JPH11501123A - 圧力センサおよび圧力トランスミッタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１の容量圧力センサ（７０Ａ、Ｂ）は溶融接合された単結晶構造（空洞付きのサファイア）を有する。第２のもの（７０Ａ、Ｂ）は細長くて厚い結晶構造を有する。第３のもの（７０Ａ、Ｂ）はコンデンサ電極の背後面から出る電場を利用する。第１の差圧トランスミッタはプロセス障壁（７１）とセンサ（７０Ａ、Ｂ）としての長手方向部材とを用いる。第２の差圧トランスミッタは、応力分離部材を有する単結晶構造体をセンサ（７０Ａ、Ｂ）として用いる。基本的には、厚いスラブ状の空洞付き容量性サファイアセンサはプロセス流体に直接さらされる。スラブは１５×３×２立方mm、空洞の断面は１mm×０．５μm 、容量は４２pFである。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 圧力センサおよび圧力トランスミッタ 発明の背景 本発明はプロセス制御工業に関する。本発明は特に圧力トランスミッタに使用 する圧力センサに関する。 プロセス制御の用途に用いられる圧力トランスミッタはプロセスの圧力を測定 し、例えば４−２０mA電流ループのような２線式プロセス用途ループを介してそ の情報を応答的に交信する。トランスミッタ内の圧力センサは、典型的には、印 加圧力に応答して移動する偏向ダイアフラムを備えた適宜の型の圧力応答構造を 有する。これらの構造は絶対圧および差圧の両方の測定に採用できる。ここで差 圧センサは、比較的広い絶対圧の範囲に亘って比較的小さい差圧（流管に配置さ れたオリフィスの両端に生ずるか、あるいは流体を充填したコンテナ内の違った 高さ位置間に生ずるような）を測定するセンサである。差圧を測定するための従 来の代表的なトランスミッタにおいては、２つの違った圧力が前記構造の両側に 加えられて測定対象の構造に相対的な変形を生じさせる。前記変形の測定は、例 えば、前記構造に保持されたコンデンサ電極の移動に基づく静電容量の変化を測 定することにより、あるいは抵抗歪みゲージの抵抗の変化を検知することによっ て行なわれる。 非常に高精度の絶対圧センサが待望されてきたが、例えば ０．４psi から４０００psi までという広い圧力範囲に亘って正確な出力を与え ることができるような絶対圧センサを実現することは困難であった。２つの絶対 圧センサを用いて差圧を測定することもまた望ましいことである。何故ならば、 この方が、１つの差圧センサに２つの圧力を機械的に結合するよりは機構的にず っと簡単になるからである。さらにそのような差圧センサでは、過大圧が差圧セ ンサに損傷を与えることがある。 しかし、４０００psiaというような大きさの静圧またはライン圧に耐えなけれ ばならない装置において、０．４psi から４０psi の測定範囲で差圧を十分な精 度で測定できるような絶対圧センサを得ることは困難であった。例えば、４ｐｓ ｉｄの０．０１％は４０００psiaの０．００００１％（１０^-7すなわち０．１pp m）を必要とする。 プロセス制御用途に使用される既知の代表的な圧力センサは、温度のような外 的（無関係な）パラメータに対する不所望な応答がユニット毎に異なるのみなら ず、被測定圧に対する感度もユニット毎に異なる。このために、２つの絶対圧ま たはゲージ圧センサの出力が組合わされて差圧を表わす出力を発生する場合や、 センサが広い圧力範囲に亘って使用される場合に特有の問題を招来する。加えて 、センサをトランスミッタに組み込む際に生ずる機械的ストレスによって、圧力 測定に比較的大きな誤差が生ずる。 発明の概要 プロセス制御の用途において、プロセスループに圧力信号を伝送するための圧 力トランスミッタは絶対圧センサを含んでいる。絶対圧センサは内部に空洞を有 し、前記空洞の壁が印加された圧力に応答するとき、前記壁が変形したり、スト レスを受けたりする。圧力センサはストレスを隔離するための支持構造を含む。 空洞の壁に結合されたセンサが圧力に関連した出力信号を発生する。１つに実施 例においては、センサおよび支持構造は互いに一体化されており、センサ構造お よび支持構造の間には結合部が存在しない。圧力センサの材料および寸法は、圧 力に関連する信号が非常に正確であり、かつ広い圧力範囲に亘って使用でき、ま た対にして差圧センサとしても利用できるように選定される。 図面の簡単な説明 図１は圧力トランスミッタの断面図である。 図２は圧力センサを支持するインサートの一部破断斜視図である。 図３は圧力センサの断面斜視図である。 図４は本発明の動作を示すグラフである。 図４Ａは圧力センサのストレス減衰とＬ／Ｗの関係を示すグラフである。 図５は、ｌ／Ｔが１．０の場合の、圧力センサの１／４の変位を示す図である 。 図６は本発明の他の実施例の断面図である。 図７は圧力センサの断面図である。 図８は図７の圧力センサの断面図である。 図９は図７の圧力センサの上部基板の上面図である。 図１０は図７の圧力センサの下部基板の上面図である。 図１１は圧力センサの容量測定回路を示す図である。 図１２はセンサ本体の断面図である。 図１３は図１２のセンサ本体の底面図である。 図１４はセンサ本体の断面図である。 図１５は図１４のセンサ本体の底面図である。 図１６〜１６Ｇは本発明の種々の実施例の断面形状を示す図である。 図１７Ａおよび１７Ｂはコンデンサ電極の２つの実施例を示す図である。 図１８は融点温度のパーセントで表わした接合温度と材料強度のパーセントで 表わした接合強度との関係を示すグラフである。 好ましい実施例の詳細な説明 図１はトランスミッタ本体５２と、センサ本体５４およびフランジ５５を有す る圧力トランスミッタ５０を示す。センサ本体５４はプロセス流体の絶対圧Ｐ１ およびＰ２をそれぞれ測定する圧力センサ７０Ａ、７０Ｂを含む。トランスミッ タ本体５２は、４−２０mA電流ループのような２線プロセス制御ループを介して 圧力Ｐ１、Ｐ２に関する情報を送信するトランスミッタ（Ｉ／Ｏ）回路６０を含 む。回路基板５７はセンサ回路基板５８をセンサ７０Ａ、７０Ｂ に接続し、圧力Ｐ１、Ｐ２に関する電気信号を受信する。センサ回路基板５８上 の回路はこれらの信号をデジタル化して処理し、圧力情報をデータバス６２を用 いてトランスミッタ回路６０に伝送する。インサート６７Ａ、６７Ｂがセンサ７ ０Ａ、７０Ｂを支持する。プロセス障壁７１が空洞７５を形成し、インサート６ ７Ａ、６７Ｂに不具合を生じたときに圧力Ｐ１、Ｐ２がセンサ本体５４から漏れ るのを防止する。空洞７５は真空にされるか、または不活性ガスを充填される。 フィードスルー７３Ａ、７３Ｂ、７３Ｃが回路基板５７、５８間の障壁を貫通す る電気的通路を提供する。 図２はセンサ７０Ａを支持するインサート６７Ａの切断斜視図である。ある実 施例ではインサート６７Ａはアルミナである。さらにセンサ７０Ａはハウジング ５４に比べて小さく、熱的変動を減らすようにセンサ７０Ｂに比較的近接して配 置され、これによって精度が改善される。このことは、センサの熱的時定数がハ ウジングの熱的時定数よりも遥かに小さく感知素子内の温度勾配を最小にするこ とによって達成される。 図３には本発明の１実施例によるセンサ７０Ａを示す。センサ７０Ａはそれら の間に空洞７６を形成する上部基板７２と下部基板７４を含む。図３には感知空 洞の偏向構造の全長Ｌ、厚みＴ、幅Ｗ、空洞の最小幅ｗ、および印加圧力Ｐによ る偏向ｙが示される。 従来技術による代表的なセンサの、正確に感知できる最大／最小圧力比は約１ ００対１である。これは主として、構造における再現 不能誤差およびノイズによって制限される。さらに従来技術のセンサは、センサ 素子の弾性の不完全性、応力分離の不適正さ、および信号対ノイズ比の悪さなど によっても制限される。例えば、金属ベースの圧力センサはヒステリシスや材料 の漸動クリープ（creep）、緩和（relaxation）などの問題を含んでいる。セラ ミックベースの圧力センサは、典型的には、シリコンガラスと結合した結晶のマ トリックスで作られ、やはり前記の問題を有している。 ガラスベースのセンサには、ガラスの相変化や粘性に基づく不安定性の問題が ある。単結晶材料は非常に優れた弾性特性を有し、このような材料で作ったセン サは改善された精度を有すると考えられてきた。単結晶ダイアフラムを備えたセ ンサが使用されてきたが、それらは典型的な内部与圧による高い引っ張り応力に さらされていた。加えて、この型の代表的なセンサはガラスまたは金属構造の素 子を含み、かつガラスフリット、半田、またはエポキシのような低強度の結合剤 が使用されている。さらにこれらの型のセンサは不適切な応力分離を有するもの が多かった。 さらにまた代表的な従来のセンサには、過大圧に対する保護機構と共に使用す るために、シリコン油のような充填油が使用されてきた。充填油はまた、圧力セ ンサに耐腐蝕分離ダイアフラムを結合する際にも使用される。これらのセンサは 充填油の喪失に起因する事故に遭遇することがある。代表的な従来技術による分 離ダイアフラムは金属で作られ、粒子や腐蝕性材を圧力センサから隔離するよう に使用されてきた。これらのダイアフラムは、誤差を最小にするためには薄くな ければならないが、そうするとダイアフラムが特に破壊されやすくなり、その寿 命が制限される。さらに用途が違えば違ったダイアフラム材料が要求されるので 、広く共通に使用できる金属は存在しない。 本発明は単結晶材料で構成された圧力感知構造を提供する。材料内の結合は溶 融接合によって行われるので、それらは不正確性を招くような異物を事実上含ま ない。構造物は、当該構造物に圧力を印加するプロセス流体によって取り囲まれ るかもしれない。これは、構造物が耐腐蝕材で作られるために可能になる。脆性 材料は圧縮によって変形され、これが高い加工ストレス対誤差ストレス比を与え 、したがって高い信号対ノイズ比を与える。その理由は、脆性材料が張力に対し てよりも圧縮に対して強いからである。 この構成によって、センサは外部表面の腐蝕に感応し難くなる。何故ならば、 その出力が厚みの３乗に依存する度合いが少なくなり、むしろ厚みに対して直線 的に正確に依存するからである。構造物をプロセス流体中に配置すると、隔離ダ イアフラムおよび充填油が省略されるので信頼性が改善される。長手方向軸を長 くすると応力の分離が実現され、また前記軸が同じ単結晶材料で作られると誤差 の低減に役立つ。電気リード線は長手方向軸を通して配設され、プロセス流体か ら絶縁される。前記軸を通る通路はまた基準圧を供給するのにも使用できる。あ る実施例では、サファイアのような耐腐蝕 材料が使用され、充填油や分離ダイアフラムを省略できるような内部センサが採 用される。 またある実施例では、整合したセンサが差圧測定のためにデュアル（２重）セ ンサとして使用される。これは２つのセンサに共通の誤差を低減するのに有用で ある。容量の感知は、安定した低ノイズの信号を与えるので好ましい。コンデン サは生来的な熱的ノイズを有せず、高いゲージファクタを有していて相応の大き な出力を発生し、これが電子的検知回路のノイズ効果を最少にする。コンデンサ はまた優れた零安定性および非常に低い零温度係数を有する。上述の各ファクタ により、２つの独立の感知素子を用いる差圧トランスにおいて遭遇される高圧セ ンサの非常に僅かな圧力変化を検知することが実用化される。改良された圧力分 解能が電子回路の使用によって実現される。 ダイアフラムの実効的な最少幅をｗとし、その厚みをＴとすると、ダイアフラ ムの屈曲による偏向ｙがｗ³／Ｔ²に比例すること、すなわちｙ∝ｗ³／Ｔ²となる ことは既知である。それ故にセンサ出力は寸法の変動に大幅に依存する。 ダイアフラム内の剪断応力による偏向がｗ²／Ｔに比例すること、すなわちｙ ∝ｗ²／Ｔであることも既知である。これは出力対センサ寸法の変動を減少させ るが、この変動は以下に定義する“バルク”偏向に頼ることによってさらに減少 される。 空洞７６の偏向ｙは曲げ偏向、剪断偏向および“バルク”偏向の 効果に依存するであろう。Ｗ／ｗが２より大きい定数であると仮定すると、これ は次のように表わされる。 ｙ／ｗ＝Ｋ1 Ｐ／Ｅ＋Ｋ2 Ｐ／Ｇ・Ｗ／Ｔ ＋Ｋ3 Ｐ／Ｅ・（Ｗ／Ｔ）³ … 式１ ここで、 ＫI ＝材料の“バルク”偏向定数、 Ｋ2 ＝材料の剪断偏向定数、 Ｋ3 ＝材料の屈曲偏向定数、 Ｗ ＝センサの幅、 Ｐ ＝外部圧力、 ｙ ＝印加圧力Ｐによる空洞７６の中心部の偏向、 ｗ ＝空洞７６の幅、 Ｔ ＝センサ７０のスロット（空洞） ７６位置での厚み （方形断面、Ｔ＝Ｗ／２の場合） ｔ ＝空洞７６の深さ、 Ｌ ＝センサの幅Ｗおよび厚みＴよりも大幅に大きいセンサの長さ、 Ｅ ＝ヤング率、 Ｇ ＝剪断率である。 式１は、空洞７６の剪断および屈曲偏向が空洞の幅ｗおよびセン サの厚みＴに依存することを示している。 本明細書にいう“バルク”偏向は、ｙが空洞７６の幅ｗに正比例する（すなわ ち、ｙ∝ｗ）場合の式１のＫ1 Ｐ／Ｅの項である。それ故にバルク偏向は非常に 正確であり、圧力の決定に好ましいものであり、さらに腐蝕によって惹起される ような厚みＴの変動とは実質上無関係である。本発明の１特徴によれば、センサ の全偏向のうちのバルクモード偏向成分が増加するような寸法をもった圧力セン サが提供される。 図４は式１のグラフであり、全偏向およびそれぞれの偏向成分（バルク偏向、 剪断偏向および屈曲偏向）を示している。ｗ／Ｔが１から４の範囲では、剪断偏 向が全偏向を支配する。ｗ／Ｔが小さくなると、剪断偏向の寄与はバルク偏向に 比較して少なくなる。ｗ／Ｔが１よりも小さいと、バルク偏向は印加圧力による センサ７０Ａの全偏向に対して支配的に寄与するファクタとなる。それ故に、本 発明の１特徴は、約１に等しいか、またはそれよりも小さいｗ／Ｔ比（空洞の幅 と外表面から内表面までの厚みとの比）を有する圧力センサを含む。剪断偏向が 屈曲偏向より大きいためには、ｗ／Ｔは４．０より小さくなければならない。あ る実施例では、ｗ／Ｔの比は（０．０５≦ｗ／Ｔ≦１．０）である。ｗ／Ｔの最 小値は、ｗがいかに小さく作られ得るかによって決まり、一方不正確さは、Ｔが 大きく作られる時の熱勾配によって決定される。 センサ内の引っ張り応力を最小にすることは、それがセンサの割 れやひびによる破損の可能性を低減するので望ましい。本発明の１特徴は、セン サを被測定圧力で取り囲み、かつ流体静力学的な圧縮応力が引っ張り屈曲応力を 超えることができるようにセンサの寸法を適当に決めることを含む。応力は一般 に相加的であるので、全構造体は圧縮状態に保たれる。このことはｗ／Ｔが約２ ．３よりも小さい時に起こる。 センサ７０Ａの応力分離もまた達成される。センサ７０Ａをハウジング５４に 装着することによる応力がセンサに加わる力（印加圧力による力の他に）の原因 となり、圧力測定に誤差をもたらすことになる。細長い構造は装着による応力の 影響を減少させて差圧の正確な測定および広い動作スパンを可能にする。一般的 に、センサの長さが増加すると、装着応力は取り付け部の末端で減衰する。好ま しい圧力誤差を実現するには、いかなる装着応力誤差も長さＬに亘って十分に減 衰されなければならない。 図４Ａは、図３のセンサに付いて、応力の減衰とＬ／Ｗとの関係を示すグラフ である。縦軸は、装着応力による被測定応力（σ_MEASURED）に対する装着点にお ける応力（σ_MOUNT）の比を示す。装着応力の変化（Δσ_M0UNT）は、圧力センサ での装着応力の変化（Δσ_MEASURED）に起因して圧力測定に誤差をもたらす。あ る実施例では、４ｐｓｉの圧力を測定する際に、装着応力による誤差を４×１０^-4 ｐｓｉより小さくしなければならないので、０．０１％の精度が要求される。 装着応力の減衰が ４×１０^-4ｐｉｓ／４００ｐｓｉ＝１０^-6でなければならないとすると、典型的 なΔσ_MOUNT値は４００ｐｓｉである。図４Ａに示すように、この条件はＬ／Ｗ が約４の時に満足される。差圧測定に２つのセンサが使用され、それらが１０％ 以内の精度に整合されているある実施例では、σ_MEASURED／σ_MOUNTがファクタ １０で減少されてＬ／Ｗが約３になる。ある実施例では、Ｌ／Ｗは３〜５である 。 図５はセンサ７０Ａの変位のプロットを示す断面図である。この図はセンサ７ ０Ａの断面の１／４を示している。この場合のセンサの厚みＴは空洞の幅ｗにほ ぼ等しい。４５００ｐｓｉの印加圧力Ｐでセンサ７０Ａを変位させた。図５の例 では、偏向の約半分は剪断張力によるものであり、他の約半分は“バルク”偏向 によるものである。これは図４に示されており、ここでは剪断偏向とバルク偏向 とが合致している。もしもセンサ７０が完全にバルクモード圧縮状態にあるなら ば、圧力が印加されたとしても、センサ７０は矩形状を維持したままになるであ ろう。形状の歪みは主として剪断偏向によるものである。 図６は、幅ｗの空洞１２５を形成する長手方向部分１２２および端部分１２４ を有するセンサ１２０の断面図である。ある実施例では空洞１２５は方形である 。寸法Ｔ、ＷおよびＬは図３にも示されている。端部分１２４はコンデンサ電極 １２８を支持し、これが部分１２２に持された電極１２６と共にコンデンサを形 成する。導線 １３０、１３２がそれぞれ電極１２６、１２８に接続される。圧力Ｐが空洞１２ ５を変形させ、これによって電極１２６、１２８間の容量を変化させる。 図７は圧力センサ２００の断面図である。圧力センサ２００は上部基板２０２ および下部基板２０４を含む。ホール２０３が基板２０２を貫通して延び、空洞 ２０５内の電気導体への接続を提供する。図８には上部保護導体２１０、上部コ ンデンサ導体２１２、上部保護導体２１４、下部保護導体２１６、下部コンデン サ導体２１８、下部保護導体２２０が示される。図９は基板２０２の上面図であ り、基板２０２の下側にある電気導体が透視されるように図示されている。同図 には、導体２１２に接続されており、かつ導体２１４および２１０に接続された 保護導体２２４によって取り囲まれたコンデンサ電極２２２が示される。図９に はまた、基板２０２を貫通してそれぞれ導体２１０、２１２まで延びているバイ アス（vias）２０３、２２６も示される。 図１０は下部基板２０４の上面図であり、基板２０４の下側に支持された電気 導体が透視されるように図示されている。この例では、基板１０４はサファイア である。同図には、コンデンサ電極２２２と容量的に相互作用するコンデンサ電 極２２８が示される。電極２２８は電気的な保護体２３０および温度センサ２３ ２によって取り囲まれている。保護導体２３０は電極２２８を浮遊容量から遮断 し、一方温度センサは温度に依存してその抵抗値が変化する。これ がセンサ２００の温度測定値を与え、温度に対して圧力測定値を補償してより高 い精度を与える。接合は、直接溶融接合として知られた溶融接合または、平坦な 研磨表面が互いに突き合わされ、加熱されて接合されるウエファ接合が好ましい 。 Sio₂マスクを用いて９００〜１１００度ＣのPOCL₃ガスでエッチングが行なわ れる。出来上がった結晶構造物が接合の後で実質上連続体となるように、基板の 結晶構造を整列させるのが望ましい。さらに溶融接合はできるだけ融点に近い温 度で行なわれるべきである。このためには、電極材料が高い溶融接合温度に耐え 得るものでなければならない。例えばクロム、タングステン、タンタル、プラチ ナ、およびイリジュームなどは１３００度Ｃ〜１７００度Ｃの接合温度を可能と するので、接合強度を最大にし、かつ結晶内の不連続性を修復することができる 。典型的な接合時間は約１時間である。他の導体としては珪化モリブデンのよう な金属珪化物が含まれる。 差圧センサの場合は、２つのセンサ間の温度差が誤差の原因になるであろう。 許容できる性能のためには、温度差が約１度Ｆより少ないことおよび、それが約 ０．１度Ｆより高い精度で測定できて補償できることが必要である。代表的な用 途では、このためには、センサの間隔を０．５インチ以下にする必要があるであ ろう。 感知素子内の温度勾配もまた誤差の原因となるであろう。許容できる性能のた めには、センサの内側と外側の温度差が約０．００１度Ｆより少ないことおよび 、複数のセンサが正確に整合しているこ とが必要である。代表的な用途においては、約０．２５インチよりも大きいセン サの幅または厚みはセンサの整合に法外な要求を突き付けることになるであろう 。 図１１は、圧力に応答するコンデンサＣ1 、Ｃ2 をその内部に具備した２つの 絶対圧センサを用いて差圧を感知するための回路２５０の概略図である。各圧力 センサはそれぞれ、トランスミッタ５０のアース接地２５３に接続されたコンデ ンサを形成する保護電極２５２を含む。このようにしてトランスミッタのハウジ ングは、容量信号を安定化し、かつ電気的ノイズが回路に結合されるのを防止す るための遮蔽すなわち保護を提供する。さらに保護電極はセンサの外側表面また は図１に示したヤラミックインサートの内表面に形成されることができる。他の 場所でアース接地に接続されている４〜２０mA回路を収容するために電気的絶縁 を行うことができる。 コンデンサＣ1 は矩形波発振器２５４で駆動され、コンデンサＣ2 は矩形波発 振器２５６で駆動される。低ノイズ差動増幅器２５８の負入力はコンデンサＣ1 およびＣ2 の非駆動電極に接続され、前記差動増幅器２５８の正入力は接地電位 に接続される。差動増幅器２５８の出力はコンデンサＣI を介して負帰還され、 負入力へ流入またはそこから流出するコンデンサの電荷ΔＱを受ける。差動増幅 器２５８の出力は容量差を表わす矩形波であり、Ａ／Ｄ変換器２６０によってデ ジタル形に変換される。回路２５０内でのΔＱは次の式２で表わされる。 ΔＱ＝Ｖ_ppIN（Ｃ1 −Ｃ2 ） … 式２ また増幅器の出力は式３で表わされる。 Ｖ_ppOUT＝ΔＱ／ＣＩ ＝Ｖ_ppIN（Ｃ1 −Ｃ2／ＣI ） … 式３ ここでＣI は最大の差圧のときに（Ｃ1 −Ｃ2 ）／２にほぼ等しくなるように 、例えば１pFに設定されなければならない。さらに、製造上のばらつきを補償す るためには、各センサに対して別個にゲイン調整できることが望ましい。さらに 共通モードまたはライン圧力に起因する出力の変動に対して補償するためには、 Ｃ1 、Ｃ2 または（Ｃ1 ＋Ｃ2 ）を個別に測定する回路が含まれなければならな い。容量出力を検知する回路は、本発明と共に譲渡された「電荷バランス帰還測 定回路」と題する米国特許第５０８３０９１号の明細書に開示されている。 変換器２６０の出力はインターフェース回路２６２に供給される。インターフ ェース回路２６２は４〜２０mA電流ループ２６４に接続され、Ａ／Ｄコンバータ ２６０からのデジタル信号をデジタルまたはアナログのどちらかの形式で電流ル ープ２６４に供給する。インターフェース２６２はまたループ２６４から回路２ ５０に電力を供 給する。さらにインターフェース２６２はHART（登録商標）通信標準に準拠した ような命令を受信することもできる。 図１２および１３は、圧力センサ２００Ａおよび２００Ｂを支持するセンサ本 体３００を具備した他の実施例を示す。図１２はセンサ本体３００の側断面図で あり、図１３は本体３００の底面図である。本体３００は、プロセス障壁７１を 貫通しているフィードスルー７３Ａ、７３Ｂおよび７３Ｃを通る導線によって接 続された回路基板５７および５８を含む。センサ２００Ａおよび２００Ｂはアル ミナインサート３０２内に支持される。プロセス障壁７１は、真空に引かれるか 、または不活性ガスを充填されたチャンバ７５を形成する。溝３０４がアルミナ インサートの回りに形成されて熱的絶縁および応力に対する絶縁を提供する。取 り付け孔３０６は、本体３００を導管（図示せず）に結合するのに用いられる。 他の実施例では、センサおよびトランスミッタ本体の間の接合は溶融接合である 。 図１４および１５はアルミナインサート３１４を保持する中央殻（シェル）３ １２を含むセンサ本体３１０を示す。センサ２００Ａおよび２００Ｂは、ASICチ ップ３１６をも支持しているアルミナインサート３１４内に装填される。ASICチ ップ３１６は回路基板５７と同じ機能を果たす。溝３１８はインサート３１４お よびセンサ２００Ａ、２００Ｂに対するストレス分離を提供する。プロセス障壁 ３２０は殻３１２を遮蔽し、プロセス流体に対する第２の障壁を 形成する。殻３１２内の空洞３２２は真空にされるか不活性ガスを充満される。 フィードスルー３２４はASICから回路基板３２６への電気接続の通路を提供する 。図３に示した構造は、センサ本体３１０に殻３１２を溶接する前にセンサ組み 立て体がテストされることを可能にする。高温の処理（センサをアルミナインサ ートにロー付けするような）は、センサ組み立て体をハウジングに取り付ける前 に行なわれることができる。 本発明のある実施例では、圧力センサの各部寸法は次の表１の通りである。 代表的なセンサの容量はゼロpsi のとき４２ pＦである。 ある実施例では、圧力センサのパラメータは後記の表２の通りである。 図１６Ａ〜１６Ｇは本発明の１特徴を備えた圧力センサの断面図である。１６ Ａ図はすべての内角が９０度である方形（短形）構造を示す。図１６Ｂはすべて の内角が６０度である６角形センサ構造を示す。２つの内角が６０度、他の２つ の内角が３０度である菱形構造が図１６Ｃに示される。図１６Ｄはすべての内角 が６０度である三角形構造を示す。図１６Ａ〜Ｄに示した構造は、サファイア結 晶の面に沿ったものであるので、サファイアに適した構造である。図１６Ｅは、 矩形部分３４４に丸形部分３４２が結合され、矩形部分３４４には空洞３４６が 形成されたセンサ３４０を示す。図１６Ｆは空洞が丸形部分内に形成された他の 型の実施例を示す。図１６Ｇに示すような、両方とも丸形であるような種々の変 形が可能である。丸形断面は、丸い孔にきっちりと適合し、丸いＯ−リングで封 止されることができる点で望ましい。それらは方形基板をダイアモンド研磨車で 加工して作られる。 図１７Ａ、１７Ｂはコンデンサ電極の形状の例を示す図である。僅かな間隙を 有する容量式圧力センサでは、電極の不安定性が誤差の原因となる。残留応力が 圧力センサ構造を反らせる。さらに電極表面の寸法変化が前記間隙の寸法ｔを変 化させる。このような変化は、対向表面の酸化、還元、または原子のマイグレー ションによっ て惹起されることがある。図１７Ａ、１７Ｂはこの問題の解決手法の例を示すも ので、コンデンサ電極がストリップ状に分割され、全体としては一体の電極と事 実上等しい容量を持つようにされている。例えば、もし基板が間隙部の１０倍の 誘電率を有するとすれば、間隔は間隙寸法の約１０倍であり、幅は前記間隙寸法 よりも小さくすることができる。これにより、センサ構造を反らせる原因となる 材料の量が減少する。 さらに大部分の電束が電極の背後から現れるようにストリップを構成すること ができる。電極の背後はサファイアと接触しているので表面効果から保護され、 例え内側表面の寸法が変化したとしても安定した静電容量を示すであろう。図１ ７Ａ、１７Ｂは電極の背面から出る電束の量を増加させる構造の２つの例を示し ている。この実施例の変形としては、各電極の上に配置されてこれらを遮蔽する 保護電極（２９８）を設けることがある。これらの電極は互いに隔離されている が、それらの相対的寸法および間隔の故に連続のコンデンサ電極と等価である。 ある実施例では、コンデンサ電極は基板の表面にインプラントされる。これは 、電極を保護し、かつ容量の経年変化の大きさを減少させることにより、電極に 安定性を与える。サファイア基板は２００ＫeVのエネルギレベルで、Ｖイオンに よって濃度１×１０¹⁸イオン／cm²にドープされる。これはサファイアの非常に 高い抵抗を約１５Ω／sqまで変化させる。インプラント処理は殆どのＶイオ ンを本来のサファイア表面の下約１０００オングストロームのところに集中させ る。インプラントされた電極３００の例が図１７Ｂに仮想線で示される。 図１８は接合温度（融点の％で示す）と接合強度（材料強度の％で示す）との 関係を示すグラフである。最高の安定性と精度のためには、センサ構造が一体物 のように挙動するように、可能な限り材料強度に近い接合強度を持たせるのが望 ましい。本発明の１実施例では、接合温度は、図１８に符号３５０で示す範囲で ある。圧力センサにはサファイア、水晶、シリコンなどが使用でき、それらの融 点はそれぞれ２０５０度Ｃ、１７２３度Ｃ、１４１５度Ｃである。図１８に示し た所望温度範囲３５０は前記融点の絶対温度の約６８％から上である。ある実施 例においては、接合温度は融点温度の約９５％を超えてはならない。ここで使用 される好ましい溶融接合は、下側の結晶材料の強度と実質上同じ強度を有し、か つ接合内に異物が事実上混入しないような加熱処理によって形成されるようなも のである。 本発明は好ましい実施例を参照して説明されたが、当該分野の技術者は発明の 精神および範囲から逸脱することなしに形式および詳細において変更ができるこ とを認識するであろう。単結晶材料はサファイア、水晶、ルビーおよびダイアモ ンドなどを含む。一般的に、これらは低ヒステリシス材料であって、高い安定性 を持ち、したがって低いクリープ性（creep）を呈する。一般に融点の高い材料 は より安定性があるので、サファイアは１つの好ましい材料である。センサの空洞 は真空にされたり、流体やガスを充満されたりできる。電極は金属、金属酸化物 または不純物半導体のような導体を含むことができ、水晶（石英）のような絶縁 性誘電体材で保護されることができる。他の実施例においては、応力分離構造が 多結晶材料で形成される。さらに接合処理は圧接状態ででも、または非圧接状態 ででも可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トイ，エイドリアン シー. アメリカ合衆国 55347 ミネソタ州、エ デン プレイリー、クラーク サークル 9692

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プロセス制御ループに圧力を送信するための、プロセス制御システム内の 圧力トランスミッタであって、 情報をループに送信するためにループに接続されるインターフェース回路（Ｉ ／Ｏ）と、 圧力に関する信号を受信し、これに応答して圧力情報を前記ループに送信する ように前記インターフェース回路を制御する補償回路と、 前記インターフェース回路および補償回路を収容するトランスミッタハウジン グと、 取り付け部材料で作られたハウジング内の取り付け部と、 前記インターフェース回路および補償回路を取り付け部から絶縁する、ハウジ ング内のプロセス障壁と、 前記取り付け部の材料とは異なる脆性の耐腐蝕性材料で事実上作られ、近い方 の端部で取り付け部に結合され、そこを貫通する通路を有する長手方向部材と、 前記長手方向部材の遠い方の端部にあってプロセス流体に浸され、プロセス流 体圧力に応答して変形する圧力応答部分と、 前記圧力応答部分に結合され、前記長手方向部材の通路およびプロセス障壁の フィードスルーを通して前記補償回路に電気的に接続されたセンサとを具備し、 前記センサおよび電気的接続は前記長手方向部材によってプロセ ス流体から隔離されたトランスミッタ。 ２．前記長手方向部材が、そこを通して基準圧を圧力応答構造へ供給するため の空洞を規定する請求項１に記載の圧力トランスミッタ。 ３．前記取り付け部に結合された第２の長手方向部材を含むと共に、前記補償 回路に接続された第２のセンサを有する第２の圧力応答部分を支持し、前記圧力 情報は差圧に関連する請求項１に記載の圧力トランスミッタ。 ４．前記長手方向部材および圧力応答部分は、実質上異物を含まない接合を有 する請求項１に記載の圧力トランスミッタ。 ５．前記長手方向部材および圧力応答部分は、幅をｗ、厚みをＴとするとき、 ｗ／Ｔが約４．０よりも小さい請求項１に記載の圧力トランスミッタ。 ６．前記長手方向部材および圧力応答部分は、幅をｗ、厚みをＴとするとき、 ｗ／Ｔが約２．３よりも小さい請求項５に記載の圧力トランスミッタ。 ７．前記長手方向部材および圧力応答部分は、幅をｗ、厚みをＴとするとき、 ｗ／Ｔが約１．０よりも小さい請求項６に記載の圧力トランスミッタ。 ８．前記長手方向部材にインプラントされた電気的導体を含み、前記センサお よび補償回路の間を電気的に接続する請求項１に記載の圧力トランスミッタ。 ９．前記長手方向部材のプロセス流体にさらされる長さがＬ、最大幅がｗであ り、Ｌ／ｗが約３．０よりも大きい請求項１に記載の圧力トランスミッタ。 １０．脆性で耐腐蝕性材料から作られ、単結晶材製の少なくとも第２の基板に 接合された１以上の単結晶材製の基板よりなる圧力応答構造と、 前記圧力応答構造に結合され、印加圧力に起因する圧力応答構造の変形に応答 して容量性出力を発生する容量性センサとを具備し、 前記基板間の接合は、単結晶材の強度に事実上等しい結晶接合強度を有する溶 融接合であり、前記材料の融点の絶対温度の約６５〜９５％の温度で形成される 圧力トランスミッタの圧力センサ。 １１．前記圧力応答構造は、空洞の幅をｗ、厚みをＴとするとき、ｗ／Ｔが約 ４．０よりも小さい請求項１０に記載の圧力センサ。 １２．前記圧力応答構造が、前記容量性センサの近くに基準圧を与えるための 貫通通路を含む請求項１０に記載の圧力センサ。 １３．前記圧力応答構造が、そこを通して延在し、接合形成のための温度に耐 え得る電気的導体を含む請求項１０に記載の圧力センサ。 １４．前記電気的導体は前記圧力応答構造にインプラントされた請求項１３に 記載の圧力センサ。 １５．その材料はサファイアである請求項１３に記載の圧力センサ。 １６．単結晶および耐腐蝕性材で構成され、幅がｗで厚みがＴの圧力センサを 有する細長い圧力応答構造体と、 前記圧力応答構造体に結合され、印加圧力に起因する前記圧力応答構造体の変 形に応答して容量性出力を発生する容量性センサとを具備し、 前記幅と厚みの比ｗ／Ｔが４．０よりも小さい圧力トランスミッタの圧力セン サ。 １７．前記圧力応答構造体は１より多い基板を含み、基板間の接合は溶融接合 であり、単結晶材の強度に実質的に等しい強度を有し、材料の融点に相当する絶 対温度の約６５〜９５％の接合温度で形成される請求項１６に記載の圧力センサ 。 １８．前記の細長い圧力応答構造体が、そこを通して延びる空洞を含み、前記 容量性センサの近くに基準圧を供給する請求項１６に記載の圧力センサ。 １９．前記圧力応答構造体にインプラントされた電気的導体を含む請求項１６ に記載の圧力センサ。 ２０．前記圧力応答構造体内の電気的導体が接合温度よりも高い融点を有する 請求項１７に記載の圧力センサ。 ２１．前記圧力応答構造体は、同じ耐腐蝕性材の単結晶よりなる応力分離構造 によって圧力トランスミッタハウジングに結合された請求項１６に記載の圧力セ ンサ。 ２２．圧力感知構造体および圧力トランスミッタハウジングの間 の結合が溶融接合である請求項２１に記載の圧力センサ。 ２３．容量性センサは空洞の間隙の対向面上の導電体ストリップで形成された 導電電極を含む請求項１６に記載の圧力センサ。 ２４．前記導電ストリップは空洞間隙の間隔に実質上等しいか、それよりも小 さい幅と間隔を有する請求項２３に記載の圧力センサ。 ２５．前記圧力応答構造体およびは応力分離構造はプロセス圧力流体によって 取り囲まれ、かつそれに直接さらされている請求項２１に記載の圧力センサ。 ２６．前記材料はサファイアである請求項１６に記載の圧力センサ。 ２７．圧力応答構造体と、 前記圧力応答構造体に固着された背面、および前面を有する第１のコンデンサ 電極と、 前記圧力応答構造体に固着された背面、および前面を有する第２のコンデンサ 電極とを具備し、 前記第１および第２コンデンサ電極は、前記圧力応答構造体に印加される圧力 に応答してそれらの間で相対的な偏向を生ずるように位置決めされ、前記第１お よび第２コンデンサ電極間の電界が実質上前記第１および第２コンデンサ電極の 背面の間から出る圧力トランスミッタの圧力センサ。 ２８．前記圧力応答構造体は空洞を含み、コンデンサ電極が空洞の互いに反対 側に配置された請求項２７に記載の圧力センサ。 ２９．第１のコンデンサ電極に近い空洞の第１の側にある複数の第１コンデン サ電極および第２のコンデンサ電極に近い空洞の第２の側にある複数の第２コン デンサ電極を含む請求項２８に記載の圧力センサ。 ３０．前記第１のコンデンサ電極は第２のコンデンサ電極に対して相対的に横 方向にずれている請求項２９に記載の圧力センサ。 ３１．圧力応答材料がサファイアからなる請求項２７に記載の圧力センサ。 ３２．前記圧力応答構造体が互いに溶融接合された第１および第２の部分より なり、それらの間に、第１および第２のコンデンサ電極を支持する間隙が形成さ れた請求項２７に記載の圧力センサ。 ３３．前記圧力応答構造体の取り付け部および感知部間の長さは、所望の応力 分離が達成されるように設定された請求項２７に記載の圧力センサ。 ３４．トランスミッタ本体と、 第１のプロセス圧力に結合され、実質上単結晶材料で構成された第１の圧力応 答構造体と、 前記第１の圧力応答構造体に結合され、第１のプロセス圧力に対する前記第１ 圧力応答構造体の応答に関連する出力を発生する第１の感知手段と、 実質上単結晶材料で作られ、前記第１の圧力応答構造体をトランスミッタ本体 に結合する第１の応力分離部材と、 第２のプロセス圧力に結合され、実質上単結晶材料で構成された第２の圧力応 答構造体と、 前記第２の圧力応答構造体に結合され、第２のプロセス圧力に対する前記第２ 圧力応答構造体の応答に関連する出力を発生する第２の感知手段と、 実質上単結晶材料で作られ、前記第２の圧力応答構造体をトランスミッタ本体 に結合する第２の応力分離部材と、 前記第１および第２のセンサに結合され、第１および第２の圧力差を決定し、 両者間の差圧に関する出力を発生するトランスミッタの出力手段とを具備した差 圧出力用トランスミッタ。 ３５．前記第１および第２の圧力応答部材は前記プロセス流体に直接露出され 、前記単結晶材料は前記プロセス流体に対して実質上耐腐蝕性を有する請求項３ ４に記載のトランスミッタ。 ３６．感知手段はコンデンサ電極を有し、出力は圧力に関係した容量である請 求項３４に記載のトランスミッタ。 ３７．前記第１および第２の圧力感知構造体は第１および第２の基準圧に結合 され、これらの圧力感知構造体は基準圧とプロセス圧との差に応答する請求項３ ４に記載のトランスミッタ。 ３８．基準圧は一緒に結合され、互いに等しい請求項３７に記載のトランスミ ッタ。 ３９．基準圧はプロセス圧から実質上独立である請求項３８に記載のトランス ミッタ。 ４０．基準圧は事実上真空である請求項３７に記載のトランスミッタ。 ４１．基準圧が気体を介して伝達される請求項３７に記載のトランスミッタ。 ４２．前記単結晶材料はサファイアである請求項３４に記載のトランスミッタ 。 ４３．前記第１および第２の圧力応答構造体は、トランスミッタハウジングに よって実質上同じ温度に保たれる請求項３４に記載のトランスミッタ。 ４４．これらの圧力応答構造体は、トランスミッタハウジング内の予定の温度 勾配の範囲では、予定のレンジ内の温度差に保たれるように隔離されている請求 項３４に記載のトランスミッタ。 ４５．プロセス圧のレンジは１０００ psiより大きく、差圧レンジは３０ psi よりも小さい請求項３４に記載のトランスミッタ。 ４６．各圧力応答構造体は、その全体にわたって事実上同じ温度に保たれる請 求項３４に記載のトランスミッタ。 ４７．前記圧力応答構造体と応力分離手段との間には接合部があり、前記接合 部は事実上異物を含まない請求項３４に記載のトランスミッタ。 ４８．前記接合部は溶融接合である請求項３７に記載のトランスミッタ。