(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力が感知される流体を受けるハウジングと、
このハウジング内に設けられ、第1の導電体と、第2の導電体と、導電性の外側ハウジングとを有し、この導電性の外側ハウジングと、第1の導電体と、第2の導電体との各々は、同一平面の下面を夫々有するように、一体的な単一ユニットとして形成され、前記第2の導電体は、前記第1の導電体並びに外側ハウジングから電気的に絶縁され、前記第1の導電体は、前記導電性の外側ハウジングから電気的に絶縁されている電極集合体と、
前記第1の導電体との間でのギャップを有するキャパシターを規定するように前記電極集合体の第1の導電体と離間し、かつ、前記ギャップのサイズが受けられた流体の圧力の変化に応じて変化するように、電極集合体に対して動き得るように前記ハウジング内に設けられた導電性ダイアフラムと、
前記ギャップのサイズを決定するような所定の厚さを有し、前記電極集合体の外側ハウジングとダイアフラムとに接触した導電性のスペーサとを具備する流体の圧力を感知するための圧力センサー。
【請求項２】
前記第１の導電体は、前記単一ユニットの中央に形成され、かつ第１の誘電体リングにより囲まれており、前記第２の電極は、第１の誘電体リングを囲んでおり、第２の誘電体リングが、前記第２の導電体を囲んでおり、そして、前記外側ハウジングは、前記第２の誘電体リングを囲んでいる請求項１の圧力センサー。
【請求項３】
前記第１並びに第２の誘電体リングの少なくとも一方は、ガラスで形成されており、また、前記第１並びに第２の導電体は、金属で形成されている請求項２の圧力センサー。
【請求項４】
前記第1の導電体は、第1の円筒形の部分と、第2の部分とを有し、この第2の部分は、前記ダイアフラム近くに配置され、また、第2の部分は、第1の円筒形の部分とは異なる断面積を有している請求項１ないし３のいずれか１の圧力センサー。
【請求項５】
前記第1の円筒形の部分と第2の部分とは、逆Ｔ字形状の断面を有している請求項４の圧力センサー。
【請求項６】
圧力が感知される流体を受ける入口並びにハウジングを有する圧力センサーに使用されるための可変キャパシターを形成する方法であり、この方法は、
互いに同一平面の下面を夫々有している第1の導電体と第2の導電体と導電性の外側ハウジングとを有し、第2の導電体は、第1の導電体並びに導電性の外側ハウジングから電気的に絶縁され、第1の導電体は、導電性の外側ハウジングから電気的に絶縁されている電極集合体を一体的な単一ユニットとして形成する工程と、
前記導電性の外側ハウジングと可撓性のダイアフラムとの間に所定の厚さの導電性のスペーサを位置させる工程とを具備し、このスペーサのサイズは、可変キャパシターを構成する第1の導電体と可撓性のダイアフラムとの間の名目上のギャップのサイズを決定するようになっている、方法。
【請求項７】
前記ダイアフラムが受けた流体に応答して動くように、可変キャパシターをハウジングで囲む工程と、キャパシターのキャパシタンスを感知するように回路に可変キャパシターを接続する工程とをさらに具備する請求項６の方法。
【請求項８】
前記電極集合体を一体的な単一のユニットとして形成する工程は、厚膜堆積により形成する工程を含む請求項６の方法。
【請求項９】
前記電極集合体を一体的な単一のユニットとして形成する工程は、シルクスクリーンにより形成する工程を含む請求項６の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変キャパシターにより流体（液体もしくは気体）の圧力を感知するための圧力センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１つの既知の形式の圧力センサーは、流体（液体もしくは気体）の圧力を感知するために可変キャパシターを使用している。ＢＡＲＡＴＲＯＮの絶対圧力トランスミッター（ＢＡＲＡＴＲＯＮは、マサセッツ州のアンダバーにあるＭＫＳ会社の商標名）のようなセンサーが、例えば、半導体処理装置での流体の圧力を測定するために、工業上の適用で度々使用されている。
【０００３】
このようなセンサーのための既知のデザインは、圧力が感知される流体を受けるための内部チャンバと入口とを規定するチャンバを有する。第１並びに第２の導電性電極が、ほぼ互いに平行にハウジング内に装着されており、また、平行平板キャパシターを形成するように、小さいギャップにより互いに離間されている。この第１の電極歯、ハウジングに対して固定されており、一方第２の電極は、受けた流体に応答するように、第１の電極に対して可動となっている。ある設置においては、第１の電極は、厚膜堆積技術を使用してセラミック製の支持ディスク上に形成されており、また、第２の電極は、ＩＮＣＯＮＥＬ（ウエストバージニア州のハンテングトンにあるＩｎｃｏ  Ａｌｌｏｙ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌの登録商標）の名前のもとで販売されているニッケルとクロムと鉄との合金のような金属で代表的には形成されたダイアフラムである。
【０００４】
前記移動可能な第２の電極は、代表的には周囲がクランプされており、センサーを幅方向に延びて第１のチャンバと第２のチャンバとを規定している。第１のチャンバは、基準入口を有し、この入口により、既知の基準圧力、例えば、ゼロ圧力が確立される。また、第２のチャンバは、感知される流体を受けるための入口を有し、ダイアフラムの中央部分を流体の圧力変化に応答して逸らす。この逸らす移動により、前記電極間のギャップは変化される。電気信号が前記第１の電極（可動な第２の電極は代表的には接地されている）に与えられ、この結果、第１の電極と第２の電極との間のキャパシタンスの変化が、感知されて、受けられた流体の圧力に関連付けられる。
【０００５】
慎重に感知される圧力のために、また、正確な分解能を得るために、前記ダイアフラムは、前記ギャップの変化、かくして、キャパシタンスの変化が充分な分解能で感知され得るように、充分に大きくなければならない。このダイアフラムが小さくなるのに従って、電極間のギャップは、小さくしなければならない。数学上のタームにおいて、平行平板キャパシターに対してＣ＝ｅＡ／ｄであることが知られている。ここで、Ｃはキャパシタンス、ｅは、平板間の材料に基づく定数（真空に対してはｅ＝１）、Ａは、前記平板の共通領域、そして、ｄはギャップである。これは、ギャップの変化に対応したキャパシタンスの変化がｄＣ／ｄｄ＝−ｅＡｄ-2であることを意味する。この式が示すように、Ａが小さくなるのに従って、ｄＣ／ｄｄの変化を正確に検出するのが困難になってくる。従って、小さい共通領域の場合には、正確な感知を果たすためには、非常に狭いギャップが必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この場合には、正確で反復可能な方法で、ギャップを制御することが重要であるが、この制御は、狭いギャップの場合には難しい。
【０００７】
従って、スペース並びにコストを減じるためにセンサーを小さくすることを可能とすることが望まれながら、正確かつ反復可能にギャップを制御することが難しい。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、可変キャパシターを備えた圧力センサーを含み、この可変キャパシターの電極間のギャップを正確に制御するようにスペーサが設けられている。
【０００９】
本発明の圧力センサーは、流体を受けて、この圧力を測定する。このセンサーは第１の電極と、第２の電極として機能するダイアフラムとを少なくとも備えた電極集合体を有する。このダイアフラムは、ギャップを規定するように、第１の電極と離間し、かつ平行に向けられている。また、このダイアフラムは、電極とダイアフラムとの間のギャップが、受けられた流体の圧力変化に応じて変化するように、第１の電極に対して動き得る。スペーサが、電極集合体とダイアフラムとの間に、これらと接触するようにして、配置され、このスペーサの厚さが前記ギャップの距離を設定している。
【００１０】
一実施の形態において、電極集合体は誘電体の支持部材を有し、第１の電極は、この支持部材の面上に形成されている。また、この支持体の上には、第１の電極と同じ厚さの支持体（隔離碍子）が形成されている（好ましくは、電極と同じ材料で同時に形成されている）。スペーサは、このスペーサの厚さがギャップを設定するように、かくして、ギャップが第１の電極の厚さに実質的に独立するように、支持体と接触させている。
【００１１】
他の実施の形態において、前記電極集合体は、第１の電極とハウジングとを含み、これら第１の電極とハウジングとが前記ダイアフラムと面した同一平面の面を有する、一体的なユニットである。スペーサは、ハウジング並びにダイアフラムと接触し、かくして、この厚さが前記ギャップの間隔を決定する。
【００１２】
また、本発明は、スペーサを上述した電極集合体の１つとダイアフラムとの間にスペーサを配置させる工程を有する。誘電体支持部材を備えた電極集合体の場合、この方法は、電極と支持体と誘電体支持部材の面に同時にかつ同じ材料で形成することを含む。この方法は、好ましくは、堆積による。この場合、１つのマスクは、電極と支持体との両者のための開口を有する。
【００１３】
本発明に係われば、容量型圧力センサーは、直径が１インチ（２．５ｃｍ）よりも小さく、長さが３インチ（７．５ｃｍ）よりも小さく構成され、５０ないし３，０００ｐｓｉａ／ｐｓｉｇ／ｐｓｉｓの範囲での圧力を測定することができる。このセンサーは、容易に製造することができ、気圧に影響を受けず、低コストで製造できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係わる容量型圧力センサー１０は圧力が測定される流体（液体もしくは気体）を受ける。このセンサー１０は、上カバー１２と、下カバー１４と、これらカバー１２，１４間に配置された逆カップ形状のダイアフラム１６とを備えたハウジングを有する。前記カバー１２，１４と、前記ダイアフラム１６の側壁部分１５とは、ハウジングを形成するように、溶接部１８，２０により一緒に溶接されている。また、前記ダイアフラム１６は、代表的には平坦で、センサー１０により受けられる流体に沿う方向に対しては垂直な第１の平面に沿って延びた、好ましくは円形の第１の部分１７を有する。
【００１５】
前記ダイアフラム１６は、ダイアフラム１６の両側に位置する基準圧力チャンバ２３と、測定される流体の未知の圧力のための未知の圧力チャンバ２５とからなる２つのチャンバにハウジングを規定している。一般的に知られているように、前記基準チャンバ２３への入口は、基準圧力が設定されることを可能にし、一方、未知の圧力チャンバ２５の入口は、圧力が感知される流体を受けるために使用される。
【００１６】
センサー１０は、前記ハウジングに対して固定され、好ましくは、アルミナのようなセラミックにより形成された、円形誘電体ディスクにより、好ましくは形成された電極集合体２２を有する。このディスクは、肩部３０を有する環状段部を一緒になって規定した大径部分２４と小径部分２６とを有する。この大径部分２４は、前記ダイアフラム１６と面した表面３２を有する。
【００１７】
図２並びに３を参照して、好ましくは厚膜技術（シルクスクリーンもしくはマスクのような）により形成された２つの導電性電極、即ち、外側電極５４と内側電極５６とは、前記表面３２の上に形成されている。これら電極５４，５６と前記ダイアフラム１６の電極部分１７とは、サイズｄを有する２つの可変容量を規定するように、平行に指向されている。
【００１８】
前記電極集合体２２は、メッキされた透孔のような開口（図示せず）を有し、これら開口を通って、金属コンタクトは、コンタクト電極５４，５６に、かくして、これら電極を容量を感知するのに使用される信号を出力する回路（図示せず）に結合するように延びている。このような回路は、容量型圧力感知の分野では一般的に知られている。これらコンタクトは、導電性ばね３６に、かくして、導電性ピン４０に電気的に結合されている。これらは、カバー１２を通って延びた誘電体プレホーム３８を介して延びて、前記回路に電極を結合している。単一のばね３６と、ピン４０と、プレホーム３８とが示されているけれども、代表的には、これら部品の各々は複数である。
【００１９】
前記電極集合体２２は、環状の下方押圧リング４２と、このリング４２とカバー１２との間のウエーブワッシャー４４とにより、ダイアフラム１６に向けて下方に付勢されている。この下方押圧リング４２は、電極集合体２２の段部に（充分な間隙を有して）ほぼ一致する内径を有する段部４６を備えている。このセンサーは、大きいクランプ力を必要とせず、このような形式の他のセンサーとは異なり、デスクの段部と一致するような、ハウジングの段部を必要とはしない。
【００２０】
前記ダイアフラム１６と電極集合体２２との間には、この電極集合体２２の外径とほぼ等しい外径の好ましくは環状のスペーサ５０が設けられている（このスペーサ５０は、スケールを縮小して図１で見ることができるけれども、スケールを縮小していない図２で良く見ることができる）。このスペーサ５０は、７５ミクロン（３  ｍｉｌｓ）よりも薄い所望の厚さで、ここで規定されているようにこの所望の厚さの±５％以下のように高精度の厚さで、リングもしくは他の実質的な平坦な形状に形成され得る材料で形成されるべきである。
【００２１】
特に、図２を参照して、前記電極５４，５６は、両方とも、約１２．５ミクロン（０．５  ｍｉｌｓ）の代表的な厚さを有し、一方、スペーサ５０は、代表的には約７５ミクロン（３  ｍｉｌｓ）以下の厚さであり、インバーもしくは他のニッケルと鉄との合金のような低膨張合金により好ましくは形成されている。また、スペーサ５０は、ステンレススチールのような他の金属により形成され得、もしくは、ガラスもしくはセラミックのような非金属もしくは誘電体材料でも形成され得る。
【００２２】
前記電極５４，５６とダイアフラム１６との間のキャップｄが予定の距離を有することを確実にするために、支持リング（隔離碍子）６０が、電極集合体２２に、これの外周の所で形成され、また、好ましくは、支持リングと電極との両方のための開口を有する１つのマスクもしくは１つのシルクスクリーンを、例えば、使用して同じ製造技術並びに同じ材料をより使用することにより、電極５４，５６と同時に、好ましくは形成されている。厚膜技術においては、電極と支持リングとが同時に形成される場合には、これらの間での厚さの実質的な相違はないけれども、装置間で、電極の厚さを変更することは可能である。さらなる等しい平坦化は、電極５４，５６と支持リング６０とを、ラッピングのような、種々の研磨技術によりなされ得る。また、これら研磨技術は、電極５４，５６と支持リング６０との下面が平坦かつ円滑になることを助ける。
【００２３】
前記電極と支持リングとが同じ厚さであることは、装置間では、ダイアフラム１６と電極５４，５６との間の名目上のギャップｄがスペーサ５０の厚さにのみ実質的に依存しており、電極５４，５６の厚さには全く依存しておらず、また、好ましくは、電極５４，５６もしくはダイアフラムの形状、サイズ、もしくは他の幾何学的形状には依存しないことを、意味する。これら支持リング６０と電極５４，５６とは、代表的にはエアーギャップにより、互いに電気的に絶縁されており、この結果、スペーサも導電性の場合に、電極５４，５６とダイアフラムとが短絡するのを防止している。
【００２４】
このような構造において、電極間の名目上のギャップは小さく、また、注意深く制御され得るので、精度の良い圧力センサーが、比較可能な適用で代表的に使用されているよりも小さいダイアフラムを使用して構成され得る。実際、センサーの直径は、１インチ（２．５ｃｍ）よりも小さくすることができ、また、長さは、３インチ（７．５ｃｍ）よりも短くすることができる。ここで、直径は、キャパシターを構成している電極に平行な平面でのディメンションであり、また、長さは、この平面に直交したディメンションである。他の同様の既知の装置では、最小のディメンションは、約１．５インチ（３．８ｃｍ）である。
【００２５】
本発明の他の実施の形態が図４に示されている。センサー７０において、図１に示す、ディスクと、このディスクの面上の電極と、上側カバーと、下方押圧リングと、ウエイブワッシャーと、コンタクトばねとは、一体的かつ単一の電極集合体７２に、全て設けられている。この電極集合体７２は、逆Ｔ字形状の断面を有する第１の導電性電極７４と、この第１の電極７４の上部を囲んでいる誘電体リング７６（かくして、Ｔ字形状の断面のポスト部分を囲んでいる）と、第１の誘電体リング７６を囲んでいる第２の導電性電極７８と、この第２の電極７８を囲んでいる第２の誘電体リング８０と、ハウジング部材として機能する外側リング８２とを有する円形構造としてここでは示されている。
【００２６】
前記第１の電極７４と、第２の電極７６と、外側リング８２とは、互いに同一平面の下面８４，８６，８８を夫々有する。これら部材の上面は、必ずしも必要ではないが、同一平面とされ得る。前記両誘電体リング７６，８０の下面は、前記下面８４，８６，８８と同一平面にされ得る。これら同一平面の下面８４，８６，８８は、ダイアフラム９０の近くに位置されている。スペーサリング９２が、外側リング８２と接触するようにして、ダイアフラム９０の外周に沿って設けられている。図１に示す実施の形態と同様に、このスペーサリング９２は、薄い厚さで、この厚さに対して精度良く形成され得る材料で形成されるべきである。前記外側リング８２と、スペーサリング９２と、ダイアフラム９０とは、可変容量構造をなすように、溶接されているか、他の方法で接続されている。図１に示す実施の形態と同様に、電極７４，７８と、ダイアフラム９０との間の名目上のギャップは、スペーサリング９２の厚さにより厳格に決定され得、かくして、精度良く、反復可能に決定され得る。
【００２７】
図１と図４とに示す実施の形態は、異なる容量構造に形成され得る。図５は、図１に示す装置と類似しているが、ダイアフラム１０２が、このダイアフラム１０２と対面した導電性電極１０８，１１０，１１２，１１４を上に有する２つの誘電体ディスク１０４，１０６の間に位置している装置１００を示している。この装置１００は、２つの支持リング１１５，１１８と、２つのスペーサ１２０，１２２とを有する。
【００２８】
本発明の上述した実施の形態において、請求の範囲により規定されているような本発明の範囲から逸脱しないで、変形され得ることは明らかであろう。例えば、電極集合体のためのセラミックディスク上の２重の電極に代えて、単一の電極が使用され得、また、他の材料の上に形成され得る。電極は、厚膜技術を使用してディスクの上に、好ましくは形成されているが、スパッタリングのような薄膜技術が電極を形成するために使用され得る。２つの電極が好ましいけれども、他の数の電極が使用され得る。図４に示す電極集合体は、円形として説明されたが、他の形状をとり得る。支持体とスペーサとはリングとして説明されたが、センサーは円形断面をとる必要はなく、また、支持体とスペーサとは、完全に接触している必要はなく、例えば、スペーサはリングであり、一方、支持体は、キャパシターを構成する電極と離間し、充分に接触するが互いに分離した複数の円弧片で形成され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明に係わる圧力センサーの一部の断面図である。
【図２】  図２は、図１に示すセンサーの電極を詳細に示す断面図である。
【図３】  図３は、図１に示すセンサーの電極を詳細に示す平面である。
【図４】  図４は、本発明の他の実施の形態に係わるセンサーの断面図である。
【図５】  図５は、本発明の他の実施の形態に係わるセンサーの断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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