JP6953513B2 - マイクロ圧力センサ - Google Patents
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Description
本願は、米国仮特許出願第62/371,361号(2016年8月5日出願、名称「Micro Pressure Sensor」)および米国特許出願第15/668,837号(2017年8月4日出願、名称「Micro Pressure Sensor」)に対する米国特許法§119(e)に基づく優先権を主張し、上記出願の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書に説明されるマイクロ圧力センサは、微細加工方法を使用して作製されることができ、種々の産業用、商業用、医療用、および生物学的用途において圧力を感知するために使用されることができる。マイクロ圧力センサは、ミクロン/ミリメートル規模で製作される。いくつかの製作技法が、開示される。
図1を参照すると、マイクロ圧力センサ10は、単一の区画に分けられた圧力センサチャンバ20を含む。マイクロ圧力センサ10は、センサ本体11も含み、センサ本体11は、流体流方向に沿った2つの壁13a、13bと、2つの壁、例えば、2つの固定された端部壁(すなわち、端部キャップ)16a、16bと直交する正面および背面壁(図1−4の図に示さず)とを有し、端部壁16a、16bは、流体流方向と垂直方向に沿って互いに対向している。壁13a、13b、16a、16b、および前面ならびに背面壁は、単一チャンバ20を画定する。単一チャンバ20は、膜層(膜)18a−18fによって区画に分けられる。膜18a−18fは、2つの端部壁16a、16b間、かつ、正面壁と背面壁との間に定着される。膜18a−18fは、壁から壁に延び、チャンバ20を複数の区画21a−21gに分離する。
C=εrε0A/d
式中、Cは、静電容量(ファラッド)であり、
Aは、2つの電極の重複面積(平方メートル)であり、
εrは、電極間の材料の誘電率(膜および流体の誘電率の合計)であり、
ε0は、電気定数(ε0≒8.854×10−12 F・m−1)であり、
dは、プレート間の分離(メートル)であり、
dは、最小のAの弦に対して実質的に小さい。
図11、11Aを参照すると、ロール・ツー・ロール処理ライン100の概念図が、図示される。処理ラインは、いくつかのステーション、例えば、(封入チャンバであるか、またはそれを含むことができる)ステーション1からステーションnを備え、そこで、堆積、パターン化、および他の処理が生じる。したがって、処理は、大まかに見ると、追加的(欲する場所に材料を正確に追加すること)または除去的(欲しない位置における材料を除去すること)であることができる。堆積処理は、必要に応じて、蒸発、スパッタリング、および/または化学蒸着(CVD)、ならびに印刷を含む。パターン化処理は、要件に応じて、パターン化される特徴の分解能に応じた走査レーザおよび電子ビームパターン生成、機械加工、光学リソグラフィ、グラビア印刷、ならびにフレキソ(オフセット)印刷等の技法を含むことができる。インクジェット印刷およびスクリーン印刷が、導体等の機能材料を加えるために使用されることができる。打抜、刻印、およびエンボス加工等の他の技法も、使用されることができる。
Claims (24)
- マイクロ圧力センサであって、前記マイクロ圧力センサは、
チャンバを画定する対の対向壁を有する本体と、
複数の膜であって、各々は、その表面を覆う対応する電極層を有し、前記複数の膜は、前記チャンバ内に配置され、前記本体の対向壁の間に定着され、前記チャンバ内に複数の区画を提供する、複数の膜と、
前記複数の区画の第1の組に結合された第1の組のポートであって、前記第1の組のポートは、前記本体の前記対の対向壁のうちの第1のものの対応する部分に配置され、前記本体の前記対の対向壁のうちの第2のものは、前記本体の中実部分である、第1の組のポートと、
前記複数の区画の第2の異なる組に結合された第2の組のポートであって、前記第2の組のポートは、前記本体の前記対の対向壁のうちの前記第2のものの対応する部分に配置され、前記本体の前記対の壁のうちの前記第1のものは、前記本体の中実部分である、第2の組のポートと
を備えている、マイクロ圧力センサ。 - 前記チャンバを閉じ込めるために前記本体に接続された対の端部キャップをさらに備えている、請求項1に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記第1の組のポートは、入口であり、前記第1の組のポートは、源圧力で流体源に結合されるように構成され、前記第2の組のポートは、出口であり、前記第2の組のポートは、基準圧力に結合されるように構成されている、請求項1に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記複数の膜の第1の組は、電気的に接続され、前記複数の膜の第2の組は、電気的に接続されている、請求項1に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記第1の組のポートの各ポートおよび前記第2の組のポートにおける各ポートは、それぞれの第1の組のポートおよび第2の組のポートのうちの直前のものに対して互い違いにされている、請求項1に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記マイクロ圧力センサは、静電容量測定回路に結合されている、請求項1に記載のマイクロ圧力センサ。
- コントローラが、測定された静電容量を圧力に変換する、請求項1に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記マイクロ圧力センサは、ある圧力の流体流によって駆動されるように構成され、前記第1の組のポートの中に向かわせられる前記流体は、前記流体流圧力と出口である前記第2の組のポートに加えられた基準圧力との間の圧力差に従って、前記チャンバ内に配置された前記複数の膜が曲がることを引き起こす、請求項1に記載のマイクロ圧力センサ。
- 流体流圧力が基準圧力より低いアンダー圧力モードに対して、前記第1の組のポートから外へのある圧力における流体流は、前記第1のポートのうちの1つに結合された前記複数の区画の第1のものが収縮することを引き起こし、前記複数の区画のうちの前記1つに隣接する少なくとも1つの区画が実質的に同時に拡張することを引き起こす、請求項1に記載のマイクロ圧力センサ。
- 流体圧力が基準圧力より高いオーバー圧力モードに対して、前記第1の組のポートの中へのある圧力における流体流は、前記第1のポートのうちの1つに結合された前記複数の区画の第1のものが拡張することを引き起こし、前記複数の区画のうちの前記1つに隣接する少なくとも1つの区画が実質的に同時に収縮することを引き起こす、請求項1に記載のマイクロ圧力センサ。
- マイクロ圧力センサであって、前記マイクロ圧力センサは、
第1のマイクロ圧力センサモジュールであって、前記第1のマイクロ圧力センサモジュールは、
第1の区画を画定する第1の本体であって、前記第1の本体は、前記第1の本体の壁内に画定された第1のポートを有する、第1の本体と、
前記第1の本体の表面に取り付けられた第1の膜と、
前記第1の膜の主要面上の第1の電気的伝導性電極と
を備えている、第1のマイクロ圧力センサモジュールと、
前記第1のマイクロ圧力センサモジュールを伴うスタック内に配列された第2のマイクロ圧力センサモジュールと
を備え、
前記第2のマイクロ圧力センサモジュールは、
第2の区画を画定する第2の本体であって、前記第2の本体は、前記第2の本体の壁内に画定された第2のポートを有する、第2の本体と、
前記第2の本体の表面に取り付けられた第2の膜と、
第2の膜の主要面上の第2の電気的伝導性電極と
を備え、
前記第1の膜および前記第1の本体と組み合わせられた前記第2の膜は、前記第1の区画を封入する、マイクロ圧力センサ。 - 前記第1のマイクロ圧力センサモジュールおよび前記第2のマイクロ圧力センサモジュールを伴う前記スタック内に配列された第3のマイクロ圧力センサモジュールをさらに備え、
前記第3のマイクロ圧力センサモジュールは、
第3の本体であって、前記第3の本体は、前記第3の本体内に第3のポートを有する、第3の本体と、
第3の本体であって、前記第3の本体は、第3の区画を画定し、前記第3の本体の壁内に画定された第3のポートを有する、第3の本体と、
前記第3の本体の表面に取り付けられた第3の膜と、
前記第3の膜の主要面上の第3の電気的伝導性電極と
を備え、
前記第2の膜および前記第2の本体と組み合わせられた前記第3の膜は、前記第2の区画を封入する、請求項11に記載のマイクロ圧力センサ。 - 前記第1および第3のポートは、源圧力で流体によってフィードされる源ポートであり、前記第2のポートは、基準圧力で流体によってフィードされる基準ポートである、請求項12に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記第1のポートは、前記第1の本体の第1の壁上にあり、前記第1の本体の残りの壁は、中実壁である、請求項11に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記第2のポートは、前記第2の本体の第1の壁上にあり、前記第2の本体の残りの壁は、中実壁である、請求項11に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記マイクロ圧力センサは、静電容量測定回路に結合されている、請求項11に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記第1および第2の膜と対応する電極とは、前記第1および第2の膜の可撓性に影響を及ぼすようにパターン化されている、請求項11に記載のマイクロ圧力センサ。
- 前記第1および第2の膜の前記可撓性に影響を及ぼすためのパターンは、膜材料におけるチャネルと、前記電極としての蛇行導体とを含む、請求項11に記載のマイクロ圧力センサ。
- マイクロ圧力センサであって、前記マイクロ圧力センサは、
チャンバを画定する複数の壁を有する本体と、
複数の膜であって、各々は、その表面を覆う対応する電極層を有し、前記複数の膜は、前記チャンバ内に配置され、前記チャンバ内に複数の区画を形成する前記本体の前記複数の壁のうちの2つの間に定着されている、複数の膜と、
前記複数の区画の第1の組に結合された入口の組であって、前記入口の組は、前記本体の前記複数の壁のうちの第1のものの対応する部分に配置され、前記本体の複数の壁のうちの残りの壁は、前記本体の中実部分である、入口の組と、
前記複数の区画の第2の異なる組に結合された出口の組と
を備え、
前記出口の組は、前記本体の前記複数の壁のうちの別のものの対応する部分に配置され、
前記本体の複数の壁のうち、前記本体の複数の壁のうちの第1のものと、前記壁のうちの前記別のものを除外した残りの壁とは、前記本体の中実部分である、マイクロ圧力センサ。 - マイクロ圧力センサを製造する方法であって、前記方法は、
第1のシートをパターン化し、可撓性プラスチック材料の前記第1のシートから第1の本体要素を生成することであって、前記本体要素は、前記本体要素の第1の壁内にポートを有し、前記本体要素の残りの壁は、中実壁であり、前記第1の壁と残りの壁とは、チャンバを画定する、ことと、
伝導性電極材料を支持する可撓性プラスチック材料の第2のシートを前記第1のシートに積層し、複合積層構造を提供することと
を含む、方法。 - 前記第2のシート上の前記伝導性層をパターン化し、前記伝導性層の分離された領域を提供することをさらに含み、前記分離された領域は、電極を前記第2のシート上に提供する、請求項20に記載の方法。
- 前記複合積層構造を前記本体要素を備えている個々のダイにダイカットすることと、
スタックの対向側面上にあるように前記ポートを交互にすることによって、前記個々のダイをスタックし、スタックされた構造を生成することと、
前記スタックされた構造を積層し、微小電気機械システムの構成要素を生成することと
をさらに含む、請求項20に記載の方法。 - 前記シートの可撓性に影響を及ぼすように前記シートを機械加工することをさらに含む、請求項20に記載の方法。
- 前記第1の本体要素を生成するための前記第1のシートは、可撓性プラスチック材料のロールからフィードされる、請求項20に記載の方法。
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