JP5746187B2 - 圧力センサマウントを備えた圧力トランスミッタ - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、工業プロセス制御及びモニタリング用途における使用のための圧力トランスミッタに関する。より具体的には、本発明は、圧力トランスミッタにおいて電気的分離を提供する圧力センサマウントに関する。

圧力トランスミッタ及び他の圧力感知機器は、プロセス流体の圧力を感知する圧力センサを含む。圧力センサは、圧力トランスミッタ（又は圧力機器）出力を生成する電気回路に電気的出力を提供する。

一部のタイプの圧力センサは、トランスミッタのボディからの電気的分離を要する。圧力センサを実現するために用いられる技術に依存して、場合によっては、トランスミッタボディからの電気的分離を提供しつつ、トランスミッタボディ内に圧力センサを取り付けることは困難であることがある。

圧力センサマウントを備えた圧力トランスミッタは圧力計測回路を含む。圧力トランスミッタの金属ボディは、プロセス圧に結合するように構成された圧力カップリングを有する。圧力センサは、プロセス圧に関する出力を圧力計測回路に提供するように構成されている。導管が圧力センサに結合され、プロセス圧に対応する印加圧を圧力センサに加えるように構成されている。非導電性スペーサが金属ボディと導管との間に配置され、導管を金属ボディから電気的に分離するように構成されている。非導電性スペーサは、その中に形成された開口を有し、印加圧を金属ボディから導管に運ぶように配設されている。

プロセス制御又はモニタリングシステムにおける圧力トランスミッタの部分切欠図である。 本発明の圧力センサマウントを示す、図１の圧力トランスミッタの拡大断面図である。 図２の圧力センサをさらに詳細に示す断面図である。 圧力センサマウントのもう一つの例示的実施態様の断面図である。 圧力センサマウントのもう一つの例示的実施態様の断面図である。

詳細な説明
本発明は、圧力トランスミッタ中の圧力センサのための、圧力センサを圧力トランスミッタのボディから電気的に分離するために使用することができるマウントを提供する。

図１は、プロセス流体１６を運ぶプロセス配管１４に結合された圧力トランスミッタ１２を含むプロセス制御又は計測システム１０を示す図である（トランスミッタ１２はシステム１０の計測部品である）。プロセス流体１６は圧力トランスミッタ１２に圧力Ｐを加える。圧力トランスミッタ１２は、たとえば２線式プロセス制御ループ２０を介して制御室２２のような離れた場所に出力を提供する。プロセス制御ループ２０は、適切なプロトコルにしたがって作動することができる。一つの構成において、プロセス制御ループ２０は、プロセス圧Ｐに関する「プロセス変量」を表すためにアナログ電流レベルが使用される２線式プロセス制御ループを含む。もう一つの例示的態様において、プロセス制御ループ２０は、プロセス圧Ｐに関するデジタル値を運ぶ。そのようなプロトコルの例は、HART（登録商標）又はFOUNDATION FieldBus通信プロトコルを含む。もう一つの例示的プロセス制御ループはワイヤレス通信リンクを含む。そのような構成において、要素２０は、トランスミッタ１２とプロセス制御室２２との間のワイヤレス通信リンクを表す。

トランスミッタ１２は、適切な技術にしたがって作動することができる圧力センサ（圧力センサダイ）４０を含む。例示的な技術は、たとえば、印加圧に応答して変化する電気的性質を有する要素を有するマイクロマシンコンフィギュレーションを含む。プロセスカップリング４２がトランスミッタ１２のボディ又はハウジング１８をプロセス配管１４に結合する。これが、プロセス圧Ｐがトランスミッタ１２の分離ダイヤフラム５０に加えられることを可能にする。圧力Ｐはダイヤフラム５０の撓みを生じさせ、その撓みが、分離流体を運ぶ毛管５２を介して圧力センサ４０に伝達される。毛管５２は、同じく圧力センサ４０を支持する圧力センサモジュール５４の中を通って延びている。センサモジュール５４は、圧力センサ４０を取り付けるように構成されているセンサマウント３８を含む。圧力センサ４０は電気的出力６０を計測回路６２に提供する。計測回路６２は端子板７０に接続し、この端子板はプロセス制御ループ２０に結合している。一つの例示的構成において、プロセス制御ループ２０はまた、トランスミッタ１２の回路、たとえば計測回路６２にパワーを提供するためにも使用される。

図２は、センサマウント３８をさらに詳細に示す、トランスミッタ１２の一部分の拡大断面図である。図２においては、分離ダイヤフラム５０をより詳細に見ることができ、ダイヤフラム５０とセンサモジュール５４との間に、ヘッダ１００中の毛管又は導管５２に結合するキャビティ８０が画定されている。圧力Ｐがプロセス流体から加えられると、分離ダイヤフラム５０が、キャビティ８０及び導管５２に収容された充填流体に圧力を加え、その圧力Ｐは圧力センサ４０に伝達される。図１及び２において、センサマウント３８及び圧力センサ４０は、原寸に比例する尺度で示されておらず、図解のために拡大されていることに留意すること。

トランスミッタボディからの電気的分離を要する、圧力センサダイを取り付けるために使用される一般的な技術は高価な部品及び方法に依存する。これらの方法は、多くの場合、実現するのが困難であり、信頼性の問題を招くおそれがある。本発明は、圧力センサダイとトランスミッタボディとの間に電気的分離を提供しつつ、圧力センサダイを圧力トランスミッタ中に取り付けるための技術を提供する。

圧力センサダイを取り付けるために使用された方法及び部品の例は、めっき、金属・セラミック接合、接着剤及びその他を含む。しかし、これらの技術は、顕著な信頼性の問題を被るおそれがある。たとえば、多くの場合、部品どうしをはんだ付けすることができるよう、めっきが使用される。しかし、不十分な質のめっきは、不十分なぬれ又は部品への不十分なめっき接着を生じさせるおそれがある。その結果として、製造工程中の破損及び完成品における信頼性の低下が生じる。同様に、金属・セラミック接合もまた、質の問題を有するおそれがある。たとえば、セラミックへの金属ろう付けは、接着破壊を被るおそれがある。セラミック上の薄膜もまた、表面仕上げ、機械及び研削加工からの表面損傷ならびに材料の多孔性のせいでセラミックから容易には除去されない汚染物質に関連する質の問題を有するおそれがある。

対照的に、本発明は、改善された信頼性及び質を提供する、より立証された方法及び材料を使用する。たとえば、様々な実施態様において、本発明は、圧縮ガラス・金属シール及び部品のはんだ付け又は溶接を使用する。

一つの実施態様にしたがって、図３は、圧力センサダイ４０を取り付けるためのセンサマウント３８の拡大断面図である。マウント３８は、一般にはステンレス鋼などであるヘッダボディ１００を含む。センサダイ４０を担持するキャビティ１０２がヘッダボディ１００中に形成されている。図２に示すように、通路又は毛管８２がヘッダ１００の中を通って延びている。誘電性スペーサ１１０がキャビティ１０２の底に配置され、通路８２と整合した、その中に形成された開口１１２を有している。中に形成された開口を有する金属管１２０が誘電性スペーサ１１２中の開口と整合し、毛管８２をダイ（圧力センサ）マウント管１２２に結合している。管１２０は、気密シールガラス材１３０によってキャビティ１０２中に固定されている。この構成において、誘電性スペーサ１１０はスペーサとしてのみ機能する。したがって、スペーサ１１０には何も取り付ける必要がなく、それが、従来技術設計の難題のいくつかを解消する。これが、シールを損なうことなく、材料をセラミック材料にすることを可能にする。ガラス材１３０によって誘電性スペーサ１１０の上に形成されるガラスシールは、ボディ１００と管１２０との間にシールを提供する。この構成は、従来技術構成における電気ピンフィードスルーに使用される多重ガラス・金属シールを模倣するものである。この管シールは、好ましくは、金属管１２０及び電気接続ピン（図示せず）を用いる電気ピンガラス・金属シールと同時に形成される。これらの部品は、ガラス材１３０の熱膨張率よりもわずかに低い適切な熱膨張率を有するように合金５２から作製することができる。ガラス・金属シールはすべて、これらのステンレス鋼ヘッドボディからの重い圧縮応力下にあって、非常に信頼性の高いシールを生み出す。管１２０はガラス１３０よりも上に延びている。

一つの実施態様において、ダイマウント管１２２が管１２０に封着され、好ましくは、センサダイ４０の熱膨張率に実質的に合致する熱膨張率を有するように選択される。管１２２は、金属管１２０の開口と整合した、その中に形成された開口を含み、はんだ付け、ろう付けもしくは溶接又は他の手法で適切に管１２０に取り付けることができる。はんだ付け又はろう付け技術は、管の中を通過するセンサ穴を塞ぐおそれがあるため、実現においては複雑な問題を呈するおそれがあることに留意されたい。溶接はこの問題を軽減することができ、一つの特定の構成においては、抵抗プロジェクション溶接が好ましいこともある。

センサダイ４０は、好ましくは、合致した熱膨張率を有する管１２２に取り付けられる。取り付けは、はんだ接合などのような適切な技術によって実施することができる。たとえば、シリコンダイをコバール管又はブッシングにはんだ付けするために使用される技術を含む。無電解及び／又は電界金属めっき層は不要である。必要に応じて、スパッタリングによって形成される金属膜を使用して、はんだ溶接面を提供することもできる。この構成は、十分に立証された材料及び加工技術を使用し、圧力センサダイ４０とボディ１００との間に電気的分離を提供しつつ、圧力センサダイ４０のための頑丈なマウントを生み出す。

図４は、図３の圧力センサマウント管１２２が使用されないもう一つの実施態様の断面図である。このような構成において、管１２０は圧力センサダイ４０に直接取り付けられる。このような構成は、管１２０が圧力センサダイ４０に使用される材料とで適合性である場合に実現することができる。たとえば、はんだ接合を用いることができるならば、圧力センサダイ４０は、管１２０の端部に直接はんだ付けすることができる。しかし、ガラス材１３０が、管１２０の材料がシリコン製の圧力センサダイに直接取り付けることができる熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有することを要求することがあるため、これは一般に可能ではない。

図５は、圧力センサマウント１５０のもう一つの例示的実施態様を示す。図５の実施態様において、プロセス流体からの圧力は、圧力センサダイ４０を包囲するキャビティ１０２に加えられる。この構成において、キャビティ１０２は、油などのような充填流体を使用して分離ダイヤフラム５０をはさんで伝達されるプロセス圧を毛管８２を通して受ける。先に説明した要素に類似する図５中の要素は同じ参照番号を付されている。圧力センサマウント１５０は、ヘッダボディ１５４に結合されたプロセスカップリング１５２を含む。この構成において、開口１１２は、たとえば周囲圧を含むことができる基準圧に結合されている管１５６に結合する。また、図５の実施態様においては、金属接続ピン１７０が示されている。接続ピン１７０は、ヘッダボディ１５４中の通路１７２の中を通ってキャビティ１０２の中に延びている。ワイヤ１７４を使用してピン１７０と圧力センサダイ４０との間に電気接続を提供している。このカップリングは、たとえばワイヤボンディング技術によって完成することができる。気密ガラスシール１７６を使用して金属ピン１７０を通路１７２中に封着し、それによってキャビティ１０２を封止している。

好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の真意及び範囲を逸することなく、形態及び詳細における変更を加えることができることを理解するであろう。上記説明においては、圧力センサダイとして圧力センサが例示されているが、他の構成を実現することもできる。さらに、毛管及び分離ダイヤフラムが示されているが、プロセス流体に直結することを含め、他の構成を用いることもできる。図示された様々な導管及び管は、円形であり、同心的であるものとして示されている。しかし、本発明はこれらの構成に限定されない。金属管及びダイマウント管は、圧力センサダイによって提供される圧力センサをプロセス圧に結合するために使用される一つの例示的構成の導管を提供する。いくつかの構成において、誘電性スペーサは、相対的に高い電気抵抗を有する任意の非導電性材料であることができ、材料は誘電体に限定されない。金属管をヘッダボディに接着するために使用される材料は、それらの間に電気接続が形成されることを防ぐために、非導電性材料であるべきである。本明細書に記載されるガラスマウントを使用して、金属ボディとの圧縮接合を形成することができる。圧力センサは、適切なセンサを含むことができ、一つの構成において、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）圧力センサを含む。

Claims (10)

1. 圧力計測回路と、
   プロセス圧に結合するように構成された圧力カップリングを有する、圧力トランスミッタの金属ボディと、
   前記プロセス圧を受け、それに応じて前記プロセス圧に関するセンサ出力を前記圧力計測回路に提供するように構成された圧力センサであって、前記センサ出力が前記計測回路に電気的に結合される圧力センサと、を含み、
   前記金属ボディは、
   前記金属ボディを貫通する毛管と、
   前記毛管の第一端側に設けられ、前記プロセス圧を受けて撓む分離ダイヤフラムと、
   前記毛管に充填され、前記分離ダイヤフラムの撓みを伝達するための分離流体と、
   前記毛管の第二端側に形成されたセンサマウントと、を含み、
   前記センサマウントは、
   前記毛管の第二端側に位置するキャビティと、
   前記圧力センサに結合された第一端を有し、前記プロセス圧に対応する、その第二端で受けられた印加圧を前記圧力センサに加えるように構成された導電性導管であって、前記キャビティ内に非導電性圧縮接合によって結合されている導電性導管と、
   前記キャビティ内における前記金属ボディと前記導電性導管の前記第二端との間に配置され、前記導電性導管を前記圧力トランスミッタの前記金属ボディから電気的に分離するように構成された非導電性スペーサであって、その中に形成され、前記印加圧を前記金属ボディから前記導電性導管に運ぶように配設された開口を有する非導電性スペーサと、
   前記キャビティ内に充填された、前記非導電性圧縮接合としての気密シールガラス材と、を含み、
   前記導電性導管は、前記気密シールガラス材の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有する金属から作製された、圧力トランスミッタ。
2. 前記非導電性スペーサが誘電性スペーサを含む、請求項１記載の圧力トランスミッタ。
3. 前記導電性導管が前記非導電性スペーサに当接して、それにより、前記非導電性スペーサを所定位置に固定する、請求項１記載の圧力トランスミッタ。
4. 前記非導電性スペーサが、前記金属ボディの前記キャビティ中に嵌るように構成されている、請求項１記載の圧力トランスミッタ。
5. 前記非導電性スペーサの前記開口が、前記金属ボディの前記毛管と整合しており、それにより、前記印加圧が前記プロセス圧を含む、請求項１記載の圧力トランスミッタ。
6. 前記導電性導管が前記圧力センサに結合されている、請求項１記載の圧力トランスミッタ。
7. 前記導電性導管の前記第一端と前記圧力センサとの間に配置された圧力センサマウント導管であって、前記印加圧を前記導電性導管から前記圧力センサに加えるように構成された、その中に形成された開口を有する圧力センサマウント導管を含む、請求項１記載の圧力トランスミッタ。
8. 前記圧力センサマウント導管が前記導電性導管及び前記圧力センサに結合されている、請求項７記載の圧力トランスミッタ。
9. 前記印加圧が基準圧を含む、請求項７記載の圧力トランスミッタ。
10. 前記圧力センサがシリコンで形成されている、請求項１記載の圧力トランスミッタ。

Images