DE60017954T2

DE60017954T2 - Stauscheibe für einen kapazitiven Drucksensor

Info

Publication number: DE60017954T2
Application number: DE60017954T
Authority: DE
Inventors: James Poulin; Luke D Hinkle; Chris P Grudzien
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2020-09-09
Also published as: KR20020033173A; TW463039B; EP1214573B1; JP2003508780A; DE60007884D1; EP1340971A2; JP5453335B2; EP1340971A3; US6443015B1; DE60017954D1; JP2011149946A; WO2001018516A1; EP1214573A1; EP1340971B1; DE60007884T2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor, der Änderungen der Kapazität zwischen einer Membran und einer Elektrode erfaßt.
Kapazitive Drucksensoren werden in vielen Anwendungsfällen verwendet, einschließlich Klimaanlagen-Steuersystemen und der Halbleiterherstellung. Ein Drucksensor weist ein Gehäuse, einen Eingang im Gehäuse für die Aufnahme eines Fluids (Gas oder Flüssigkeit), dessen Druck zu erfassen ist, eine leitende flexible Membran und eine Elektrode in unmittelbarer Nähe der Membran auf. Die Membran und die Elektrode bilden zusammen eine bestimmte Kapazität. Der Sensor erfaßt Änderungen der Kapazität, wenn sich die Membran in Reaktion auf vom Fluid ausgeübten Druck relativ zu der Elektrode bewegt.
Es kann wünschenswert sein, zwischen dem Einlaß für das Fluid, dessen Druck zu erfassen ist, und der flexiblen Membran eine Trennwand anzuordnen. Die Trennwand kann verhindern, daß Verunreinigungen die Membran kontaminieren. Das US-Patent Nr. 5,811,685 beschreibt eine solche Trennwand und auch einige bekannte Trennwandkonstruktionen. Das Patent beschreibt weiterhin die Gründe für und den Nutzen von einer Trennwand in solch einem Sensor. Das US-Patent Nr. 4,920,805 beschreibt zudem einen Drucksensor mit einer Trennwand, die eine Membran davor schützt, direkt dem einwärts gerichteten Strom des Meßfluids ausgesetzt zu sein.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein kapazitiver Drucksensor geschaffen mit: einem Gehäuse mit einem Einlaß mit einem ersten Durchmesser in einer Ebene; einer flexiblen Membran, die parallel zu der Ebene verläuft und mit dem Gehäuse verbunden ist; und einer Trennwand, die parallel zu der Ebene und zwischen der Membran und dem Einlaß angeordnet ist, wobei die Trennwand dazu eingerichtet ist, das Fluid in einer zu der Ebene senkrechten Richtung passieren zu lassen, gekennzeichnet durch eine Teilchenfalle mit einem zu der Ebene parallelen, geschlossenen Mittelstück, das einen zweiten Durchmesser aufweist, der größer als der erste Durchmesser ist, und mit Umfangsöffnungen, die dazu dienen, Teilchen, die kleiner als die Öffnungen sind, passieren zu lassen, wobei die Trennwand aufweist: einen dritten Durchmesser, der größer als der zweite Durchmesser ist, und einen Umfang, der von dem Gehäuse abgesetzt ist, um das Fluid passieren zu lassen. Vorzugsweise weist ein radialer Weg zwischen den Öffnungen der Teilchenfalle und dem Umfang der Länge des Pfades zu einer Lücke zwischen dem Gehäuse und der Trennwand ein Längenverhältnis auf, das größer als 10 und vorzugsweise größer als 50 ist.
Die Trennwand ist vorzugsweise nahe an der Membran angeordnet, so daß sich dazwischen nur ein kleines Volumen von vorzugsweise weniger als 1,6 cm³ befindet und der Sensor schnell auf Änderungen des Gasdrucks reagiert.
Das durch die Trennwand gebildete größere Weglängenverhältnis erhöht die Wahrscheinlichkeit dafür, daß Moleküle an einer Oberfläche der Trennwand oder dem Gehäuse hängenbleiben, bevor sie den flexiblen Bereich der Membran erreichen, wodurch die Membran vor Ablagerungen geschützt wird. Das kleine Volumen zwischen der Trennwand und der Membran verringert die Reaktionszeit nicht, ganz im Gegensatz zu einem großen Volumen. Andere Merkmale gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung von einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht einer Hälfte eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Aufsicht auf die Teilchenfalle.
3 ist eine Aufsicht auf die Trennwand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine Schnittansicht einer symmetrischen Hälfte eines Teils eines Sensors 10. Der Sensor 10 umfaßt ein Gehäuseelement 12 mit einem Einlaß 14 für die Aufnahme eines Fluids, das zu erfassen ist. Zwischen dem Gehäuseelement 12 und einem weiteren Gehäuseelement 18 ist eine Membran 16 eingeschweißt. Von der Membran 16 und dem Gehäuseelement 18 wird eine Kammer 20 umschlossen, die einen gewünschten Druck aufweist, z.B. den Druck Null. In unmittelbarer Nähe der Membran 16 befindet sich eine Elektrode 22, die von einem Zapfen 24 gehalten wird. Die Elektrode ist hier zwar als ein einziges leitendes Teil gezeigt, sie kann jedoch auch aus einer oder mehreren leitenden Schichten bestehen, die auf einer dielektrischen (keramischen) Scheibe ausgebildet sind. Die Membran und die Elektrode bilden zusammen eine bestimmte Kapazität. Die Membran 16 biegt sich in Reaktion auf eine Änderung des Drucks im Fluid am Einlaß 14, wodurch sich die Kapazität zwischen der Membran und der Elektrode ändert.
Auf dem Weg zwischen dem Einlaß und der Membran befindet sich ein Fallensystem 28, und zwischen dem Fallensystem 28 und der Membran 16 befindet sich eine Trennwand 30. Der Aufbau des Fallensystems 28 ist genauer in der US-A-5,811,685 beschrieben. Wie in 2 zu sehen, weist das Fallensystem 28 ein Mittelstück 34 mit einem Durchmesser auf, der größer ist als der des Einlasses 14, um so den direkten Weg vom Einlaß zur Membran zu blockieren. Um das Mittelstück 34 herum sind eine Anzahl von Umfangsöffnungen 36 vorgesehen. Diese Öffnungen sind als eine Reihe von Sektoren ausgebildet, die in gleichmäßigen Abständen in Umfangsrichtung um das Fallensystem und radial an verschiedenen Durchmessern ausgebildet sind.
Wie in 1 zu sehen, laufen Teilchen vom Einlaß 14 durch einen ringförmigen Bereich 38 zwischen dem Gehäuseelement 12 und dem Fallensystem 28 und dann durch die Öffnungen 36 (solange die Teilchen nicht zu klein sind, um durch den ringförmigen Bereich oder die Öffnungen zu passen). Der ringförmige Bereich 38 und die Öffnungen 36 sind so bemessen, daß vergleichsweise große Teilchen (z.B. 250 Mikrometer und größer) am Passieren gehindert werden.
Wie in 3 gezeigt, ist die Trennwand 30 im wesentlichen eine kreisförmige Metallplatte mit mehreren gleichmäßig am Umfang beabstandeten Vorsprüngen 40. Diese Vorsprünge legen im wesentlichen eine Anzahl von Ringsektoren 42 fest, deren Breite in Radialrichtung zwischen der Trennwand 30 und dem Gehäuseelement 12 gleich der Länge der Vorsprünge ist. Der Aufbau der Trennwand und ihre Position relativ zum Gehäuse legen daher Öffnungen in der Form von Ringsektoren fest, durch die das Fluid passieren kann.
Die Trennwand 30 ist in unmittelbarer Nähe des Gehäuseelements 12 angeordnet, um einen radialen Weg 44 für das Gas festzulegen, das verunreinigende Komponenten enthalten kann, damit das Gas von den Öffnungen 36 zu den Ringsektoren 42 und dann zur Membran 16 strömt. Das Längenverhältnis dieses radialen Weges ist als das Verhältnis zwischen der radialen Länge 1 des Weges von den Öffnungen 36 zu den Ringsektoren 42 und dem Abstand d zwischen der Trennwand 30 und dem Gehäuseelement 12 definiert. Das Längenverhältnis ist erfindungsgemäß größer als 10 und vorzugsweise größer als 50. Die Länge beträgt vorzugsweise mindestens 1 cm und liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis 4 cm; der Abstand ist vorzugsweise nicht größer als ca. 0,1 cm und liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,025 bis 0,1 cm.
Ein verunreinigendes Molekül, das einen Weg mit einem solch großen Längenverhältnis zurücklegt, stößt wahrscheinlich einige hundert Male mit den Oberflächen der Trennwand 30 und des Gehäuseelements 12 zusammen, während es den Weg entlangläuft. Die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein solches Molekül auf der Oberfläche der Trennwand 30 oder des Gehäuseelements 12 abgeschieden wird, ist eine Funktion der Anzahl dieser Zusammenstöße und eines Haftkoeffizienten. Mit zunehmender Anzahl von Zusammenstößen steigt die Wahrscheinlichkeit, daß das Molekül abgeschieden wird, dramatisch an. Wenn die Anzahl von Kollisionen größer ist als 100, ergibt auch ein kleiner Haftkoeffizient eine hohe Wahrscheinlichkeit für die Abscheidung an der Trennwand und den Gehäuseoberflächen, wodurch die Membran vor der sich ablagernden Spezies geschützt wird. Der Weg ist daher so konstruiert, daß sich eine signifikante Wahrscheinlichkeit für die Abscheidung von Verunreinigungen ergibt.
Der Weg erzeugt unter normalen Vakuumbedingungen, d.h. bei weniger als 13,3 Pa (100 mT), eine molekulare Strömung. Eine solche molekulare Strömung verursacht eine Vielzahl von Kollisionen der den Abstand durchlaufenden Moleküle mit den Oberflächen, im Gegensatz zu einer laminaren Strömung, bei der eine Strömungs-Grenzschicht die Strömung in der Mitte umgibt und isoliert. Eine molekulare Strömung ist im Gegensatz zu einer laminaren Strömung eine Strömung, in der die mittlere freie Weglänge eines Moleküls viel größer ist als die Abmessung des Weges (hier der Abstand), d.h., daß ein Molekül öfter mit den Wänden des Weges zusammenstößt als mit anderen Molekülen.
Wenn das Volumen zwischen der Trennwand und der Membran groß ist, nimmt die Reaktionszeit der Membran wegen der sich dann ergebenden pneumatischen Zeitkonstante ab, wobei die pneumatische Zeitkonstante als V/C definiert ist, wobei V das Volumen hinter einem Weg mit der Konduktanz C ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch das Volumen zwischen der Trennwand und der Membran klein, so daß die Reaktion schnell erfolgt, auch wenn der schmale Abstand wegen der Einschränkung der Strömung eine niedrigere Konduktanz bedingt. Der Abstand g zwischen der Trennwand 30 und der Membran 16 liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,025 bis 0,1 cm, und das innere Volumen 50 zwischen der Trennwand 30 und der Membran 16 ist vorzugsweise kleiner als 0,1 Kubikzoll (1,6 cm³) und besser noch kleiner als 0,05 Kubikzoll (0,8 cm³).
Das Fallensystem 28 besteht vorzugsweise aus einem korrosionsfesten, nicht kontaminierenden Material wie Edelstahl oder einer Legierung wie Inconel. Die Trennwand 30 ist ebenfalls vorzugsweise aus Metall.
Die Trennwand der vorliegenden Erfindung sorgt somit für einen vorteilhaft langen Weg, der molekulare Kollisionen und ein Anhaften vor dem Erreichen der Membran ermöglicht, während gleichzeitig das Volumen zwischen der Trennwand und der Membran vorteilhaft klein bleibt.
Nach dieser Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollte klar sein, daß Modifikationen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche festgelegt wird. Beispielsweise könnte das Trennwandsystem auch bei einem Sensor vom Typ eines Differentialkondensators angewendet werden.

Claims

Kapazitiver Drucksensor (10) mit einem Gehäuse (12, 18) mit einem Einlaß (14) mit einem ersten Durchmesser in einer Ebene; einer flexiblen Membran (16), die parallel zu der Ebene verläuft und mit dem Gehäuse verbunden ist; und einer Trennwand (30), die parallel zu der Ebene und zwischen der Membran und dem Einlaß angeordnet ist, wobei die Trennwand dazu eingerichtet ist, das Fluid in einer zu der Ebene senkrechten Richtung passieren zu lassen, gekennzeichnet durch eine Teilchenfalle (28) mit einem zu der Ebene parallelen, geschlossenen Mittelstück (34), das einen zweiten Durchmesser aufweist, der größer als der erste Durchmesser ist, und mit Umfangsöffnungen (36), die dazu dienen, Teilchen, die kleiner als die Öffnungen sind, passieren zu lassen, wobei die Trennwand aufweist: einen dritten Durchmesser, der größer als der zweite Durchmesser ist, und einen Umfang, der von dem Gehäuse abgesetzt ist, um das Fluid passieren zu lassen.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei ein radialer Weg zwischen den Öffnungen der Teilchenfalle und dem Umfang ein Längenverhältnis aufweist, das größer als 10 ist.
Drucksensor nach Anspruch 2, wobei das Längenverhältnis größer als 50 ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse eine ringförmige Öffnung (38) aufweist, die dazu dient, Teilchen von dem Einlaß zu den Öffnungen in der Teilchenfalle laufen zu lassen.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Volumen zwischen der Trennwand und der Membran weniger als 1,6 cm³ beträgt.