JP4607889B2 - 容量性差圧変換器を備えた汚染物質堆積制御バッフル - Google Patents

容量性差圧変換器を備えた汚染物質堆積制御バッフル Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
本発明は、容量性圧力変換器に関し、更に詳細には、この容量性圧力変換器内の汚染物質の堆積制御に関する。
図１Ａは、従来技術の容量性圧力変換器１００の側断面図を示している。便利に図示するために、図１Ａは、本開示の他の図面と同様に、縮尺して示されてはいない。示されているように、変換器１００は、ハウジング１０２、このハウジング１０２内に配置された容量性圧力センサー１０６、入口チューブ１０４、およびろ過機構１０８を有している。便利に図示するために、変換器１００の細部の殆どが、図１Ａでは省略されている。しかしながら、このようなセンサーは、良く知られており、例えば米国特許５，９１１，１６２号および６，１０５，４３６号と、米国特許出願０９／３９４，８０４号および０９／６３７，９８０号とに開示されている。
簡単に説明すると、変換器１００は、通常は、カップリング１１２によって、気体ライン１１０あるいは気体、即ち流体１１１の何らかの他の外部源に結合されている。運転中、センサー１０６は、気体１１１の圧力（即ち、外部源１１０内の圧力）を表す出力信号を発生させる。
変換器１００のような圧力変換器は、集積回路加工鋳造所で、例えば堆積チャンバへと運ばれる気体ライン中の流体の圧力を測定したり、または、堆積チャンバ中の圧力を測定したりするためなどに使用されることが多い。アルミニウムのエッチングのような集積回路加工で用いられるこうした処理の幾つかでは、大量の粒子あるいは汚染物質が発生する傾向がある。このような汚染物質がセンサー１０６中に入るのを防ぐことが一般に望ましい。汚染物質がセンサー１０６中に入るか、この中で堆積したときは、変換器１００による圧力測定の精度に悪影響が出る。従って、従来技術の圧力変換器では、汚染物質がセンサー１０６にたどり着かないように様々の機構を使用してきた。このような従来技術のろ過機構は、一般には、入口チューブ１０４とセンサー１０６との間に配置されるもので、図１Ａに概して参照符号１０８で示されている。
図１Ｂは、センサー１０６（以下に説明するように部材１２７ａ、１２７ｂ、および１６０を有している）とろ過機構１０８（以下に示説明するように部材１４０，１５０を有している）との両方を示す、特定の従来技術の圧力変換器１００の更に詳しい図を示している。変換器１００は、比較的薄い可撓性の導電ダイヤフラム１６０によって分離された下部ハウジング１０２ａと上部ハウジング１０２ｂとを有している。下部ハウジング１０２ａおよび上部ハウジング１０２ｂと、ダイヤフラム１６０とは、通常は、互いに溶接されている。上部ハウジング１０２ｂとダイヤフラム１６０とは、入口チューブ１０４中に開口している内部チャンバ１３０を規定している。ダイヤフラム１６０は、チャンバ１２０，１３０中の圧力差に応じて曲がるか反れるようにされている。
変換器１００は、チャンバ１２０内に配置されたセラミック電極１２２を有している。この電極１２２は、サポート１２４によってチャンバ１２０内で支持されている。内側導体１２７ａと外側導体１２７ｂとが、電極１２２の底部に設けられている。図１Ｃは、内側および外側導体１２７ａ、１２７ｂの幾何学を示す電極１２２の底面図を示している。示されているように、内側導体１２７ａは、円形である。外側導体１２７ｂは、環状で、内側導体１２７ａを囲んでいる。内側導体１２７ａの面積は、通常は、外側導体１２７ｂの面積と等しくなるように選択されている。導体１２７ａ、１２７ｂは、概して、互いに平行であり、ダイヤフラム１６０から離間されている。ダイヤフラム１６０と導体１２７ａ、１２７ｂとは、２つの可変キャパシタ１２８ａ、１２８ｂを形成している。更に詳細には、ダイヤフラム１６０と内側導体１２７ａとは、内側静電容量Ｃinnerを特徴とする可変内側キャパシタ１２８ａを形成している。同様に、ダイヤフラム１６０と外側導体１２７ｂとは、外側静電容量Ｃouterを特徴とする可変外側キャパシタ１２８ｂを形成している。
各可変キャパシタの静電容量は、部分的に、ダイヤフラムと、関連した導体との間の距離ｄによって決定される。更に詳細には、良く知られているように、Ｃ＝Ａｅｒｅ０／ｄである。ここでＣは、２つの互いに平行な導体プレートの間の静電容量であり、Ａは、これらプレート間の共通領域であり、ｅ０は、真空の誘電率であり、ｅｒは、プレートを分離する材料の相対的な誘電率であり（真空の場合はｅｒ＝１）、ｄは、プレート間の軸方向の距離である（即ち、プレートの法線の軸に沿って測定されるプレート間の距離）。
ダイヤフラム１６０がチャンバ１２０，１３０間の差圧の変化に応じて曲がると、可変キャパシタ１２８ａ、１２８ｂの静電容量は変化して、差圧の兆候を表す。
真空状態に近くなることがある基準圧力が、通常は、チャンバ１２０中で与えられる。入口チューブ１０４は、カップリング１１２を介して、気体１１１を収容する気体ライン１１０に接続されている。また、変換器１００は、気体１１１の圧力を表す電気的な出力信号を与える。他の構成では、チャンバ１２０中へつながる第２の入口チューブが設けられ、第２の外部源に接続されていてよい。このような構成では、変換器１００は、２つの外部源の間の差圧を表す信号を与える。変換器は、本明細書では、気体あるいは流体１１１の圧力を測定する点について説明されているが、差圧変換器としても使用可能であることが理解されるだろう。
容量性圧力変換器は、単一導体および単一可変キャパシタのみを使用して形成され得る。しかしながら、このような変換器によって発生される出力信号は、ダイヤフラムの“平坦なシフト”に応じて変化するという望ましくない特徴を有している。この平坦なシフトは、気体１１１の圧力とは関係のない、変換器の周囲環境における温度変化などの要素によって生じる。変換器の様々の部品の様々の熱膨張率により、ダイヤフラムと電極との間の距離が変えられ得る。公知のように、変換器の精度および安定性は、変換器の２つの可変キャパシタを設けることと、これら２つのキャパシタの差の関数（例えば、ＣinnerマイナスＣouterの関数）に係わる変換器の出力信号を発生させることとによって、改良され得る。気体１１１の圧力が増すとき、ダイヤフラム１６０が曲がるか撓み、この結果、ダイヤフラム１６０の中心部が、ダイヤフラムの外側部よりも電極１２２の近くへと移動する。これにより、内側および外側静電容量の両方が変化するが、内側静電容量が相当に変化する。内側および外側静電容量の間のデルタが、気体１１１の圧力のよい表示を与える。しかしながら、全ダイヤフラム１６０がダイヤフラムの法線の方向に、電極１２２の近くへあるいは遠くへ移動する場合（即ち、ダイヤフラム１６０が“平坦なシフト”を経験する場合）、内側および外側静電容量は同じ量だけ変化し（内側および外側導体の面積が等しい場合に限って）、出力信号（２つの静電容量の間の差に基づいた）は影響を受けない。かくして、２つの可変キャパシタを設けることで、有利に、ダイヤフラムの平坦なシフトに鈍感な変換器を得ることができる。
上述されたように、汚染物質（例えばエッチングによるアルミニウムによって生じた）が、ガス１１１中に含まれていることが多い。このような汚染物質がダイヤフラム１６０上に堆積したときは、変換器１００の精度に悪い影響を与える可能性がある。汚染物質の堆積によって起こる最も一般的な問題は、一般に、“ゼロシフト”と呼ばれている。変換器１００によって発生される出力信号は、一般に、所定の最小値と所定の最大値との間の範囲内に収まる。例えば、１つのよくある選択は、０〜１０ボルトに及ぶ変換器の出力信号をアナログ信号にすることである。ゼロボルトというのは、変換器によって検出可能な圧力の最小限値を表し、１０ボルトとは、こ変換器によって検出可能な最大圧力値を表しており、これらの信号は、０〜１０ボルトの間の圧力に応じて線形に変化する。通常は変換器内でチャンバ１２０，１３０の外部に配置される電子機器（図示されず）が、通常は、この出力信号を発生させる。変換器がゼロシフトを経験したときは、これは、気体１１１の圧力が検出可能な圧力の最小限値にある時のゼロボルトに等しい出力信号を発生しないだろう。むしろ、気体の圧力がこの最小限値にある時は、変換器は、非ゼロ出力信号を発生するだろう。汚染物質の堆積によって起こるゼロシフトおよび他の問題を減じようとする際に、従来技術の変換器は、汚染物質がダイヤフラム１６０上に堆積するのを防ぐように様々のフィルターを使用してきた。
図示されている変換器１００では、汚染物質のろ過機構１０８が、粒子トラップシステム１４０とバッフル１５０とを有している。トラップシステム１４０は、バッフル１４１を有しており、この上面図が、図２に示されている。バッフル１４１は、中央の円形の閉じた部分１４２と、この閉じた部分１４２を囲むように配置され、複数の開口１４４を形成している、複数の環状の領域とを有している。これら開口１４４は、バッフル１４１を中心として周方向に均等に離間され、径方向に異なる直径を有するように配置された一連の領域として形成されている。中央部１４２の直径は、入口チューブ１０４の直径よりも大きく、かくして、入口チューブ１０４からダイヤフラム１６０への直通通路をブロックする。よって、入口チューブ１０４内の汚染物質は、ダイヤフラム１６０まで直線通路に従って進むことは出来ず、代わりに、入口チューブ１０４の距離だけ移動した後に、入口チューブ１０４の長さ方向に対してほぼ垂直な方向に（この垂直方向は図１Ｂに矢印Ｌで概して示されている）移動し、環状チャンバ領域１４６中に入り、そして、周辺開口１４４の１つを通過する。周辺開口１４４は、比較的大きな粒子がこの開口を通過できないような大きさ（例えば、２５０ミクロン以上）にされている。トラップシステム１４０はまた、バッフル１４１とハウジング部材１０２ａとの間に規定されたチャンバ１４６を有している。開口１４４を通過できなかった粒子は、チャンバ１４６内に集積されるか、捕捉される傾向がある。
上述されたように、変換器１００はまた、ダイヤフラム１６０も到達する可能性のある汚染物質の数を更に減じるためにバッフル１５０を有している。バッフル１５０は、米国特許６，４４３，０１５号に説明されている。図３は、バッフル１５０の上面図を示している。示されているように、バッフル１５０は、外周の周りに配置されて互いに均等に離間されたタブ１５２を備えた基本的に円形の金属プレートである。ハウジング部材１０２ａは、バッフル１５０を図１Ｂに示された位置で支持するようにタブ１５２と接触するようになる段付き領域を有している。
タブ１５２は、基本的に、バッフル１５０の周辺端部とハウジング部材１０２ａとの間の、タブの長さによって決定される径方向の幅を有する複数の環状領域１５４を規定している（図１Ｂおよび図３に示されている）。バッフル１５０とハウジング部材１０２ａとは、所定の汚染物質が入口チューブ１０４からダイヤフラム１６０まで移動する場合に通過する領域１５８を規定している。領域１５８は、環状であり、上方はバッフル１５０によって、下方はバッフル１４１か下方のハウジング部材１０２ａかによって、区画されている（用語“上方”と“下方”とは、図１Ｂに関連しているが、変換器１００の絶対的な方向を示唆するものでは全くない）。汚染物質は、周辺開口１４４を介して領域１５８中に入り、バッフル１５０の周辺端部とハウジング部材１０２ａとの間の環状領域１５４（図１Ｂおよび図３に示されている）を介して領域１５８から出ることができる。
領域１５８は、長さＬと間隔ｇとを特徴とする。領域１５８の長さＬ（図１Ｂに示されている）は、環状領域１５４までの開口１４４間の距離である。領域１５４の間隔ｇは、バッフル１５０とハウジング部材１０２ａとの間の距離である。領域１５８のアスペクト比が、長さＬ対間隔ｇの比率として規定されている。米国特許６，４４３，０１５号で教示されているように、アスペクト比は、１０より大きいと好ましい。長さＬは、少なくとも１ｃｍであり、約１〜４ｃｍの範囲内であると好ましい。間隔ｇは、約０．１ｃｍに満たなく、０．０２５〜０．１ｃｍの範囲内であると好ましい。
チャンバ１３０中の圧力が比較的低いとき（例えば、０．０２Torr未満である）は、チャンバ１３０中の材料の動きは、“分子流”を特徴とする。分子流では、チャンバ１３０中の分子が、変換器の固体表面に衝突するまで概して直線方向に移動する。これは、分子が変換器の１つの面から他の面へと直線通路に沿って移動しにくい代わりにはるかに互いから跳ね返りやすくなる、より密集した気体中での動きと対照をなしている。分子流の状況下では、領域１５８を通って移動する汚染物質が、バッフル１５０およびハウジング部材１０２ａの表面と、環状領域１５４に到達しこれを通過する前で既に、何度も衝突することになりやすい。汚染物質の粒子が、領域１５８を通過し続けたり環状領域１５４を通過するよりむしろ、バッフル１５０かハウジング部材１０２ａかの表面上に堆積するか溜まるようになる見込みが、汚染物質がバッフル１５０およびハウジング部材１０２ａの表円と衝突する数の増加関数（increasing function）である。長さＬ対間隔ｇのアスペクト比を１０より大きくなるように選択することで、領域１５８を移動する汚染物質が、領域１５８を通過し続けるか環状領域１５４を通過して、最終的にはダイヤフラム１６０に到達するよりもむしろ、バッフル１５０かハウジング部材１０２ａかの表面上に堆積しやすくなるように確実にできる。
トラップシステム１４０とバッフル１５０との使用は、ダイヤフラム１６０に到達する汚染物質の数を大きく減じるのと、対応したゼロシフトを減じるのとに効果的である。しかしながら、それでも、容量性圧力変換器のダイヤフラム上への汚染物質の堆積を更によく制御することができれば有利である。
従来のろ過技術は、可能な限り多くの汚染物質が容量性圧力変換器のダイヤフラムへと達しないようにするか達する量を減じるように試みてきた。本発明は、異なるアプローチを取っている。汚染物質をなくす代わりに、本発明に関わって構成されたバッフルが、汚染物質が変換器の性能に与えかねない悪影響を最小限にするために汚染物質を所定のパターンでダイヤフラムの方へ導く。
２つの可変キャパシタを有する変換器では、ダイヤフラム上の特定の導体近くに堆積した汚染物質が、この導体に関連した可変キャパシタの静電容量に対して、他の可変キャパシタに対するよりも、より強い悪影響を与えることが多い。変換器は、一般に、２つの可変キャパシタの静電容量間の差の関数に係わる出力信号を発生させる。かくして、汚染物質が出力信号に与える可能性のある悪影響は、汚染物質が両可変キャパシタに等しいかほぼ等しい影響を与えることを確実にすることによって、最小にされる。本発明に係わって構成されたバッフルにより、ダイヤフラム上の１つの導体の近くに堆積する汚染物質の量が、例えばダイヤフラム上の他の導体の近くに堆積する汚染物質の量とほぼ等しくなることを確実にするように、ダイヤフラム上に汚染物質が堆積可能でありこのダイヤフラムが構成可能なように制御を与える。
本発明の他の課題および利点は、単に本発明の最も好ましい態様を示すことによって幾つかの実施形態が示されて説明されている以下の詳細な説明により、当業者には容易に明らかになるだろう。理解されるように、本発明は、他のおよび異なる実施形態にも対応可能であり、その幾つかの細部は、本発明から逸脱することなく、様々の点で改良可能である。従って、図面および説明は、本発明の範囲を制限するのではなく、事実上説明のためのものであり、本発明の応用範囲は、請求項に示されていると考えられる。
図４Ａは、本発明に係わって構成された容量性圧力変換器２００の側断面図を示している。従来技術の圧力変換器１００の図示されている（図１Ｂに）構成部品に加えて、変換器２００はまた、内部チャンバ１３０内でダイヤフラム１６０とバッフル１５０との間に配置された堆積制御バッフル２５０を有している。圧力変換器２００中に入る材料（例えば気体分子か粒子汚染物）は、気体ライン１１０を通って入り、ダイヤフラム１６０に接触する前に、トラップシステム１４０およびバッフル１５０を通過し、最後に堆積制御バッフル２５０を通る。以下に更に説明されるように、バッフル２５０は、圧力変換器２００内のゼロシフトを制御するようにチャンバ１３０内の汚染物の流れの方向を変える。
図４Ｂは、変換器２００の一部分の拡大図を示している。更に詳細には、図４Ｂは、電極１２２およびダイヤフラム１６０の拡大した側断面図を示している。図示されているように、ダイヤフラム１６０は、内側導体１２７ａおよび外側導体１２７ｂに対する近さに応じて３つの異なる領域に分割されると考えられる。ダイヤフラム１６０の内側領域Ｉが、内側導体１２７ａに近接している。ダイヤフラム１６０の中間領域Ｍが、外側導体１２７ｂに近接している。また、ダイヤフラム１６０の外側領域Ｏが、外側導体１２７ｂの外側に位置している。領域Ｉ，Ｍ、およびＯの範囲を規定する際にはある程度の自由がある。図４Ｂでは、内側領域Ｉと中間領域Ｍとの境界線が、導体の一端から導体の法線の方向に延びた線によって決定されている。あるいは、領域ＩおよびＭは、内側導体および外側導体の“下に位置する”として説明され、領域Ｏは、外側導体の周りに延びており下に位置してはいないとして説明され得る（用語“下に位置する”は、図４Ａおよび図４Ｂに示された方向を参照していて、変換器の何らかの絶対的な方向を示唆してはいない）。しかしながら、これらの領域は、このような正確さをもって規定される必要がないことが理解されるだろう。内側領域Ｉおよび中間領域Ｍは、夫々に、内側および外側導体に単に近接していると考えられ、外側領域Ｏは、中間領域Ｍの外側に位置すると考えられる。または、外側領域Ｏは、ダイヤフラムのこの領域が内側および外側キャパシタの静電容量に大抵の場合は影響しないことから、ダイヤフラムの“活動領域”の外部に位置すると考えられ得る。
内側領域Ｉ内の汚染物質の堆積は、内側キャパシタ１２８ａ（即ち、ダイヤフラム１６０と内側導体１２７ａとによって規定されたキャパシタ）の静電容量に影響しやすい。中間領域Ｍ内の汚染物質の堆積は、外側キャパシタ１２８ｂ（即ち、ダイヤフラム１６０と外側導体１２７ｂとによって規定されたキャパシタ）の静電容量に影響しやすい。外側領域Ｏ内の汚染物質の堆積は、可変キャパシタ１２８ａ、１２８ｂのいずれの静電容量にも大きな影響を与えない。内側領域Ｉ内の汚染物質の堆積により、内側キャパシタ１２８ａの静電容量が増されるか減じられることがある。同様に、中間領域Ｍ内の汚染物質の堆積により、外側キャパシタ１２８ｂの静電容量が増されるか減じられることがある。堆積された汚染物質層の表面張力や汚染物質の堆積状況などの要因に応じて、汚染物質の堆積により、関連した可変キャパシタの静電容量が増されるか、減じられる。アルミニウムのエッチングのような所定のプロセスでは、静電容量を増す汚染物質の堆積を生じることがある。他のプロセスは、静電容量を減じる汚染物質の堆積を生じやすい。はっきりと指定されている場合を除き、以下の説明は、汚染物質が静電容量の増加を生じる多様性を有していることを想定している。
図１Ｂに戻ると、従来技術の変換器１００が汚染物質の豊富な環境で動作されるとき、バッフル１５０によって、ダイヤフラム１６０に到達しこれの上に堆積する汚染物質の大部分がダイヤフラムの外側領域Ｏ内に堆積されることを確実にしやすい。外側領域Ｏ内（即ち、活動領域の外部）に堆積された汚染物質は、領域ＩおよびＭ内の汚染物質の堆積だけでなく、可変キャパシタの静電容量にも影響を与えない。しかしながら、時間の経過と共に、バッフル１５０が、多くの汚染物質が中間領域Ｍに到達するのを許すようになり、外側キャパシタ１２８ｂの静電容量を増す。このとき、変換器１００が、“負のゼロシフト”を経験する。変換器の出力信号は、内側静電容量マイナス外側静電容量の関数に従って発生されるので、外側キャパシタが人為的に増されると（即ち、汚染物質の堆積などの、気体１１１中の圧力変化以外の要因によって生じる変化）、所定の気体圧力に応じて変換器１００によって発生された出力信号の値が減じられる傾向がある。気体１１１の圧力が変換器１００によって測定可能な最小限度値にあるとき、並びに、変換器１００によって発生される出力信号がゼロボルトであるとき、汚染物質によって誘発された外側静電容量の増加により、変換器１００が、ゼロボルト以下の出力信号、即ち、“負のゼロシフトされた”出力信号を発生させる。
負のゼロシフトは、変換器１００の多くの使用者にとって潜在的に深刻な問題を表している。変換器１００は、通常は、気体１１１の圧力を表すアナログ出力信号を生じる。アナログ出力信号は、一般に、予想される最小値以下の値を想定する（例えば、これは、ゼロボルトが予想される最小値である時に負の値を想定する）ことができ、また、予想される最大値を越える値を想定することもできる。しかしながら、変換器１００の使用者の多くは、変換器の出力信号をアナログ−デジタルコンバータを介して読む。このコンバータは、予想される最小値以下の出力値を生じることができない。例えば、出力信号の予想される最小値がゼロボルトである時、多くのアナログ−デジタルコンバータは、負のアナログ出力信号（即ち、ゼロボルト以下の信号）をデジタルのゼロに変換するので、これによって、負のゼロシフトを見えないもの、あるいは検出できないものとして表現するだろう。
上述されたように、変換器２００では、バッフル２５０が、圧力変換器２００内のゼロシフトを制御するように、チャンバ１３０中の汚染物質の流れを再方向付けする。バッフル２５０はゼロシフトをなくそうとする傾向があり、ゼロシフトが生じる程度まで、バッフル２５０は、ゼロシフトが“負のゼロシフト”の代わりに“正のゼロシフト”であるのを確実にする傾向がある。正のゼロシフト（例えば、気体１１１の圧力が検出可能な最小値である時に変換器の出力信号が予想される最小値以上であるようなシフト）が、一般に、変換器１００の使用者によってより簡単に検出可能であり、再測定によって対処できることから、変換器２００内に生じる所定のゼロシフトが確実に負より正になるようにすると有利である。
図５は、図４Ｂに示されているように矢印５−５の方向に切断された、内側導体１２７ａおよび外側導体１２７ｂとアラインメントされた堆積制御バッフル２５０の図を示している。便利に図示するために、バッフル２５０と内側および外側導体１２７ａ、１２７ｂとの間に配置されるダイヤフラム１６０が、図５には示されていない。示されているように、堆積制御バッフル２５０は、内側領域Ｉ、中間領域Ｍ、外側領域Ｏの３つの領域に分割されている。バッフル２５０の内側領域Ｉは、点線の円２６２の内側に位置している。バッフル２５０の中間領域Ｍは、点線の円２６４と２６２との間に位置している。バッフル２５０の外側領域Ｏは、点線の円２６４の外側に位置している。バッフル２５０の内側領域Ｉ、中間領域Ｍ、および外側領域Ｏ内に孔が形成されている（図５には示されていない）。
バッフル２５０は、（ａ）バッフル２５０の内側領域Ｉの孔を通る汚染物質の大半がダイヤフラムの内側領域Ｉに堆積する傾向があり、（ｂ）バッフル２５０の中間領域Ｍの孔を通る汚染物質の大半がダイヤフラムの中間領域Ｍに堆積する傾向があり、（ｃ）バッフル２５０の外側領域Ｏの孔を通る汚染物質の大半がダイヤフラムの外側領域Ｏに堆積する傾向があるような形で、ダイヤフラム１６０の近くに配置されている。気体（分子流れを特徴とする低圧気体でさえ）の中の粒子のランダムな動きによって、バッフル２５０の内側領域Ｉの孔を通る汚染物質の一部は、内側領域Ｉの外部でダイヤフラムに堆積する。同様に、バッフル２５０の中間領域Ｍおよび外側領域Ｏを通る汚染物質の一部は、夫々に、ダイヤフラム１６０の中間領域Ｍおよび外側領域Ｏの外部でダイヤフラム１６０に堆積する。しかしながら、バッフル２５０の所定の粒子領域を通る粒子の大半がダイヤフラムの対応した領域内に堆積するため、バッフル２５０は、汚染物質がダイヤフラム上に堆積するときに汚染物質の堆積位置を制御する。
従来のろ過技術は、全て、あるいは可能な限り多くの汚染物質がダイヤフラム１６０に到達するのを防ぐように試みた。堆積制御バッフル２５０は、違う戦略を用いていて、汚染物質を無くしたり捕捉することに頼る代わりに、堆積制御バッフル２５０が、ダイヤフラムの汚染物質が堆積すると予想されるところを制御するものである。堆積制御バッフル２５０は、従来技術では不可能であったレベルの制御を可能にする。
堆積制御バッフル２５０の孔は、所望の作用を果すように様々なパターンに配置することができる。例えば、１つの構成では、バッフル２５０の内側領域Iの全ての孔の総面積が、バッフル２５０の中間領域Ｍの全ての孔の総面積と全く等しくなるように選択されている。理論上は、このような孔の面積の選択（および汚染物質の堆積の対応した釣り合い）により、変換器２００がゼロシフトを経験することがないようにされる。これは、内側キャパシタ１２８ａの静電容量の増加（バッフル２５０の内側領域Ｉを通る汚染物質の堆積によって起こる）が外側キャパシタ１２８ｂの静電容量の対応した増加（バッフルの中間領域Ｍを通る汚染物質の堆積によって起こる）と完全に一致されるためである。
しかしながら、汚染物質の堆積の完全な釣り合いを果すのは難しいことがあることと、正のゼロシフトが負のゼロシフトよりも好ましいこととにより、バッフル２５０の内側領域Ｉの全ての孔の総面積を、バッフル２５０の中間領域Ｍの全ての孔の総面積よりも僅かに大きくすることが好ましい。このような項の面積の選択により、ゼロシフトを最小にしやすくなるが（ダイヤフラムの内側領域Ｉに到達する汚染物質の量はダイヤフラムの中間領域Ｍに到達する汚染物質の量とほぼ等しくなる）、また、生じるゼロシフトが確実に負よりも正となるようにする（即ち、ダイヤフラムの内側領域Ｉに到達する汚染物質の量がダイヤフラムの中間領域Ｍに到達する汚染物質の量よりも僅かに多いため）。
また、バッフル２５０の外側領域Ｏに孔を形成することによって、汚染物質の一部をダイヤフラムの外側領域Ｏ（理論的にゼロシフトに最も影響が少ない場所）へと導くことが好ましい。理論上は、変換器２００は、外側領域Ｏにバッフル２５０の全ての孔を形成することによって（かくしてダイヤフラムの外側領域Ｏへと全ての汚染物質を導くことによって）完全にゼロシフトをなくすことができる。しかしながら、バッフル２５０の外側領域Ｏを通る汚染物質の一部は、必然的に、外側領域Ｏ以外の領域にも堆積する。このような構造は、最終的にはゼロシフトを生じやすい。従って、最も好ましい実施形態では、バッフル２５０の全３つの領域Ｉ，Ｍ，およびＯに孔が形成されている。１つの実施形態では、外側領域Ｏが、バッフル２５０の孔の総面積の４０％の孔を有し、中間領域Ｍが、バッフル２５０の孔の総面積の２９％の孔を有し、内側領域Ｉが、バッフルの孔の総面積の残り３１％の孔を有している。このような数は相当に変えることができることが理解されるだろう。しかしながら、内側領域Ｉの孔の総面積が中間領域の孔の総面積よりも僅かに大きいと一般に好ましく、外側領域Ｏが孔の総面積の非ゼロ部分（non-zero portion）を有していると更に好ましい。あるいは、堆積制御バッフル２５０の孔の所望の構成が、Ｉ：Ｍの比率から、即ち、バッフル２５０の中間領域Ｍの孔の総面積に対するバッフル２５０の内側領域Ｉの孔の総面積の比率から、表されてもよい。このＩ：Ｍの比率は、ほぼ１であるが１よりも僅かに大きいと好ましい。また、バッフル２５０の外側領域Ｏは、バッフル２５０の孔の総面積の非ゼロ部分を有していると好ましい。
図６Ａは、図４Ｂに示されているような矢印５−５の方向に切断された、堆積制御バッフル２５０の１つの実施形態の図を示している。この実施形態では、バッフル２５０は、複数の孔２５２を有しており、これらの孔２５２は、同心円状のリング２５３，２５４，２５５，２５６、および２５７のように配置されている。これらの孔２５２は、所定のリングの全ての孔２５２がリングの形、あるいは環状の穿孔領域を形成するように成形されている。互いに近接した孔２５２は、バッフル２５０を通って径方向に（あるいはスポーク状に）延びたリブ２５８によって分離されている。これらリブ２５８は、孔２５２を形成するように穿孔されていない、バッフル２５０の一部分によって形成されている。
図４Ｂに示された矢印５−５の方向に切断された図６Ｂは、バッフル２５０と内側および外側導体１２７ａ、１２７ｂとのアラインメントを示しており、これら導体は、平行線模様（cross-hatching）を有するように示されている。便利に図示するために、バッフル２５０と内側および外側導体１２７ａ、１２７ｂとの間に配置されるダイヤフラム１６０が、図６Ｂには示されていない。示されているように、内側の３つのリング２５３，２５４、および２５５が、内側導体１２７ａの下に位置し、４つ目のリング２５６が、外側導体１２７ｂの下で揃えられ、最も外側のリング２５７は、外側導体１２７ｂの外側に配置されている。図４Ｂを参照すると、これらリング２５３，２５４、および２５５を通る汚染物質の大半は、ダイヤフラム１６０の内側領域Ｉに堆積し、リング２５６を通る汚染物質の殆どは、ダイヤフラム１６０の中間領域Ｍに堆積し、リング２５７を通る汚染物質の殆どは、ダイヤフラム１６０の外側領域Ｏに堆積することが、理解されるだろう。
堆積制御バッフル２５０は、下部ハウジング１０２ａの肩部１４８（図４Ａに示されている）に溶接されていると好ましい。バッフル２５０は、バッフル２５０の外周に位置しているとともに互いに近接したリブ２５８の間で均等に離間されている場所２５９（そのうちの幾つかは図６Ａに示されている）でスポット溶接されている。バッフル２５０とハウジング１０２とは、同じ金属（例えばインコネル（Inconel））で形成可能である。バッフル２５０とダイヤフラム１６０との間の間隔は、例えば、０．０３ｃｍである。バッフル２５０は、バッフル１５０，１４０と共に使用されることが好ましい。しかしながら、バッフル２５０はまた、汚染堆積物を制御するための唯一の機構として使用されてもよい。
図６Ａおよび図６Ｂに示されているバッフル構成の代替案は、Pall Corporation of East Hills, New YorkおよびMott Corporation of Farmington, Connecticutから市販されているもののような焼結した金属部材から堆積制御バッフル２５０を加工することである。このような部材は、メッシュ状であり、複数の非常に小さな孔を形成している。また、このような部材は、変換器２００を図４Ａで概して符号２５０で示されているように変換器２００中に適合可能なように、ディスク形状に加工してもよい。このような部材の各単位面積は、他の単位面積とほぼ同じ孔の面積を規定している。内側導体１２７ａの面積が外側導体１２７ｂの面積とほぼ等しいことから、このような焼結された金属部材を使用することで、内側導体１２７ａの近く（か下に位置する）の孔の総面積が外側導体１２７ｂに近い（か下に位置する）孔の総面積と実質的に等しくなることを、基本的に保証することができる。かくして、このようなバッフルは、汚染物質をダイヤフラムへと通過させながらも変換器からのゼロシフトを減じるかなくす傾向がある。
本明細書で示されている本発明の範囲から逸脱することなく上記の装置に所定の変更が成されるので、上記の説明に含まれているか添付図面に示されている全て事項は、制限的な意味でとらずに説明するためのものと解釈するべきである。例えば、本明細書では、変換器が内側導体と外側の環状導体とを、２つの可変キャパシタを形成するように使用するものだと説明している。本発明に従って構成された変換器では様々な形状の導体が使用でき、また、２つ以上の導体を使用することもできることが、理解されるだろう。更に、本発明に係われば、堆積制御バッフルは、特定の構成の導体に適合するように構成され得る。他の実施形態では、図５を参照すると、バッフル２５０の内側領域Ｉが、内側導体１２７ａよりも大きな領域を有するとして示されており、同様に、バッフル２５０の中間領域Ｍが、外側導体１２７ｂよりも大きな領域を有するとして示されている。バッフル２５０の内側領域、中間領域、および外側領域の境界線は相当に自由に規定できることが理解されるだろう。例えば、バッフル２５０の内側領域Ｉと中間領域Ｍは、内側領域Ｉ全体が内側導体１２７ａのちょうど下に位置し、中間領域Ｍ全体が外側導体１２７ｂのちょうど下に位置するように、導体１２７ａ、１２７ｂの夫々と同一の大きさをもつように規定できる。あるいは、図６Ｂによって示唆されているように、バッフル２５０の内側領域Ｉが、全体に内側導体１２７ａの下に位置し、これよりも小さくあってよい。同様に、バッフル２５０の中間領域Ｍが、外側導体１２７ｂの下に全体に位置し、これよりも小さくあってよい。更なる他の実施形態では、１よりも僅かに小さいＩ：Ｍの比率を有するバッフルが、静電容量の増加を生じる汚染物質の話で説明されている。しかしながら、本発明に従って構成された変換器が、汚染堆積物が静電容量の減少を生じるような環境で使用されている場合は、堆積制御バッフルが１よりも僅かに小さいＩ：Ｍの比率を有することが望ましい（即ち内側領域Ｉの孔の総面積が中間領域Ｍの孔の総面積よりも僅かに小さいことが望ましい）。このような比率は、ゼロシフトと、ゼロシフトが起こる程度とを最小にする傾向があり、また、ゼロシフトが負よりも正となるように確実にする傾向がある。更なる他の実施形態では、堆積制御バッフル２５０が、内側領域Ｉ、中間領域Ｍ、および外側領域Ｏの孔を有するものとして規定されている。しかしながら、堆積制御バッフルは、内側領域Ｉ、中間領域Ｍ、および外側領域Ｏの３つの内２つのみで孔を形成する本発明の圧力変換器として構成および使用することもできる。例えば、このような堆積制御バッフルは、内側領域Ｉと外側領域Ｏで孔を形成し、中間領域Ｍでは孔を形成しないようにすることができる。例えば、このようなバッフルは、（ａ）大半の汚染物質を、理論上は孔が可変キャパシタの静電容量に影響を僅かにしか、または全く及ぼさないダイヤフラムの外側領域Ｏに向かってバッフルを通過するように導き、（ｂ）一部の汚染物質を、汚染物質の堆積から起こるゼロシフトが負よりも正となるように確実にするために、ダイヤフラムの内側領域Ｉに向かってバッフルを通過するようにくことができる。同様に、中間領域Ｍおよび外側領域Ｏのみで（内側領域Ｉを除く）孔を形成するバッフルが、バッフルを通る汚染物質が静電容量を上げるよりは下げるような種類である時に、汚染物質の堆積から起こるゼロシフトが負よりも正となることを確実にするために有用となり得る。また、内側領域Ｉおよび中間領域Ｍで孔を形成し、外側領域では孔を形成していないバッフルもまた、例えば変換器の活動領域の汚染物の堆積全てのバランスを取るのに有用となり得る。更なる他の例では、変換器は、導電性である、即ち、金属のダイヤフラム１６０として説明されている。しかしながら、ダイヤフラムそれ自体は導電性である必要がなく、代わりに、セラミックのような非導電性材料で形成されていてもよいことが理解されるだろう。そのような非導電性のダイヤフラムが使用される場合、導電性フィルムが、ダイヤフラム上に堆積され、可変キャパシタは、ダイヤフラム上の導電性フィルムと、ダイヤフラムに近接して配置された導体とによって形成される。
従来技術の容量性圧力変換器の側断面図である。 従来技術の容量性圧力変換器のより詳細な側断面図である。 図１Ｂに示された電極の底部に溶着された導体のパターンを示している。 図１Ｂに示された従来技術のトラップシステムのバッフルの上面図である。 図１Ｂに示された変換器のバッフルの上面図である。 本発明の容量性圧力変換器の側断面図である。 図４Ａに示された変換器の電極およびダイヤフラムの拡大された側断面図である。 電極上の導体とアラインメントされた本発明のバッフルを示している。 本発明のバッフルの第１の実施形態を示している。 本発明の圧力変換器の導体とアラインメントされた、図６Ａに示されたバッフルを示している。

Claims (22)

  1. Ａ）内部空間を規定しているハウジングと、
    Ｂ）このハウジング内に配置され、前記内部空間を第１のチャンバと第２のチャンバとに分割し、これら第１のチャンバと第２のチャンバとの間の圧力差に応じて曲がるダイヤフラムと、
    Ｃ）前記第１のチャンバ内に配置された内側導体と、
    Ｄ）前記第１のチャンバ内で前記内側導体の周りに配置された外側導体と、
    Ｅ）前記第２のチャンバ内に配置された第１のバッフルとを具備し、
    この第１のバッフルの内側領域は、前記内側導体の下に位置し、前記第１のバッフルの中間領域は、前記外側導体の下に位置し、前記第１のバッフルの外側領域は、前記内側導体と外側導体のいずれの下にも位置しておらず、また、前記第１のバッフルには、第１のグループの複数の孔と、第２のグループの複数の孔とが、形成されており、これら第１のグループの複数の孔と第２のグループの複数の孔とは、前記内側領域と、中間領域と、外側領域とのうち少なくとも２つの領域に、夫々形成されており、
    前記複数の孔の各々は、前記第２のチャンバに入った汚染物質の粒子がこれら孔を通って前記ダイヤフラムに当たることを可能にするようなサイズを有し、
    前記第１のグループの複数の孔の総面積は、前記第２のグループの孔の総面積に対して、前記汚染物質の粒子が前記ダイヤフラムの当たる場所を制御するように、所定の総面積比率を有している、変換器。
  2. 前記第１のバッフルは、前記内側領域と、中間領域と、外側領域の各々に前記複数の孔を形成している、請求項１の変換器。
  3. 前記内側領域の全ての孔の総面積は、前記中間領域の全ての孔の総面積と実質的に等しい、請求項１又は２の変換器。
  4. 前記内側領域の全ての孔の総面積は、前記中間領域の全ての孔の総面積よりも大きい、請求項１又は２の変換器。
  5. 前記内側領域の全ての孔の総面積は、前記中間領域の全ての孔の総面積よりも小さい、請求項１又は２の変換器。
  6. 前記第１のバッフルの内側領域は、前記内側導体よりも大きい、請求項１乃至５のいずれか１の変換器。
  7. 前記第１のバッフルの内側領域は、前記内側導体よりも小さい、請求項１乃至５のいずれか１の変換器。
  8. 前記第１のバッフルの中間領域は、前記外側導体よりも小さい、請求項１乃至６のいずれか１の変換器。
  9. 前記第１のバッフルの中間領域は、前記外側導体よりも大きい、請求項１乃至６のいずれか１の変換器。
  10. 前記第１のバッフルの第１の部分には、前記第１のグループの孔が形成されており、前記第１のバッフルの第２の部分には、前記第２のグループの孔が形成されており、前記第１部分に形成された孔の総面積は、前記第２の部分に形成された孔の総面積と実質的に等しく、前記第１の部分と第２の部分との各々は、前記内側領域と、中間領域と、外側領域とのうちの１つの領域にある、請求項１の変換器。
  11. 前記第１のバッフルは、焼結された金属部材から形成されている、請求項１乃至１０のいずれか１の変換器。
  12. 前記第２のチャンバに開口を与える入口チューブを具備している、請求項１乃至１１のいずれか１の変換器。
  13. 前記開口と第１のバッフルとの間に配置された第２のバッフルを更に具備し、この第２のバッフルの中央領域は、孔を有さず、前記開口よりも大きくされており、この中央領域は、前記入口チューブに対して平行な方向へと開口を通って移動する粒子が第２のバッフルを通過する時は最初に中央領域に接触するようにするために配置されており、また、この第２のバッフルの周辺領域は、前記中央領域の周りに配置され、複数の孔を形成している、請求項１２の変換器。
  14. 前記第１のバッフルと第２のバッフルとの間に配置された第３のバッフルを更に具備し、この第３のバッフルの中央領域は、孔を形成しておらず、この第３のバッフルと前記ハウジングとの間には周辺開口が形成されており、また、この第３のバッフルは、前記第２のバッフルから間隔を空けて離間されており、また、第２のバッフルの前記周辺領域の孔は、前記間隔よりも少なくとも１０倍長い距離だけ前記周辺開口から離されている、請求項１３の変換器。
  15. 前記内側導体は円形であり、前記外側導体は環状であり、前記内側および外側導体は、前記ダイヤフラムに対してほぼ平行に配置されている、請求項１乃至１４のいずれか１の変換器。
  16. 前記ダイヤフラムは、金属により形成されている、請求項１乃至１５のいずれか１の変換器。
  17. Ａ）内部空間を規定しているハウジングと、
    Ｂ）このハウジング内に配置され、前記内部空間を第１のチャンバと第２のチャンバとに分割し、これら第１のチャンバと第２のチャンバとの間の圧力差に応じて曲がるダイヤフラムと、
    Ｃ）前記第２のチャンバ中への開口を与える入口チューブと、
    Ｄ）前記第１のチャンバ内に配置されていて、ダイヤフラムの少なくとも一部分と同様に、内側の静電容量によって特徴付けられている内側導体と、
    Ｅ）前記第１のチャンバ内で前記内側導体の周りに配置されていて、ダイヤフラムの少なくとも一部分と同様に、外側の静電容量によって特徴付けられている外側導体と、
    Ｆ）前記第２のチャンバ内に配置されている第１のバッフルであって、この第１のバッフルの内側領域は、前記内側導体の下に位置し、この第１のバッフルの中間領域は、前記外側導体の下に位置し、この第１のバッフルの外側領域は、前記内側導体と外側導体のいずれの下にも位置しておらず、また、前記第１のバッフルには、第１のグループの複数の孔と、第２のグループの複数の孔とが、形成されており、これら第１のグループの複数の孔と第２のグループの複数の孔とは、前記内側領域と、中間領域と、外側領域とのうち少なくとも２つの領域に、夫々形成されており、
    前記複数の孔の各々は、前記第２のチャンバに入った汚染物質の粒子がこれら孔を通って前記ダイヤフラムに当たることを可能にするようなサイズを有し、前記第１のグループの複数の孔の総面積は、前記第２のグループの孔の総面積に対して、前記汚染物質の粒子が前記ダイヤフラムの当たる場所を制御するように、所定の総面積比率を有している、第１のバッフルと、
    Ｇ）前記開口と第１のバッフルとの間に配置されている第２のバッフルであって、この第２のバッフルの中央領域は、孔を形成せず、前記開口よりも大きくされており、この中央領域は、前記入口チューブに対して平行な方向へと開口を通って移動する汚染物質の粒子が第２のバッフルを通過する時に最初に中央領域に接触するようにするために配置されており、また、この第２のバッフルの周辺領域は、前記中央領域の周りに配置され、複数の孔を形成している、第２のバッフルと、
    Ｈ）前記第１のバッフルと第２のバッフルとの間に配置された第３のバッフルであって、この第３のバッフルの中央領域は、孔を形成しておらず、この第３のバッフルと前記ハウジングとの間には周辺開口が形成されている、第３のバッフルと、を具備している変換器。
  18. 前記第１のバッフルは、前記内側、中間、および外側領域内の各々に前記複数の孔を形成している、請求項１７の変換器。
  19. Ａ）内部空間を規定しているハウジングと、
    Ｂ）このハウジング内に配置され、前記内部空間を第１のチャンバと第２のチャンバとに分割し、これら第１のチャンバと第２のチャンバとの間の圧力差に応じて曲がるダイヤフラムと、
    Ｃ）前記第１のチャンバ内に配置され、前記ダイヤフラムに対してほぼ平行であってこれから離間され、このダイヤフラムの内側部が近接している、内側導体と、
    Ｄ）前記第１のチャンバ内に配置され、前記ダイヤフラムに対してほぼ平行であってこれから離間され、このダイヤフラムの外側部が周りに延びる形で位置した中間部が近接している、外側導体と、
    Ｅ）前記第２のチャンバ内に配置された第１のバッフルとを具備し、
    この第１のバッフルは、内側領域、中間領域、および外側領域を規定し、また、この第１のバッフルには、第１のグループの複数の孔と、第２のグループの複数の孔とが、形成されており、これら第１のグループの複数の孔と第２のグループの複数の孔とは、前記内側領域と、中間領域と、外側領域とのうち少なくとも２つの領域に、夫々形成されており、前記複数の孔の各々は、前記第２のチャンバに入った汚染物質の粒子がこれら孔を通って前記ダイヤフラムに当たることを可能にするようなサイズを有し、前記第１のグループの複数の孔の総面積は、前記第２のグループの孔の総面積に対して、前記汚染物質の粒子が前記ダイヤフラムの当たる場所を制御するように、所定の総面積比率を有しており、この第１のバッフルはまた、
    ｉ）前記ダイヤフラムに向かってこの第１のバッフルの内側領域の孔を通る汚染物質の粒子の大半が、変換器のどこかに接触する前に、ダイヤフラムの内側部に接触し、
    ｉｉ）前記ダイヤフラムに向かってこの第１のバッフルの中間領域の孔を通る汚染物質の粒子の大半が、変換器のどこかに接触する前に、ダイヤフラムの中間部に接触し、
    ｉｉｉ）前記ダイヤフラムに向かってこの第１のバッフルの外側領域を通る汚染物質の粒子の大半が、変換器のどこかに接触する前に、ダイヤフラムの外側領域に接触する、ように配置されている、変換器。
  20. Ａ）内部空間を規定しているハウジングと、
    Ｂ）このハウジング内に配置され、前記内部空間を第１のチャンバと第２のチャンバとに分割し、これら第１のチャンバと第２のチャンバとの間の圧力差に応じて曲がるダイヤフラムと、
    Ｃ）前記第１のチャンバ内に配置された第１の導体と、
    Ｄ）前記第１のチャンバ内に配置された第２の導体と、
    Ｅ）前記第２のチャンバ内に配置された第１のバッフルとを具備し、
    この第１のバッフルの第１の領域は、前記第１の導体に近接し、この第１のバッフルの第２の領域は、第２の導体に近接し、この第１のバッフルの第３の領域は、前記第１の導体と第２の導体のいずれの下にも位置しておらず、この第１のバッフルには、第１のグループの複数の孔と、第２のグループの複数の孔とが、形成されており、これら第１のグループの複数の孔と第２のグループの複数の孔とは、前記内側領域と、中間領域と、外側領域とのうち少なくとも２つの領域に、夫々形成されており、
    前記複数の孔の各々は、前記第２のチャンバに入った汚染物質の粒子がこれら孔を通って前記ダイヤフラムに当たることを可能にするようなサイズを有し、
    前記第１のグループの複数の孔の総面積は、前記第２のグループの孔の総面積に対して、前記汚染物質の粒子が前記ダイヤフラムの当たる場所を制御するように、所定の総面積比率を有している、変換器。
  21. 前記第１のバッフルは、前記内側、中間、および外側領域内の各々に前記複数の孔を形成している、請求項２０の変換器。
  22. 前記ダイヤフラムは、金属により形成されている、請求項２０又は２１の変換器。
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