JP2020201253A - 保護用圧力機構を有する圧力センサアセンブリ - Google Patents
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Abstract
【課題】圧力スパイク等による損傷からの所望のレベルの保護を提供するような圧力センサアセンブリを提供する。【解決手段】本体３２に支持体４０が接続され、支持体４０に基板７２が接続される。支持体４０は、チャネル４４を含み、基板７２は、外部源から流体を受け取って流体を膜３６へ誘導するためのチャネル７６を含む。基板ベース部材８２内の開口８４に入る外部流体からの圧力スパイクの伝達を軽減するために、支持体４０または基板７２のうちの一方または両方に圧力軽減要素が配置される。一例では、圧力軽減要素は、基板壁部材７８内にチャンバ８８および９２ならびにチャネル９０を備える。【選択図】図３
Description
本明細書に開示する圧力センサアセンブリは、監視されている外部源からの気体または流体と連通するセンサ膜またはダイヤフラムを備える圧力センサに関し、より詳細には、高圧スパイクなどの過渡的な流体圧力事象によって引き起こされる損傷からの改善された程度の保護を提供する圧力センサに関する。
圧力センサが流体流連通する外部源からの流体の圧力を測定または監視するための圧力センサアセンブリまたは圧力センサの使用は、当技術分野では知られている。従来の圧力センサアセンブリは、流体に接触するダイヤフラムまたは膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ）を備え、ダイヤフラムまたは膜は、流体の圧力を、流体圧力がかかったときダイヤフラムの応力または変位に変換する目的で薄壁構造を有するように構成される。典型的には、そのような圧力センサは、外部源から流体を受け取るためのポートまたは開口を有し、流体は、圧力センサ内でダイヤフラムまたは膜へ伝達され、１つまたは複数の検出素子がダイヤフラムに接続されて、ダイヤフラムの動きに関するデータの測定または取得／信号の受信を行い、それによって流体圧力を判定する。
そのような従来の圧力センサに伴う問題は、測定されている流体が、高圧の過渡的事象、たとえば圧力スパイクを生成することが可能な外部源からくる可能性があり、そのような圧力は、圧力ダイヤフラムまたは膜へ伝達されると、設計圧力の範囲外になり、それによって圧力ダイヤフラムまたは膜に損傷を引き起こす可能性があり、すなわちダイヤフラムまたは膜がその設計降伏点を超えて曲がり、圧力センサを恒久的に損傷するおそれがあることである。
そのような問題を考慮して、当技術分野でスナバデバイスと呼ばれる付属デバイスが開発され、外部流体源と圧力センサとの間に配置される補助デバイスとして構築されてきた。そのようなスナバデバイスは、ダイヤフラム、小型のオリフィスもしくは制限器、または自由に動く管材の形態であり、過渡的な流体圧力事象の衝撃波を軽減して圧力センサに入る前に衝撃波を低減または軽減するように動作する。しかし、そのような補助スナバデバイスは外部デバイスであるため、圧力センサの全体的なパッケージングコストおよびサイズが増し、たとえば車両のエンジンまたはパワートレイン部材とともに使用されるときなど、設置された圧力センサの取付けのための空間が少なくて貴重である最終使用用途に適さない可能性がある。
したがって、過渡的な流体圧力事象、たとえば圧力スパイクによる損傷からの所望のレベルの保護を提供するように圧力センサアセンブリが構築されることが望ましい。さらに、そのような圧力センサアセンブリは、パッキングおよび配置の目的で、圧力センサアセンブリの全体的なサイズを増すことなくそのような保護を提供し、上述した外部スナバデバイスまたは他の外部デバイスの必要を回避するように構築されることが望ましい。さらに、そのような圧力センサアセンブリは、センサと、センサが接続される外部デバイス、たとえば圧力感知のために外部流体を伝送するデバイスとの間に存在する熱膨張係数特性の差を軽減するように構築されることが望ましい。
本明細書に開示する圧力センサアセンブリは、概して、感知膜を備えるセンサ本体を備え、感知膜は、外部源からの流体を膜と連通させ、流体の圧力を判定するために本体内に配置されている。センサアセンブリは、本体に接続された支持体をさらに備え、支持体は、流体を受け取るために支持体を通って延びるチャネルを備え、チャネルは、膜と流体流連通している。支持体に基板が接続され、基板は、外部源からの流体を受け取るために基板を通って延びるチャネルを備え、流体は、基板を通って支持体へ伝送される。
一例では、支持体は、支持体の熱膨張係数と基板に接続された外部流体源の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する材料から形成されている。一例では、センサ本体は、シリコンから形成され、基板は、セラミック材料から形成されている。基板のチャネルまたは支持体のチャネルのうちの一方が、外部源からセンサ膜への気体または流体の圧力スパイクの伝達を軽減するための圧力軽減要素または機構を備える。一例では、基板は、圧力軽減機構を形成するようにともに接合されたいくつかのセラミック要素を備える。一例では、圧力軽減機構は、容積拡大部を備える。一例では、圧力軽減機構は、チャネルに配置された可動部材を備える。
一例では、圧力軽減機構は、チャネルに配置された多孔質部材を備える。一例では、圧力軽減機構は、支持体または基板を通って動くときにチャネルの２つ以上の方向変化を含む。一例では、圧力センサアセンブリは、基板に接続されたプリント回路基板をさらに備えることができる。
一例では、支持体は、支持体の熱膨張係数と基板に接続された外部流体源の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する材料から形成されている。一例では、センサ本体は、シリコンから形成され、基板は、セラミック材料から形成されている。基板のチャネルまたは支持体のチャネルのうちの一方が、外部源からセンサ膜への気体または流体の圧力スパイクの伝達を軽減するための圧力軽減要素または機構を備える。一例では、基板は、圧力軽減機構を形成するようにともに接合されたいくつかのセラミック要素を備える。一例では、圧力軽減機構は、容積拡大部を備える。一例では、圧力軽減機構は、チャネルに配置された可動部材を備える。
一例では、圧力軽減機構は、チャネルに配置された多孔質部材を備える。一例では、圧力軽減機構は、支持体または基板を通って動くときにチャネルの２つ以上の方向変化を含む。一例では、圧力センサアセンブリは、基板に接続されたプリント回路基板をさらに備えることができる。
本明細書に開示する圧力センサアセンブリによって監視されている外部流体の圧力スパイクを軽減する方法は、外部源からの流体を、基板を通って延びるチャネルを有する基板内へ誘導することを含むことができる。次いで流体は、基板からセンサ本体へ伝送され、流体はセンサ本体に入り、膜に接触する。一例では、センサ本体と基板との間に支持体が介在する。圧力アセンブリの内部にあってセンサ本体膜の上流に位置決めされた圧力軽減機構を通るように流体を誘導することによって、圧力センサアセンブリ内の流体の高圧スパイクが軽減される。
本明細書に開示する圧力センサアセンブリについて、添付の図を参照しながら例として次に説明する。
以下、圧力センサアセンブリの実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。添付の図面では、同様の参照番号が同様の要素を指す。しかし、本明細書に開示する圧力センサアセンブリまたは圧力センサは、多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載する実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、逆にこれらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全になり、圧力センサアセンブリの概念を当業者へ十分に伝えるために提供される。
本明細書に開示する圧力センサアセンブリまたは圧力センサは、概して、支持体および基板に接続されたセンサ本体を備え、センサアセンブリの支持体または基板のうちの１つまたは複数は、圧力測定／監視のために圧力センサに入る流体の過渡的な気体または流体圧力事象に起因する衝撃波を軽減するように構成されたチャネルなどの形態の一体の圧力軽減要素または機構を含むように特別に設計される。一例では、本明細書に開示する圧力センサは、外部デバイスの流体の圧力を監視または測定し、コントローラ、プロセッサなどの遠隔デバイスへ圧力信号を送るための微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサの形態で構成される。
本明細書に開示する圧力センサの特徴は、内蔵／一体の流体衝撃軽減機構を備えるように構築され、それによって外部のスナバなどを使用する必要を未然に防き、それに伴う上述した欠陥を回避することである。本明細書に開示する圧力センサアセンブリは、気体または流体のサービスで使用することができることを理解されたい。そのようなアセンブリのさらなる特徴は、普通なら膜に直接届きうる流体中に存在する粒子によって引き起こされる可能性のある損傷から保護する助けとなるように構築することができることである。
本明細書に開示する圧力センサの特徴は、内蔵／一体の流体衝撃軽減機構を備えるように構築され、それによって外部のスナバなどを使用する必要を未然に防き、それに伴う上述した欠陥を回避することである。本明細書に開示する圧力センサアセンブリは、気体または流体のサービスで使用することができることを理解されたい。そのようなアセンブリのさらなる特徴は、普通なら膜に直接届きうる流体中に存在する粒子によって引き起こされる可能性のある損傷から保護する助けとなるように構築することができることである。
図１は、シリコンセンサ本体１２を備える従来技術のＭＥＭＳ圧力センサ１０を示し、シリコンセンサ本体１２は、従来の方法によって底面１４に沿ってガラス支持体１６に取り付けられ、または他の方法で接合される。支持体１６は、外部流体源への圧力センサの取付けが、そのような介在する取付けを強化するように構成されたさらなるアセンブリまたはハウジング（図示せず）を使用して容易に監視または測定されるように構成される。この例は、ガラスから形成された頂部カバー１８を含み、頂部カバー１８は、従来の方法によってセンサ本体１２の上面２０に取り付けられ、または他の方法で接合される。センサ本体は、内部チャンバ２２と、内部チャンバの一方の端部に沿って配置された膜またはダイヤフラム２４とを含み、膜またはダイヤフラム２４は、膜またはダイヤフラム２４に流体圧力がかかることに応答して動くように構成される。
外部源からの流体は、一定の直径の開口２６を通って圧力センサ１０に入る。開口２６は、支持体１６を通過し、センサ本体の内部チャンバ２２との連続した隠されていない流体流連通を提供する。圧力センサに入る流体の圧力が変化すると、膜またはダイヤフラム２４が動かされる。頂部カバー１８は、知られている基準容積を提供するチャンバ２８を含み、流体圧力の変化に起因するダイヤフラムまたは膜の動きにより、基準容積が変化し、これらの変化は、そこから流体容積圧力を判定する目的で監視および測定される。そのような圧力センサは、流体圧力に応答したセンサの特性の変化に応答して出力信号を提供する目的で膜またはセンサの他の部分に接続することができる圧電抵抗素子などの電気圧力感知素子を備える。
図１に示すそのような従来技術のＭＥＭＳ圧力センサは、ダイヤフラムまたは膜の画定された流体圧力条件および降伏条件の範囲内で動作するように設計された感知ダイヤフラムまたは膜を備える。過渡的な流体高圧事象またはスパイク中など、圧力センサが受ける流体圧力が画定された条件の範囲外になった場合、ダイヤフラムまたは膜が裂けたり他の形で損傷したりする可能性があり、それによって圧力センサが使用不能になるおそれがある。そのような従来技術の圧力センサ１０では、圧力センサに入る流体は、支持体の開口２６を通って圧力センサの内部チャンバ２２に直接入り、ダイヤフラムまたは膜２４に接触する。
基板の開口からセンサ本体の内部チャンバへ移動する容積がわずかに増大するが、そのような容積の変化は、そのような過渡的な流体高圧スパイクからダイヤフラムにかかる衝撃の影響を軽減または相殺するには十分でない。簡単に上述したように、従来技術の圧力センサのそのような制限に対処するために、外部のスナバデバイスが使用されており、そのようなスナバデバイスは、外部流体源とＭＥＭＳ圧力センサとの間に介在する。
基板の開口からセンサ本体の内部チャンバへ移動する容積がわずかに増大するが、そのような容積の変化は、そのような過渡的な流体高圧スパイクからダイヤフラムにかかる衝撃の影響を軽減または相殺するには十分でない。簡単に上述したように、従来技術の圧力センサのそのような制限に対処するために、外部のスナバデバイスが使用されており、そのようなスナバデバイスは、外部流体源とＭＥＭＳ圧力センサとの間に介在する。
図２は、本明細書に開示する例示的な圧力センサアセンブリ３０を示す。一例では、圧力センサは、内部空洞３４を有するセンサ本体３２を備えるＭＥＭＳセンサであり、空洞の一方の端部に膜３６が位置し、空洞は、膜から空洞開口に向かって外方へ動くにつれて先細りする円錐形の形状を有する。センサ本体３２の上に頂部カバーまたは上部支持体３８が配置され、膜３６を覆うように位置決めされる。センサ本体３２の下面４２に支持体４０が接続され、支持体４０は、支持体４０を通って延びる開口または空洞４４を含み、空洞４４は、センサ本体から離れる方へ動くにつれて外方へ先細りする円錐形の構成を有する。支持体開口は、センサ本体の空洞３４と位置合わせされて、支持体開口とセンサ本体の空洞３４との間の流体輸送を容易にする。
支持体４０の下面４８に第１の基板４６が取り付けられ、第１の基板４６は、第１の支持体から支持体とは反対側の入口ポート５２まで延びる容積拡大チャンバ５０を含む。第１の基板４６は、支持体に取り付けられた側壁５４を含み、側壁５４は、支持体から支持体下面４８の外周に沿って延び、容積拡大チャンバは、基板側壁内に画定される。入口ポート５２は、基板側壁に接続する基板ベース部５４を通って配置される。第１の基板４６の下面５８に第２の基板５６が取り付けられ、第２の基板５６は、第２の基板５６を通って延びる通路６０を含み、通路６０は、第１の基板の入口ポート５２と位置合わせされる。一例では、第１の基板の入口ポート５２は、第２の基板の通路６０に比べて低減された直径を有するサイズである。
この例の圧力センサアセンブリの全体的な構造は、流体が第２の基板を通ってセンサ本体まで圧力センサアセンブリ内を進むことを容易にするように構成される。直径が低減された第１の基板の入口ポート５２および第１の基板の容積拡大チャンバ５０の機構は、センサアセンブリに入ってセンサ本体の膜３６へ進む圧力流体のスパイク作用を軽減するようにともに動作する。
支持体４０の下面４８に第１の基板４６が取り付けられ、第１の基板４６は、第１の支持体から支持体とは反対側の入口ポート５２まで延びる容積拡大チャンバ５０を含む。第１の基板４６は、支持体に取り付けられた側壁５４を含み、側壁５４は、支持体から支持体下面４８の外周に沿って延び、容積拡大チャンバは、基板側壁内に画定される。入口ポート５２は、基板側壁に接続する基板ベース部５４を通って配置される。第１の基板４６の下面５８に第２の基板５６が取り付けられ、第２の基板５６は、第２の基板５６を通って延びる通路６０を含み、通路６０は、第１の基板の入口ポート５２と位置合わせされる。一例では、第１の基板の入口ポート５２は、第２の基板の通路６０に比べて低減された直径を有するサイズである。
この例の圧力センサアセンブリの全体的な構造は、流体が第２の基板を通ってセンサ本体まで圧力センサアセンブリ内を進むことを容易にするように構成される。直径が低減された第１の基板の入口ポート５２および第１の基板の容積拡大チャンバ５０の機構は、センサアセンブリに入ってセンサ本体の膜３６へ進む圧力流体のスパイク作用を軽減するようにともに動作する。
一例では、センサ本体は、シリコンから形成することができ、たとえば単結晶シリコンまたは他の好適なシリコンの形態のシリコンウェーハとして提供することができる。支持体４０は、センサ本体を形成するために使用される材料に類似した熱膨張係数を有する材料から形成することができる。一例では、支持体は、化学的に不活性でありかつセンサ本体に接合することができる、シリコンまたはガラスもしくはＰＹＲＥＸなどの他の材料を含む群から選択することができる。
一例では、支持体４０は、ガラスから形成される。圧力センサの頂部カバーまたは上部支持体３８は任意選択であり、上述した支持体４０と同じタイプの材料から形成することができ、センサ本体に取り付けられまたは接合される。上部支持体３８は、基準容積を提供するように構成された内部チャンバ６２を含む。支持体４０内の開口は、機械加工、エッチング、成形などの従来の方法によって形成することができる。
一例では、支持体４０は、ガラスから形成される。圧力センサの頂部カバーまたは上部支持体３８は任意選択であり、上述した支持体４０と同じタイプの材料から形成することができ、センサ本体に取り付けられまたは接合される。上部支持体３８は、基準容積を提供するように構成された内部チャンバ６２を含む。支持体４０内の開口は、機械加工、エッチング、成形などの従来の方法によって形成することができる。
この例示的な圧力センサアセンブリ３０の特徴は、流体圧力スパイク軽減機構が、機械加工プロセス、エッチングプロセス、堆積プロセスなどによって形成されたアセンブリの一体部分であることである。第１の基板４６および第２の基板５６は、センサ本体に取り付けることができ、好適な接着材料、ガラスフリットなどによる従来の技法によって支持することができる。第１の基板および第２の基板は、同じ材料から形成しても異なる材料から形成してもよい。
一例では、第１の基板および／または第２の基板は、支持体の熱膨張係数と、外部流体を提供するために第２の基板が取り付けられた外部デバイスの熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する材料から形成することができ、それによって支持体とそのような外部デバイスとの間の熱膨張特性の遷移を提供して、動作中にセンサアセンブリに損傷を引き起こす可能性のある熱膨張の不整合を低減または解消するように作用することができる。一例では、第１の基板および／または第２の基板は、同じ材料から形成しても異なる材料から形成してもよく、その材料は、ガラスまたはセラミック材料を含むことができる。一例では、第２の基板は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミック材料から形成される。特定のタイプのセラミック材料について開示したが、上述した所望の熱膨張遷移機構を提供する他のタイプのセラミック材料を使用することもできることを理解されたい。
一例では、第１の基板および／または第２の基板は、支持体の熱膨張係数と、外部流体を提供するために第２の基板が取り付けられた外部デバイスの熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する材料から形成することができ、それによって支持体とそのような外部デバイスとの間の熱膨張特性の遷移を提供して、動作中にセンサアセンブリに損傷を引き起こす可能性のある熱膨張の不整合を低減または解消するように作用することができる。一例では、第１の基板および／または第２の基板は、同じ材料から形成しても異なる材料から形成してもよく、その材料は、ガラスまたはセラミック材料を含むことができる。一例では、第２の基板は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミック材料から形成される。特定のタイプのセラミック材料について開示したが、上述した所望の熱膨張遷移機構を提供する他のタイプのセラミック材料を使用することもできることを理解されたい。
図３は、内部空洞３４および膜３６を有するセンサ本体３２と、頂部カバーまたは支持体３８と、図２に示す上記の支持体に類似している支持体４０とを有する本明細書に開示する例示的な圧力センサアセンブリ７０を示す。この例では、支持体４０の下面７４に基板７２が取り付けられ、基板７２は、いくつかの基板部材から形成される。この例では、支持体に第１の基板部材７５が取り付けられ、第１の基板部材７５は、第１の基板部材７５を通る通路７６を含み、通路７６は、支持体内の開口４４と位置合わせされ、開口４４と流体流連通する。第１の基板部材７５の下面部分に外周に沿って基板壁部材７８が取り付けられ、それによってそのような基板壁部材７８内に内部チャンバ８０が画定される。基板壁部材７８の下面部分に基板ベース部材８２が取り付けられ、基板ベース部材８２は、基板ベース部材８２を通って延びる入口開口８４を含む。
入口開口８４の一方の側で、基板ベース部材８２に基板中心部材９６が取り付けられ、開口の上に位置決めされて、入口開口８４を通って基板７２に入る流体を、基板中心部材９６の一方の側に位置決めされた第１のチャンバ空洞８８内へそらす。図３に示すように、第１のチャンバ空洞８８内の流体は、基板中心部材９６と第１の基板部材７５との間に画定された水平の通路９０を通過して第２のチャンバ空洞９２に入ることができる。
基板中心部材９６は、第１の基板部材７５を通る通路７６を部分的にふさぐように位置決めされ、したがって高圧スパイク状態になった場合、第１の基板の通路７６に対する基板ベース部材の入口開口８４の位置決めと、基板ベース部材の入口開口８４と第１の基板の通路７６との間の基板中心部材９６の配置位置とを組み合わせたことによって提供される流体経路方向の変化に加えて、第１のチャンバ空洞および第２のチャンバ空洞のうちの一方または両方によって提供される拡大された容積によって、基板に入る流体を軽減することができる。
入口開口８４の一方の側で、基板ベース部材８２に基板中心部材９６が取り付けられ、開口の上に位置決めされて、入口開口８４を通って基板７２に入る流体を、基板中心部材９６の一方の側に位置決めされた第１のチャンバ空洞８８内へそらす。図３に示すように、第１のチャンバ空洞８８内の流体は、基板中心部材９６と第１の基板部材７５との間に画定された水平の通路９０を通過して第２のチャンバ空洞９２に入ることができる。
基板中心部材９６は、第１の基板部材７５を通る通路７６を部分的にふさぐように位置決めされ、したがって高圧スパイク状態になった場合、第１の基板の通路７６に対する基板ベース部材の入口開口８４の位置決めと、基板ベース部材の入口開口８４と第１の基板の通路７６との間の基板中心部材９６の配置位置とを組み合わせたことによって提供される流体経路方向の変化に加えて、第１のチャンバ空洞および第２のチャンバ空洞のうちの一方または両方によって提供される拡大された容積によって、基板に入る流体を軽減することができる。
この例では、上述したように、たとえば接着接合、ガラスフリットなどによって、基板７２を形成する異なる基板部材をともに連結することができる。一例では、基板部材は、組立て前に基板にガラスをスクリーン印刷し、次いで基板部材を組み立てて、基板部材をともに接合するのに有用な高温にアセンブリをさらすことによってともに連結される。一例では、異なる基板部材はすべて、上述したものと同じタイプの材料から形成することができ、または支持体と基板に取り付けられた外部流体を提供するデバイスとの間の所望の熱膨張緩衝および遷移機能を提供する目的で異なる熱膨張特性を有する材料から形成することができる。
図４は、内部空洞３４および膜３６を有するセンサ本体３２と、頂部カバーまたは支持体３８と、図２に示す上記の支持体に類似している支持体４０とを有する本明細書に開示する例示的な圧力センサアセンブリ１００を示す。この例では、支持体４０の下面１０４に基板１０２が取り付けられる。図３に示す上記の例とは異なり、この例の基板１０２は、複数の基板層の積層構造の形態で提供されたものである。一例では、基板１０２は、焼結プロセス中に形成されるＬＴＣＣまたはＨＴＣＣなどの多層セラミック材料の形態で提供することができる。異なる層は、所望の圧力スパイク軽減機構を提供するように構成することができる。この例では、第１の層１０６は、支持体４０に付着するように構成され、第１の層１０６を通る開口１０８を有し、開口１０８は、支持体開口４４と流体流連通する。
第１の層は外方へ延びて、支持体内の容積拡大空洞またはチャンバ１１２の形成を可能にする外壁１１０を提供する。第１の層１０６の下面に第２の層１１４が接合され、同一に構成される。いくつかの基板側壁層１１６が、層１０６および１１４と同じ外側寸法を有するように構成され、開口１０８から径方向外方へ延びるチャンバ１１２を形成する目的で低減された壁厚さを有する。基板側壁層１１６のうちの最後の層に基板ベース層１１８が取り付けられ、基板ベース層１１８は内方へ延びて、チャンバを画定し、基板１０２の入口開口１２０を形成する。このように構成された多層基板構造は、構造内に形成されて基板入口開口１２０と基板開口１０８との間に位置決めされた容積拡大チャンバ１１２を通る圧力スパイク軽減機構を提供するように動作する。
一例では、基板入口開口１２０および基板開口１０８はまた、互いから軸方向にずれており、ある程度の流体圧力スパイクの軽減を提供するように動作する。
第１の層は外方へ延びて、支持体内の容積拡大空洞またはチャンバ１１２の形成を可能にする外壁１１０を提供する。第１の層１０６の下面に第２の層１１４が接合され、同一に構成される。いくつかの基板側壁層１１６が、層１０６および１１４と同じ外側寸法を有するように構成され、開口１０８から径方向外方へ延びるチャンバ１１２を形成する目的で低減された壁厚さを有する。基板側壁層１１６のうちの最後の層に基板ベース層１１８が取り付けられ、基板ベース層１１８は内方へ延びて、チャンバを画定し、基板１０２の入口開口１２０を形成する。このように構成された多層基板構造は、構造内に形成されて基板入口開口１２０と基板開口１０８との間に位置決めされた容積拡大チャンバ１１２を通る圧力スパイク軽減機構を提供するように動作する。
一例では、基板入口開口１２０および基板開口１０８はまた、互いから軸方向にずれており、ある程度の流体圧力スパイクの軽減を提供するように動作する。
図５は、内部空洞３４および膜３６を有するセンサ本体３２と、頂部カバーまたは支持体３８と、図２に示す上記の支持体に類似している支持体４０とを有する本明細書に開示する例示的な圧力センサアセンブリ１５０を示す。この例では、支持体４０に基板１５２が取り付けられる。この例では、基板１５２は、支持体下面に取り付けられた基板頂部部材１５４を備え、基板頂部部材１５４は、基板頂部部材１５４を通る通路１５６を含み、通路１５６は、支持体開口４４に類似したサイズである。基板頂部部材に外周に沿って基板壁部材１５８が取り付けられ、基板壁部材１５８は、基板頂部部材から下方へ延び、それによって壁部材内に画定された容積拡大空洞またはチャンバ１６０を提供し、チャンバ１６０は、基板通路１５６および支持体開口４４と流体流連通する。
空洞１６０内に多孔質材料１６２が配置され、多孔質材料１６２は、多孔質材料１６２内に配置された様々な不規則または規則的なチャネルを有し、基板を通ってベース部分１６４から支持体４０への流体の流れを可能にするが、単一の画定された流れ経路は存在しない。一例では、多孔質材料は、セラミック材料とすることができるが、類似の特徴および特性を有する他の材料を使用することもできる。別法として、単一の多孔質部材を使用して基板空洞を充填する代わりに、複数の切片で空洞を充填することもでき、複数の切片は、組み合わせると、複数の不規則または規則的な流体流通路を提供するように同様に機能する多孔質複合物を形成するようにともに動作する。この例では、基板空洞内に配置された多孔質部材は、流体が基板１５２を通過すると流体圧力スパイクを軽減するように動作する。
この例では多孔質部材または材料の使用について説明してきたが、そのような多孔質部材または材料の使用は、センサ膜に到達する前に流体圧力スパイクを軽減する所望の作用に寄与する目的で、本明細書に開示する他の例示的な圧力センサアセンブリとともに使用することもできることを理解されたい。
空洞１６０内に多孔質材料１６２が配置され、多孔質材料１６２は、多孔質材料１６２内に配置された様々な不規則または規則的なチャネルを有し、基板を通ってベース部分１６４から支持体４０への流体の流れを可能にするが、単一の画定された流れ経路は存在しない。一例では、多孔質材料は、セラミック材料とすることができるが、類似の特徴および特性を有する他の材料を使用することもできる。別法として、単一の多孔質部材を使用して基板空洞を充填する代わりに、複数の切片で空洞を充填することもでき、複数の切片は、組み合わせると、複数の不規則または規則的な流体流通路を提供するように同様に機能する多孔質複合物を形成するようにともに動作する。この例では、基板空洞内に配置された多孔質部材は、流体が基板１５２を通過すると流体圧力スパイクを軽減するように動作する。
この例では多孔質部材または材料の使用について説明してきたが、そのような多孔質部材または材料の使用は、センサ膜に到達する前に流体圧力スパイクを軽減する所望の作用に寄与する目的で、本明細書に開示する他の例示的な圧力センサアセンブリとともに使用することもできることを理解されたい。
図６は、内部空洞３４および膜３６を有するセンサ本体３２と、頂部カバーまたは支持体３８とを有する本明細書に開示する例示的な圧力センサアセンブリ２００を示す。この例では、ウェーハレベルの処理後にセンサ本体に支持体２０２が取り付けられ、それによってより大きいサイズの支持体の使用が可能になる。この例では、支持体は、開口２０６を有する頂部区間２０４を備えるように構成され、開口２０６は、頂部区間２０４を通るように配置され、センサ本体開口２０８と位置合わせされ、センサ本体開口２０８と類似の直径を有する。センサ本体の下面には、支持体の頂部区間が取り付けられる。支持体は壁区間２１２を含み、壁区間２１２は、頂部区間から下方へ延びて、支持体２０２内に容積拡大空洞またはチャンバ２１４を画定する。
センサ本体のウェーハレベルの形成後に支持体を形成することの特徴は、圧力スパイク軽減機能を提供するように動作することができるより大きい規模の支持体の使用が可能になることである。支持体の壁区間は、ベース部分２１６に沿って基板２１８に取り付けられる。この例では、基板２１８は、チャンバ２１４に比べてサイズが低減された流体入口開口２２０を有し、流体入口開口２２０は、支持体開口２０６と位置合わせして位置決めされているが、所望される場合、圧力スパイク軽減機能に寄与するために、流体入口開口２２０を支持体開口からずらすこともできる。支持体は、センサ本体に取り付けることができ、支持体は、上記で開示した当技術分野では知られている接着または他の接合材料または技法によって、基板に取り付けることができる。
一例では、基板は、ガラスから形成され、基板は、上記で論じた所望の熱膨張緩衝作用を提供するために、セラミック材料から形成される。別の例では、ガラス支持体は、陽極接合を使用することによってセンサ本体に接合することができ、それによって接着剤などを使用することなく、ガラス支持体とセンサ本体との間に所望の接合を提供することができる。そのような例では、セラミック基板は、上述したガラス接合を使用することによって取り付けられるはずである。
センサ本体のウェーハレベルの形成後に支持体を形成することの特徴は、圧力スパイク軽減機能を提供するように動作することができるより大きい規模の支持体の使用が可能になることである。支持体の壁区間は、ベース部分２１６に沿って基板２１８に取り付けられる。この例では、基板２１８は、チャンバ２１４に比べてサイズが低減された流体入口開口２２０を有し、流体入口開口２２０は、支持体開口２０６と位置合わせして位置決めされているが、所望される場合、圧力スパイク軽減機能に寄与するために、流体入口開口２２０を支持体開口からずらすこともできる。支持体は、センサ本体に取り付けることができ、支持体は、上記で開示した当技術分野では知られている接着または他の接合材料または技法によって、基板に取り付けることができる。
一例では、基板は、ガラスから形成され、基板は、上記で論じた所望の熱膨張緩衝作用を提供するために、セラミック材料から形成される。別の例では、ガラス支持体は、陽極接合を使用することによってセンサ本体に接合することができ、それによって接着剤などを使用することなく、ガラス支持体とセンサ本体との間に所望の接合を提供することができる。そのような例では、セラミック基板は、上述したガラス接合を使用することによって取り付けられるはずである。
図７は、内部空洞３４および膜３６を有するセンサ本体３２と、頂部カバーまたは支持体３８とを有する本明細書に開示する例示的な圧力センサアセンブリ３００を示す。この例では、センサ本体の下面に基板３０２が取り付けられており、基板３０２は、センサ本体よりかなり大きい外側寸法を有するサイズである。一例では、基板は、本体から離れて下方へ延びる厚さを有し、基板内に多方向の通路３０６を含み、通路３０６は、基板の底面３１０から延びる入口開口３０８から、センサ本体開口と流体流連通する基板の反対側の出口開口３１２まで延びる。一例では、基板通路３０６は、入口開口３０８と出口開口３１２との間に延びる５つの区間を含む。
通路の第１の区間３１６は、入口開口３０８から延び、基板内で水平に入口開口３０８に対して約９０度に向けられ、通路の第２の区間３１８まで延び、通路の第２の区間３１８は、第１の区間３１６に対して約９０度に向けられる。
通路の第３の区間３２０は、通路の第２の区間３１８から延び、通路の第２の区間３１８に対して約９０度に向けられる。通路の第４の区間３２２は、通路の第３の区間３２０から延び、通路の第３の区間３２０に対して約９０度に向けられる。通路の第５の区間３２４は、通路の第４の区間３２２から延び、通路の第４の区間３２２に対して約９０度に向けられ、出口開口３１２まで延び、出口開口３１２は、通路の第５の区間に対して約９０度に向けられる。このように構成されると、入口開口３０８、出口開口３１２、通路の第２の区間３１８、および通路の第４の区間３２２はそれぞれ、基板内で互いに平行に向けられ、通路の第１の区間３１６、通路の第３の区間３２０、および通路の第５の区間３２４はそれぞれ、基板内で互いに平行に向けられる。
圧力スパイクの軽減の目的で基板内の通路をどのように構成することができるかに関する特定の例について説明してきたが、圧力スパイク軽減機能を提供するように動作する通路区間の他の構成も本開示の範囲内であることを理解されたい。
通路の第１の区間３１６は、入口開口３０８から延び、基板内で水平に入口開口３０８に対して約９０度に向けられ、通路の第２の区間３１８まで延び、通路の第２の区間３１８は、第１の区間３１６に対して約９０度に向けられる。
通路の第３の区間３２０は、通路の第２の区間３１８から延び、通路の第２の区間３１８に対して約９０度に向けられる。通路の第４の区間３２２は、通路の第３の区間３２０から延び、通路の第３の区間３２０に対して約９０度に向けられる。通路の第５の区間３２４は、通路の第４の区間３２２から延び、通路の第４の区間３２２に対して約９０度に向けられ、出口開口３１２まで延び、出口開口３１２は、通路の第５の区間に対して約９０度に向けられる。このように構成されると、入口開口３０８、出口開口３１２、通路の第２の区間３１８、および通路の第４の区間３２２はそれぞれ、基板内で互いに平行に向けられ、通路の第１の区間３１６、通路の第３の区間３２０、および通路の第５の区間３２４はそれぞれ、基板内で互いに平行に向けられる。
圧力スパイクの軽減の目的で基板内の通路をどのように構成することができるかに関する特定の例について説明してきたが、圧力スパイク軽減機能を提供するように動作する通路区間の他の構成も本開示の範囲内であることを理解されたい。
この例では、基板３０２は、外部デバイス３３０に取り付けられており、外部デバイス３３０は、圧力測定のために圧力センサアセンブリへ外部流体を送達するために外部デバイス３３０内に配置されたポート３３２を有する。一例では、外部デバイスは、基板材料とは異なりかつセンサ本体の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する材料から形成することができる。したがって、基板は、外部デバイスの熱膨張特性とセンサ本体の熱膨張特性との間に熱膨張特性の遷移を提供する熱膨張係数を有する材料から形成されることが望ましい。一例では、基板は、ガラスから形成することができる。そのような場合、図７に示す上記の例と同様に、陽極接合によって基板をセンサ本体に接合することができる。基板がセラミック材料から形成される場合、上記で論じた接合技法によって基板をセンサ本体に取り付けることができる。
一例では、基板３０２は、センサ本体の電気感知素子との電気的接続および／または圧力センサ電気インターフェースユニット３４０の配置のために使用することができる表面を提供することができ、電気インターフェースユニット３４０は、センサ本体および／またはプリント回路基板などの別の要素間の電気的接続に有用な所望のワイヤ接続３４２とともに、接着または他の取付け方法によって表面上に配置される。
一例では、基板３０２は、センサ本体の電気感知素子との電気的接続および／または圧力センサ電気インターフェースユニット３４０の配置のために使用することができる表面を提供することができ、電気インターフェースユニット３４０は、センサ本体および／またはプリント回路基板などの別の要素間の電気的接続に有用な所望のワイヤ接続３４２とともに、接着または他の取付け方法によって表面上に配置される。
図８は、センサ本体３２と、センサ本体３２上に配置された頂部カバーまたは支持体３８とを備える図７に示す上記の圧力センサアセンブリ４００の斜視図であり、センサ本体は、基板３０２に取り付けられる。この例では、基板は、いくつかの異なる層４０２から形成された積層構造として示されている。そのような積層構造は、複数の区間を含む通路を基板内に形成する目的で有用であり、それらの区間は、所望の通路構成を提供するために必要に応じて各層をエッチングすることによって形成することができる。所望の通路区間を形成した後、複数の層をともに組み合わせて接合し、基板を提供する。
図９は、内部空洞３４および膜３６を有するセンサ本体３２と、頂部カバーまたは支持体３８とを有する本明細書に開示する例示的な圧力センサアセンブリ４５０を示す。この例では、センサ本体の下面に基板４５２が取り付けられており、基板４５２は、センサ本体にやや類似している寸法を有するサイズである。基板は、基板を通って延びる通路４５４を含み、通路４５４の直径は、センサ本体の開口４５６よりかなり小さい。この例では、基板は、プリント回路基板４５８内に配置され、またはプリント回路基板４５８に取り付けられる。この実施形態では、基板は、プリント回路基板内に埋め込まれており、プリント回路基板は、基板の壁部分４６０の周りに径方向に延びる。
基板は外部デバイス４６２に取り付けられており、外部デバイス４６２は、圧力測定のために圧力センサアセンブリへ外部流体を送達するために外部デバイス４６２内に配置されたポート４６４を有する。この例では、外部デバイスポートは、基板通路の直径より大きい直径を有するサイズであり、基板とプリント回路基板の一部分との両方が、外部デバイスに取り付けられる。この例では、プリント回路基板４５８は、センサ本体の電気感知素子との電気的接続および／または圧力センサ電気インターフェースユニット４６６の配置に使用することができる表面を提供し、圧力センサ電気インターフェースユニット４６６は、センサ本体とプリント回路基板との間の電気的接続に有用な所望のワイヤ接続４６８とともに、接着または他の取付け方法によって表面上に配置される。
基板は外部デバイス４６２に取り付けられており、外部デバイス４６２は、圧力測定のために圧力センサアセンブリへ外部流体を送達するために外部デバイス４６２内に配置されたポート４６４を有する。この例では、外部デバイスポートは、基板通路の直径より大きい直径を有するサイズであり、基板とプリント回路基板の一部分との両方が、外部デバイスに取り付けられる。この例では、プリント回路基板４５８は、センサ本体の電気感知素子との電気的接続および／または圧力センサ電気インターフェースユニット４６６の配置に使用することができる表面を提供し、圧力センサ電気インターフェースユニット４６６は、センサ本体とプリント回路基板との間の電気的接続に有用な所望のワイヤ接続４６８とともに、接着または他の取付け方法によって表面上に配置される。
Claims (15)
- 感知膜（３６）を備えるセンサ本体（３２）であって、前記感知膜（３６）が、外部源からの流体を前記膜と連通させ、前記流体の圧力を判定するために前記本体内に配置されている、センサ本体（３２）と、
前記本体に接続された支持体（４０）であって、前記流体を受け取るために前記支持体（４０）を通って延びるチャネル（４４）を備え、前記チャネルが前記膜（３６）と流体流連通している、支持体（４０）と、
前記支持体（４０）に接続された基板（４６）であって、外部源からの前記流体を受け取るために前記基板（４６）を通って延びるチャネル（５２）を備え、前記流体が、前記基板（４６）を通って前記支持体（４０）へ伝送される、基板（４６）とを備え、
前記基板（４６）のチャネル（５２）または支持体チャネル（４４）のうちの一方が、前記外部源から前記センサ膜への前記流体の圧力スパイクの伝達を軽減するためにその中に配置された圧力軽減機構を備える、
圧力センサアセンブリ（３０）。 - 前記基板（４６）は、前記支持体（４０）の熱膨張係数と外部流体源の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する材料から形成されている、請求項１に記載の圧力センサアセンブリ（３０）。
- 前記センサ本体（３２）は、シリコンから形成され、前記基板は、セラミック材料から形成されている、請求項１に記載の圧力センサアセンブリ（３０）。
- 前記基板（４６）は、前記圧力軽減機構を形成するようにともに接合されたいくつかのセラミック要素（７５）、（７８）、（９６）、および（８２）を備える、請求項１に記載の圧力センサアセンブリ（３０）。
- 前記圧力軽減機構は、基板チャネル（５２）または支持体チャネル（４４）のうちの一方の容積拡大部を備える、請求項１に記載の圧力センサアセンブリ（３０）。
- 前記圧力軽減機構は、前記支持体チャネル（４４）および前記基板チャネル（５２）のうちの一方に配置された可動部材を備える、請求項１に記載の圧力センサアセンブリ（３０）。
- 前記圧力軽減機構は、前記支持体チャネル（４４）および前記基板チャネル（５２）のうちの一方に配置された多孔質部材（１６２）を備える、請求項１に記載の圧力センサアセンブリ（３０）。
- 前記圧力軽減機構は、それぞれの前記支持体（４０）または前記基板（４６）を通って動くときに前記支持体チャネル（４４）および前記基板チャネル（５２）のうちの一方の２つ以上の方向変化を含む、請求項１に記載の圧力センサアセンブリ（３０）。
- 感知膜（３６）および開放空洞（３４）を備えるセンサ本体（３２）であって、前記開放空洞（３４）が、前記本体内で前記膜（３６）に隣接して位置し、外部源からの流体を前記膜に接触させて前記流体の圧力を判定することを可能にする、センサ本体（３２）と、
前記本体（３２）に接続された基板（４６）であって、外部源からの流体を受け取って前記基板を通って前記本体へ前記流体を伝送するために前記基板（４６）を通って延びるチャネル（５２）を備える、基板（４６）と、
前記膜（３６）の上流で圧力センサアセンブリに入る流体の圧力スパイクの伝達を軽減するために前記圧力センサアセンブリ内に配置された流体圧力軽減機構と
を備える圧力センサアセンブリ（３０）。 - 前記流体圧力軽減機構は、前記基板（４６）内に配置され、前記チャネル（５２）の容積拡大部、前記チャネル（５２）内の２つ以上の方向変化、前記チャネル（５２）内に配置された多孔質部材（１６２）、および前記チャネル内の可動要素のうちの１つまたは複数から選択されている、請求項９に記載の圧力センサアセンブリ（３０）。
- 前記センサ本体（３２）は、シリコンから形成され、前記基板（４６）は、前記センサ本体（３２）の熱膨張係数と外部流体圧力源の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する材料から形成されている、請求項９に記載の圧力センサアセンブリ（３０）。
- 前記センサ本体（３２）と前記基板（４６）との間に介在する支持体（４０）をさらに備え、前記支持体（４０）は、前記支持体（４０）を通って延びるチャネル（４４）を含み、前記チャネル（４４）は、前記支持体チャネル（５２）および本体開放空洞（３４）と連通している、請求項９に記載の圧力センサアセンブリ（３０）。
- 圧力センサアセンブリ（３０）によって監視されている外部流体の圧力スパイクを軽減する方法であって、
基板（４６）を通って延びるチャネル（５２）を有する基板（４６）内へ流体を誘導するステップと、
前記流体を前記基板（４６）から前記基板（４６）に接続されたセンサ本体（３２）へ伝送するステップであり、前記センサ本体（３２）が、開放空洞（３４）および膜（３６）を備え、前記膜（３６）が前記空洞の端部に位置し、前記膜（３６）が、前記膜（３６）に配置される流体の圧力を監視するように構成される、伝送するステップと、
前記圧力センサアセンブリ（３０）内に配置されて前記膜（３６）の上流に位置決めされた圧力軽減機構を通るように、前記圧力センサアセンブリ（３０）に入る前記流体を誘導することによって、前記流体の圧力スパイクを軽減するステップとを含む方法。 - 前記軽減するステップは、２つ以上の方向変化を含む前記アセンブリ（３０）のチャネルを通るように前記流体を誘導すること、前記アセンブリ内で前記センサ本体（３２）の上流に位置する容積拡大部内へ前記流体を誘導すること、前記アセンブリのチャネル内に配置された可動要素に接触するように前記流体を誘導すること、および前記アセンブリのチャネル内に配置された多孔質要素（１６２）に接触するように前記流体を誘導することのうちの１つまたは複数を含む、請求項１３に記載の方法。
- 前記圧力センサアセンブリ（３０）は、前記基板（４６）と前記センサ本体（３２）との間に介在する支持体（４０）を備え、前記支持体（４０）は、前記支持体（４０）を通って延びるチャネル（４４）を含み、前記伝送するステップ中、前記基板（４６）から前記支持体チャネル（４４）を通って前記センサ本体（３２）へ流体が伝送される、請求項１３に記載の方法。
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