(57)【要約】      （修正有）【課題】高温の用途における静電容量式圧力プローブまたはセンサを提供する。【解決手段】静電容量式圧力センサ１００はプローブ筐体の内部検出チャンバ３０内に配設され、かつ、その中央部分上に形成される第１の電極５２を有する、サファイヤダイアフラム４２を含む。ダイアフラム４２の中央部分および第１の電極５２は、内部検出チャンバ３０内で、かつ圧力センサ１００によって、遭遇する圧力変動に反応して撓むように適合および構成される。その上に形成される第２の電極５４を有するサファイヤ基板４６は、サファイヤ積層を形成し、その間に基準チャンバ８０を画定するように、その周辺を中心として、サファイヤダイアフラム４２に融合される。サファイヤダイアフラム４２のサファイヤ基板４６への融合前に、全ての接触表面は、結合積層を形成し、融合に必要な温度を低下させるように、化学処理され、プラズマ励起を用いて準備される。【選択図】図１
2012032397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量式圧力センサであって、
ｉ）  内部検出チャンバと、筐体の外部から前記内部検出チャンバへと延在する圧力ポートとを画定する筐体と、
ｉｉ）      前記筐体の前記内部検出チャンバ内に配設され、かつ、その中央部分上に形成される第１の電極を有するサファイヤダイアフラムであって、前記ダイアフラムの前記中央部分および前記第１の電極は、前記内部検出チャンバ内で遭遇する圧力変動に反応して撓むように適合および構成される、サファイヤダイアフラムと、
ｉｉｉ）    前記筐体の前記内部検出チャンバ内に配設されるサファイヤ基板であって、前記サファイヤ基板の周辺部分は、サファイヤ積層を形成するように、前記サファイヤダイアフラムに融合され、基準チャンバは、前記サファイヤダイアフラムの前記中央部分と前記サファイヤ基板の中央部分との間に画定され、前記サファイヤ基板は、前記第１の電極に対向するその中央部分上に形成される第２の電極を有し、前記サファイヤダイアフラムの前記サファイヤ基板への融合の前に、結合層を形成し、かつ前記融合のために必要な温度を低下させるように、全接触表面は化学処理され、プラズマ励起を用いて準備される、サファイヤ基板と、を備える、静電容量式圧力センサ。
【請求項２】
前記第２の電極と電気的に連通する検出電極をさらに備える、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項３】
前記サファイヤ積層と前記検出電極との間に配置され、かつ、アルミナまたは高温同時焼成セラミックから製造される、第２の基板をさらに備える、請求項２に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項４】
前記サファイヤ積層の前記外周および前記第２の基板は、前記基準チャンバを密閉封止するように、ろう付けによって結合される、請求項３に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項５】
前記サファイヤ積層の前記外周および前記第２の基板は、前記基準チャンバを密閉封止するように、非伝導ガラスセラミック密閉接着剤を用いて結合される、請求項３に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項６】
前記基準チャンバ内へと延在し、かつ、前記サファイヤダイアフラムの前記中央部分が撓む際に、前記第１の電極が前記第２の電極に接することを防ぐ、前記サファイヤダイアフラムまたは前記サファイヤ基板の前記中央部分上に、隆起が形成される、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項７】
前記第１および／または第２の電極は、金属積層堆積プロセスを用いて形成される、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項８】
前記第１および／または第２の電極は、プラチナを用いて形成される、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項９】
高温金属積層は、前記基準チャンバを密閉するように、前記サファイヤ基板の底面側にスパッタリングされる、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項１０】
ｉ）  前記検出電極と前記第２の電極との間に電気的な連通を提供する前記第２の基板を通って延在する少なくとも１つのピンと、
ｉｉ）      前記第１の電極および接地と電気的に連通する前記第２の基板を通って延在する少なくとも１つのピンと、をさらに備える、請求項３に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項１１】
前記圧力センサ内の温度を計測するために、前記筐体の前記外部から前記基準チャンバへと延在する熱電対をさらに備える、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項１２】
前記サファイヤダイアフラムの前記中央部分は、研磨エッチングプロセスを用いて形成される、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項１３】
前記第１の電極の一部分は、反応性イオンエッチングによって、前記サファイヤダイアフラムに形成されるキャビティ内に配設される、請求項１に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項１４】
静電容量式圧力センサであって、
ｉ）  センサ筐体であって、前記筐体の外部から内部検出チャンバへと延在する圧力ポートを画定するセンサ筐体と、
ｉｉ）      アルミナ基板に取り付けられたサファイヤ積層を含む前記筐体の前記内部検出チャンバ内に配設されるセンサヘッダであって、前記サファイヤ積層は、その間に基準チャンバを形成するように、サファイヤ基板に融合されるサファイヤダイアフラムを含む、センサヘッダと、
ｉｉｉ）    前記サファイヤダイアフラム上に堆積され、かつ、前記サファイヤ基板および前記アルミナ基板を通って接地へと延在する、第１の電極と、
ｉｖ）      前記サファイヤ基板上に堆積され、かつ、前記サファイヤ基板および前記アルミナ基板を通って検出電極へと延在する、第２の電極と、を備え、
前記検出チャンバ内の印加される圧力に反応する前記サファイヤダイアフラムの一部分の撓みは、前記検出電極によって検出される静電容量値の変化に対応する、静電容量式圧力センサ。
【請求項１５】
前記サファイヤ積層の外周および前記第２の基板は、前記基準チャンバを密閉封止するように、ろう付けによって結合される、請求項１４に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項１６】
前記サファイヤ積層および前記第２の基板の前記外周は、前記基準チャンバを密閉封止するように、非導電性ガラスセラミック封止接着剤を用いて取り付けられる、請求項１４に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項１７】
前記基準チャンバ内へと延在し、かつ、前記サファイヤダイアフラムの前記中央部分が撓む際に、前記第１の電極が前記第２の電極に接することを防ぐ、前記サファイヤダイアフラムまたは前記サファイヤ基板の中央部分上に隆起が形成される、請求項１４に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項１８】
前記第１および／または第２の電極は、金属積層堆積プロセスを用いて形成される、請求項１４に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項１９】
前記第１および／または第２の電極は、プラチナを用いて形成される、請求項１４に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項２０】
高温金属積層は、前記基準チャンバを密閉するように、前記サファイヤ基板の底面側にスパッタリングされる、請求項１４に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項２１】
前記第２の電極は、前記第２の基板を通って延在し、かつ、前記検出電極と前記第２の電極との間の電気的な連通を提供する少なくとも１つのピンを含み、前記第１の電極は、前記第２の基板を通って延在し、かつ、前記第１の電極と接地との間の電気的連通を提供する、少なくとも１つのピンを含む、請求項１４に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項２２】
前記圧力センサ内の前記温度を計測するために、前記筐体の前記外部から前記基準チャンバ内へと延在する熱電対をさらに備える、請求項１４に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項２３】
前記検出電極は、接地への信号線寄生容量から遮蔽される、請求項１４に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項２４】
前記検出電極は、ガードリングによって、前記接地への前記信号線寄生容量から遮蔽される、請求項２３に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項２５】
前記ガードリングは、前記信号線を通って流れる電位と等しい電位によって駆動される、請求項２４に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項２６】
セラミック絶縁体は、前記検出電極と前記ガードリングとの間に配設される、請求項２５に記載の静電容量式圧力センサ。
【請求項２７】
静電容量式圧力センサ内で使用するための検出エレメントであって、
ｉ）  金属堆積プロセスを用いて、その中央部分上に形成される第１のプラチナ電極を有するサファイヤダイアフラムであって、前記ダイアフラムの前記中央部分および前記第１の電極は、前記静電容量式圧力センサが遭遇した圧力変動に反応して撓むように適合および構成される、サファイヤダイアフラムと、
ｉｉ）      サファイヤ積層を形成するように、その周辺を中心として、前記サファイヤダイアフラムに融合され、かつ、前記サファイヤダイアフラムの前記中央部分およびサファイヤ基板の中央部分の間に、基準チャンバを形成する、サファイヤ基板であって、前記サファイヤ基板は、金属堆積プロセスを用いて、その中央部分上に形成される第２のプラチナ電極を有する、サファイヤ基板と、を備え、
前記第１および第２のプラチナ電極は、前記サファイヤダイアフラムが前記サファイヤ基板に融合される場合に、前記基準チャンバを密閉するように構成される、検出エレメント。
【請求項２８】
前記サファイヤダイアフラムの前記サファイヤ基板への融合の前に、結合層を形成し、前記融合のために必要な温度を低下させるように、全接触表面は化学処理され、かつ、プラズマ励起を用いて準備される、請求項２７に記載の検出エレメント。
【請求項２９】
静電容量式圧力センサで使用するように、検出エレメントを製造するための方法であって、
ｉ）  上部および下部表面を有するサファイヤダイアフラムエレメントを提供することと、
ｉｉ）      金属堆積プロセスを用いて、前記サファイヤダイアフラムエレメントの前記下部表面の中央部分上に、第１の電極を形成することであって、前記ダイアフラムエレメントの前記中央部分および前記第１の電極は、前記静電容量式圧力センサが遭遇する圧力変動に反応して撓むように、適合および構成される、形成することと、
ｉｉｉ）    上部および下部表面を有するサファイヤ基板を提供することと、
ｉｖ）      金属堆積プロセスを用いて、前記サファイヤ基板の前記上部表面の中央部分上に第２の電極を形成することと、
ｖ）  プラズマ励起を用いて、前記サファイヤダイアフラムエレメントおよび前記サファイヤ基板のそれぞれの外周を化学処理および準備することと、
ｖｉ）      サファイヤ積層を形成し、かつ、前記サファイヤダイアフラムの前記中央部分とサファイヤ基板の中央部分との間に基準チャンバを形成するように、前記サファイヤダイアフラムを、前記サファイヤ基板にその周囲を中心として融合させることと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
１．  発明の分野
本発明は静電容量式圧力センサに関し、より具体的には、高温での高い熱的強度、熱安定性および耐酸化性を示す材料から製造されるダイアフラムを用いる、ガスタービンエンジン内の音圧波を検出するためのセンサまたはマイクロフォン等の、高温用静電容量式静圧／動的センサに関する。
【０００２】
２．  関連技術の説明
静電容量式圧力センサは、例えば、米国特許番号第６，１４８，６７４号に開示されるように、当該技術において公知であり、その開示は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。従来、これらのデバイスは、高温では限られた適用性を有していた。特に、先行技術の圧力センサの容量は、通常、ピコファラッド（ｐＦ）の範囲であるため、これらは浮遊容量および他の環境条件の影響を受けやすい。そのため、ガスタービンの用途等の厳しい環境の用途における利用に対して、高温用静電容量式圧力センサを開発することが困難になっている。実際に、３５０℃を超えて動作可能な市販の静電容量式圧力センサは、現在、存在しない。
【０００３】
浮遊容量障害物は、部分的に、保護技術と周波数変調（ＦＭ）の容量性伝送技術との組み合わせにより克服されてきた。正確で信頼性の高い計測を達成するために、全ての浮遊容量が信号ピックオフ回路において除去される必要がある。これはガーディングと呼ばれる技術によって防止され得る。ガーディングは、検出領域自体と同じ電圧に保たれた、非検出導体を有する検出電極領域を囲むことにより達成される。この技術は、また、圧力検出器を信号調整回路に接続する３軸ケーブルを保護するためにも用いられる。その結果、ケーブルが最長で１０ｍの長さであったとしても、入力信号のロスがない。
【０００４】
容量性ピックオフ信号に影響する別の要因は、温度が上昇するにつれて減少する誘電材料の抵抗である。これは、高温において直流（ＤＣ）信号の検出を困難にする。周波数変調（ＦＭ）容量測定システムはこの問題を解決する。ＦＭの使用はシステムを搬送波周波数の変動に対して敏感にし、ＥＳＤ（静電放電）または変動するＥＭ（電磁）場を無視する。
【０００５】
さらに、高温の用途で、先行技術の静電容量式圧力センサの多くは、全ての金属ダイアフラムを利用する。しかしながら、圧力センサまたはマイクロフォンにおける金属ダイアフラムの欠点の１つは、高温における温度ヒステリシスおよび圧力ヒステリシスである。インコネル７５０から製造されるダイアフラムを有する有用な静電容量式圧力センサを、本発明者は製造および試験している。圧力１５ｐｓｉ〜６００ｐｓｉでの−５５℃〜５００℃の温度サイクル試験は、いかなる温度補正もなしで、こうしたデバイス内の温度ヒステリシスがおよそ０．７６％、圧力ヒステリシスがおよそ１．３％であることを示す。これらの値は、通常は０．２５％未満である、シリコンダイアフラムと比べると比較的大きい。
【０００６】
またさらに、高温の用途では、パッケージングデザインが重要であり、センサチップおよびベース（ヘッダ基板）の間のロバストで信頼性の高い電気接続が不可欠である。通常、高温でのセンサ不具合は、接点と出力線との間の電気接続の劣化を原因とする。この問題を解決しようとする試みが、Ｄ．Ｋｕｒｔｚらによる米国特許番号第５，９５５，７７１号に記載されている。Ｄ．Ｋｕｒｔｚらは、伝導性ガラス原料を使用して、パイレックス（登録商標）ガラスウエハの載置面に密閉結合および封止されるピエゾ抵抗シリコンチップに適用される無配線電気接続技術について記述している。Ｋｕｒｔｚの特許の図１に示されるように、シリコンチップは、ガラスウエハに静電的に結合される。ガラスウエハは、シリコンウエハ内の接点の一部分を露出させるいくつかの貫通孔を有する。次いで、デバイス積層が、組み込まれたいくつかのピンを有するヘッダ基板（これもガラス製である）に載置される。載置表面の上に延在する各ピン部分は、接触アパーチャへと延在し、ピンと接点との間に導電性ガラス原料による電気接続をもたらす。ガラス原料は、電気接続を確立するだけではなく、アパーチャの密閉封止も提供する。
【０００７】
Ｋｕｒｔｚらのアプローチは、ガラス−Ｓｉ−ガラス積層に基づく。概して、大部分のパイレックス（登録商標）ガラスの最大安全動作温度が、ひずみ点になるようにされる（５１５℃）。パイレックス（登録商標）ガラスは、通常、約６００℃の温度に保たれている場合に、変形し始める。いくつかの特殊なパイレックス（登録商標）は、最高で７００℃まで、保持し得る。シリコンでは、６００〜７００℃で塑性変形が生じることもわかっている。第２に、パイレックス（登録商標）およびシリコンの間の熱的な不整合は、高温範囲におけるセンサ精度を低下させる。第３に、上記の設計は、ピエゾ抵抗法に基づく。ピエゾ抵抗圧力センサは温度の影響に敏感であり、複雑な温度補償が必要であることが知られている。
【０００８】
その一方で、静電容量式圧力センサでは、半導体材料を検出エレメントとして使用する必要がない。他の多くの高温材料を、検出エレメントとして選択可能である。静電容量式圧力センサは、温度に対する感受性がより低い材料を利用可能であるため、これらはピエゾ抵抗センサよりも正確である。いわゆる「防護」技術と静電容量インターフェース回路との組み合わせにより、静電容量式圧力センサは、極めて高温の環境での信頼性の高い正確な圧力検出を提供できる。
【０００９】
従って、高温環境で動作可能であり、ヒステリシス効果の影響をさほど受けないダイアフラム材料を使用し、センサチップとベースとの間のロバストで信頼性の高い電気接続を含むパッケージングデザインを有する静電容量式圧力センサが求められている。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、ガスタービンエンジンでの利用等の、高温の用途に対する新しい有用な静電容量式圧力センサに関する。本発明の静電容量式プローブまたは圧力センサの特定の構成は、とりわけ、内部検出チャンバおよび筐体の外部から内部検出チャンバへと延在する圧力ポートを画定する筐体を含む。サファイヤダイアフラムは、筐体の内部検出チャンバ内に配設され、その中央部分上に形成される第１の電極を有する。ダイアフラムの中央部分および第１の電極は、内部検出チャンバ内において、および圧力センサによって、遭遇する圧力変動に反応して撓むように適合および構成される。
【００１１】
筐体の内部検出チャンバ内にサファイヤ基板が配設される。サファイヤ基板の周辺は、サファイヤ積層を形成するようにサファイヤダイアフラムに融合され、基準チャンバは、サファイヤダイアフラムの中央部分およびサファイヤ基板の中央部分の間に画定される。サファイヤ基板は、第１の電極に対向するその中央部分上に形成される第２の電極を有する。サファイヤダイアフラムをサファイヤ基板へ融合する前に、全接触面は、結合層を形成し、融合に必要な温度を低下させるように、化学処理され（例：ＲＣＡクリーニング）、プラズマ励起を用いて準備される。
【００１２】
本発明の静電容量式圧力センサは、さらに、第２の電極と電気的に連通する検出電極を含むことが想定される。
【００１３】
好適には、静電容量式圧力センサは、サファイヤ積層と検出電極との間に配置され、アルミナまたは高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）から製造される第２の基板を含む。サファイヤ積層の外周および第２の基板は、基準チャンバを密閉封止するように、ろう付けによって結合されることが想定される。あるいは、サファイヤ積層の外周および第２の基板は、基準チャンバを密閉封止するように、ガラスセラミック封止接着剤を用いて結合される。
【００１４】
本発明の特定の構成において、サファイヤダイアフラムの中央部分に隆起が形成される。あるいは、サファイヤ基板の中央部分上に隆起を形成可能である。いずれの構成においても、隆起は基準チャンバへと延在し、サファイヤダイアフラムの中央部分の撓みの際に、第１の電極が第２の電極に接するのを防止する。
【００１５】
好適には、第１および／または第２の電極は、金属積層堆積プロセスを用いて形成される。本発明の一実施形態において、第１および／または第２の電極は、プラチナを用いて形成される。
【００１６】
基準チャンバを密閉するために、サファイヤ基板の底面側に高温金属積層をスパッタリングできることが想定される。本明細書で後述するように、金属積層は、さらに、基準チャンバ内に配置される検出電極と、ＨＴＣＣ／アルミナ基板を通って延在するピン／電極との間の、電気的な連通を提供する。
【００１７】
本発明の静電容量式圧力センサは、第２の基板を通って延在する少なくとも１つのピンを含むことができ、検出電極と第２の電極との間の電気的な連通を提供することも、想定される。またさらに、センサに、第２の基板を通って延在する少なくとも１つのピンを提供することができ、センサは、第１の電極および接地と電気的に連通する。
【００１８】
本発明の特定の構成において、静電容量式圧力センサは、圧力センサ内の温度を測定するために、筐体外部から基準チャンバ内へと延在する熱電対を含むことができる。
【００１９】
本発明はさらに、他のエレメントの中でも、センサ筐体、センサヘッダ、第１の電極、および第２の電極を含む静電容量式圧力センサに関する。センサ筐体は、筐体外部から内部検出チャンバへと延在する圧力ポートを画定する。センサヘッダは、筐体の内部検出チャンバ内に配設され、アルミナ基板に取り付けられるサファイヤ積層を含む。サファイヤ積層は、部分的には、その間に基準チャンバを形成するようにサファイヤ基板に融合されるサファイヤダイアフラムによって形成される。第１の電極は、サファイヤダイアフラムに堆積され、サファイヤ基板およびアルミナ基板を通って、接地へと延在する。第２の電極は、サファイヤ基板上に堆積され、サファイヤ基板を通って、アルミナ基板から、検出電極へと延在する。
【００２０】
検出チャンバ内の印加圧力に反応するサファイヤダイアフラムの一部の撓みは、検出電極によって検出される容量値内の変化に対応する。
【００２１】
現在では、サファイヤ積層の外周および第２の基板が、基準チャンバを密閉封止するように、ろう付けによって結合されることが想定されている。あるいは、サファイヤ積層の外周および第２の基板は、基準チャンバを密閉封止するように、ガラスセラミック封止接着剤を用いて結合される。
【００２２】
本発明の特定の構成において、サファイヤダイアフラムの中央部分上に隆起が形成される。あるいは、隆起は、サファイヤ基板の中央部分上に形成可能である。いずれの構造においても、隆起は基準チャンバへと延在し、サファイヤダイアフラムの中央部分の撓みの際に、第１の電極が第２の電極に接触することを防ぐ。
【００２３】
好適には、第１および／または第２の電極は、金属積層堆積プロセスを用いて形成される。本発明の一実施形態において、第１および／または第２の電極は、プラチナを用いて形成される。
【００２４】
高温金属積層は、基準チャンバを密閉するように、サファイヤ基板の底面側にスパッタリングできると想定される。
【００２５】
さらに、本発明の静電容量式圧力センサは、第２の基板を通って延在する少なくとも１つのピンも含むことができ、検出電極と第２の電極との間の電気的な連通を提供することが想定される。またさらに、センサは、第２の基板を通って延在する少なくとも１つのピンをともなって提供されることが可能であり、このピンは第１の電極および接地と電気的に連通する。
【００２６】
本発明の特定の構成において、静電容量式圧力センサは、圧力センサ内の温度計測のために、筐体の外部から基準チャンバへと延在する熱電対を含むことができる。
【００２７】
本発明の特定の構成において、検出電極は、接地への信号線寄生容量から遮蔽される。好適には、検出電極は、ガードリングによって接地への信号線寄生容量から遮蔽される。またさらに、ガードリングは、信号線を通って流れる電位と等しい電位によって駆動されると想定される。またさらに、セラミック絶縁体は、検出電極とガードリングとの間に配設される。
【００２８】
本発明は、さらに、とりわけ、サファイヤダイアフラムおよびサファイヤ基板を含む静電容量式圧力センサ内で使用するための検出エレメントにも関する。サファイヤダイアフラムは、金属堆積プロセスを使用して、その中央部分上に形成される第１のプラチナ電極を有する。ダイアフラムの中央部分および第１の電極は、静電容量式圧力センサによって遭遇される圧力変動に反応して撓むように、適合および構成される。サファイヤ基板は、サファイヤ積層を形成するように、その周辺を中心にサファイヤダイアフラムに融合され、サファイヤダイアフラムの中央部分とサファイヤ基板の中央部分との間に基準チャンバが形成される。サファイヤ基板は、金属堆積プロセスを使用してその中央部分上に形成される第２のプラチナ電極を有する。第１および第２のプラチナ電極は、サファイヤダイアフラムがサファイヤ基板に融合される場合に、基準チャンバを密閉するように配置される。
【００２９】
好適には、サファイヤ基板へサファイヤダイアフラムを融合する前に、全ての接触表面は、結合積層を形成し、融合に必要な温度を下げるように、化学処理され（例：ＲＣＡクリーニング）、プラズマ励起を使用して準備される。
【００３０】
本発明は、上部および下部表面を有するサファイヤダイアフラムエレメントを提供するステップと、金属堆積プロセスを使用してサファイヤダイアフラムエレメントの下部表面の中央部分上に第１の電極を形成するステップとを含む、静電容量式圧力センサ内で使用されるための、検出エレメントを製造する方法にさらに関する。ダイアフラムエレメントの中央部分および第１の電極は、静電容量式圧力センサによって遭遇される圧力変動に反応して撓むように適合および構成される。本発明の方法は、上部および下部表面を有するサファイヤ基板を提供するステップと、金属堆積プロセスを使用してサファイヤ基板の上部表面の中央部分上に第２の電極を形成するステップと、化学処理して（例：ＲＣＡクリーニング）、プラズマ励起を使用してサファイヤダイアフラムエレメントおよびサファイヤ基板のそれぞれの外周を準備するステップと、サファイヤ積層を形成し、サファイヤダイアフラムの中央部分とサファイヤ基板の中央部分との間に基準チャンバを形成するように、サファイヤ基板に、その周辺を中心にして、サファイヤダイアフラムを融合するステップと、をさらに含む。
【００３１】
本発明のこれらおよび他の特徴および利点、ならびにそれらを組み立てかつ使用する方法は、以下に記載されるいくつかの図面と共に記載される以下の本発明の好適な実施形態の実現させるための説明から、当業者にはより容易に明らかであろう。
【００３２】
本発明が関連する当業者が、必要以上の経験なしに本発明の静電容量式圧力センサを、いかにして作り使用するかを容易に理解するように、それに関する好適な実施形態が、特定の図面を参照して以下に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の好適な一実施形態に従って構成された静電容量式圧力センサの断面図である。
【００３４】
【図２ａ】図１の静電容量式圧力センサで使用されるサファイヤダイアフラムの底面図である。
【００３５】
【図２ｂ】図２ａのサファイヤダイアフラムの断面図である。
【００３６】
【図３ａ】図１の静電容量式圧力センサで使用されるサファイヤ基板の上面図である。
【００３７】
【図３ｂ】図３ａのサファイヤ基板の断面図である。
【００３８】
【図４】図２ａ〜２ｂのサファイヤダイアフラムおよび図３ａ〜３ｂのサファイヤ基板を使用して形成されたサファイヤ積層の断面図である。
【００３９】
【図５】図４のサファイヤ積層の底部上にスパッタリングされる高温金属積層を示す断面図である。
【００４０】
【図６】第１および第２の電極が、それぞれ、サファイヤダイアフラムおよびサファイヤ基板上に堆積される領域を示す平面図である。
【００４１】
【図７】ＨＴＴＣ基板のアルミナ上に載置され、３軸無機物絶縁ケーブルアセンブリに固定される、図４のサファイヤ積層の断面図である。
【００４２】
【図８】本発明の静電容量式圧力センサの第２の実施形態の断面図である。
【００４３】
【図９】図８に示される圧力センサで使用されるセンサヘッダの断面図である。
【００４４】
本発明のこれらおよび他の態様は、図面と共に説明される以下の発明を実施するための形態から、より容易に当業者に明らかになるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
次に、同様の参照番号が本発明の静電容量式センサの同様の構造的特徴または態様を識別する図面を参照すると、図１において、本発明の好適な実施形態に従って構成され、概して参照番号１００によって指定される、静電容量式プローブまたは圧力センサが示されている。圧力センサ１００は、ガスタービンエンジン内の使用等の高温の用途のために適合および構成される。
【００４６】
図１から図７を参照すると、圧力センサ１００は、載置セクション２２および電極支持セクション２４を有する筐体アセンブリ２０を含む。電極支持セクション２４は、以下に記載される電極アセンブリ６０を受け入れるように適合および構成される。
【００４７】
筐体アセンブリ２０の載置セクション２２は、端部２８に組み込まれる一連のねじ２６を含む。ねじ２６は、測定される圧力源にセンサ１００を接続するように使用できる。例えば、ねじ２６は、センサ１００を燃焼器の筐体に接続するように使用可能である。当業者は、センサを圧力源に接続させるための他の機構を、本発明の範囲から逸脱せずに、利用できることを容易に理解するであろう。
【００４８】
筐体２０は、内部検出チャンバ３０および筐体２０の外部から内部検出チャンバ３０へと延在する圧力ポート３２を画定する。検出アセンブリ４０は、筐体２０の内部検出チャンバ内に配設される。検出アセンブリ４０は、その中央部分４４上に形成される第１の電極５２を有するサファイヤダイアフラム４２を含む。ダイアフラム４２の中央部分４４および第１の電極５２は、内部検出チャンバ３０内で、および圧力センサ１００によって、遭遇する圧力変動に反応して、撓むように適合および構成される。
【００４９】
サファイヤ基板４６は、筐体２０の内部検出チャンバ３０内に配設される。サファイヤ基板４６の周辺４８は、サファイヤ積層５０を形成するように、サファイヤダイアフラム４２に融合される（図４を参照）。基準チャンバ８０は、サファイヤダイアフラム４２の中央部分４４とサファイヤ基板４６の中央部分４９との間に画定される。
【００５０】
サファイヤ基板４６は、第１の電極５２に対向するその中央部分４９上に形成される第２の電極５４を有する。サファイヤダイアフラム４２のサファイヤ基板４６への融合の前に、結合層を形成するように、全ての接触表面は、化学処理され（例：ＲＣＡクリーニング）、プラズマ励起を使用して準備される。このプロセスは、さらに、サファイヤエレメントの融合に必要な温度を、第１および第２の電極５２／５４で使用される伝導性材料の融点未満に低下させる。
【００５１】
図３に最も良く示されるように、隙間「Ｇ」が、基準チャンバ８０内で、第１の電極５２と第２の電極５４との間に提供される。この図に開示される実施形態において、隙間「Ｇ」は約５μｍと７０μｍとの間である。隙間距離は、例えば、０．５ｐＦから２０ｐＦの特定の容量値範囲に対応する。
【００５２】
電極アセンブリ６０は、筐体２０の電極支持セクション２４の内径上に形成される対応する一連のねじと嵌合するように適合および構成される、その外周上に形成される一連のねじ６２を有する。電極アセンブリ６０が、電極支持セクション２４に螺着されると、２つのパーツを、基準チャンバ８０の密閉を向上させるように、示されているように、共に溶接することができる。
【００５３】
電極アセンブリ６０は、接地への信号線寄生容量から遮蔽される検出電極６４を含む。特に、検出電極６４は、ガードリング６６によって、接地への信号線寄生容量から遮蔽される。好適には、ガードリング６６は、信号線を通って流れる電位と等しい電位によって駆動される。例えば、インバータバッファ回路を使用することができる。さらに、検出電極６４とガードリング６６との間にセラミック絶縁体６８が配設される。別のセラミック絶縁体６９がガードリング６６を包囲し、ステンレススチールシールド７２が絶縁体６９を包囲する。
【００５４】
センサ１００では、比較的低容量の変動は、正確に計測することができ、例えば、３メートルの長さの３軸ケーブルを通って、遠隔の読み出し電子回路へ送信することができる。上述のように、接地への信号線寄生容量を除去するために、ガードリング６６は、信号線を通って流れるものと同じ電位によって駆動される。従って、信号線およびガードリング６６の間には交流電流はなく、この２つの間の静電容量は、信号線を通る電荷移動に影響を及ぼさない。これは、ガードリング６６および信号線の間の容量は、出力への寄与を有しないことを意味する。
【００５５】
静電容量式圧力センサ１００で使用される検出アセンブリは、さらに、サファイヤ積層５０と検出電極６４との間に配置される第２の基板５６を含む。好適には、第２の基板は、アルミナまたは高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）から製造され、本明細書においてＨＴＣＣ／アルミナ基板５６と称される。本明細書において以下に記載するように、サファイヤ積層５０の外周および第２の基板５６は、基準チャンバ８０に対して第２の密閉封止を提供するように、ろう付け５８によって結合される。上記のように、第１の密閉封止は、サファイヤ基板の底部に金属をスパッタリングすることにより形成された。
【００５６】
第１および第２の電極５２／５４は、金属積層堆積プロセスを用いて形成され、例えば、プラチナまたはチタン等の金属を使用して製造できる。さらに、図５に最も良く示されるように、高温金属積層８２は、基準チャンバ８０を密閉するように、サファイヤ基板４６の底面側にスパッタリングまたは堆積される。
【００５７】
図２Ａから図７は、圧力センサ１００、より具体的には、検出アセンブリ４０を製造するための代表的な方法を示す。次に、サファイヤダイアフラム４２の底面図および断面図を示す図２および図２Ｂを参照する。図２Ｂに示すように、浅いキャビティ９２および深いキャビティ９４が、サファイヤダイアフラム４２の底部に提供される。キャビティ９２／９４は、種々の公知の技術を用いて形成することができる。しかしながら、本出願の出願人は、好適には、浅いキャビティ９２は、反応性イオンエッチングプロセスを用いて形成でき、深いキャビティ９４は、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｋｏｎｉｃｓｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ．ｃｏｍ．ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ．に記載されるもの等の、研磨エッチングプロセスを用いて形成できると判断している。
【００５８】
代表的な構成において、サファイヤダイアフラム４２またはウエハの厚さを約２５０ミクロンにすることができ、１ミクロンの浅さのキャビティ９２を、底部にエッチングすることができる。次いで、研磨エッチングによって深いキャビティ９４を形成することができ、これは、約５０ミクロンの深さ（最大７０ミクロン）および約２ｍｍの直径にすることができる。
【００５９】
次に、例えば、Ｔａ５００またはＰｔ３０００Ａの金属積層を、第１の電極５２を形成するように、深いキャビティ９４の床に、深いキャビティの周辺エッジの一部分に沿って、および、浅いキャビティ９２内へと半径方向外側に堆積させることができる。
【００６０】
サファイヤ基板４６をサファイヤダイアフラム４２に融合する場合に電極に損傷を避けるように、１ミクロンの浅さのキャビティ９２が、第１および第２の電極の一部分の凹部としてサファイヤダイアフラム４２内に形成されることを留意すべきである。浅いキャビティが約１ミクロンの深さであり、金属積層の厚さが約３ミクロンであるため、基準チャンバは、図５に示すように、高真空でスパッタマシン内で密閉することができる。当業者は、浅いキャビティ９２が、サファイヤダイアフラム４２の代わりにサファイヤ基板４６にエッチングできることを容易に理解するであろう。
【００６１】
深いキャビティ９４を形成するための代替のアプローチは、５０ミクロンのリングへのフラットプレートの融合結合によってキャビティを形成するものである。この場合、２つの融合結合ステップが、サファイヤ積層５０を形成するために必要である。
【００６２】
図３Ａおよび図３Ｂは、サファイヤ基板４６の代表的な構造を示す。基板の厚さは、例えば、約５００ミクロンと約８００ミクロンとの間にすることができる。２つの貫通孔９６ａ／９６ｂが、超音波エッチングまたは研磨エッチングによって基板４６内に形成される。高温金属積層（例：Ｔａ５００Ａ／Ｐｔ３０００Ａ）は、図３Ｂに示されるように２つの部分に堆積される。第１の部分９８ａは、サファイヤダイアフラム４２上に形成される第１の電極５２からサファイヤ基板４６を通る、電気のためのパスを提供する。第２のパート９８ｂは、第２の電極を形成し、さらに、サファイヤ基板４６を通る導電性パスを提供する。プラチナスパッタリングは、真空で、基準チャンバを密閉封止する。サファイヤ直接結合構造にサファイヤ内の金属スパッタリングを使用することにより、非常に高い温度に耐えるだけでなく、結合インターフェースのヒステリシス効果を排除する。
【００６３】
上記のように、化学処理およびプラズマ励起後に、サファイヤダイアフラム４２およびサファイヤ基板４６は、周辺を中心としてともに直接融合される。融合プロセスは、その後、図４に示すように、サファイヤ積層５０を形成するために、真空で１０５０℃でアニールすることができる。次いで、高温金属積層８２は、図５に示すように、真空でさらに基準チャンバ８０を密閉するように、サファイヤ基板の底面側にスパッタリングされる。
【００６４】
次に、完全な検出アセンブリ４０を形成するように、ＨＴＣＣ／アルミナ基板５６上に載置されるサファイヤ積層５０を図示する図７を参照する。サファイヤ積層５０は、約１０００℃におけるろう付けによって、ＨＴＣＣ基板５６に結合される。ろう付け材料は、図７において、参照番号９７ａおよび９７ｂとして識別される。積層／基板結合の周辺に配置されるろう付け材料９７ａによって、第１の電極５２から、上部、底部および基板５６内に形成されるプラチナ導体９８ａへ電気的に連通することを可能にする。ろう付け材料９７ａは、さらに、基準チャンバの密閉を補助する。積層／基板結合の中心に配置されるろう付け材料９７ｂによって、電気が、第２の電極５４と上部、底部およびＨＴＣＣ／アルミナ基板５６内に形成される中心に配置されたプラチナ導体との間を電導することを可能にする。
【００６５】
第２の基板５６に使用されるＨＴＣＣまたはアルミナ材料の熱膨張係数は、サファイヤの熱膨張係数とインコネルの熱膨張係数との間であるため、ＨＴＣＣ基板は、金属検出電極６４およびサファイヤ積層５０の間の遷移結合材料として機能することができる。
【００６６】
図７に示すように、検出アセンブリ４０の完了後、およそ９８０℃のろう付けによって、３軸金属プローブまたは電極アセンブリ６０に結合される。
【００６７】
筐体アセンブリ２０は、例えば、インコネルまたはＨａｙｎｅｓ２３０から製造することができ、最終的に、最高で１０００℃の温度に耐えることができるセンサ１００を完成させるように、電極アセンブリに溶接される。
【００６８】
次に、本発明の第２の実施形態に従って構成され、参照番号２００として指定される静電容量式圧力センサを示す図８および９を参照する。
【００６９】
圧力センサ１００と同様に、圧力センサ２００は、載置セクション２２２および電極支持セクション２２４を有する筐体アセンブリ２２０を含む。電極支持セクション２２４は、電極アセンブリ２６０を受けるように適合および構成される。
【００７０】
筐体アセンブリ２２０の載置セクション２２２は、端部２２８に組み込まれる一連のねじ２２６を含む。ねじ２２６は、センサ２００を、計測される圧力源に接続するように使用することができる。例えば、ねじ２２６は、そのセンサ２００を燃焼器の筐体に接続するように使用できる。当業者は、本発明の範囲から逸脱せずにセンサを圧力源に接続するための他の機構を使用できることを容易に理解するであろう。
【００７１】
筐体２２０は、内部検出チャンバ２３０、および内部検出チャンバ２３０の筐体２２０の外部から延在する圧力ポート２３２を画定する。検出アセンブリ２４０は、筐体２２０の内部検出チャンバ内に配設される。検出アセンブリ２４０は、その中央部分２４４上に形成される第１の電極２５２を有するサファイヤダイアフラム２４２を含む。ダイアフラム２４２の中央部分２４４および第１の電極２５２は、内部検出チャンバ２３０内で、圧力センサ２００によって、遭遇する圧力変動に応じて撓むように適合および構成される。
【００７２】
サファイヤ基板２４６は、筐体２２０の内部検出チャンバ２３０内に配設される。サファイヤ基板２４６の周辺２４８は、サファイヤ積層２５０を形成するように、サファイヤダイアフラム２４２に融合される。基準チャンバ２８０は、サファイヤダイアフラム２４２の中央部分２４４とサファイヤ基板２４６の中央部分２４４との間に画定される。
【００７３】
サファイヤ基板２４６は、第１の電極２５２に対向して、その上部表面上に形成される第２のリング形状の電極２５４を有する。サファイヤダイアフラム２４２をサファイヤ基板２４６へ融合する前に、結合積層を形成するために、全ての接触表面を化学処理し（例：ＲＣＡクリーニング）、プラズマ励起を用いて準備する。前述のように、このプロセスは、サファイヤエレメントの融合に必要な温度を、第１および第２の電極のために使用する導電性材料の融点未満に低下させる。
【００７４】
前述の実施形態のように、電極アセンブリ２６０は、対応するねじを使用し、および／または溶接により、または任意の他の公知の技術の使用により、筐体２２０に固定することができる。
【００７５】
電極アセンブリ２６０は、接地への信号線寄生容量から遮蔽される検出電極２６４を含む。前述の実施形態と同様に、検出電極２６４は、信号線を通って流れる電位と等しい電位によって駆動されるガードリング２６６によって、接地への信号線寄生容量から遮蔽される。さらに、検出電極２６４とガードリング２６６との間にセラミック絶縁体が配設される。別のセラミック絶縁体がガードリング２６６を包囲し、ステンレススチールシールド２７２が絶縁体を包囲する。
【００７６】
静電容量式圧力センサ２００で使用される検出アセンブリは、さらに、サファイヤ積層２５０の下に配置される第２の基板２５６を含む。好適には、第２の基板は、アルミナまたは高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）から製造され、本明細書において、ＨＴＣＣ／アルミナ基板２５６と称される。
【００７７】
前述の実施形態において、サファイヤ積層５０および第２の基板５６は、基準チャンバを密閉封止するように、ろう付けによって結合された。図８および図９に示された実施形態において、サファイヤ積層２５０の外周および第２の基板２５６は、基準チャンバを密閉封止するように、非導電性ガラスセラミック封止接着剤を用いて結合される。
【００７８】
検出アセンブリ２４０等のサファイヤ−サファイヤ−アルミナ／ＨＴＣＣ検出アセンブリは、従来のガラス−ＳｉＣ−ガラス構造よりも高い焼成温度に対処可能である。そのため、サファイヤ積層２５０とヘッダまたは第２の基板２５６との間に結合接着剤を使用することができ、接着剤は、有利にも、ガラス原料よりも比較的高い動作温度を有する。
【００７９】
最高で８００℃、または８００℃を超えて動作可能な高温ガラスセラミック密閉剤を、サファイヤ積層と第２の基板との間の密閉封止のために使用することができる。図９において、密閉剤は、参照番号３０２で識別される。サファイヤ積層を基板に結合させるためのガラスセラミック接着剤の使用により、センサは、この結合のためにガラス原料を使用する場合よりも高い温度に耐えることもできる。
【００８０】
センサ１００とは異なり、圧力センサ２００は、第２の基板２５６を通って、サファイヤ基板２４６内に形成されるアパーチャ２９６ａ／２９６ｂへと延在する少なくとも２つのピン２９８ａ／２９８ｂを含む。上記と同様に、アパーチャ２９６ａ／２９６ｂの壁上に導電性金属が堆積されることに留意されたい。さらに、プラチナ、インコネル、ステンレス鋼等の高温金属からピンを製造できる。
【００８１】
最高で８００℃または８００℃を超えて動作可能な導電性ガラスセラミック接着剤３００は、アパーチャ２９６ａ／２９６ｂを充填するように使用でき、第２の基板２５６内に埋め込まれるピン２９８ａ／２９８ｂと、サファイヤ積層２５０に関連付けられる第１および第２の電極２５２／２５４の間の電気接続を行う。上記と同様に、第１および第２の電極２５２／２５４は、金属積層堆積プロセスを使用して形成でき、例えば、プラチナまたはチタン等の金属を使用して製造できる。非伝導性ガラス／セラミック接着剤３０２（サファイヤ積層とＨＴＣＣ／アルミナ基板との間の結合）および導電性ガラス／セラミック接着剤３００は、電気接続（ピンからピンへの絶縁）および溶接密閉が同時に形成されるように、同じ温度プロファイルで焼成される。
【００８２】
そのため、第１のピン２９８ｂは、検出電極２６４と第２の電極２５４との間の電気的連通を提供し、第２のピン２９８ａは、第１の電極２５２および接地との電気的連通を提供する。当業者は、本発明の範囲から逸脱せずに、３本以上のピンを使用できることを容易に理解するであろう。
【００８３】
図８に示されるように、静電容量式圧力センサ２００は、さらに、圧力センサ２００内の温度計測のために、筐体２２０の外部から検出チャンバ２３０および／または基準チャンバ２８０へと延在する熱電対２９０を含むことができる。
【００８４】
サファイヤ基板２４６の中央部分上に隆起２９２が形成される。あるいは、サファイヤダイアフラム２４２の中央部分２４４上に隆起２９２を形成することができる。いずれの構造においても、隆起２９２は、基準チャンバ２８０内へと延在し、第１の電極２５２が、サファイヤダイアフラム２４２の中央部分２４４の撓みの際に、第２の電極２５４に接触することを防ぐ。
当業者は、検出チャンバ２３０内の印加圧力に反応するサファイヤダイアフラム２４２の一部分の撓みが、検出電極２６４によって検出される容量値の変化に対応することを容易に理解するであろう。
【００８５】
サファイヤは、高温範囲において安定した機械的特性を有する単結晶Ａｌ2Ｏ3である。ＡｌイオンとＯイオンとの間の強い化学的結合強度のために、サファイヤ（およびアルミナ）は、高い融点、酸化物における最高硬度および室温における高い機械的強度等の卓越した物理的安定性を有する。サファイヤ（およびアルミナ）は、さらに、化学的にも非常に安定しており、高い耐食性を有する。サファイヤの降伏強度は、Ｈａｙｎｅｓ２３０等の材料の降伏強度よりもずっと高い。
【００８６】
さらに、サファイヤの極限強さは１．９ＧＰａであり、一方で、Ｈａｙｎｅｓ２３０は８６０ＭＰａである。サファイヤにおいては、９００℃で塑性変形（クリープ）が生じる。決定されたクリープ降伏点応力は、９００℃において約１１０９４ｐｓｉ、および１４００℃において１８５０ｐｓｉである。こうした優れた機械的特性により、サファイヤは、高温圧力センサダイアフラム材料としてシリコンに代わる理想的な候補となる。サファイヤは、高温における良好な絶縁材料でもある。サファイヤの電気抵抗は、室温での５×１０18ｏｈｍ−ｃｍと１０００℃での５×１０6ｏｈｍ−ｃｍとの間である。
【００８７】
従って、サファイヤは、多くの構造で使用されるＰｙｒｅｘに代わることもできる。さらに、サファイヤは、サファイヤが、ＡｌＮよりも金属と結合することをより容易にする、ＡｌＮ等の他の単結晶高温セラミックと比較して高い熱膨張係数を有する。
【００８８】
当業者は、サファイヤ−サファイヤ−アルミナ検出ヘッダまたは検出アセンブリが、ガラス−Ｓｉ−ガラス構造またはガラス−ＳｉＣ−ガラス構造よりも高い温度で動作することが可能であることを容易に理解するであろう。さらに、検出エレメントとしてのサファイヤダイアフラムの使用は、ピエゾ抵抗圧力センサよりも温度の影響を受けにくい静電容量式圧力センサを提供する。
【００８９】
好適な実施形態に関し、本発明を説明したが、当業者は、添付の特許請求の範囲に定義されているように、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明に変更および修正を行うことができることを、容易に理解するであろう。
【符号の説明】
【００９０】
３０    内部検出チャンバ
４２    サファイヤダイアフラム
４６    サファイヤ基盤
４９    中央部分
５０    サファイヤ積層
５２    第１の電極
５４    第２の電極
１００  静電容量式圧力センサ
【図１】
2012032397.tif 000003
【図２ａ】
2012032397.tif 000004
【図２ｂ】
2012032397.tif 000005
【図３ａ】
2012032397.tif 000006
【図３ｂ】
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【図４】
2012032397.tif 000008
【図５】
2012032397.tif 000009
【図６】
2012032397.tif 000010
【図７】
2012032397.tif 000011
【図８】
2012032397.tif 000012
【図９】
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