JP5453335B2 - 静電容量圧力センサーのためのバッフル - Google Patents

Description

この発明は、ダイアフラムと電極との間の静電容量の変化を感知する静電容量圧力センサーに関する。

静電容量圧力センサーは、気候制御システムおよび半導体の加工を含む多数の応用において知られる。圧力センサーは、１つのハウジングと、圧力が感知される流体(気体または液体)を収容する１つの入力と、導電性の可撓性ダイアフラムと、前記ダイアフラムに隣接する１つの電極とを有する。このダイアフラムと電極は、これらの間にキャパシタンスを有する。このセンサーは、ダイアフラムが、流体からの圧力に応答して電極に対して移動する際のキャパシタンスの変化を感知する。

圧力が感知される流体の導入口と可撓性ダイアフラムの間にバッフルを備えることは望ましい。このバッフルは、ダイアフラムの汚染物質による汚染の防止を助ける。あらゆる目的で参照することによってここに組み込まれるＵＳ特許第5,811,685号は、バッフルとそれ以前のバッフルのデザインを記載する。この特許は、更に、バッフルの設置理由を論じるとともに、そのようなセンサーにおけるバッフルの利点を記述する。

米国特許第5,811,685号

この発明の静電容量センサーは、流体を受け入れるための１つのハウジングと、流体中の圧力変化に応答して撓むダイアフラムと、気体の分子を導入口とダイアフラムの間に流すための大きい縦横比の径方向通路を準備するために設計されたバッフルとを有する。この発明は、バッフルがトラップシステムとダイアフラムの間に来るように配置された(バッフルでもある)粒子トラップシステムをも備えることが好ましい。バッフルによって形成される通路の縦横比(間隙に対する径方向の割合)は、１０よりも大きく、好ましくは５０よりも大きい。

別の様相において、静電容量圧力センサーは、流体を受け入れるための導入口を備える１つのハウジングと、流体中の圧力に応答して撓むダイアフラムと、導入口とダイアフラムの間のバッフルとを有し、バッフルは、分子によって導入口からダイアフラムに取り込まれる通路が、薄い流れに抗する分子の流れを創り出すように設計される。

このバッフルは、ダイアフラムに近く好ましく配置されるので、両者の間には小さな容積が存在し、したがって、センサーは気体の圧力変化に迅速に応答する。

バッフルによって形成される大きな縦横比の通路は、分子がダイアフラムの可撓性部分に到着する前に、バッフルまたはハウジングの表面に接着する傾向を増大し、それによって、ダイアフラムを堆積から保護する。バッフルとダイアフラムの間の小容積は、大きな容積がそうするであろう程には応答時間を減少させない。その他の特徴と利点は、以下の詳細な説明、添付図面および冒頭の請求項の記載から明らかであろう。

この発明のセンサーの半体の断面図。 粒子トラップの平面図。 この発明のバッフルの平面図。

図１は、センサー１０の対称半体の断面図を示す。センサー１０は、感知しようとする流体を受け入れるための導入口１４を備えるハウジング部材１２を有する。ハウジング部材１２と別のハウジング部材１８の間には、ダイアフラム１６が溶接される。１つの室２０が、ダイアフラム１６とハウジング部材１８とによって囲まれ、所望する圧力、例えば零の圧力を有する。ダイアフラム１６の隣には、電極２２が柱２４によって支持される。ここでは、単一の導電体として示されるけれども、この電極は絶縁体(セラミック製の)のディスク面に形成された１つまたは複数の導電性フィルムであって差し支えない。このダイアフラムと電極は、両者の間に静電容量を有する。ダイアフラム１６は、流体導入口１４内の圧力変化に応答して撓み、かくして、ダイアフラムと電極間のキャパシタンスを変化させる。

導入口とダイアフラムの間の通路には、トラップシステム２８が存在し、トラップシステム２８とダイアフラム１６の間にはバッフル３０が存在する。トラップシステム２８の設計は、組み込まれた特許にもっと詳しく説明されている。ここで図２も参照すると、トラップシステム２８は、ダイアフラムへの導入口からの直接の通路を遮断するために導入口１４の直径よりも大きい直径を備える中央部分３４を有する。中央部分３４の周囲には、多数の周辺開口部３６が存在する。これらの開口部は、円周方向においてトラップシステムを中心にして等間隔の連続したセクターとして形成され、径方向に異なる直径ごとにも配列される。

図１を参照すると、導入口１４からの粒子は、ハウジング部材１２とトラップシステム２８の間の環状領域３８を通過し、次いで、(粒子が、環状領域または開口部にフィットして通過するには小さすぎるのでなければ)開口部３６を通過する。環状領域３８と開口部３６は、比較的大きい粒子(例えば、２５０ミクロンまたはこれより大きい)が、通過しないような大きさとする。

図３を参照すれば、バッフル３０は、必須要件として、周辺部に等間隔に離間した複数のタブ４０を備える円形の金属製プレートである。これらのタブは、必須の要件として、バッフル３０とハウジング部材１２の間において径方向に1つの幅を備える多数の環状セクター４２を規定する。前記の幅は、タブの長さに等しい。バッフルの設計とハウジングに対する位置は、こうして流体が通過することができる環状セクターとしての開口部を規定する。

バッフル３０は、ハウジング部材１２の隣に配置されており、開口部３６と環状セクター４２の間を通り、ついでダイアフラム１６に流れる汚染物質の成分を含む気体のための径方向通路４４を規定する。この径方向通路の縦横比は、バッフル３０とハウジング部材１２の間の間隙部を示す間隔の大きさｄに対する開口部３６から環状セクター４２までの通路の径方向長さlの割合として規定される。この発明の縦横比は、１０より大きく、好ましくは５０より大きい。前記の長さは好ましくは少なくとも１cm、好ましくは約１〜４cmの範囲にある。前記間隙部は、好ましくは約０．１cmより小さく、好ましくは、０．０２５〜０．１cmの範囲にある。

そのような大きい縦横比の通路内を移動する汚染分子は、この通路を移動する間に、バッフル３０の表面とハウジング部材１２とに何百回も衝突する傾向がある。

そのような分子がバッフル３０またはハウジング部材１２の表面に付着する確率は、これらの衝突回数と付着率との関数である。衝突回数が増大するにつれて、分子が付着する傾向は劇的に上昇する。もしも、衝突回数が１００よりも大きいならば、低い付着率であっても、結果としてバッフルやハウジング面に付着する確率は大きくなり、それによって、付着物からダイアフラムを守る。この通路はこのように設計されるので、汚染物が付着する傾向が相当に大きい。

この通路は、正常な真空加工状態、すなわち、１００mT以下の状態において、分子の流れを創り出す。そのような分子の流れは、間隙を移動する分子について表面との多数回の衝突を発生する。前記の分子流は、周囲に流れの境界層があって中心部の流れを分離する層流に抗するものである。層流に抗する分子流は、分子の平均自由行程が通路(ここでは間隙)の寸法よりも極めて大きい流れであり、言い換えれば、分子は、それが他の分子に衝突するよりも頻繁に通路壁に衝突する。

もしも、バッフルとダイアフラムの間に大きな容積が存在するならば、ダイアフラムのための応答時間は、Ｖ／Ｃとして規定される残りの空気の時間定数が原因となって減少する。ここに、ＶはコンダクタンスＣを備える通路の背後の容積である。この発明に関しては、しかしながら、バッフルとダイアフラムの間の容積が小さいので、小さな間隙が、流れに作用する制限に起因する低コンダクタンスを強制するとしても、応答が迅速である。バッフル３０とダイアフラム１６の間の間隙は、好ましくは、約０．０２５〜０．１cmであり、バッフル３０とダイアフラム１６のインターバル容積５０は、好ましくは、０．１立方インチ(１．６立方センチ)以下であって、０．０５立方インチ(０．８立方センチ)よりも大きい。

トラップシステム２８は、好ましくは、ステンレススチールまたはInconelのような合金である耐腐蝕性の非汚染材料から製造される。

この発明のバッフルは、このように、ダイアフラムに到達する前の分子の衝突と付着を可能とする有利に長い通路を提供するとともに、他方において同時に、バッフルとダイアフラムの間の小容積を有利に提供する。

この発明の具体例を説明したが、付属の請求項によって規定されるこの発明の範囲を逸脱することなく、改変を行うことが可能であることは明らかである。例えば、バッフルシステムは異なる静電容量センサーと共用することができる。

Claims (8)

1. 静電容量性圧力センサーであって、前記静電容量性圧力センサーは、
   流体を受け入れるための導入口を有するハウジングと、
   流体からの圧力に応答して撓むためのダイアフラムと、
   前記ダイアフラムによる移動に応答して変化するキャパシタンスを規定する前記ダイアフラムから離間した電極と、
   第１のバッフルと第２のバッフルを備えた複数のバッフルの組と、
   を備え、
   前記第１のバッフルは、前記導入口を横切る閉鎖された中央部分を有し、前記導入口の直後の第１の周囲の領域において複数の開口部を画定し、
   前記第２のバッフルは、閉鎖された中央部分を有し、前記導入口から遠方の第２の周囲の領域において複数の開口部を画定し、
   前記第２のバッフルは、前記第１のバッフルと前記ダイアフラムの間に位置付けられており、当該第２のバッフルは、前記第１のバッフルと前記ハウジングの部分と協同してチャンバーを画定するように形成されており、
   前記チャンバーは、高さの寸法と半径方向の寸法を有し、
   前記第１のバッフルによって規定されるどのような開口部と前記第２のバッフルによって規定されるどのような開口部との間の距離も、高さの寸法の少なくとも１０倍以上であるように寸法が作成されている、
   静電容量性圧力センサー。
2. 前記高さの寸法と前記半径方向の寸法は、前記第１のバッフルによって規定されるどのような開口部と前記第２のバッフルによって規定されるどのような開口部との間の距離も高さの寸法の少なくとも５０倍以上であるように寸法が作成されている、請求項１に記載のセンサー。
3. 前記第２のバッフルは、前記ダイアフラムから０．１cm以下に離間される請求項１に記載のセンサー。
4. 前記チャンバーの容積は１．６立方センチ以下である請求項１に記載のセンサー。
5. 前記第２のバッフルは、等間隔に離間した複数のタブを備え、実質的に円形であり、周方向において前記タブ同士の間、および、径方向において前記第２のバッフルと前記ハウジングの間において、前記第２のバッフルによって画定される複数の開口部として複数の環状セクターを画定する、請求項１に記載のセンサー。
6. 前記第１のバッフルによって規定されるどのような開口部と前記第２のバッフルによって規定されるどのような開口部との間の距離も、少なくとも１cmである請求項１に記載のセンサー。
7. 前記第１のバッフルによって規定されるどのような開口部と前記第２のバッフルによって規定されるどのような開口部との間の距離も、１〜４cmの範囲にある請求項６に記載のセンサー。
8. 前記第２のバッフルは、前記ダイアフラムから０．１cm以下に離間される請求項７に記載のセンサー。

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