JP4864438B2 - 圧力を検知するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は一般的に云えば圧力センサに関し、より具体的には、例えば、様々な工業用途にしばしば採用されているような共振型差圧センサに関するものである。

従来の差圧センサは、システムに関するデータを供給するために、システムの２つの側及び／又は領域の間の差圧を決定するように設計されている。例えば、従来の差圧センサは、センサの部品（１つ又は複数）上の２つの領域の圧力による力の正味の効果を評価することによって、２つの関心のある領域の間の圧力差を検出する。残念なことに、特定のシステムはしばしば比較的過酷である環境を示し、このような環境には一般に頑丈な圧力センサが利用されている。例えば、特定のシステムは比較的高い圧力及び／又は高い温度に露出され、その圧力センサの露出した部品は一般にこのような圧力及び／又は温度に適応するように充分に頑丈である。
米国特許第６７９６１８５号

しかしながら、従来の差圧センサでは、過酷な環境内での動作を容易にする機能がセンサの分解能に悪影響を及ぼす恐れがある。すなわち、高圧環境に耐える程に頑丈である従来の差圧センサは、その環境内での圧力差よりも数桁小さいような２つの関心のある領域の間の圧力の差を検出することができない。例えば、５０００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）以上の圧力に耐える程に頑丈な従来の差圧センサは、一般に、例えば＋／−１０ｐｓｉの圧力差を検出するのに充分な分解能を持っていない。

従って、差圧検知のための改良した方法及びシステムが要望されている。

本発明手法の模範的な一実施形態によれば、加圧環境内で使用するための差圧センサを開示する。模範的な圧力センサは、第１の開口が貫通している第１のハウジング層と、第２の開口が貫通している第２のハウジング層とを含んでいる。模範的な圧力センサはまた、第１及び第２のハウジング層の間に配置されていて、被覆部分及び露出部分を持つ隔膜層を含む。圧力センサはまた、隔膜層に結合されていて、所望の周波数で振動するように構成されている少なくとも１つの共振装置を含む。模範的な圧力センサは更に、隔膜層の変形の関数として共振装置の振動の変化を検出するように構成されている検知回路を含む。

本発明手法の別の模範的な実施形態によれば、差圧センサを製造する方法を提供する。模範的な方法では、１つ又は複数の隔膜層をエッチングして、１つ又は複数のメサ用の領域を画成する工程を含む。本方法はまた、隔膜層上のエッチングされた領域に対応する１つ又は複数のＢＥＳＯＩ（絶縁体上のバック・エッチングされたシリコン）を形成する工程を含む。本方法は更に、隔膜層をＢＥＳＯＩへ結合し、隔膜層の対応する被覆部分上に共振装置を配置する工程を含む。

これらの及び他の利点及び特徴は、添付の図面に関連して提供する本発明の好ましい実施形態についての以下の詳しい説明から一層容易に理解されよう。

図１は、工業用途に使用するための差圧センサ１２を含む模範的なシステム１０の略図を示す。例として、工業用途には、配管用途、容器及び化学製造用途、パイプライン、圧力室、流れ装置又は同様な用途などが挙げられる。差圧センサ１２は、圧力室、流れ装置、ポンプ配管又は混合室のような工業用ユニット１４内に配置され、或いは本発明の議論から当業者には理解されるような同様な用途に配置される。工業用ユニット１４は、それぞれの圧力が同じであるか又は互いから異なっていていよい第１の領域１６及び第２の領域１８を含む。２つの領域１６及び１８は障壁１９によって互いから隔離される。センサ１２はこれらの２つの領域の間の圧力差を測定する。センサ１２は約０．１ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）〜約１５ｐｓｉまでの範囲内の低い差圧を測定することができ、また、例えば、約１０００ｐｓｉ〜約５０００ｐｓｉの高い静圧に耐えるほど充分に頑丈である。圧力センサ１２の部品又は一連の部品の第１及び第２の領域内の圧力による力の正味の効果を決定することによって、センサ１２は２つの領域の間の圧力の差を決定する。実際に、模範的なセンサ１２は、以下により詳しく述べるように、比較的低い圧力差（例えば、＋／−１０ｐｓｉ）の測定を容易にすると共に、比較的高い圧力の環境（例えば、＋／−５０００ｐｓｉ）に耐えられると云う特徴を有する。更に、模範的なセンサ１２はまた、比較的高い圧力差の検知を容易にすると云う特徴を有する。

システム１０は、差圧センサ１２に関連した他の機能部品、例えば、制御回路２０、検知回路２２及び処理回路２４を含んでいる。検知回路２２は（図３に最も良く示されているように）センサ１２内に存在する共振装置の振動の変化を測定することによって隔膜層の変形を検出する。共振装置の振動の変化の測定は（図３に最も良く示されているように）隔膜層の変形に対応する。センサ１２において、検知回路２２は共振装置の振動の変化を検出する。検知回路２２からの出力データは処理回路２４によって処理されて、センサ１２によって測定された差圧を表す値が生成される。システム１０は更に、通信回路２６と、データベース２８と、遠隔監視センタ３０とを含む。データベース２８は、システム１０に取って有益な、システム１０に関する情報、例えば、環境内での差圧についての決定された情報及びセンサ１２についての所定の情報を記憶するように構成されている。データベース２８はまた、特定の用途又は使用のために必要とされることがあるとき、処理回路２４又は検知回路２２からの情報を記憶するように構成されている。以下に更に説明するように、データベース２８は現地に、又は遠隔に、例えば、遠隔監視センタ３０に設置することができる。

センサ１２に結合された制御回路２０は、センサ１２の１つ又は複数の共振装置（図２）を励振して該共振装置をそれ自身の周波数で振動させるようになっている。この励振及びその結果の振動についての詳細は以下に更に説明する。

模範的な実施形態では、通信回路２６は処理回路２４からデータ信号３２を受け取って、該データ信号３２を遠隔位置へ、例えば図示の遠隔監視センタ３０へ送信する。通信回路２６は、通信回路２６がデータ信号３２を遠隔監視センタ３０へ伝送することを可能にするハードウエア又はソフトウエアを含んでいる。一実施形態では、通信回路２６はセルラー移動電話プロトコルに従ってデータ信号を遠隔監視センタ３０へ伝送するように構成される。別の実施形態では、通信回路２６は無線プロトコルに従ってデータ信号３２を遠隔監視センタ３０へ伝送するように構成される。また別の実施形態では、通信回路２６は無線周波プロトコルに従ってデータ信号３２を遠隔監視センタ３０へ伝送するように構成される。勿論、当業者には、多数の通信プロトコルを採用できることが理解されよう。

図２は、差圧センサ１２の上面図を示す。差圧センサ１２は、被覆部分３８（図３）及び露出部分４０を持つ隔膜層３６を含んでいる。センサは更に、隔膜層３６の被覆部分に固定され且つ外部からの作動時に所望の周波数で振動するように構成されている少なくとも１つの共振装置４２を含んでいる。露出部分４０は加圧環境と直接に連通しており、これに対し被覆部分は加圧環境に直接には露出されていない。換言すると、隔膜層３６は加圧環境から隔離されている被覆部分と加圧環境に露出されている露出部分４０を提供する。

加圧環境に関してダンピング(damping) を低減し且つ共振装置４２の品質係数（Ｑ係数）を高くするために、共振装置４２は真空室４６内に真空封止される。すなわち、共振装置４２は真空室４６内において加圧環境から隔離される。真空室４６の少なくとも一部はキャップ層４４によって画成される。従って、共振装置４２は圧力が直接印加されることに起因する損傷の可能性が少なくなる。更に、真空室４６は、取られた測定値の品質係数を改善させる。共振装置４２は隔膜層３６の４つの側面に沿って放射方向に配置することができる。この放射方向の配列により歪みを放射方向に検出することができ、これによりセンサ１２の感度及び分解能が改善される。更に、キャップ層４４は共振装置４２を覆うと共に、隔膜層３６の部分をも覆って、隔膜層３６の比較的小さい部分４０のみを加圧環境にに対して露出させたままにする。このように、キャップ層４４は、隔膜層３６を実質的に取り囲むハウジングとして作用する。

例示した実施形態では、差圧センサ１２は４つの共振装置４２を含み且つ隔膜層３６の露出部分４０が円形であるものとして図示しているが、この例示した実施形態及び配置構成は制限するものとして見なすべきではない。本発明手法の特定の他の実施形態では、差圧センサ１２は共振装置４２の数をより少なく又はより多くしてもよく、また隔膜層３６の露出部分４０は加圧環境内で差圧を検出するために任意の適切な形状であってよい。

図３は、図２の線３−３に沿って見た差圧センサ１２の断面図である。例示した実施形態では、差圧センサ１２は、隔膜層３６の被覆部分３８に放射方向に配置された共振装置４２を含んでいる。共振装置４２は、以下に更に詳しく説明するように、隔膜層３６をエッチングすることによって形成されたメサ４５上に配置される。これらのメサ４５は、隔膜層３６について適当なエッチング液を使用することによって形成される隔膜層３６の拡張部分である。これらのメサ４５は、隔膜層３６の撓みをＺ方向（平面外）からＸ方向（平面内）へ変換するのを容易にする。１つ又は複数のＢＥＳＯＩ（絶縁体上のバック・エッチングされたシリコン）を、隔膜層３６上のエッチングされた領域（例えば、メサ４５）に対応して形成することができる。このようなＢＥＳＯＩはウェーハと呼ばれることがあり、ＢＥＳＯＩは隔膜層３６と結合されて互いとの接触を確立する。すなわち、圧力に起因した隔膜層３６の変化はＢＥＳＯＩに、両者の間の結合した性質により作用にして、加圧環境内での差圧の検出を容易にする。

共振装置４２は、キャップ層４４と隔膜層３６とによって画成された真空室４６内で真空封止されている。有利なことは、例えば、真空室４６が共振装置４２を外部の望ましくない擾乱から隔離することである。模範的なセンサ１２では、隔膜層３６の露出部分４０のみが加圧環境内の圧力に露出され、従って、共振装置４２は加圧環境内の差圧の直接的な影響を受けない。これは、例えば、共振装置４２が環境内での突発的な高圧及び高温により損傷を受けるのを防止するので有利である。

典型的には、共振装置４２はメサ４５上に設けられており、これらのメサ４５は隔膜層３６のＺ方向（印加圧力の方向に平行な方向）の動きをＸ方向（Ｚに対して直角な方向）に変換する。典型的には、メサ４５は、平坦な頂部及び急峻な側面を持つ丘状の構造である。メサ４５は、隔膜層３６のＺ方向の動き（すなわち、変形）を、Ｚ方向に対して直角なＸ方向の有効な動きに変換し易くする。その上、隔膜層３６の弾性を使用して、隔膜層３６の剛性、従って動きの自由度を制御することができる。隔膜層３６のヒンジ領域の変化する幾何学的形状及び寸法により、隔膜層３６のコーナー近くの応力集中を最小にすることができる。更に以下に述べるように、隔膜層３６が差圧に起因して変形するとき、共振装置の振動周波数が変化する。この振動周波数の変化は環境内の圧力を表す。

隔膜層３６は、有益な機械的特性及び高い固有のＱ係数を与える単結晶シリコンで作ることができる。背景として説明すると、共振構造のＱ係数は、共振装置４２のエネルギ損失と比較した１サイクル当たりのシステムの全エネルギの測度であり、またセンサの分解能及び短期安定性の測度でもある。また、シリコンのスチフネス対密度比が高いことにより、金属と比較して共振周波数がより高くなり、その結果、応答時間が速くなり且つ信号の調整が簡単化される。

図４は、本発明手法の模範的な実施形態に従った差圧センサの隔膜層上に配置された模範的な共振装置の共振ウェーハ装置４８の略図である。例示した模範的な実施形態では、共振装置４２は、エネルギを一入力形態から異なる出力形態へ変換する圧電性材料又は圧抵抗性材料で構成される。例えば、圧電性材料は電気的入力を機械的出力、具体的には材料の振動へ変換する。例えば、圧電性材料は、薄いポリマー・フィルム、単結晶材料又は他の圧電素子構造を含む。これらの材料は、電力源から供給される検出器電圧又は電流のような振動入力によって容易に励振される構造を形成するために使用される。共振装置４２への振動入力は単一の独立の周波数、又は複数の周波数の組合せ、又は非常に多数の周波数を含む広帯域の振動であってよい。

図５は、差圧センサ１２が何ら圧力差の無い環境内に位置している状態５０を表す略図である。圧力検知回路２２が共振装置４２の振動の変化を測定し、この変化は隔膜層３６の変形を表し、この変形は圧力差（すなわち、隔膜層３６の対向する両面に印加された圧力Ｐ_１ 及びＰ_２ の間の差）を表す。共振装置４２への振動入力である検出器電圧又は電流は共振装置４２を作動して、共振装置４２をその共振又は固有周波数で振動させる。例示しているように、Ｐ_１ はＰ_２ に等しく、従って、何ら圧力差はない。そこで、隔膜層３６の露出部分にかかる正味の力はゼロであり、隔膜層３６は撓まない。従って、共振装置４２はその固有周波数で振動する。

Ｐ_１ がＰ_２ から異なる時には、差圧が存在する。この差圧は隔膜層３６を撓ませる。隔膜層３６の撓みは共振装置４２の周波数に変化を生じさせ、この共振装置４２の振動の共振周波数のこの差は検出器電圧又は電流を変化させて、差圧についての測度として受け取られる。当業者には理解されるように、共振周波数の変化を検出する同様な用途に容量性トランスデューサを使用することもできる。

図６は、差圧センサ１２が圧力差のある環境内にある状態５２を表す略図である。隔膜層３６は差圧により変形し、この変形は共振装置４２へ伝達されて、共振装置４２の共振周波数を変化させ、周波数のこの差が差圧の測定を容易にする。共振装置４２の共振周波数は隔膜層３６の変形に応じて変化（増加又は減少）する。ここで、本図において、被覆部分における隔膜層の変形は例示の目的で誇張されていることに留意されたい。しかしながら、実際の装置では、被覆部分内の隔膜層の変形は露出部分の隔膜層の変形に対して非常に僅かであることがある。

例として、Ｐ_１ がＰ_２ よりも大きい場合、隔膜層３６が図６に示されている様に下向きに撓む。共振装置４２がまた隔膜層３６に接続されているので、隔膜層３６のこの下向きの変形は、最初は固有周波数で振動していた共振装置４２の共振周波数を変化させる。これらの差圧センサは長期安定性を有する。その理由は、共振周波数が不安定な又は浮動する電気信号に依存せずに、むしろ隔膜層３６の機械的特性に依存するからである。

１つ又は複数の共振装置４２は、対称な構成をなすように隔膜層３６に沿って放射方向に配置することができる。これに加えて、多数の共振装置４２により一層良好な結果を得ることができると共に、データの精度を増大させることもできる。しかしながら、共振装置４２の任意の他の配置構成も用いることができる。例示した実施形態では、センサ１２は高い静圧に耐えると同時に低い差圧を測定することができる。その上、共振装置４２は、ダンピングを低減するために真空環境下で隔膜層３６の被覆部分３８上に配置される。差圧センサ１２は、シリコン内に目立つほどの応力を生じることなく約５０００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）までの高い静圧に耐えると共に、約０．１ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）〜約１５ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の範囲内の差圧を０．０１％の精度で測定することができるようにすることができる。

本発明手法の別の模範的な実施形態では、圧力を水平方向に差し向けるために複数のチャンネル（図を明瞭にするために図示していない）を隔膜層３６の露出部分４０上に配置することができる。これらのチャンネルは圧力の流れを隔膜層３６に対して水平方向にするための案内部材として作用する。

図７は、差圧センサ１２を製造する模範的な方法を全体的に参照数字５４で示す流れ図である。先ず工程５６で、メサ４５用の領域を画成するために１つ又は複数の隔膜層３６のエッチングを行う。メサ４５は、前に述べたように隔膜層３６の撓みをＺ方向からＸ方向へ変換するために構成される。典型的には、共振装置４２がメサ４５上に配置される。工程５８で、１つ又は複数のＢＥＳＯＩ（絶縁体上のバック・エッチングされたシリコン）が隔膜層３６上にエッチングされた１つ又は複数の領域に対応して形成される。工程６０で、１つ又は複数のＢＥＳＯＩを１つ又は複数の隔膜層３６に結合し、その場合、ＢＥＳＯＩ及び隔膜層３６は互いと接触を確立する。この時点で、工程６２で１つ又は複数の共振装置４２を１つ又は複数のＢＥＳＯＩ上に配置する。工程６４で、キャップ層を共振装置４２の頂部に配置して、共振装置４２を真空封止する。前に述べたように、隔膜層３６は被覆部分３８及び露出部分４０を有し、また共振装置４２が、キャップ層によって形成された隔膜層３６の被覆部分３８の上に配置される。このプロセスが別の一組の隔膜層３６を形成するために繰り返され、２つの隔膜層３６が接合されて単一の隔膜層３６を形成し、この単一の隔膜層３６により差圧センサ１２を形成する。隔膜層３６は通常シリコン又は当該分野で公知の任意の同様な材料で作られる。ＢＥＳＯＩは酸化シリコン及びシリコンの組合せから作られる。最初に、エッチング・プロセスの際、シリコンを先ずエッチングし、次いで当該分野で公知の異なるエッチング媒体を使用して酸化シリコンをエッチングする。ここで、本実施形態では隔膜層をエッチングする方法について述べているが、融着又は陽極結合のような方法、或いは当該分野で公知の同様な方法を上記のプロセスで使用することができることに留意されたい。

図８は差圧センサ６６を例示する。前述の実施形態（図３に示したような例）では、差圧センサ１２は少なくとも２つ以上の共振装置４２の間の中央に配置された隔膜層３６の露出部分４０を有していた。図８に示す実施形態では、差圧センサ６６内の隔膜層３６の露出部分４０は差圧センサ６６の中心から外れて配置され、隔膜層３６の被覆部分３８上には少なくとも１つの共振装置４２が配置されている。しかしながら、図８には１つの共振装置４２のみが示されているが、複数の共振装置４２をこの特別な配置構成で使用することができることに留意されたい。

有利なことは、本実施形態がねじり効果を実現するために特定の模範的な状態において望ましいことである。ねじりにおける動作は、全ての方向に拘束されている隔膜層３６と比べて、所与の圧力差について変位で表される感度を増大させる可能性が高い。隔膜層３６は、２つの高圧領域を隔離するために弾性材料を使用して、その縁に沿って封止することが必要である。隔膜層３６の弾性は、隔膜層３６の剛性、従って動きの自由度を制御するために使用することができる。隔膜層３６のヒンジ領域の変化する幾何学的形状及び寸法により、隔膜層３６のコーナー近くの応力集中を最小にすることができる。

本発明を限られた数の実施形態のみに関して詳しく説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に制限されないことは勿論である。むしろ、本発明は、記述していないが本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換又は等価構成を取り入れて修正することができる。更に、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の様々な面は、記述した実施形態の内の幾つかのみを含むことがあることを理解されたい。従って、本発明は上記の説明によって制限されるものと見なすべきではなく、特許請求の範囲によって限定されるものである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明手法の模範的な実施形態に従った差圧センサの略図である。 本発明手法の模範的な実施形態に従って作られた差圧センサの上面図である。 図２の線３−３に沿って見た差圧センサの断面図である。 本発明手法の模範的な実施形態に従った差圧センサの隔膜層の上に配置された共振ウェーハ装置の上面図である。 本発明手法の模範的な実施形態に従った、何ら圧力差の無い環境内での差圧センサを表す略図である。 本発明手法の模範的な実施形態に従った、圧力差のある環境内での差圧センサを表す略図である。 本発明手法の模範的な実施形態に従った、差圧センサを製造する方法の工程図である。 本発明手法の模範的な実施形態に従った差圧センサの上面図である。

符号の説明

１０ システム
１２ 差圧センサ
１４ 工業用ユニット
１６ 第１の領域
１８ 第２の領域
１９ 障壁
３６ 隔膜層
３８ 被覆部分
４０ 露出部分
４２ 共振装置
４４ キャップ層
４５ メサ
４６ 真空室
４８ 共振ウェーハ装置
５０ 圧力差の無い状態
５２ 圧力差のある状態
５４ 差圧センサを製造する方法
６６ 差圧センサ

Claims (9)

1. 加圧環境内で使用するための差圧センサ（１２）であって、
   第１の開口が貫通している第１のハウジング層と、
   第２の開口が貫通している第２のハウジング層と、
   前記第１及び第２のハウジング層の間に配置されている隔膜層（３６）であって、前記第１又は第２のハウジング層、或いはそれらの層の組合せのいずれかによって覆われている被覆部分（３８）、及び露出部分（４０）を含んでおり、当該隔膜層（３６）の前記露出部分（４０）の第１の面が前記第１の開口と流体連通関係にあり且つ前記露出部分（４０）の第２の面が前記第２の開口と流体連通関係にある、当該隔膜層（３６）と、
   前記被覆部分（３８）上に配置され且つ前記隔膜層（３６）に結合されていて、所望の周波数で振動するように構成されている少なくとも１つの共振装置（４２）と、
   前記隔膜層（３６）の変形を表す前記少なくとも１つの共振装置（４２）における振動を検出するように構成されている検知回路（２２）と、
   を有する差圧センサ（１２）。
2. 前記隔膜層（３６）は半導体材料で作られている、請求項１記載の差圧センサ（１２）。
3. 前記少なくとも１つの共振装置（４２）は、制御回路（２０）を介して外部検出器電圧又は電流によって励振されるように構成されている、請求項１記載の差圧センサ（１２）。
4. 前記差圧センサ（１２）の前記露出部分（４０）は前記被覆部分（３８）に対して非対称に位置している、請求項１記載の差圧センサ（１２）。
5. 前記少なくとも１つの共振装置（４２）は圧電材料を含んでいる、請求項１記載の差圧センサ（１２）。
6. 前記少なくとも１つの共振装置（４２）は真空環境内に配置されている、請求項１記載の差圧センサ（１２）。
7. 加圧環境内で使用するための差圧センサ（１２）であって、
   第１の面及び反対側の第２の面を持つハウジングと、
   前記ハウジングによって実質的に囲まれている隔膜層（３６）であって、前記加圧環境から隔離されている被覆部分（３８）及び前記加圧環境に露出している露出部分（４０）を持っている隔膜層（３６）と、
   前記隔膜層（３６）の前記被覆部分（３８）内に配置された少なくとも１つの共振装置（４２）と、
   前記少なくとも１つの共振装置（４２）に結合されていて、前記隔膜層（３６）の変形を表す前記少なくとも１つの共振装置（４２）の振動の変化を検出するように構成されている検知回路（２２）と、
   を有し、
   前記少なくとも１つの共振装置（４２）は、前記隔膜層（３６）の前記露出部分（４０）よりも前記ハウジングの外周縁の近くに配置されている、
   する差圧センサ（１２）。
8. 前記少なくとも１つの共振装置（４２）は、制御回路（２０）を介して外部検出器電圧又は電流によって励振されるように構成されている、請求項７記載の差圧センサ（１２）。
9. 前記隔膜層は半導体材料で作られている、請求項７記載の差圧センサ（１２）。
   
   

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