KR20020033173A - 용량성 압력 센서용 배플 - Google Patents

Abstract

배플이 용량성 압력 센서의 격막에 인접하게 배치되어 이들 사이의 용적은 작다. 배플은 높은 종횡비의 통로를 형성하여, 분자가 격막에 도달하기 전에 움직이는 분자 흐름을 생성한다. 이 통로는 오염물이 격막에 도달하기 전에 배플 또는 하우징에 점착되게 한다. 상기 센서는 유입부와 배플 사이에 입자 포집부를 더 포함한다.

Description

용량성 압력 센서용 배플{BAFFLE FOR A CAPACITIVE PRESSURE SENSOR}

용량성 압력 센서는 온도 조절 시스템 및 반도체 공정 등의 많은 용례에서 사용된다. 압력 센서는 하우징과, 압력이 감지될 유체(가스 또는 액체)를 수용하기 위해 상기 하우징에 마련된 유입부와, 전도성 연질 격막, 그리고 이 격막 근처에 있는 전극을 구비한다. 격막과 전극은 그들 사이에 소정의 커패시턴스를 갖는다. 격막이 유체로부터의 압력에 반응하여 전극에 대해 이동됨에 따라, 센서가 커패시턴스의 변화를 감지한다.

압력이 감지될 유체의 유입부와 연질 격막 사이에 배플을 구비하는 것이 바람직할 수 있다. 배플은 오염물이 격막을 오염시키는 것을 방지하는 데 기여한다. 본원에 전적으로 참고로 포함되어 있는 미국 특허 제5,811,685호에는 배플과 몇 가지 종래의 배플 구조를 개시되어 있다. 또한, 이 특허에는 상기 센서 내에 배플이 존재하는 이유와 그 잇점이 설명되어 있다.

본 발명은 격막과 전극 간의 커패시턴스의 변화를 감지하는 용량성 압력 센서에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 센서의 한쪽 절반을 도시하는 단면도이고,

도 2는 입자 포획부의 평면도이며,

도 3은 본 발명에 따른 배플의 평면도이다.

본 발명의 용량성 압력 센서는 유체를 수용(受容)하는 유입부를 구비한 하우징, 유체의 압력에 반응하여 구부러지는 격막, 그리고 상기 유입부와 격막 사이를 흐르는 가스 분자를 위한 높은 종횡비의 반경 방향 통로를 제공하도록 설계된 배플을 구비한다. 또한, 본 발명은 입자 포집(捕集) 시스템(배플이기도 함)을 포함하는데, 이 입자 포집 시스템은 상기 배플이 격막과 포집 시스템 사이에 있도록 배치된다. 배플에 의해 형성되는 통로의 종횡비(반경 방향 길이 대 간극의 비)는 10보다 크며, 50보다 더 큰 것이 바람직하다.

다른 양태에서, 용량성 압력 센서는 유체를 수용하는 유입부를 구비한 하우징, 유체의 압력에 반응하여 구부러지는 격막, 그리고 상기 유입부와 격막 사이에 있는 배플을 구비하고, 이 배플은 분자가 취하는 상기 유입부로부터 격막까지의 통로가 층류와는 대조적으로 분자 흐름을 일으키도록 설계된다.

배플과 격막은 이들 사이에 작은 용적이 존재하도록 서로 근접하게 배치되어, 센서가 가스 압력의 변화에 신속하게 반응하는 것이 바람직하다.

배플에 의해 형성된 통로의 종횡비가 클수록, 분자가 격막의 연질 부분에 도달하기 전에 배플 또는 하우징의 표면에 점착될 가능성이 더 커지며, 이에 따라 격막을 침적으로부터 보호한다. 배플과 격막 간의 작은 용적은 용적이 큰 경우처럼 반응 시간을 감소시키지 않는다. 이하의 상세한 설명, 도면 및 청구범위를 읽음으로써 그 밖의 특징 및 장점이 명백해질 것이다.

도 1은 대칭인 센서(10)의 절반부를 보여주는 단면도이다. 센서(10)는 감지될 유체를 수용하기 위한 유입부(14)가 마련된 하우징 부재(12)를 구비한다. 하우징 부재(12)와 다른 하우징 부재(18) 사이에 격막(16)이 용착되어 있다. 챔버(20)는 격막(16)과 하우징 부재(18)로 포위되어 있고, 바람직한 압력(예컨대, 영 압력)을 갖는다. 이 격막(16) 근처에는 전극(22)이 기둥(24)에 의해 지지되어 있다. 여기에서는 단일 전도성 부품으로 도시되어 있지만, 전극은 유전체(세라믹) 디스크에서 형성된 하나 이상의 전도성막일 수 있다. 격막과 전극은 그 사이에 소정의 커패시턴스를 갖는다. 격막(16)은 유입부(14)에 있어서 유체의 압력의 변화에 반응하여 구부러지고, 이로써 격막과 전극 간의 커패시턴스가 변화된다.

유입부와 격막 간의 통로에는 포집 시스템(28)이 존재하고, 포집 시스템(28)과 격막(16) 사이에는 배플(30)이 존재한다. 포집 시스템(28)의 구조는 본 명세서에서 설명되는 상기 특허에 상세히 설명되어 있다. 또한, 본원의 도 2를 참조하면, 포집 시스템(29)은 유입부(14)의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 중간 부분(34)을 구비하여, 유입부로부터 격막에 이르는 직선 통로를 차단한다. 중간 부분(34)의 주위에는 복수 개의 주변 개구(36)가 있다. 이들 개구는 포집 시스템에 대해 원주 방향으로 등간격으로 배치된 일련의 섹터로서 형성되며, 또한 반경 방향으로 상이한 직경 위치에 배열된다.

도 1을 참조하면, 유입부(14)로부터의 입자는(만일, 입자가 너무 작아 환형영역 또는 개구를 억지 통과할 수 없는 경우가 아니라면) 하우징 부재(12)와 포집 시스템(28) 사이에 있는 환형 영역(38)을 통과한 후, 개구(36)를 통과한다. 환형 영역(38) 및 개구(36)는 비교적 큰 입자(예컨대, 250 미크론 이상)가 통과하는 것을 방지하도록 크기가 정해진다.

도 3을 참조하면, 배플(30)은 그 원주 주위에 등간격으로 배치된 복수 개의 탭(40)을 구비하는 거의 원형인 금속판이다. 이들 탭은 본질적으로 복수 개의 환형 섹터(42)를 형성하며, 배플(30)과 하우징 부재(12) 간의 반경 방향 폭은 탭의 길이와 동일하다. 따라서, 이와 같은 배플의 설계와 하우징에 대한 위치 설정으로, 환형 섹터로서 유체가 통과 가능한 개구를 형성한다.

배플(30)은 하우징 부재(12) 근처에 배치되고, 이로써 임의의 오염물 종류의 성분을 포함한 가스를 개구(36)와 환형 섹터(42) 사이를 지나 격막(16)에까지 이르게 하는 반경 방향 통로(44)를 형성한다. 이 반경 방향 통로의 종횡비는 개구(36)에서 환형 섹터(42)까지의 통로의 반경 방향 길이(l) 대 배플(30)과 하우징 부재(12) 간의 간극을 나타내는 간극(d)의 비로서 정의된다. 본 발명에 따른 종회비는 10보다 크며, 50보다 큰 것이 바람직하다. 길이는 1cm 이상으로, 약 1 내지 4cm 인 것이 바람직하며, 간극은 0.1cm 이하로서, 약 0.025 내지 0.1cm 인 것이 바람직하다.

이러한 높은 종횡비의 통로 내에서 움직이는 오염물 분자는 상기 통로를 횡단하는 동안 배플(30) 및 하우징 부재(12)의 표면에 수백번 충돌하기 쉽다. 배플(30) 또는 하우징 부재(12)의 표면에 상기 분자가 침적될 확률은 상기 충돌 횟수 및 점착계수의 함수이다. 충돌 횟수가 증가하면, 분자가 침적될 가능성이 매우 상승한다. 만일 충돌 횟수가 100보다 크다면, 점착 계수가 낮은 경우에도 배플 및 하우징 표면에 침적될 가능성이 높아지며, 이에 따라 격막을 침적종으로부터 보호한다. 따라서, 통로는 오염물이 침적될 가능성이 상당히 크도록 구성된다.

통로는 통상의 진공 공정 조건(예컨대, 100mT 미만)에서 분자 흐름을 형성한다. 이러한 분자 흐름은, 흐름의 경계층이 중심 흐름의 주변에 존재하여 이를 고립시키는 것인 층류와는 대조적으로 간극을 횡단하는 분자가 표면과 다중 충돌하게 한다. 층류와는 대조적인 분자 흐름은 분자의 평균 자유 경로가 통로(여기에서는, 간극)의 치수보다 훨씬 더 큰 흐름, 즉 분자가 다른 분자에 충돌하기 보다는 통로의 벽에 더 자주 충돌하는 흐름이다.

배플과 격막 사이에 큰 용적이 존재한다면, 컨덕턴스(C)를 갖는 통로 후방의 용적이 V인 곳에서 V/C로 정의되어 얻어지는 공기역학적 시간 상수로 인해 격막의 반응 시간이 감소한다. 그러나, 본 발명에서는 배플과 격막 사이의 용적이 작으므로, 좁은 간극이 흐름의 교축부로 인하여 더 낮은 컨덕턴스를 부여한다 하더라도 응답 속도가 빠르다. 배플(30)과 격막(16) 사이의 간극(g)은 0.025 내지 0.1 cm인 것이 바람직하며, 배플(30)과 격막(16) 사이의 내부 용적(50)은 0.05 세제곱 인치(0.8 cm³) 보다 크고 0.1 세제곱 인치(1.6 cm³) 보다 작은 것이 바람직하다.

포집 시스템(28)은 인코넬(inconel) 등의 합금 또는 스테인레스강과 같은 내부식성, 비오염성 물질로 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 배플(30)은 금속으로 제조되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 배플은 격막에 도달하기 전에 분자의 충돌 및 점착을 허용하기 위해 유익하게 긴 통로를 제공하는 동시에, 배플과 격막 사이에 유익하게 작은 용적을 제공한다.

본 발명의 실시예를 설명함으로써, 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위를 벗어남 없이 수정예를 만들 수 있다는 것이 명백해질 것이다. 예컨대, 배플 시스템은 정전용량식 미분 센서와 사용될 수 있다.

Claims (25)

1. 유체를 수용(受容)하는 유입부를 구비한 하우징과,

   유체로부터의 압력에 반응하여 구부러지는 격막과,

   상기 격막의 움직임에 반응하여 변화하는 커패시턴스를 형성하도록 커패시터로부터 간격을 두고 배치되는 전극, 그리고

   상기 유입부와 격막 사이에 배치되고, 분자가 격막에 도달하기 전에 통과하는 하나 이상의 개구를 형성하도록 구성된 배플

   을 포함하고, 상기 배플은, 분자가 격막에 도달할 수 있기 전에 유입부로부터 하우징과 배플 사이의 통로를 따라 개구까지를 반드시 이동하도록 배치 및 형성되어 있으며, 통로의 길이 대 하우징과 배플 사이의 간극의 비는 10 이상인 것인 용량성 압력 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 비는 50 이상인 것인 센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 배플은 격막으로부터 0.1 cm 이하의 간격을 두고 배치된 것인 센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 배플과 격막 사이의 용적이 1.6 cm³이하인 것인 센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 유입부와 배플 사이에 입자 포집부를 더 포함하고, 이 포집부는 유입부의 맞은편에 닫힌 중앙 부분을 구비하고 주변 영역에 개구를 구비하는 것인 센서.
6. 제5항에 있어서, 상기 배플은 거의 원형이고, 등간격으로 배치된 복수 개의 탭을 구비하며, 상기 탭은 그들 사이에 원주 방향으로 환형 섹터를 형성하고, 반경 방향으로 배플과 하우징 사이는 개구로 형성되는 것인 센서.
7. 제6항에 있어서, 상기 통로의 길이는 반경 방향에 있고 포집부의 개구에서 배플의 섹터까지 연장하는 것인 센서.
8. 제1항에 있어서, 상기 배플은 거의 원형이며, 등간격으로 배치된 복수 개의 탭을 구비하는 것인 센서.
9. 제1항에 있어서, 상기 통로의 길이는 1 cm 이상인 것인 센서.
10. 제9항에 있어서, 상기 통로의 길이는 1 내지 4 cm인 것인 센서.
11. 제9항에 있어서, 상기 간극은 0.1 cm 미만인 것인 센서.
12. 제1항에 있어서, 상기 간극은 0.1 cm 미만인 것인 센서.
13. 평면에서 제1 직경을 갖는 유입부를 구비한 하우징과,

    상기 평면에 평행한 닫힌 중간 부분을 구비하고 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 가지며, 자신보다 작은 입자의 통과를 허용하는 주변 개구를 구비하는 제1 배플 부재와,

    상기 평면에 평행하고 상기 하우징에 연결되는 연질 격막과,

    상기 평면에 평행하고, 격막과 제1 배플 부재 사이에 배치되며, 제2 직경보다 큰 제3 직경을 갖고, 하우징으로부터 간격을 두고 떨어진 외주부가 상기 평면에 수직한 방향으로 유체의 통과를 허용하는 제2 배플 부재

    를 포함하는 것인 용량성 압력 센서.
14. 제13항에 있어서, 제1 배플 부재의 개구와 외주부 사이의 반경 방향 통로가 10보다 큰 종횡비를 갖는 것인 압력 센서.
15. 제14항에 있어서, 상기 종회비는 50보다 큰 것인 압력 센서.
16. 제13항에 있어서, 상기 하우징은 입자가 유입부에서 제1 배플 부재의 개구까지 이동하는 것을 허용하는 환형 개구를 구비하는 것인 압력 센서.
17. 제13항에 있어서, 상기 제2 배플 부재와 격막 사이의 용적은 1.6 cm³미만인 것인 압력 센서.
18. 제17항에 있어서, 상기 제1 배플 부재의 개구와 외주부 사이의 반경 방향 통로가 10보다 큰 종횡비를 갖는 것인 압력 센서.
19. 제18항에 있어서, 상기 종횡비는 50보다 큰 것인 압력 센서.
20. 유체를 수용하는 유입부를 구비한 하우징과,

    유체로부터의 압력에 반응하여 구부러지는 격막과,

    상기 격막의 움직임에 반응하여 변화하는 커패시턴스를 형성하도록 커패시터로부터 간격을 두고 배치되는 전극, 그리고

    상기 유입부와 격막 사이에 배치되고, 분자가 격막에 도달하기 전에 통과하는 하나 이상의 개구를 형성하도록 구성된 배플

    을 포함하고, 상기 배플은, 분자가 격막에 도달할 수 있기 전에 유입부로부터 하우징과 배플 사이의 통로를 따라 개구까지를 반드시 이동하도록 배치 및 형성되어 있으며, 통로의 기하학적 구조가 분자 흐름을 생성하는 것인 용량성 압력 센서.
21. 제20항에 있어서, 상기 배플과 격막 사이의 용적이 1.6 cm³이하인 것인 센서.
22. 제20항에 있어서, 상기 유입부와 배플 사이에 입자 포집부를 더 포함하고, 이 포집부는 유입부의 맞은편에 닫힌 중앙 부분을 구비하고 주변 영역에 개구를 구비하는 것인 센서.
23. 제22항에 있어서, 상기 배플은 거의 원형이고, 등간격으로 배치된 복수 개의 탭을 구비하며, 상기 탭은 그들 사이에 원주 방향으로 환형 섹터를 형성하고, 반경 방향으로 배플과 하우징 사이는 개구로 형성되는 것인 센서.
24. 제23항에 있어서, 상기 통로의 길이는 반경 방향에 있고 포집부의 개구에서 배플의 섹터까지 연장하는 것인 센서.
25. 제20항에 있어서, 상기 배플은 거의 원형이며, 등간격으로 배치된 복수 개의 탭을 구비하는 것인 센서.