JP2021501324A - 広範囲マイクロ圧力センサ - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国特許法§119の下、2017年10月31日に出願され「Broad Range Micro Pressure Sensor」と題された米国仮特許出願第62/579239号への優先権の利益を主張し、その全体の内容は参照によって本明細書に援用される。
本明細書は圧力センサデバイス及びシステムに関する。
一側面によると、圧力センサは、複数のモジュールステージであって、複数のモジュールステージのうちの少なくとも1つは、第1の圧力範囲にわたって動作可能であり、複数のモジュールステージのうちの少なくとも1つの他のモジュールステージは、第2の異なる圧力範囲にわたって動作可能であり、それぞれのモジュールステージは、少なくとも2つのモジュール層のモジュール層の積み重ねを含み、それぞれのモジュール層は、区画を画定する壁を有するモジュールボディであって、画定される区画は少なくとも2つのサブ区画へ仕切られる、モジュールボディと、モジュールボディの第1の壁内に配置される流体の進入又は退出のためのポートであって、モジュールボディの残りの壁は中実である、ポートと、区画を覆うモジュールボディの第1の表面へ添付される膜と、膜の表面上に添付される電極とを含む。
概要
本明細書において説明されるマイクロ圧力センサは、微細製作方法を用いて作製され、種々の産業、商業、医療及び生物学的用途における圧力を感知するために用いられ得る。マイクロ圧力センサは、ミクロン/ミリメートルスケールで製作される。いくつかの製作技術が開示される。
図1へ参照すると、マイクロ圧力センサ10が示される。マイクロ圧力センサ10は、圧力変化への高い感度を有し、広範囲マイクロ圧力センサ100(図4)のモジュールステージ(ステージ)の積み重ねにおけるモジュールステージの要素として役立ち得る。マイクロ圧力センサ10は、複数の膜18a−18fによって複数の区画21a−21gへ区画分けされるチャンバ20を含む。参照によって援用される出願において説明されるマイクロ圧力センサのように、マイクロ圧力センサ10は、流体の流れ方向に沿った2つの壁13a、13b、流体の流れ方向に垂直な方向に沿って相互に対向するエンドキャップ16a、16b、及び2つの壁、例えば2つの固定されたエンドキャップ16a、16b及び壁13a、13bと直交する前壁及び後壁(図1−図3の図において示されていない)を有するセンサボディ11を含む。壁13a、13b及び16a、16b並びに前壁及び背壁が、単一のチャンバ20を画定する。
Cは、ファラド単位の静電容量であり、
Aは、平方メートル単位の2つの電極の重複する面積であり、
εrは、電極間の材料の誘電率(膜及び流体の誘電率の合計)であり、
ε0は、真空の誘電率
dは、メートル単位の平板間の分離距離であり、
ここで、dはAの最も小さい弦に対して十分に小さい。
図12、図12Aへ参照すると、ロールツーロール加工ラインの概念図が例示される。加工ラインは、数個のステーション、例えば、堆積、パターニング及び他の加工が起こる(囲まれるサブ区画であり得又は含み得る)ステーション1からステーションnを備える。従って、大まかなレベルで見られる加工は加算的であり得(望まれる場所で正確に材料を追加する)、又は減算的であり得る(望まれない場所で材料を取り除く)。堆積加工は、蒸発、スパッタリング、及び/又は化学気相成長(CVD)を含み、必要であれば印刷も同様に含む。パターニング加工は、パターニングされる特徴の解像度に依存する走査レーザ及び電子ビームパターン生成、機械加工、光学リゾグラフィ、グラビア及びフレキソ(オフセット)印刷のような技術を、要件に依存して含み得る。インクジェット印刷及びスクリーン印刷は、導電体のような機能性材料を記入するために用いられ得る。穴あけ、刷り込み及びエンボッシングのような他の技術が用いられ得る。
Claims (27)
- 複数のモジュールステージを備える圧力センサであって、前記複数のモジュールステージのうちの少なくとも1つは、第1の圧力範囲にわたって動作可能であり、前記複数のモジュールステージのうちの少なくとも1つの他のモジュールステージは、第2の異なる圧力範囲にわたって動作可能であり、それぞれのモジュールステージは、
少なくとも2つのモジュール層の積み重ねを備え、それぞれのモジュール層は、
区画を画定する壁を有するモジュールボディであって、前記画定される区画は少なくとも2つのサブ区画へ仕切られる、モジュールボディと、
前記モジュールボディの第1の壁内に配置される流体の進入又は退出のためのポートであって、前記モジュールボディの残りの壁は中実である、ポートと、
前記区画を覆う前記モジュールボディの第1の表面へ添付される膜と、
前記膜の表面上に添付される電極と
を備える、圧力センサ。 - 前記サブ区画は異なる容積を有し、前記圧力センサは、
前記複数のモジュールのうちの第1のモジュールへ接続される第1のエンドキャップと、
前記複数のモジュールのうちの最後のモジュールへ接続される第2のエンドキャップと
をさらに備える、請求項1に記載の圧力センサ。 - 前記少なくとも2つのモジュール層のうちの第1のモジュール層は、流体源へ結合されるそのポートを有し、前記少なくとも2つのモジュール層のうちの第2のモジュール層は、基準圧力へ結合されるそのポートを有し、前記積み重ねモジュール層のそれぞれは、約数ミクロン×数ミクロンから約数ミリメートル×数ミリメートルの寸法の膜を有する、請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記複数のモジュールのうちの第1のモジュールは、第1の数のサブ区画へ仕切られるそれぞれのモジュールボディを有し、前記複数のモジュールのうちの最後のモジュールは、第2の数のサブ区画へ仕切られるそれぞれのモジュールボディを有し、前記第2の数は前記第1の数よりも大きい、請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記複数のモジュールのうちの第1のモジュールは、少なくとも2つの異なる表面積である第1の数のサブ区画へ仕切られるそれぞれのモジュールボディを有し、前記複数のモジュールのうちの最後のモジュールは、少なくとも2つの異なる表面積である第2の数のサブ区画へ仕切られるそれぞれのモジュールボディを有し、前記第2の数は前記第1の数よりも大きい、請求項1に記載の圧力センサ。
- 第1のモジュールの前記少なくとも2つのモジュール層のうちの第1のモジュール層は、前記圧力センサへの第1の電気的接続部を提供するために、第2のモジュールの少なくとも2つのモジュール層のうちの第1のモジュール層の電極へ電気的に接続されるその電極を有し、前記第1のモジュールの前記少なくとも2つのモジュール層のうちの第2のモジュール層は、前記圧力センサへの第2の電気的接続部を提供するために、前記第2のモジュールの前記少なくとも2つのモジュール層のうちの第2のモジュール層の対応する電極へ電気的に接続されるその電極を有し、前記第2の電気的接続部は、前記第1の電気的接続部から電気的に絶縁されている、請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記第1及び前記第2の電気的接続部の間に結合される静電容量測定回路
をさらに備える、請求項1に記載の圧力センサ。 - 前記静電容量測定回路から測定された静電容量を圧力値へ変換するコントローラをさらに備える、請求項7に記載の圧力センサ。
- それぞれのポートは前記第1の壁内に配置される対の開口部を有する、請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記圧力センサは、前記少なくとも2つのモジュール層のうちの第1のモジュール層の前記ポート内への流体の流れを受け取り、前記少なくとも2つのモジュール層のうちの第2のモジュール層の前記ポートが基準圧力を受け取るように構成され、前記流体の流れは、前記膜がそれぞれのポートへ適用される前記流体の流れと前記基準との間の圧力差に従って偏向することを引き起こす、請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記モジュール層の前記ポートの外への流体の流れは、前記区画上の膜が前記区画内へ後退することを引き起こし、前記モジュール層の前記ポート内への流体の流れは、膜が前記区画から離れて動くことを引き起こす、請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記少なくとも2つのモジュール層のうちの第1のモジュール層の前記ポートの外への流体の流れは、その膜が前記区画を加圧することを引き起こし、前記第1のモジュール層に隣接して配置される前記少なくとも2つのモジュール層の第2のモジュール層の前記ポート内への第2の流体の流れは、その膜が前記区画を拡大することを実質的に同時に引き起こす、請求項1に記載の圧力センサ。
- 前記第2のモジュール層の前記ポートは、下位圧力モードのための前記基準へ結合される、請求項12に記載の圧力センサ。
- 前記第1のモジュール層の前記ポートは、過剰圧力モードのための前記基準へ結合される、請求項12に記載の圧力センサ。
- 第1の圧力範囲にわたって動作可能な第1のモジュールと、
第2の異なる圧力範囲にわたって動作可能な第2のモジュールと
を備えるマイクロ圧力センサであって、前記第1のモジュールは、
第1の複数の第1のモジュール層の第1の積み重ねを備え、それぞれの第1のモジュール層は、
区画を画定する壁を有する第1のモジュールボディであって、前記画定された区画は、第1の複数のサブ区画へ仕切られる第1のモジュールボディと、
前記第1のモジュールボディの第1の壁内に配置される流体の進入又は退出のための第1のポートであって、前記第1のモジュールボディの残りの壁は中実である、第1のポートと、
前記区画を覆う前記第1のモジュールボディの第1の表面へ添付される第1の膜と、
前記第1の膜の表面上に添付される第1の電極と
を備え、前記第2のモジュールは、前記マイクロ圧力センサ内に添付され、前記第2のモジュールは、
第2の複数の第2のモジュール層の第2の積み重ねを備え、それぞれの第2のモジュール層は、
区画を画定する壁を有する第2のモジュールボディであって、前記画定された区画は、前記第1の複数のサブ区画とサブ区画の数及びサイズのうちの1又は複数において異なる第2の複数のサブ区画へ仕切られる、第2のモジュールボディと、
前記第2のモジュールボディの第1の壁内に配置される流体の進入又は退出のための第2のポートであって、前記第2のモジュールボディの残りの壁は中実な壁である、第2のポートと、
前記区画を覆う前記第2のモジュールボディの第1の表面へ添付される第2の膜と、
前記膜の表面上に添付される電極と
を備える、マイクロ圧力センサ。 - 追加のモジュール層の追加の積み重ねの少なくとも1つの追加のモジュールをさらに備える、請求項15に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記マイクロ圧力センサは静電容量測定回路へ結合される、請求項15に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記第1のモジュールは、前記第2のモジュールと積み重ねられ、前記第1のモジュールを前記第2のモジュールへ添付するために、前記第1のモジュールと前記第2のモジュールとの間に配置されるスペーサ部材をさらに備える、請求項15に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記第1の複数のサブは、2つの異なるサイズのうちの1つのサブ区画を有し、前記第2の複数のサブ区画は、3つの異なるサイズのうちの1つのサブ区画を有する、請求項15に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記複数のモジュールのうちの第1のモジュールへ接続される第1のエンドキャップと、前記複数のモジュールのうちの最後のモジュールへ接続される第2のエンドキャップと
をさらに備える、請求項15に記載のマイクロ圧力センサ。 - マイクロ圧力センサ要素を製造する方法であって、
周縁の壁を有するボディ要素を生産するために材料の第1のシートをパターニングすることであって、前記ボディ要素は、複数のサブ区画内へさらにパターニングされ、前記複数のサブ区画のうちの少なくともいくつかは、前記ボディ要素の前記周縁の壁により部分的に囲まれ、前記サブ区画はまた、前記ボディ要素の内部の壁により画定され、前記内部の壁の一部は、前記サブ区画の間の流体の進入及び退出を可能とするための開口部を有する、ことと、
前記第1のシートの材料と比較して柔軟である柔軟性材料の第2のシートを前記ボディ要素へ添付することであって、前記第2のシートは、モジュール層要素を生産するために、前記ボディ要素内に画定される内部の壁へ添付される合成積層構造を提供するための導電性表面層を有する、ことと
を備える、方法。 - 前記第2のシート上の電極を提供するために、絶縁領域内へ前記第2のシート上に前記導電層をパターニングすること
をさらに備える、請求項21に記載の方法。 - 外部回路への金属ビアによる接続のためのタブを有する電極を生産するために、前記第2のシート上に前記導電層をパターニングすること
をさらに備える、請求項21に記載の方法。 - 複数の前記モジュール層要素を生産することであって、それぞれの前記モジュール層要素が、ボディ要素へ添付される柔軟性材料の第2のシートを複数のサブ区画内へパターニングされた前記ボディ要素を有し且つ導電性表面を有する、ことと、
共に添付される前記モジュール層要素の積み重ねを形成することと、
対のエンドキャップの間の前記モジュール層要素の積み重ねを添付することと
を備える、請求項21に記載の方法。 - 前記第1のシートをパターニングすることは、
前記ボディの前記周縁の壁の一部を通るホールを提供するために前記第1のシートをパターニングすることと、
前記モジュール層要素のうちの対応するモジュール層要素内の前記ビアと接触するように前記金属ビアを前記ホールを通して形成することと
をさらに備える、請求項24に記載の方法。 - 前記ボディ要素の第1の周縁の壁内のポートを生産するために前記第1のシートをパターニングすること
をさらに備える、請求項23に記載の方法。 - パターニングすることは、
前記モジュール層のうちの少なくとも1つへエンドキャップを適用すること
をさらに備える、請求項21に記載の方法。
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