용량성 센서의 챔버 내에 기준 압력을 형성하는 방법 및장치 document_id A220623051974

도 1a는 종래 기술의 조립된 용량성 압력 변환기 어셈블리(10)의 측면의 횡단면을 도시한다. 도 1b는 도 1a의 상부 하우징(40), 다이아프램(56) 및 하부 하우징(60)의 분해도이다. 간략히, 용량성 압력 변환기 어셈블리(10)는 내부 캐비티를 형성하는 본체를 포함한다. 상대적으로 얇고, 유연한 세라믹 다이아프램(56)은 내부 캐비티를 제1의 시일링된 내부 챔버(52)와 제2의 시일링된 내부 챔버(54)로 나눈다. 이하에서 더욱 상세히 논의되는 것과 같이, 다이아프램(56)이 장착되어, 챔버들(52, 54) 내의 압력 차이에 반응하여 구부러지거나 움직이거나 변형된다. 변환기 어셈블리(10)는 다이아프램의 휨 정도를 나타내는 파라미터를 제공하고, 따라서 이 파라미터는 간접적으로 챔버(52)와 챔버(54) 사이의 차압을 나타낸다. 변환기 어셈블리(10)에 의해 제공되고 차압을 나타내는 이 파라미터는 다이아프램(56)과 상부 하우징(40) 상에 배치된 하나 이상의 컨덕터 사이의 전기 용량이다. 용량성 압력 변환기 어셈블리(10)는 세라믹 상부 하우징(40) 및 세라믹 하부 하우징(60)을 포함한다. 일반적으로 위에서 보았을 때 원형을 가지는 상부 하우징(40)은 상면(41), 중앙 저면(47), 저면(42a)을 가지는 환형 쇼울더(42) 및 중앙 저면(47)과 환형 쇼울더(42) 사이에 위치한 환형 채널(43)을 포함한다. 환형 쇼울더(42)의 저면(42a)은 실질적으로 중앙 저면(47)과 동일 평면상에 있다. 상부 하우징은 위에서 아래로 하우징을 관통하여 연장된 개구(또는 통로)(48)를 추가적으로 포함한다. 금속 컨덕터(46)는 중앙 저면(47)의 중앙부 상에 배치된다. 일반적으로 다이아프램(56)은 상면(57) 및 이와 대향하는 저면(59)을 가지는 원형의 얇은 다이아프램이다. 금속 컨덕터(58)는 다이아프램(56)의 상면(67)의 중앙부 상에 배치된다. 상부 하우징(40)의 컨덕터(46)가 다이아프램(56)의 컨덕터(58)에 대향하여 배치되도록 다이아프램(56) 및 상부 하우징(40)이 배치된다. 다이아프램(56)은 고온 기밀 시일(seal)(또는 조인트)(70)에 의해 상부 하우징(40)에 체결된다. 시일(70)은 상부 하우징(40)의 환형 쇼울더(42)의 저면(42a)과 다이아프램(56)의 면(57)의 대응 환형부 사이에 위치한다. 시일링이 이루어지면, 상부 하우징(40), 시일(70) 및 다이아프램(56)은 기준 챔버(52)를 형성한다. 기준 압력이 기준 챔버(52) 내에 형성되고 유지된다. 개구(48)는 기준 챔버(52)로의 입구 또는 진입로를 제공한다. 일반적으로 원형을 가지는 하부 하우징(60)은 중앙 개구(64) 및 상면(62a)을 갖는 위로 돌출된 환형 쇼울더(62)를 포함한다. 하부 하우징(60)의 쇼울더(62)의 상면(62a)은 고온 기밀 시일(또는 조인트)(76)에 의해 다이아프램(56)의 저면(59)의 대응부에 체결된다. 시일(76)은 시일(70)의 경우와 유사한 방식으로 배치되어 체결된다. 시일링되었을 때, 하부 하우징(60), 시일(76) 및 다이아프램(56)의 면(59)은 공정 챔버(54)를 형성한다. 입구 통로(68)를 가지는 압력관(66)은 시일에 의해 하부 하우징(60)에 체결되어, 예컨대, 입구 통로(68)는 하부 하우징(60)의 개구(64)에 맞게 정렬된다. 따라서, 공정 챔버(54)는 개구(64)와 입구 통로(68)를 통해 외부 환경과 유체 연통한다. 작동시, 용량성 압력 변환기 어셈블리(10)는 이러한 외부 환경의 압력을 측정한다. 용량성 압력 변환기 어셈블리(10)의 컨덕터(46, 58)는 다양한 축전지(C)의 평행판을 형성한다. 공지된 것과 같이, C = A εrε0/d이고, 여기서 C는 두 평행판 사이의 전기용량이고, A는 판 사이의 공통 면적, ε0는 진공 유전율, εr은 판들을 분리하는 물질의 상대 유전율(예컨대, 진공에서 εr = 1)이며, d는 판 사이의 축방향 거리(즉, 판에 수직한 축을 따라 측정된 판 사이의 거리)이다. 따라서, 축전지(C)에 의해 제공되는 전기용량은 컨덕터(46)와 컨덕터(58) 사이의 축방향 거리의 함수이다. 챔버(52)와 챔버(54) 사이의 압력차 변화에 반응하여 다이아프램(56)이 상하로 움직이거나 구부러짐에 따라, 축전지(C)에 의해 제공되는 전기용량도 변한다. 임의의 순간에 있어서, 축전지(C)에 의해 제공되는 전기용량은 챔버(52)와 챔버(54) 사이의 순간 차압을 나타낸다. 공지된 전기 회로[예컨대, 축전지(C)에 의해 제공되는 전기용량의 함수인 공명 주파수에 따른 특징을 가지는 "탱크" 회로]는 축전지(C)에 의해 제공된 전기용량을 측정하고 차압을 나타내는 전기 신호를 제공하는데 이용될 수 있다. 컨덕터(46, 58)는 금 또는 구리와 같은 다양한 전도성 물질로 구성될 수 있고, 예컨대, 공지된 박막 공정, 후막 공정 또는 다른 공지의 제작 방법에 의해 제작될 수 있다. 후막 공정이 이용될 때, 컨덕터(46, 48)는 예컨대, 약 1 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 다이아프램(56)은 보통 산화알루미늄으로 제작된다. 그러나, 세라믹 단결정 산화물과 같은 다른 세라믹 물질이 이용될 수도 있다. 세라믹 구성요소를 가지는 축전지 센서가 미국 특허 제5,920,015호 및 제6,122,976호에 개시되어 있다. 상술한 것처럼, 챔버(52)와 챔버(54) 사이의 차압의 변화는 다이아프램(56)이 구부러지게 하여 컨덕터(46)와 컨덕터(58) 사이의 간극을 변화시킨다. 간극의 변화를 측정하는 것은 차압의 측정을 허용한다. 그러나, 간극은 압력과 무관한 요소에 의해 영향받을 수도 있다. 예컨대, 간극은 온도 변화에 영향받을 수 있다. 변환기 어셈블리(10)의 구성요소는 다양한 상이한 물질로 만들어질 수 있기 때문에, 주변 환경에서 온도 변화 및 고유의 열팽창 계수를 가지는 각 구성요소는 컨덕터(46)에 가까워지도록 또는 그로부터 멀어지도록 다이아프램(56)을 이동시킬 수 있다. 다행스럽게도, 온도 변화에 의해 야기되는 간극의 변화는 차압의 변화에 의해 야기되는 간극의 변화와 뚜렷하게 다르다. 주변 온도의 변화로 인해 야기되는 간극의 변화를 상쇄하기 위해, 상부 하우징(40)의 저면(47) 상의 컨덕터(46)에 인접하도록 배치된 제2 컨덕터(도시되지 않음)가 포함되는 것으로 알려져 있다. 그러한 실시예에서, 컨덕터들(46, 48)은 가변성 축전지(C1)의 평행판을 형성하고, 컨덕터(58) 및 제2 컨덕터는 가변성 축전지(C2)의 평행판을 형성한다. 두 개의 축전지(C1, C2)는 공지된 방법에 의해 변환기의 온도 변화에 대한 반응성을 저하시키도록 이용될 수 있다. 상부 하우징(40)이 위치하여, 임의의 컨덕터가 위에 배치되는 저면(47)이 챔버(52, 54) 내의 압력이 동일할 때 컨덕터(58)(즉, 다이아프램(56))에 의해 형성되는 평면에 평행한 평면에 배치된다. 상술한 것과 같이, 컨덕터들(46, 58)에 의해 설정되는 전기용량은 이러한 대향 컨덕터들 사이에 존재하는 간극(즉, 축방향 거리)에 의해 좌우된다. 상대적으로 작은[예컨대, 약 0.0004 인치(10-12 ㎛)] 간극은 시일(70)의 두께와 상부 하우징(40)의 형태와 구성[예컨대, 저면(42a)이 저면(47)의 평면으로부터 이탈한 경우 이탈 정도, 즉, 오프셋]에 의해 부분적으로 좌우된다. 작동시 용량성 압력 변환기 어셈블리(10)는 보통 절대 압력 변환기로 이용된다. 이러한 형식에 있어서, 기준 챔버(52)는 실질적으로 제로 압력(zero pressure), 예컨대, 10-8 Torr 미만의 압력으로 비워지고, 그 후 기준 챔버(52)는 시일링된다. 그 후 기준 압력은 공정 챔버(54) 내의 압력을 결정하는 기준으로 역할한다. 기준 챔버(52) 내에서 실질적으로 제로 압력을 유지하기 위해, 변환기 어셈블리(10)는 관(80), 커버(82), 유지 와이어(86), 스크린(88) 및 게터 요소(84)를 포함한다. 도 1a 및 1b에 도시된 것처럼, 유지 와이어(86)가 스크린(88)에 대해 게터 요소(84)를 유지하는 동안 스크린(88)은 관(80)의 중공부 내의 게터 요소(84)를 지지한다. 관(80)의 중공부는 상부 하우징(40)의 개구(48) 위에 배치되어, 게터 요소(84)는 기준 챔버(52)와 유체 연통한다. 게터 요소(84)를 지지하는 것과 더불어, 또한, 스크린(88)은 다이아프램(56)의 작용에 악영향을 끼칠 수 있는 미립자가 기준 챔버(52)를 통과하지 못하게 한다. 관(80)의 하단은 고온 기밀 시일(92)에 의해 개구(48) 주변의 상부 하우징(40)의 상면(41)에 체결되는 반면, 커버(82)는 저온 기밀 시일(94)에 의해 관(80)의 상단에 체결된다. 시일들(92, 94) 및 상부 하우징(40)의 쇼울더(42)와 다이아프램(56) 사이에 위치하는 시일(70) 모두는 기준 챔버(52) 내에 형성된 기준 압력을 유지하는 것을 보조한다. 고온 시일(92)는 고온 유리 물질로 구성되는 반면, 저온 시일(94)은 저온 유리 물질로 구성된다. 고온 시일(92)을 형성하기 위해, 고온 유리 물질은 관(80)의 하단, 면(41)의 대응 시일링 영역 또는 둘 모두의 위에 배치된다. 고온 유리 물질이 녹고, 상부 하우징(40)의 상면(41)에 수직한 힘이 관(80)과 상부 하우징(40) 사이에 가해지고, 그 후 고온 유리 물질을 냉각시켜(즉, 고체화) 고온 기밀 시일(92)을 형성한다. 저온 시일(94)도 유사하게 관(80)의 상단과 커버(82)의 대응 시일링 영역 사이에 형성된다. 고온 시일(92)의 고온 유리 물질은 저온 시일(94)의 저온 유리 물질의 융해 온도 보다 높은 융해 온도를 갖는다. 상이한 융점을 제공하기 위해, 시일들(92, 94)의 유리 물질은 상이한 물질로 구성되거나, 공통 물질의 양이 상이하다. 고온 시일(92)의 융해 온도는 고온 시일들(70, 76)의 융해 온도 보다 높고, 고온 시일들(70, 76)의 융해 온도는 저온 시일(94)의 융해 온도 보다 높다. 게터 요소(84)는 활성화되었을 때 시일링된 기준 챔버(52) 내에 존재할 수 있는 임의의 기체 불순물을 효과적으로 흡수하도록 작용하는 물질로 구성된다. 따라서, 활성화되었을 때 게터 요소(84)는 오랜 시간, 예컨대 10년 이상동안 기준 압력을 초극진공(ultra-high vacuum) 레벨로 유지하는 것을 보조한다. 초극진공 압력, 즉, 실질적으로 제로인 압력은 편리하고 유용한 기준 압력이지만, 다른 기준 압력이 이용될 수도 있다. 기준 압력이 챔버(52) 내에 형성된 후, 압력관(66)이 유체 공급원(도시되지 않음)에 연결되어 그 유체의 압력 측정을 수행한다. 이러한 방식으로 압력관(66)을 체결하여 측정된 압력을 가지는 유체를 챔버(54)[ 및 다이아프램(56)의 저면(59)]로 진행하도록 이송한다. 다이아프램(56)의 중심은 챔버(52)와 챔버(54) 사이의 차압에 따라 위 또는 아래로 이동 또는 구부려져 축전지(C)의 전기용량이 변한다. 축전지(C)의 순간 전기용량은 다이아프램(56)의 위치를 나타내기 때문에, 변환기 어셈블리(10)는 챔버(52) 내에 형성된 기준 압력에 대해 상대적으로 챔버(54) 내의 압력을 측정할 수 있다. 용량성 압력 변환기 어셈블리(10)의 정확성은 기준 챔버(52) 내에 형성되고 유지될 수 있는 기준 압력의 정확성에 따라 좌우될 수 있다. 즉, 기준 챔버(52) 내의 정확한 압력이 의도되고 계획된 기준 압력으로부터 벗어남에 따라, 이에 상응하여 용량성 압력 변환기 어셈블리(10)의 수행성이 손상될 것이다. 기준 챔버(52) 내에 기준 압력을 형성하고, 게터 요소(84)를 활성화시키고, 커버를 관(80)에 밀봉하는 단계들은 일반적으로 용량성 압력 변환기 어셈블리(10)를 제작할 때 수행되는 소수의 마지막 단계들이다. 따라서, 상부 하우징(40)을 고온 시일(70)로써 다이아프램(56)에 체결하고, 하부 하우징(60)을 저온 시일(76)로써 다이아프램(56)에 체결하며, 개구(64) 둘레의 하부 하우징(60)에 압력관(66)을 체결하고, 관(80)[스크린(88), 게터 요소(84) 및 유지 와이어(86)를 가짐]을 고온 시일(92)로써 개구(48) 둘레의 상부 하우징(40)의 면(41)에 체결하는 단계들은 보통 기준 압력이 설정되기 전에 이미 완료될 것이다. 기준 챔버(52) 내에 기준 압력을 형성하기 위해, 기준 챔버(52)는 일반적으로 번아웃(burn-out) 및 배출 공정을 거치게 되고, 그 후 커버(82)가 관(80)에 밀봉된다. 기준 챔버(52)는 기준 챔버(52)[기준 챔버(52)와 유체 연통하는 커버(82), 관(80), 하우징(40)의 면들을 포함]를 형성하는 내부면을 가열함으로써 번아웃 되고, 번아웃 열은 이러한 내부면에 존재할 수 있는 오염물, 예컨대, 휘발성 물질, 수분을 증발시키고, 배출 진공은 증발된 오염물 및 가스를 기준 챔버(52) 외부로 방출한다. 커버(82)가 아직 관(80)에 밀봉되지 않았기 때문에, 오염물 및 가스는 기준 챔버(52), 개구(48) 및 관(80)의 중공부 외부로 빨려 나간다. 번아웃 및 배출 공정이 완료되고, 진공 압력이 계속 유지되는 동안, 그 후 커버(82)는 저온 시일(94)로써 관(80)에 밀봉되어 기준 챔버(52) 내에 기준 압력을 형성한다. 도 2a 및 2b는 용량성 압력 변환기 어셈블리(10)의 기준 챔버(52) 내에 기준 압력을 형성하는데 이용되는 종래 기술의 방법 및 장치를 도시한다. 도 2a는 일반적으로 번아웃 및 배출 공정을 도시하는 반면, 도 2b는 일반적으로 커버(82)가 관(80)의 상단 상에서 밀봉되는 공정을 도시한다. 장치는 내부 진공 챔버(95)를 설정하는 진공 하우징(93)을 포함한다. 도 2a를 참조하면, 저온 시일링 물질(94a)이 관(80)의 상단 상에 배치된다. 미완성된 변환기 어셈블리(10), 즉, 관(80)에 밀봉되는 커버가 아직 관(80)에 밀봉되지 않은 변환기 어셈블리는 그 후 진공 챔버(95) 내에 배치된다. 명확성을 위해, 도 2a 및 도 2b에는 압력관(66)이 생략되어 있다. 그러나, 압력관(66)은 통상적으로 어셈블리가 진공 챔버(95) 내에 배치되기 전에 하부 하우징(60)에 체결된다. 변환기 어셈블리(10)가 진공 챔버(95) 내에 배치된 후에, 진공 하우징(93)이 오븐(도시되지 않음) 내에 배치되고, 진공 공급원(도시되지 않음)가 진공 챔버(95)에 체결되며, 기준 챔버(52)의 번아웃 및 배출 공정이 초기화된다. 20시간 이상 지속될 수 있는 번아웃 및 배출 공정 동안에, 변환기 어셈블리(10)는 약 250 ℃의 온도로 가열되고, 10-8 Torr 차수(또는 미만)의 초극 진공 압력이 진공 챔버(95) 내에 생성된다. 도 2a에서, 기준 챔버(52)[및 개구(48)와 관(80)]의 번아웃 및 배출은 위로 개구(48)를 통해, 그리고 위로 관(80)의 상단을 통해 외부로 연장된 화살표에 의해 나타난다. 기준 챔버(52)의 번아웃 및 배출이 완료된 후, 커버(82)가 저온 시일(94)에 의해 관(80)에 체결된다. 커버(82)는 개방 진공 하우징(93)이 없는 관(80)에 부착되고 밀봉되어, 기준 챔버(52) 내의 진공을 보존한다. 따라서, 도 2a에서 볼 수 있듯, 번아웃 및 배출 공정을 초기화하기 전에, 커버(82)가 진공 하우징(93)의 진공 챔버(95)를 관통하는 로드(96)의 단부에 부착된다. 번아웃 및 배출 공정이 완료될 때, 로드(96)가 작동되어 커버(82)를 관(80)의 상단에 배치된 저온 시일링 물질(94a)에 접촉시킬 수 있다. 저온 시일(94)을 형성하는 저온 시일링 물질(94a)은 번아웃 및 배출 공정동안 융해되지 않는다. 즉, 번아웃 온도는 일반적으로 저온 시일링 물질(94a)의 융해 온도 아래로 설정된다. 또한, 번아웃 및 배출 공정은 변환기 어셈블리(10)(예컨대, 고온 시일(70, 76, 92) 내에 이미 형성된 시일을 손상시키지 않아야 하므로, 번아웃 온도는 이러한 시일의 융해 온도를 초과하지 않아야 한다. 고온 동적 시일(99)(예컨대, 가스켓)은 로드(96)가 진공 하우징(93)을 관통하는 진공 하우징(93) 내에 배치된다. 고온 동적 시일(99)은 진공 하우징(93)의 진공 챔버(95) 내의 압력을 유지하는 것을 보조하는 동안 로드가 위아래로 자유롭게 이동할 수 있게 한다. 번아웃 및 배출 공정을 시작하기 전에, 커버(82)는 저온 시일(98)에 의해 로드(96)의 단부에 부착된다. 저온 시일(98)의 융해 온도(즉, 융점)는 저온 시일링 물질(94a)의 융해 온도보다 낮고, 번아웃 온도보다 높으므로, 따라서, 번아웃 및 배출 공정동안 녹지 않는다. 로드(96)는 고온 동적 시일(99)를 통해 연장되어, 커버(82)와 함께 변환기 어셈블리(10)의 관(80)에 정렬된다. 이제 도 2b를 참조하면, 번아웃 및 배출 공정이 완료된 후에, 진공 챔버(95) 내의 압력이 계속 유지되는 동안, 커버(82)가 저온 시일링 물질(94a)과 접촉하게 될 때까지 로드(96)/커버(82)가 내려간다. 진공 챔버(95) 내의 온도(오븐에 의해 유도됨)가 상승하여 저온 시일링 물질(94a)이 녹게 되고, 게터 요소(84)가 활성화 된다. 커버(82)와 관(80) 사이에 저온 기밀 시일(94)을 형성하기 위해, 진공 챔버(95) 내의 온도는 저온 시일링 물질(94a)가 응고될 때까지 감소하며, 저온 시일(98)이 충분이 융해되는 동안, 로드(96)가 변환기 어셈블리(10)로부터 멀리 당겨진다. 저온 시일(94)이 형성되고, 따라서 기준 챔버 내에 기준 압력이 형성되면, 진공 챔버(95) 내의 온도는 주변 온도로 감소하고, 그 후 진공 공급원가 분리되며, 체결된 변환기 어셈블리(10)가 진공 하우징(93)으로부터 제거된다. 도 3은 도 2a 및 도 2b의 장치 및 방법의 선행 기술의 번아웃, 배출 및 시일링 공정을 더욱 상세히 도시한다. 도 3에서, 공정 흐름도의 x축은 시간을 나타내고, y축은 섭씨로 온도를 나타낸다. 번아웃 및 배출 공정을 시작하기 전에, 공정 흐름도의 단계 A에서, 커버(82)는 저온 시일(98)에 의해 로드(96)에 부착되고, 변환기 어셈블리(10), 커버(82) 및 로드(96)는 진공 챔버(95)에 위치한다(도 2a). 단계 A→B 동안, 진공 챔버(95) 내의 온도는 250 ℃의 번아웃 온도로 상승되고, 압력은 10-8 Torr의 배출 압력으로 낮아진다. 단계 A→B는 3 시간 내에 완료된다. 번아웃 온도 및 배출 압력이 형성되면(단계 B), 단계 B→C에서 기준 챔버(52)는 20시간 동안 번아웃되고 비워진다. 단계 C에 도달하기 전에 짧게, 로드(96) 및 커버(82)가 내려가서, 커버(82)가 관(80)의 상단에 배치된 저온 시일링 물질(94a)과 접촉하게 된다. 번아웃 및 배출 공정이 완료되면(단계 C), 단계 C→D에서 진공 챔버(95) 내의 온도는 475 ℃로 올라가고, 이는 저온 시일링 물질(94a) 및 저온 시일(98)이 녹게 한다. 단계 C→D는 3시간 동안 지속된다. 그 후, 단계 D→E에서 진공 챔버(95)는 30분 동안 475 ℃로 유지되어, 저온 시일링 물질(94a) 및 저온 시일(98)이 충분히 융해된다. 그 후, 진공 챔버(95) 내의 온도는 2시간 구간, 단계 E→F에서 400 ℃로 낮아져, 저온 시일링 물질(94a)가 응고시켜 저온 기밀 시일(94)을 형성시킨다. 저온 시일(98)의 융해 온도는 400 ℃ 이하 이며, 따라서 저온 시일(98)은 단계 E→F 동안 융해 상태로 유지된다. 단계 F에 도달하기 전에 짧게, 로드(96)는 커버(82)로부터 멀어지도록 세워진다. 결국, 진공 챔버(95) 내의 온도 및 압력은 4시간 구간에서 주변 조건에 이르게 되고, 그 후 단계 F→G에서, 체결된 압력 변환기 어셈블리(10)는 진공 하우징의 진공 챔버(95)로부터 제거된다. 도 3에 도시한 것과 같이, 선행 기술의 번아웃, 배출 및 시일링 공정은 32 1/2 시간 내에 완료될 수 있다. 상기 서술한 방법 및 장치는 정확한 기준 압력이 용량성 압력 변환기 어셈블리(10)의 기준 챔버(52) 내에 필수적으로 형성되게 할 필요는 없다. 예컨대, 로드(96) 및 고온 동적 시일(99)을 이용하는 진공 하우징 내에 10-8 차수 (또는 미만) Torr의 초극진공을 형성하고 유지하기는 매우 어려우며, 진공 하우징(93)의 압력 보전은 고온 동적 시일(99)의 존재로 손상되기 쉽기 때문이다. 또한, 로드 작동 접합 공정 동안 커버(82) 및 관(80)의 위치 및 배향을 정확하게 제어하기가 어렵거나 비용이 많이 들 수 있다. 커버(82)가 접합 공정 동안 관(80)과 관련하여 적절히 배치되거나 배향되지 않으면, 저온 시일(94)의 보전이 손상될 수 있거나 저온 시일(94)이 전체적으로 고장날 수 있다. 따라서, 용량성 압력 변환기 어셈블리의 기준 챔버 내에 기준 압력을 정확하게 형성하는 방법 및 장치가 필요하다.