(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧力コンタクト部を有する基部と、
前記基部上に位置されたダイアフラムであって、閉周囲の内側に限定された、前記基部と反対側の平面状の外側上部表面と、前記平面状の外側上部表面の閉周囲の全体から前記基部の方に下方へ延びる外側側部表面と、前記基部の高圧力コンタクト部と整列し、そしてギャップによって隔離された高圧力コンタクト部を有するダイアフラムと、
前記ダイアフラムに結合され、前記ダイアフラムの変化に基づく出力を提供する感知素子を具備し、
前記ダイアフラムの周り流体は、前記ダイアフラムの外側上部表面および外側側部表面の全体に静水圧負荷を加え、前記静水圧負荷が閾値以下であるとき、その静水圧負荷は、前記ダイアフラムを前記基部に接触させず、前記静水圧負荷が前記閾値より上であるときには、その静水圧負荷は、前記ダイアフラムの高圧コンタクト部を前記基部の高圧力コンタクト部に接触させ、前記ダイアフラムの高圧力コンタクト部が前記基部の高圧力コンタクト部に接触した後、前記ダイアフラムの外側側部表面に加えられた静水圧負荷は、前記ダイアフラムの横方向圧縮を引き起こす、圧力センサ。
【請求項２】
前記ダイアフラムの高圧コンタクト部は、前記ダイアフラムの中央に配置されている請求項１の圧力センサ。
【請求項３】
前記ダイアフラムの高圧コンタクト部は、前記基部の方に突出している請求項１の圧力センサ。
【請求項４】
前記基部の高圧力コンタクト部は、前記ダイアフラムの方に突出している請求項１の圧力センサ。
【請求項５】
前記ダイアフラムの高圧コンタクト部は、前記基部の方に突出している請求項４の圧力センサ。
【請求項６】
前記ダイアフラムは、ガラスフリットにより前記ダイアフラムの接着部で前記基部に接着されている請求項１の圧力センサ。
【請求項７】
前記ダイアフラムは、金属半田により前記ダイアフラムの接着部で前記基部に接着されている請求項１の圧力センサ。
【請求項８】
前記ダイアフラムは、融解接着により前記ダイアフラムの接着部で前記基部に接着されている請求項１の圧力センサ。
【請求項９】
前記ダイアフラムは、陽極接着により前記ダイアフラムの接着部で前記基部に接着されている請求項１の圧力センサ。
【請求項１０】
前記ダイアフラムは、シリコン合金により前記ダイアフラムの接着部で前記基部に接着されている請求項１の圧力センサ。
【請求項１１】
前記感知素子は、圧電抵抗値を基礎とした感知素子からなる請求項１の圧力センサ。
【請求項１２】
前記感知素子は、キャパシタンスを基礎とした感知素子からなる請求項１の圧力センサ。
【請求項１３】
前記感知素子は、共鳴感知素子からなる請求項１の圧力センサ。
【請求項１４】
前記感知素子は、光学変位感知素子からなる請求項１の圧力センサ。
【請求項１５】
前記感知素子の出力は、前記ダイアフラムの高圧力コンタクト部が前記基部に接触する前では第１の変化割合を有し、前記ダイアフラムの高圧力コンタクト部が前記基部に接触した後では第２の変化割合を有する請求項１の圧力センサ。
【請求項１６】
前記感知素子の出力は、前記ダイアフラムの高圧力コンタクト部が前記基部に接触した後の流体の圧力変化と共に単調に変化する請求項１の圧力センサ。
【請求項１７】
前記ダイアフラムの横方向圧縮は、前記ダイアフラムの引張り応力を低下させる請求項１の圧力センサ。
【請求項１８】
前記ダイアフラムの横方向圧縮は、前記ダイアフラムの圧縮応力を増大させる請求項１７の圧力センサ。
【請求項１９】
前記ダイアフラムの高圧力コンタクト部が前記基部に接触した後、前記ダイアフラムの最大主応力は、前記外側上部表面および外側側部表面に加えられた圧力につれて低下する請求項１の圧力センサ。
【請求項２０】
前記ダイアフラムの高圧力コンタクト部が前記基部に接触した後、前記高圧力コンタクト部の隣の前記ダイアフラムの内側部分は、圧縮応力下にある請求項１の圧力センサ。
【請求項２１】
前記ダイアフラムの高圧力コンタクト部が前記基部に接触した後、前記高圧力コンタクト部の上の前記ダイアフラムの外側部分は、引張り応力下にある請求項１の圧力センサ。
【請求項２２】
支持部を備える基部と、
前記基部上に搭載され、他の構造との接触から隔離された主ダイアフラムであって、該主ダイアフラムの平面状の外側上部表面および前記平面状の外側上部表面の閉周囲の全体から前記基部の方に下方へ延びる外側側部表面に加えられた圧力に応答して撓み、閾値以下の圧力では前記主ダイアフラムは前記基部に接触せず、前記閾値より上の圧力では前記主ダイアフラムの一部が前記基部の一部に接触し、前記主ダイアフラムの一部が前記基部の一部に接触した後、前記主ダイアフラムの外側側部表面に加えられた圧力は、前記主ダイアフラムの横方向圧縮を引き起こし、前記主ダイアフラムの一部が前記基部の一部に接触した後に撓み続ける補助的な撓み可能領域を有する前記主ダイアフラムと、
前記主ダイアフラムの撓みを感知して前記主ダイアフラムの撓みを示す出力信号を提供し、前記主ダイアフラムが前記基部に接触した後に前記補助的な撓み可能領域の撓みを感知して前記主ダイアフラムが前記基部に接触した後の前記補助的な撓み可能領域の撓みを示す出力信号を提供する少なくとも１つの感知素子を具備するセンサ。
【請求項２３】
前記主ダイアフラムの一部が前記基部の一部に接触した後、前記感知素子の出力信号は、圧力の増大と共に単調に変化する請求項２２のセンサ。
【請求項２４】
前記主ダイアフラムの一部が前記基部の一部に接触した後、前記主ダイアフラムの側部上の圧力は、前記主ダイアフラム中の圧縮応力を増大させ、前記主ダイアフラム中の引張り応力を低下させる請求項２２のセンサ。
【請求項２５】
前記主ダイアフラムの一部が前記基部の一部に接触した後、前記主ダイアフラムの側部上の圧力は、前記主ダイアフラム上の最大主応力を圧力の増大につれて低下させる請求項２２のセンサ。
【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、過度圧力防護を有する圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの圧力センサでは、可撓性ダイアフラムがその上部に加えられた圧力に応答して基部に対して動く。ダイアフラムは、加えられた圧力に応答して繰り返し可能な単調な動きを提供するものであるのが好ましい。その結果として、結晶シリコンで作られているもののような結晶ダイアフラムが、加えられた圧力に応答して単調な動きを提供し、一般的にヒステリシス効果がないので、広く採用されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、そのような結晶構造を持つセンサは、過度圧力に対する耐久性が限られており、センサダイアフラム上の過度圧力が、結晶構造の最大破壊応力を超える大きな引張り応力を引き起こすことがある。そのようなセンサにおける故障は、しばしば完全に粉砕された構造の結果となる損傷となりがちである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
圧力センサは、高圧力コンタクト部を有する基部と、その基部上に位置され、基部と反対側の外側上部表面を有するダイアフラムを含む。その外側上部表面は、閉周辺とその閉周辺の全体から基部の方に下方に伸びる外側側部表面の内側に定められる。ダイアフラムの高圧力コンタクト部は、基部の高圧力コンタクト部と整列し、そしてギャップによって隔離される。感知素子は、ダイアフラムに結合されてダイアフラムの変化に応じた出力を提供する。閾値より上の静水圧負荷がダイアフラムの外側上部表面および外側側部表面の全体に加えられると、その静水圧負荷は、ダイアフラムの高圧力コンタクト部を基部の高圧力コンタクト部に接触させる。
【０００５】
プロセス変数送信機は、台を備える基部と、基部に搭載され、そして他の構造との接触から隔離されたダイアフラムを含むセンサを有する。ダイアフラムは、ダイアフラムの上部および側部に加えられた圧力に応答して撓み、閾値より上の圧力は、ダイアフラムの一部を基部の一部に接触させる。ダイアフラムは、補助的な撓み可能領域を有し、それは、ダイアフラムの一部が基部の一部に接触した後に撓み続ける。少なくとも１つの感知素子が、ダイアフラムが撓んでいること感知して、ダイアフラムが撓んでいることを示す出力信号を提供する。また、少なくとも１つの感知素子が、ダイアフラムが基部に接触した後の補助的な撓み可能領域の撓みを感知して、ダイアフラムが基部に接触した後の補助的な撓み可能領域の撓みを示す出力信号を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】ダイアフラムが基部の一部に接触していて引張り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形態を示す。断面図である。
【図２】最大主応力を、加えられた圧力の関数として示すグラフの例である。
【図３】ある形態における圧力センサ上のダイアフラムエッジ引張りストレンレジスタの抵抗値を、圧力の関数として示すグラフの例である。
【図４】一形態の圧力センサの下部透視図である。
【図５】図４の圧力センサの上部透視図です。
【図６】第１の形態の圧力センサの断面図である。
【図７】第２の形態の圧力センサの断面図である。
【図８】第３の形態の圧力センサの断面図である。
【図９】第４の形態の圧力センサの断面図である。
【図１０】第５の形態の圧力センサの断面図である。
【図１１】第６の形態の圧力センサの断面図である。
【図１２】さらなる形態のダイアフラムの４分割対称断片の下部透視図である。
【図１３】図１２のダイアフラムの部分の上部透視図である。
【図１４】圧力センサの形態が使用される工業プロセス制御システムの一部の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
様々な形態により結晶ダイアフラムを備える圧力センサが提供される。それらの圧力センサは、過大圧力突起を含み、そして、ダイアフラムの側部と上部の静水負荷を利用してダイアフラム上の引張り応力を制限する。
【０００８】
様々な形態に従って、図１の圧力センサ２００は、ダイアフラム２０２を含み、そのダイアフラム２０２は、接着部２５０，２５２のような、ダイアフラム２０２の接着部で基部２０３に搭載される。突起２０５，２０７のような、ダイアフラム２０２および／または基部２０３の高圧力コンタクト部は、閾値より上の静水圧負荷が、ダイアフラム２０２の外側上部表面２１８と、側部２０６，２０８のような、外側側部表面に加えられたとき、互いに作用してダイアフラム２０２の一部の動きを抑える。側部２０６，２０８に加えられた横方向静水負荷は、矢印２１０，２１２，２１４，２１６で示されている。外側上部表面２１８および側部２０６，２０８に加えられた圧力が増大したとき、突起２０５，２０７でのダイアフラム２０２と基部２０３との接触は、ダイアフラム２０２の側部の横方向静水負荷と一緒に結合して、ダイアフラム２０２に加えられる引張り応力を低下させ、それにより、ダイアフラムに加えられる最大主応力を実際に低下させる。これは、横軸３００方向に加えられた圧力を示し、縦軸３０２方向に最大主応力を示している図２のグラフで理解することができる
【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に対する最大主応力を示している。グラフ３０４では、破線で示されているように、最大主応力は、その応力がダイアフラムに対する破砕応力を超え、ダイアフラムが破砕する点３０６に達するまで、加えられた圧力とともに直線的に増大する。図２のグラフ３０７は、本発明の形態のダイアフラムセンサにおいて、最大主応力が、加えられた圧力と共にどのように変化するかの一例を示している。図２において、最大主応力は、部分３０８に沿うように、加えられた圧力とともに直線的に増大する。これは、ダイアフラム２０２が突起に接触することなく撓むときに起きる。点３１０で、１つあるいはより多くの突起が接触する。突起が接触した後、最大主応力は、部分３１２に沿うように、加えられた圧力と共に低下し、点３１４で再び増大し始める。
【００１０】
図２に示されている形態において、加えられた圧力による最大主応力の変化は、突起が接触する前ではグラフ３０７の部分３０８に沿っており、グラフ３０４で示されている従来技術のダイアフラムの最大主応力の変化より大きい。点３１４を過ぎると、加えられた圧力による主応力の変化割合は、突起が接触していないときよりかなり小さくなる。感知素子、例えば、抵抗ストレンゲージは、加えられた圧力の変化と共に応力が単調変化する位置に置かれるべきであるので、最大主応力は、感知素子が置かれるであろう位置にないことに注意。しかしながら、ダイアフラムは、最高の引張り応力を有する位置で故障すると考えられるので、最大主応力は、ダイアフラムの故障が起こりそうな点での応力を示す。
【００１１】
最大主応力を低下させることに加えて、突起の接触および横方向静水負荷は、従来技術のダイアフラムにみられる引張り応力を、図１の位置２２６，２２８で圧縮応力に変換する。このように、ダイアフラム２０２のコンタクト部２０５の隣のダイアフラム２０２の内側部分２２６，２２８は、コンタクト部２０５が基部２０３のコンタクト部２０７に接触した後、圧縮応力の下にある。これとは反対に、コンタクト部２０５上の外側部分２３４の隣のダイアフラム２０２の外側位置２３０，２３２は、引張り応力の下にある。領域２３６，２３８のような、高圧力コンタクト部すなわちダイアフラムのコンタクト領域上でないダイアフラムの領域は、補助的な撓み可能領域として働き、ダイアフラムの高圧力コンタクト部が基部に接触した後に撓む。
【００１２】
結晶シリコンなどの結晶ダイアフラム構造は、一般的に、最大引張り応力よりずっと大きい大きさの圧縮応力に耐えることができる。その有効"レバーアーム(lever arm)"は、また、拘束突起により弱められるので、引張りと圧縮の両方の全ての応力の大きさは、拘束しない突起の場合に較べて低下される。ダイアフラムが突起に接触して縦方向に動くことが抑えられると、横方向静水負荷は、ダイアフラム内の横方向圧縮を増大させる。その結果、全ての引張り力が低下され、全ての圧縮力が増大される。引張り応力を抑制し続けることによって、センサは、圧力がダイアフラムの上部表面に単に加えられただけの場合より、ずっとより高い外側圧力で生き延びることができる。
【００１３】
図３は、図１のダイアフラム上部に適用されたダイアフラムエッジ引張りストレンレジスタに対する、圧力対抵抗値のグラフの例である。図３において、圧力は、水平軸４００方向に示され、抵抗値は、垂直軸４０２方向に示されている。ダイアフラムの突起および／または基部が接触する前では、抵抗値は、グラフ４０６の部分４０４に示されるように、単調変化する。幾つかの形態によれば、部分４０４は、圧力センサの通常動作圧力範囲に広がる。加えられた圧力が、通常動作圧力範囲の最高値に達すると、グラフ４０６の点４０８で、突起が接触する。突起が接触した後、抵抗値は、加えられた圧力とともに部分４１０に沿って単調変化し続けるが、部分４０４とは割合が異なる。これは、システムが、センサの通常圧力範囲より上の圧力を申し分なく計測し続けることができるようにする。
【００１４】
図４は、一形態での圧力センサの下部透視図を示し、図５は、その上部透視図を示している。図４において、圧力センサ５００は、基部５０２を含み、基部５０２は、中央に位置されて、圧力センサ５００を取り巻く部屋を定めるハウジングに接続することができる台すなわち支持部５０４を有する。ダイアフラム５０６は、基部５０２上に位置され、接着層５０８によって基部５０２に接着される。ダイアフラム５０６の上部表面５１０に沿って、感知素子５１２，５１４，５１６，５１８，５２０，５２２，５２４，５２６のような、1つあるいはより多くの感知素子がダイアフラム５０６の撓みおよび／またはダイアフラム５０６の変化を感知するために位置される。ダイアフラム５０６は、上部表面５１０および上部表面５１０を取り巻く閉周囲５３８に沿って上部表面５１０から延びる側部表面５３０，５３２，５３４，５３６に加えられた圧力に応答して撓む。このように、側部表面は、上部表面５１０の周囲の全体に延び、これにより、ダイアフラム５０６を他の構造と接触しないように隔離し、また、ダイアフラム５０６の周りの流体が、上部表面５１０を取り巻く閉周囲５３８に沿って上部表面５１０から下方に延びる側部表面の各々に横方向静水負荷力を加えることができるようにする。
【００１５】
感知素子５１２，５１４，５１６，５１８，５２０，５２２，５２４，５２６は各々、ダイアフラム５０６の変化に基づく出力を提供する。幾つかの形態では、この出力は、電気配線５４０，５４２のような、感知素子５１８に接続された電気配線を通して電流および／または電圧を適用することによって感知することができる抵抗値またはキャパシタンスのような電気的特性である。例えば、感知素子がピエゾ抵抗素子である場合、そのピエゾ抵抗素子を通して電気配線に電流が流れ、そのピエゾ抵抗素子の抵抗値が、ピエゾ抵抗素子の電流出力または電圧出力に基づいて計測される。ここではピエゾ抵抗素子が論じられたが、キャパシタンス、光学変位感知、圧電性、共鳴感知などの、その他の検知要素を利用することができる。
【００１６】
幾つかの形態によれば、ダイアフラム５０６と基部５０２は、以下に説明するように、ある形を提供するようにパターン化されたエッチング済のシリコンウエハーで一緒に形成され、そしてウエハーからさいの目にされて切り出される。
【００１７】
図６および図７は、２つの異なる形態のセンサ７００、８００の断面を示している。図６において、圧力センサ７００は、ダイアフラム７０２、基部７０４およびダイアフラム７０２上の感知素子を含む。感知素子は、図６に示すには小さすぎる。幾つかの形態によれば、ダイアフラム７０２と基部７０４は、以下に説明するように、ある形を提供するようにパターン化されたエッチング済のシリコンウエハーで一緒に形成され、そしてウエハーからさいの目にされて切り出される。基部７０４は、エッチングされた台７０６を有し、台７０６は、応力隔離構造として働き、容器と搭載部に生じた応力が圧力センサ７００の動作に影響しないようにする。台７０６の下部表面７０８は、囲い７５０に搭載され、それによりダイアフラム７０２は、圧力センサ７００の外部の他の構造との接触から隔離され、囲い７５０によって定められる部屋７５２内の流体によって取り巻かれる。ダイアフラム７０２は、基部７０４と反対側の上部表面７３４と、側部表面７３０，７３２のような、上部表面７３４を取り巻く閉周囲に沿って上部表面７３４から基部７０４の方へ延びる側部表面を有する。このように、側部表面は、上部表面の全体を取り巻いて延び、それにより、ダイアフラム７０２は、他の構造から隔離され、ダイアフラム７０２の周りの流体は、上部表面７３４を取り巻く閉周囲の全体に沿って上部表面７３４から下方へ延びる側部表面の各々に横方向静水圧を与えることができる。ダイアフラム７０２は、また、接着層部７１４，７１６によって基部７０４に結合される搭載部すなわち接着部７１０，７１２を含む。ある形態では、接着層部７１４，７１６は、しばしば"フリット"と呼ばれる高温ガラスを基礎とした接着材料である。接着すなわち搭載部７１０、７１２は、ダイアフラム７０２の内側部分７１８に比べて基部７０４の方に突出する。
【００１８】
ダイアフラム７０２の中央に位置する突起７１９の高圧力コンタクト部７２０は、内側部分７１８から基部７０４の方に突出し、ギャップ７２２によって基部７０４の高圧力コンタクト部７２４から分離される。第１の圧力範囲では、高圧力コンタクト部７２０は、基部７０４に接触せず、ダイアフラム７０２の感知素子は、ダイアフラム７０２の側部表面７３０，７３２および上部表面７３４に加えられた圧力の変化と共に第１の割合の単調変化を提供する。閾値より上の圧力で、高圧力コンタクト部７２０は、高圧力接触点７２４で基部７０４に接触する。この接触後、内側部分７１８は、補助的な撓み可能領域として働き、静水圧負荷の増大と共に撓み続ける。増大された圧力の関数としての感知素子の出力の変化割合は、接触後に変化し、接触前の変化割合より小さくなる。しかしながら、感知素子の出力の変化は、ダイアフラム７０２と基部７０４が接触した後でも、依然として単調なままである。
【００１９】
幾つかの形態によれば、ギャップ７２２の厚さは、フリット部７１４，７１６の厚さによって変えることができ、それによって、高圧力コンタクト部７２０を搭載部７１０，７１２の外側部表面と同じレベルにすることができる。
【００２０】
図７の圧力センサ８００は、図６の形態と類似し、図６の形態と共通の要素は、同じ符号が付され、同じように動作する。図７の形態においては、接着層部７１４，７１６は除かれ、また、ダイアフラム７０２に代えて、短くされた突起８１９を備えるダイアフラム８０２と中央に位置された高圧力コンタクト部８２０が使用される。高圧力コンタクト部８２０は、図６の高圧力コンタクト部７２０が内側部分７１８から突出するのと同じ量だけは、ダイアフラム８０２の内側部分８１８から突出しない。その結果、高圧力コンタクト部８２０は、搭載部８１０，８１２に比べて後退しており、それにより、基部７０４の高圧力コンタクト部７２４と高圧力コンタクト部８２０の間にギャップ８２２が提供される。幾つかの形態によれば、ダイアフラム８０２と基部７０４は、以下に説明するように、ある形を提供するようにパターン化されたエッチング済のシリコンウエハーで一緒に形成され、そしてウエハーからさいの目にされて切り出される。
【００２１】
ダイアフラム８０２は、基部７０４と反対側の上部表面８３４と、側部表面８３０，８３２のような、上部表面８３４を取り巻く閉周囲に沿って上部表面８３４から延びる側部表面を有する。このように、側部表面は、上部表面８３４の全体を取り巻いて延び、それにより、ダイアフラム８０２は、他の構造から隔離され、ダイアフラム８０２の周りの流体は、上部表面８３４を取り巻く閉周囲の全体に沿って上部表面８３４から下方へ延びる側部表面の各々に横方向静水圧を与えることができる。
【００２２】
図7の形態において、ダイアフラム８０２は、例えば、融解接着、陽極接着(anodic bond)、シリコン合金接着、金属半田接着のようなプロセスを通して基部７０４に接着される。陽極接着を利用する形態では、ダイアフラムは、シリコンで作られ、一方、基部は、イオンアルカリガラスで作られる。
【００２３】
動作を説明すると、ダイアフラム８０２の側部表面８３０，８３２および上部表面８３４に加えられた圧力は、ダイアフラム８０２の内側部分８１８を基部７０４の方に撓ませ、それにより、上部表面上の感知素子は、圧力の変化によって単調な信号変化を提供する。閾値より上の圧力で、ダイアフラム８０２の高圧力コンタクト部８２０は、基部７０２の高圧力コンタクト部７２４に接触する。この接触後、内側部分８１８は、補助的な撓み可能領域として働き、静水圧負荷の増大と共に撓み続ける。増大された圧力の関数としての感知素子の出力の変化割合は、接触後に変化し、接触前の変化割合より小さくなる。しかしながら、感知素子の出力の変化は、ダイアフラム８０２と基部７０４が接触した後でも、依然として単調なままである。
【００２４】
図８は、さらなる形態による圧力センサ９００の断面を示している。圧力センサ９００は、囲い９５０によって定められた部屋９５２内に搭載される。圧力センサ９００は、ダイアフラム９０２、基部９０４および感知素子を含む。感知素子は、図８に示すには小さすぎる。幾つかの形態によれば、ダイアフラム９０２と基部９０４は、以下に説明するように、ある形を提供するようにパターン化されたエッチング済のシリコンウエハーで一緒に形成され、そしてウエハーからさいの目にされて切り出される。
【００２５】
ダイアフラム９０２は、基部９０４と反対側の上部表面９３４と、側部表面９３０，９３２のような、上部表面９３４を取り巻く閉周囲に沿って上部表面９３４から延びる側部表面を有する。このように、側部表面は、上部表面９３４の全体を取り巻いて延び、それにより、ダイアフラム９０２は、他の構造から隔離され、ダイアフラム９０２の周りの流体は、上部表面９３４を取り巻く閉周囲の全体に沿って上部表面９３４から下方へ延びる側部表面の各々に横方向静水負荷力を与えることができる。
【００２６】
基部９０４は、囲い９５０に搭載する搭載領域９０８を有する台９０６を含み、囲い９５０は、囲い９５０内の流体がダイアフラム９０２の側部表面９３０，９３２に横方向静水負荷を与え、ダイアフラム９０２の上部表面９３４に縦方向静水負荷を与えることができるようにする。台９０６は、応力隔離構造として働き、容器と搭載部に生じる応力がセンサの動作に影響しないようにし、また、ダイアフラム９０２が、圧力センサ９００の外側の他の構造に接触しないように隔離する。
【００２７】
ダイアフラム９０２は、ダイアフラム９０２の内側部分９１８から突出し、接着層部９１４，９１６によって基部９０４にしっかりと固定される搭載部９１０，９１２を含む。ある形態によれば、接着層部９１４，９１６は、しばしばフリットと呼ばれる高温ガラスを基礎とした接着材料である。
【００２８】
基部９０４は、ダイアフラム９０２の内側部分の方に突出するメサ９２０を含み、ダイアフラム９０２の内側部分９１８の中央に位置された高圧力コンタクト部９２４と整列する高圧力コンタクト部９２２を有する。ギャップ９２６は、基部９０４の高圧力コンタクト部９２２をダイアフラム９０２の高圧力コンタクト部９２４から隔離する。図８において、ダイアフラム９０２の内側部分９１８は、平らであるように示されている。
【００２９】
動作を説明すると、ダイアフラム９０２の側部表面９３０，９３２および上部表面９３４に加えられた圧力は、ダイアフラム９０２の内側部分９１８を基部９０４の方に撓ませ、それにより、上部表面９３４上の感知素子は、圧力の変化と共に単調に変化する信号を提供する。閾値より上の圧力で、ダイアフラム９０２の高圧力コンタクト部９２４は、高圧力コンタクト部９２２でメサ９２０に接触する。この接触後、内側部分９１８の部分９１９，９２１は、補助的な撓み可能領域として働き、静水圧負荷の増大と共に撓み続ける。増大された圧力の関数としての感知素子の出力の変化割合は、接触後に変化し、接触前の変化割合より小さくなる。しかしながら、感知素子の出力の変化は、ダイアフラム９０２とメサ９２０が接触した後でも、依然として単調なままである。
【００３０】
図９は、圧力センサ１０００の断面を示す。この圧力センサ１０００は、接着層部９１４，９１６が除かれ、メサ９２０の高さを短くして基部１００４にメサ１０２０を形成している以外は、図８の圧力センサ９００と同じである。したがって、ギャップ９２６のサイズは、同じままである。幾つかの形態によれば、ダイアフラム９０２と基部１００４は、以下に説明するように、ある形を提供するようにパターン化されたエッチング済のシリコンウエハーで一緒に形成され、そしてウエハーからさいの目にされて切り出される。圧力センサ９００と共通する要素は、圧力センサ１０００に対して同じ符号が付され、圧力センサ９００について上で論じたのと同じように動作する。圧力センサ１０００において、ダイアフラム９０２は、例えば、融解接着、陽極接着(anodic bond)、シリコン合金接着、金属半田接着のようなプロセスを通して基部９０４に接着される。陽極接着を利用する形態では、ダイアフラムは、シリコンで作られ、一方、基部は、イオンアルカリガラスで作られる。
【００３１】
動作を説明すると、ダイアフラム９０２の側部表面９３０，９３２および上部表面９３４に加えられた圧力は、ダイアフラム９０２の内側部分９１８を基部９０４の方に撓ませ、それにより、上部表面９３４上の感知素子は、圧力の変化と共に単調に変化する信号を提供する。閾値より上の圧力で、ダイアフラム９０２の高圧力コンタクト部９２４は、高圧力コンタクト部９２２でメサ１０２０に接触する。この接触後、内側部分９１８の部分９１９，９２１は、補助的な撓み可能領域として働き、静水圧負荷の増大と共に撓み続ける。増大された圧力の関数としての感知素子の出力の変化割合は、接触後に変化し、接触前の変化割合より小さくなる。しかしながら、感知素子の出力の変化は、ダイアフラム９０２とメサ１０２０が接触した後でも、依然として単調なままである。
【００３２】
図１０は、さらなる形態での圧力センサ１１００の断面を示している。圧力センサ１１００は、ダイアフラム１１０２、基部１１０４および感知素子を含む。感知素子は、図１０に示すには小さすぎる。幾つかの形態によれば、ダイアフラム１１０２と基部１１０４は、以下に説明するように、ある形を提供するようにパターン化されたエッチング済のシリコンウエハーで一緒に形成され、そしてウエハーからさいの目にされて切り出される。ダイアフラム１１０２は、基部１１０４と反対側の上部表面１１３４と、側部表面１１３０，１１３２のような、上部表面１１３４を取り巻く閉周囲に沿って上部表面１１３４から延びる側部表面を有する。このように、側部表面は、上部表面１１３４の全体を取り巻いて延び、それにより、ダイアフラム１１０２は、他の構造から隔離され、ダイアフラム１１０２の周りの流体は、上部表面１１３４を取り巻く閉周囲の全体に沿って上部表面１１３４から下方に延びる側部表面の各々に横方向静水負荷力を与えることができる。
【００３３】
基部１１０４は、搭載面１１０８に対する台１１０６有する。台１１０６は、圧力センサ１１００が容器１１５２を形成する囲い１１５０に搭載されるようにし、それにより、流体は、ダイアフラム１１０２の側部表面１１３０，１１３２に横方向静水負荷を与え、ダイアフラム１１０２の上部表面１１３４に縦方向静水負荷を与えることができる。台１１０６は、応力隔離構造として働き、容器と搭載部に生じた応力がセンサの動作に影響しないようにし、また、ダイアフラム１１０２が圧力センサ１１００の外側の他の構造に接触しないように隔離する。
【００３４】
ダイアフラム１１０２は、基部１１０４の方に突出して接着層部１１１４，１１１６によって基部１１０４に搭載される搭載部１１１０，１１１２を含む。ある形態によれば、接着層部１１１４，１１１６は、しばしばフリットと呼ばれる高温ガラスを基礎とした接着材料である。ダイアフラム１１０２は、中央に位置された高圧力コンタクト部１１２０を有する突起１１１８を含む。突起１１１８は、ダイアフラム１１０２の内側部分１１２２に関連して基部１１０４の方に突出する。基部１１０４は、高圧力コンタクト部１１２６を有するメサ１１２４を含む。メサ１１２４は、ダイアフラム１１０２の方に突出する。ギャップ１１２８は、高圧力コンタクト部１１２０，１１２６の突起１１１８とメサ１１２４の間に形成される。第１の圧力範囲では、ダイアフラム１１０２の側部表面１１３０，１１３２上の横方向圧力および上部表面１１３４上の縦方向圧力は、突起１１１８をギャップ１１２８の方に動かす。第１の圧力範囲では、ダイアフラム１１０２上の感知素子は、加えられた圧力の変化と共に単調に第１の割合で変化する出力を生成する。閾値より上の圧力で、高圧力コンタクト部１１２２は、高圧力コンタクト部１１２６に接触する。この接触後、内側部分１１２２は、補助的な撓み可能領域として働き、静水圧負荷の増大と共に撓み続け、その結果、ダイアフラム１１０２上の感知素子は、加えられたる圧力の変化と共に単調に第２の割合で変化する出力を提供し続ける。
【００３５】
図１１は、圧力センサ１２００の断面を示している。この圧力センサ１２００は、接着層部１１１４，１１１６が除かれ、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以外は、図１０の圧力センサ１１００と同じである。幾つかの形態によれば、ダイアフラム１２０２と基部１１０４は、以下に説明するように、ある形を提供するようにパターン化されたエッチング済のシリコンウエハーで一緒に形成され、そしてウエハーからさいの目にされて切り出される。ダイアフラム１２０２は、基部１１０４と反対側の上部表面１２３４と、側部表面１２３０，１２３２のような、上部表面１２３４を取り巻く閉周囲に沿って上部表面１２３４から延びる側部表面を有する。このように、側部表面は、上部表面１２３４の全体を取り巻いて延び、それにより、ダイアフラム１２０２は、他の構造から隔離され、ダイアフラム１２０２の周りの流体は、上部表面１２３４を取り巻く閉周囲全体に沿って上部表面１１３４から下方に延びる側部表面の各々に横方向静水負荷力を与えることができる。
【００３６】
ダイアフラム１２０２は、また、基部１１０４の方に突出して、基部１１０４に直接的に搭載される接着部１２１０，１２１２を含む。接着部１２１０，１２１２は、接着部１１１０，１１１２がダイアフラム１１０２の内側部分１１２２から延びるより遠くにダイアフラム１２０２の内側部分１２２２から延びる。ダイアフラム１２０２は、また、中央に位置された高圧力コンタクト部１２２０を有する突起１２１８を含む。突起１２１８は、内側部分１２２２に比べて基部１１０４の方に突出する。圧力センサ１２００および圧力センサ１１００と共通する他の要素は、図１０における番号と同じ番号が付されており、同様に動作する。
【００３７】
図１１の形態において、ダイアフラム１１０２は、例えば、融解接着、陽極接着(anodic bond)、シリコン合金接着、金属半田接着のようなプロセスを通して基部１１０４に接着される。陽極接着を利用する形態では、ダイアフラムは、シリコンで作られ、一方、基部は、イオンアルカリガラスで作られる。
【００３８】
第１の圧力範囲では、ダイアフラム１２０２の側部表面１２３０，１２３２上の横方向圧力および上部表面１２３４上の縦方向圧力は、突起１２１８をギャップ１１２８の方に動かす。第１の圧力範囲では、ダイアフラム１２０２上の感知素子は、加えられた圧力の変化と共に単調で第１の割合で変化する出力を生成する。閾値より上の圧力で、高圧力コンタクト部１２２０は、高圧力コンタクト部１１２６に接触する。この接触後、内側部分１２２２は、補助的な撓み可能領域として働き、静水圧負荷の増大と共に撓み続け、その結果、ダイアフラム１２０２上の感知素子は、加えられた圧力の変化と共に単調で第２の割合で変化する出力を提供し続ける。
【００３９】
図１２は、さらなる形態に従うダイアフラムの４分割対称断片の下部透視図を示し、図１３は、その上部透視図を示している。ダイアフラム断片１３００は、ダイアフラムの外側周囲１３０４の周りに延びる接着部１３０２を含んで示されている。ダイアフラムの中央に位置する主突起１３０６は、ダイアフラムの下部表面から圧力センサの基部の方に下方に延びる。補助的な突起１３０８，１３１０は、主突起１３０６の長さに一致する長さの畝を形成する。例えば、補助的な突起１３１０の長さ１３１２は、主突起１３０６の長さ１３１０に一致する。完全なダイアフラムでは、主突起１３０６の各わきに１つずつの４つの補助的な突起が存在する。
【００４０】
ダイアフラム断片１３００は、また、補助的な突起１３０８，１３１０の方向に延びる線の交差に沿って形成されるピラミッド形突起１３１６を含む。ピラミッド形突起１３１６は、チャンネル１３１８によって補助的な突起１３１０から分離され、また、チャンネル１３２０によって補助的な突起１３０８から分離される。完全なダイアフラムでは、４つのそのような突起が存在する。補助的な突起１３０８、１３１０およびピラミッド形突起１３１６は、ダイアフラムの全体に沿う接着部１３０２の内側の周りに延びるチャンネル１３２２によって接着部１３０２から分離される。補助的な突起１３０８，１３１０は、主突起１３０６を取り囲むチャンネル１３２４によって主突起１３０６から分離される。
【００４１】
主突起１３０６，補助的な突起１３０８，１３１０およびピラミッド形突起１３１６は、ダイアフラムに加えられた圧力が閾値を超えたときに基部領域に接触する高圧力コンタクト部として働くことができる。
【００４２】
図１４は、プロセス制御システムの一部の透視図であり、そこでは、上述された圧力センサが、幾つかの形態に従って使用される。図１４において、プロセス変数送信機１５００は、搭載用部品１５１６によって導管部１５１２のプロセス結合部１５１０に搭載される。
【００４３】
搭載用部品１５１６は、プロセス結合部１５１０から隔離ダイアフラム組立体１５３０に延びる孔１５２０を含む。隔離ダイアフラム組立体１５３０は、隔離毛細管１５３２中を流れる隔離流体から導管部１５１２中のプロセス流体を隔離する隔離ダイアフラムを含む。隔離毛細管１５３２は、上記された圧力センサの１つの形態を採る圧力センサ１５３４に結合される。センサ１５３４は、(真空に対する)絶対圧または(大気圧に対する)ゲージ圧を計測し、送信機回路１５３８に電気的出力を提供するように構成される。
【００４４】
送信機回路１５３８は、有線および無線の両方を含む種々の技術を用いて、抵抗１５０５Ａと電力供給源１５０５Ｂとして図示される制御室１５０５と通信し、制御室１５０５に１つあるいはより多くのプロセス変数を提供する。１つの一般的な有線通信技術は、２線式プロセス制御ループ１５０３として知られているものを使用する。それでは、１対の線が、情報を搬送し、また送信機１５００に電力を供給するために使用される。情報を伝達するための１つの技術は、プロセス制御ループ１５０３に流れる電流のレベルを４ｍＡと２０ｍＡの間で制御することによるものである。４−２０ｍＡの範囲の電流の値は、対応するプロセス変数値にマッピングさせることができる。デジタル通信プロトコルは、例えば、ＨＡＲＴ(登録商標)(a hybrid physical layer consisting of digital communication signals superimposed on a standard 4-20mA analog signal)、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバス(商標)(an all-digital communication protocol promulgated by the Instrument Society of America in 1992)、プロフィバス通信プロトコルなどを含む。ＩＥＣ６２５９１に従うＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ(登録商標)を含む無線周波数通信技術などの、無線プロトコルもまた採用することができる。
【００４５】
本発明は、好ましい形態を参照して記載されたが、当業者は、本発明の精神および見地から逸脱することなく、形態および詳細を変化させることができることを認識できるであろう。
【符号の説明】
【００４６】
２００，５００，７００，８００，９００，１０００，１１００，１２００，１５３４・・・圧力センサ
２０２，５０６，７０２，８０２，９０２，１１０２，１２０２・・・ダイアフラム
２０３，５０２，７０４，９０４，１００４，１１０４・・・基部
２０５，７１９，８１９，１１１８，１２１８，１３０６，１３０８，１３１０，１３１６・・・ダイアフラムの突起
２０６，２０８，５３０，５３２，５３４，５３６，７３０，７３２，８３０，８３２，９３０，９３２，１１３０，１１３２，１２３０，１２３２・・・ダイアフラムの外側側部表面
２０７，９２２・・・基部の高圧力コンタクト部(突起)
２１０，２１２，２１４，２１６・・・横方向静水負荷
２１８，５１０，７３４，８３４，９３４，１１３４，１２３４・・・ダイアフラム外側上部表面
２２６，２２８，２３６，２３８，７１８，８１８，９１８，１１２２，１２２２・・・ダイアフラムの内側部分(補助的な撓み可能領域)
２３０，２３２・・・ダイアフラムの外側位置
２３４・・・ダイアフラムの高圧力コンタクト部上の外側部分
２５０，２５２，７１０，７１２，８１０，８１２，９０８，９１０，９１２，１１０８，１１１０，１１１２，１２１０，１２１２，１３０２・・・接着部(搭載部)
５０４，７０６，９０６，１１０６・・・支持部(台)
５０８，７１４，７１６，９１４，９１６，１１１４，１１１６・・・接着層(接着層部，フリット部)
５１２，５１４，５１６，５１８，５２０，５２２，５２４，５２６・・・感知素子
５３８・・・ダイアフラム外側上部表面を取り巻く閉周囲
５４０，５４２・・・電気配線
７２２，８２２，９２６，１１２８・・・ギャップ
７０８・・・台の下部表面
７２０，８２０，９２４，１１２０，１２２０・・・ダイアフラムの高圧力コンタクト部
７２４，１１２６・・・基部の高圧力コンタクト部(高圧力接触点)
７５０，９５０，１１５０・・・囲い
７５２，９５２，１１５２・・・部屋(容器)
９２０，１０２０，１１２４・・・基部のメサ
９１９，９２１・・・ダイアフラムの内側部分の部分
１３００・・・ダイアフラム断片
１３０４・・・ダイアフラムの外側周囲
１３１８，１３２０，１３２２，１３２４・・・チャンネル
１５００・・・プロセス変数送信機
１５０３・・・２線式プロセス制御ループ
１５０５・・・制御室
１５０５Ａ・・・抵抗
１５０５Ｂ・・・電力供給源
１５１０・・・プロセス結合部
１５１２・・・導管部
１５１６・・・搭載用部品
１５２０・・・孔
１５３０・・・隔離ダイアフラム組立体
１５３２・・・隔離毛細管
１５３８・・・送信機回路
【図１】
0006486555.tif 000002
【図２】
0006486555.tif 000003
【図３】
0006486555.tif 000004
【図４】
0006486555.tif 000005
【図５】
0006486555.tif 000006
【図６】
0006486555.tif 000007
【図７】
0006486555.tif 000008
【図８】
0006486555.tif 000009
【図９】
0006486555.tif 000010
【図１０】
0006486555.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0006486555.tif 000013
【図１３】
0006486555.tif 000014
【図１４】
0006486555.tif 000015