JP4815350B2 - 圧力センサカプセル - Google Patents

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Description

圧力送信機および他の圧力感知計器は、プロセス流体内の圧力を感知する圧力センサを含む。
圧力センサは、標準化された電気的フォーマットで圧力送信機（あるいは圧力計器）出力を生成する電気的回路へのリード線上に電気的出力を提供する。
圧力センサの周囲の環境状態による誤差が事実上ない圧力センサの電気的出力を得ることが望まれている。しかしながら、実際には、その環境から圧力センサを隔離することは困難で、圧力センサ用構造物の取付けは、大変高価になる。誤差は、その取付け、電気的リード線、および気温傾度を生じる高温のプロセス流体からのセンサに対するストレスによって生じる。誤差はまた、センサの腐食や汚濁によって生じ、かつプロセス流体内の化学物質によって引き起こされる。誤差はさらに、電気的リード線から周囲に流れる迷走電流（stray electrical currents）によって生じる。センサは、圧力への接続、電気的リード線への接続、およびセンサ用の機械的支持を提供するための取付けのための多数の隔離構造を含む。高温、侵食性、または不純なプロセス流体、ならびに電気的プロセス隔離要件に適合し、多数の隔離構造の費用および複雑さを低減することのできる、低費用で圧力センサを装着し隔離する方法が必要とされている。
圧力を受信し感知するための入口チューブを含むカプセルが開示される。カプセルは、入口チューブに結合された流体入口を備えたカプセル壁を含む。カプセル壁はさらに、貫通開口部、および貫通開口部を囲む内部封止表面を含む。圧力センサは、カプセル壁内に装着される。圧力センサは、センサ要素、圧力センサの外部表面上の電気的接続点、および電気的接続点とセンサ要素との間に接続された回路を含む。カプセルは、貫通穴を備えたストレス隔離部材を含む。ストレス隔離部材は、圧力センサに接合された第１の部材表面および封止表面に接合された第２の部材表面を有する。貫通穴は、電気的接触点上に重なる。本発明の実施例を特徴づける他の機能および利点は、後述の詳細な説明およびこれに関連する図面を参照することによって明らかになるであろう。
本発明において、圧力センサは、周囲のカプセル壁内に装着される。カプセル壁は、周囲の環境から圧力センサを分離し、かつセンサを損傷から保護するのに役立つ。センサはストレス隔離部材に装着され、ストレス隔離部材はカプセル壁に装着される。ストレス隔離部材は、取付けストレスから圧力センサを隔離する。ストレス隔離部材は、カプセル壁の貫通開口部と整列する貫通穴を有する。センサは、貫通穴と整列する電気的接続点を有する。ストレス隔離部材の構成は、一つの機械的インタフェース領域に機械的取付けと電気的貫通との両方を提供し、それにより、センサとその環境との間のインタフェースの数を一つのインタフェース領域だけにする。カプセルは、高温、侵食性、または不純なプロセス流体に適合する、低費用の圧力センサの取付けおよび隔離方法を提供する。ガラス対金属封止による高価な市販の電気的貫通の使用が避けられる。その取付けは、本質的な安全承認のために必要な圧力センサのガルバニック隔離を提供する。フレックス回路またはスプリング付ピンは、追加のハードウェアなしで圧力センサ上の電気的接続点に適切に直接接続することができる。一つの取付けインタフェース領域だけで、センサの残りは浮遊され、１つの取付け領域の移動のみであるため、別の取付け領域をもつものに比べてストレスを受ける危険がない。
図１−３は、流体隔離部２２に接続されたカプセル２０の第１の実施例を示す。図２に関して、好ましくはシリコンオイルである隔離流体２４は、プロセス流体２６からカプセル２０内の圧力センサ２８に圧力「Ｐ」を伝達する。この構成によって、プロセス圧力Ｐが圧力センサ２８によって感知されることが可能となり、同時に、圧力センサ２８が、プロセス流体２６との化学的接触により損傷を受けないようにすることが可能となる。隔離部２２は、好ましくは、環状で波形の金属箔からなる、容易に偏向可能な隔離体ダイアフラム３０を含む。隔離体ダイアフラム３０は、外周縁で溶接されるか接合されて、その取付表面上のひだ３１に精密に一致するように適所に流体静力学的に形成されるのが望ましい。
１つの好ましい実施例では、隔離部２２は、小型で低費用という長所を有するカプセル２０の不可欠な部分である。別の好ましい実施例では、隔離部２２はカプセル２０から離して配置され、隔離流体２４は毛管３２によって隔離部２２とカプセル２０との間で連結されている。毛管３２を備えた構成は、プロセス流体２６と圧力センサ２８との間の熱の隔離をより良好にするという長所を有する。
カプセル２０は、隔離流体２４で満たされたカプセル空洞３６内に圧力センサ２８を包囲するカプセル壁３４を含む。カプセル壁３４は、流体隔離部２２に結合可能な流体入口３８を含む。カプセル壁３４は、さらに貫通開口部４０、および貫通開口部４０を囲む内部封止表面４２を含む。隔離流体２４は、カプセル壁３４によって封じられ、感知のために流体隔離部２２から圧力センサ２８に圧力を結合する。圧力センサ２８は、カプセル壁３４内に配置される。圧力センサ２８は、センサ要素４４、センサ要素４４から離して配置された電気的接点４６、電気的接点４６とセンサ要素４４との間を接続する回路４９を含む。センサ要素４４は、圧力センサ２８の外部表面上に堆積された薄膜歪みゲージ要素であるのが望ましく、回路４９は歪みゲージと同じ薄膜材料で形成されるのが望ましい。普及している歪みゲージおよび他の既知のタイプの歪みゲージを同様に使用することができる。センサ要素４４は、センサ２８内部の静電容量型センサ要素でもある。
ストレス隔離部材４８は、貫通穴５０を含む。ストレス隔離部材４８は、圧力センサ２８に接合された第１の部材表面５２、および封止表面４２に接合された第２の部材表面５４を有する。貫通穴５０は、電気的接点４６の上にあいている。好ましい構成では、封止表面４２は、溶接、接合、またはろう付けの前に、ストレス隔離部材４８の正確な位置決めを提供するように、図のようにわずかに奥に引き込められている。
圧力センサ２８は、ストレス隔離部材４８でのみ取付けられ、圧力センサ２８の残りの部分は、隔離流体２４の中で自由に浮遊している。好ましくは、感知要素４４は、ストレス隔離部材４８および接点４６から離して配置されるので、取付け部またはリード線からのストレスを感知要素４４に伝達するこのは困難である。リード線５１による圧力センサ出力への誤差が低減される。
好ましい実施例では、圧力センサ２８は、機械的ヒステリシスの低い材料から作られる。所望の形に適切にエッチングすることができるシリコンは、機械的ヒステリシスの低い部品として好ましい。しかしながら、サファイア、石英、融解石英およびセラミックスのような他のヒステリシスの低い材料も使用することができる。カプセル壁３４は、ステンレス鋼のような金属から作られるのが望ましい。
１つの好ましい構成では、ストレス隔離部材４８は、事実上センサ材料の温度膨張率と同一の温度膨張率を備えた材料から作られる。
１つの実施例では、ストレス隔離部材４８は、センサ材料と封止表面４２の熱膨張率の中間の熱膨張率を有する材料で形成される。
他の好ましい構成では、ストレス隔離部材４８は、センサ材料より低い弾性係数を有する材料で作られる。低弾性ストレス隔離部材は、温度上昇によって封止表面４２が拡張したときに曲るか歪むかして、封止表面４２からセンサ２８へのストレスの伝達を低減する。
また、別の好ましい構成では、ストレス隔離部材４８は、センサ材料と一致した熱膨張係数、およびセンサ材料と比べて低い弾性係数の双方を有するように選択された材料によって形成される。これら各材料の特徴は温度変化によってセンサに伝達されるストレスの変化を低減することに貢献する。一つの好ましい構成では、ストレス隔離材料はセンサ材料の膨張率と一致するように構成されたセラミック材料を基材とする窒化シリコンからなる。
ストレス隔離材料は、回路配線４９との短絡を回避するため、かつまた、カプセル壁３４から圧力センサ２８をガルバニックに隔離するために電気的絶縁材料からなるのが好ましい。
ストレス隔離部材４８は圧力センサ２８とその取付部周辺との間に、固体取り付け領域を定める。ストレス隔離部材の外側に重なる圧力センサ２８の部分は液体中に浮遊しており、いかなる取り付けストレスの適用にもさらされることがない。したがって、ストレス隔離部材４８の使用によって、圧力センサ２８上の取り付けストレスは効果的に抑制されることができる。
ストレス隔離部材４８を合金で形成する場合、センサ２８の材料と比べて低い弾性係数を有するように延ばされ、かつ選択的に熱処理つまり焼き鈍しされるのが好ましい。ストレス隔離部材４８は弾性係数および／または熱膨張係数を変化させた金属ワッシャまたは部材の積層であって、互いにろう接されたもので形成することができる。
図４（Ａ）−（Ｄ）はストレス隔離部材の種々の実施例を示す。図４（Ａ）に示されているように、ストレス隔離部材１００は圧力センサ２８への取り付けストレスの伝達を低減するために伸長されることができる。図４（Ｂ）に示されているように、ストレス隔離部材１０２は圧力センサ２８へのストレスの伝達を低減するために強化ショルダ１０４を備えることができる。図４（Ｃ）に示されているように、ストレス隔離部材１０６は圧力センサ２８に隣接する厚い領域１１０から封止表面４２へテーパを有する壁１０８を有することができる。図４（Ｄ）に示されているように、ストレス隔離部材１１４は低弾性係数材料、もしくはそれ自体の弾性係数にかかわらずセンサ２８の材料と一致する熱膨張係数を有する材料から形成された第１の層１１６を備えることができる。第１の層１１６は、該第１の層１１６およびカプセル壁上の封止表面４２の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有し、封止表面４２に隣接している第２の層１１８に接合されている。図４（Ａ）−図４（Ｄ）に記載されたバリエーションはストレス隔離部材が取り得る多くの形状例である。図４（Ｃ）に示したのと反対方向のテーパであってもよいし、ショルダの変わりに溝を使用することもできる。当業者には、その他のストレス隔離部材の形状のバリエーションも明らかになるであろう。材料は圧力センサへのストレス伝達を低減する所望の弾性係数もしくは熱膨張係数の組み合わせを有するように選択することができる。
一つの好ましい構成では、圧力センサ２８はガラスフリットを用いてストレス隔離部材４８と接合することができる。他の好ましい構成では、回路配線４９を圧力センサ２８の内側に迂回させることができるし、圧力センサ２８は半田によってストレス隔離部材４８と接合することができる。
ストレス隔離部材４８は、好ましくは、ろう接もしくは半田材料または溶接によってカプセル壁３４に接合される。カプセル壁は円形のキャップ５８に溶接部６０で接合された丸いカップ５６を備える。好ましい構成では、キャップ５８は薄い部材からなり、この薄い部材は、隔離体ダイアフラム３０をひだ３１上に着底させることができるようにすることによって圧力センサ２８の過圧保護のために撓むことができる。
図３に示した他の好ましい構成では、カプセル壁３４は隔離流体２４を注入するための封止可能開口６２を含んでいる。封止可能開口６２は、隔離流体２４を充填した後に、充填管６４によってまたは封止可能開口６２内の鋼球を加圧することによって封止することができる。封止可能開口６２は付加的なものであり、替わりに流体隔離部２２内に封止ポートを含めることができる。
圧力センサは、互いに接合され、かつシリコンで形成された第１および第２の層７０，７２（図３に良く示されている）を含んでいるのが好ましい。層７２の形取りは、シリコン圧力センサ２８内側のセンサ空洞７６上に横たわるダイアフラム７４を形成する。ダイアフラム７４はセンサ空洞７６に突出して過圧条件下でダイアフラムを支持する過圧ストップ７８を含んでいるのが好ましい。
他の好ましい構成では、カプセル壁３４は付加的な開口８０（図３）を含み、ストレス隔離部材４８は付加的な貫通穴８２を含み、そして図３に示したように圧力センサ２８はセンサ空洞７６から貫通穴８２に延びる付加的な通路孔８４を含んでいる。付加的な開口８０を有する構成では絶対圧よりもむしろゲージ圧の感知を可能にする。
カプセル２０はコンパクトであり経済的であって、取り付けストレス、配線ストレス、化学的汚染および迷走電流を含む圧力センサの周囲環境からの高品質の隔離を提供する。
図５は隔離流体を必要としないカプセル１３０に係る第２実施例の断面図を示す。図５に記載されたカプセル１３０は図１，２に記載したカプセル２０と同様である。図１，２で使用したのと同じ参照符号であって図５に使用されている参照符号は同一または同様の特徴を示す。図５において、入口管３２は壁１３２を貫通して遠隔位置の圧力Ｐを感知する。一つの好ましい実施例では、圧力Ｐは通気ダクト内で感知され、壁１３２は通気ダクトの壁である。
図６は隔離流体を必要としないカプセルに係る第３実施例の断面図である。図６中に記載したカプセル１４０は図５中に記載したカプセル１３０と同様である。図５で使用したのと同じ参照符号であって図６に使用されている参照符号は同一または同様の特徴を示す。図６において、圧力センサ１４２は図５中の圧力センサ２８と比べて逆になっている。図６では、記載されているようにストレス隔離部材４８が第１の層７０の上にあり、電気的接点４６は第２の層７２の上にある。図６の構成は非常にコンパクトで低価格の圧力センサとカプセルを提供する。
本発明は好ましい実施例を参照して記述されたが、当業者は本発明の範囲から逸脱することなく形状および詳細を変更できることを認識するであろう。
圧力感知用カプセルの第１の実施例の平面図である。 図１の線２−２’に沿ったカプセルの断面図である。 図１の線３−３’に沿ったカプセルの断面図である。 ストレス隔離部材の他の実施例を示す。 隔離流体を必要としないカプセルの第２の実施例の断面図である。 隔離流体を必要としないカプセルの第３の実施例の断面図である。
符号の説明
２０……カプセル、２２……流体隔離部、２４……隔離流体、２６……プロセス流体、２８……圧力センサ、３０……隔離体ダイアフラム、３１……ひだ、３２……毛管、３４……カプセル壁、３６……カプセル空洞、３８……流体入口、４０……貫通開口部、４２……内部封止表面、４４……センサ要素、４６……電気的接点、４８……ストレス隔離部材、４９……回路、５０……貫通穴、５１……リード線、５２……第１の部材表面、５４……第２の部材表面、５６……カップ、５８……キャップ、６０……溶接部

Claims (7)

  1. 流体隔離体(22)に結合可能なカプセル(20)において、
    該流体隔離体(22)に結合される流体入口部(38)、貫通開口(40)および該貫通開口(40)を囲む内部封止面(42)を有するカプセル壁(34)と、
    該カプセル壁(34)に含まれ、前記流体隔離体(22)からの圧力を伝達する隔離流体(24)と、
    前記カプセル壁(34)内にあり、前記隔離流体(24)の圧力を感知するセンサ要素(44)と、該センサ要素(44)から離して配置された電気接点(46)と、該電気接点(46)とセンサ要素(44)との間に設けられ両者を接続する回路配線(49)と、前記センサ要素(44)、電気接点(46)及び回路配線(49)を支持する層であって且つ内部にセンサ空洞(76)を形成すると共に該センサ空洞(76)を覆うダイアフラム(74)を形成するよう互いに接合された第１の層(70)及び第２の層(72)と、を含む圧力センサ(28)と、
    前記電気接点(46)の上に設けられ前記貫通開口(40)と整列する貫通穴(50)を有し、かつ前記圧力センサ(28)に接合された第１の部材表面(52)と前記内部封止面(42)に接合された第２の部材表面(54)とを有するストレス隔離部材(48)とを具備し、
    前記圧力センサ(28)は前記ストレス隔離部材(48)のみによって前記カプセル壁(34)に固定されることによって前記隔離流体(24)中に浮かされ、
    前記センサ要素(44)は前記ストレス隔離部材(48)および前記電気接点(46)から離して前記ダイアフラム(74)に配置され、該ダイアフラム(74)は、前記センサ空洞(76)内に突出し過圧状態下のダイアフラムを支持する過圧停止部(78)を含むことを特徴とする、流体隔離体に結合可能なカプセル。
  2. 前記圧力センサが脆弱な材料で形成され、前記カプセル壁が金属で形成され、前記ストレス隔離部材が前記圧力センサの膨張温度係数とほぼ同一の膨張温度係数を有するストレス隔離部材で形成されている請求項１に記載のカプセル。
  3. 前記圧力センサがセンサ材料からなり、前記ストレス隔離部材が前記センサ材料の温度膨張係数と前記カプセル壁材料の温度膨張係数の中間にある温度膨張係数を有するストレス隔離材料からなる請求項１に記載のカプセル。
  4. 前記カプセル壁は溶接によりキャップに接合されたカップを具備する請求項１に記載のカプセル。
  5. 前記キャップが、前記圧力センサを過圧から保護するために歪曲可能な薄い部材からなる請求項４に記載のカプセル。
  6. 前記カプセル壁は排気孔を有し、前記ストレス隔離部材は排気貫通部を有し、前記圧力センサは前記センサ空洞から前記排気貫通部に延びる排気通路を有する請求項５に記載のカプセル。
  7. 流体入口部(38)、貫通開口(40)および該貫通開口(40)を囲む内部封止面(42)を有するカプセル壁(34)と、
    前記流体入口部(38)に流体の圧力を伝達する入口部材(32)と、
    前記カプセル壁(34)内にあり、前記流体の圧力を感知するセンサ要素(44)と、該センサ要素(44)から離して配置された電気接点(46)と、該電気接点(46)とセンサ要素(44)との間に設けられ両者を接続する回路配線(49)と、前記電気接点(46)、センサ要素(44)及び回路配線(49)を支持する層であって且つ内部にセンサ空洞(76)を形成すると共に該センサ空洞(76)を覆うダイアフラム(74)を形成するよう互いに接合された第１の層(70)及び第２の層(72)と、を含む圧力センサ(28)と、
    前記電気接点(46)の上に設けられ前記貫通開口(40)と整列する貫通穴(50)を有し、かつ前記圧力センサ(28)に接合された第１の部材表面(52)と前記内部封止面(42)に接合された第２の部材表面(54)とを有するストレス隔離部材(48)とを具備し、
    前記圧力センサ(28)は前記ストレス隔離部材(48)のみによって前記カプセル壁(34)に固定されることによって前記流体中に浮かされ、
    前記センサ要素(44)は前記ストレス隔離部材(48)および前記電気接点(46)から離して前記ダイアフラム(74)に配置され、該ダイアフラム(74)は、前記センサ空洞(76)内に突出し過圧状態下のダイアフラムを支持する過圧停止部(78)を含むことを特徴とする、圧力センサカプセル。
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