KR101588725B1 - 압력 센서 - Google Patents

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KR101588725B1
KR101588725B1 KR1020147012582A KR20147012582A KR101588725B1 KR 101588725 B1 KR101588725 B1 KR 101588725B1 KR 1020147012582 A KR1020147012582 A KR 1020147012582A KR 20147012582 A KR20147012582 A KR 20147012582A KR 101588725 B1 KR101588725 B1 KR 101588725B1
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스티븐 디. 블랭큰쉽
폴 디. 루카스
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엠케이에스 인스트루먼츠, 인코포레이티드
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Abstract

용량 압력계에서 내부 용량성 전극과 외부 용량성 전극 사이에 하나 이상의 반응 가스가 도입되어 양의 구부러짐 및 음의 구부러짐의 에러-유도 측정 효과가 상쇄화되거나 최소화된다. 또한, 가드 구조체는 용량 압력계의 전극 구조체에 사용될 수 있다. 가드 구조체는 다이어프램으로의 가스의 확산에 상대적으로 민감하지 않은 영역을 제공하고, 또한 결과적으로 변경하는 곡률, 신장, 곡률 및 편향을 제공하며, 따라서 압력계의 제로 판독(zero reading) 및/또는 압력 판독(pressure reading)의 안정성이 향상되거나 최적으로 된다. 가드는 또한 전극들의 정전기 격리를 제공할 수 있다.

Description

압력 센서{PRESSURE SENSOR}
본 출원은 2011년 10월 11일 출원된 가출원 No. 61/545,790에 대한 우선권을 주장하는 바이며, 상기 문헌의 전체 내용은 원용되어 본 명세서에 포함된다.
본 개시는 일반적으로 용량성 압력 센서에 관한 것이며, 특히 매우 낮은 (진공) 압력으로 압력을 매우 정교하고 정확하게 측정할 수 있는 개량 센서에 관한 것이다.
압력 트랜스듀서는 다양한 애플리케이션에 적용될 수 있다. 이러한 트랜스듀서 중 하나가 가스, 증기 또는 그외 액체의 압력을 매우 정교하고 정확하게 측정할 수 있는 압력계(manometer)이다. 애플리케이션은 프로세스 및 반도체 프로세스 제어에 기반한 정밀한 진공 제어를 포함한다. 예로는 반도체 식각 프로세스 및 물리적 진공 증착을 들 수 있다.
용량성 압력계는 통상적으로 (a) 전극 구조를 형성하거나 포함하는 연성의 다이어프램 및 (b) 이 다이어프램과 공간을 두고서 위치하여 이 다이어프램과의 캐패시턴스를 구성하는 고정 전극 구조체를 사용한다. 다이어프램의 한쪽에서의 압력과 다이어프램의 다른 쪽에서의 압력 간의 변동으로 다이어프램이 구부러지고 이에 따라 다이어프램의 전극 구조체와 고정 전극 구조체 간의 캐패시턴스가 이 차동 압력의 함수에 따라 가변한다. 통상적으로, 다이어프램의 한쪽 상의 가스 또는 증기는 측정될 압력(Px)에 있고, 다이어프램의 다른 쪽 상의 가스 또는 증기는 공지의 참조 압력(Pr)에 있으며, 후자는 대기 또는 약간의 고정된 높거나 낮은 (진공) 압력에 있으며, 이에 따라 다이어프램의 측정 측 상의 압력은 캐패시턴스 측의 함수로서 결정될 수 있다.
극히 낮은 압력 (높은 진공)을 요구하는 많은 애플리케이션이 개발되어 왔고 계속해서 개발되고 있는바 이러한 저압을 측정할 수 있는 용량성 압력계가 필요하게 되었다. 그렇지만, 저압에서 매우 정밀하고 정확한 압력 측정을 제공하는 용량성 압력계의 감도가 증가하면서 몇 가지 설계상의 난관에 부딪힌다. 극히 낮은 압력 (높은 진공)을 측정하기 위해, 작은 압력 변화도 검출할 수 있도록, 용량성 압력계는 통상적으로 연성의 다이어프램과 고정 전극 구조체("전극 갭") 간의 매우 좁은 갭을 필요로 한다.
매우 좁은 전극 갭을 사용할 때의 단점은 다이어프램 양단의 차등 압력의 측정과 관련 없는 전극 갭의 형상의 작은 변화도 검출된다는 점이다. 전극 갭 형상에 대한 이러한 불리한 변화 중 하나는, 가스 분자 또는 원자의 다이어프램의 표면으로의 확산과 같은, 프로세스와 관련된 화학 반응에 의한 다이어프램의 형상의 변화이다. 캐패시턴스 측정은 평행 플레이트 캐패시턴스 C에 대한 잘 알려진 식에 기반하고 있다:
C = ereoAs (식 1)
여기서, C는 2개의 평행 플레이트 간의 캐패시턴스이고,
eo는 자유 공간의 유전율이고,
er은 플레이트 간의 재료의 상대적 유전율이며(예를 들어, er=1),
A는 플레이트 간의 공통 영역이며,
s는 플레이트 간의 공간이다.
이 식에 기초해서, 캐패시턴스에서의 작은 변화는 각각의 측정 전극에 대한 전극 갭 공간에서의 작은 음의 변화임을 도출할 수 있다(ΔC/C = -ΔS/S).
각각의 측정 전극의 캐패시턴스에 대해 안정한 제어를 제공하기 위해서는 전극 갭 공간에 대해 양호한 제어를 유지하는 것이 중요하다는 것을 쉽게 알 수 있다. 간단한 이중 전극 설계에서, 이러한 효과는 임의의 개수의 공통으로 사용된 브리지 설계(예를 들어, 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridege) 등)와 같은 주어진 전기적 측정 기술 및/또는 다른 전기적 측정 방법에 있어서 평평한 다이어프램 및 전극 구조체(각각은 실제의 평면으로부터의 편평도 및 경사 편차의 상이한 실제 값을 가진다)에 대한 제로 차등 압력에서 1차 순서(first order)에 대해 균형을 이룬다. 센서는 극히 낮은 압력을 측정하도록 구성되어 있으므로, 안정한 전극 갭을 구성함이 없이 전극들의 균형을 맞추는 것은 최저 압력의 안정한 검출을 달성하기 위해 적절하게 낮은 레벨로 압력 측정의 불확실성을 감소하기에 충분하지 않다.
용량성 압력계는 고정 전극 구조체와 다이어프램 압력 저항 소자 간의 변위를 검출하도록 설계되어 있으므로, 오차의 원인 중 하나는 (전극 갭에 영향을 주기 때문에) 다이어프램의 형상 및 위치에서의 임의의 변화와 관련 있으며, 이는 압력과 관련 없는 센서 출력에서의 변화를 일으킬 수 있다.
도 1은 종래기술의 용량 압력계(100)의 일부에 대한 관점 A 및 관점 B 각각에서의 측면도 및 평면도이다. 장치는 전극 구조체(104)로부터 떨어져 있는 다이어프램(102)을 포함한다. 전극 구조체(104)는 갭(110)에 의해 분리되어 있는 내부 전극(106) 및 외부 전극(108)을 포함한다. 관점 B에 도시된 바와 같이, 전극들은 원형의 구성을 가질 수 있다. 다이어프램(102)의 양쪽 상의 전압 간에 압력차가 존재하면, 다이어프램은 다른 위치(102')로 도시된 바와 같이 편향하게 된다.
도 2는 종래기술의 다른 용량 압력계(200)의 일부에 대한 관점 A 및 관점 B 각각에서의 측면도 및 단면도이다. 장치는 도 1에 도시된 것과 유사하며 다이어프램(202)이 전극 구조체(204)로부터 떨어져 있는 하우징(201)을 포함한다. 전극 구조체(204)는 갭(210)에 의해 분리되어 있는 내부 전극(206) 및 외부 전극(208)을 포함한다. 하우징은 다이어프램(202)에 인접하는 영역으로 가스를 허용하기 위한 입구(212)를 포함한다. 배플(214)은 다이어프램(202)에 인접하는 영역으로 가스의 진입을 제어하기 위해 제공된다. 관점 B에 도시된 바와 같이, 배플은 복수의 테더(tether)에 의해 하우징(201)에 고정될 수 있다. 배플(214)은 내부에 특징이 없는 고체 형상을 가진다. 동작 시, 입구(212)로부터의 가스는 먼저 배플(214) 주위로 가고 다이어프램(202)의 외측 가장자리에 도달한다. 그런 다음 가스는 다이어프램(202)의 중심으로 확산한다.
도 3은 종래기술의 또 다른 용량 압력계(300)의 일부에 대한 관점 A, 관점 B, 및 관점 C 각각에서의 측면도 및 단면도들이다. 장치는 도 2에 도시된 것과 유사하며 다이어프램(302)이 전극 구조체(304)로부터 떨어져 있는 하우징(301)을 포함한다. 전극 구조체(304)는 갭(310)에 의해 분리되어 있는 내부 전극(306) 및 외부 전극(308)을 포함한다. 하우징(301)은 다이어프램(302)에 인접하는 영역으로 가스를 허용하기 위한 입구(312)를 포함한다. 배플(314)은 다이어프램(302)에 인접하는 영역으로 가스의 진입을 제어하기 위해 제공된다. 관점 B에 도시된 바와 같이, 배플은 복수의 애퍼처(316)를 포함하며, 이 복수의 애퍼처는 배플(314) 모두에 또는 대부분에 일정한 분배 방식으로 분배된다. 관점 C는 애퍼처(316)가 배플(314) 모두에 또는 대부분에 일정하게 방사상으로 분배되어 있는, 배플의 다른 구성을 도시한다.
미국특허 Nos. 7757563; 7706995; 7624643; 7451654; 7389697; 7316163; 7284439; 7201057; 7155803; 7137301; 7000479; 6,993,973, 6909975; 6,901,808, 6735845; 6672171; 6568274; 6,443,015, 6105436; 6029525; 5965821; 5942692; 5932332; 5911162; 5808206; 5625152; 5,271,277; 4,823,603; 4785669 및 4,499,773; 및 미국특허공보 Nos. 20090255342; 20070023140; 20060070447; 20060000289; 20050262946; 20040211262; 20040099061을 참조하며, 상기 문헌 모두는 본 발명의 양수인에게 양도되었으며; 상기 특허출원 및 특허공보 모두의 전체 내용은 본 명세서에 원용되어 포함된다.
이러한 종래기술의 압력계는 그 의도된 목적에 적절할 수도 있으나, 특히 불소 등과 같은 반응 가스와 함께 사용될 때, 일시적인 측정 오차 경향이 덜 있을 수 없다.
본 발명의 관점들은 압력이 아닌 다른 영향으로 인한 용량 압력계 내에서 또는 용량 압력계에 대한 일시적인 다이어프램 변형의 측정을 감소 및/또는 차단할 수 있는 배플 및/또는 전극 구조체를 제공함으로써 위에서 언급한 문제들을 해결한다.
본 개시의 한 관점에 따르면, 용량성 압력계 또는 용량성 압력계의 어셈블리는:
(a) 전도성 재료를 포함하는 다이어프램(diaphragm) 및 (b) 서로 분리되어 있는 내부 (또는, 중심) 전극 및 외부 전극을 포함하는 전극 구조체로서, (ⅰ) 상기 다이어프램의 각각의 측면 상의 압력이 동일할 때의 제로 위치와 (ⅱ) 상기 다이어프램에 최대 측정 가능 차동 압력(differential pressure)이 가해질 때의 최대 차동 위치 사이에서 상기 다이어프램이 상기 전극 구조체에 대해 이동 가능한, 상기 전극 구조체, 및
(b) 상기 다이어프램에 인접한 영역으로 가스를 허용하도록 구성되어 있는 하나 이상의 애퍼처를 가지며, 센서의 출력 상에서의 압력이 아닌 다른 영향으로 인한 다이어프램의 표면 변형의 효과를 최소화하는 배플(baffle)
을 포함한다. 다이어프램, 전극 구조체, 및 배플은 적절한 하우징 내에 위치할 수 있다.
본 개시의 다른 관점에 따르면, 용량성 압력계 또는 용량성 압력계의 어셈블리는:
(a) 전도성 재료를 포함하는 다이어프램 및 (b) 내부 (또는, 중심) 전극, 외부 전극 및 상기 내부 전극과 상기 외부 전극 사이에 배치된 가드 구조체(guard structure)를 포함하는 전극 구조체로서, (ⅰ) 상기 다이어프램의 각각의 측면 상의 압력이 동일할 때의 제로 위치와 (ⅱ) 상기 다이어프램에 최대 측정 가능 차동 압력이 가해질 때의 최대 차동 위치 사이에서 상기 다이어프램이 상기 전극 구조체에 대해 이동 가능한, 상기 전극 구조체, 및
상기 다이어프램에 인접한 영역으로 가스를 허용하도록 구성되어 있는 하나 이상의 애퍼처를 가지고 상기 가드와 관련해서 전략적으로 위치하며, 센서의 출력 상에서의 압력이 아닌 다른 영향으로 인한 다이어프램의 표면 변형의 효과를 더 최소화하는 배플
을 포함한다. 다이어프램, 전극 구조체, 및 배플은 적절한 하우징 내에 위치할 수 있다.
예시적 실시예는 용량성 압력계 또는 압력 센서를 위해 제공할 수 있으며, 여기서 센서 입구의 구성(예를 들어, 형상, 특징의 위치, 및/또는 표면 마감 및 처리 등) 및 배플 내의 슬롯(들)은, 시간 및 효과에서, 센서로 들어와서 다이어프램과 반응하는 반응 가스로 인한, 내부 전극 및 외부 전극에 대한 유해한 효과들이 균형이 이룰 수 있게 하거나 균형을 이루는 것을 용이하게 한다.
이러한 것뿐만 아니라 다른 구성요소, 단계, 특징, 이점 및 장점은 예시적 실시예, 첨부된 도면, 및 특허청구범위에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 자명하게 될 것이다.
도면은 도해적 실시예를 개시한다. 도면에서 모든 실시예를 설명하지는 않는다. 이러한 실시예 외에 또는 대신에 다른 실시예를 사용할 수도 있다. 분명할 수 있거나 불필요할 수도 있는 설명은 공간을 절약하기 위해 또는 설명을 더 효과적으로 하기 위해 생략될 수도 있다. 역으로, 일부의 실시예는 개시된 모든 상세한 설명 없이도 실시될 수 있다. 상이한 도면들 내의 동일한 도면 부호는 유사한 또는 동일한 구성요소나 단계를 나타낸다.
이하의 상세한 설명을 첨부된 도면과 함께 이해하면 본 발명의 관점을 더 잘 이해할 수 있을 것이며, 이러한 설명은 본질적으로 제한으로서 아닌 도해에 관한 것이다. 도면은 반드시 축척대로 도시되어 있지 않으며 대신 본 발명의 원리에 대해서는 강조를 하게 될 것이다.
도 1은 종래기술의 용량 압력계의 일부에 대한 평면도 및 측면도이다.
도 2는 종래기술의 다른 용량 압력계의 일부에 대한 측면도 및 단면도들이다.
도 3은 종래기술의 또 다른 용량 압력계의 일부에 대한 측면도 및 다른 단면도이다.
도 4는 2개의 시점(A, B)을 도시하며, 종래기술의 용량 압력계의 전극 구조체 및 다이어프램을 포함하고, 다른 시간에서(관점 A)의 다이어프램의 일시적인 변형 및 관련 측정 오차에 대한 그래프(관점 B)를 포함한다.
도 5는 본 발명에 따라, 다이어프램, 배플, 및 가드 구조체를 구비하는 전극 구조체를 포함하는 용량성 압력계 어셈블리의 일례의 측면도를 도시하는 도해도이다.
도 6은 본 발명에 따라, 다이어프램, 배플, 및 가드 구조체를 구비하는 전극 구조체를 포함하는 용량성 압력계 어셈블리의 다른 일례의 측면도 및 단면도를 도시하는 도해도이다.
도 7a는 본 발명에 따라, 용량 압력계의 전극 구조체 및 가드 구조체의 일례에 대한 평면도이다.
도 7b는 본 발명의 예시적 실시예에 따라, 용량 압력계의 전극 구조체 및 가드 구조체의 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따라, 용량 압력계에 대한 전극 구조체 및 가드 구조체의 다른 예에 대한 측면도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따라 용량 압력계 어셈블리의 전극 구조체 및 다이어프램에 대한 두 관점을 도시하며, 상이한 시간에서의 다이어프램의 일시적인 변형을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따라, 용량 압력계에 대한 전극 구조체 및 가드 구조체의 다른 예에 대한 측면도이다.
도 11은 본 발명에 따라, 용량 압력계에 대한 전극 구조체 및 가드 구조체의 다른 예에 대한 측면도이다.
도 12는 본 발명에 따라, 용량 압력계의 다른 예에 대한 절단 측면도이다.
특정한 실시예를 도면에서 나타내고 있으나, 당업자라면 도해된 실시예는 예시일 뿐이며 도시된 실시예의 변형뿐만 아니라 명세서에서 설명된 다른 실시예도 본 발명의 범위 내에서 계획 및 실행할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 관점은 컴퓨터 소프트웨어 프로그램을 포함하며, 정밀도가 향상되고 및/또는 압력 측정의 대한 정확도를 가지는 용량 압력계의 제공, 동작, 및/또는 제어를 용이하게 할 수 있는 장치, 시스템, 방법, 및 기술에 관한 것이다.
첨부된 도면과 관련해서 상세히 후술되는 바와 같이, 본 발명의 관점은 예를 들어, 하나 이상의 반응 가스와의 상호작용으로 인해 발생하는 것들과 같이, 압력이 아닌 다른 영향으로 인한 용량 압력계 내에서 또는 용량 압력계에 대한 일시적인 다이어프램 변형의 측정을 감소 및/또는 차단할 수 있는 배플 및/또는 전극 구조체를 제공함으로써 위에서 언급한 문제들을 해결한다.
도 4는 2개의 시점(A, B)을 도시하며, 종래기술의 용량 압력계의 전극 구조체 및 다이어프램을 포함하고, 다른 시간에서(관점 A)의 다이어프램의 일시적인 변형 및 관련 측정 오차에 대한 그래프(관점 B)를 포함한다. 관점 A에서, 다이어프램(402)은 전극 구조체(404)와 배플(410) 간에 위치하는 것으로 도시되어 있다. 전극 구조체(404)는 내부 전극(406) 및 외부 전극(407)을 포함하며, 이 두 전극은 편평한 표면 위에 위치하고 갭(408)에 의해 분리되어 있다. 중앙선(420)이 표시되어 있다. 배플(410)은 슬롯 또는 구멍(412)을 가지거나 인접하며, 이 구멍은 다이어프램(402)에 인접하는 영역으로 가스를 허용하도록 구성되어 있다. 도시된 바와 같이, 구멍(412)은 다이어프램(402)의 외부에 주변 근처에 방사상으로 위치한다. 압력계의 다른 특징, 예를 들어, 하우징, 입구(inlet) 등은 도면에 생략되어 있다.
동작 시, 반응 가스가 구멍(412)을 통해 다이어프램(402)에 인접하는 영역으로 들어오면, 구멍(412)에 인접하는 다이어프램의 표면은 시간 t=1 내지 t=9로 도시된 바와 같이, 시간이 지날수록 변형도가 변하는 것을 경험할 수 있다. 이러한 표면 변형은 반응 가스가 다이어프램의 표면으로의 확산을 야기할 수 있다. 이러한 반응 가스의 예로는 분자 또는 원자 불소, 육불화황(sulfur hexafluoride), 및 이러한 가스들을 함유하는 가스 혼합물을 들 수 있으나 이에 제한되지는 않는다. 물론 다른 반응 가스도 압력계 다이어프램에 대해 이러한 시간 경과에 따른 변형을 야기할 수 있고 본 발명은 이러한 반응 가스 중 임의의 또는 모든 가스를 해결하려는 것이다. 관점 A에서 도시된 바와 같이, 표면 변형이 다이어프램의 표면에 확산할 수 있고, 결국 정상-상태 상황에 이르게 된다.
계속해서 도 4를 참조하면, 관점 B는 관점 A에 도시된 압력계에 있어서 시간 t=1 내지 t=9로 도시된 고 진공 (저압)으로의 각각의 반응 가스 노출 및 후속의 배출(evacuation) 후에 판독하는 대응하는 제로-오차(zero-error)를 도시하고 있다. 진공 상태에서의 출력 신호가 도시되어 있다. 제로-오차에 대한 2개의 상이한 값은 e1 및 e2로 표시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 용량 압력계의 다이어프램이 반응 가스 또는 가스들에 노출되면, 가스 분자는 다이어프램의 분자 구조체로 확산할 수 있다. 이러한 확산은 가스가 도입된 영역에서 다이어프램의 표면 장력(예를 들어, 외부의 50 내지 100 Angstroms)을 변화시킬 수 있다. 이것은 다이어프램을 구부릴 수 있고, 이것은 차례로 압력계의 전극들에 의해 측정된 캐패시턴스에 영향을 미칠 수 있다. 그 결과, 이러한 캐패시턴스 변화는 압력 변화로서 나타날 수 있다. 이러한 변형은 일시적인 문제가 될 수 있는데, 그 시간 동안 가스가 초기에 다이어프램으로 도입되는 것이 나타나고, 다이어프램으로 확산한다. 가스가 다이어프램의 다른 부분으로 확산하게 되면, 추가의 확산은 일어나지 않는다. 또한, 가스가 다이어프램 표면 전체에 걸쳐 확산하면, 그 표면은 일정한 장력을 발생하게 되고, 더 일정한 형상으로 복귀하는데, 예를 들어, 제로 압력에서 편평하게 된다. 일시적인 측정 오차와 관련된 이러한 프로세스는 압력계가 사용되는 동안의 동작, 예를 들어, 반도체 장치 제조 등에 사용되는 것과 같은 식각 프로세스 및 물리적 증기 증착에 악영향을 미칠 수 있다.
전술한 바와 같은 이러한 일시적인 문제를 보상하기 위한 방법으로서, 본 발명의 관점은 용량 압력계의 전극 구조체를 위한 가드 구조체를 제공한다. 가드 구조체(또는 간단히 "가드")는 가스의 다이어프램으로의 확산에 상대적으로 민감하지 않은 하나 이상의 영역에 제공될 수 있으며; 이에 따라 다이어프램의 결과적으로 변경하는 곡률은 측정되지 않거나 더 낮은 등급으로 측정되며, 따라서 압력계의 제로 판독(zero reading) 및/또는 압력 판독(pressure reading)의 안정성이 향상되거나 최적으로 된다. 가드 구조체는 또한 2 이상의 전극의 정전기 격리를 제공한다.
전술한 일시적인 문제를 보상하기 위한 다른(또는 추가의) 방법으로서, 본 발명의 다른 관점은, 압력계의 관련 전극 구조체와 관련해서 소망의 위치 또는 위치들에 위치하는 배플의 영역 또는 영역들, 예를 들어 배플 슬롯(들)을 통해, 하나 이상의 반응 가스의 용량 압력계로의 도입을 제공하는 것이다. 예를 들어, 배플 슬롯 또는 슬롯들은, 가드 구조체 및/또는 내부 및 외부 용량성 전극들 간의 대응하는 가드 구역(guided zone) 또는 구역들에 인접하는(또는 직접적으로 통하는) 압력계 다이어프램의 영역 또는 영역들로 가스를 도입하도록 구성될 수 있으므로, 양의 구부러짐 또는 음의 구부러짐의 오차-유도 효과는 상쇄되거나 최소화된다. 가드 구역은 가드 구조체 및/또는 전극 간의 갭 또는 공간에 의해 형성된 전극의 영역일 수 있다. 다른 예에 있어서, 배플 슬롯 또는 슬롯들은 압력계의 전극 구조체의 하나 이상의 전극 또는 하나 이상의 가드에 인접하는 (또는 직접적으로 통하는) 압력계 다이어프램의 영역 또는 영역들로 가스를 도입하도록 구성될 수 있다. 배플 슬롯(들) 바로 아래에 있는 또는 인접하는 피크 다이어프램 곡률은 t=0 후에 즉시 획득될 수 있을 것으로 여겨지고, 그리고 나서 시간이 지나게 되면, 다이어프램 표면은 일정한 포화 상태로 접근하고; 그런 다음 다이어프램은 "길들여진다." 전술한 바와 같이, 다이어프램의 전체 표면이 포화 상태가 되면 더 이상 일시적인 문제는 없게 된다. 가스가 도입되는 영역의 특정한 패턴은 가스 입구의 기하학에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 센서의 중앙에 있는 튜브를 통해 들어오는 가스 입구는 전극 구조체의 한 구성과 함께 사용될 수 있는 반면, 다른 전극 기하학은 다른 입구 기하학에 이롭게 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라, 다이어프램, 배플, 및 가드 구조체를 구비하는 전극 구조체의 상세한 관점으로 용량성 압력계(또는 용량성 압력계 어셈블리)(500)의 일례의 측면도를 도시한다. 장치(500)는 전극 구조체(504)와 배플(514) 간에 위치하는 다이어프램(502)을 포함한다. 배플(514)은, 도시된 바와 같이, 가스를 다이어프램(502)에 인접하는 영역으로 허용하는 하나 이상의 애퍼처(516)를 가진다. 전극 구조체(504)는 내부 전극(506) 및 외부 전극(508)을 포함한다. 사용 중에, 다이어프램(502)은 내부 및 외부 전극에 대한 공통 전극을 형성한다(이것은 내부 및 외부 캐패시터를 효과적으로 형성할 수 있다). 다이어프램은 일부의 실시예에 있어서 공통 전극으로서 사용하기 위해 특정한 또는 전용의 구조체를 사용할 수 있다. 전극 및/또는 다이어프램은 회로(도시되지 않음) 일부로서 전기적으로 연결될 수 있는데, 예를 들어, 다이어프램(502)의 편향에 기초해서 캐패시턴스 측정에 적절한 브리지(bridge)를 형성한다. 적절한 전도성 재료가 전극으로 사용될 수 있는데, 예를 들어, 구리, 은, 및 이러한 것들을 포함하는 복합물이 사용될 수 있다. 예를 들어, 갭(512) 내에 도시된 바와 같이, 내부 전극(506)과 외부 전극(508) 간에는 가드 구조체 또는 가드(510)가 위치한다. 용량 압력계 어셈블리(500)는 또한 다이어프램(502)을 지지하기 위해 배치된 지지 구조체(도시되지 않음)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 다이어프램(502)(더 구체적으로는, 다이어프램(502)이 주변)은 전극 구조체(503)에 대해 제약된다. 하나의 배플이 압력계(500)에 도시되어 있으나, 일부의 실시예에서는 2 이상의 배플이 사용될 수 있다.
가드(510)는 전극 구조체의 구역 또는 영역을 형성하고 이 구역 또는 영역은 내부 전극(506)과 외부 전극(508)을 분리하고 캐패시턴스 측정에 기여하지 않는다. 가드(510) 및 애퍼처(516)는 가드(510) 및 애퍼처(516)가 대체로 중앙에 위치하고 서로에 대해 반대로 되도록 구성될 수 있다. 여기에 도시되고 설명된 바와 같은 다이어프램은 임의의 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 예시적 실시예에서는, 소위 초합금이 사용될 수 있다. 예로는 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬(Inconel), 와스팔로이(Waspaloy), 르네 합금(Rene alloy)(예를 들어, Rene 41, Rene 80, Rene 95, Rene 104), 헤인즈 합금(Haynes alloy), 인콜로이, MP98T, TMS 합금, 및 CMSX 단결정 합금을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일부의 다른 실시예에서, 적절한 스테인레스 강철 합금, 알루미늄, 또는 팔라듐 유리가 예를 들어, 다이어프램의 기준 측면 상에서 사용될 수 있다. 이해를 쉽게 할 수 있도록 하기 위해 전기적 연결을 간략하게 도시하고 있다.
도 5에 도시된 구조적 구성에 의해 다양한 이점이 제공될 수 있다. 예를 들어, 내부 전극(506)과 외부 전극(508) 간의 거리를 증가시킴으로써, 압력계(500)의 압력 감도를 증가시킬 수 있다. 추가의 예에서, 비활성 영역을 제공하는 가드(510)에 의해 캐패시턴스 측정과 관련해서, 장치는 애퍼처(516)에 인접하는 영역(즉, 들어오는 가스를 처음 수용하는 다이어프램의 영역)에서 비활성 영역을 제공하지 않으면 다이어프램의 일시적인 변형에 의해 생겼을 오차를 전부 무시하지는 않아도 대부분 효과적으로 무시한다. 가드(510)에 의해 초기의 순간 피크(peak transient)가 차폐되고 시간이 지남에 따라 전극 갭 공간 내의 변화가 대체로 내부 및 외부 전극(506 및 508)에 의해 균형을 이루기 때문에, 측정 오차는 완화될 수 있다. 물론, 가드(510)가 도 5에 도시되어 있으나, 대안의 실시예에서는, 가드(510)가 생략될 수 있고, 애퍼처(516)가 대략 또는 정확하게 갭(512)과 함께 중앙에 위치한다.
도 6은 본 발명에 따라, 다이어프램, 배플, 및 가드 구조체를 구비하는 전극 구조체를 포함하는 용량성 압력계(600)의 일부에 대한 측면도 및 단면도를 도시하는 도해도이다. 장치(600)는 다이어프램(602)이 전극 구조체(604)로부터 떨어져 있는 하우징(601)을 포함한다. 전극 구조체(604)는 가드(610)에 의해 분리되어 있는 내부 전극(606) 및 외부 전극(608)을 포함한다. 구조체는 도시된 바와 같이 원형의 구성을 가질 수 있다. 하우징(601)은 임의의 적절한 재료로 만들어질 수 있으며, 도시된 바와 같이, 입구(618)에 의한 가스 흐름(616)을 허용하도록 구성되는데, 가스가 다이어프램(602)에 인접하는 영역으로 허용되도록 구성된다. 하우징(601)은 또한 다이어프램(602)을 지지하도록 배치된 지지 구조체를 포함하거나 제공할 수 있으며 이에 따라 다이어프램(602)의 주변은 전극 구조체(604)에 대해 제약을 받게 된다. 다이어프램(602)에 인접하는 영역으로 가스가 진입하는 것을 제어하기 위해 배플(612)이 제공된다. 배플(612)은 가드(610)와 관련해서 전략적으로 위치하는 하나 이상의 애퍼처(614)를 포함한다. 예를 들어, 애퍼처(들)(614)의 정중선(midline)은 가드(610)의 정중선과 함께 중앙(또는, 다소 그 정도로)에 위치할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 구성에 의해 다이어프램(602)의 일시적인 표면 변형으로 인한 측정 오차를 용이하게 감소시킬 수 있다.
관점 A에서 도시된 섹션 A-A는 2개의 전극(606 및 608) 간에서 가드(610)의 영역이 비교적 넓은 용량성 센서(600)를 도시하고 있다. 관점 B1에서, 섹션 B-B는 가스가 가드(610)를 지나도록 허용하는 슬롯들로 이루어진 링(ring)을 가지는 배플(612)을 도시하고 있는 반면, 관점 B2에서, 섹션 B-B는 가스가 가드(610)를 지나도록 허용하는 원형의 애퍼처(614)의 링을 가지는 배플(612)을 도시하고 있다.
이전의 예에서는 원형으로 되어 있는 전극 및 가드 구조체를 설명하고 있으나, 이러한 구조체는 다른 형상, 예를 들어, 톱니형 또는 선형의 특징으로 되어 있는 형상을 가질 수 있고, 및/또는 소망의 구성으로 되어 있는 곡선형 특징을 가질 수도 있다. 도 7a는 본 발명에 따라, 용량 압력계를 위한 평활한 톱니형 특징을 가지는 전극 및 가드 구조체(700A)의 평면도이다. 전극 구조체(700A)는 내부 구조체(702A) 및 외부 구조체(704A)를 포함하며, 이 내부 구조체와 외부 구조체 사이에 가드(706A)가 위치한다. 내부 구조체(702A)의 주변은 소망하는 대로, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 평활한 톱니형 주변을 가지는 것으로 선택될 수 있다. 가드(706A)의 내부 주변은 도시된 바와 같이 상호형 방식으로 구성될 수 있다. 외부 전극(704A)의 내부 주변 및 가드(706A)의 외부 주변은 선택적으로 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 예시적 실시예에서, 외부 전극(704A)은 평활한 톱니형 특징을 가질 수 있거나 또는 사문 형상(serpentine shape)을 가질 수 있으며 이에 따라 용량 압력계가 만들어지는 방사상의 폭(또는 거리)을 증가시킬 수 있으며; 이러한 형상들은 다이어프램 곡률 및 편향의 변화로 인한 캐패시턴스의 변화를 겪고 있는 동안 내부 전극과 외부 전극 간의 각각의 시간의 균형을 용이하게 이룰 수 있다.
도 7a의 예와 유사한 다른 예는, 전도체의 주변, 예를 들어, 사문 형상을 가지는 외부 전극, 및 내부 전극과 외부 전극 간의 영역뿐만 아니라 위치, 예를 들어, 외부 전극의 방사상으로 외측에 있는 가드에서, 소망의 형상 또는 윤곽, 예를 들어, 평활한 흐른 선의 사용을 포함할 수 있다. 도 7b는 본 발명에 따라, 용량 압력계(또는 압력계 어셈블리)를 위한 평활한 흐름 특징을 가지는 전극 및 가드 구조체(700B)의 예에 대한 평면도이다. 전극 구조체(700B)는 내부 전극(702B) 및 외부 전극(704B)을 포함하며, 이 두 전극 사이에는 가드(706B)가 위치한다.
내부 구조체(702B)의 주변은 소망하는 대로, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 평활한 흐름 주변을 가지는 것으로 선택 또는 설계될 수 있다. 가드(706B)의 내부 주변은 도시된 바와 같이 상호형 방식으로 구성될 수 있다(그러나 반드시 이렇게 구성되는 것은 아니다). 외부 전극(704B)의 내부 주변 및 가드(706B)의 외부 주변은 선택적으로 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 외부 전극(704B)은 제1 단부 및 제2 단부를 가지는 비연속적 전극 형상을 포함하거나 가질 수 있고, 제1 단부 및 제2 단부는 분리되어 있다. 외부 전극(704B)은 에워싸는 또는 인접하는 구조체(들), 예를 들어, 가드(706B)와 갭(712)에 의해 분리될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따라, 용량 압력계(800)를 위한 전극 및 가드 구조체의 다른 예의 측면도이다. 용량 압력계(800)는 도 6에 도시된 장치와 유사하고, 다이어프램(802)이 전극 구조체(804)로부터 떨어져 있는 하우징(801)(도 6에 도시된 바와 같은 형상과는 다른 형상)을 포함한다. 전극 구조체(804)는 가드(810)에 의해 분리되어 있는 내부 전극(806) 및 외부 전극(808)을 포함한다. 구조체들은 도시된 바와 같이 원형의 구성을 가질 수 있다. 하우징(801)은 입구(818)에 의한 가스 흐름(616)을 허용하도록 구성되는데, 도시된 바와 같이, 가스가 다이어프램(802)에 인접하는 영역으로 허용되도록 구성된다. 다이어프램(802)에 인접하는 영역으로 가스가 진입하는 것을 제어하기 위해 배플(812)이 제공된다. 배플(812)은 가드(810)와 관련해서 전략적으로 위치하는 하나 이상의 애퍼처(814)를 포함한다. 예를 들어, 애퍼처(들)(814)의 정중선은 가드(810)의 정중선과 함께 중앙(또는, 다소 그 정도로)에 위치할 수 있다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 내벽 형상은 중요한 요소일 수 있거나, 특히 가스는 분자 흐름일 수 있기 때문에 압력계의 다이어프램 부분으로의 가스 흐름에 영향을 미칠 수 있다(가스 분자는 서로 충돌하기 보단 벽에 충돌할 가능성이 더 높다).
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따라 용량 압력계 어셈블리(900A-B)의 전극 구조체 및 다이어프램에 대한 두 관점을 도시하며, 상이한 시간에서의 다이어프램의 일시적인 변형을 나타내며, 도 9a에서, 어셈블리(900A)는 반응 가스의 도입으로부터 생기는 다이어프램 변형의 시종속 프로파일(time-dependent profile)(1-5)의 제1 연속성(succession)을 경험하는 것으로 도시되어 있고, 도 9b에는, 시종속 프로파일(1-5)의 제2 연속성이 도시되어 있다. 도 9a 및 도 9b 모두에서, 용량 압력계 어셈블리(900A-B)는 외부 전극(904), 가드(906) 및 내부 전극(908)으로 이루어진 전극 구조체(903)로부터 세로(또는 정렬) 축을 따라 떨어져 있는 다이어프램(902)을 포함한다. 다이어프램은 외부 및 내부 전극(904 및 908)을 위한 공통 전극으로서 작용할 수 있다. 용량 압력계 어셈블리(900A-B)는 도시된 바와 같이, 중앙선(910)에 대하여 방사상 대칭을 가질 수 있다. 배플(912)은 어셈블리를 위해 사용될 수 있으며, 가스를 압력 캐비티(pressure cavity)("Px")(920)로 허용하기 위한 하나 이상의 입구 또는 애퍼처(914)를 포함할 수 있으며, 압력 캐비티는 압력 캐비티 본체(922)(배플(912)를 포함함)에 의해 일부 규정된다. 용량 압력계 어셈블리는 다이어프램(902)을 지지하도록 배치된 지지 구조체(도시되지 않음)를 포함할 수 있으며 이에 따라 다이어프램(902)은 전극 구조체(903)에 대해 제약된다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 압력 캐비티 본체(922)는 다이어프램(902)에 걸쳐 일정한 깊이(L1로 표시되어 있음)인 플래넘(plenum) 또는 압력 캐비티(920)를 제공하도록 구성될 수 있다. 다른 예에서, 압력 캐비티 본체(922)는 도 9b에 도시된 바와 같이, 다이어프램(902)에 걸쳐 일정하지 않은 깊이(L2 및 L3으로 표시되어 있음)로 가변하는 플래넘 또는 압력 캐비티(920)을 제공하도록 구성될 수 있다. 물론, 하나의 일정하지 않은 깊이는 도 9b에 표시되어 있으나(단차 프로파일), 다른 구성이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있으며, 예를 들어, 소망의 선형 경사, 소망의 지수함수적 프로파일, 또는 임의의 다른 소망의 프로파일을 가질 수 있다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 배플 애퍼처(914)는 예를 들어 가드(906)의 중앙선(916)을 중심으로 대체로 중앙에 위치할 수 있지만, 다이어프램(902)의 곡률 및 편향에서의 변화 및 내부 전극(904)과 외부 전극(908) 간의 캐패시턴스 변화의 타이밍을 조절하기 위해, 배플 애퍼처(914)는 가드 중앙선(916)의 내측으로 또는 외측으로 위치할 수 있다(예를 들어, 중앙의 3분의 1 내에 또는 가드의 다른 위치에 위치할 수 있다). 애퍼처 중앙선(918)의 대표적인 변위 "h"가 도 9a에 도시되어 있다. 도 9b에서, 가드(916)의 중앙선은 애퍼처 중앙선(918)과 일치하는 것으로 도시되어 있다.
도 9b에 도시된 바와 같이, Px 캐비티 본체(922)의 형상은 소망대로 설계될 수 있는데, 예를 들어, 중앙선(910)으로부터 방사상의 거리에 걸쳐 변하는 벽 프로파일로 반응 가스 흐름의 속도를 높이거나 낮출 수 있고, 따라서, 다이어프램의 곡률 및 편향을 조정할 수 있다. 배플(912) 내의 애퍼처(들)(914)로부터 방사상으로 외측으로 흐르는 반응 가스는 Px 캐비티에 형성되어 있는 좁아지는 채널(테이퍼링이 도시되어 있으나 다른 기하학이 사용될 수도 있다)을 통과한 다음 반응 가스를 집중시키는 좁은 채널(Pxcav o로 표시되어 있음)로 가서 다이어프램(902)의 곡률 및 편향을 더 크게 하며, 동시에 반응 가스 흐름을 느리게 한다. 방사상으로 내측으로 흐르는 반응 가스는 더 깊은 플래넘(Pxcav i로 표시되어 있음)으로 확산되고 속도가 증가하며, 다이어프램 표면에서 반응 가스의 집중을 감소시키며, 다이어프램의 곡률 및 편향의 유도 변화를 감소시킨다. 플래넘 또는 압력실 높이에 대한 방사 방향에서의 이러한 반응 가스의 속도(예를 들어, 얇은 채널 대 깊은 채널)는 이러한 방식으로 일어나고, 매우 작은 갭에 있어서, 반응 가스는 금속 표면을 방사 방향으로 흐를 때 금속 표면에 의해 실질적으로 "제거되기"(흡수되기/흡착되기) 때문에, 그런 것으로 여겨진다. 가스 분자는 특별한 분자 중량 및 온도에 있어서 음속으로 캐비티 내를 이동한다. 반응 가스-분자는 "흡착 파면(adsorption wavefront)"을 넘는 먼 거리에서 충돌하는 것보다 이 흡착 파면의 근처에서 벽에 더 많이 충돌할 수도 있고, 이것은 흡수된 다음 금속 표면으로 확산할 때 반응 가스를 소모한다. 이것은 본질적으로 캐비티 내에서의 반응 가스의 방사상의 흐름에 대해 유효한 속도를 생성한다. 깊은 플래넘에 있어서는, 벽을 따라 또한 벽과 평행한 방향으로는 더 많이 방사상으로 추가로 벽에 충돌하는 더 많은 분자가 있을 수 있다. 비반응 가스 및 반응 가스의 혼합물이 있을 때는, 비반응 가스는 파면에서 "제거되지" 않으며 캐비티를 따라 더 빠르게 이동한다. 압력 캐비티(920)의 형상으로부터 일어나는 이러한 효과를 이용하여 전체적인 타이밍 및 다이어프램(902)의 편향을 조정하고 압력계 센서(900A-B)의 출력 상의 압력과는 다른 효과를 감소 및/또는 완화할 수 있다. 또한, 본체 벽의 표면 마감 또는 표면 화학적 성질도 역시 수정하여 배플(들) 및 다이어프램 내에서의 그리고 주위에서의 가스의 흐름에 영향을 줄 수 있다.
도 10은 본 발명에 따라, 용량 압력계에 대한 전극 구조체 및 가드 구조체(1000)의 다른 예에 대한 측면도이다. 가드 구조체(1000)는 도 5에 도시된 것과 유사하지만 추가의 가드를 포함한다. 장치 구조체는 전극 구조체(1004)와 배플(1014) 사이에 위치하는 다이어프램(1002)을 포함한다. 배플(1014)은, 도시된 바와 같이, 다이어프램(1002)에 인접하는 영역으로 가스를 허용하는 하나 이상의 애퍼처(1016)를 가진다. 전극 구조체(1004)는 내부 전극(1006) 및 외부 전극(1008)을 가진다. 내부 전극(1006)과 외부 전극(1008) 사이에는 제1 또는 내부 가드(1010)가 위치한다. 내부 가드(1010)는 전극 구조체의 구역 또는 영역을 형성하는데, 이 구역 또는 영역은 내부 전극(1006)과 외부 전극(1008)을 분리시키고 용량 측정에 기여하지 않는다. 내부 가드(1010) 및 애퍼처(1016)는 예를 들어, 반경 r과 관련해서 도시된 바와 같이, 내부 가드(1010) 및 애퍼처(1016)가 대체로 중앙에 위치하고 서로에 대해 반대로 되도록 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제2 또는 외부 가드(1012)를 제공하여 측정 오차를 더 완화할 수 있다. 이해를 쉽게 할 수 있도록 하기 위해 전기적 연결을 간략하게 도시하고 있다.
도 10에 도시된 실시예는 전극 전압이 위상별로 있는 애플리케이션에서 사용하는 특별한 이점을 가질 수 있다. 이러한 애플리케이션에 있어서, 가드 전압은 전극 전압을 정확하게 따를 수 있다.
도 11은 본 발명에 따라, 용량 압력계(1100)에 대한 전극 구조체 및 가드 구조체의 다른 예에 대한 측면도이다. 용량 압력계(1100)는 하우징(1101)을 포함하고, 이 하우징은 다이어프램(1102), 입구(1103), 및 장치에 허용되는 가스의 압력을 측정하기 위한 전극 및 가드 구조체(1104)를 포함한다. 전극 및 가드 구조체(1104)는, 전극 및 가드 구조체(1104)의 표면상에서, 2개의 가드, 즉 내부 가드(1110) 및 외부 가드(1112)에 의해 분리되어 있는 내부 전극(1106) 및 외부 전극(1108)을 포함한다. 내부 가드(1110) 및 외부 가드(1112)는 하나 이상의 갭(1111)에 의해 분리된다. 주변 가드(1114) 역시 제공된다. 배플(1120)은 소망의 전략적 위치에 하나 이상의 애퍼처(1122)를 가진다. 이해를 쉽게 할 수 있도록 하기 위해 전기적 연결을 간략하게 도시하고 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 전극 및 가드 구조체(1104)에 있어서, 내부 가드(1110)와 외부 가드(1112) 사이의 갭(들)(1111)은 애퍼처(들)(1122)의 정중선(1124)을 따라 (또는, 다소 그 정도로)에 정렬될 수 있다. 그 결과, 전극 및 가드 구조체(1104)는 내부 가드가 2개의 가드로 분리되는 것을 제외하곤, 도 10에 도시되고 설명된 바와 유사하다.
도 11에 도시된 실시예는 예를 들어 통상적인 트랜스포머 브리지 전단부에서와 같이, 전극 전압이 180°위상으로 되어 있는 애플리케이션에서 사용하는 특별한 이점을 가질 수 있다. 이러한 애플리케이션에 있어서, 내부 가드 전압은 내부 전극 전압을 정확하게 따를 수 있고, 외부 가드 전압은 외부 전극 전압을 정확하게 따를 수 있다.
도 12는 본 발명에 따라, 다이어프램이 표면 변형을 겪는, 용량 압력계의 구조체(1200)의 일부의 상세한 측면도이다. 구조체(1200)는 도 11의 압력계(1100)의 구조체와 유사하며, 다이어프램(1202), 전극 및 가드 구조체(1204), 및 하나 이상의 애퍼처(1216)를 가지는 배플(1214)을 포함한다. 전극 및 가드 구조체(1204)는 내부 가드(1210) 및 외부 가드(1212)에 의해 내부 전극(1206) 및 외부 전극(1208)을 포함한다. 내부 가드(1210) 및 외부 가드(1212)는 갭(1220)에 의해 분리되어 있다. 내부 가드(1210)와 외부 가드(1212) 간의 갭(1220)은 애퍼처(1216)의 정중선(1218)을 따라(또는, 다소 그 정도로) 정렬될 수 있다.
다이어프램(1202)의 파선으로 도시된 바와 같이, 반응 가스 또는 가스들, 예를 들어, 원자 불소가 압력계 구조체(1200)에 허용될 때, 다이어프램은 변형된 형상을 달성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 변형은 일시적일 수 있으며 시간이 지남에 따라 유지되다가 정상 상태 상황에 도달할 수 있다. 변형된 형상은 전극 및 가드 구조체의 평면(또는 표면)과 관련해서 다이어프램의 일부의 양의 변위 및 음의 변위 모두를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 다이어프램은 도시된 바와 같이, 제1 종류(first kind)의 사인 함수 또는 베셀 함수(Bessel function)를 닮은 표면 프로파일을 달성할 수 있다. 도시된 바와 같이 내부 가드, 외부 가드 및 갭(1220)을 위치시킴으로써, 이와 같이 위치시키지 않으면 변형된 다이어프램으로부터 생겼을 측정 오차를 압력계(1200)의 동작 동안 완화 또는 최소화할 수 있다.
배플 슬롯은 가드 링의 중심에 (또는 대략 중심에) 직접적으로 위치시켜, 다이어프램이 측정되지 않을 위치에 다이어프램의 피크 곡률 및 대응하는 축 편향을 집중시킬 수 있다. 예시적 실시예는 하나의 배플만을 사용할 수 있다. 제2 배플은 필요하지 않지만 그럼에도 2 이상의 배플이 사용될 수도 있다. 예시적 실시예에서, 배플은 하나의 원주 슬롯을 사용할 수 있거나, 작은 크기의 슬롯, 예를 들어, 010 in. wide를 생성할 수 있다.
장점:
본 발명의 예시적 실시예는 이하의 장점 중 하나 이상을 제공할 수 있다:
상대적으로 두껍고 더 높은 신장력의 다이어프램을 사용함으로써 프로세스-변형 다이어프램 재료의 매우 얇은 층에 의해 유도되는 멤브레인 구부러짐 압박을 더 강경한 요소로 저항할 수 있으며; 이에 따라 다이어프램 곡률의 전체적인 변형을 감소시킨다.
제조비용의 감소.
압력 감도의 최대화 또는 향상.
배플 슬롯 홀 위치 때문에 프로세스-변형 (유도) 다이어프램 변형으로부터 야기되는 측정 오차의 감소. 이것은 다이어프램이 측정되지 않을 위치에 다이어프램의 피크 곡률 및 대응하는 축 편향을 집중시킨다.
더 작은 전극 갭을 사용하는 것에 의한 적절한 베이스 캐패시턴스 유지.
트랩(trap)을 사용할 필요가 없음.
시스템에 대한 감소된 시간 상수. 이것은 이전의 기술에 비해 더 빠른 시스템 응답을 제공할 수 있다.
예시적 실시예:
본 발명의 예시적 실시예는 용량성 압력계 또는 용량성 압력계 어셈블리를 제공할 수 있으며, 이러한 용량성 압력계 또는 용량성 압력계 어셈블리는,
(a) 전도성 재료를 포함하는 다이어프램 및 (b) 내부 또는 중심 전극 및 외부 전극을 포함하는 전극 구조체로서, (ⅰ) 상기 다이어프램의 각각의 측면 상의 압력이 동일할 때의 제로 위치와 (ⅱ) 상기 다이어프램에 최대 측정 가능 차동 압력(differential pressure)이 가해질 때의 최대 차동 위치 사이에서 상기 다이어프램이 상기 전극 구조체에 대해 이동 가능한, 상기 전극 구조체, 및
상기 다이어프램에 인접한 영역으로 가스를 허용하도록 구성되어 있는 하나 이상의 애퍼처를 가지며, 압력이 아닌 다른 영향으로 인한 다이어프램의 표면 변형의 효과를 최소화하는 배플
을 포함한다.
상기 배플 내의 하나 이상의 애퍼처는 상기 다이어프램 상의 전극들 간의 갭에 정렬하도록 구성되어 있다.
상기 압력계의 다이어프램에는 초합금이 사용될 수 있다.
본 발명의 추가의 예시적 실시예는 용량성 압력계 또는 용량성 압력계 어셈블리를 제공할 수 있으며, 이러한 용량성 압력계 또는 용량성 압력계 어셈블리는,
(a) 전도성 재료를 포함하는 다이어프램 및 (b) 내부 또는 중심 전극, 외부 전극 및 상기 내부 전극과 상기 외부 전극 사이에 배치된 가드 구조체를 포함하는 전극 구조체로서, (ⅰ) 상기 다이어프램의 각각의 측면 상의 압력이 동일할 때의 제로 위치와 (ⅱ) 상기 다이어프램에 최대 측정 가능 차동 압력이 가해질 때의 최대 차동 위치 사이에서 상기 다이어프램이 상기 전극 구조체에 대해 이동 가능한, 상기 전극 구조체, 및
상기 다이어프램에 인접한 영역으로 가스를 허용하도록 구성되어 있는 하나 이상의 애퍼처를 가지는 배플
을 포함한다.
상기 가드 구조체는 연속적인 가드, 또는 갭에 의해 분리되어 있는 내부 가드 및 외부 가드를 포함한다.
상기 가드 구조체는 상기 전극 구조체의 중심으로부터 먼 방사상의 거리(radial distance)에서 상기 외부 전극에 인접하는 상기 전극 구조체 상에 배치되는 제3 가드를 포함한다.
상기 배플 내의 하나 이상의 애퍼처는, 상기 전극들 및/또는 상기 다이어프램 상의 가드 구조체 간의 갭에 정렬하여 구성될 수 있다.
상기 압력계의 다이어프램에는 초합금이 사용될 수 있다.
설명된 구성요소, 단계, 프로세스, 방법, 구조체, 특징, 이점 및 장점은 단지 도해에 불과하다. 이것들, 이것들과 관한 논의는 어떠한 방식으로도 보호 범위를 제한하려는 것이 아니다. 다양한 다른 실시예도 고려될 수 있다. 이것들은 더 적은 수, 추가, 및/또는 상이한 구성요소, 단계, 특징, 이점 및 장점을 가지는 실시예를 포함한다. 이것들은 또한 구성요소 및/또는 단계가 다르게 배열되거나 및/또는 다른 순서로 되어 있는 실시예를 포함한다. 예를 들어, 이중 전극 용량 압력계를 배경으로 본 명세서에서 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예는 단일의 전극 압력계에 적용 가능하다.
또한, 다양한 재료 및/또는 구성요소를 본 명세서에서 설명하였으나, 다른 적절한 재료 및/또는 구성요소는 물론 이러한 설명에 부가해서 또는 대안으로 해서 사용될 수도 있다.
또한, 여기서 설명된 방법, 단계, 프로세스, 및/또는 알고리즘은 적절한 컴퓨터 시스템, 컴퓨터 장치, 및/또는 컴퓨터 프로세서(예를 들어, CPU 또는 그래픽 처리 장치 등)와 함께, 또는 이것들 내에, 또는 이것들을 사용해서 실현될 수 있으며; 이러한 것은 메모리 유닛 또는 저장 위치를 실행 또는 활용할 수 있으며, 이것은 비일시적 기계 판독 가능형 저장 매체를 포함하는 제조의 물품일 수 있거나 포함할 수 있으며; 프로그래머블 컴퓨팅 장치의 프로세서에 의해 실행될 때 기계 판독 가능형 저장 매체에서 실현되는 실행 가능형 프로그램 명령은 프로그래머블 컴퓨팅 장치가 방법, 단계, 프로세스, 및/또는 알고리즘의 성능을 수행, 실행, 또는 제어하도록 구성한다. 예를 들어, 여기서 설명된 바와 같은 전극 및 다이어프램 구조체는 적절한 컴퓨터 시스템상에서 단독으로 또는 적절한 통신망과 함께 운용되는 컴퓨터 보조 드로잉(computer-aided drawing: CAD) 소프트웨어를 활용해서 실행될 수 있다. 다른 예에 있어서, 여기서 설명된 바와 같은 용량 압력계의 측정 전자기기는 예를 들어 계측 및/또는 측정을 위해 적절한 통신망에 연결될 수 있다.
달리 언급되지 않으면, 특허청구범위에 포함된, 그리고 본 명세서에 설명되어 있는 모든 측정, 값, 등급, 위치, 규모, 크기, 및 다른 사양은 근사치이며, 정확한 것이 아니다. 이러한 것들은, 이것들과 관련되어 있는 기능과 그리고 이것들이 속해 있는 당기술분야에서 통상적인 것과 일치하는 합리적인 범위를 가지도록 의도된다. 모든 논문, 특허, 특허출원, 명세서, 및 본 개시에 인용되었거나 제시된 다른 공보는 본 명세서에 의해 원용되어 포함된다.

Claims (19)

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  5. 용량성 압력계 어셈블리에 있어서,
    전도성 재료를 포함하는 다이어프램;
    내부 전극, 외부 전극 및 상기 내부 전극과 상기 외부 전극 사이에 배치된 전도성 가드 구조체(guard structure)를 포함하는 전극 구조체로서, (ⅰ) 상기 다이어프램의 각각의 측면 상의 압력이 동일할 때의 제로 위치와 (ⅱ) 상기 다이어프램에 최대 측정 가능 차동 압력이 가해질 때의 최대 차동 위치 사이에서 상기 다이어프램이 상기 전극 구조체에 대해 이동 가능한, 상기 전극 구조체;
    상기 다이어프램을 지지하도록 되어 있는 지지 구조체로서, 이에 따라 상기 다이어프램은 상기 전극 구조체에 대해 제약되고, 상기 다이어프램은 상기 압력계의 정렬 축(alignment axis)에 대해 상기 내부 전극 및 상기 외부 전극으로부터 떨어져 있으면서 축 방향으로 정렬되는, 상기 지지 구조체; 및
    상기 다이어프램에 인접한 영역으로 가스를 허용하도록 구성되어 있는 하나 이상의 애퍼처를 가지는 배플로서, 상기 배플은 상기 전도성 가드 구조체의 위치에 대응하는 하나 이상의 영역에 상기 애퍼처를 위치시킴으로써 반응 가스로 인한 상기 다이어프램의 표면 변형의 효과를 감소시키도록 구성되어 있는, 배플
    을 포함하는 용량성 압력계 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가드 구조체는 연속적인 가드를 포함하는, 용량성 압력계 어셈블리.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가드 구조체는 갭에 의해 분리되어 있는 내부 가드 및 외부 가드를 포함하는, 용량성 압력계 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가드 구조체는 상기 전극 구조체의 중심으로부터 먼 방사상의 거리(radial distance)에서 상기 외부 전극에 인접하는 상기 전극 구조체 상에 배치되는 제3 가드를 포함하는, 용량성 압력계 어셈블리.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 배플 내의 하나 이상의 애퍼처는, 상기 용량성 압력계 어셈블리의 정렬 축에 평행한 방향으로, 상기 전극들 또는 상기 전극들 중 하나와 상기 전극 구조체의 가드 구조체 간의 갭에 정렬하여 구성되어 있는, 용량성 압력계 어셈블리.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 다이어프램은 초합금을 포함하는, 용량성 압력계 어셈블리.
  11. 제5항에 있어서,
    가스를 허용하는 입구를 가지는 하우징
    을 더 포함하며,
    상기 하우징 내에 상기 다이어프램, 전극 구조체, 지지 구조체, 및 배플이 배치되어 있는, 용량성 압력계 어셈블리.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 외부 전극은 제1 단부 및 제2 단부를 가지는 비연속적인 전극을 포함하며, 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부는 분리되어 있는, 용량성 압력계 어셈블리.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 배플 내의 하나 이상의 애퍼처는, 상기 용량성 압력계 어셈블리의 정렬 축에 평행한 방향으로, 상기 전극 구조체의 가드 구조체에 정렬하여 구성되어 있는, 용량성 압력계 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가드 구조체는 갭에 의해 분리되어 있는 내부 가드 및 외부 가드를 포함하는, 용량성 압력계 어셈블리.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 가드 구조체는 상기 전극 구조체의 중심으로부터 먼 방사상의 거리에서 상기 외부 전극에 인접하는 상기 전극 구조체 상에 배치되는 제3 가드를 포함하는, 용량성 압력계 어셈블리.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 배플 내의 하나 이상의 애퍼처는, 상기 용량성 압력계 어셈블리의 정렬 축에 평행한 방향으로, 상기 전극 구조체의 가드 구조체의 내부의 3분의 1에 정렬하여 구성되어 있으며, 상기 가드 구조체는 상기 전극 구조체의 중심으로부터 방사 방향으로 내부의 3분의 1, 중간의 3분의 1, 및 외부의 3분의 1로 분할되어 있는, 용량성 압력계 어셈블리.
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