KR19990063963A - 압력변환기모듈 - Google Patents

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KR19990063963A
KR19990063963A KR1019980702437A KR19980702437A KR19990063963A KR 19990063963 A KR19990063963 A KR 19990063963A KR 1019980702437 A KR1019980702437 A KR 1019980702437A KR 19980702437 A KR19980702437 A KR 19980702437A KR 19990063963 A KR19990063963 A KR 19990063963A
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제랄드 알 구찌
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Abstract

격리요소 (34) 를 갖는 비오염 압력 변환기 모듈 (10) 이 개시되어 있다. 격리요소 (34) 는 변환기 모듈 (10) 내의 압력센서가 모듈 (10) 내의 관내부를 흐르는 유체에 노출되는 것을 막는 작용을 한다. 변환기 모듈 (10) 은 부식성 물질이 전달되는 유체유동회로안에 인라인으로 설치될 수 있다. 압력 변환기 모듈 (10) 은 유체유동회로의 게이지 압력 또는 절대압력에 비례하는 제어신호를 발생시키게 된다. 또한, 본 발명의 압력 변환기 모듈 (10) 은 입자, 원치않는 이온 또는 증기가 유동회로안으로 칩입하는 것을 막을 수 있다.

Description

비오염 하우징을 갖는 압력센서 모듈
반도체 제조에 있어 당면한 문제는, 반도체 제조에 사용되는 물질의 오염에 대한 민감성(sensitivity) 이다. 이들 민감성 물질의 처리시 발생하는 외래 입자 및 증기를 줄이기 위해 다양한 처리 시스템들이 개발되고 있다. 반도체 웨이퍼들을 유해한 입자 및 화학물질로부터 격리시키는 것이 중요하다.
유해한 모든 오염원을 제거하기 위해, 반도체 웨이퍼 처리에 사용되는 장치들이 이러한 목적으로 개발되고 있다. 먼저, 공통적으로 처리장치의 여러 구성요소는 발생된 입자의 양을 줄이고 또한 처리용 화학물질이 오염작용을 일으키지 못하도록 이를 격리시키기 위해 설계되고 있다. 공통적으로 처리장치는, 폐쇄루프 피드백으로 연결되어 상기 장치를 모니터링하고 제어하기 위한 모니터링 및 센싱 기구를 갖추고 있다. 이들 모니터링 및 센싱 기구 역시 발생할 수 있는 어떠한 오염도 억제할 수 있도록 구성되어야 한다.
반도체 웨이퍼의 처리시, 부식성이 큰 유해한 화학물질들이 일반적으로 사용되고 있다. 이러한 물질이 사용될 때, 처리장치의 내부 또는 근방에서 극히 심각한 상태가 발생할 수 있다. 이러한 부식성 환경은 모니터링 및 센싱 기구에 매우 나쁜 영향을 주게 된다.
또한, 모니터링 및 센싱 기구는 부식성 환경에 노출된 결과, 웨이퍼를 손상시키는 입자, 이온 또는 증기를 전달할 수도 있다. 일반적으로 이러한 모니터링 기구에 사용되는 금속은 장기간 이러한 부식성 환경을 견딜 수가 없다. 따라서, 모니터링 및 센싱 기구에는 대체 물질이 사용되어야 한다.
부식성이 큰 환경은 유해한 화학물질이 처리장치에 전달될 때 유발될 수 있다. 액체 전달 시스템이 펌핑 및 조절부와 처리장치 그 자체를 통해 공급탱크로부터 화학물질들을 전달하게 된다. 파이프, 튜브, 밸브, 이음부 및 관련장비들을 갖고 있는 액체 화학물질 전달 시스템은 유독성 화학물질에 견딜 수 있는 플라스틱으로 만들어진다. 물론, 어떠한 기계 장비도 누출의 가능성을 갖고 있으며 이러한 누출은 반도체 웨이퍼 또는 다른 제품의 처리 및 처리장치를 조작하고 관리하는 개인에게도 극히 유해한 상황을 초래할 수 있다. 따라서, 화학물질 전달 시스템은 누출이 생기지 않도록 구성되어야 한다. 모니터링 및 센싱 기구는, 입자, 원치않는 이온 또는 증기가 처리공정시 생기는 것을 막을 수 있도록 구성된 센서를 구비할 수 있다.
보호막에 의해 유체유동으로 부터 분리된 인라인 기계식 유압감지 게이지가 알려져 있다. 이 게이지는 센서 유체로 채워진 공동부를 갖고 있는 하우징내에 내장된다. 상기 공동부는 유체유동에 인접하여 형성되고 보호막에 의해 격리되어 있다. 공동부의 센서 유체는 일반적으로 실리콘 오일이다. 유체유동 내에서의 압력변화는 공동부내의 오일압력에 영향을 주게 된다. 이 오일압력이 기계식 압력감지 게이지에 의해 검출되는 것이다.
공동부내의 유체는 일반적으로 보호막을 크게 변형시킬 수 있는 큰 열팽창성을 갖는다. 보호막이 크게 변형되면, 공동부내의 유체가 유체유동안으로 누출되어 유동회로를 오염시킬 가능성이 크게 된다. 또한, 센서 유체의 큰 열팽창성은 압력 게이지의 정확성에도 나쁜 영향을 주게 된다. 따라서, 오염유발 유체가 유체유동 회로안으로 누출되지 않는 인라인 압력 게이지가 필요하게 된다. 또한, 정확성이 유체유동 회로내에서 열팽창에 영향을 받지 않는 압력 게이지도 필요하게 된다.
Collins 등이 출원한 미국특허 제 5,316,035 ('035 특허) 는 부식성 환경에서 용량성 프락시미티 모니터링 장치(capacitance proximity monitoring device)의 사용을 소개하고 있다. '035 특허의 일 실시예에 의하면, 용량성 프락시미티 기장치는 튜브를 위한 벨브 또는 커플링과 같은 기능 장치와 결합된다. 용량성 프락시미티 장치는 상기 기능 장치의 기눙부로서 역할하며 규정된 영역에서 센싱필드를 만들게 된다. 그래서, 다양한 유체가 상기 규정된 영역을 지나감에 따라, 규정된 영역에서의 전기적 특성변화를 검출하기 위해 상기 장치가 사용된다. 액체 타겟 매체가 없고 튜브내에 공기나 가스가 있을 때 보다 액체 타겟 매체가 존재하는 경우에 센싱필드에 관계된 전류가 변하게 되며, 이로써 타겟매체의 존재여부를 알 수 있다. 복잡한 밸브는 처리용 유체유동내로 누출하여 이를 오염시킬 수 있는 유체를 종종 포함할 수 있다.
상기 '035 특허는 처리장치의 화학물질 전달 시스템내의 압력변화를 검출할 수 있는 기구는 소개 내지 고려하지 않고 있다. 화학물질 전달 시스템내의 압력을 모니터링하는 것은 여러 이유로 유용하다. 먼저, 시스템내 압력변화는 시스템내에 누출이 발생함을 나타낼 수 있다. 두 번째, 과도한 규정 안전한계를 피하기 위해 전달 시스템내의 압력이 조절된다. 세 번째, 처리장치에 연결된 다양한 처리장비를 조작하기 위해 유체유동회로내의 압력을 제어할 수 있다.
그러므로, 유체유동회로의 게이지 압력 또는 절대압력을 측정하고 또한 부식성 물질을 이송하는 유체유동회로내에서 인라인으로 설치될 수 있는 비오염 압력 변환기가 필요하게 된다. 또한, 입자, 원하지 않는 이온 또는 증기가 상기 유동회로내로 유입하는 것을 막을 수 있는 압력 변환기가 필요하다. 본 발명은 상기 종래기술에 관한 전술한 바와 같은 사항 및 기타 문제점들을 해결코자 하는 것이다.
본 발명은 압력 변환기에 관한 것이다. 구체적으로 말하면, 화확적으로 부식성이 있는 유체유동회로와 인라인(in-line)으로 연결될 수 있고, 사용되는 압력센서는 비오염 변환기 하우징내에서 유체유동회로로 부터 격리되어 있는 압력 변환기 모듈에 관한 것이다.
도 1 은 압력 변환기의 사시도.
도 2 는 도 1 에 도시된 압력 변환기의 측면도.
도 3 은 캡이 제거된 도 1 의 압력 변환기 모듈의 부분 측면도.
도 4 는 도 3 에 도시된 압력 변환기 모듈의 부분 확대 단면도.
도 5 는 도 1 내지 도 3 의 결합체에 사용되는 가요성 막의 사시도.
도 6 은 격리막과 접촉하는 알루미나 세라믹 용량성 압력 센서의 측면도.
도 7 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 변환기 모듈의 부분 확대 측면도.
도 8 은 다른 실시예에 따른 압력 변환기 모듈의 부분 확대 측면도.
도 9 는 또 다른 실시예에 따른 압력 변환기 모듈의 부분 확대 측면도.
도 10 은 또 다른 실시예에 따른 압력 변환기 모듈의 부분 확대 측면도.
도 11 은 또 다른 실시예에 따른 압력 변환기 모듈의 부분 확대 측면도.
도 12 는 또 다른 실시예에 따른 압력 변환기 모듈의 부분 확대 측면도.
도 13 은 또 다른 실시예에 따른 압력 변환기 모듈의 부분 확대 측면도.
도 14 는 또 다른 실시예에 따른 압력 변환기 모듈의 부분 확대 측면도.
도 15 는 또 다른 실시예에 따른 압력 변환기 모듈의 부분 확대 측면도.
본 발명의 목적은 유동회로내의 게이지 압력 또는 절대압력을 측정할 수 있고 부식성 유체의 유동회로에 인라인으로 연결될 수 있는 압력 변환기 모듈을 제공하는 것이다. 본 압력 변환기 모듈은 비오염 하우징내에서 압력 센서를 갖고 있다. 바람직한 실실예에 따른 압력 변환기 모듈의 구성요소로는 하우징, 캡, 전기 커넥터, 압력 이음부(fittings), 격리막, 압력센서, 전자회로, 스페이서링 및 홀드다운링이 있다.
본 하우징의 캡은, 이 캡의 내측면에 형성된 나사와 하우징의 외측면에 형성된 나사를 서로 결합시킴으로써 하우징에 분리가능하게 장착할 수 있다. 전기 커넥터가 캡에 부착되기 때문에, 캡이 장착될 때 하우징내의 전기 리드(lead)가 외부 컨덕터와 대응하게 된다.
상기 하우징에는 그를 관통하는 보어가 있으며, 이 보어는 통로 또는 관을 이루게 되는데, 변환기가 유채유동회로와 인라인으로 연결되면 유체가 상기 보어를 관류하게 된다. 압력 이음부는 보어의 각 개방단부에 시일가능하게 접속되어 있다. 이 압력 이음부는 화학적으로 불활성인 재료로 만들어지며 당 기술분야에서는 공지되어 있는 것으로 쉽게 구입할 수 있다. 상기 하우징은 그의 외측표면에서 부터 형성되어 보어와 연통하게 되는 공동부를 가지고 있다. 하우징안에서 보어와 공동부가 교차하는 부분에는 립(lip)이 제공된다. 이 립의 내부치수는 하우징의 내부치수 보다 작다. 격리막, 압력 센서, 전자회로, 스페이서링 및 홀드다운링 모두는 하우징의 공동부안에 위치하게 된다.
상기 격리막은 공동부내에서 하우징의 립에 대해 시일링이 된다. 이러한 구성으로, 하우징의 공동부가 유체유동으로부터 격리된다. 격리막은 비부식성이면서 화학적으로 불활성인 재료, 예컨데 테플론으로 만들어지는 것이 좋다. 압력센서는 접착, 가압, 열용접 또는 기타의 방법으로 격리막에 부착된다. 상기 압력센서는 용량형 또는 압전형으로 될 수 있다. 하우징안에 배치되는 하이브리드 또는 완전 일체화된 전자회로는 압력센서 및 전기 커넥터에 작동적으로 연결된다.
상기 전자회로는 압력센서가 검출한 정보로부터 유동회로내의 압력을 나타내는 신호를 발생시키게 된다. 이 전자회로는, 유동회로내의 온도변화에 근거해서 압력을 측정하기 위해, 온도감지요소와 조합하여 사용할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 전자센서는 전기 리드에 의해 전기 커넥터에 연결될 수 있으며, 외부의 전원 공급부로 커넥터에서 대응하는 전기리드를 통하여 전자회로에 전기를 겅급할 수 있다. 또한, 압력에 비례하는 표준 4-20 mA 신호와 같은 아날로그 출력을 추가의 전기 리드를 통해 전달할 수 있다.
격리막 및 압력센서는 스페이서링과 홀드다운링에 의해 공동부안에 배치된다. 홀드다운링의 표면에는, 공동부를 한정하는 밸브 몸체의 내측표면에 형성된 나사와 결합하는 나사가 마련되어 있다.
변환기가 열적 팽창을 받을 때 누출을 방지하기 위헤, 하우징, 격리막, 스페이서링 및 홀드다운링은 동일한 재료로 만들어진다. 바람직한 실시예에 따르면, 테트라플루오르에틸렌 플루오르카본 폴리머가 사용된다. 화학적으로 불활성인 이러한 폴리머를 사용함으로써, 발생되는 입자의 양이 감소되며 비오염 압력 변환기 모듈을 얻을 수 있다.
본 발명의 목적은, 유체유동회로와 인라인으로 연결될 수 있는 비오염 압력 변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 압력센서가 비오염 배리어에 의해 유체유동회로로부터 격리되는 압력 변환기 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 압력센서와 직접 접촉하는 격리요소를 갖는 압력 변환기 모듈을 제공하는 것이다. 상기 격리요소는 압력센서 및 관련 전자회로를 부식성 처리 화학물질로부터 격리시키는 작용을 하며 또한 전달되는 처리유체안으로 오염물질이 혼입하는 것을 막게 된다.
본 발명의 또 다른 목적은, 유동회로내의 압력을 게이지 압력 또는 절대압력으로 측정할 수 있는 압력 변환기를 제공하는 것이다.
이상과 같은 사항 및 다른 목적들은 첨부된 도면을 참조로 기술한 이하의 상세한 설명과 청구범위로부터 잘 알 수 있을 것이다. 도면에서 동일한 구성요소에 대해서는 같은 참조부호를 부여했다.
도 1, 2 에서 압력 변환기 모듈은 참조번호 “10”으로 표시되어 있다. 이압력 변환기 모듈은 베이스 (12) 를 갖고 있으며,이 베이스는 압력 변환기 모듈 (10) 을 처리장치(도시 안됨)에 장착할 때 사용된다. 상기 모듈은 하우징 (14), 압력 이음부 (16,18) 및 캡 (20) 을 갖고 있다. 공지된 구성의 전기 커넥터 (22) 는 상기 커버 (20) 에 착탈이 가능하게 부착할 수 있다. 공지된 구성의 압력 이음부 (16,18) 는 변환기 하우징 (14) 에 대한 입구 및 출구로서 기능한다.
당 기술분야에 익숙한 사람들은, 상기 압력 변환기 하우징이 여러 형태를 취할 수 있지만 도시된 바와 같이 원통형이 바람직하다는 것을 잘 알 것이다. 원통형 압력 변환기 하우징은 쉽게 제작할 수 있으며, 유체는 변환기내의 원통형 구멍 또는 공동부를 더욱 원활하게 유동할 수 있다. 하우징 (14) 및 커버 (20) 는 폴리테트라플루오르에틸렌과 같이 화학적으로 불활성이고 비오염 폴리머로 만들어지는 것이 바람직하다,
도 3 에 도시된 하우징의 외측면에 형성된 나사부 (24) 와 결합하게 되는 나사를 상기 커버의 내측면에 형성할 수 있다. 이렇게 해서 커버는 하우징에 나사결합될 수 있으며, 또한 커버가 하우징에 대해 시일링될 수 있도록 적절한 O 링 시일(도시 안됨)을 가질 수도 있다. 도 2 에 도시된 벤트 (vent:26) 는 하우징 벽에 형성할 수 있어 하우징의 내부를 배기할 수 있게 된다. 벤트 (26) 가 있기 때문에, 하우징안에 있는 압력센서가 측정하는 압력은 게이지 압력이 된다. 이러한 벤트가 없으면 유체유동회로내의 압력은 절대압력으로 측정된다. 지금부터, 압력 변환기의 여러 구성요소들이 지니고 있는 특징들을 설명한다.
도 3, 4 에는 압력 변환기의 내부구성이 도시되어 있다. 보어 (28) 가 유동관을 이루면서 하우징을 관통해 형성되어 있어, 압력 변환기 모듈 (10) 이 압력 이음부 (16,18) 에 의해 유체유동회로와 인라인으로 연결되면, 상기 보어 (28) 는 유체유동회로내에서 통로로서 역할을 하게 된다. 보어 구멍의 일단은 유체유동회로로 가는 입구가 되고 타단은 출구가 된다. 유체유동회로내에서 압력 변환기 모듈의 방향은 압력 변환기의 기능에 영향을 주지 않고 바꿀 수 있다.
공동부 (30) 는 하우징 (14) 의 외측면으로부터 보어 (28) 까지 형성되어 있다. 하우징내에서 공동부 (30) 와 보어 (28) 가 교차하는 부분의 근처에는 환상 립(lip: 32) 이 마련되어 있다. 이 립 (32) 은 보어로부터 공동부로 이어지는 구멍을 이루게 된다. 후술하겠지만, 상기 립은 다양한 모양을 취할 수 있다.
얇은 가요성 폴리머 원반형 막 (34) 이 공동부의 립 (32) 에 제공되어 있다. 바람직한 실시예에 의하면, 하우징 (14) 과 상기 가요성 막 (34) 은 데트라플루오르에틸렌 플루오르카본 폴리머로 만들어진다. 이러한 데트라플루오르에틸렌 플루오르카본 폴리머의 일 예로서 E.I. duPont Nemours 에서 만든 TEFLON(등록상표)이 시판되고 있다. 바람직한 실시예에 의하면, 상기 원반형 막은 스프레이식이 아닌 몰드방식으로 제조되거나, 핀홀(pinhole)을 형성할 수 있는 다른 가공법으로 제조된다. 압력 변환기 모듈이 완전히 조립되면, 가요성 막과 하우징 립 (32) 간에 환상표면 접촉이 이루어져, 그들 사이에 시일링이 이루어지게 된다.
도 5 를 참조하면, 얇은 가요성 테플론 막 (34) 이 크게 확대되어 있다. 이 막의 두께는 0.001∼0.040 인치이다. 윗 표면 (36) 은 문질러져 있어 일정한 모양의 그루브 또는 채널이 형성되어 있다. 막의 윗 표면 (36) 이 압력센서 (40) 의 베이스 (38) 에 가압되면, 그렇지 않는 경우 센서 베이스 (38) 와 막 사이에 형성될 수 있는 공기 주머니가 생기지 않게 되어, 막과 압력센서 (40) 간에 더욱 밀접한 접촉이 이루어지제 된다. 스페이서 (50) 의 플랜지 (52) 와 O 링 (54) 의 크기는, 센서 (40) 와 O 링 (54) 및 스페이서 (50) 사이에 다소의 틈이 존재하도록 결정된다. 또한, 스페이서 (50) 의 내측면도 일정한 모양의 그루브 또는 채널을 가질 수 있는데, 이렇게 되면 배제된 공기가 공동부의 중심부로 가게할 수 있는 통로가 형성되게 된다.
도 3,4 를 참조하면, 압력센서 (40) 는 가요성 막 (34) 위에 배치된다. 이 압력센서는 당 기술분야에 익숙한 사람들에게는 잘 알려진 캐패시턴스형 (capacitance type) 또는 압전형(piezoelectric type)으로 될 수 있다. 압력센서의 베이스 (38) 는 막과 직접 접촉하고 있지만, 막과 압력접촉을 할 수 있거나 또는 접착제, 열용접 또는 다른 방법에 의해 막에 부착될 수도 있다.
도 6 에 도시된 실시예에서, 알루미나 세라믹 압력센서는 얇은 가요성 세라믹 시이트 (42) 로 되어 있으며, 이 시이트는 그 보다 두껍고 가요성이 없는 세라믹 시이트 (46) 와의 사이에 배치된 절연 스페이서 링 (44) 을 갖고 있다. 제 1 박막 세라믹 시이트 또는 다이아프램의 두께는 0.005 ∼ 0.050 인치이며 전형적인 두께는 0.020 인치이다. 두꺼운 세라믹 시이트의 두께는 0.100 ∼ 0.200 인치이다. 상기 스페이서는 적절한 폴리머로 이루어질 수 있다. 세라믹 디스크 (42, 46) 간의 대향 표면은 금, 니켈 또는 크롬으로 피복되어 있어 캐패시터의 플레이트를 이루게 된다. 유사한 용량성(capacitive) 압력 변환기가 Bell 등에 의한 미국특허 제 4,177,496 호('496 특허)에 소개되어 있다. 이 '496 특허와 유사한 다른 용량성 압력 변환기도 공지되어 있다.
도 4 를 참조하면, 전자회로 모듈 (48) 은 세라믹 압력센서 (40) 위에 배치되며 이 세라믹 압력센서의 도전성 표면과 전기적으로 연결되어 있다. 전자회로 모듈 (48) 은 적절한 리드(lead)(도시 안됨)에 의해 커넥터 (22) (도 1) 의 중간 접촉자에 연결되어 있다. 바람직한 실시예에 의하면, 전기 커넥터 (22) 는 화학적으로 불활성인 재료로 만들어지는데, 바람직하게는 Pneumatico 에서 만든 파트 넘버 po3rsd-00004-24 로 만들어진다.
전자회로 모듈 (48) 은, 유압의 작용에 의한 시이트 (42) 의 변형에 기인하는 용량의 변화에 관계된 압력센서 (40) 가 받은 아날로그 정보를 사용하여 유동회로내의 압력에 비례하는 제어신호를 발생시키게 된다. 또한, 상기 전자회로는 그 안에 제공된 써미스터(thermistor) 등으로 유동회로내의 온도가 변할 때 압력을 조절할 수 있다.
도 3, 4 에서, 컵형 스페이서 부재 (50) 는 압력센서 (40) 위에 배치되며 압력센서 (40) 의 상면에 힘을 가하여 이 센서를 막 (34) 에 대해 편평하게 지지시킨다. 또한, 스페이서 (50) 는 환상 플랜지 (52) (도 4) 를 갖고 있으며, 이 플랜지는 막 (34) 과 공동부의 립 (32) 에 대해 힘을 전달하게 된다. O 링 (54) 은 스페이서의 플렌지 (52) 와 막 사이에 배치될 수 있으며, 이 링의 탄성중합체적 특성 때문에, 스페이서 부재 (50) 로부터 힘이 막에 전달되어 이 막이 환상 립 (32) 에 대해 클램핑된다. 나사가 형성된 홀드다운 링 (56) 이 하우징 (14) 의 공동부의 내측 나사와 결합하여 회전하면 스페이서 부재 (50) 와 접촉하여, 이 부재는 압력센서 (40) 및 막 (34) 에 대하여 가압된다.
사공간 (dead space) 을 줄이기 위해, 가요성 막이 보어 (28) 의 내강(lumen)으로부터 떨어져 있는 거리 “d”(도 4) 는 최소한으로 유지되어야 한다. 이 사공간이 감소하게 되면, 부스러기와 오염물질이 축적되는 것이 줄어들게 되며, 또한 공기방울이 사공간안에 포획되어 유동회로안으로 다시 방출되는 경우가 줄어들거나 없어지게 된다. 이러한 공기방울이 사공간으로 부터 방출되면, 반도체 제조공정에 나쁜 영향을 주게 된다. 내강의 내경 “D”은 2*(d) 을 초과해서는 안된다. 치수 d 가 치수 D 보다 매우 작은 것이 이상적이다.
도 7 에는 다른 실시예가 나와 있는데, 이 실시예에서 스페이서 부재 (50) 는 라운딩된 가장자리 (58) 를 가지고 있다. 이 라운딩된 가장자리로 인하여, 스페이서 (50) 의 힘이 가요성 막 (34) 과 공동부의 립 (32) 에 더욱 집중적으로 전달되게 된다. 또한, 이러한 구성을 취하면 O 링 (54) 에 대한 필요성이 없게 된다. 그러나, O 링 (54) 을 막과 립 (32) 사이에 배치할 수도 있다 (도 13 참조). 스페이서 (50) 의 플랜지 (52) 와 O 링 (54) 의 치수는 센서 (40) 와 O 링 (54) 및 스페이서 (50) 사이에 다소의 틈이 존재하도록 정해진다. 스페이서 (50) 의 내측면도 공기배출용 통로로서 일정한 모양의 그루브나 채널을 가질 수 있다. 또한, 상기 통로를 하우징의 공동부안으로 이어지게 하기 위해, 스페이서 (50') 의 중심부에 보어를 만들 수도 있다.
도 8 은 또 다른 실시예를 보여주는 도면으로, 여기서 공동부의 립 (32') 에는 계단이 형성되어 있다. O 링 (54) 이 스페이서 부재 (50) 에 의해 압축되면 상기 계단 모양에 맞게 변형되어 가요성 막 (34) 에 힘을 가하게 되며, 이리하여 상기 막은 계단형 립 (32) 의 모양으로 변형되어 유체의 침입을 막는 시일을 제공하게 된다. 다른 실시예에서는, O 링 (54) 을 막과 립 (32') 사이에 배치할 수도 있다 (도 15 참조).
도 9 에는 스페이서 부재 플랜지 (52) 의 끝이 라운딩되어 있는 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서 플랜지는 O 링 (54) 에 가압되고, 다시 이 링은 가요성 막 (34) 에 가압된다.
도 10 에는 또 다른 실시예가 도시되어 있는데, 여기서 O 링 (54') 은 립 (32') 에 형성된 환상의 그루브 또는 리세스 (60) 안에 수용되어 있다. 가요성 막 (32) 이 O 링 (54') 에 가압됨으로써 립 (32') 의 가장자리가 시일링되고, 이리하여 유동회로의 유체가 하우징의 공동부안으로 누출되는 것이 방지된다. 이러한 차폐 구성은 흐르는 유체의 압력이 대기압 보다 작을 때 유용하며, 또한 O 링이 유체유동 회로안으로 끌리는 일도 없게 된다.
도 11 은 립 (32) 의 표면을 따라 볼록부 (62) 가 형성되어 있는 또 다른 실시예를 나타낸다. 막이 립에 가압되면 이 막은 리지의 모양에 맞게 변형하게 된다. 이러한 방법으로, 막 시이트와 하우징 립 사이에 효과적인 시일링이 이루어지게 된다.
도 12 는 립이 복수의 계단을 갖는 또 다른 실시예를 나타내는데, O 링 (54) 은 막 (32) 밑에 있는 하부 계단상에 위치하게 된다. O 링 (68) 을 수용하기 위한 외측 그루브 (66) 및 O 링 (72) 을 수용하기 위한 내측 그루브 (70) 을 갖고 있는 환상 시일링 링 (64) 이 추가로 제공됨으로써, 하우징 (14) 과 압력센서 (40) 사이에 추가적인 시일링이 이루어지게 된다. 도면에서 상기 환상 시일링 링 (64) 은 상부 계단 (74) 과 제 1 스페이서 링 (76) 사이에 배치되어 있다. 스페이서 부재 (50) 는 제 1 스페이서 링 (76) 과 압력센서 (40) 모두와 직접 접촉한다. 이러한 방법으로, 하우징의 내부는 막 (32) 과 압력센서 (40) 사이에서 이루어지는 시일에 대해 독립적으로 유체회로로부터 시일링이 된다. 드레인 채널 (78) 은 하우징 (14) 을 관통하여 외측표면까지 이르고 있다. 이 드레인 채널 (78) 은 상부 계단 (74) 및 시일 (54) 이 접촉하는 하부 계단 사이에 형성된다. 유동회로로부터 유체가 O 링 (54) 을 지나 누출하면, 이 유체는 센서 (40) 를 오염 또는 그에 양향을 주지 않고 상기 드레인 채널 (78) 을 지나서 하우징 밖으로 유출하게 된다.
O 링 (54) 이 유체유동회로측에 배치되는 경우에는 (도 10 및 12-15 참조), 이 O 링은 화학적으로 불활성인 재료로 만들어야 한다. duPont Nemours, Inc. 에서 만든 KALREZ 와 같은 퍼플루오르일래스토머가 이런 목적으로 적합하다. Greene, Tweed & Co.,Inc. 에서 만든 CHEMRAZ, 공중합체 PTFE 와 같은 다른 재료도 적합하다.
이상으로 본 발명의 구성상 특징을 설명하였으며, 지금부터 사용 방법을 설명하도록 한다. 압력 변환기 모듈 (10) 을 압력 이음부 (16,18) 를 통해 유체유동회로에 연결한다. 유체가 유동회로를 관류함에 따라, 압력은 압력센서 (40) 의 얇은 세라믹 플레이트 (38) 을 변형시키게 되고, 이에 따라 세라믹 압력센서의 용량(capasitance)이 변하게 된다. 이 용량의 변화는 유동회로내의 압력과 관련된 것이다. 이 용량의 변화는 전기회로 (48) 에 의해 검출되며, 이 회로는 다시 압력에 비례하는 아날로그 신호를 발생시키게 된다. 게이지 압력 또는 절대압력을 동등하게 측정할 수 있다.
당 기술분야에 익숙한 사람들은, 최소 출력치가 최소 압력과 관련되고 최대 출력치가 최대 압력과 관련되도록 변환기 출력을 보정할 수 있음을 알 것이다. 예컨데, 0 ∼ 100 psig (pound per square inch gauge) 를 측정하도록 된 변환기는 0 psig 에서 4mA 로, 100 psig 에서 20mA 로 읽을 수 있도록 보정할 수 있다.
압력센서의 세라믹 다이아프램 (38) 과 밀접히 접촉하는 불활성 테플론 막을 제공하면, 작동유체는 센서 표면과의 접촉(이는 오염으로 이어질 수 있다)을 하지 않게 된다. 이상의 시일링 구성으로, 작동유체가 하우징 (14) 의 공동부안으로 유입하여 전자회로에 나쁜 영향을 끼치는 것을 막을 수 있다.
이상으로 본 발명을, 특허규칙에 부합되도록 또한 새로운 원리를 적용하고 특징적인 구성요소들을 구성하고 사용하는데 필요한 정보를 기술분야에 익숙한 사람들에게 제공할 수 있도록, 상세히 설명하였다. 그러나, 이상의 실시예와는 달리 실시할 수 있으며 발명의 요지를 벗어나지 않고 본 장치와 사용방법에 대해 다양한 변형이 있을 수 있음을 알아야 한다.

Claims (29)

  1. 유체유동회로와 인라인(in-line)으로 연결되는 화학적으로 불활성인 압력 변환기 모듈로서,
    (a) 유체유동관이 되는 보어를 갖고 있는 하우징으로서, 상기 유동관의 입구단과 출구단은 상기 유체유동회로와 인라인으로 연결되며, 상기 하우징안에 형성되어 이 하우징의 외측표면으로부터 상기 보어안으로 형성된 공동부를 또한 갖는 하우징과,
    (b) 상기 하우징의 보어에 인접하여 상기 공동부안에 수용되고, 서로 대향하는 제 1, 2 주표면을 가지며, 제 1 주표면은 상기 유동관을 흐르는 유체에 노출되는 화학적으로 불활성인 가요성 막과,
    (c) 상기 가요성 막의 제 2 주표면과 인접 및 접촉하면서 공동부안에 배치되어, 상기 유동회로내의 압력변화를 검출하기 위한 수단과,
    (d) 상기 막과 압력변화 검출수단을 하우징 공동부내의 일정 위치에 고정시키기 위한 수단 및,
    (e) 상기 하우징의 공동부안에 수용되며, 유동회로내의 압력변화를 검출하는 상기 수단과 연결되어서, 보어내의 압력에 비례하는 전기신호를 발생시키는 전자회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정수단은 스페이서와 홀드다운링으로 구성되고, 이 홀드다운링의 외측표면에는 공동부의 내측표면에 형성된 나사와 결합하는 나사가 형성되어 있으며, 상기 스페이서는 압력변화 검출수단과 홀드다운링 사이에 배치되고, 홀드다운링이 공동부의 내측표면과 나사결합되면, 이 홀드다운링은 스페이서를 압력변화 검출수단에 대해 가압하는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 공동부를 덮기 위해 하우징에 장착되는 캡을 더 포함하며, 이 캡은 상기 전자회로에 전기적으로 연결되는 화학적으로 불활성인 전기 커넥터를 갖는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 막은 테트라플루오르에틸렌 플루오르카본 폴리머로 만들어지는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징 및 고정수단은 화학적으로 불활성인 폴리머로 만들어지는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,상기 화학적으로 불활성인 폴리머는 폴리테트라플루오르에틸렌인 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 하우징 및 고정수단은 화학적으로 불활성인 폴리머로 만들어지는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 압력변화 검출수단은 알루미나 세라믹 다이아프램 용량성 센서인 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 압력변화 검출수단은 압전형 센서인 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 전자회로는 유동회로내의 온도변화를 보상하기 위해 제어신호를 조절하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 막의 윗 표면에는 다수의 채널들이 형성되어 있고, 이 채널은 막의 한 가장자리로부터 이와 떨어진 다른 가장자리까지 이르는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  12. 유체유동회로와 인라인(in-line)으로 연결되는 화학적으로 불활성인 압력 변환기 모듈로서,
    (a) 관이 되는 보어를 갖는 하우징으로서, 상기 관의 입구단과 출구단은 상기 유체유동회로와 인라인으로 연결되며, 상기 하우징안에 형성되어 이 하우징의 외측표면으로부터 상기 보어안으로 형성된 공동부를 또한 갖는 하우징과,
    (b) 상기 하우징의 보어에 인접하여 상기 공동부안에 수용되는 화학적으로 불활성인 가요성 막과,
    (c) 상기 가요성 막과 인접 및 대면하여 공동부안에 배치되는 알루미나 세라믹 다이아프램 용량성 센서와,
    (d) 상기 막과 압력변화 검출수단을 하우징 공동부내의 일정 위치에 고정시키기 위한 수단 및,
    (e) 상기 하우징의 공동부안에 수용되며, 유동회로내의 압력변화를 검출하는 상기 수단과 작동적으로 연결되어서, 보어내의 압력에 비례하는 제어신호를 발생시키는 전자회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 고정수단은 스페이서와 홀드다운링으로 구성되고, 이 홀드다운링의 외측표면에는 공동부의 내측표면에 형성된 나사와 결합하는 나사가 형성되어 있으며, 상기 스페이서는 용량성 알루미나 세라믹 다이아프램 센서와 홀드다운링 사이에 배치되고, 홀드다운링이 공동부의 내측표면과 나사결합되면, 이 홀드다운링은 스페이서를 용량성 알루미나 세라믹 다이아프램 센서 대해 가압하는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 공동부를 덮기 위해 하우징에 장착되는 캡을 더 포함하며, 이 캡은 상기 전자회로에 전기적으로 연결되는 화학적으로 불활성인 전기 커넥터를 갖는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 막은 테트라플루오르에틸렌 플루오르카본 폴리머로 만들어지는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 하우징 및 고정수단은 화학적으로 불활성인 폴리머로 만들어지는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  17. 제 16 항에 있어서,상기 화학적으로 불활성인 폴리머는 폴리테트라플루오르에틸렌인 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 하우징 및 고정수단은 화학적으로 불활성인 폴리머로 만들어지는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 전자회로는 유동회로내의 온도변화를 보상하기 위해 제어신호를 조절하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  20. 제 12 항에 있어서, 상기 막의 윗 표면에는 다수의 채널들이 형성되어 있고, 이 채널은 막의 한 가장자리로부터 이와 떨어진 다른 가장자리까지 이르는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  21. 유체유동회로와 인라인(in-line)으로 연결되는 화학적으로 불활성인 압력 변환기 모듈로서,
    (a) 상기 유체유동회로와 인라인으로 연결되는 입구단과 출구단을 갖는 유체관이 되는 보어를 갖는 하우징으로서, 이 하우징안에 형성되어 이 하우징의 외측표면으로부터 상기 보어안으로 형성된 공동부를 더 구비한 하우징과,
    (b) 상기 하우징의 보어에 인접하여 상기 공동부안에 수용되는 화학적으로 불활성인 가요성 막과,
    (c) 상기 가요성 막과 인접 및 접촉하여 공동부안에 배치되는 압전형 압력센서와,
    (d) 상기 막과 압력변화 검출수단을 하우징 공동부내의 일정 위치에 고정시키기 위한 수단 및,
    (e) 상기 하우징의 공동부안에 수용되며, 유동회로내의 압력변화를 검출하는 상기 수단과 작동적으로 연결되어서, 보어내의 압력에 비례하는 제어신호를 발생시키는 전자회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 고정수단은 스페이서와 홀드다운링으로 구성되고, 이 홀드다운링의 외측표면에는 공동부의 내측표면에 형성된 나사와 결합하는 나사가 형성되어 있으며, 상기 스페이서는 압전형 센서와 홀드다운링 사이에 배치되고, 홀드다운링이 공동부의 내측표면과 나사결합되면, 이 홀드다운링은 스페이서를 압전형 센서에 대해 가압하는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 공동부를 덮기 위해 하우징에 장착되는 캡을 더 포함하며, 이 캡은 상기 전자회로에 전기적으로 연결되는 화학적으로 불활성인 전기 커넥터를 갖는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 막은 테트라플루오르에틸렌 플루오르카본 폴리머로 만들어지는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 하우징 및 고정수단은 화학적으로 불활성인 폴리머로 만들어지는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  26. 제 25 항에 있어서,상기 화학적으로 불활성인 폴리머는 폴리테트라플루오르에틸렌인 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 하우징 및 고정수단은 화학적으로 불활성인 폴리머로 만들어지는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  28. 제 21 항에 있어서, 상기 전자회로는 유동회로내의 온도변화를 보상하기 위해 제어신호를 조절하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
  29. 제 21 항에 있어서, 상기 막의 윗 표면에는 다수의 채널들이 형성되어 있고, 이 채널은 막의 한 가장자리로부터 이와 떨어진 다른 가장자리까지 이르는 것을 특징으로 하는 압력 변환기 모듈.
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