KR100858071B1 - 용량식 압력 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 압력 변환기 조립체는 제1 보디, 제2 보디, 격막 및 전극을 포함한다. 격막은 상기 제1 보디와 제2 보디 사이에 배치된다. 제1 보디와 격막은 제1 챔버를 형성한다. 제2 보디와 격막은 제2 챔버를 형성한다. 전극은 제1 챔버 내에 배치된다. 상기 격막의 일부분은 제2 챔버의 압력보다 더 높은 제1 챔버의 압력에 반응하여 제1 방향으로 휘고, 제1 챔버의 압력보다 더 높은 제2 챔버의 압력에 반응하여 제1 방향의 반대방향인 제2 방향으로 휜다. 전극과 격막 사이의 커패시턴스는 상기 제1 챔버와 제2 챔버의 압력 간의 차이를 나타낸다. 어떤 실시예에서, 전극은 허브 앤 스포크 마운트에 현수된다. 어떤 실시예에서, 전극은 전부 금속이다. 다른 실시예에서, 전극은 그 위에 전도성 필름이 형성되어 있는 세라믹 원반을 포함하며, 이 원반은 세라믹 로드를 구비한 하우징에 결합된다. 어떤 실시예에서는, 온도의 변화에 반응하여 뒤틀리는 것을 감소시키기 위해, 변환기도 또한 하우징 부재에 연결되는 저 열팽창 계수 부재를 구비한다.

Description

용량식 압력 센서{IMPROVED CAPACITIVE BASED PRESSURE SENSOR DESIGN}

본 발명은 용량성 압력 변환기에 관한 것이다.

본 출원은, 폴 디. 루카스가 발명하여 "열적 부정합을 감소시키기 위한 추가 부재를 구비한 용량성 압력 센서(Capacitive Pressure Sensor with Additional Member for Reducing Thermal Mismatch)"를 발명의 명칭으로 하여 출원된 미국 특허 출원 제09/410,711호와; 폴 디. 루카스, 존 데너, 크리스 피. 그루지엔, 제프 리셔 및 크리스텐 웨이트가 발명하여 "용량성 압력 센서(Capacitive Pressure Sensor)"를 발명의 명칭으로 하여 출원된 미국 특허 출원 제09/410,327호의 부분 계속 출원이고; 크리스토퍼 피. 그루지엔가 발명하여 "용량성 압력 센서의 구성(Capacitive Based Pressure Sensor Design)"을 발명의 명칭으로 하여 출원된 미국 특허 출원 제09/018,395호의 부분 계속 출원으로서, 이제 미국 특허 제6,029,525호로 허여된 미국 특허 제09/491,279호의 부분 계속 출원이다. 본 발명은, 크리스토퍼 피. 그루지엔이 발명하여 "압력 센서(Pressure Sensor)"를 발명의 명칭으로 하여 출원되어 이제 미국 특허 제5,965,821호로 허여된 미국 특허 출원 제08/887,821호와; 존 에이. 데너가 발명하여 "개량된 지지체를 구비한 용량성 압력 변환기(Capacitive Pressure Transducer With Improved Support)"를 발명의 명칭으로 하여 출원되어 이제 미국 특허 제5,911,162호로 허여된 미국 특허 출원 제08/748,820호에 개시된 주제와 관련된 것이다. 전술한 출원들은 본 발명의 양수인에게 양도되었으며 본원에 참조로 포함되어 있다.

도 1a는 종래의 용량성 압력 변환기 조립체(100)의 부분 단면도이다. 도 1b는 변환기 조립체(100)의 분해 사시도이다. 예시의 편의상, 도 1a 및 도 1b 뿐만 아니라 본 명세서의 그 밖의 도면들도 비례에 맞게 도시되지 않았다. 미국 특허 제4,823,603호에는 용량성 압력 변환기의 일반적인 형태인 변환기 조립체(100)가 개시되어 있다.

간략하게 말하면, 변환기 조립체(100)는 밀폐된 제1 내부 챔버(110)와 밀폐된 제2 내부 챔버(112)를 형성하는 보디를 포함한다. 이들 챔버(110, 112)는 비교적 얇고 연질인 전도성 격막(120)에 의해 서로 격리된다. 이하에서 더 상세히 설명되겠지만, 격막은(120) 챔버(110)와 챔버(112)의 압력차에 따라 휘거나 편향되도록 설치된다. 변환기 조립체(100)는 격막의 휨량을 나타내는 파라메타를 제공하며, 따라서 이 파라메타는 간접적으로 차압을 나타낸다. 변환기 조립체(100)에 의해 주어지는 차압을 나타내는 이 파라메타는 격막(120)과 전극(130) 사이의 전기용량이다.

변환기 조립체(100)는 P_x 커버(140)와 P_x 보디(150)를 포함한다(이하에서 설명되겠지만, 상기 용어 "P_x"는 미지의 압력을 지칭한다). 도 2a는 P_x 보디(150)의 평면도이다. P_x 보디(150)는 관 형상이며, 중앙 내부 개구(152)[도 2a에 도시되어 있으며 도 1b에서는 선(153)으로 표시됨]가 형성되어 있다. P_x 보 디(150)의 상부면에는 단(段)이 형성되어 있어, 개구(152)의 외주부 둘레로 연장하는 숄더(154)가 마련된다. 또한, P_x 보디(150)는 하부면(156)을 포함한다. P_x 커버(140)는 원형 금속 시트로서, 이 커버에는 중앙 개구(144)가 형성되어 있는 압력관(142)이 설치된다. P_x 커버(140)는 P_x 보디(150)의 하부면(156)에 견고히 부착된다(예컨대, 용접에 의해). 격막(120)은 대개 얇고 원형이며 연질인 전도성 재료(예컨대, 스테인레스강)의 시트이다. 전술한 바와 같이, 도 1a 및 도 1b는 비례에 맞게 도시되지 않았으며, 격막(120)은 대개 변환기 조립체(100)의 다른 구성요소에 비해 예시된 것보다 훨씬 더 얇다. 도 1a에서 도시되어 있는 바와 같이, 격막(120)은 P_x 보디(150)의 숄더(154)와 접촉한다. 격막(120)의 외주부는 대개 P_x 보디(150)에 용접되어 P_x 보디(150)의 숄더(154)에 대해 견고하게 유지된다.

P_x 커버(140), P_x 보디(150) 및 격막(120)은 함께 밀폐된 내부 챔버(110)를 형성한다. P_x 커버(140)는 바닥을 형성하고, P_x 보디(150)는 측벽을 형성하며, 격막(120)은 챔버(110)의 상부를 형성한다. 관(142)의 유체는 개구(144)와 중앙 개구(152)(도 2a에 도시됨)를 통하여 챔버(110) 안으로 흐른다. 따라서, 관(142)의 유체는 격막(120)의 하부면과 유체 연결되어 있다.

또한, 변환기 조립체(100)는 P_r 보디(160)와 P_r 커버(170)를 포함한다(이하에서 설명되겠지만, 용어 "P_r"는 기준압력을 지칭한다). 도 2b는 P_r 보디(160)의 평면도이다. P_r 보디(160)는 관 형상이며, 중앙 개구(162)[도 2b에 도시되어 있으며 도 1b에서는 선(263)으로 표시됨]가 형성되어 있다. P_r 보디(160)의 상부면에는 단이 형성되어 있어, 하부 숄더(164)와 상부 숄더(166)를 제공한다. 하부 숄더(164)는 개구(162)의 외주부 둘레로 연장하며, 상부 숄더(166)는 하부 숄더(164)의 외주부 둘레로 연장한다. 또한, P_r 보디(160)는 숄더(164, 166)에 대향하는 하부면(168)을 포함한다. P_r 보디(160)의 하부면(168)은 격막(120)의 외주부의 상부면에 견고히 부착된다(예컨대, 용접에 의해). P_r 커버(170)는 원형 금속 시트로서, 이 커버에는 중앙 개구(174)가 형성되어 있는 압력관(172)이 설치된다. P_r 커버(170)의 외주부가 P_r 보디(160)의 상부 숄더(166)와 접촉하고 있도록, P_r 커버(170)는 P_r 보디(160)에 견고히 부착된다(예컨대, 용접에 의해).

P_r 커버(170), P_r 보디(160) 및 격막(120)은 함께 밀폐된 내부 챔버(112)를 형성한다. 격막(120)은 바닥을 형성하고, P_r 보디(160)는 측벽을 형성하며, P_r 커버(170)는 챔버(112)의 상부를 형성한다. 관(172)의 유체는 개구(174)와 중앙 개구(162)(도 2b에 도시됨)를 통하여 챔버(112) 안으로 흐른다. 따라서, 관(172)의 유체는 격막(120)의 상부면과 유체 연결되어 있다. 이하에서 설명되겠지만, 챔버(112) 내에 전극(130)이 수용되어 있고, 전극은 챔버로 유입되는 흐름을 방해하지 않는다.

전극(130)은 대개 비전도성(또는 절연성) 세라믹 블록으로 제조되며, 원통 형상이다. 도 2c는 전극(130)의 저면도이다. 전극(130)의 하부면에는 단이 형성되어 있고, 중앙면(135)과 이 중앙면(135)의 외주부 둘레로 연장하는 숄더(136)가 있다. 또한, 전극(130)에는 개구(132)가 형성되어 있다[도 2c에 도시되어 있으며 도 1b에 선(133)으로 표시됨]. 전극(130)은 중앙면(135) 상에 침적된 비교적 얇은 도체(134)를 더 포함한다. 도체(134)는 도 1b 및 도 2c에 잘 도시되어 있으며, 예시의 편의상 도 1a에는 도시되어 있지 않다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 전극(130)은 P_r 보디(160)의 하부 숄더(164)와 P_r 커버(170)와의 사이에 클램핑된다. 전극(130)의 개구(132)(도 2c에 도시됨)는 격막(120)의 상부면과 압력관(172)과의 사이에서 전극(130)을 통해 유체가 자유롭게 흐를 수 있게 한다. 전극(130)을 P_r 보디(160)에 클램핑하면, 도체(134)는 격막(120)에 대해 간격을 두고 떨어진 상태로 유지된다. 전극(130)은 대개 도체(134)와 격막(120)과의 사이의 공간이 비교적 작도록(예컨대, 0.0002 미터 정도) 배치된다.

도체(134)와 격막(120)은 커패시터(138)의 평행한 플레이트를 형성한다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 2개의 평행한 플레이트 사이의 커패시턴스를 C, 이들 플레이트 사이의 공유면적을 A, 이들 플레이트 사이에 있는 물질을 기초로 한 상수를 e(진공의 경우 e=1), 이들 플레이트 사이의 거리를 d라고 하면, C=Ae/d 식이 성립한다. 따라서, 커패시터(138)에 의해 제공되는 커패시턴스는 격막(120)과 도체(134) 사이의 거리의 함수이다. 챔버(110)와 챔버(112) 사이의 압력차의 변동에 반응하여 격막(120)이 위 아래로 휨에 따라, 커패시터(138)에 의해 제공되는 커패시턴스도 역시 변화한다. 전극(130)[그리고 도체(134)]은 바람직하게는 하우징에 대해 움직이지 않고 그대로 유지되기 때문에, 전극(130)을 "기준 전극"이라 칭할 수도 있다. 어떤 경우에도, 커패시터(138)에 의해 제공되는 커패시턴스는 챔버(110)와 챔버(112)와의 사이의 순간적인 차압을 나타낸다. 공지의 전기 회로[예컨대, 커패시터(138)가 제공하는 커패시턴스의 함수인 공진 주파수로 특징지워지 는 "탱크" 회로]가 커패시터(138)에 의해 제공되는 커패시턴스를 측정하는 데 사용되어 차압을 나타내는 전기 신호를 제공할 수도 있다.

변환기 조립체(100)는 전기 전도성 피드스루(feedthrough)(180)를 포함하여 커패시터(138)에 의해 제공되는 커패시턴스의 측정을 허용한다. 피드스루(180)의 일단부(182)는 전극(130)에 접촉한다. 피드스루(180)는 그 타단부가 변환기 조립체(100)의 외부에 있도록, P_r 커버(170)의 개구를 통해 연장한다. P_r 커버(170)의 개구[이를 통해 피드스루(180)가 연장함]는, 예컨대 용융된 유리 플러그(185)에 의해 밀폐되어, 챔버(112)의 압력을 유지시키고 P_r 커버(170)로부터 피드스루(180)를 전기 절연시킨다. 피드스루(180)는 도체(134)에 전기적으로 접속된다. 전극(130)은 대개 전기 도금된 관통 구멍(도시 생략)을 포함하여, 도체[전극(130)의 하부면에 있음]와 전극(130)의 상부면에 접촉하는 피드스루(180)의 단부(182)와의 사이를 전기적으로 접속시킬 수 있다. 따라서, 피드스루(180)는 커패시터(138)의 하나의 플레이트[즉, 도체(134)]에 대하여 전기적으로 접속된다. 격막(120)은 P_r 보디(160)에 용접되어 있으므로, P_r 보디(160)는 커패시터(138)의 다른 플레이트[즉, 격막(120)]에 대하여 전기적으로 접속된다. 따라서, 커패시터(138)에 의해 제공되는 커패시턴스는 P_r 보디(160)와 피드스루(180)의 단부(184)와의 사이에 측정 회로(도시 생략)를 전기적으로 접속시킴으로써 측정될 수 있을 것이다. 실제로, 변환기 조립체(100)의 보디는 대개 접지되므로, 커패시터(138)에 의해 제공되는 커패시턴스는 피드스루(180)의 단부(184)에 측정 회로를 전기적으로 접속시킴으로써 간단히 측정될 수 있을 것이다.

도체(134)는 대개 전극(130)의 하부면에 둥근 "고리형" 구조로(도 2c에 도시된 바와 같이) 배치되어 있다. 또한, 일부 종래 기술의 압력 변환기는 전극(130)에 배치된 하나 이상의 도체와, 이 도체에 전기적으로 접속되는 상응하는 수의 피드스루를 포함한다. 이러한 변환기는 2개 이상의 커패시터, 즉 전극(130) 상의 하나의 도체와 격막(120)에 의해 형성되는 제1 커패시터와, 전극(130) 상의 다른 도체와 격막(120)에 의해 형성되는 제2 커패시터를 제공한다. 알려진 바와 같이, 이러한 방식으로 복수 개의 커패시터를 마련하는 것은, 변환기의 온도를 더욱 정밀하게 보상하기 위하여 유익하게 사용될 수 있다.

작동시, 변환기 조립체(100)는 대개 절대압 변환기로서 사용된다. 이러한 형태에서, 압력관(172)에 진공 펌프(도시 생략)를 적용함으로써, 챔버(112)를 먼저 비운다. 챔버(112)를 비운 후, 관(172)을 밀폐시키거나 또는 핀치 오프(pinch-off)시켜 챔버(112) 내의 진공을 유지시킨다. 이로써 챔버(112) 내에 "기준" 압력을 형성한다. 비록, 진공이 편리한 기준 압력이기는 하지만, 그 밖의 압력을 기준 압력으로서 사용하는 것도 또한 공지되어 있다. 챔버(112) 내의 압력은 기지의 압력이거나 기준 압력이므로, 챔버(112)를 구성하는 데 사용되는 구성요소[즉, P_r 보디(160) 및 P_r 커버(170)]를 P_r 구성요소(즉, "기준 압력" 구성요소)라 부른다. 챔버(112) 내에 기준 압력이 조성된 후, 압력관(142)을 유체의 공급원(도시 생략)에 연결하여 이 유체의 압력을 측정할 수 있게 된다. 압력관(142)을 이러한 방식으로 결합하여, 그 압력이 측정될 유체를 챔버(110)[그리고 격막(120)의 하부면에]에 전달한다. 챔버(110)의 압력은 알려져 있지 않으므로, 챔버(110)를 구성 하는 데 사용되는 구성요소[즉, P_x 커버(140)와 P_x 보디(150)]를 P_x 구성요소(즉, "미지 압력"의 구성요소)라 부른다. 격막(120)의 중앙부는 챔버(110)와 챔버(112) 사이의 차압에 따라 위 아래로 휜다. 변환기 조립체(100)는 격막의 휨량을 측정할 수 있게 하며, 이로써 챔버(112)의 기지의 압력에 관하여 챔버(110)의 압력을 측정할 수 있게 한다.

물론, 변환기 조립체(100)를 차압 변환기로도 사용할 수 있다. 이러한 형태에서, 압력관(142)을 유체의 제1 공급원(도시 생략)에 연결하고, 압력관(172)을 유체의 제2 공급원(도시 생략)에 연결한다. 따라서, 변환기 조립체(100)는 2개의 유체의 압력 사이의 차를 측정할 수 있게 한다.

변환기 조립체(100)의 한가지 문제점은 도체(134)와 격막(120) 사이의 제로 차압의 공칭 간격(zero pressure differential nominal spacing)과 관련이 있다. 챔버(110)와 챔버(112) 사이의 특정 기준 차압, 예컨대 제로 차압의 경우 도체(134)와 격막(120) 사이의 기준 거리를 "공칭 거리" 또는 "공칭 간극"이라 할 수 있다. 변환기 조립체(100)의 작동시에, 격막(120)은 물론 위 아래로 휘며, 이에 따라 도체(134)와 격막(120) 간의 간격이 변화된다. 그러나, 일관되게 압력을 정확히 판독하는 변환기 조립체의 경우, 도체(134)와 격막(120) 사이에 일정한 공칭 거리를 제공하는 것이 중요하다. 그러므로, 특정 차압의 경우, 도체(134)와 격막(120) 사이의 공칭 거리가 항상 동일하도록 보장하는 것이 중요하다. 변환기 조립체(100)를 대량으로 제조할 때, 모든 유닛의 도체(134)와 격막(120) 사이에 일정한 공칭 거리를 일관되게 제공하는 것이 중요하다. 또한, 모든 변환기 조립체(100)의 유닛에 있어서, 상기 공칭 거리가 일정하게 유지되며 시간이 경과하더라도 변화하지 않도록 보장하는 것이 중요하다.

격막과 전극과의 사이의 공칭 간극은, 예컨대 25 내지 400 미크론으로 매우 작다. 센서는 여러 가지 다른 재료로 제조될 수 있으며, 각 재료는 제조 또는 사용시에 온도의 변화에 따라 상이하게 반응한다. 공칭 간극 및 그 밖의 공차는 매우 작기 때문에, 온도의 변동으로 인한 작은 변화는 공칭 간극에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 금속 하우징은 제1 속도로 축방향(즉, 격막 평면에 수직한 방향)으로 팽창하고, 세라믹 전극(130)은 제2 속도로 축방향으로 팽창한다면, 공칭 간극은 변화될 수 있다.

종래의 변환기 조립체(100)는 일정한 공칭 거리를 유지시키기 위한 탄성 요소(192)를 포함한다. 탄성 요소(192)는 P_r 커버(170)와 전극(130)의 상부와의 사이에 압착되어 있다. P_r 보디(160)의 하부 숄더(164)는 전극(130)의 숄더(136)를 지지한다. P_r 커버(170)는 P_r 보디(160)에 용접되어 있기 때문에, 탄성 요소(192)는 전극 위에서 아래로 누르는 스프링력을 제공하며 전극(130)을 P_r 보디(160)에 대해 고정된 위치에 유지시킨다. 탄성 요소(192)는 종종 "웨이브 와셔(wave washer)"(즉, 하나 이상의 곳에서 링의 평면에 수직한 방향으로 구부러져 있는 O-링형 금속 와셔)를 사용하여 실시된다. 탄성 요소(192)는 전극(130)을 안정적인 위치에 유지시키도록 비교적 큰 스프링력(예컨대, 100 파운드 정도)을 제공한다.

비록, 변환기 조립체(100)가 전극(130)을 견고히 유지시키지만, 도체(134)와 격막(120) 사이의 공칭 거리는, 예컨대 기계적 또는 열적 충격에 반응하여 시간에 대해서 소량 만큼 변화할 수 있다. 당업자들이 이해하는 바와 같이, 압박에 의해 제위치에 유지되는 전극(130) 등과 같은 요소는 시간에 대해서 소량의 이동["크리프(creep)"라고도 불림]을 나타낼 수 있다. 상기 크리프는 때때로 공칭 거리를 변화시키며, 이로 인해 변환기 조립체(100)의 정확성에 악영향을 미칠 수 있다. 과압 조건도 또한 전극(130)의 바람직하지 못한 이동을 일으킬 수 있다. 변환기 조립체(100)가 정상적으로 작동하는 중에는, 격막(120)은 결코 전극(130)에 접촉하지 않게 된다. 그러나, 변환기 조립체(100)의 정상 작동 범위를 넘어선 큰 압력(즉, 과압)이 챔버(110)에 가해지면, 격막(120)이 전극(130)에 접촉하게 되고 탄성 요소(192)가 약간 압축될 수 있다. 과압 상태가 해제되고 격막(120)이 정상 작동 위치로 복원될 때, 탄성 요소(192)가 재팽창하여 전극(130)을 복원시킨다. 전극(130)의 새로운 위치는 종종 과압 상태 이전의 원위치에 비해 약간 상이할 것이다. 이러한 위치의 변동은 공칭 거리의 변화를 일으켜 변환기 조립체(100)의 정확성에 악영향을 미칠 수 있다.

본 발명은 개량된 전극과, 압력 센서의 전극용 마운트를 제공하는 것이다. 일반적으로, 전극과 마운트의 구조는 전극의 안정성을 향상시킨다.

본 발명의 일 양태에서, 압력 변환기는 한 챔버 내에 허브 앤 스포크(hub-and-spoke) 마운트를 포함한다. 허브 앤 스포크 구성은 격막에 평행한 평면에서 연장한다. 기준 전극은 허브 앤 스포크 마운트의 허브에 현수되어, 격막에 인접촉 하게 배치된다. 허브 앤 스포크 마운트는 기준 전극의 안정성과 공칭 간극의 균일성을 향상시킨다. 허브(예컨대, 기준 전극)는 압력 변환기의 보디가 각종 외력을 받을 때, 거의 정지 상태로 유지된다. 한가지 장점은, 허브 앤 스포크 마운트가 압력 변환기의 보디에 인가되는 외력, 예컨대 대기압의 변동 등과 같은 외력으로부터 전극을 격리시킨다는 것이다. 또한, 이 마운트에서는 기준 전극의 위치를 정하는 탄성 요소를 필요로 하지 않게 된다. 또한, 이 마운트는 과압 상태에 대한 압력 변환기의 응답성을 향상시킨다. 스포크는 요각홈(reentrant groove)에 결합되어 허브의 안정성을 더 향상시킬 수도 있다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 압력 변환기는 전도성 지지부를 구비한 개량된 기준 전극을 포함한다. 이 전극은 전부 금속인 것이 바람직하다. 전극은 유전체를 매개로 하여 전극 마운트에 견고히 부착된다. 한가지 장점은, 전극에서 세라믹을 제거하면 부동 용량(浮動 溶量)의 영향이 감소된다는 것이다. 두번째 장점은, 전극이 하우징과 유사한 열팽창 계수를 갖기 때문에, 변환기가 열적으로 더욱 안정화 된다는 것이다. 또한, 유전체 접합부는 기계적인 패스너보다 더욱 신뢰할 수 있으며, 시간이 경과하더라도 전극을 고정된 위치에 유지시킨다. 스페이서가 전극과 격막 사이에 공칭 간격을 설정하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 전극은 이중 전극으로서, 유전체가 제1 전극을 제2 전극으로부터 절연시킨다.

본 발명의 다른 양태에서, 변환기는 원반 부분이 지지 포스트에 설치되는 전극을 구비하는데, 상기 지지 포스트는 기계적인 지지부이며, 유리, 금속 솔더(solder)나 브레이즈(braze), 세라믹 또는 유리-세라믹 등과 같은 접합 재료를 사용하여 하우징에 고정되어 있다. 이 지지 포스트는 세라믹으로 제조되는 것이 바람직하고, 전극과는 별체인 부품으로서 형성되는 로드(rod)이거나, 일체형의 모놀리식(monolithic) 원반과 포스트의 일부로서 형성되는 포스트부일 수 있다. 포스트와 하우징 사이의 접합부는 매우 높은 강도를 갖는 압축형 접합부를 형성한다. 이 접합부의 재료는 강성이 낮은 것이 바람직하며, 따라서 이 접합부가 열팽창 부정합의 일부를 흡수할 수 있다는 한가지 장점이 있다. 압력 변환기가 온도의 변화를 받을 때에, 이 접합부에서는 하우징과 포스트 사이의 변형을 탄성적으로 그리고 예측 가능한 방식으로 완화시킬 수 있다. 또한, 다른 장점으로는 매우 높은 강성을 갖는 세라믹 포스트가 열에 의해 유발된 변형이 원반에 도달하는 것을 추가로 차단한다는 것이다. 본 발명의 또 다른 양태에서, 세라믹 전극은 원반 부분의 일면에 홈을 포함한다. 이 홈도 또한 온도 변화로 인한 열팽창에 의해 발생되는 포스트 부분과 원반 부분 사이의 응력을 완화시킨다.

본 발명의 다른 양태에서, 압력 변환기는 하우징에 비해 열팽창 계수(TCE)가 낮은 부재를 포함한다. 이 하우징은 금속인 것이 바람직하며, 전극에 결합된 세라믹 로드를 매개로 하여 세라믹 기준 전극을 지지한다. 상기 열팽창 계수가 낮은 부재는 기준 전극의 로드가 하우징에 연결되는 곳 근방에서 하우징에 연결된다. 이 열팽창 계수가 낮은 부재는, 압력 변환기가 제조 또는 사용 중에 온도 변화를 받는 경우 열효과로 인한 하우징의 뒤틀림을 방지하는데 도움이 된다. 열팽창 계수가 낮은 부재는 로드가 고정되어 있는 하우징의 개구에 또는 그 맞은편에 견고히 연결된다. 선택적으로, 하우징은 허브 앤 스포크 마운트 또는 그와 유사한 것을 포함하며, 열팽창 계수가 낮은 부재는 전극과 격막으로부터 먼 측의 스포크에 연결된다.

당업자가 본 발명의 실시예를 예시하면서 본 발명을 설명하고 있는 이하의 상세한 설명을 읽으면, 본 발명의 또 다른 목적 및 장점이 쉽게 명확해질 것이다. 이해하겠지만, 본 발명에는 그 밖의 상이한 실시예가 가능하며, 본 발명의 일부 세부 부분은 본 발명을 벗어나지 않으면서 여러 가지 관점에서 다양하게 변형될 수 있다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 청구범위에 명시된 본 출원의 범위 내에서 전적으로 예시적인 것으로서, 제한 또는 한정의 의미로 간주되지는 말아야 한다.

본 발명의 특성 및 대상을 더 완전히 이해하려면, 동일하거나 유사한 부품은 동일한 도면 부호로 나타내고 있고, 그 크기는 단지 예로서 보여지는 것인 첨부 도면과 관련하여 이하에서 기술된 상세한 설명을 참조하라.

도 1a는 종래의 조립된 변환기 조립체의 부분 단면도이고,

도 1b는 도 1a에 도시된 조립체의 분해 단면도이며,

도 2a는 도 1a 내지 도 1b에 도시된 P_x 보디의 평면도이고,

도 2b는 도 1a 내지 도 1b에 도시된 P_r 보디의 평면도이며,

도 2c는 도 1a 내지 도 1b에 도시된 전극의 저면도이고,

도 3a는 본 발명에 따라 구성된 용량성 압력 변환기 조립체의 부분 단면도이며,

도 3b는 도 3a에 도시된 조립체를 부분 절개하여 보여주는 평면도이고,

도 3c는 본 발명에 따라 구성된 용량성 압력 변환기의 단면도이며,

도 4a 및 도 4b는 각각 도 3a 내지 도 3c에 도시된 조립체에 사용된 개량된 P_r 보디의 바람직한 실시예의 평면도 및 사시도이고,

도 4c 및 도 4d는 각각 도 4a에 도시된 선 4C-4C 및 4D-4D를 따라 취한 P_r 보디의 단면도이며,

도 5a 및 도 5b는 각각 도 3a 내지 도 3b에 도시된 전극의 바람직한 실시예의 단면도 및 저면도이고,

도 6a는 공칭 작동 위치에 있는 P_r 보디의 단면도로서, 이 P_r 보디의 스포크는 요각홈을 포함하지 않는 것며,

도 6b는 열이 가해진 후의 도 6a에 도시된 P_r 보디의 단면도이고,

도 7a, 도 7b, 도 7c 및 도 7d는 본 발명에 따라 구성된 P_r 보디의 변형예의 평면도이며,

도 8a는 본 발명의 변형예에 따라 구성된 용량성 압력 변환기 조립체의 단면도이고,

도 8b는 도 8a에 도시된 용량성 압력 변환기 조립체의 분해도이며,

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 전극의 평면도이고,

도 10a는 이중 전극을 갖는 본 발명의 변형예에 따라 구성된 용량성 압력 변환기 조립체의 단면도로서,

도 10b는 도 10a에 도시된 용량성 압력 변환기 조립체의 분해도이고,

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 외부 전극의 평면도이며,

도 12a는 본 발명의 변형예에 따라 구성된 용량성 압력 변환기를 부분 절개하여 보여주는 평면도이고,

도 12b는 도 12a의 선 12B-12B을 따라 취한 용량성 압력 변환기 조립체의 단면도이며,

도 13a는 본 발명의 변형예에 따라 구성된 용량성 압력 변환기를 부분 절개하여 보여주는 평면도이고,

도 13b는 도 13a의 선 13B-13B을 따라 취한 용량성 압력 변환기 조립체의 단면도이며,

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따라 압력 변환기를 제조하는 데 사용되는 고정구에서 보여지는 용량성 압력 변환기의 부분 측단면도이고,

도 15 및 도 16은 각각 도 14에 도시된 선 15-15 및 16-16를 따라 취한 도면이며,

도 17은 본 발명의 실시예에 따라 구성된 용량성 압력 변환기의 단면도이고,

도 18a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 용량성 압력 변환기의 단면도이며,

도 18b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 용량성 압력 변환기의 단면도로서, 열응력으로 인해 전극이 구부러진 것을 보여주는 도면이고,

도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 용량성 압력 변환기의 단면도이며,

도 20은 본 발명의 변형예에 따른 열팽창 계수가 낮은 부재를 구비한 하우징 부재의 평면도이고,

도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 용량성 압력 변환기의 단면도이며,

도 22a는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 용량성 압력 변환기의 단면도이고,

도 22b는 도 22a에 도시된 실시예에 따른 압력 변환기의 단면도로서, 열응력으로 인한 외력을 보여주는 도면이다.

도 3a는 본 발명에 따라 구성된 조립 상태의 변환기 조립체(200)의 부분 단면도이다. 도 3b는 도 3a에 도시된 변환기 조립체를 부분 절개하여 보여주는 평면도이다. 도 3c는 변환기 조립체(200)의 단면도이다. 바람직한 실시예에서, 변환기 조립체(200)를 구성하는 데 사용되는 일부 구성 요소는 종래의 변환기 조립체(100)에서 사용되는 구성 요소와 동일하거나 유사하다. 더 상세히 말하자면, 변환기 조립체(200)는 종래의 변환기 조립체(100)에서 사용된 것과 유사한 P_x 커버(140), 격막(120) 및 P_r 커버(170) 요소를 포함한다. 그러나, 조립체(200)는 종래의 조립체(100)에 사용된 P_r 보디(160) 및 전극(130) 요소보다는 개량된 P_r 보디(260) 및 개량된 전극(230)을 포함한다. 조립체(200)는 탄성 요소(192)를 필요로 하지 않는다.

도 4a 및 도 4b는 각각 개량된 P_r 보디(260)의 바람직한 실시예의 평면도 및 사시도이다. 도 4c는 도 4a의 선 4C-4C을 따라 취한 P_r 보디(260)의 단면도이 며, 도 4d는 도 4a의 선 4D-4D을 따라 취한 P_r 보디(260)의 단면도이다. 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, P_r 보디(260)는 관형 외부 쉘 또는 케이스(262)와, 하나 이상의 스포크(264)와 그리고 중앙 허브(266)를 포함한다. 관형 케이스(262)는 도 4c 및 도 4d에 도시된 바와 같이 중심 축선(261)을 따라 연장한다. 이 케이스(262)는 내부면(263)을 구비하며, 이 내부면은 P_r 보디(260) 내에 내부 공동 또는 개구를 형성한다. 바람직한 실시예에서, 스포크(264)는 축선(261)에 거의 수직한 방향으로 내부면(263)으로부터 케이스(262)의 중심을 향해 연장한다. 다른 실시예에서, 스포크(264)는 축선(261)에 수직한 방향 이외의 방향으로 내부면(263)으로부터 케이스(262)의 중심을 향해 연장할 수 있다. 스포크(264)는 중앙 허브(266)를 지지하고, 중심 축선(261)은 중앙 허브(266)를 가로지른다. 각 스포크(264)의 일단부는 케이스(262)의 내부면(163)에 접촉하며, 각 스포크(264)의 타단부는 중앙 허브(266)에 접촉하여 이를 지지한다. 이하에서 상세히 설명되겠지만, P_r 보디(260)의 한가지 장점은 중앙 허브(266)가 케이스(262)에 대해 거의 움직이지 않는, 즉 정지 상태로 유지되는 경향이 있다는 것이다.

도 3a 내지 도 3c를 다시 살펴보면, 케이스(262)의 상부면에는 바람직하게는 단이 형성되어 P_r 커버(170) 지지용 숄더(267)를 형성한다는 것을 알 수 있다. 바람직한 실시예에서, P_r 커버(170)는 숄더(267)에 용접되어 P_r 커버(170)와 케이스(262)의 상부 사이를 기밀하게 밀봉시킨다. 또한, 케이스(262)는 하부면(268)을 형성한다. 바람직한 실시예에서, 격막(120)은 하부면(268)에 용접되어 격막(120)과 케이스(262)의 바닥 사이를 기밀하게 밀봉시킨다. 따라서, P_r 커버(170), P_r 보디(260) 및 격막(120)은 함께 밀봉된 제1 챔버(112)를 형성한다[종래의 조립체(100)에서는, 압력관(172)이 밀폐되어 제1 챔버(112)에 바람직한 기준 압력을 제공할 수 있다].

P_x 커버(140)의 상부면은 격막(120)에 바람직하게 고정되어(예컨대, 용접), P_x 커버(140)와 격막(120)은 함께 제2 챔버(110)를 형성한다[제1 챔버(112)측의 격막(120)에 대향하는 측에 있다]. 도 1a 및 도 1b에는 제2 챔버(110)가 P_x 커버(140), P_x 보디(150) 및 격막(120)으로 형성된 것으로 도시되어 있지만, 조립체(200)는 P_x 보디(150)를 필요로 하지 않고, P_x 보디 없이 제2 챔버(110)를 형성한다. 다른 실시예에서, 조립체(200)는 P_x 보디(150)를 포함할 수 있고, 도 1a 및 도 1b에 예시된 바와 동일하거나 유사한 방식으로 제2 챔버(110)를 형성할 수 있다. 그러나, 조립체(200)의 바람직한 실시예에서는, P_x 보디(150)를 없앤다. 당업자는 도 3a에 도시된 P_x 커버(140)가 도 1a에 도시된 P_x 커버(140)와 유사하지만, 정확히 동일한 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 더 상세히 말하자면, 도 3a에 도시된 P_x 커버(140)의 상부면은 (도 1a에 도시된 바와 같이 평탄하기보다는)기울어져, 즉 경사져 있어서, 격막(120)이 P_x 커버(140)의 상부면의 외주부에 고정(예컨대, 용접)될 때 P_x 커버(140)와 격막(120) 사이에 제2 챔버(110)가 형성된다. 당업자는 도 1a에 예시된 P_x 커버(140)와 도 3a에 예시된 P_x 커버(140) 사이의 차이뿐만 아니라, 제2 챔버(110)를 형성하는 방식이 본 발명에서 중요한 것은 아닌 것을 이해할 것이다.

중앙 허브(166)에는 나사(205) 또는 그 밖의 타입의 패스너를 수용하도록 구 성(예컨대, 나사선이 형성됨)되는 것이 바람직한 중앙 개구(265)가 형성된다. 나사 또는 그 밖의 패스너는 전극(230)을 P_r 보디(260)의 중앙 허브(266)에 유지시킨다. 도 5a는 중앙 허브(266)에 설치되는 전극(230)의 바람직한 실시예의 측면도이다. 도 5b는 도 5a의 선 5B-5B을 따라 취한 전극(230)의 도면이다. 전극(230)은, 예컨대 원통형 또는 원반 형상인 전기 절연성 재료(바람직하게는 세라믹)의 블록(232)과, 이 블록(232)의 하부면(234)에 통상의 방식으로 배치되는 하나 이상의 도체(235)를 포함한다. 이 실시예에서, 절연성 블록(232)에는 중앙 허브(266)의 중앙 개구(265)와 정합하도록 구성된 중앙 개구(210)가 형성된다. 도 3a 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 나사(205)는 허브(266)와 절연성 블록(232)을 함께 유지시킨다. 또한, 절연성 블록(232)에는 보어 구멍(210) 보다 폭이 넓으며 보어 구멍에 연결되는 함몰부(208)(도 5a에 도시된 바와 같음)가 형성되어, 나사(205)의 카운터싱킹 또는 카우터보링을 허용한다. 이러한 방식으로 나사(205)의 카운터싱킹 또는 카운터보링을 행하여, 전기 도체(235)와 격막(120) 사이의 공간에 나사(205)의 일부분이 들어가는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서는, 나사(205) 대신에 리벳 또는 접착제가 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 나사(또는 볼트)(205)의 일단부는 개구(265)를 통해 연장하고, 이 단부 상에 너트가 체결되며, 이 너트는 나사(205)와 함께 허브(266)와 절연성 블록(232)을 결합시킨다. 이 실시예에서, 중앙 개구(265)에는 나사선이 형성되거나 형성되지 않을 수 있다.

전극(230)이 중앙 허브(266)에 고정될 때[예컨대, 나사(205)에 의해], 절연체(232)의 하부면(234)은 격막(120)과 일정 간격을 두고 배치되어(3a 및 3c에 도시 됨), 격막(120)과 하나 이상의 도체(235)(도 5b에 도시됨)가 하나 이상의 커패시터(240)를 형성한다. 하나 이상의 스페이서(206)는 절연성 블록(232)의 상부와 중앙 허브(266)의 바닥과의 사이에 배치되어, 도체(235)와 격막(120) 사이의 공간을 조절한다. 스페이서(206)는 나사(205)가 통과할 수 있는 중앙 개구가 형성된 "링"형 와셔로서 구성되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 스페이서(206)의 두께는 0.004 내지 0.007 인치이고, 스테인레스강으로 제조되며, 2개 이하의 수량으로 사용된다.

도체(235)는 도 5b에 도시된 바와 같이 비교적 얇은 링으로서 배치된다. 선택적으로, 각 도체와 격막(120)에 의해 형성된 커패시터가 격막(120)과 도체 사이의 거리를 나타내도록, 하나 이상의 다른 타입의 도체들이 절연성 블록(232)의 하부면에 배치될 수도 있다.

변환기 조립체(200)의 바람직한 실시예에서, 절연성 블록(232)은 단지 자신의 중앙 부분을 허브(266)에 고정시킴으로써 설치된다. 케이스(262)와 절연성 블록(232) 사이에 간극(209)(도 3a 및 도 3c에 도시된 바와 같음)이 마련되도록, 상기 절연성 블록(232)의 외주부는 P_r 보디(260)의 케이스(262)와 간격을 두고 떨어져 있고 이 케이스와 접촉하지 않는다. 이는 세라믹 전극(130)의 외주부 전체가 P_r 보디[및 탄성요소(192)]에 의해 지지되는 종래의 변환기 조립체(100)와 대조를 이룬다. 이하에서 상세히 설명되겠지만, 이로써 전극(230)의 안전성을 향상시킨다.

스포크(264), 중앙 허브(266) 및 전극(230)은 모두 제1 챔버(112) 내에 배치된다. 그러나, 이들 구성 요소는 격막(120)과 P_r 커버(170)와의 사이에서 유압의 유통을 방해하지 않는다. 전술한 바와 같이, 전극(230)은 중앙 허브(266)에 설치되며, 케이스(262)와 전극(230) 사이에는 간극(209)이 마련된다(도 3c에 도시됨). 간극(209)은 유체가 전극(230) 주변에 흘러들 수 있게 하며, 이에 따라 종래의 전극(130)의 개구(132)(도 2c에 도시됨)를 필요로 하지 않게 된다. 따라서, 전극(230)은 종래의 전극(130)에 비해 더 간단하며 구성하는 데 비용이 더 적게 든다. 인접한 스포크 사이에는 큰 개구가 존재하므로, 스포크(264)도 또한 제1 챔버(112) 내부의 유체의 흐름을 방해하지 않는다[즉, 연속적인 원형 평면형 시트보다는 정수개의 스포크가 중앙 허브(266)를 지지하는 데 사용되므로, 중앙 허브(266)용 지지부는 제1 챔버(112) 내부의 유체 흐름을 방해하지 않는다].

변환기 조립체(200)는 도체(235)에 전기적으로 접속시키는 전기 전도성 피드스루(280)를 포함한다. 피드스루(280)의 일단부(282)는 절연성 블록(232)의 상부면에 접촉한다. 피드스루(280)는 스포크(도 3b에 도시됨) 사이의 공간을 통해, 그리고 P_r 커버(170)의 개구를 통해 연장한다. 피드스루(280)의 타단부(284)는 변환기 조립체(200)의 외부에 있다. 종래의 변환기 조립체(100)에서와 같이, 피드스루(280)가 통과해 연장하는 P_r 커버(170)의 개구는 밀폐되어[예컨대, 유리 플러그(185)를 사용하여], 제1 챔버(112) 내부의 압력이 유지되며, 피드스루(280)가 P_r 커버(170)로부터 전기 절연된다. 피드스루(280)의 하단부(282)는 통상의 방식[예컨대, 상기 단부(282)로부터 도체(235)까지 절연성 블록(232)의 에지를 통해 연장하거나 에지 둘레에서 연장하는 전기 도금된 개구를 통해]으로 도체(235)에 전기적으로 접속된다. 피드스루(280)는 커패시터(240)의 하나의 플레이트[즉, 도체(235)]에 전기적으로 접속되며, P_r 보디(260)는 커패시터(240)의 다른 플레이트[즉, 격막(120)]에 전기적으로 접속된다. 절연성 블록(232)의 하부면(234)에 배치된 각각의 추가 도체에 대해서 피드스루를 추가로 제공하는 것이 바람직하다. 피드스루(280)는 전극(230)을 구조적으로 지지하지 않으면서 전극(230)에 접촉하는 것이 바람직하다. 오히려, P_r 보디(260)의 중앙 허브(266)가 전극(230)을 구조적으로 지지한다.

전술한 바와 같이, P_r 보디(260)의 한가지 장점은 중앙 허브(266)가 케이스(262)에 대해 거의 움직이지 않는, 즉 정지 상태로 유지되는 경향이 있다는 것이다. 즉, 스포크(264)는 중앙 허브(266)에 안정적인 마운트를 제공한다. 중앙 허브(266)는 케이스(262)에 대해 거의 움직이지 않는, 즉 정지 상태로 유지되므로, 전극(230)은 격막(120)의 공칭 위치에 대해 거의 움직이지 않는 상태로 유지된다. 이로써, 조립체(200)는 전극(230)과 격막(120) 사이에 거의 일정한 공칭 거리를 유익하게 제공한다.

중앙 허브(266)가 케이스(262)에 대해 거의 움직이지 않는 상태로 유지되는 한가지 이유는 조립체(200)에서 스프링력을 제거 또는 감소하는 것과 관련이 있다. 전술한 바와 같이, 종래의 변환기 조립체(100)는 전극의 위치(130)를 유지시키기 위하여, 탄성 요소(192)를 압박함으로써 발생하는 스프링력을 사용하였다. 따라서, 종래의 조립체(100)의 전극(130)은 시간이 경과함에 따라 "크리프" 또는 이동되기 쉬었다. 개량된 변환기 조립체(200)는 중앙 허브(266)의 위치를 고정시켜 이 허브(266)가 안정적인 설치대를 형성하도록, 상기 탄성 요소보다는 스포크(264)를 이용하였다. 따라서, 조립체(200)는 나사(205)(또는 리벳, 접착제, 용접 접합이나 그 밖의 타입의 패스너)를 사용하여 전극(230)을 중앙 허브(266)의 안정적인 설치대에 견고히 유지시킨다. 전극(230)은 안정적이고 움직임이 없는 중앙 허브(266)의 특성 때문에, 정지 상태로 유지된다.

스포크(264)는 중실형 부재로 형성되는 것이 바람직하다. 공칭 상태에서[예컨대, 조립체(200)의 공칭 작동 온도에서], 스포크(264)는 인장력 또는 압축력을 받지 않는 상태인 것이 바람직하다. 종래의 조립체(100)는 비교적 큰 양의 저장된 에너지, 또는 포텐셜 에너지[탄성 요소(192)를 압박함으로써 발생함]로 특징지워지지만, 개량된 변환기 조립체(200)에서 저장된 에너지의 양은 제로이거나 제로에 매우 근접한 값이다. 조립체(200)에 저장된 에너지가 감소하거나 존재하지 않음으로 인해, 중앙 허브(266) 및 전극(230) 등의 조립체(200)의 모든 구성 요소가 시간이 경과하더라도 거의 움직이지 않는 상태로 안정적으로 유지되는 경향이 있다.

중앙 허브(266)는 조립체(200)가 공칭 작동 조건에 있는 동안에 정지 상태로 유지되는 경향이 있지만, 어떤 실시예에서는 조립체(200)가 기계적 또는 열적 충격이나 응력을 경험할 때 허브(266)는 약간의 이동을 경험할 수도 있다. 예컨대, 조립체(200)를 가열 또는 냉각하면, 스포크(264)의 열팽창 또는 수축이 야기된다. 이러한 열팽창 또는 수축은 압축 또는 인장을 받는 스포크의 각각에 위치할 수 있으며, 스포크(264) 상의 압축력 또는 인장력은 중앙 허브(266)를 약간 이동시킬 수도 있다. 도 6a는 모두 공칭 작동 위치에 있는 케이스(262), 스포크(264) 및 중앙 허브(266)를 보여주는 P_r 보디(260)의 단면도이다. 도 6b는 열이 가해진 후의 도 6a에 도시된 P_r 보디(260)를 보여주는 단면도이다. 열은 스포크(264)의 열팽창을 일으키고, 이어서 중앙 허브(266)를 상향 이동시킨다.

조립체(200)의 바람직한 실시예에 있어서, 기계적 또는 열적 충격이나 응력으로 인해 야기되는 이러한 변형을 감소시키기 위해, 스포크(264)는 요각홈(269)을 포함한다. 도 4a, 도 4b 및 도 4d에 예시된 실시예에서, 각 스포크(264)는 2개의 요각홈(269)을 포함한다. 도 3b에는 스포크(264) 중 하나가 2개의 요각홈을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 예시의 편의상, 도 3b에 도시된 2개의 스포크(264)는 요각홈을 포함하지 않는 것으로 도시되어 있지만, 당업자는 이들 스포크 각각이 요각홈을 포함하는 것이 바람직하다는 것을 이해할 것이다. 요각홈(269)은 스포크(264)가 그 자신이 압축 또는 인장을 받을 때에도 중앙 허브(266)를 안정된 위치에 유지시킬 수 있게 한다. 즉, 요각홈(269)은 스포크(264)가 압축 또는 인장에 노출될 때 이들 스포크(264) 각각이 변형될 수 있게 한다. 각 스포크(264)에는 조화되는 또는 상보적인 요각홈(269)이 마련된다(즉, 하나의 스포크에 있는 요각홈들은 다른 스포크에 있는 요각홈과 조화를 이룬다). 모든 스포크(264)에는 상보적인 요각홈(269)이 마련되므로, 하나의 스포크에서의 변형은 그 외의 스포크(264)가 경험하는 변형과 대등하거나, 이를 보충한다. 모든 스포크(264)가 상보적으로 변형함으로써, 기계적 또는 열적 충격이나 응력이 있을 때에도 중앙 허브(266)가 공칭 작동 위치에 안정되게 유지된다.

도 4a, 도 4b 및 도 4d에 예시된 실시예에서, 스포크(264)의 각각에는 2개의 상보성 장방형 요각홈(269)이 마련된다. 당업자라면 다른 실시예에서 그 밖의 타입의 요각홈이 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 요각홈의 형상은 중요한 것은 아니며, 오히려 장방형으로 되기보다는 이들 요각홈은 다른 형상으로 특징지워질 수 있고, 예컨대 반원형 또는 삼각형일 수 있다. 또한, 스포크 마다 2개의 요각홈이 마련되는 것보다는, 그 밖의 수의 홈이 마련될 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 각 스포크는 2개 이상의 요각홈을 포함한다. 당업자라면 본 발명에 사용될 수 있는 요각홈의 다른 패턴을 계산하는 데 유한 요소 분석법이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 4a 내지 도 4d에 예시된 P_r 보디(260)의 바람직한 실시예는 3개의 스포크(264)를 포함한다. 각 스포크는 직선형이며, P_r 보디(260)의 중심 축선(261)에 거의 수직한 방향으로 연장한다. 그러나, 당업자라면 다른 패턴의 스포크가 본 발명과 함께 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 7a 내지 도 7d는 스포크(264)의 변형 구조를 예시한다. 도 7a는 각 스포크(264)가 직선형이라기 보다는 곡선형인 3-스포크 구조를 보여준다. 도 7b 내지 도 7d는 각각 4-스포크, 2-스포크 및 1-스포크 구조를 보여준다. P_r 보디(260)는 2개 이상의 스포크(264)를 포함하지만, 1-스포크 실시예(그 일례가 도 7d에 예시되어 있음)도 또한 본 발명의 범위 내에 포함된다. 도 7a, 도 7b 및 도 7c에 예시된 모든 구조에서, 각 스포크에는 요각홈(도시 생략)이 마련되는 것이 바람직하다.

기계적 또는 열적 충격이나 응력이 존재할 때 안정성을 향상시키는 것 이외에도, P_r 보디(260)의 스포크 구조는 과압 조건 때에도 안정성을 향상시킨다. 예 컨대, 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 과압 상태에서는 격막(120)과 전극(230)이 접촉하게 되고, 전극(230)이 이동될 수 있다. 스포크(264)는 위로 탄성적으로 구부러지고 이로써 전술한 바와 같이 전극(230)이 이동하게 된다. 그러나, 과압 상태가 해제되면, 스포크(264)는 그 본래의 작동 위치로 복귀하려고 하고, 이에 따라 전극(230)도 그 바람직한 공칭 작동 위치로 복귀된다. 요각홈의 유무에 관계없이, P_r 보디(260)의 스포크 구조는 과압 조건시에 향상된 성능을 제공한다. 종래의 조립체(100)의 탄성 요소(192)는 과압 상태 이후에 전극(130)의 재배치(또는 자리 이동)을 야기시킬 수 있지만, P_r 보디(260)의 스포크(264)는 과압 상태 이후에 항상 그 본래의 바람직한 공칭 작동 위치로 복귀하려는 경향이 있다.

P_r 보디(260)[케이스(262), 스포크(264) 및 중앙 허브(266)를 포함]는 모놀리식(즉, 단일체) 금속 구조인 것이 바람직하다. 바람직한 P_r 보디 제조 방법의 하나는 압출 성형에 의한 것이다. 모놀리식 구조가 바람직하지만, 당업자라면 선택적으로 P_r 보디(260)가 별개의 부품으로 형성될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

바람직한 실시예에서, P_x 커버(140), P_r 보디(260), P_r 커버(170), 허브(266), 스포크(264) 및 스페이서(206)는 모두 동일한 금속으로 제조된다[예컨대, 인코넬(등록상표), 니켈, 철 및 크롬 합금]. 절연성 블록(232)은 알루미나 또는 포스터라이트(Fosterite)(즉, 규산 마그네슘)로 제조된다.

1. 금속 전극

도 8a는 본 발명에 따라 구성된 다른 용량성 압력 변환기 조립체(400)의 부분 단면도이다. 도 8b는 조립체(400)의 분해도이다. 조립체(200)(예컨대, 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시됨)에서와 같이, 조립체(400)는 P_r 보디(260), P_r 커버(170), P_x 커버(140) 및 격막(120)을 포함한다. 또한, 조립체(400)는 P_r 보디(260)의 허브(266)에 의해 지지되는 전극을 포함한다. 그러나, 조립체(400)는 전극(230)을 사용하기보다는 상이한 타입의 전극(430)을 포함한다. 도 9는 전극(430)의 평면도이다. 전극(430)은 전부 금속이다[즉, 전극(130)이나 전극(230)과는 달리, 전극(430)은 절연성 부분, 즉 세라믹 부분을 포함하지 않음]. 전극(430)은 원반 형상의 제1 전도성 플레이트(431)와 원통 형상의 전도성 제1 지지부(432)를 포함한다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 제1 지지부(432)는 제1 전도성 플레이트(431)에 접합되며, 따라서 전극(430)은 역전된 T자형상인 것을 특징으로 한다. 제1 지지부(432)는 제1 전도성 플레이트(431)에 용접되거나 그렇지 않다면(즉, 선택적으로) 부착될 수 있으며, 제1 지지부(432) 및 제1 전도성 플레이트(431)는 일체형의 모놀리식 금속 구조물로 형성될 수 있다. 제1 지지부(432)가 허브(266)에 형성된 중앙 개구(265)를 통해 연장하도록, 전극(430)이 조립체(400)에 설치된다. 절연성 유전 재료(452)(예컨대, 유리)는 제1 지지부(432)를 허브(266)에 대해 고정된 상태로 유지시키는 데 사용된다.

조립체(400)는 여러가지 장점이 있다. 먼저, 전극에서 세라믹을 제거하여 부동 용량의 영향을 감소시킴으로써, 조립체(400)의 성능이 향상된다. 전도성 플레이트가 절연성 세라믹 원반에 배치되어 있는 전극(130)(도 1a에 도시됨) 등과 같은 종래의 전극에서는, 세라믹이 존재함으로 인해 금속 하우징 부품과 전도성 플레이트 사이에 비교적 큰 부동 용량이 발생되는 경향이 있으며, 이 부동 용량은 격막과 전도성 플레이트 사이에서 측정되는 커패시턴스에 바람직하지 못한 영향을 미친다. 즉, 커패시턴스의 유전 상수가 높기 때문에, 세라믹은 "확대 효과", 즉 주변의 금속 하우징과 전도성 플레이트가 실제보다 더 근접해있는 것으로 보이게 하여 부동 용량이 비교적 커지는 경향이 있는 효과를 일으킨다. 이들 부동 용량은 압력 변환기의 감도를 저하시킨다. 전극에서 세라믹을 제거하면 상기 "확대 효과"가 없어지고, 이에 따라 조립체(400)가 좀더 정확하게 격막과 제1 전도성 플레이트(431)와의 거리를 측정할 수 있게 된다.

둘째로, 전극에서 세라믹을 제거하면 변환기 조립체(400)의 열 안정성이 개선된다. 세라믹과 금속의 열팽창 계수는 동일하지 않다. 따라서, 종래의 조립체(100)에 열을 가하면 P_r 보디는 수직 방향으로(및 그 외의 모든 방향) 전극(130)의 세라믹보다 더 빠르게 팽창하게 된다. 그러므로, 조립체(100)에 열을 가하면 도체(134)와 격막(120) 사이의 거리가 증가하게 된다. 조립체(100)의 도체(120)와 격막(134) 사이의 거리는 온도의 변화에 따라 변화할 수 있으므로, 조립체(100)는 열적으로 안정적이지 않다[즉, 이론상 격막(120)과 전극 사이의 거리는 단지 제2 챔버(110)와 제1 챔버(112) 사이의 압력차에 따라 변화한다]. 조립체(100)와는 달리, 조립체(400)의 전극(430)은 세라믹을 전혀 포함하지 않으며 전부 금속이다. 이로써, 전극(430)의 열팽창 계수가 P_r 보디(260)의 열팽창 계수와 대등하게 되며, 이에 따라 조립체(400)의 열 안정성이 향상된다[즉, 격막(120)과 제1 전도성 플레이트(431)의 하부면과의 사이의 거리는 온도의 변화에 따라 변화하려 하지 않는다]. 바람직한 실시예에서, P_r 보디(260)와 전극(430)은 모두 동일한 재료(예컨대, 인코넬)로 제조된다.

셋째로, 유전체 플러그(452)는 기계 나사 또는 그 밖의 기계적 패스너가 할 수 있는 것보다 보다 신뢰 가능하게 전극(430)을 유지시킨다. 나사 및 그 밖의 기계적인 패스너는 느슨해지거나, 즉 이동되거나 그렇지 않으면 시간이 경과함에 따라 변할 수 있지만, 유전체 플러그(452)는 매우 오랜 기간 동안 변하지 않고 안정적으로 유지되는 경향이 있으므로, 전극(430)을 허브(266)에 관하여 매우 고정된 위치에 유지시킨다. 일부 실시예에서는, 나사형 패스너를 수용하도록 조립체(400)의 허브(266)에 나사선이 형성될 수도 있다. 그러나, 이러한 나사선은 조립체(400)에서 불필요하다.

넷째로, 전극(430)은 조립체(400) 내부의 위치[즉, 허브(266)]에 고정되므로, 유전체 플러그(452)는 기밀한 밀봉을 형성할 필요가 없다. 이는 유전 재료이 전극을 조립체에 대해 고정시키고 또한 외부 환경과 조립체의 내부 챔버와의 사이에 기밀한 밀봉을 형성하는 종래의 조립체(예컨대, 미국 특허 번호 제5,442,962호에 개시된 바와 같은)와 대조를 이룬다. 상기 종래의 조립체에서는, 기밀한 밀봉을 형성할 것을 요구함으로써 일반적으로 유전성 재료를 선택하게 되며, 유리 봉착(封着)용 합금이 대개 사용된다. 유리 봉착용 합금은 (1) 선택이 한정되고 이에 따라 특성(예컨대, 열팽창 계수 등)의 범위도 한정되며; (2) 비교적 비용이 많이 들고; (3) 녹슬 수 있기 때문에(철을 함유하므로) 불리하다. 또한, 유리 봉착용 합금은 용융시키기 곤란하다. 이러한 특징은 전극을 고정시키는 데 유리 봉착용 합금을 사용하는 종래의 조립체에서 전극의 위치를 정확하게 설정하기 곤란하게 하며, 또한 그 제조 비용을 증가시킨다. 조립체(400)의 유전체 플러그(452)는 기 밀한 밀봉을 형성할 필요가 없으므로, 플러그(452)를 형성하는 데 사용되는 재료는 주로 그 사용 편이성과 전극(430)을 안정된 위치에 유지시킬 수 있는 능력에 관련하여 선택될 수 있으며, 이렇게 선택된 것은 밀봉을 기밀하게 만들어야 하는 요구에 의해 양보될 필요가 없다. 유전체 플러그(452)를 형성하는 데 바람직한 재료로는, 코네티컷주 밀포드에 소재하는 노쓰이스트 일렉트로닉스(Northeast Electronics)가 시판하는 특수 도핑된 유리 또는 뉴욕주 뉴레바논에 소재하는 크림텍 코포레이션(CreamTec Corporation)의 지부인 세라마실(Ceramaseal)이 시판하는 세라믹이 있다.

전술된 P_r 보디(260), P_r 커버(170), P_x 커버(140), 격막(120) 및 전극(430) 이외에, 변환기 조립체(400)는 스페이서(450), 전도성 피드스루(480), 유리 플러그(485) 및 전도성 와이어(486)를 더 포함한다. 피드스루(480)는 P_r 커버(170)에 형성된 개구를 통해 연장하는 전도성 핀이다. 피드스루(480)의 일단부(484)는 조립체(400) 외부에 있으며, 타단부(482)는 조립체(400) 내부에 있다. 유리 플러그(485)는 피드스루(480)를 P_r 커버(170)에 대해 정위치에 유지시키고, 피드스루(480)를 P_r 커버(170)로부터 전기 절연시킨다. 전도성 와이어(486)는 제1 지지부(432)의 상단부와 피드스루(480)의 내측 단부(482)에 물리적으로 연결되어 있으며, 이로써 피드스루(480)를 제1 전도성 플레이트(431)에 전기적으로 접속시킨다. 변형예에서, 전도성 와이어(486)는 스프링으로 대체될 수도 있다. 그러므로, 외부 회로는 피드스루(480)의 외측 단부(484)에 연결됨으로써, 제1 전도성 플레이트(431)에 전기적으로 접속될 수 있다[즉, 격막(120)과 제1 전도성 플레이트(431)에 의해 형성된 커패시터의 커패시턴스를 측정함].

유전성 재료(452)[전극(430)을 정위치에 유지시킴]와는 달리, 유리 플러그(485)는 기밀한 밀봉을 형성한다. 그러나, 피드스루(480)는 전극(430)의 경우 요구되는 높은 수준의 정확도로 배치될 필요가 없으므로, 유리 플러그(485)를 형성하는 것은 비교적 용이하다.

스페이서(450)는 환형이며, P_r 보디(260)의 하부면(268)과 격막(120)의 상부면과의 사이에 배치되어 있다. 스페이서(450)는 대개 P_r 보디(260)의 하부면(268)에 그리고 격막(120)에 용접된다. P_r 커버(170), P_r 보디(260), 스페이서(450) 및 격막(120)은 모두 함께 밀폐된 제1 챔버(112)를 형성한다. P_x 커버(140)와 격막(120)은 함께 제2 챔버(110)를 형성한다.

제1 전도성 플레이트(431)와 격막(120)은 함께 센서 커패시터(438)를 형성한다. 제1 전도성 플레이트(431)의 하부면은 P_r 보디(260)의 하부면(268)과 동일면 상에 있도록 배치되는 것이 바람직하다. 제1 전도성 플레이트(431)의 하부면과 P_r 보디(260)의 하부면(268)이 동일면 상에 있으면, 격막(120)과 제1 전도성 플레이트(431) 사이의 공칭 간극은 전적으로 스페이서(450)의 두께에 의해 결정된다. 스페이서(450)의 두께는 약 0.001 내지 0.020 인치 인 것이 바람직하다. 스페이서(450)를 형성하기에 바람직한 재료로는, 예컨대 인바(Invar)(등록상표), 코바(Kovar)(등록상표) 및 인코넬(등록상표)이 있다.

전극(430)을 P_r 보디(260)에 부가하는 한가지 바람직한 방법으로는 (1) 제1 전도성 플레이트(431)의 하부면을 평탄한 표면상에(예컨대, 평탄한 테이블) 배치하고; (2) 제1 지지부(432)가 허브(266)를 통해 연장하고 이 허브 내에서 중심이 맞추어지도록, P_r 보디(260)의 하부면(268)을 상기 평탄한 동일 표면상에 배치하며; (3) 전극(430)과 P_r 보디(260)가 이와 같이 배치되어 있는 동안 유전체 플러그(452)를 형성하는 것이다. 허브(266)와 제1 지지부(432) 사이에 유전성 재료를 배치하고, 조립체를 가열하여 이 유전성 재료를 용융시킨 후에, 이 유전성 재료를 냉각 및 고화시킴으로써, 유전체 플러그(452)가 형성될 수도 있다.

도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 스포크(264)는 P_r 보디(260)의 관형 케이스 또는 측벽(262)의 내부면(263)으로부터 연장한다. 그로부터 스포크(264)가 연장하는 이 내부면(263)은 바람직하게는 수직하며, 즉 중심 축선(261)에 대해 평행하다. 케이스(262)의 내부면(263)과 외부면은 모두 바람직하게는 거의 수직하며, 즉 중심 축선(261)에 대해 평행하다. 일반적으로, 기압 효과는 용량성 압력 변환기 하우징 중에서 취약하게 지지되는 부분, 즉 P_r 커버(170) 등과 같은 부분에서 최대이며, 변환기가 매우 낮은 압력에서 작동할 때 확대된다. 전극이 비교적 얇은 수평 커버에 고정되어 있는(예컨대, 앞서 참조한 미국 특허 제5,442,962호에 개시된 바와 같이) 종래의 조립체에서는, 기압의 변동이 격막과 전극 사이의 공칭 간극을 바람직하지 못하게 변화시킬 수 있다. 조립체(400)의 P_r 보디(260) 중 수직한 케이스(262)는 비교적 두껍고(예컨대, 0.25 인치), 스포크(264)에 의해 더 지지되어, 매우 엄격하고 견고하며 비교적 기압의 변동에 영향을 잘 받지 않는 것이 바람직하다(즉, 기압의 변동에 현저히 반응하여 휘거나 구부러지지 않음). 따라서, 조립체(400)의 P_r 보디(260)는 용량성 압력 변환기의 외부에 미치는 기압 효과로부터 전극(430)을 격리시킨다. 전극(430)이 설치되는 허브(266)는 하우징의 내부에 있고, P_r 커버(170)보다 강하고 기압 변동의 영향을 거의 받지 않는 이 하우징의 수직 부분에 부가되는 것이 바람직하므로, 전극(430)은 외부 압력의 변동으로부터 격리되고 조립체(400)의 안정성이 향상된다. 안전성을 더욱 향상시키기 위해, 용량성 압력 변환기(400)에서도 또한 조립체(200)와 관련하여 전술한 바 있는 타입의 요각홈(269)(예컨대, 도 4b에 도시된 바와 같음)이 스포크(264)에 포함된다. 변형예에서, 전극(430)은 상기 허브 앤 스포크 타입의 전극 마운트를 변형한 것에 현수될 수 있다. 예컨대, 전극 마운트는 P_r 케이스(262)로부터 제1 챔버(112)의 중심으로 연장하고 개구가 형성되어 있는 임의의 전극 마운트일 수 있으며, 상기 개구에서는 개량된 전극(430)이 절연성 재료의 플러그를 이용하여 마운트에 접합된다.

도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명에 따라 구성된 용량성 압력 변환기 조립체(500)의 다른 실시예의 단면도 및 분해도이다. 조립체(500)는 조립체(400)와 매우 유사하다. 그러나, [조립체(400)의 경우에서와 같이] 단지 하나의 전극(430)만을 포함하는 대신에, 조립체(500)는 이중 전극, 즉 제1 전극(430)과 제2 전극(530)을 포함한다. 제1 전극(430)과 제2 전극(530)은 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 각각 내부 전극과 외부 전극으로 배열되는 것이 바람직하다. 도 11은 제2 전극(530)의 평면도이다.

제2 전극(530)은 환형의 평탄한 제2 전도성 플레이트(531)와, 컵 모양의 전도성 수평 지지부(533)와 그리고 관형의 전도성 제2 지지부(532)를 포함한다. 전극(430)에서와 같이, 제2 전극(530)도 전부 금속인 것이 바람직하다. 제2 전도성 플레이트(531), 수평 지지부(533) 및 관형 제2 지지부(532)는 모두 일체형의 전도성 모놀리식 구조물로서 형성될 수 있으며, 또는 선택적으로 이들 구성 요소는 개별적으로 형성되어 용접되거나 그 밖의 방법으로 결합될 수 있다.

조립체(500)에서, 제2 전극(530)은 제1 전극(430)을 둘러싸고 있다. 제2 전극의 제2 전도성 플레이트(531)의 하부면은 제1 전도성 전극의 제1 전도성 플레이트(431)와 동일 평면상에 있으면서 이를 둘러싸고 있다. 관형 제2 지지부(532)는 축선(261)을 따라 제1 전극의 제1 지지부(432)와 동일 축선 상에서 연장하고, 제1 전극의 지지부를 둘러싸고 있다. 제1 지지부(432)와 유사하게, 관형 제2 지지부(532)는 허브(266)의 중앙 개구(165)를 통해 연장한다.

제2 전극 이외에도, 조립체(500)는 절연성 재료로 이루어진 2개의 유전체 부분(552, 554)과, 제2 전도성 피드스루(580)와, 제2 유리 플러그(585)와 그리고 제2 전도성 와이어(586)를 더 포함한다. 제1 유전체 부분은 제1 내부 개구를 형성하고, 제1 지지부는 제1 내부 개구 안으로 연장되며, 제2 유전체 부분은 제2 내부 개구를 형성하고, 제2 지지부는 제2 내부 개구 안으로 연장된다. 제2 피드스루(580)는 P_r 커버(170)의 제2 개구를 통해 연장한다. 제2 유리 플러그(585)는 피드스루(580)를 커버(170)에 대해 고정시키며, 또한 피드스루(580)를 커버(170)로부터 전기 절연시킨다. 와이어(586)는 관형 제2 지지부(532)의 상단부를 조립체(500) 내부에 있는 피드스루(580)의 단부에 전기적으로 접속시킨다. 제2 유전체 부분(554)은 관형 제2 지지부(532)를 허브(266)에 고정시키고, 또한 전극(530)을 허브(266)로부터 전기 절연시킨다. 제1 유전체 부분(552)은 제1 지지부(432)를 관형 제2 지지부(532)의 내부에 고정시키고, 또한 제1 전극(430)을 제2 전극(530)으로부터 전기 절연시킨다. 조립체(400)의 유전성 재료(452)에서와 같이, 제1 및 제2 유전체 부분(552, 554)은 기밀한 밀봉을 형성할 필요가 없다. 전극(430)과 전극(530)을 허브(266)에 접합시키는 적합한 방법으로는 (1) 제1 전도성 플레이트(431)의 하부면을 평탄한 표면상에(예컨대, 평탄한 테이블) 배치하고; (2) 제2 전도성 플레이트(531)의 하부면이 제1 전도성 플레이트(431)를 둘러싸고 제1 지지부(432)가 관형 제2 지지부(532)를 통해 연장하도록, 상기 제2 전도성 플레이트(531)의 하부면을 상기 평탄한 동일 표면상에 배치하며; (3) 제1 지지부(432)와 관형 제2 지지부(532)가 허브(266)를 통해 연장하고 이 허브 내에서 중심이 맞추어지도록, P_r 보디(260)의 하부면을 상기 평탄한 동일 표면상에 배치하며; (4) 전극(430, 530)이 이와 같이 배치되어 있는 동안 제1 및 제2 유전체 부분(552, 554)을 형성하는 것이다. 제1 및 제2 유전체 부분(552, 554)은 조립체(400)의 플러그(452)와 유사한 방식으로 형성될 수도 있다.

격막(120)과 제1 전도성 플레이트(431)는 제1 커패시터(438)를 형성하고, 격막(120)과 제2 전도성 플레이트(531)는 제2 커패시터(538)를 형성한다. 이로써, 조립체(500)는 밀폐된 제1 및 제2 챔버(112, 110)에서 압력의 차를 감지하는 데 사용될 수 있는 2개의 커패시터를 제공한다. 2개의 커패시터는 환형 제2 전도성 플레이트(531)의 면적과 환형 제1 전도성 플레이트(431)의 면적을 같게 형성함으로써 균형잡히는 것이 바람직하다.

도 12a는 변환기 조립체(500)의 변형예를 부분 절개하여 보여주는 평면도이고, 도 12b는 그 단면도이다. 예시된 실시예에서는, 각 피드스루에 대해 동축의 차폐물이 마련된다. 또한, 제2 전극(530)은 좀더 둥글고, 각이 덜진 형상을 갖는다. 즉, 제2 전도성 플레이트(531)와 컵형 수평 지지부(553) 사이의 연결부는 각져 있기보다는 둥글게 되어 있다.

도 13a는 변환기 조립체(500)의 또 다른 변형예를 부분 절개하여 보여주는 평면도이고, 도 13b는 그 단면도이다. 이 실시예는 P_x 커버(140)를 포함하기보다는 실질적으로 이보다 더 두껍고 더 엄격한 P_x 커버(540)를 포함한다. 이 예시된 실시예는 소형 제작된 변환기를 제공하는 데 특히 적합하다. 예컨대, 이 실시예에서 P_r 보디(260)의 직경은 1 인치 미만이 되게 만들어질 수도 있다.

2. 탄성 접합부와 홈을 갖는 세라믹 전극

도 14는 본 발명에 다른 양태에 따라 구성된 다른 압력 센서의 일부분(610)을 보여주는 것으로, 본 발명의 장치를 제조하는 데 사용되는 고정구(612) 위에 있는 것으로 나타내어져 있다. 또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 어떤 실시예에서는 복수 개의 스포크(616)를 구비한 허브(617)로서 하우징 부분(614)을 구성하는 것(예컨대, 미국 특허 제5,965,821호에 설명된 바와 같이)이 바람직하다. 허브에는 개구(618)가 마련되며, 이 개구에서는 허브(217)에 유지되는 지지 로드(620)가 접합부(622)를 이용하여 유지된다. 이 접합부(622)는 붕규산연(lead borosilicate) 등과 같은 유리질 혹은 불투명 유리로 제조될 수 있으며, 또는 금속 브레이즈나 솔더, 세라믹 또는 유리 세라믹일 수 있다. 로드(620)는 알루미나 96% 또는 규산 망간(포스터라이트) 등과 같은 세라믹으로 제조되는 것이 바람직하고, 하우징 부분(614)은 니켈, 크롬 및 철의 합금인 인코넬 등과 같은 금속으로 제조되는 것이 바람직하다.

로드(620)의 타단부에는 금속막 등과 같은 하나 이상의 도체(630)를 구비하는 세라믹 원반으로 만들어진 전극(628)이 있으며, 이 원반의 하부면에는 상기 금 속막이 형성된다. 전극(628)은 로드(620)에 결합되어 거의 T형의 단면을 갖는 유닛을 형성하는 별도의 부품일 수도 있다. 도 16에 더 상세히 도시된 바와 같이, 전극(628)은 원반의 하부면에, 즉 원반이 로드에 결합되는 곳의 반대편에 그리고 격막(640)과 마주보는 곳에, 2개의 동심 전도성 링(630)이 형성되어 있다.

격막(640)이 하우징 부분(614)에 용접되거나 다른 방법으로 결합될 때, 도 14에 도시된 제조용 고정구(612)는 전극(628) 상의 도체(630)와 격막(640) 사이의 거리(d)를 설정 및 유지하는 데 도움을 준다. 고정구(612)에는 전극(628)과 격막(640) 사이의 거리(d)를 형성하는 융기부(634)를 포함하는 표면이 있다. 이 거리는, 예컨대 25 내지 400 미크론으로 매우 작다. 접합부(622)를 갖는 로드(620)와 전극(628)은 하우징(614) 내에 배치되고, 전극은 고정구(612) 위에 놓인다. 그 후, 로드(620)를 개구(618) 내에 접합시키도록 접합 재료가 용융되고 냉각되어, 전극(628)의 하부면과 하우징 부분(614)의 하부면이 바람직한 거리(d) 만큼 간격을 두고 배치되는 것을 보장한다. 이는 나아가 전극(628)의 하부면이 조립된 변환기 내에서 격막(640)으로부터 거리(d) 만큼, 또는 조립체가 냉각된 후와 관련된 거리(d') 만큼 간격을 두고 배치될 것을 보장한다. 제조시 또는 사용시 센서(600)에 대한 온도가 변화하는 중에, 유리 접합부(622)는 로드(620)와 하우징(614) 사이에 탄성 접합부를 제공하며, 고강성의 로드(620)와 함께, 온도의 변화로 인해 발생하는 변형이 하우징(614)으로부터 전극(628)에 도달하는 것을 방지하는 데 도움을 준다.

로드(620)는 개구(618) 내에 견고히 유지되어 전극(628)에 대해 기계적인 지 지를 제공하지만, 전기 접속을 제공할 필요는 없다. 즉, (전도성이어도 되지만) 로드(620)는 전도성일 필요가 없다. 스포크(616) 사이에 마련되는 추가의 리드선(636)을 통해 도체(630)에 대하여 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다.

좀더 완성된 형태의 압력 센서(600)를 보여주는 도 17을 참조하면, 격막(640)이 하우징 부분(614)에 용접되어 있고, 제2 하우징 부재(642)가 격막(640)의 다른 측면에 용접되어 있으며, 다른 하우징 부재(644)가 도 14에 도시된 하우징 부분(614)의 상단 위에 용접되어 장치의 하우징을 형성할 수 있다. 선택적으로 하우징 부분(614)과 하우징 부재(644)는 일체형으로 형성될 수도 있다. 또한, 하우징 부재(644)는 기준 압력을 조성시키는 개구(648)를 구비한다. 개구(646)는 유체가 감지 챔버에 들어가 격막(640)을 전극(628)과 관련하여 이동시킬 수 있게 한다.

회로(637)는 격막(640)과 전극(628)에 신호를 제공하며, 예컨대 회로(637)는 전극(628)과 격막(640) 사이의 커패시턴스의 함수인 공진 주파수로 특징지워지는 탱크 회로를 포함할 수 있다. 이 커패시턴스는 격막(640)이 움직일 때 격막(640)의 다른 측에서의 압력에 대응하는 개구(646)에서의 압력 변동에 따라 변화한다. 일반적으로, 전극에는 비제로(non-zero) 신호가 제공되고, 하우징과 격막은 접지된다.

도 18a를 참조하면, 전극 원반과 지지 포스트는 2개의 별개의 부품으로 제조되기보다는 일체형의 모놀리식 T형 부품, 즉 포스트 부분(652)과 원반 부분(654)을 구비하는 부품으로 제조될 수 있다. 포스트 부분(652)은 유리, 금속 또는 세라믹 등일 수 있는 접합부(653)를 사용하여 하우징(616)에 견고히 접합된다. 만약 유리라면, 접합부(653)는 세라믹에 접합하는 붕규산연 유리 등과 같은 유리질 혹은 불투명 유리로 제조될 수도 있다. 포스트 부분(652)과 원반 부분(654)이 만나는 곳에서, 포스트 부분(652)의 기저부 둘레에 있는 원반 부분(654)의 상부면에는 거의 원형인 홈(655)이 형성된다. 이 홈은 내경(657), 외경(659) 그리고 깊이(663)로 형성된다. 이 홈의 폭은 외경(659)과 내경(657) 사이의 차이로 정해진다. 홈(655)의 내경(657)은 포스트 부분(652)과 원반 부분(654)이 만나는 곳에서 포스트 부분(652)의 직경과 거의 동일하다. 이 홈(655)의 깊이(663)는 원반 부분(654)의 두께(664)의 절반과 거의 동일하다. 이 홈(655)은 접합부에서 변형을 완화시키는 역할을 하며 원반 부분(654)을 평탄하게 유지시키는 역할을 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 일반적으로 온도의 변동은 센서의 정확도에 악영향을 미친다. 이는 특히 하우징이 금속이고 전극(및/또는 전극 지지부)이 세라믹이며 이들이 실질적으로 상이한 팽창 계수를 가질 경우, 잘 들어맞는다. 감지 커패시터에서 간극의 크기는 감지되는 압력과 장치가 받게 되는 온도의 함수가 될 것이다. 이중 전극 구조는 "평면형 소거(planar rejection)"의 원리를 채용하여, 미지 압력을 감지할 때에 온도 효과를 여과해 제거한다. 이중 전극 구조에서, 측정된 커패시턴스는 일반적으로 제1 커패시터와 제2 커패시터 사이의 커패시턴스 차이다. 평면형 소거의 개념에 따르면, 양 전극이 평탄하게 유지되는 한, 온도 효과로 인해 발생되는 임의의 간극의 결과는 양 커패시터의 경우에 동일할 것이며, 상기 커패시턴스 차 측정에서는 상쇄될 것이다. 선택적으로, 다양한 온도 및 압력 조건에 대 한 제1 커패시터와 제2 커패시터의 반응은 사전에 측정 및 기록될 수 있다. 이중 전극 구조의 제1 전극과 제2 전극이 평탄하게 유지되는 한, 이들 공지의 특징들은 제1 커패시터에서 측정된 커패시턴스와 제2 커패시터에서 측정된 커패시턴스를 서로 연관시키고, 신호에 대한 임의의 온도 효과를 결정하며, 정확하게 압력을 판독하도록 이들 효과를 조절하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로 2개의 평탄한 전극을 사용하는 것이 온도와 관련된 임의의 변형을 상쇄시키거나 "소거"시키는 데 도움을 주기 때문에, 이러한 구조의 특성을 "평면형 소거"라고 한다. 정상 상태에서는(상대적인 차이가 예견될 수 있고 사전에 구별될 수 있는 때) 이중 전극 구조가 평면형 소거 때문에 효과적이지만, 천이 조건에서는 비평면형 변동과 여러 효과들의 조합이 상술한 형태의 온도 상쇄를 약화시킨다.

제조 중에, 압력 변환기는 매우 높은 온도, 예컨대 특히 접합부(653)를 형성하기 위해 450℃ 정도의 온도를 받게될 수 있다. 이러한 높은 온도에 있어서 전극과 격막 사이를 초기 간극으로 설정하여 접합부(653)를 형성한다. 압력 변환기가 냉각할 때, 압력 변환기의 부품들은 수축하며 상기 간극은 변화한다. 변환기의 부분들이 예상 가능한 방식, 즉 공지의 위치로 수축한다면, 접합부(653)를 형성할 때 냉각 효과를 고려하여 초기 간극을 적절하게 설정함으로써 냉각된 압력 변환기에서 바람직한 간극을 얻을 수 있다. 그러나, 만약 변환기의 부분들이 냉각 중에 휜다면, 바람직한 간극을 얻지 못할 수도 있다. 제조 중에 휨과 그 밖의 천이 효과를 제한하는 것이 간극을 조절하는 데 중요하다. 또한, 압력 변환기가 작동 중에 온도 변동을 받게 될 수도 있지만, 이 변동의 범위를 일반적으로 제조 온도의 범위 보다 더 제한하여, 제조 온도의 범위 내에 있게 하는 것이 좋다. 따라서, 압력 변환기의 온도 반응이 제조 중에 모니터되고, 제어되며 그리고 상쇄된다면, 압력 변환기의 작동 중에도 온도 반응을 예견할 수 있을 것이다.

변환기(600)가 제조 또는 작동 중에 온도의 변동을 받게 될 때, 홈(655)은 원반 부분(654)의 형상과 압력 변환기(600) 부분들의 상대적인 위치에 있어서 과도적 변화를 감소시킨다. 도 18b는 본 발명에 따른 세라믹 포스트를 구비한 변환기의 변형예(601)를 예시한다. 또한, 도 18b는 홈(655) 등과 같은 홈이 없을 때, 온도의 변화에 따라 전극 원반(650)이 휘는 것을 예시하고 있다. 압력 변환기(601)가 가열될 때, 금속 하우징(644)이 세라믹 전극(654)보다 더 빠르게 팽창하므로 격막(640)과 전극(654)의 하부면 사이의 간극은 커진다. 또한, 센서(601)가 가열될 때, 포스트 부분(652)은 원반 부분(654)보다 더 빠르게 가열된다. 포스트 부분(652)은 접합부(653)를 매개로 하여 하우징(644)에 물리적으로 접촉하며, 주로 전도에 의해 가열된다. 원반 부분(654)은 하우징(644)의 측면으로부터의 복사에 의해서 그리고 포스트(652)를 통한 전도에 의해서 가열된다. 포스트 부분(652)이 가열될 때, 이는 원반(654)보다 더 빠르게 팽창하여, 중심에서 화살표(661)로 지시된 바깥쪽 방향으로 원반(654)에 압력을 가한다. 이러한 응력에 반응하여, 원반(654)의 외측 에지가 화살표(662)로 예시 및 지시한 바와 같이 아래로 이동하도록, 원반(654)이 구부러진다. 따라서, 도 16에 도시된 이중 전극 구조에서는 외부 전극이 내부 전극에 비해 격막(640)에 더 근접하게 이동한다. 압력 변환기(601)가 냉각될 때, 그 반대의 결과가 일어난다. 즉, 포스트 부분(652)이 냉각될 때, 원반(654)보다 더 빠르게 수축하여, 그 중심 주위에서 안쪽을 향하여 원반(654)을 당긴다. 이 응력에 반응하여, 원반(654)의 외측 에지가 위로 이동하도록, 원반(654)이 구부러진다. 이러한 휨은 압력 변환기(601)의 평면형 소거를 약화시키고, 이는 관찰된 커패시턴스의 변형과 그에 따른 압력 측정구의 변형으로 이어진다. 온도 효과는 압력 변환기가 천이 상태에 있는 중에 비평면형이 되지만, 일단 압력 변환기가 균일하게 가열되면 이 효과는 사라진다.

홈(655)은 이 문제를 완화시킨다. 천이 조건 중에, 홈(655)은 포스트 부분(652)으로부터 원반 부분(654)에 가해지는 안쪽 또는 바깥쪽을 향하는 반경 방향 변형을 감소시키며, 커패시턴스를 변형시키는 휨 효과를 감소시키거나 없앤다. 유한 요소 분석법에 의해 복수 개의 바람직한 홈의 위치 및 치수를 결정할 수 있다. 예컨대, 전극의 직경이 1.6 인치이고 두께가 0.2 인치이며, 포스트이 직경이 0.25 인치인 경우, 홈(655)의 깊이는 0.1 인치이고 폭은 0.1 인치인 것이 바람직하다.

원반 부분(654)은 원형인 것이 바람직하지만, 정사각형이나 그 밖의 형상일 수 있다. 로드(652)는 전도성 통로를 만들기 위해 금속화될 수 있거나, 니켈, 철 및 코발트의 합금인 코바 등의 저팽창 금속 합금으로 제조될 수 있다. 하우징(614)과 격막(640)은 각각 인코넬과 스테인레스강 등과 같이 대개 금속이지만, 그 밖의 구성요소들은 대개 세라믹 또는 유리이다.

3. 열팽창 계수가 낮은 플러그

도 19는 본 발명의 다른 양태에 따른 용량성 압력 센서(701)(도 21에 도시 됨)의 일부(700)를 보여준다. 센서(701)는 제1 하우징 부재(714)와 제2 하우징 부재(716) 사이에 용접된 격막(712)을 구비한다. 하우징 부재(716)는 유체를 챔버(719) 안으로 수용(受容)하는 개구(718)를 구비한다.

유체가 수용되는 격막(712)의 측면과 다른 측면에는 전극(720)이 있다. 전극(720)은 전도성 재료로 제조될 수 있으며, 또는 더 바람직하게는 그 표면에 전도성 필름(726)이 형성되어 이것이 격막(712)과 대면하도록 되어 있는 세라믹 원반 등의 유전체 원반을 포함한다. 전극(720)은 지지 포스트(722)에 연결되는데, 이 포스트는 세라믹으로 제조되는 것이 바람직하며, 하우징 부재(714)에 있는 개구(724)에 이르기까지 연장한다.

또한, 도 20을 참조하면, 하우징 부재(714)는 허브(728)와 복수 개의 스포크(730)를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, 하우징 부재(714)는 선택적으로 허브(728) 대신에 개구를 구비하는 거의 중실형인 전극 마운트를 포함할 수 있다. 로드(722)는 허브(728)의 중심에 있는 개구(724) 안으로 연장한다. 로드(722)는 패스너, 접착제 또는 그 밖의 접합 재료로 허브에 부착될 수 있다. 전기 리드선(732)은 스포크(730) 사이에서 전극(720)까지 연장하여 전도성 필름에 전기 신호를 제공한다. 선택적으로, 리드선(732)은 로드(722)를 통해 연장하거나 중실형 전극 마운트 부재에 있는 개구를 통해 연장할 수 있다.

도 19에 도시된 바와 같은 본 발명의 양태에 따른 제1 실시예에서는, 열팽창 계수(TCE)가 낮은 플러그(736)가 개구(724)에서 하우징 부재(714)에 견고히 연결된다. 이 플러그(736)는 하우징에 비하여 열팽창 계수가 낮은 것이 바람직하다. 이 플러그(736)는 로드(722)에 비하여 열팽창 계수가 더 낮거나 같다. 플러그(736)는 여러 가지 다른 형상을 가질 수도 있다. 여기에 도시된 바와 같이, 플러그(736)는 대직경부와 소직경부를 구비하여, 하우징 부재(714)에 놓이는 숄더를 형성한다. 플러그(736)는 유리가 입혀지거나, 용접되거나, 가열끼워맞춤(shrink fit) 또는 정위치에 견고히 고정시키기 위한 그 밖의 방법에 의해 하우징 부재(714)에 견고히 연결된다.

간략히 말하면, 플러그(736)는 일반적인 제조 및 작동 조건하에서 더 정확한 간극 조절을 가능케 한다. 압력 변환기가 받는 온도가 변화하여 센서가 가열 및 냉각될 때, 열팽창 계수가 낮은 플러그(736)는 하우징(714)에 비해 안정적으로 유지된다. 일반적으로 센서가 냉각될 때, 플러그(736)는 선(738)으로 나타내어진 바와 같은 하우징의 안쪽을 향하는 반경방향 움직임을 방지하고, 포스트(722)가 하우징(714)에 연결되는 곳에서 발생되는 모멘트에 반대 방향인 모멘트를 발생시킨다.

도 21 및 도 21a에는 본 발명의 다른 실시예(701, 702)가 도시되어 있다. 도 22b는 압력 변환기(702)의 일부(703)를 보여주는 것으로, 플러그(753) 등과 같은 저 열팽창 계수 플러그가 없는 경우 온도 변화의 영향을 예시하기 위하여 도시되었다. 설명된 바와 같이, 제조 중에, 예컨대 제조용 고정구 상에 전극(720)과 로드(722)를 세팅하고, 포스트(722)를 하우징(714)에 삽입한 후, 450℃ 정도의 온도에서 접합시켜 상기 포스트를 하우징에 견고히 부착시킴으로써 간극이 설정될 수 있다. 압력 변환기는 제조 공정 이후에 냉각되므로, 하우징(715)과, 전극(744) 및 포스트(742)를 포함하는 모놀리식 T-형 조립체(741) 등의 압력 변환기의 부분들은 수축한다. 하우징(715), 전극(744) 및 포스트(742)는 각각의 열팽창 계수와 그 밖의 특성에 따라 서로 다른 속도로 냉각 및 수축한다. 특히, 하우징(715)은 금속이고 전극(744) 및 포스트(742)는 세라믹인 경우, 열팽창 계수가 더 큰 하우징(715)은 대개 전극(744) 및 포스트(742)에 비해 더 빠르게 냉각 및 수축한다. 일반적으로, 하우징(715)은 포스트(742) 주위에서 화살표(770)로 지시된 방향을 따라 안쪽을 향해 수축할 것이다. 하우징(715)은 개구의 직경이 포스트(742)의 직경보다 더 작게 되는 위치까지 수축하려고 한다. 개구의 직경이 포스트(742)의 직경과 동일한 위치까지 하우징(715)이 수축한다면, 포스트(742)의 존재로 인해 더 이상의 수축은 방지된다. 포스트(742)의 강성으로 인해, 이러한 수축은 포스트(742)가 고정되어 있는 하우징 부재(715)에 화살표(772)로 지시된 방향을 따라 바깥쪽을 향해 압력을 가할 것이다. 이러한 변형에 반응하여, 하우징 부재(715)가 구부러지며, 상부 부분은 아래로 휘고, 하우징(715)의 외벽은 화살표(774)로 지시되고 예시된 바와 같이 격막에 인접한 부분 주위에서 바깥쪽으로 구부러질 것이다. 압력 변환기(702)는 정상 상태인 통상의 상태로 복귀될 것이지만, 이러한 변화는 전극(744)의 위치를 이동시키고, 완성된 압력 변환기(702)에 있어서 공칭 간극의 크기를 변하게 하여, 부정확한 압력 측정구가 될 것이다.

플러그(753) 등과 같은 저 열팽창 계수 부재는 이러한 경향을 상쇄시킨다. 플러그(753)는 하우징(715) 또는 포스트(742)에 비해 열팽창 계수가 낮다. 플러그(753)는 하우징 또는 포스트 보다 서서히 수축한다. 플러그(753)는 하우징(715)이 방향(770)으로 안쪽을 향해 수축하는 것을 상쇄시킨다. 특히, 플러 그(753)는 화살표(776)로 지시된 방향으로 바깥쪽을 향해 외력을 가하여, 하우징(715)이 안쪽으로 구부러지는 것을 방지한다. 하우징의 뒤틀림이 감소되기 때문에, 플러그(753)는 전극의 위치 설정에 도움을 주며, 완성된 변환기(702)에 있어서 공칭 간극의 정확성을 향상시킨다. 제조 공정 중에 온도의 변화가 간극에 미치는 영향은 작동 중에 온도의 변화가 미치는 영향을 예측하는 데 쓰이는 것으로, 이 둘은 서로 관련이 있다. 이러한 영향을 제어함으로써 제조 파라메타이자 작동 파라메타인 센서의 정확성이 개선된다.

도 20을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서는 저 열팽창 계수 재료의 스트립(740)이 스포크(730)에 견고히 연결된다. 스트립(740)은 실질적으로 스포크(730)의 길이를 따라 연장하며 이 스포크에 용접될 수 있다. 금속은 예컨대 코바일 수 있다. 스트립(740)은 금속으로 제조되어, 바이메탈 스포크를 형성하는 것이 바람직하다. 이들 스트립(740)은 도 19, 도 21, 도 22a 및 도 22b에 도시된 플러그와 유사한 목적으로 이용할 수 있다.

따라서, 하우징 부재(714)는 실질적으로 격막(712)에 평행한 평면에 놓이는 부분[허브(728) 및 3개의 스포크(730)]과 환형 부분을 구비한다. 열팽창 계수가 낮은 부재[바람직하게는 하우징 부재(714)의 TCE보다 낮으며, 더 바람직하게는 원반(720)을 제조하는 데 사용되는 유전성 재료의 TCE보다 낮음]는 격막(712)으로부터 떨어져 대면하는 측에 있는 하우징 부재(714)의 부분에 있다.

일부 부재는 도 19 및 도 20의 것이 다시 사용되고 있는 도 21을 참조하면, 변형예(701)는 모놀리식 포스트 부분(742)과 원반 부분(744)을 포함하는 일체형 부 재(740)의 하부측에 금속 필름으로 형성된 전극을 포함한다. 포스트 부분(742)은 하우징(714)의 개구(750)에서 유리 밀봉(748)을 이용하여 하우징(714)에 견고히 연결된다. 원반 부분(744)은 포스트 부분(742)과 원반 부분(744)이 만나는 곳에 형성된 홈(746)을 구비한다. 포스트 부분(742)의 외경과 유사한 내경을 갖는 홈(746)은 디스트 부분(744)을 평탄하게 유지하는 데 도움을 주는 스트레인 릴리프 채널(strain relief channel)의 역할을 한다.

개구(750)의 상단부에는 전술한 바와 같은 저 열팽창 계수의 재료로 제조된 플러그(752)가 있다. 여기에 도시된 바와 같이, 플러그(752)는 그 축선을 따라 구멍이 있는 원통형 고리와 같은 형상(와셔와 유사함)이며, 하우징(714)의 숄더(754)에 놓인다. 플러그(752)는 유리 접합부 또는 그 밖의 접합 기구에 의해 고정될 수 있다. 압력을 설정하고 진공 상태를 이끌어 내기 위한 개구(756)와, 전극에 대해 전기적으로 접속시키기 위한 고정구(758)와 그리고 개구(756)를 봉쇄한 후 공기로부터 수소 등의 특정 분자를 제거하기 위한 게터 캐니스터(getter canister)(760) 등의 공지되어 있는 복수 개의 추가 아이템이 도시되어 있다.

도 22는 본 발명에 따라 구성된 압력 센서의 또 다른 실시예(702)를 예시한다. 압력 센서(702)는 장치의 하우징에 전극 마운트 부분을 통합시켜, 도 19 및 도 21에 도시된 하우징 부재(714)와 같이 별도의 덮개를 필요로 하지 않는 제1 일체형 하우징 부재(715)를 포함한다. 전극(741)은 포스트 부분(742)과 원반 부분(744)을 포함한다. 전극(741)의 포스트 부분(742)은 그 중심부에서 제1 일체형 하우징 부재(715)에 결합된다. 포스트 부분(742)은 하우징 부재(715)의 하부면 에 있는 리세스 안으로 연장한다. 선택적으로, 전극(741)은 원반 부분(744)에서 변형을 감소시키 위해 홈[예컨대, 도 21에 도시된 바와 같은 홈(741)]을 포함한다. 포스트 부분은 유리 플러그(748)에 의해 하우징 부재(715)에 고정될 수 있다. 저 열팽창 계수 플러그(753)는 센서(702)의 부분들의 상대적인 위치 설정에 있어서 온도의 변동으로 인한 과도적 변화를 감소시킨다. 저 열팽창 계수 플러그(753)는 하우징 부재(715)의 상부면, 즉 격막(712)으로부터 멀리 떨어져 있는 측면에서 전극(741)의 포스트 부분(742)을 유지하고 있는 리세스에 대향하게 배치된다. 저 열팽창 계수 플러그(753)는 원형 또는 환형인 것이 바람직하다. 저 열팽창 계수 플러그(753)는 전극(741)의 포스트 부분(742)용 플러그(748)와 유사한 유리 플러그(755)를 매개로 하여 하우징 부재(715)에 고정될 수 있다. 저 열팽창 계수 플러그(753)는 전술한 바와 같이 하우징(715)의 반경방향으로 안쪽을 향한 움직임에 대항한다. 제1 하우징 부재(715)는 전극(741)에 배치된 각각의 도체에 대한 피드스루(758)를 포함한다. 피드스루(758)는 유리 또는 그 밖의 절연성 재료(759)에 의해 하우징(715)으로부터 절연된다. 전극 접합부용 유리 플러그(748, 755, 759), 저 열팽창 계수 부재 및 피드스루는 제조 공정 중에 거의 동시에 형성된다.

저 열팽창 계수 플러그(736, 752, 753) 및 스트립(740)은, 예컨대 알루미나 또는 규산 망간(포스터라이트) 등의 세라믹이나, 철, 니켈 및 코발트의 합금(코바) 등의 저 열팽창 계수의 재료로 만들어질 수 있다. 이들 물질의 열팽창 계수 값을 보면 알루미나는 74, 규산 망간은 100 그리고 코바는 50 내지 60 이다(모든 TCE 값 은 10^-7/℃으로 표현된 것임). 하우징용으로 유용한 인코넬의 TCE는 131이다. 저 열팽창 계수 부재를 포함하는 압력 센서는 10 밀리토르 정도의 낮은 압력에서 작동할 수도 있다. 플러그(736, 752, 753) 또는 스트립(740)은 그것 단독의 본질적인 기능으로 축방향 팽창을 감소시킨다.

본 발명의 실시예를 설명함으로써, 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 수정예가 만들어질 수 있다는 것은 명백하다. 본원에 포함된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 전술한 장치에 소정의 변화를 줄 수 있으므로, 전술한 설명에 포함되었고 첨부 도면에 도시되어 있는 모든 내용은 예시적인 것이며 정신을 제한하는 것이 아닌 것으로 해석되어야 한다. 본원에 개시된 용량성 압력 변환기는 원형 대칭성인 것으로 설명되었지만, 원형 대칭성이 본 발명의 제한 조건은 아니다. 본원에 설명된 여러 가지 모양은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 변화될 수 있다. 전도성 플레이트들은 서로 다른 형상을 가질 수 있으며, 그 윤곽은 서로 상응할 필요가 없다. 전극은 하우징에 대해 또는 서로에 대해 동심적으로 배치될 필요가 없다. 제2 전극은 제1 전극을 둘러쌀 필요가 없다. 예컨대, 2개의 반원형 전극이 병렬 배치될 수 있다. 피드스루를 통하여 전도성 플레이트를 회로에 전기적으로 접속시키는 전도성 와이어는, 전극의 전도성 지지부를 경유하기보다는 스포크 사이의 공간을 통과하여 전도성 플레이트에 직접 접할 수 있다. 본 발명의 어떤 양태에서는 전극을 부착하는 바람직한 방법으로서 유전체 플러그를 설명하고 있지만, 전극은 예컨대 접착제에 의해 허브에 접합될 수 도 있다. 또한, 전도성 플레이트는 P_r 보디의 하부면과 동일 평면상에 있을 필요가 없다. 예컨대, P_r 보디는 P_r 보디의 모놀리식 형성에서 스페이서를 포함할 수 있다. 선택적인 설계 옵션의 특정예가 본원에 개시되어 있지만, 이 예들은 예로서 주어진 것이며 완전한 것은 아니다.

Claims (27)

1. 삭제
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7. 삭제
8. 삭제
9. (a) 내부 공동을 형성하는 보디와;

   (b) 상기 보디에 설치되어 상기 내부 공동을 제1 챔버와 제2 챔버로 구획하는 격막으로서, 상기 격막의 일부분이 제2 챔버의 압력보다 더 높은 제1 챔버의 압력에 반응하여 제1 방향으로 휘고, 제1 챔버의 압력보다 더 높은 제2 챔버의 압력에 반응하여 제1 방향의 반대방향인 제2 방향으로 휘는 것인 격막과;

   (c) 상기 보디로부터 상기 제1 챔버 안으로 연장되고, 이 제1 챔버에 개구를 형성하는 전극 마운트와;

   (d) 제1 전도성 플레이트와 제1 지지부를 구비하며 이들 모두 금속제인 제1 전극과;

   (e) 제2 전도성 플레이트와 제2 지지부를 구비하며 이들 모두 금속제인 제2 전극과;

   (f) 상기 개구에 적어도 부분적으로 배치되며, 상기 제1 전극 및 제2 전극을 상기 전극 마운트에 접합시키는 유전체

   를 포함하는 것인 압력 변환기 조립체.
10. 제9항에 있어서, 상기 유전체는 제1 유전체 부분과 제2 유전체 부분을 구비하고, 상기 제1 유전체 부분은 제1 전극을 제2 전극에 유지시키며, 상기 제2 유전체 부분은 제2 전극을 전극 마운트에 유지시키는 것인 압력 변환기 조립체.
11. 제10항에 있어서, 상기 제1 유전체 부분은 제1 내부 개구를 형성하고, 상기 제1 지지부는 상기 제1 내부 개구 안으로 연장되며, 상기 제2 유전체 부분은 제2 내부 개구를 형성하고, 상기 제2 지지부는 상기 제2 내부 개구 안으로 연장되는 것 인 압력 변환기 조립체.
12. 제9항에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극을 포위하는 것인 압력 변환기 조립체.
13. 제12항에 있어서, 상기 제2 전도성 플레이트는 상기 제1 전도성 플레이트를 포위하는 것인 압력 변환기 조립체.
14. 제13항에 있어서, 상기 제2 전도성 플레이트는 환형이고, 상기 제1 전도성 플레이트는 원형인 것인 압력 변환기 조립체.
15. 제14항에 있어서, 상기 격막에 인접한 상기 제2 전도성 플레이트의 표면과, 상기 격막에 인접한 상기 제1 전도성 플레이트의 표면이 실질적으로 동일 평면 상에 있는 것인 압력 변환기 조립체.
16. 제12항에 있어서, 상기 제2 지지부는 관형 부분을 구비하는 것인 압력 변환기 조립체.
17. 제16항에 있어서, 상기 관형 부분은 상기 개구 안으로 연장되고, 상기 제1 지지부는 상기 개구 안으로 연장되어 상기 제2 지지부의 관형 부분에 배치되며, 상 기 유전체는 제1 지지부와 제2 지지부 사이에 배치되고 상기 개구에서는 제2 지지부와 마운트 사이에 배치되는 것인 압력 변환기 조립체.
18. 제9항에 있어서, 상기 격막에 인접한 상기 제1 전도성 플레이트의 표면과, 상기 격막에 인접한 상기 제2 전도성 플레이트의 표면이 동일 평면 상에 있는 것인 압력 변환기 조립체.
19. 제18항에 있어서, 상기 격막에 인접한 제1 및 제2 전도성 플레이트의 표면은 상기 보디의 하부면과 동일 평면 상에 있는 것인 압력 변환기 조립체.
20. 제19항에 있어서, 상기 보디의 하부면과 상기 격막 사이에 배치되는 환형 스페이서를 더 포함하는 것인 압력 변환기 조립체.
21. 제9항에 있어서, 상기 제1 지지부는 제1 전도성 플레이트와 동일한 재료로 형성되고, 상기 제2 지지부는 상기 제2 전도성 플레이트와 동일한 재료로 형성되는 것인 압력 변환기 조립체.
22. 제9항에 있어서, 상기 보디, 제1 지지부, 및 제2 지지부는 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는 것인 압력 변환기 조립체.
23. (a) 내부 공동을 형성하는 보디와;

    (b) 상기 보디에 설치되어 상기 내부 공동을 제1 챔버와 제2 챔버로 구획하는 격막으로서, 상기 격막의 일부분이 제2 챔버의 압력보다 더 높은 제1 챔버의 압력에 반응하여 제1 방향으로 휘고, 제1 챔버의 압력보다 더 높은 제2 챔버의 압력에 반응하여 제1 방향의 반대방향인 제2 방향으로 휘는 것인 격막과;

    (d) 제1 전도성 플레이트와 제1 지지부를 구비하며 이들 모두 금속제인 제1 전극과;

    (e) 제2 전도성 플레이트와 제2 지지부를 구비하며 이들 모두 금속제인 제2 전극으로서, 상기 제2 지지부는 관형 부분이고, 제2 전도성 플레이트는 개구를 형성하며, 상기 관형 부분 내에 제1 지지부가 배치되고, 상기 개구 내에 제1 전도성 플레이트가 배치되는 것인 제2 전극과;

    (f) 상기 제1 전극 및 제2 전극을 상기 보디에 고정시키는 유전체

    를 포함하는 것인 압력 변환기 조립체.
24. 제23항에 있어서, 상기 격막에 인접한 상기 제1 전도성 플레이트의 표면과, 상기 격막에 인접한 상기 제2 전도성 플레이트의 표면이 동일 평면 상에 있는 것인 압력 변환기 조립체.
25. 제24항에 있어서, 상기 격막에 인접한 제1 및 제2 전도성 플레이트의 표면은 상기 보디의 하부면과 실질적으로 동일 평면 상에 있는 것인 압력 변환기 조립체.
26. 제25항에 있어서, 상기 보디의 하부면과 상기 격막 사이에 배치되는 환형 스페이서를 더 포함하는 것인 압력 변환기 조립체.
27. 삭제

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