JP2001242027A - 可動誘電体を有する容量型圧力感知装置 - Google Patents
可動誘電体を有する容量型圧力感知装置Info
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Abstract
層のクリープを避ける。 【解決手段】取り付けフレームに対して固定されたコン
デンサ電極の近くの空洞内で移動する誘電体部を有する
ダイヤフラムを備えた圧力センサ。このダイヤフラム
は、フレーム上に支持され、このフレームは空洞を取囲
んでいる。ダイヤフラムは、圧力を受ける外部表面およ
び、空洞に面する内部表面を有する。固定された前記コ
ンデンサ電極は、その近くの誘電体部の動きを感知し、
圧力を示す電気的出力を発生する。
Description
トランスミッタおよび航空宇宙用プローブのような要求
の厳しい用途で使用される。
はセラミックのような低ヒステリシス誘電材料の積層体
から形成される。積層体の少なくとも1つの層は、圧力
によって偏向される薄いダイヤフラム領域を含む。金属
製のコンデンサ(キャパシタ)電極が静電容量を形成す
るようにダイヤフラム領域および対向する支持プレート
上に付着(沈積)される。
製コンデンサ電極は、ダイヤフラムが撓む場合に金属が
クリープ(creep)を起こすために、測定圧力にヒステ
リシス誤差をもたらすという問題を生じる可能性があ
る。ダイヤフラム上へのコンデンサ電極の付着およびコ
ンデンサ電極へのリード線の付着は、大量生産で実施
し、管理する製造工程をコスト高にする可能性がある。
たダイヤフラム材料、ならびにセンサおよび電気リード
線を取り付ける際の直接ボンディングのような改良され
たボンディングや改良された応力隔離手法の使用によっ
て補償されるのにつれて、撓んでいる低ヒステリシスダ
イヤフラム材料上の金属の存在によるヒステリシス誤差
の問題が、益々重要になっている。ダイヤフラム上への
金属の付着および要求の厳しい用途における圧力センサ
の撓んでいるダイヤフラム上の金属のクリープまたはヒ
ステリシスに関する問題を回避する技術が必要とされて
いる。
フレームに対して固定されたコンデンサ電極の近くの空
洞の中で移動する誘電体部を有するダイヤフラムを含
む。このダイヤフラムはフレーム上に支持され、このフ
レームは前記空洞を囲んでいる。ダイヤフラムは、圧力
を受ける外部表面および空洞に面する内部表面を有す
る。内部表面は、圧力によってフレームに対して移動可
能である誘電体部を支持する。
上に設けられるのではなく、両方共固定されている。コ
ンデンサ電極は、偏向するダイヤフラムの近くの誘電体
部の動きを感知し、圧力を示す電気的出力を発生する。
めの代表的な環境が符号20で示されている。プロセス
流体ライン23内の流量計22、タンク28の近くの圧
力トランスミッタ24、26、36およびプロセスライ
ン31内の一体オリフィス流量計30のような種々のプ
ロセス変数トランスミッタが、制御システム32に電気
的に接続されるように示されている。制御システム32
は、制御弁40を制御する圧力トランスデューサ38に
供給される電流を制御する。
プラント、パルプ処理プラント、石油処理プラント、ガ
ス処理プラント、製薬プラント、食料処理プラントおよ
びその他の流体処理プラントのスラリー、液体、蒸気お
よびガス(気体)のようなプロセスプラント流体と関連
した、1つまたはそれ以上のプロセス変数を監視するよ
うに構成することができる。監視されるプロセス変数は
流体の圧力、温度、流量、レベル、pH、伝導度、混濁
度、密度、濃度、化学的組成または他の液体の特性であ
ってもよい。プロセス変数トランスミッタは、プロセス
プラントの設置要求に応じて、トランスミッタの内部ま
たは外部のいずれにあってもよいような、1または複数
のセンサを含んでいる。
たプロセス変数を示す1つまたはそれ以上のトランスミ
ッタ出力を発生する。トランスミッタ出力は、通信バス
34を介して、コントローラ32またはインジケータま
で長距離にわたって伝送できるように構成される。典型
的な流体処理プラントでは、通信バス34は、トランス
ミッタに電力を供給する4〜20mA電流ループ、また
はフィールドバス接続やHARTプロトコル通信接続、
あるいはコントローラ、制御システムまたは読取装置へ
の光ファイバ接続であってもよい。2線ループによって
電力が供給されるトランスミッタでは、電力は、爆発性
雰囲気内においても本性的な安全性を与えるために低く
保持される。
分解図を示している。トランスミッタ50は、差圧を受
けるフランジ52と、2つの絶対圧センサ(図示せず)
を有するセンサモジュール54とを含んでいる。センサ
モジュール54は、電子的トランスミッタ回路56を有
するハウジング55に結合する。トランスミッタ50
は、フランジアダプタ58にボルト止めされる。フラン
ジアダプタ58は、フランジアダプタユニオン60また
は他の連結ハードウェアに結合されたインパルスパイプ
に接続する。センサモジュール54内の各絶対圧センサ
は、以下に説明されるように、可動誘電体部を含むこと
ができる。
00の透視図、分解図および断面図が示される。圧力セ
ンサ100は、機械的ヒステリシスの低い材料からなる
2つの層102、104で作られている本体を有する。
層102、104は好ましくはサファイヤである。ただ
しシリコン、セラミックまたはガラスも、あまり要求が
厳しくない用途のためには使用されてもよい。層102
は、空洞108を囲む外部リムまたはフレーム106で
層102に結合される。フレーム106は、層102上
の第1フレーム部110と、層104上の第2のフレー
ム部112とを含んでいる。その代りに、フレーム10
6は、2つの層の中の1つの上だけに形成されてもよい
し、またはフレームを構成する中間層を有する3つの層
でセンサ100が作られてもよい。
106上に支持された、薄くされた領域すなわちダイヤ
フラム114を含む。このダイヤフラム114は、圧力
を受ける外部表面116と、空洞108に面する内部表
面118とを有する。誘電体部120は内部表面118
上に支持される。圧力がダイヤフラム114を偏向させ
る場合、誘電体部120は、フレーム106に対して相
対的に、ダイヤフラム114と共に移動する。
電体部120の近くの空洞108内の層104の表面上
で、フレーム106に対して固定される。コンデンサ電
極122、124は、その近くの誘電体部120の動き
を感知し、圧力を示す電気的出力を発生する。電気的出
力は、圧力の関数として変化する静電容量である。第1
のコンデンサ電極122は、空洞108内の空間(間
隙)126によって第2のコンデンサ電極124から隔
離される。可動誘電体部120が空間126を通して移
動すると、前記電気的出力が変化する。
8内の空間126は、第1および第2のコンデンサ電極
122、124間の直線128とは交差しない。たとえ
誘電体がコンデンサ電極間の直線路を通って移動されな
いとしても、コンデンサ電極のエッジの近くで外側に延
び出た、十分な電界があるので、電極の近くの誘電体材
料の動きを感知できることが分かった。その代りに、図
12に関して後述するように、コンデンサ電極が取り付
け面から上向きに立上り、誘電体部がプレート間で直接
移動する場合は、空洞108内の空間が第1のコンデン
サ電極と第2のコンデンサ電極との間の直線と交差する
ことができる。
びダイヤフラム114にはメタライズされた導体部がな
い。したがって、ダイヤフラムが圧力の変動で偏向する
か、または曲がる場合でも、金属のヒステリシスまたは
クリープ(creeping)に関する問題が生じない。好まし
くは、可動誘電体部120はダイヤフラム114と一体
構成であり、これにより、誘電体部120とダイヤフラ
ム114との間に接合材料がある場合に、そうでなけれ
ば生じ得るようなクリープを避けることができる。コン
デンサ電極122、124は、著しく撓むことはない、
より厚い支持面上に固定される。
合され、真空排気されて密封されるので、空洞108内
は高品質の真空である。シール127がリード線のフィ
ードスルーノッチ128の上に塗布され、このシール1
27は高真空を保持する。シール127は、好ましく
は、ガラスフリット、例えば、細かに分割されたガラス
ダストおよびエチルセルロースの混合物から構成され
る。ガラスフリットがフィードスルーノッチの上に配置
された後、ガラスフリットは、エチルセルロースを放出
するように加熱され、ガラスシールを形成するようにガ
ラスダストが融かされる。その代りに、各リード線は、
別個のフィードスルーノッチを通して取り出すことがで
き、各ノッチは導電性はんだ、またはろう付けシールで
密封できる。
れるダイヤフラムを含む第1の端部130と、第1の端
部とは反対側の、加圧から隔離され、さらにコンデンサ
電極122、124のための電気的接続部134を含む
第2の端部132とを有している。
0、132間の取り付け領域の増加支持(increae supp
ort)を提供する。センサ100の取り付け領域は、図
9〜図10に示されるようにプロセス流体と電気的接続
部との間の密封バリアのための場所を与える。
は、中央にある溝(チャンネル)または空洞108の周
りに形成されたビーム138または細長いフレームと見
ることができる。圧力センサは中央の溝内にある支持面
140を有する。ビームは、圧力を受ける外部ダイヤフ
ラム面116および内部ダイヤフラム面118を有し、
誘電体で構成されたダイヤフラム114を含む。内部ダ
イヤフラム面118は、中央溝内の支持面140から離
れて間隔をあけられている。誘電体120は、圧力に応
じて支持面140に対して移動可能である。コンデンサ
電極122、124は、可動誘電体120の近くの支持
面140上に固定される。コンデンサ電極122、12
4は、その近くの誘電体120の動きを感知し、圧力を
示す電気的出力をリード線134上に供給する。
示し、図3〜図5に示されるのと同じ参照番号を使用す
る。図6に示されるように、センサ100はまた、トラ
ンスミッタ回路に接続されて改良された温度補償を行う
ことのできる温度センサ素子135をも含むことができ
る。温度センサ素子135は、図示されるように薄膜白
金抵抗温度計であってもよいし、容量または他の公知の
型式の温度センサが使用されてもよい。図7に示される
ように、層104は、メタライズ加工(電極形成)され
ていないダイヤフラム114を含む。したがって、ダイ
ヤフラム114が偏向する場合でも、ダイヤフラム上の
メタライズ部のクリープによる誤差が生じない。
て示された好ましい方法によって製造される。まず第一
に、層102、104が、150で示されるようなビー
ムの構成要素を形成するように成形加工される。成形加
工は、代表的には、微細構造製造工程において普通のマ
スク技術を使用する、平坦な層の選択的化学エッチング
によって行われる。衝合面152、154は、直接接合
のためのオプティカルフラット(光学的平面)になるよ
うに仕上げされる。次に、感知フィルム122、124
が156で示されるように層102上に沈積される。
いに直接接触するように積み重ねられ、それらの間に空
間126を有するコンデンサ電極122、124を支持
面140上に具備し、かつ158で示されるようなコン
デンサ電極の近くの空間126内で偏向可能な誘電体部
120を具備するビーム138が形成される。次にビー
ム138が加熱されている間、これらの層は非常に清浄
なオプティカルフラットな面で互いに直接接触される。
直接接合のための接合材料は必要とされない。ある場合
には、加熱をしない接合が適切である。
のギャップにガラスフリットシール127を形成するこ
とによって、溝が密封される。この溝は、好ましくは、
このセンサを絶対圧センサにするために、内部を真空に
して密封される。
に対応する圧力感知モジュール180が示されている。
組立体180は、図3〜図7に示されるような2つのセ
ンサ182、184を含んでいる。図9では、隔離カッ
プ198は、ブラインド端部と対向する隔離端部との間
で、ビームの外部表面まで密封された開口200を有す
る。センサ182、184は、回路板200に結線さ
れ、この回路板200はさらに、密封されたフィードス
ルー201を通して第2の回路板202に結線される。
離カップ216にシールされたリム214を有する隔離
ダイヤフラム212を含むように示されている。隔離ダ
イヤフラム212は、プロセス流体を、隔離カップ21
6および隔離ダイヤフラム212によって囲まれた空間
に密封される隔離流体220から隔離する。センサ22
2は、図3〜図7に示されるように構成され、隔離カッ
プ216の開口224に密封される。隔離ダイヤフラム
212および隔離流体220は、プロセス流体218か
らセンサを隔離しながら、一方では、その圧力をセンサ
222に結合する。
4を貫通するセンサ222を有し、加圧プロセス流体2
18および加圧隔離流体220の両方からセンサ222
上の電気的接続部226を絶縁する。隔離カップは、セ
ンサ222の熱膨張係数に厳密に整合する熱膨張係数を
有するバックプレート228を含んでもよい。材料23
0のブロックは隔離カップ216内に圧入することがで
き、材料230は、温度変化による隔離ダイヤフラム2
12の望ましくない動きを制限するように、隔離流体2
20の熱膨張係数を部分的に補償するような熱膨張係数
を有する。ブロック230とセンサ222との間には、
隔離流体220で充満された小さいギャップが設けられ
ている。
および可動誘電体の他の実施形態が示される。図11で
は、ダイヤフラムである平坦な誘電体部250は、直接
的にはコンデンサ電極254、256の間に位置しない
が、コンデンサ電極からのフリンジ(fringing)電界の
領域である、コンデンサ電極のわずか上にある空間25
2内で移動する。図12では、誘電体部258は、コン
デンサ電極262、264間の直線上にある空間260
内で移動する。図13では、誘電体部280は、コンデ
ンサ電極284、286間の直線上にはない空間282
内で移動する。
8は、シールド電極またはスクリーン電極272、27
4によって支持プレート270を介する浮遊結合から遮
蔽される。スクリーン電極272、274は単位利得バ
ッファ276、278によって駆動される。
よび、支持面296上で交互に配置された(interdigit
ated)固定コンデンサ電極292、294が示されてい
る。コンデンサ電極の交互配置は、ダイヤフラムの近く
の、よりコンパクトな空間内でより大きい静電容量を与
える。この明細書で使用されている用語「交互配置」
は、コンデンサ電極が単純な矩形または丸形ではなく、
小さい表面積内にある電極間に長いギャップを与えるよ
うな、複雑な幾何学形状を有することを意味する。
上に互い違いの複数のフィンガー(fingers)を有する、
図示されたコンデンサ電極のような配置を含んでもよ
く、また小さい空間内で長いギャップを与えるように互
いに隣接してジグザグ状にされた、曲がりくねった電極
をも含むことができる。フィンガーおよび曲がりくねっ
た経路の組み合わせも、本発明の範囲内に含むように意
図されている。
支持プレート306上の交互配置された固定コンデンサ
電極302、304、および単位利得バッファ312、
314で駆動される電気的シールド導体308、310
を有する実施形態が示されている。この配置は、実効浮
遊容量を減少したことによって改良されたゲージ率(Δ
C/C0)を有する圧力センサのための大きな静電容量
を、コンパクトな空間に生じさせる。バッファ312、
314によって能動的に駆動されている電気シールド導
体308、310によって、C0(静止時の容量)がよ
り一層小さくなるために、C0で割ったΔC(最小圧力
から最大目盛圧力までの容量の変化)の比はより高くな
る。シールド導体308、310は、バッファによっ
て、隣接するコンデンサ電極とほぼ同電位に動的に保持
される。
ために、コンデンサ電極の周辺の領域に、アースされた
シールド電極またはスクリーン電極を備えることもでき
る。
間に介在された誘電体の寸法配置を示している。寄生効
果を無視すれば、離隔配置された電極の静電容量は誘電
体ダイヤフラムの変位(t)関数としての下記の式によ
って表わされる。 C(t)=,0W[((T−t)/(s+d)+(tK)/(s+Kd)]… 式1
沿った、突出部38の高さの部分; K=誘電体突出部38を形成する材料の比誘電率; S=電極22Aおよび22B間に延在する突出部38の
幅; d=電極22Aおよび22Bの対向面間の、矢印51に
よって示された幅から前記幅Sを減算して得られた幅。
容量のスパンは、下記のとおりである。 ΔC=C(t)−C(0)…式2 式1および式2を結合すると、式3が得られる。 ΔC=,0Wt[(K/(s+Kd)−1/(s+d)]…式3
サに較べて多くの長所を有する。可動誘電体装置は、従
来の装置に比べて5倍またはそれ以上の利得係数を有す
ることができる。容量のほぼ同等の変化に対して必要と
される偏向が少なくて済む。さらに、可動誘電体部のた
めに、より高い誘電率を有する材料を使用でき、またコ
ンデンサ電極を支持するためにより低い誘電率を有する
材料を使用して浮遊容量を減らすことができる。
対してより直線的であり、電子的補償または線形化に対
する要求を減らすことができる。この装置は、本来的に
過圧力保護を提供し、過圧力状態の下で短絡したり、ま
たは過圧力状態の下で非常に大きい容量値になったりし
てコンデンサ電極を危険に陥し入れることがない。コン
デンサ電極のめっきが一方の層上で行われる必要がある
だけで、ダイヤフラムは電極形成(メタライズ)をしな
いままでよいために、製造が簡単である。
めの圧力センサ装置62を示している。タービンエンジ
ンは、タービンエンジンハウジング68内で回転するブ
レード66のようなタービンエンジンブレードを含む。
タービンエンジン内の圧力を感知するために、タービン
エンジンハウジング68には孔70が設けられている。
圧力センサ装置62は、受け台(ペデスタル)72によ
ってタービンハウジング68から離隔されている。
の、より低い温度環境を与えるように、タービンハウジ
ングから圧力センサ装置62を隔離する。受け台72を
貫通する通路74は、タービンハウジング内の加圧ガス
を圧力感知装置62に結合する。圧力センサ74が圧力
感知装置62の中に含まれる。圧力センサ74は可動誘
電体を含む。圧力センサ74はまた、ビーム内の封止ギ
ャップ80を通過し、リード線82によって電子変換回
路(図示せず)に接続する絶縁センサリード線78をも
含む。
明されているけれども、当業者は、本発明の精神および
範囲から逸脱しないで、形式および詳細な点で変更が行
われてもよいことを理解するであろう。
る。
態の様々な図を示している。
態の様々な図を示している。
態の様々な図を示している。
態の様々な図を示している。
態の様々な図を示している。
る方法を示している。
圧力トランスミッタの部分断面図を示している。
る容量型圧力センサを示している。
動誘電体の配置を示している。
動誘電体の配置を示している。
動誘電体の配置を示している。
力センサを示している。
いに噛合わされた電極配置を示している。
いに噛合わされた電極配置を示している。
示している。
示している。
る。
る。
面、122、124……感知フィルム(コンデンサ電
極)、126……空間、127……ガラスフリットシー
ル、134……リード線(電気的接続部)
Claims (22)
- 【請求項1】 空洞を囲むフレームと、 前記フレーム上に支持され、かつ圧力を受ける外表面、
および前記空洞に面する内表面を有するダイヤフラム
と、 前記内表面上に支持されており、前記圧力によって前記
フレームに対して移動可能である誘電体部と、 前記移動可能な誘電体部の近くの前記空洞内で、前記フ
レームに対して固定されており、その近くの誘電体部の
動きを感知して前記圧力を示す電気的出力を発生するコ
ンデンサ電極とを備えたことを特徴とする圧力センサ。 - 【請求項2】 前記コンデンサ電極が、前記空洞内の空
間によって第2のコンデンサ電極から隔離された第1の
コンデンサ電極を含み、前記誘電体部が、前記電気的出
力を変化させるように前記空間を通して移動可能である
ことを特徴とする請求項1の圧力センサ。 - 【請求項3】 前記空洞内の空間が、前記第1および第
2のコンデンサ電極間の直線と交差することを特徴とす
る請求項2の圧力センサ。 - 【請求項4】 前記空洞の空間が、前記第1および第2
のコンデンサ電極間の直線と交差しないことを特徴とす
る請求項2の圧力センサ。 - 【請求項5】 前記移動可能誘電体には導体が配置され
ていないことを特徴とする請求項1の圧力センサ。 - 【請求項6】 前記空洞が真空排気され、かつ密封され
たことを特徴とする請求項1の圧力センサ。 - 【請求項7】 前記フレームは細長く、かつ前記ダイヤ
フラムを含む第1の端部と、前記第1の端部の反対側に
あって、加圧から隔離され、かつ前記コンデンサ電極の
ための電気的接続部を含む第2の端部とを有することを
特徴とする請求項1の圧力センサ。 - 【請求項8】 前記コンデンサ電極が交互配置された請
求項1の圧力センサ。 - 【請求項9】 その上に前記コンデンサ電極が配置され
た支持プレートと、前記支持プレート上に配置されたス
クリーン電極とをさらに具備したことを特徴とする請求
項8の圧力センサ。 - 【請求項10】 前記スクリーン電極に接続された単位
利得バッファをさらに具備したことを特徴とする請求項
9の圧力センサ。 - 【請求項11】 中央溝の周りに形成され、かつ前記中
央溝内に支持面を有するビームであって、圧力を受ける
外部ダイヤフラム面、および誘電体で形成され、かつ前
記中央溝の前記支持面から隔離された内部ダイヤフラム
面を有し、前記誘電体が前記圧力によって前記支持面に
対して移動可能であるビームと、 前記移動可能誘電体の近くの前記支持面上に固定されて
おり、近くの誘電体の移動を感知して前記圧力を示す電
気的出力を供給するコンデンサ電極とを具備したことを
特徴とする圧力センサ。 - 【請求項12】 前記コンデンサ電極が、前記中央溝内
の空間によって第2のコンデンサ電極から隔離された第
1のコンデンサ電極を含み、前記移動可能誘電体部が、
前記電気的出力を変化させるように前記空間を通して移
動可能であることを特徴とする請求項11の圧力セン
サ。 - 【請求項13】 前記中央溝内の空間が、前記第1およ
び第2のコンデンサ電極間の直線と交差することを特徴
とする請求項11の圧力センサ。 - 【請求項14】 前記中央溝内の空間が、前記第1およ
び第2のコンデンサ電極間の直線と交差しないことを特
徴とする請求項11の圧力センサ。 - 【請求項15】 前記移動可能誘電体には導体がないこ
とを特徴とする請求項11の圧力センサ。 - 【請求項16】 前記中央溝が真空排気され、かつ密封
されることを特徴とする請求項11の圧力センサ。 - 【請求項17】 前記フレームが細長く、かつ前記ダイ
ヤフラムを含む第1の端部と、加圧から隔離され、かつ
前記コンデンサ電極のための電気的接続部を含む、前記
第1の端部の反対側の第2の端部とを有することを特徴
とする請求項11の圧力センサ。 - 【請求項18】 前記コンデンサ電極が交互配置された
請求項11の圧力センサ。 - 【請求項19】 前記支持プレート上に配置されたスク
リーン電極をさらに具備したことを特徴とする請求項1
8の圧力センサ。 - 【請求項20】 前記スクリーン電極に接続された単位
利得バッファをさらに具備したことを特徴とする請求項
19の圧力センサ。 - 【請求項21】 空洞を囲むフレームと、 前記フレーム上に支持されており、圧力を受ける外部表
面、および前記空洞に面する内部表面を有するダイヤフ
ラムと、 前記内部表面上に支持されており、前記圧力によって前
記フレームに対して移動可能である誘電体部と、 前記移動可能誘電体部の近くの前記空洞内の前記フレー
ムに対して固定されており、圧力を示す電気的出力を発
生するコンデンサ電極を含む、前記誘電体部の動きを感
知する手段とを具備したことを特徴とする圧力センサ。 - 【請求項22】 中央溝の周りに形成され、かつ前記中
央溝内に支持面を有するビームであって、圧力を受ける
外部ダイヤフラム面、および誘電体で形成され、かつ前
記中央溝の前記支持面から隔離された内部ダイヤフラム
面を有し、前記誘電体が前記圧力によって前記支持面に
対して移動可能であるビームと、 前記移動可能誘電体の近くの前記支持面上に固定されて
おり、圧力を示す電気的出力を供給するコンデンサ電極
を含む、前記誘電体の動きを感知する手段とを具備した
ことを特徴とする圧力センサ。
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