NO334591B1 - Miniatyrisert membran og skall for en trykkmålende sensor - Google Patents

Abstract

Membran (24) for et skall (20) for en trykksensor, som har et øvre og nedre kammer (34, 23), hvor membranen består av en støttevegg (36) og en kappe (41) som har en øvre og nedre plate (31, 32), idet støtteveggen har en sentral åpning (33), idet støtteveggen, bortsett fra sin sentrale åpning, skiller det nedre kammer fra det øvre kammer, idet den nedre plate (32) har en sentral åpning (38), idet kantene til de sentrale åpninger (33, 38) i henholdsvis støtteveggen (36) og den nedre plate (32) er sveiset til hverandre, idet periferier (37) av den øvre og nedre plate (31, 32) er sveiset til hverandre slik at det foreligger et volum (40) mellom den øvre og den nedre plate (31, 32), hvilket volum befinner seg i det øvre kammer (34) og kommuniserer gjennom de sentrale åpninger (33, 38) i henholdsvis støtteveggen (36) og den nedre plate (32), med det nedre kammer (23).

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Oppfinnelsens område

Oppfinnelsen angår en miniatyrisert, bøybar membran som skiller et nedre kammer som inneholder et rent trykkoverføringsmedium fra et øvre kammer som gjennom en åpning i det øvre kammer mottar et fluid hvis trykk skal måles.

Oppfinnelsen angår også et skall på en trykksensor, som inneholder det øvre og nedre kammer samt membranen.

Beskrivelse av teknikkens stilling

En trykksensormodul omfatter generelt et sensorskall med en åpning for inntak av et fluid hvis trykk skal måles av sensoren. Skallet omfatter en skillemembran som kan bøyes når et positivt eller negativt trykk påføres av fluidet som finnes ved åpningen i skallet. For å minimere uønskede trykkvirkninger må en slik separator ideelt være "transparent" overfor trykk. Dens stivhet må da være så liten som mulig. For et gitt materiale øker membranens stivhet når dens tykkelse øker og minsker når dets areal øker. Lav stivhet oppnås med store og/eller tynne membraner. Av pålitelighets- og robusthetsgrunner er disse membraner metalliske og er tykkere enn 50 mikrometer.

Separeringsmembranen skiller på en tett måte et indre lukket volum i et nedre kammer av skallet fra et åpent volum i et øvre kammer i skallet som har åpningen. Skallets nedre kammer inneholder et trykkoverføringsmedium og en målecelle. Trykket i fluidet som finnes i skallets åpne volum blir så indirekte påført målecellen, ved hjelp av membranen og overføringsmediet, f.eks. silisiumolje. På grunn av separeringsmembranen er cellen neddykket i trykkoverføringsmediet og er da beskyttet mot korroderende fluider, hvis trykk skal måles. Målecellen er laget av to halvceller som er forbundet med hverandre. En hul del innvendig i målecellen tillater en bøyning av en skillevegg i cellen. Motstander som danner en bro er mekanisk koplet, f.eks. utledet eller avsatt på en overflate av målecellens skillevegg. Når cellens skillevegg med tilkoplede motstander bøyes på grunn av trykket i overføringsmediet, bøyes motstandene. Bøyningen fører til en modifikasjon av motstandenes resistans. Motstandene kan være laget av tynnfilm som er klebet eller avsatt på skilleveggen. En type tynn film som brukes til å lage motstander, særlig motstander som brukes i celler, er laget av en blanding av tantal (Ta) -korn i en nitrid av tantal (NTa).

Bro-eksitering i form av en spenning eller strøm påtrykkes over to motsatte knutepunkter. Disse knutepunkter betegnes vanligvis som eksiteringsinnganger eller bro-drivinnganger. Bro-inngangene er koplet gjennom tette koplinger til eksterne tilkoplinger på målecellen og deretter på eksterne tilkoplinger på skallet.

For å få en lett bøybar membran, bruker man generelt store membraner (mer enn én cm i diameter) eller en slags belger laget av en flerhet av vegger. Sammen danner membranveggene form av veggene til et trekkspill. En åpning i den trekkspill-lignende veggen er vendt mot det nedre kammer slik at et innvendig volum i belgen fylles med det rene overføringsmediet. En ulempe ved en slik kon-struksjon for membranen som skiller det nedre kammer fra det øvre kammer, er at det nødvendigvis kan bli meget lang eller for stor for miniatyriserte system. I tillegg er det indre volum i belgen stort, og følgelig vil mengden av overføringsmediet, f.eks. silisiumolje, også være stort. Dette fører til at signalet overføres fra cellen vil variere med variasjonene i overføringsmediets volum på grunn av variasjoner i overføringsmediets temperatur.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Formålet med oppfinnelsen er å konstruere en miniatyrisert trykksensor med høy ytelse. Ettersom sensorcellen benytter konvensjonell MEMS-teknologi (Miniatyrisert Elektrisk og Mekanisk System) er alle anstrengelser blitt fokusert på innkapsling av en slik celle. Spesielt er én av nøkkelfaktorene å miniatyrisere skillemembranen uten at det skal gå på bekostning av sensortrykkcellens metro-logiske ytelser.

Etter forskyvningen av en slik skillemembran er meget liten (noen få hundre mikrometer), må mengden av overføringsmediet reduseres for å minimere dets volumvariasjoner knyttet til temperaturvariasjoner.

I kjente skall for trykksensorer, har skallet et indre, øvre kammer med en åpning for inntak av et fluid hvis trykk skal måles. Et nedre kammer som opptar en måletrykkcelle med en utvendig overflate, og fylt med et trykkoverføringsmedium. Som forklart i avsnittet om kjent teknikk, er en diameter av membranen mer enn én cm, slik at en overflate på membranen er stor nok, slik at god bøyning oppnås.

Oppfinnelsen tilveiebringer et skall for en trykksensor, omfattende et innvendig, øvre kammer med en åpning innrettet til å motta et fluid hvis trykk skal måles, et nedre, innvendig kammer fylt med et trykkoverføringsmedium, og en miniatyrisert membran; der den miniatyriserte membranen omfatter: - en støttevegg som har en sentral åpning med kanter av åpningen, idet støtteveggen, unntatt den sentrale åpning, skiller det nedre, innvendige kammer fra det øvre, innvendige kammer, og - en kappe som omfatter en øvre plate og en nedre plate idet begge platene har en periferi og den nedre plate har en sentral åpning med kanter av åpningen i den nedre plate, idet kantene til de sentrale åpninger i henholdsvis støtteveggen og den nedre plate er tett mekanisk forbundet med hverandre, idet periferien til den øvre og nedre plate er tett forbundet med hverandre slik at det foreligger et innvendig volum mellom den øvre og nedre plate, og hvor den øvre plate har små bølger.

Foretrukkede utførelsesformer av oppfinnelsen er angitt i kravene 2-7.

Membranen er laget av en støttevegg og av en kappe. Kappen er laget av en øvre plate og en nedre plate, idet begge plater har en periferi. Støtteveggen har en sentral åpning med åpningens kanter, støtteveggen skiller det nedre kammer fra de øvre kammer, bortsett fra den sentrale åpning. Den nedre plate har en sentral åpning med kanter av åpningen til den nedre plate. Kantene til de sentrale åpninger i henholdsvis støtteveggen og den nedre plate er tettende direkte mekanisk forbundet med hverandre. De sentrale åpninger i henholdsvis støtteveggen og den nedre plate kan også være tettende indirekte mekanisk forbundet med hverandre gjennom en rørformet forbindelsesvegg som har to ender. Én ende av oppfinnelsesveggen er tettende mekanisk forbundet med kantene av åpningen i støtteveggen og den andre ende er tettende mekanisk forbundet med kantene i åpningen i kappens nedre plate. Den øvre og nedre platens periferier er tettende forbundet med hverandre, slik at det foreligger et volum mellom den øvre og nedre plate. Volumet er i skallets øvre kammer og kommuniserer gjennom de sentrale åpninger i henholdsvis støtteveggen og den nedre plate, med det nedre kammer. Trykkoverføringsmediet befinner seg i det nedre kammer og i kappens indre volum. Når det finnes en rørformet forbindelsesvegg, er trykkoverføringsmediet også til stede i den rørformede forbindelsesvegg. I de to utføringsformer av mem branen, med eller uten rørformet forbindelsesvegg, tar membranen generelt form av en sopp, idet kappen er soppens hatt og den rørformede forbindelsesvegg er en fot på soppen, idet en lengde av foten er lik 0 når det ikke er noen rørformet forbindelsesvegg. Ettersom kappen er laget av to plater som er mekanisk forbundet med hverandre ved sine respektive omkretser, kan avstanden mellom de to platenes sentrale deler varieres i samsvar med trykkforskjellen mellom et indre volum i kappen og et ytre volum som omgir kappen. Denne soppformen av membranen gir god bøyning av membranen for en overflate av denne som er mindre enn en overflate hos membraner ifølge teknikkens stilling.

Kort beskrivelse av figurene

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til de medfølg-ende tegninger hvor: Fig. 1 er et skjematisk tverrsnittsriss av et trykksensorskall i en utførings-form som anvender en membran ifølge oppfinnelsen, i form av en belg med bare en øvre og en nedre plate som er mekanisk forbundet med en skillende bære-vegg.

Eksempler på foretrukne utførelsesformer

Termene øvre og nedre benyttes for å lette beskrivelsen av de ulike ele-menters relative posisjon. De er sanne i tegningen, men trykksensorens skall kan selvsagt være orientert på en annen måte enn vertikalt.

Fig. 1 er et aksialt tverrsnitt gjennom et skall 20 av en trykksensor som omfatter en i og for seg kjent safircelle 10. Safircellen 10 er laget av to halvdeler, 12 og 14, som er sammenstilt. En hul del 13 er innelukket i sammenstillingen 12,14. Den øvre del 14 av sammenstillingen er en skillevegg med en øvre overflate 15.

Den hule del 13 tillater bøyning av skilleveggen og særlig dens utvendige overflate 15 når cellen 10 står under trykk. Ved et referansetrykk vil den utvendige overflate

15 være flat. Ved påføring av trykk vil skilleveggens utvendige overflate 15 bøyes. Deler 1a, 1b; 1c, 1d av en tynnfilm er klebet på overflaten 15. På grunn av bøynin-gen av den øvre utvendige overflate 15, blir delene 1a, 1d bøyd utover mens delene 1b, 1c av tynnfilm 1 bøyes innover. Delene 1a, 1d danner en gren av en bro og del 1b, 1c danner den andre grenen. Resistansene til én gren vil da øke og den andre minsker. Ubalansen måles på kjent måte og knyttes til det påførte trykk.

Skallet 20 er laget av to halvskall, et øvre halvskall 21 og et nedre halvskall 22, som er tett sammenføyd. Et innvendig volum i skallet 20 er delt i to kamre 23 og 34, et nedre kammer 23 og et øvre kammer 34 ved hjelp av en membran 24. Ifølge oppfinnelsen er membranen 24 laget av en støttevegg 36 vinkelrett på en akse AA som er felles for cellen 10 og skallet 20. Støtteveggen 36 skiller det nedre kammer 23 fra det øvre kammer 34. Støtteveggen 36 har en nedre overflate i det nedre innvendige kammer 23 og en øvre overflate i det øvre innvendige kammer 34. Støtteveggen 36 har en sentral åpning 33. Det nedre kammer 23 i skallet 20 inneholder cellen 10. Elektriske, innvendige forbindelser 27 og utvendige forbindelser 28 er innrettet til å levere elektrisk strøm til en bro av motstander 1a, til 1d og å motta et signal derfra som indikerer påført trykk. De utvendige forbindelser 28 skal koples til en i og for seg kjent strømtilførsels- og behandlingskrets.

Det øvre kammer 34 har en åpning 35 innrettet til å motta fluidet hvis trykk skal måles. Det øvre kammer 34 inneholder en øvre overflate av støtteveggen 36 og membranen 24. Pr. definisjon dannes membranen 24 av sin støttevegg 36 og av en kappe 41. Kappen 41 er en belg som er laget av en øvre plate 31 og en nedre plate 32. Platene 31, 32, som sammen danner kappen 41, er sveiset til hverandre ved en felles periferi av platene 31, 32, f.eks. ved lasersveising. Den nedre plate 32 til kappen 41 har en sentral åpning 38. Kanter av kappens 41 sentrale åpning 38 er tettende forbundet med kanter rundt skille-støtteveggens 36 sentral åpning 33. Små bølger 39 på den øvre plate 31 letter bøyning av kappen 41 under trykk. I en slik utføringsform, vil verdien av trykket som overføres til et overføringsmedium ikke endres eller endres ubetydelig av et mottrykk i selve membranen. Et innvendig volum 40 i kappen 41 er definert som volumet begren-set av den øvre og nedre plate 31, 32 og, når det forefinnes, av et innvendig volum av en rørformet vegg som forbinder kantene av kappens sentrale åpninger 38, 33 og av skille-støtteveggen 36. En midlertidig åpning 29 forbinder skallets 20 nedre kammer 23 med skallets 20 utside. Den midlertidige åpning 29 brukes til å innføre trykkoverføringsmediet, f.eks. silikonolje, i et volum 26 i skallets 20 nedre kammer 23 og i kappens 41 indre volum 40. Volumet 26 til det nedre kammer 23 er det volum som er forskjellen mellom et totalt volum i det nedre kammer 23 og det volum safircellen 10 inneholder i det nedre kammer 23. Fyllingen av volumet 26 i skallets 20 nedre kammer 23 og av kappens 41 indre volum 40 utføres under vakuum for å hindre gassbobler i nevnte volumer 26, 40. Den midlertidige åpning 29 blir så forseglet. Dette er grunnen til at åpningen 29 er betegnet som "midlertidig" og er vist med brutte linjer i fig. 1. Trykkoverføringsmediet finnes i volumet 26, over hele safircellens 10 utvendige overflate og i kappens 41 innvendige volum 40. Volumet av trykkoverføringsmediet er summen av det volum 26 som er volumet i det nedre kammer 23 som ikke er opptatt av safircellen 10 og det indre volum 40 av kappen 41. Det skal bemerkes at høydedimensjonen mellom kappens 41 to plater 31, 32 er vist i en større målestokk enn diameteren til skallet 20 og til safircellen 10 for å gjøre figuren lettere forståelig. Det samme gjelder sideveggens 36 høyde (tykkelse). I en utføringsform av oppfinnelsen, der avstanden mellom de to plater 31, 32 er størst, er høyden 2 mm og diameteren ved platenes 31, 32 periferi er ca. 6 mm. Følgelig er kappens 41 innvendige volum 40 ca. 100 kubikkmillimeter.

Skallets 20 virkemåte er som følger. Trykket som skal måles mottas ved den ytre åpning 35 i skallets 20 øvre kammer 34. Trykket overføres til safircellen 10 gjennom kappen 41 og trykkoverføringsmediet som finnes i det innvendige volum 26 som omgir cellen 10, og i det innvendige volum 40 i kappen 41. Overflaten 15 til cellens 10 øvre del 14 bøyes. Bøyningen forårsaker en modifikasjon av verdien til motstander 1a til 1 d i motstandsbroen. Et elektrisk signal modifiseres i samsvar med bøyningen som skyldes det målte trykk. Nevnte signal sendes til behandlingskrets (ikke vist) gjennom elektriske forbindelser 27, 28.

Noen fordeler ved oppfinnelsen skal nå forklares. For det første, fordi der er en stiv støttevegg 36 mellom de to kamre 23 og 24 i skallet 20, kan den nedre overflate på støtteveggen 36 være meget nær cellens 10 øvre overflate 15. Det er ingen fare for at det på grunn av kappens 41 bevegelse skal skje en kortslutning mellom de elektriske forbindelser 27, 28 og kappen 41. Følgelig kan avstanden mellom cellens 10 utvendige overflate og en innvendig overflate i det nedre kammer 23 være så liten som 100 um og enda lavere. Hvis D er safircellens 10 diameter, h dens høyde og W avstanden mellom den innvendige overflate i det nedre kammer 23 og den utvendige overflate på cellen 10, kan det, ved en første tilnær- ming, sies at volumet 26 V er lik produktet av cellens 10 utvendige overflate og avstanden W.

I en utføringsform der D er mindre enn 7 mm, ca. 6 mm, er h ca. 4 mm og W er mindre enn 100 um rundt hele cellens 10 utvendige overflate, var volumet 26

mindre enn 200 kubikkmillimeter. Slik at det volum av overføringsmediet er mindre enn 300 kubikkmillimeter. På grunn av at volumet til overføringsmediet er forholds-vis lite, kan volumvariasjonene i overføringsmediet, over et bredt temperaturområ-de, absorberes av kappens 41 bøyning og det er ikke behov for å kompensere for temperaturvirkningen i behandlingskretsen. Videre er skallets 20 totale dimensjo-ner miniatyrisert slik at en utvendig diameter av skallet er mindre enn 8 mm og en total lengde av det er mindre enn 15 mm.

Et slikt skall 20, som er beskrevet ovenfor, er beregnet for anvendelse f.eks. i boret brønn, f.eks. for olje eller oljeundersøkelser.

De ovenfor beskrevne utføringsformer er eksempler på utføringsformer, idet oppfinnelsen er definert ved de medfølgende krav.

Claims (7)

1. Skall (20) for en trykksensor, omfattende: et innvendig, øvre kammer (34) med en åpning (35) innrettet til å motta et fluid hvis trykk skal måles, et nedre, innvendig kammer (23) fylt med et trykkover-føringsmedium, og en miniatyrisert membran (24); der den miniatyriserte membranen (24) omfatter: en støttevegg (36) som har en sentral åpning (33) med kanter av åpningen (33), idet støtteveggen (36), unntatt den sentrale åpning (33), skiller det nedre, innvendige kammer (23) fra det øvre, innvendige kammer (34), og en kappe (41) som omfatter en øvre plate (31) og en nedre plate (32) idet begge platene (31,32) har en periferi (37) og den nedre plate (32) har en sentral åpning (38) med kanter av åpningen (38) i den nedre plate (32), idet kantene til de sentrale åpninger (33, 38) i henholdsvis støtteveg-gen (36) og den nedre plate (32) er tett mekanisk forbundet med hverandre, idet periferien (37) til den øvre og nedre plate (31, 32) er tett forbundet med hverandre slik at det foreligger et innvendig volum (40) mellom den øvre og nedre plate (31, 32), og hvor den øvre plate har små bølger (39).

2. Skall (20) ifølge krav 1, hvor periferiene (37) til den øvre og nedre plate (31, 32) er forbundet med hverandre ved hjelp av lasersveising.

3. Skall (20) ifølge krav 1 eller 2, hvor den miniatyriserte membranen er mindre enn syv mm i diameter.

4. Skall (20) ifølge ett av kravene 1 til 3, hvor kappens (41) volum (40) befinner seg i skallets (20) øvre kammer (34) og kommuniserer gjennom de sentrale åpninger (33, 38) i henholdsvis støtteveggen (36) og den nedre plate (32), med det nedre kammer (23) slik at trykkoverføringsmediet befinner seg i det nedre, innvendige kammer (23) og i det innvendige volum (40) i kappen (41).

5. Skall (20) ifølge krav 1, hvor skallets (20) nedre, innvendige kammer (23) omfatter en målecelle (10) idet trykkoverføringsmediet omslutter hele målecellens (10) utvendige overflate.

6. Skall (20) ifølge krav 5, hvor en avstand mellom cellens (10) utvendige overflate og en innvendig overflate i det nedre, innvendige kammer (23), idet nevnte overflate i det nedre, innvendige kammer (23) innbefatter en nedre overflate av kappens 41 støttevegg (36), er mindre enn 100^m over hele cellens (10) utvendige overflate.

7. Skall (20) ifølge ett av de foregående krav, hvor skallet har en utvendig diameter mindre enn 8 mm og en total lengde mindre enn 15 mm.