(57)【要約】【課題】抗凍結性を持つセンサ（１０）を提供する。【解決手段】センサ（１０）は、センサダイ（１２）及びバッファ部材（１４）を含み、これらは組み立てられてプロセス流体導管に取り付けられる。バッファ部材（１４）は、プロセス流体と流体連通した開口部を画成する。センサダイ（１２）は可撓性ダイアフラム（２４）、及びセンサダイ（１２）のダイアフラム（２４）領域とバッファ部材（１４）の開口部（３８）との間を流体連通する毛管チャンネル（２８）を有する。【選択図】図１
2004510971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ（１０）において、
上面及び下面（３４、３６）を持ち、前記上面（３４）から前記下面（３６）まで延びる開口部（３８）を画成するバッファ部材（１４）、
第１面（１６）、及び前記バッファ部材（１４）の前記上面（３４）に取り付けられる第２面（１８）を持ち、この第２面（１８）に形成された凹所（２６）に亘って延びる前記第１面（１６）のダイアフラム部分（２４）を有する、ダイ（１２）、
前記ダイ（１２）の前記凹所（２６）と流体連通した第１端、及び前記バッファ部材（１４）の前記開口部（３８）と流体連通した第２端を有し、流体の流通に抵抗するように断面積の大きさが定められた、毛管チャンネル（２８）、及び
前記バッファ部材の前記開口部と流体連通状態で配置された第１流体導管（３０）を含む、センサ（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ（１０）において、前記開口部（３８）は前記凹所（２６）と不整合の関係で配置されている、センサ（１０）。
【請求項３】
請求項１に記載のセンサ（１０）において、前記ダイアフラム部分（２４）及び開口部（３８）は、前記センサ（１０）の両端に配置されている、センサ（１０）。
【請求項４】
請求項１に記載のセンサ（１０）において、前記毛管チャンネル（２８）は、前記ダイ（１２）の前記第２面（１８）に形成されている、センサ（１０）。
【請求項５】
請求項４に記載のセンサ（１０）において、前記毛管チャンネル（２８）はＶ形状断面を有する、センサ（１０）。
【請求項６】
請求項１に記載のセンサ（１０）において、前記毛管チャンネル（２８）の断面積は、約３．８７１ｍｍ２ （約６平方ミル（０．００６平方インチ））と等しいか或いはそれ以下である、センサ（１０）。
【請求項７】
請求項１に記載のセンサ（１０）において、信号通信できるように前記ダイ（１２）に接続された電子回路（２０）を更に含む、センサ（１０）。
【請求項８】
請求項１に記載のセンサ（１０）において、前記バッファ部材（１４）の前記下面（３６）には金属が施してある、センサ（１０）。
【請求項９】
請求項１に記載のセンサ（１０）において、前記バッファ部材（１４）及び前記ダイ（１２）は、互いに熱−電気結合されている、センサ（１０）。
【請求項１０】
請求項１に記載のセンサ（１０）において、前記バッファ部材（１４）はガラスである、センサ（１０）。
【請求項１１】
請求項１に記載のセンサ（１０）において、前記ダイ（１２）はシリコンである、センサ（１０）。
【請求項１２】
抗凍結性を備えたセンサ（１０）において、
上面及び下面（３４、３６）、及び前記上面（３４）から前記下面（３６）まで延びる開口部（３８）を持つ、バッファ部材（１４）、
上面（１６）、前記バッファ部材（１４）の前記上面（３４）に取り付けられるようになった下面（１８）、前記上面（１６）のダイアフラム部分（２４）を形成する、前記ダイ（１２）の前記下面（１８）に形成された凹所（２６）を有するダイ（１２）、及び
前記開口部（３８）と前記凹所（２６）との間を流体連通するため、前記バッファ部材（１４）の前記開口部（３８）と隣接して配置された前記ダイ（１２）の入口部分（３２）と流体連通した毛管チャンネル（２８）を含む、センサ（１０）。
【請求項１３】
請求項１２に記載のセンサ（１０）において、前記開口部（３８）は前記凹所（２６）と不整合の関係で配置されている、センサ（１０）。
【請求項１４】
請求項１２に記載のセンサ（１０）において、前記ダイアフラム部分（２４）及び前記開口部（３８）は、前記センサ（１０）の両端に配置されている、センサ（１０）。
【請求項１５】
請求項１２に記載のセンサ（１０）において、前記毛管チャンネル（２８）はＶ形状断面を有する、センサ（１０）。
【請求項１６】
請求項１２に記載のセンサ（１０）において、前記毛管チャンネル（２８）の断面積は、約３．８７１ｍｍ２ （約６平方ミル（０．００６平方インチ））と等しいか或いはそれ以下である、センサ（１０）。
【請求項１７】
請求項１２に記載のセンサ（１０）において、前記ダイアフラム部分（２４）に信号通信できるように接続された電子回路（２０）を更に含む、、センサ（１０）。
【請求項１８】
請求項１２に記載のセンサ（１０）において、前記バッファ部材（１４）の前記下面（３６）には金属化が施してある、センサ（１０）。
【請求項１９】
請求項１２に記載のセンサ（１０）において、前記バッファ部材（１４）及び前記ダイ（１２）は、互いに熱−電気結合されている、センサ（１０）。
【請求項２０】
請求項１２に記載のセンサ（１０）において、前記バッファ部材（１４）はガラスである、センサ（１０）。
【請求項２１】
請求項１２に記載のセンサ（１０）において、前記ダイ（１２）はシリコンである、センサ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全体としてセンサに関し、更に詳細には、凍結による損傷に対して抵抗性がある圧力センサ、加速度計、等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、様々な種類の圧力センサが当業者に周知である。一つの種類の圧力検出装置は、表面に凹所を形成するためにエッチングが施されたシリコンダイを含む。エッチングにより形成された凹所は、ダイアフラムの全厚を貫通しているのではなく、その代わりにダイアフラム部分がシリコン基板の反対側の表面に残される。ダイアフラム部分は、その上面及び下面に作用する圧力差に応じて撓むのに十分薄い。当業者に周知の方法で、凹所上に形成されたダイアフラム部分の上面に応力感受性構成要素を配置できる。ダイアフラム部分が及ぼされた圧力に応じて撓むとき、応力感受性構成要素は、ダイアフラム部分の撓みを検出するための手段を提供する。応力感知構成要素として圧電抵抗器を使用するのが一般的である。
【０００３】
小型化を達成するため、電子回路を、圧力センサダイの応力検出構成要素と共通の表面上に配置できる。更に、外部装置へのダイの接続を容易にするため、導電性パッドを圧力センサダイの同じ表面上に配置できる。圧力センサダイは、一般的には、シリコン製である。更に、ダイのダイアフラム部分と、代表的には流体流れをダイの凹所部分に導入するのに使用される流体導管等の外部構成要素との間で応力を分離するシリコン基板又はガラス基板に、又はダイのダイアフラム部分の上方の部分に取り付けることができる。この一般的な種類のシリコン圧力トランスジューサーは、絶対圧力又は差圧のいずれかの計測に使用できる。
【０００４】
上述の種類の圧力検出装置は、凍結による損傷を被り易い。作動中、シリコンダイは周囲領域よりも高温である。作動が実質的に停止したとき、ダイは徐々に周囲温度まで冷却し、これにより凹所内に僅かな負圧を発生する。これと同時に、冷却されたシリコンダイにより凝縮物が発生し、凹所内の負圧が凝縮物を凹所に引き込もうとする。周囲温度が凍結温度以下に低下すると、凝縮物の容積が氷の形成時に膨張し、これによりダイ及びバッファを損傷する可能性がある。
【０００５】
１９９５年５月９日にクック等に付与された米国特許第５，４１２，９９４号には、圧力感知構成要素が、流体導管が連結されたバッファ部材に取り付けられたバッファ部材の部材とは別個のオフセット圧力センサが開示されている。バッファは開口部を有し、センサダイはダイアフラムを画成する凹所を有し、凹所は開口部からオフセットしている。開口部及び凹所は、ガラスバッファに形成された比較的大きなチャンネルによって流体連通状態に置かれる。圧力センサは、更に、センサ構造と外部構成要素との間をはんだ連結する必要をなくすため、エラストマー導体及び圧力シールを含む。オフセットレイアウト及びエラストマー導体により、取り付けられた外部流体導管と圧力センサの感受性構成要素との間に伝達された応力を分離する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以下の本発明の概要は、本発明に独特の革新的特徴の幾つかの理解を促すために提供されるものであって、完全に説明しようとするものではない。本発明の様々な特徴は、本明細書全体、特許請求の範囲、添付図面、及び要約書を全体として読むことにより、完全に理解される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の特定の特徴によれば、上面及び下面を持ち、上面から下面まで延びる開口部を画成するバッファ部材を含むセンサが提供される。圧力センサダイは、第１面、及びバッファ部材の上面に取り付けられた第２面を有する。圧力センサダイは、更に、圧力センサダイの第２面に形成された凹所に亘って延びる第１面のダイアフラム部分を有する。毛管チャンネルは、凹所と流体連通した第１端、及びバッファ部材の開口部と流体連通した第２端を有し、流体の流通に抵抗するように断面積の大きさが定められている。ダイアフラム部分は、圧力感知構成要素として機能し、第１流体導管がバッファ部材の開口部と流体連通状態で配置されている。
【０００８】
本発明の追加の特徴によれば、圧力センサは抗凍結性を備えている。圧力センサは、上面及び下面を持ち、開口部が上面から下面まで延びるガラス製バッファ部材を含む。シリコン製のダイは、上面及びバッファ部材の上面に取り付けられるようになった下面、シリコンダイの下面に形成され、シリコンダイの可撓性ダイ部分を形成する凹所、及びシリコンダイの下面に形成され、凹所から開口部と隣接したシリコーンダイの入口部分まで延び、開口部と凹所との間を流体連通する毛管チャンネルを有する。ダイアフラム部分は、圧力感知構成要素として機能する。
【０００９】
本発明の新規な特徴は、本発明の以下の詳細な説明を検討することにより明らかになるであろう。又は本発明を実施することによって学ぶことができる。しかしながら、本発明の詳細な説明及びここに提供する特定の例は、本発明の特定の実施例を示すけれども、単に例示の目的で提供されるものであって、本発明の範疇の様々な変形及び変更は、本発明の詳細な説明及び特許請求の範囲から当業者に明らかになるであろう。
【００１０】
添付図面には、本明細書に組み込んであり且つ本明細書の一部を形成する幾つかの図に亘って同じ参照番号が同じ又は機能的に同様のエレメントに付してあり、本発明を更に例示し、本発明の詳細な説明とともに本発明の原理を説明するのに役立つ。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、圧力センサ及び加速度計を含む幾つかの形態をとることができるが、例示を行う目的で、本発明を圧力センサのみに関して説明する。図１を参照すると、この図には本発明による圧力センサ１０が示してある。この圧力センサ１０は、センサダイ１２及び関連したバッファ部材１４を含む。センサダイ１２は上面１６及び下面１８を有する（図２参照）。図１に概略に示すように、電子回路２０がセンサダイ１２の上面１６に設けられている。更に、三つの導電性パッド２２が上面１６に設けられており、電子回路２０と信号通信するように接続されている。圧電抵抗器等の複数の圧力検出構成要素２３がセンサダイ１２の上面１６に圧力センサ設計の技術分野の当業者に周知の方法で設けられている。
【００１２】
センサダイ１２の一部には、圧力応答ダイアフラム２４が形成されている。図２及び図４を参照して最もよく示すように、センサダイ１２の下面１８には、センサダイの比較的薄い部分が上面１６と近いままであるように、凹所２６が形成されている。この比較的薄い部分がダイアフラム２４を形成する。好ましい実施例では、センサダイ１２はシリコンで形成されており、共有される米国特許第５，３６０，５２１号に詳細に記載されているように、凹所２６がストップ−エッチ法を使用して形成されている。薄いダイアフラム２４は、凹所２６のところでセンサダイ１２の下面１８に又は凹所２６とは反対側の上面１６のいずれかに作用する圧力に応じて撓む。ダイアフラム２４が撓むと圧力検出構成要素２３も撓み、信号出力を変化させる。
【００１３】
更に、凹所２６とプロセス流体導管３０との間を流体連通するため、毛管チャンネル２８がセンサダイ１２の下面１８に形成されている（図４参照）。毛管チャンネルは、当業者に明らかであるように、バッファ部材に形成できる。毛管チャンネル２８は、凹所２６からセンサダイ１２の入口部分３２まで延びている。図５に最もよく示すように、毛管チャンネル２８は断面積が比較的小さく、全体にＶ形状の断面形状を有する。毛管チャンネル２８は、更に、好ましくは、上文中に説明したのと同じストップ−エッチ法を使用して凹所２６と同時に形成される。これによりＶ形状の断面が自然に形成される。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、他の断面形状を使用できるということは理解されよう。
【００１４】
図３及び図４を参照すると、バッファ部材１４は上面３４及び下面３６を有する。上面３４から下面３６までバッファ部材１４を通って延びる開口部３８が形成されている。バッファ部材１４の上面３４の残りは比較的平らであり、そのため、バッファ部材１４の上面３４がセンサダイ１２の下面１８に取り付けられたとき、凹所２６及び毛管チャンネル２８の大部分の開放面が閉鎖される（図４参照）。しかしながら、毛管チャンネル２８の入口端３２は開口部３８まで延びており、そのため、開口部３８は凹所２６と流体連通する。
【００１５】
圧力センサ１０とプロセス流体との間のインターフェースとしてプロセス流体導管３０が形成される。この導管は、バッファ部材１４の開口部３８と軸線方向で整合した通路３１を画成する。好ましい実施例では、導管３０の形成にインバール（Ｉｎｖａｒ）を使用する。この合金は３６％がニッケルで６４％が鉄でできており、熱膨張率が低くシリコンとほぼ同じである。そのため、他の場合ではセンサダイに伝わってしまう温度による機械的歪みを減少することによって、シリコンセンサの温度に亘る性能が改善される。
【００１６】
本発明の特に好ましい実施例では、バッファ部材１４は、熱膨張率がシリコンとほぼ同じホヤＳＤ２ガラスで形成されている。ホヤＳＤ２ガラスは、熱−電気結合（ｔｈｅｒｍａｌ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｏｎｄｉｎｇ）によってセンサダイ１２に取り付けられている。更に、プロセス流体導管３０への下面３６のはんだ付け性を高めるため、バッファ部材１４の下面３６には金属化が施してある。はんだ付け材料は、好ましくは、錫−銀共融はんだである。この特定の材料は、その媒体適合性及び低クリープ特性のため、好ましい実施例ではんだとして使用するために選択される。更に、この特定のはんだは、結合プロセス中に過度に高い温度を必要とせず、及び従ってパッケージではんだの歪みにより生じるセンサのヒステリシスが低い。
【００１７】
本発明の毛管チャンネル２８の大きさは、凝縮物が凹所２６に入らないように定められている。更に詳細には、毛管チャンネル２８の大きさは、作動中に導管３０からのプロセス流体圧力を凹所２６に伝えるのに十分大きいが、作動が終了し、圧力センサ１０が冷却するときに凝縮物が凹所２６に引き込まれないようにするのに十分小さいように定められている。好ましい実施例では、チャンネル２８の断面積は約３．８７１ｍｍ２ （約６平方ミル（０．００６平方インチ））と等しいか或いはそれ以下である。チャンネル２８の断面積がこのように小さいため、凝縮物の流通に抗する毛管作用が発生する。その結果、凝縮物がチャンネル２８及び凹所２６の内側で凍結する危険が減少する。
【００１８】
例示の実施例では、毛管チャンネル２８をセンサダイ１２に形成されたものとして示したが、チャンネルをバッファ部材１４に形成することもできるということは理解されよう。しかしながら、チャンネルをガラスに形成することは更に困難である。これは、チャンネルの形成に、代表的には、機械的作業が行われるためである。毛管チャンネル２８に必要な小さな断面積は、従来の機械で形成するのが特に困難であり、及び従って、この別態様は可能であるけれども好ましくない。
【００１９】
例示の実施例によれば、センサダイ１２に形成された凹所２６は、バッファ材料１４に形成された開口部３８からずらしてある。開口部３８は組み合わせた構造の一端に配置されており、凹所２６及びダイアフラム２４は組み合わせた構造の反対端に配置されている。このようにずらしてあるため、共有される米国特許第５，４１２，９９４号に更に詳細に記載されているように、複合構造の流体導管への取り付け部と壊れやすい構成要素が配置されたセンサダイ上の位置との間での応力の分離を改善する。同特許に触れたことにより、この特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。応力の分離の改善により精度が向上し、パッケージングエラーが減少する。
【００２０】
本明細書中に説明した実施例及び例は、本発明及びその実際の用途を最もよく説明するため、及びこれによって当業者が本発明を制作し使用できるようにするために提供されたものである。しかしながら、以上の説明及び例は、例示の目的で提供されたものであって、単なる例に過ぎないということは当業者には理解されよう。本発明のこの他の変形及び変更は当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲はこのような変形及び変更をカバーしようとするものである。以上の説明は、網羅的であろうとするものでも本発明の範囲を限定しようとするものでもない。以上の教示に照らして、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱することなく多くの変形及び変更を行うことができる。本発明を使用することにより、様々な特徴を持つ構成要素を含むことができる。本発明の範囲は、本願に添付された特許請求の範囲によって定義され、全ての点に関して等価物が完全に理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の組み立てた状態のセンサダイ及びバッファ部材の斜視図である。
【図２】
図１の２−２線に沿ったセンサダイの底面図である。
【図３】
図１の３−３線に沿ったバッファ部材の平面図である。
【図４】
組み立てた状態のセンサダイ及びバッファ部材の図１の４−４線に沿った側断面図であり、流体導管が取り付けられている。
【図５】
組み立てた状態のセンサダイ及びバッファ部材の図１の５−５線に沿った端断面図である。
【符号の説明】
１０　圧力センサ
１２　センサダイ
１４　バッファ部材
１６　上面
１８　下面
２０　電子回路
２２　導電性パッド
２３　圧力検出構成要素
２４　圧力応答ダイアフラム
２６　凹所
２８　毛管チャンネル
３０　プロセス流体導管
【国際公開パンフレット】
2004510971.tif 000003
2004510971.tif 000004
2004510971.tif 000005
2004510971.tif 000006
2004510971.tif 000007
2004510971.tif 000008
2004510971.tif 000009
2004510971.tif 000010
2004510971.tif 000011
2004510971.tif 000012
2004510971.tif 000013
2004510971.tif 000014
2004510971.tif 000015
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004510971.tif 000016
【国際調査報告】
2004510971.tif 000017
2004510971.tif 000018
2004510971.tif 000019