間に、溶剤および接着剤の一部がペーストからバーンアウトされる。バーンオフ・プロセスが正しく実行されない場合、シールは不浸透性にはならず、また構造的に不完全になる。封止ビーズ７２が十分に脱ガス（バーンオフ）されたとき、温度をさらに上げて前融解／焼結プロセスが実行される。前融解／焼結プロセスの間、ビーズ７２内に存在するガラス粒子は共に融解する。しかし、前融解／焼結ステップの間に、ビーズ７２は開放チャネル７８内に流れ込まない。前融解／焼結ステップの後、封止ビーズ７２は冷却される。冷却後、封止ビーズ７２は所望の高さを有するように、機械的加工、例えば研磨することができる。用途によっては、（非融解）封止ビーズ７２の所望の高さは、例えば約２０〜２４μｍに形成できる。
【００１５】
ビーズ７２の置かれるパターン（図２に示される）は、シール７０（またはシール７６）が形成される間における、完全に脱ガスするビーズ７２の能力に影響を与える。封止ビーズ７２の脱ガスを促進するために、封止ビーズ７２間にチャネル７８を有するように封止ビーズ７２を置くことが有利である。封止ビーズ７２とビーズ間に置かれるチャネル７８との断面寸法は、所望の脱ガス効果を達成できるように選択される。例示的な一実施形態では、封止ビーズ７２は０．１〜０．５ｍｍの直径を有し、チャネル７８はほぼ同一寸法の幅を有する。
【００１６】
封止ビーズ７２が、上述のようにして下部面４２ａと上部面６２ａとの上に置かれ、調製された後、ダイヤフラム５６は、下部面４２ａ上に置かれた封止ビーズ７２がダイヤフラム５６の上部面５７の封止領域と接触するように上部筐体４０に位置合わせされ、また、下部筐体６０は、上部面６２ａ上に置かれた封止ビーズ７２がダイヤフラム５６の下部面５９の封止領域と接触するようにダイヤフラム５６に位置合わせされる。次に、圧縮力が、上部筐体４０、ダイヤフラム５６および下部筐体６０に対して、ダイヤフラム５６の向きにほぼ垂直に加えられる。次に、高温度（すなわち、前融解／焼結ステップの間に加えられた温度より高い）を加えて、封止ビーズ７２を融解する。融解すると、封止ビーズ７２が流れて、上部筐体４０の肩部４２とダイヤフラム５６の上部封止領域との間、ならびに下部筐体６０の肩部６２とダイヤフラム５６の下部封止領域との間に存在する空隙（すなわち、チャネル）を満たす。冷却すると、このようにして、封止ビーズ７２は、ダイヤフラム５６と上部筐体４０および下部筐体６０との間にそれぞれ位置する気密シール７０、７６を形成する。所望の高さ（すなわち厚み）および面積を有するシール７０（およびシール７６）を形成するために、非融解封止ビーズ７２の断面積および高さは、封止ビーズ７２材料の全容積が所望のシール７０を形成するのに十分である（すなわち、封止ビーズ７２の全容積が所望のシール７０の容積にほぼ等しい）ように設定される。
【００１７】
容積型圧力変換器の導体を相互に正確に位置合わせおよび方向付けできない場合、容積型圧力変換器の性能特性に悪影響を与える。例えば、対向導体４６、５８の間の間隙が厳格な寸法許容差で制御して形成されていない場合、容積型圧力変換器は許容できない性能特性を有することになる。さらに、間隙が一定に制御されていない場合、全部が同一性能特性を有する多数の変換器の製造が困難になる。
【００１８】
上述の封止方法は、形成されたシール７０が正確で一定の厚みを有することを必ずしも保証しない。例えば、過剰または不十分な量の封止ビーズ７２材料を使用してシール７０を形成する場合、シール７０は厚過ぎるかまたは薄過ぎる可能性がある。また、融解および冷却ステップの間における上部筐体４０とダイヤフラム５６との間に加えられる圧縮力が均一でない場合、シール７０の厚みは一定にならない可能性がある。
【００１９】
したがって、容積型圧力変換器の筐体とダイヤフラムとの間のシールを高精度に形成する方法の必要性が存在する。
【特許文献１】米国特許第５，９２０，０１５号
【特許文献２】米国特許第６，１２２，９７６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
静電容量圧力変換器の筐体とダイヤフラムとの間のシールを高精度で形成する方法およびシステムに関する。特定の静電容量圧力変換器では、静電容量圧力変換器の対向する導体間の軸方向距離は、部分的には、筐体とダイヤフラムとの間に配置されるシールの厚みに依存する。本明細書に記載されるとおり、高温および低温封止ビーズを利用して、正確で一定の厚みを有するシールを形成する。正確で一定の厚みを有するシールを利用することによって、静電容量圧力変換器の対向する導体は、製造プロセスの間において、相互に正確に位置合わせおよび方向付けすることができる。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
１つの方法では、高温封止ビーズの高さは既知の高さに設定される。次に、低温封止ビーズは高温封止ビーズの間で、ビーズの回りに置かれる。次に、低温封止ビーズおよび高温封止ビーズは、低温封止ビーズを融解するには十分であるが、高温封止ビーズを融解するには不十分は温度に曝される。融解された低温封止ビーズは非融解高温封止ビーズ回りを流れる。凝固すると、低温封止ビーズおよび高温封止ビーズは合わさってシールを形成する。シール製造プロセスの間に高温封止ビーズは融解しないため、シール厚みは、非融解高温封止ビーズの高さを制御することにより設定できる。完成したシールでは、シールの製造の間に融解して流れる低温封止ビーズは、高温封止ビーズ回りに共形的に配置される低温材料に変化している。「共形的に配置される」とは、低温材料が高温封止ビーズ回りに流れることにより、低温材料中の空隙が高温封止ビーズ材料によって全体に範囲を限定され、満たされることを意味する。しかし、いくつかの満たされない空隙が低温材料内に存在することもある（例えば、高温封止ビーズと低温材料との境界面）。このような空隙の形成を避けることは望ましいが、空隙が十分に小さく、空隙の数も十分に少ない限り、空隙の存在はシールの完全性を損なわず、また低温材料が高温封止ビーズ回りに共形的に配置されないことを意味しない。
【００２２】
本発明のさまざまな目的、特徴および利点は、以下の図面と合わせて考慮する場合、本発明の以下の詳細な説明を参照して、十分に理解することができる。図面では、同様の参照符号は同様の構成要素を特定している。以下の図面は、単に例示を目的とするだけであって、本発明を限定するものではない。本発明の権利範囲は、以下の特許請求の範囲で記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
静電容量圧力変換器の筐体とダイヤフラムとの間のシールを高精度で形成する方法およびシステムに関する。本発明は高温および低温封止ビーズを利用して、正確で均一な、一定の厚みを有する流体気密シールを形成する方法を提供する。制御された厚みを有するシールを形成することによって、対向する導体間の軸方向距離を正確に制御できる。
【００２４】
図３は、本発明によって構成される例示的な静電容量圧力変換器アセンブリ１００の断面図を示す。従来の静電容量圧力変換器アセンブリ１０と同様に、アセンブリ１００は上部筐体４０、ダイヤフラム５６、および下部筐体６０を含む。図３Ｂは、図３Ａに示されるアセンブリ１００の上部筐体４０、ダイヤフラム５６、および下部筐体６０の分解組立図である。従来の変換器アセンブリ１０と異なり、アセンブリ１００はダイヤフラム５６と上部筐体４０との間に置かれる改良されたシール１７０を含む。封止されると、上部筐体４０、シール７０、およびダイヤフラム５６は基準チャンバ１５２を形成する。
【００２５】
同様に、改良されたシール１７６はダイヤフラム５６と下部筐体６０との間に置くことができる。封止されると、下部筐体６０、シール１７６、およびダイヤフラム５６はプロセスチャンバ１５４を形成する。
【００２６】
シール１７０は、高温および低温封止ビーズを用いて形成される。高温封止ビーズは低温封止ビーズより高い融解温度を有する。低温封止ビーズより高い融解温度を有する高温封止ビーズを実現するために、高温封止ビーズおよび低温封止ビーズは異なる材料から構成するか、または異なる量の共通材料を有することができる。
【００２７】
形成されたシール１７０は正確な一定の厚みを有する。正確な一定の厚みを有するシールを利用することにより、静電容量圧力変換器の対向する導体は、製造プロセスの間において、相互に正確に位置合わせおよび方向付けすることができる。
【００２８】
図４は、上部筐体４０の肩部４２の下部面４２ａ上に配置された複数の高温封止ビーズ１７２を示す。図に示すとおり、高温封止ビーズ１７２は肩部４２の下部面４２ａ上に均一に分布する。高温封止ビーズ１７２はガラス材料から構成され、封止ビーズ７２が配置されたのと同様にして（図２に関連して上に述べたとおり）配置され、処理される。例えば、高温封止ビーズ１７２は当分野で公知の印刷プロセスによって配置され、次に、熱を加えて乾燥される。その後、高温封止ビーズ１７２に含有される溶剤および接着剤の大部分は、高温封止ビーズ１７２を高温度に曝すことによりバーンオフされ、高温封止ビーズ１７２はさらに高温度に曝すことによって前融解／焼結される。前融解／焼結のステップ後、高温封止ビーズ１７２は冷却され、高温封止ビーズ１７２が凝固する。高温封止ビーズ１７２は、高温ペーストをビーズ１７２として配置し、ビーズ１７２を１２５℃に達するまで４０℃／分の温度増加に曝し、約１５分間１２５℃を維持し、さらに、ビーズ１７２を７２０℃に達するまで４０℃／分の温度増加に曝し、約１０分間７２０℃を維持し、その後、４０℃／分の速度で温度を低下することによって形成できる。形成された高温封止ビーズ１７２は約７２５℃の融解温度を有する。
【００２９】
高温封止ビーズ１７２はシール１７０の形成の間は融解しない（すなわち、液体状態で流れない）。むしろ、高温封止ビーズ１７２はシール１７０の厚みを決定するスペーサとして作用する。言い換えると、一体に封止される２つの面の間に延びるペデスタルとして作用することにより、高温封止ビーズ１７２はシール１７０の厚みを設定する。意図する厚み（おとび一定厚み）を有するシール１７０を実現するために、高温封止ビーズ１７２は意図する厚みに等しいビーズ高さを有することが重要である。シール１７０が所望の厚みを有することを保証する１つの簡単な方法は、シール１７０の所望の厚みより厚い高温封止ビーズ１７２を用いて開始することである。ビーズ１７２が肩部４２上に配置された後、ビーズ１７２は、厚み（すなわち、高さ）がシール１７０の所望の厚みに一致するまで研磨される。シール１７０の所望の厚みは、例えば、１０〜１２μｍであってもよい。
【００３０】
ラッピング／研磨技法に加えて、高温封止ビーズ１７２の高さは、当分野で公知の、例えばエッチング、反応イオンエッチング（ドライエッチング）またはレーザ切断技法によっても生成できる。高温封止ビーズ１７２の高さは、当分野で公知の、例えばドロップインジケータ（ｄｒｏｐ  ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）測定、レーザ測定またはターゲット−静電容量測定技法を用いて測定できる。
【００３１】
次に図５を参照すると、高温封止ビーズ１７２は肩部４２の下部面４２ａ上に配置され、形成される、これらのビーズ高さが生成される。次に、低温封止ビーズ１７４が下部面４２ａ上の高温封止ビーズ１７２の間および回りに配置される。低温封止ビーズ１７４は高温封止ビーズ１７２より低い融点を有する。有利には、低温封止ビーズ１７４はビーズが配置される表面上に均等に分布する。図４および図５における高温封止ビーズ１７２および低温封止ビーズ１７４は、上部筐体４０の肩部４２の下部面４２ａ上に配置され、形成されて図示されているが、代わりに、高温封止ビーズ１７２および低温封止ビーズ１７４は、ダイヤフラム５６の上部面５７の封止領域上に配置し、形成することができる。好ましくは、低温封止ビーズ１７４はガラス材料から構成され、上述のとおり、高温封止ビーズ１７２と同一方法（異なる処理温度を用いる）で配置され、処理される。
【００３２】
低温封止ビーズ１７４は、低温封止ビーズ１７４と高温封止ビーズ１７２との間に開放チャネル１７８を残すようにして、高温封止ビーズ１７２の間および回りに配置される。開放チャネル１７８の存在によって、低温封止ビーズ１７４は、最終封止（融解および冷却）ステップの間に適正に脱ガスされる。低温封止ビーズ１７４が配置された後（例えば、上述の乾燥、バーンオフおよび前融解／焼結ステップ後）、上部筐体４０およびダイヤフラム５６を相互に圧縮し、十分に加熱して、高温封止ビーズ１７２を融解することなく低温封止ビーズ１７４を融解することにより、シール１７０が形成される。
【００３３】
低温封止ビーズ１７４が融解すると、低温材料を形成し、この材料の一部が開放チャネル１７８内に流れ込み、チャネルを満たす。このように、低温封止ビーズ１７４は非融解高温封止ビーズ１７２と共に、一体としてシール１７０を形成する。適正な量（すなわち、容積）の低温封止ビーズ１７４が上部筐体４０の肩部４２上に配置され――同時に、開放チャネルを生成する――これにより、融解すると、低温封止ビーズ１７４材料（高温封止ビーズ１７２の容積と共に）はシール１７０が占有する空間を適正に満たす。したがって、低温封止ビーズ１７４を融解する前に、低温封止ビーズ１７４も特定のビーズ高さを有することを保証するのが望ましい。
【００３４】
このように、低温封止ビーズ１７４が冷却した後（すなわち、乾燥、バーンオフおよび前融解／焼結ステップ後）、各低温封止ビーズ１７４のビーズ高さが測定され、目標の低温封止ビーズ高さと比較される。低温封止ビーズ１７４の測定されたビーズ高さが目標の低温封止ビーズ高さを超える場合、低温封止ビーズ１７４を研磨して、高さが目標の低温封止ビーズ高さに等しくなるようにする。目標の低温封止ビーズ高さより低いビーズ高さを有する低温封止ビーズ１７４を得ることを避けるために、有利には、低温封止ビーズ１７４を、表面上に目標の低温封止ビーズ高さを超えるビーズ高さで配置する。低温封止ビーズ１７４が融解して開放チャネル１７８を満たすため、目標の低温封止ビーズ高さは一般に、目標の高温封止ビーズ高さより高くなる。目標の低温封止ビーズ高さは、例えば、目標の高温封止ビーズ高さの２倍にできる。
【００３５】
次に図６および７を参照する。高温封止ビーズ１７２および低温封止ビーズ１７４が上部筐体４０の下部面４２ａ上に配置され、形成されると、次に、ダイヤフラム５６は、低温封止ビーズ１７４が上部筐体４０の肩部４２からダイヤフラム５６の封止領域に延びるように、上部筐体４０に位置合わせされる。上部筐体４０をダイヤフラムに対して適正な関係に維持するために、圧縮力Ｆが、上部筐体４０とダイヤフラム５６との間に、ダイヤフラム５６の方向にほぼ垂直の方向に加えられる。圧縮力Ｆは十分な質量（すなわち、重量体）を上部筐体４０の上面に置くか、または上部筐体４０とダイヤフラム５６との間に、例えばプレスを使用して圧縮力を加えることにより、生成できる。圧縮力Ｆを加えることにより、低温封止ビーズ１７４が融解したときに、低温封止ビーズ１７４が開放チャネル１７８に流れ込み、チャネルを満たすことを保証し、また高温封止ビーズ１７２がダイヤフラム５６の上部面５７に接触することを保証する。
【００３６】
ダイヤフラム５６が上部筐体４０に位置合わせされた後（図６）、低温封止ビーズ１７４は、低温封止ビーズ１７５の融点より高いが、高温封止ビーズ１７２の融点より低い温度に曝される。融解すると、低温封止ビーズ１７４は開放チャネル１７８に流れ込み、チャネルを満たす。冷却すると、先に融解された低温封止ビーズ１７４と高温封止ビーズ１７２とが一体となってシール１７０を形成する（図７）。温度が高温封止ビーズ１７２の融点以下に維持されていたため、非融解高温封止ビーズ１７２のビーズ高さｈはシール１７０の厚みを生成する。このように、非融解高温封止ビーズ１７２のビーズ高さｈのそれぞれを一定高さに設定することにより、シール１７０は正確に均一な厚みに形成できる。さらに、圧縮力Ｆが封止領域全体にわたり不均一に加えられると、シール１７０の厚みは悪影響を受ける。
【００３７】
図８は、静電容量圧力変換器アセンブリ１００の導体４６と５８との間に存在する間隙ｇ（すなわち、軸方向距離）がどのように、部分的に、シール１７０の厚みに依存するかを示す。上述のとおり、上部筐体４０の下部面４２ａおよび面４７は実質的に同一平面である。上部筐体４０は、チャンバ１５２、１５４内の圧力が等しいときに、上部筐体４０の面４７がダイヤフラム５６の面５７と平行になるように位置合わせされる。チャンバ１５２、１５４内の圧力が等しいときは、ダイヤフラム５６に作用する差圧はゼロであり、したがって、ダイヤフラム５６は圧力で生じるたわみを一切受けない。図８で明らかなとおり、チャンバ１５２、１５４内の圧力が等しいとき、導体４６、５８の間に存在する間隙ｇは、シール１７０の厚み（高温封止ビーズ１７２のビーズ高さｈ）から導体４６、５８の厚みを差し引いた値になる。
【００３８】
しかし、ダイヤフラム５６に差圧が加えられると、ダイヤフラム５６の一部が差圧に応じてたわむ。したがって、間隙ｇは差圧の大きさと方向に応じて増加または減少する。例えば、プロセスチャンバ１５４内の圧力が基準チャンバ１５２内の圧力より高くなると、ダイヤフラム５６の一部が上部筐体４０の面４７方向にたわみ、導体４６、５８間の間隙ｇが減少する。逆に、プロセスチャンバ１５４内の圧力が基準チャンバ１５２内の圧力より低くなると、ダイヤフラム５６の一部が上部筐体４０の面４７から離れる方向にたわみ、導体４６、５８間の間隙ｇが増加する。
【００３９】
シール１７０の厚みおよび導体４６、５８の厚みに依存する間隙ｇを設ける代わりに、有利には、シール１７０の厚みにほぼ等しい間隙ｇを有する静電容量圧力変換器アセンブリを実現する。図９〜１１は、シール１７０の厚みにほぼ等しい間隙ｇを有する静電容量圧力変換器アセンブリ２００の部分断面図を示す。アセンブリ２００は、層２４６が肩部４２の下部面４２ａ上に配置されており、層２５８がダイヤフラム５６の上部面５７上に配置されている点を除いて、アセンブリ１００と同様である。図９で明らかなとおり、層２４６、２５８は下部面４２ａと上部面５７のそれぞれ上の、シール１７０が形成される領域に配置される。封止されると、上部筐体４０、シール１７０、層２４６、２５８、およびダイヤフラム５６は基準チャンバ２５２を形成する。層２４６は導体４６の厚みにほぼ等しい厚みを有し、一方、層２５８は導体５８の厚みにほぼ等しい厚みを有する。層２４６は、導体４６が下部面４７上に形成されるのと同時に下部面４２ａ上に形成でき、また、導体４６と同一材料から構成できる。同様に、層２５８は、導体５８が上部面５７上に形成されるのと同時に上部面５７上に形成でき、また、導体５８と同一材料から構成できる。層２４６が肩部４２の下部面４２ａ上に配置された後、高温封止ビーズ１７２（ビーズ高さｈを有する）および低温封止ビーズ１７４は、上述の技法によって層２６４上に配置し、形成することができる。
【００４０】
ダイヤフラム５６は上部筐体４０に位置合わせされた後（図９）、圧縮力Ｆが加えられ、次に、低温封止ビーズ１７４が融解される。冷却すると、先に融解された低温封止ビーズ１７４と高温封止ビーズ１７２とが一体となって、層２４６、２５８の間に位置するシール１７０を形成する（図１０）。図１１で明らかなとおり、層２４６、２５８の厚みは、チャンバ２５２、１５４内に圧力が等しいときは、それぞれ導体４６、５８の厚みにほぼ等しいため、導体４６、５８間に存在する間隙ｇはシール１７０の厚みにほぼ等しい。生成されたシール１７０の厚みは高温封止ビーズ１７２のビーズ高さｈにより設定され、したがって、アセンブリ２００の間隙ｇはビーズ高さｈにほぼ等しくなり、そしてビーズ高さｈにより制御される。
【００４１】
層２４６、２５８は導電材料または非導電材料から構成できる。導電材料が使用される場合、層２４６、２５８は導体４６および５８に対する静電容量ガードとして作用する。
【００４２】
製造される上部筐体４０およびダイヤフラム５６の製造許容差は、これらのセンサ構成部品の製造の間において、本発明を利用してこのような構成部品間にシールを形成することにより、公知の方法で制御できるため、対向電極間の軸方向距離は正確に均一および一定に確立できる。正確で均一および一定の厚みを有するシール１７０を提供することにより、本発明を利用して、安定した高信頼性能特性を有する変換器アセンブリを実現できる。
【００４３】
アセンブリ１００、２００の上部筐体４０は、下部面４２ａとほぼ同一平面である中心下部面４７を有する。他の静電容量圧力変換器アセンブリでは、上部筐体４０の中心下部面４７は肩部４２の下部面４２ａから若干の距離だけずれている。したがって、ダイヤフラムの両側におけるチャンバ内の圧力が等しい場合、導体４６、５８の間に存在する空隙ｇはシール１７０の厚みと、面４７が下部面４２ａからずれる量とに依存する。しかし、同一平面は一般に、同一平面でない面（例えば、平行であるが相互にずれている面）に比べて小さい許容差で製造できるため、下部面４２ａとほぼ同一平面である中心下部面４７を有する上部筐体４０を利用するのが有利である。
【００４４】
図４および図５の低温封止ビーズ１７４および高温封止ビーズ１７２は、円形断面を有して示されているが、低温封止ビーズ１７４および高温封止ビーズ１７２の断面は正方形、長方形、菱形またはｐａｒａｌｌｅｌ−ｅｐｉｐｅｄｉｃ形状（例えば、相互に近接して配置される先端を有する）、六角形であってもよく、あるいは、さまざまな他の許容できる形状を有してもよい。低温封止ビーズ１７４および高温封止ビーズ１７２の断面は同一でなくてもよい。
【００４５】
本発明は、これまで、上部筐体４０、ダイヤフラム５６、および下部筐体６０がすべてセラミック材料（例えば、酸化アルミニウム）から作られる、セラミック圧力変換器アセンブリに関連して述べてきた。しかし、本発明から逸脱することなく、他の材料を使用することもできる。
【００４６】
本明細書においては、本発明の教示を組み入れたさまざまな実施形態を図示し、説明してきたが、当業者であれば、これら教示を組み入れた多くの他のさまざまな実施形態を容易に考案することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】従来の静電容量センサの断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの従来の静電容量センサの部分拡大断面図である。
【図２】封止ビーズを静電容量センサの筐体上に置き、筐体とダイヤフラムとの間にシールを形成できる方法を示す。
【図３Ａ】本発明によって構成される静電容量センザの一実施形態の断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの静電容量センサの部分拡大断面図である。
【図４】静電容量センサの筐体上に高温封止ビーズを置く例示的な方法を示す図である。
【図５】静電容量センサの筐体上に低温封止ビーズを置く例示的な方法を示す図である。
【図６】静電容量センサの筐体とダイヤフラムとの間にシールを形成する例示的な方法における１つのステップを示す図である。
【図７】静電容量センサの筐体とダイヤフラムとの間にシールを形成する例示的な方法における別のステップを示す図である。
【図８】本発明によって静電容量センサの筐体とダイヤフラムとの間に形成される例示的なシールの拡大図である。
【図９】静電容量センサの筐体とダイヤフラムとの間にシールを形成する例示的な方法における１つのステップを示す図である。
【図１０】静電容量センサの筐体とダイヤフラムとの間にシールを形成する例示的な方法における別のステップを示す図である。
【図１１】本発明によって静電容量センサの筐体とダイヤフラムとの間に形成される例示的なシールの拡大図である。
【図１Ａ】
2008516230.tif 000003
【図１Ｂ】
2008516230.tif 000004
【図２】
2008516230.tif 000005
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008516230.tif 000010
【図７】
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【図８】
2008516230.tif 000012
【図９】
2008516230.tif 000013
【図１０】
2008516230.tif 000014
【図１１】
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【国際調査報告】
2008516230.tif 000016
2008516230.tif 000017
2008516230.tif 000018