용량성 센서의 하우징 및 다이아프램 사이에서 시일을형성하는 방법 document_id A220623051973

도 1A는 종래의 용량성 압력 변환기 조립체(100)의 부분 단면도이다. 도 1B는 도 1A의 상부 하우징(40), 다이아프램(56) 및 하부 하우징(60)의 분해 사시도이다. 간략히 말하면, 용량성 압력 변환기 조립체(10)는 내부 캐비티(cavity)를 형성하는 본체를 포함한다. 상대적으로 얇고 연질인 다이아프램(56)이 내부 캐비티를 밀폐된 제1 내부 챔버(52)와 밀폐된 제2 내부 챔버(54)로 분할한다. 이하에서 더 상세히 설명하는 바와 같이, 다이아프램(56)은 챔버(52)와 챔버(54)의 차압에 따라 휘거나 움직이거나 변형되도록 장착된다. 변환기 조립체(10)는 다이아프램의 휨 정도를 나타내는 파라미터를 제공하고, 따라서 이 파라미터는 챔버(52)와 챔버(54)의 차압을 간접적으로 나타낸다. 변환기 조립체(10)에 의해 제공되며 차압을 나타내는 파라미터는 다이아프램(56)과 상부 하우징(40) 상에 배치되는 하나 이상의 도체 사이의 전기용량이다. 용량성 압력 변환기 조립체(10)는 세라믹 상부 하우징(40), 세라믹 다이아프램(56) 및 세라믹 하부 하우징(60)을 포함한다. 위쪽에서 보았을 때 일반적으로 고리형인(circular shape) 상부 하우징(40)은 상부면(41), 중앙 하부면(47), 하부면(42a)을 가지는 환형 숄더(annular shoulder)(42) 및 중앙 하부면(47)과 환형 숄더(42) 사이에 위치하는 환형 채널(43)을 구비한다. 환형 숄더(42)의 하부면(42a)은 중앙 하부면(47)과 실질적으로 동일 평면상에 있다. 상부 하우징은 중앙 틈새(aperture)(또는 통로)(48)를 구비하는 압력관(44)를 추가로 포함하는데 중앙 틈새는 상부측에서 하부측까지 하우징(40)을 관통하여 연장된다. 금속 도체(46)는 하부면(47)의 중앙부 상에 배치된다. 다이아프램(56)은 상부면(57) 및 반대편의 하부면(59)을 가지는 일반적으로 고리형인 얇은 다이아프램이다. 금속 도체(58)는 다이아프램(56)의 상부면(57)의 중앙부 상에 배치된다. 다이아프램(56)과 상부 하우징(40)은 상부 하우징(40)의 도체(46)가 다이아프램(56)의 도체(58)와 대향하도록 배치된다. 다이아프램(56)은 기밀(air-tight) 시일(또는 조인트)(70)에 의해 상부 하우징(40)에 체결되는데, 이하에서 더 상세히 설명한다. 시일(70)은 상부 하우징(40)의 환형 숄더(42)의 하부면(42a)과 이에 대응하는 다이아프램(56)의 상부면(57)의 환형부 사이에 위치한다. 밀폐될 때, 상부 하우징(40), 시일(70) 및 다이아프램(56)은 기준 챔버(52)를 형성한다. 압력관(44)의 틈새(48)는 기준 챔버(52) 내로의 입구 또는 도입 통로를 제공한다. 일반적으로 고리형인 하부 하우징은 상부면(62a)을 가지며 상위로 돌출된 환형 숄더(62) 및 중앙 틈새(64)를 구비한다. 하부 하우징(60)의 숄더(62)의 상부면(62a)은 다이아프램(56)의 하부면(59)의 대응부에 기밀 시일(또는 조인트)(76)에 의해 체결된다. 시일(76)은 시일(70)과 유사하게 배치되고 제작될 수 있다. 밀폐될 때, 하부 하우징(60), 시일(76) 및 다이아프램(56)의 하부면(59)은 공정 챔버(54)를 형성한다. 입구 통로(68)를 가지는 압력관(66)은 입구 통로(68)가 하부 하우징(60)의 개구(64)에 정렬하도록 하부 하우징(60)에 체결된다. 따라서, 공정 챔버(54)는 개구(64)와 입구 통로(68)를 통해 외부와 유체 소통을 한다. 작동 중에, 용량성 압력 변환기 조립체(10)가 외부 압력을 측정한다. 용량성 압력 변환기 조립체(10)의 도체(46)와 도체(58)는 가변 커패시터(capacitor)(C)의 평행판을 형성한다. 알려진 바와 같이, C=Aεrεo /d 이다. C는 평행판 사이의 전기용량이고, A는 판 사이의 공유면적이며, εo는 진공상태의 유전율이고, εr는 판을 분리하는 재료의 상대 유전율(예를 들어 진공에 대해 εr=1)이며, d는 판 사이의 축방향 거리(즉, 판에 수직한 축선을 따라 측정한 판 사이의 거리)이다. 따라서, 커패시터(C)에 의해 제공되는 전기용량은 도체(46)와 도체(58) 사이의 축방향 거리의 함수이다. 챔버(52)와 챔버(54) 사이의 차압의 변화에 따라 다이아프램(56)이 상하로 움직이거나 휘면서, 커패시터(C)에 의해 제공되는 전기용량 또한 변한다. 임의의 순간에서, 커패시터(C)에 의해 제공되는 전기용량은 챔버(52)와 챔버(54) 사이의 순간 차압을 나타낸다. 공지된 전기 회로[예를 들어, 커패시터(C)에 의해 제공되는 전기용량의 함수인 공명 진동수로 특징지어지는 "탱크" 회로]가 커패시터(C)에 의해 제공되는 전기용량을 측정하고 차압을 나타내는 전기 신호를 제공하기 위해 이용될 수 있다. 도체(46)와 도체(58)는 예를 들어 금 또는 구리 같은 매우 다양한 전도성 재료로 이루어질 수 있고, 공지된 박막/후막 제조 공정 또는 다른 공지된 제조 방법을 통해 제조될 수 있다. 박막 제조 공정이 이용될 때, 도체(46, 48)는 예를 들어 약 1㎛의 두께를 가질 수 있다. 다이아프램(56)은 대개 산화 알루미늄으로 만들어진다. 그러나, 산화 유리 단결정 세라믹 재료같은 다른 세라믹 재료도 이용될 수 있다. 전기용량 센서는 미국 특허 제5,920,015호 및 제6,122,976호에 개시된 세라믹 구성 성분을 가질 수 있다. 작동 중에, 용량성 압력 변환기 조립체(10)는 보통 절대 압력 변환기로 이용된다. 이 경우, 기준 챔버(52)는 보통 압력관(44)에 진공 펌프(도시되지 않음)를 사용함으로써 첫 번째로 비워진다. 기준 챔버(52)가 비워지고 난 후 관(44)은 밀폐되어 챔버(52)의 진공 상태를 유지하도록 한다. "게터(getter)" 역시 관(44)에 연결되어 장기간동안 기준 챔버(52)의 진공 상태를 유지하도록 할 수 있다. 이로 인해 챔버(52)에서 "기준" 압력이 생성된다. 비록 진공 상태가 편리한 기준 압력이기는 하지만 다른 기준 압력이 이용될 수 있다. 기준 압력이 챔버(52)에서 확정되고 난 후, 압력관(66)이 유체의 압력을 측정할 수 있도록 유체 공급원(도시되지 않음)에 연결된다. 이 방법으로 압력관(66)을 체결하여 압력이 측정되는 유체를 공정 챔버(54)[및 다이아프램(56)의 하부면(59)]에 전달한다. 다이아프램(56)의 중앙부는 챔버(52)와 챔버(54) 사이의 차압에 따라 상하로 움직이거나 휘고 이에 따라 커패시터(C)의 전기용량이 변한다. 커패시터(C)의 순간 전기용량이 다이아프램(56)의 위상을 나타내기 때문에, 변환기 조립체(10)는 챔버(52)내의 압력에 대한 챔버(54)내의 상대적인 압력을 측정할 수 있다. 변환기 조립체(10)은 또한 차압 변환기로도 당연히 이용될 수 있다. 이 경우, 압력관(44)은 제1 유체 공급원(도시되지 않음)에 연결되고 압력관(66)은 제2 유체 공급원(도시되지 않음)에 연결된다. 그 후 변환기 조립체(10)는 두 유체 사이의 차압을 측정할 수 있다. 선택적으로, 기준 챔버(52)는 대기압으로 유지되어 "게이지(gauge)" 변환기를 제공도록 할 수 있다. 전술한 바와 같이, 챔버(52, 54) 사이의 차압의 변화는 다이아프램(56)을 휘게 하며 이에 따라 도체(46)와 도체(56) 사이의 간극(gap)이 변화한다. 간극의 변화를 측정하면 차압을 측정할 수 있다. 하지만 간극은 압력과 관계없는 요인에 영향받을 수도 있다. 예를 들어, 간극은 온도 변화에 영향받을 수 있다. 변환기 조립체(10)의 구성 성분은 다양한 재료로 만들어질 수 있으므로, 각 재료는 고유의 열 팽창 계수를 가지고, 주변 환경의 온도 변화는 다이아프램(56)을 도체(46)에 가까워지도록 또는 멀어지도록 움직이게 한다. 다행스럽게도, 온도 변화에 따른 간극의 변화는 차압의 변화에 따른 간극의 변화에 비해 각 재료의 특성에 따라 다르다. 주변 온도의 변화에 의한 간극의 변화를 보상하기 위해, 상부 하우징(40)의 하부면(47)상의 도체에 근접하여 배치된 제2 도체(도시되지 않음)를 포함하는 방법이 알려져 있다. 그러한 실시예에서, 도체(46)와 도체(58)는 가변 커패시터 C1의 평행판을 형성하고 도체(58)와 제2 도체는 가변 커패시터 C2의 평행판을 형성한다. 두 캐피시터 C1 및 C2는 온도 변화에 대한 변환기의 민감도를 감소시키기 위한 방법으로서 이용될 수 있다. 상부 하우징(40)은 챔버(52, 54)내의 압력이 동일한 경우 도체(58)[즉, 다이아프램(56)]에 의해 구비되는 평면에 하부면(47) 및 하부면(47) 상에 배치된 어느 도체가 수평한 평면에 배치될 수 있도록 위치한다. 상술한 바와 같이, 도체(46, 58)에 의해 구비되는 커패시턴스는 이 도체 사이에 존재하는 간극(즉, 축방향 거리)에 종속한다. 상대적으로 작은[예를 들어, 0.0004인치(10~12㎛)] 간극은 부분적으로 시일(70)의 두께 및 상부 하우징의 형상 및 구조[예를 들어 하부면(42a)이 하부면(47)의 평면에서 벗어난 정도, 즉 오프셋 따위]에 종속한다. 시일(70)과 시일(76)을 형성하는 방법은 미국 특허 제6,122,976호에 개시되어 있다. 이 방법에서, 시일은 두 표면 사이에 고체 유리 비드(bead)를 배치하고 두 표면 사이에 압축력을 가한 후 시일링 비드를 용융함으로써 형성된다. 용융 과정에서, 용융된 비드 유동은 두 표면 사이의 공간으로 흘러든다. 냉각 과정에서, 흘러든 시일 비드 재료는 두 표면 사이에서 시일을 형성한다. 도 2는 도 1A 및 도 1B의 상부 하우징(40)의 저면도를 도시한다. 미국 특허 제6,122,976호와 같이 유리 입자는 결착제(binding agent) 및 용매(solvent)와 혼합되어 페이스트(paste) 재료를 형성한다. 그 후 페이스트 재료는 예를 들어 상부 하우징(40)의 숄더(42)의 하부면(42a) 및 하부 하우징(60) 시일이 형성되는 표면 상에 시일링 비드(72)의 패턴으로 용착된다. 시일링 비드(72)의 패턴은 적합한 스크린 인쇄(screen-printing) 또는 패드/브러시 인쇄(pad/brush printing) 용착 공정을 이용하여 용착되고 형성될 수 있다. 이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 시일링 비드(72)는 개방 채널(78)이 시일링 비드(72) 사이에 존재하도록 용착된다. 시일링 비드(페이스트)(72)의 패턴이 표면에 용착되고 난 후, 시일링 비드(72)는 건조 공정, "번-오프(burn-off)" 공정 및 융해/소결(prefusion/sintering) 공정을 거친다. 각 단계에서, 시일링 비드(72)는 점점 더 높은 온도에 노출된다. 예를 들어, 시일링 비드(72)는 건조 공정 중 섭씨 100~150도로 가열될 수 있고 번-오프 공정 중 섭씨 325~375도로 가열될 수 있으며 융해/소결 공정 중 섭씨 490~500도로 가열될 수 있다. 용착된 시일링 비드(페이스트)(72)는 핸들링을 견딜 수 있도록 건조 공정에서 경화된다. 번-오프 공정 중에, 용매와 결착제 부분은 연소되어 페이스트가 된다. 만약 번-오프 공정이 적절히 수행되지 않으면, 시일은 불침투성(impermeable)이 아닐 수 있고 구조적으로 부적합할 수 있다. 시일링 비드(72)가 충분히 디가스(degas)(번-오프)되면, 온도가 더 증가하여 융해/소결 공정을 수행하도록 한다. 융해/소결 공정 중, 비드(72)에 존재하는 유리 입자는 서로 융해(fuse)된다. 그러나 비드(72)는 융해/소결 단계 중에 개방 채널(78) 내로 흘러들지 않는다. 융해/소결 단계 후, 시일링 비드(72)는 냉각된다. 냉각 후, 시일링 비드(72)는 시일링 비드가 바람직한 높이가 되도록 기계적으로 조작(예를 들어, 연마)된다. 몇몇 용례에서, (용융되지 않은) 시일링 비드(72)의 바람직한 높이는 예를 들어 20~24㎛가 될 수 있다. 비드(72)가 용착된 패턴(도 2에 도시됨)은 비드(72)가 시일(70)[또는 시일(76)]이 형성되는 중에 전체적으로 디가스되는 능력에 영향을 미친다. 시일링 비드(72)의 디가스를 용이하게 하기 위해, 시일링 비드(72) 사이에서 채널(78)과 함께 시일링 비드(72)를 용착하는 것이 유리할 수 있다. 그들 사이에 용착되는 시일링 비드(72)와 채널(78)의 단면의 디멘션은 바람직한 디가스 효과를 얻을 수 있도록 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 시일링 비드(72)는 0.1~0.5㎜의 직경을 가지고 채널(78)은 같은 크기의 폭(width)을 가진다. 시일링 비드(72)가 전술한 방식으로 용착되고 하부면(42a)와 상부면(62a) 상에 마련되면, 다이아프램(56)은 하부면(42a)상에 위치한 시일링 비드(72)가 다이아프램(56)의 상부면(57)의 시일링 구역과 접촉하도록 상부 하우징(40)과 정렬되고 하부 하우징(60)은 상부면(62a) 상에 위치한 시일링 비드(72)가 다이아프램(56)의 하부면(59)의 시일링 구역과 접촉하도록 다이아프램(56)과 정렬된다. 그 후 압축력이 상부 하우징(40), 다이아프램(56) 및 하부 하우징(60)에 다이아프램(56) 위치에 대체로 수직한 방향으로 가해진다. 그 후 더 높은 온도(즉, 융해/소결 단계 중의 온도보다 높은 온도)가 적용되어 시일링 비드(72)를 용융하도록 한다. 용융 과정 중, 시일링 비드(72)가 흘러들어 상부 하우징(40)의 숄더(42)와 다이아프램(56)의 상부 시일링 구역의 사이 및 하부 하우징(60)의 숄더(62)와 다이아프램(56)의 하부 시일링 구역의 사이에 틈새(void)[즉, 채널(78)]를 채우도록 한다. 냉각 과정 중, 시일링 비드(72)는 이에 따라 각각 다이아프램(56)과 상부 하우징(40)의 사이 및 다이아프램(56)과 하부 하우징(60)의 사이에 기밀 시일(70, 76)을 형성한다. 바람직한 높이(즉, 두께)와 면적을 가지는 시일(70)[및 시일(76)]을 형성하기 위해, 용융되지 않은 시일링 비드(72)의 단면적과 높이는 시일링 비드(72) 재료의 총 부피가 바람직한 시일(70)을 형성하는데 충분하도록, 즉 시일링 비드(72)의 총 부피가 바람직한 시일(70)의 부피와 대체로 동일하도록 설정된다. 용량성 압력 변환기의 도체가 서로간에 정밀하게 위치하거나 배치되지 않는다면 용량성 압력 변환기의 성능 특성에 안 좋은 영향을 미친다. 예를 들어, 도체(46, 58) 사이의 간극이 엄격한 치수 공차로 조절된 방식으로 설정되어 있지 않다면, 용량성 압력 변환기는 부적합한 성능 특성을 가질 수 있다. 더불어, 간극이 일관되게 조절될 수 없다면, 같은 성능 특성을 가지는 많은 수의 변환기를 제조하기 어렵게 된다. 상술한 시일링 방법은 형성된 시일(70)이 정밀하고 일정한 두께를 가지도록 반드시 보증하는 것은 아니다. 예를 들어, 시일(70)은 만약 과도하거나 불충분한 양의 시일링 비드(72) 재료가 시일(70)을 형성하기 위해 사용되었다면 너무 두껍거나 너무 얇을 수 있다. 또한, 용융 과정과 냉각 과정 중에 상부 하우징(40)과 다이아프램(56) 사이에 가해지는 압축력이 일정하지 않다면 시일(70)의 두께는 일정하지 않을 수 있다. 따라서 용량성 압력 변환기의 하우징과 다이아프램 사이에서 시일을 정밀하게 형성하는 방법에 대한 필요성이 있게 된다.