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Hintergrund der Erfindung
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I. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf Druckwandler. Insbesondere bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf Druckwandlermodule, die in einen chemisch korrosiven
Fluidströmungskreis
eingeschaltet werden können,
wobei der dabei verwendete Drucksensor in einem nicht verschmutzenden
Wandlergehäuse
vom Fluidströmungskreis isoliert
ist.
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II. Erörterung des Standes der Technik
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Während
der Herstellung von Halbleitern ist die Verschmutzungsempfindlichkeit
dabei verwendeter Materialien ein beträchtliches Problem, das sich den
Halbleiterherstellern stellt. Es wurden schon die verschiedensten
Bearbeitungssysteme zum Verringern der Menge von Fremdpartikeln
und Dämpfen konstruiert,
die während
der Bearbeitung dieser empfindlichen Materialien entstehen. Es ist äußerst wichtig,
dass die Halbleiterwafer gegenüber
schädlichen Parti keln
und Chemikalien isoliert werden.
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Bei dem Versuch eines Ausschlusses
aller Quellen schädlicher
Verschmutzungen müssen
die zum Bearbeiten der Halbleiterwafer verwendeten Vorrichtungen
notwendigerweise unter Berücksichtigung
dieses Ziels konstruiert werden. Zuerst werden die verschiedenen
Komponenten der Bearbeitungsvorrichtungen allgemein zum Verringern
der Menge erzeugter Partikel und zum Isolieren der Bearbeitungschemikalien
gegenüber
verschmutzenden Einflüssen
konstruiert. Allgemein sind an die Bearbeitungsvorrichtungen in
einem Regelkreis Überwachungs-
und Erfassungsvorrichtungen angeschlossen, die zur Überwachung
und Steuerung der Vorrichtungen verwendet werden. Diese Überwachungs- und
Erfassungsvorrichtungen müssen
auch zum Ausschließen
einer sonst gegebenenfalls eingeführten Verschmutzung konstruiert
sein.
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Während
der Bearbeitung von Halbleiterwafern werden üblicherweise höchst korrosive
gefährliche
Chemikalien verwendet. Wenn diese Chemikalien verwendet werden,
können
innerhalb und in der Nähe
der Bearbeitungsumgebung extremste Bedingungen auftreten. Solche
korrosiven Umgebungen sind für
die Überwachungs-
und Erfassungsvorrichtungen extrem hart. Außerdem können die Überwachungs- und Erfassungsvorrichtungen
aufgrund dessen, dass sie der korrosiven Umgebung ausgesetzt sind,
den Wafer beschädigende
Partikel, Ionen oder Dämpfe übertragen.
Metalle, die herkömmlicherweise
in solchen Überwachungsvorrichtungen
eingesetzt werden, können
der korrosiven Umgebung nicht über
lange Zeiträume
hinweg standhalten. Daher müssen
die Überwachungs-
und Erfassungsvorrichtungen Ersatzmaterialen aufweisen.
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Die höchst korrosive Umgebung kann
dadurch entstehen, dass gefährliche
Chemikalien an die Bearbeitungsvorrichtungen geliefert werden. Liquidtransportsysteme
bringen diese Chemikalien von Vorratstanks über Pump- und Regelstationen
und schließlich
durch die Bearbeitungsvorrichtung selbst. Die Transportsysteme für liquide
Chemikalien, die Rohre, Röhrenleitungen,
Ventile und Beschläge
sowie damit zusammenhängende
Vorrichtungen aufweisen, werden häufig aus Kunststoff hergestellt,
der den schädlichen
Auswirkungen giftiger Chemikalien widerstehen kann. Bei mechanischen
Vorrichtungen können
natürlich
grundsätzlich
potenzielle Lecks auftreten, und solche Lecks können sowohl für die Bearbeitung
von Halbleiterwafern oder anderen Produkten als auch für das Personal,
das sich um die Bearbeitungsvorrichtungen kümmern und diese warten muss,
extrem gefährliche
Bedingungen schaffen. Daher muss das Chemikalientransportsystem
so konstruiert sein, dass Lecks vermieden werden. Die Überwachungs-
und Erfassungsvorrichtungen können
Sensoren aufweisen, die ebenfalls so konstruiert sein müssen, dass
das Einführen
von Partikeln, unerwünschten
Ionen oder Dämpfen
in die Bearbeitungsschritte vermieden wird.
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Ein in die Leitung (in-line) gekoppelter
mechanischer Fluiddruckmesser, der durch eine Schutzmembran vom
Fluidfluss getrennt ist, ist im Stand der Technik bekannt. Das Messgerät ist von
einem Gehäuse
umgeben, das einen mit einem Sensorfluid gefüllten Hohlraum aufweist. Der
Hohlraum befindet sich neben dem Fluidfluss und ist durch die Schutzmembran
von ihm getrennt. Das im Hohlraum enthaltene Sensorfluid ist typischerweise
ein Silikonöl.
Eine Druckveränderung
im Fluidfluss wirkt sich auf den Öldruck im Hohlraum aus. Der Öldruck wird
durch den mechanischen Druckmesser erfasst.
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Das Fluid im Hohlraum hat typischerweise eine
große
thermische Ausdehnung, was zu großen Ablenkungsveränderungen
bei der Schutzmembran führt.
Die großen
Ablenkungsveränderungen
bei der Schutzmembran erhöhen
die Wahrscheinlichkeit, dass im Hohlraum enthaltenes Fluid in den
Fluidfluss leckt, wodurch der Strömungskreis verschmutzt wird. Außerdem wird
die Genauigkeit des Druckmessers durch große thermische Ausdehnungen
des Sensorfluids negativ beeinflusst. Es besteht daher ein Bedarf
nach einem in die Leitung gekoppelten Druckmesser, aus dem verschmutzende
Fluide nicht in den Fluidströmungskreis
lecken. Außerdem
besteht ein Bedarf nach einem Druckmesser, bei dem die Genauigkeit
durch thermische Veränderungen
im Fluidströmungskreis
nicht beeinflusst wird.
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Im US-Patent Nr. 5,316,035 beschreiben Collins
et al. die Verwendung einer Kapazitanz-Näherungs-Überwachungsvorrichtung in korrosiven Umgebungen.
In einer Ausführungsform
des US-Patents Nr. 5, 316, 035 wird beschrieben, dass die Kapazitanz-Näherungs-Vorrichtung
in ein Funktionsgerät,
wie z. B. ein Ventil oder eine Röhrenkopplung
integriert ist. Die Kapazitanz-Näherungs-Vorrichtung dient
als ein Funktionsteil der Vorrichtung und erzeugt ein Erfassungsfeld
innerhalb eines vorbestimmten Bereiches. Dann wird sie zum Feststellen der
Veränderung
elektrischer Eigenschaften im vorbestimmten Bereich verwendet, während verschiedene
Fluide am vorbestimmten Bereich vorbeifließen. Der auf das Erfassungsfeld
bezogene Strom verändert
sich, wenn das flüssige
Zielmedium vorhanden ist, im Gegensatz zur Anwesenheit von Luft oder
Gas in der Röhrenleitung,
wenn das flüssige Zielmedium
nicht vorhanden ist, wodurch eine Anzeige für die Anwesenheit oder Abwesenheit
des Zielmediums erzeugt wird. Das komplexe Ventilsystem enthält oft ein
Fluid, das in den Bearbeitungsfluidfluss lecken und ihn so verschmutzen
kann.
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Das US-Patent Nr. 5,316,035 offenbart
keine Vorrichtung oder legt auch keine solche Vorrichtung nahe,
die verschiedenen Drücke
im Chemikalientransportsystem der Bearbeitungsvorrichtungen feststellen
kann. Eine Überwachung
des Drucks im Chemikalientransportsystem ist aus verschiedenen Gründen nützlich.
Erstens kann eine Veränderung des
Drucks im System ein Leck im System anzeigen. Zweitens wird der
Druck im Transportsystem so geregelt, dass ein Überschreiten vorbestimmter
Sicherheitsgrenzwerte vermieden wird. Drittens kann der Druck in
einem Fluidströmungskreis
so gesteuert werden, dass dadurch verschiedene mit der Bearbeitungsvorrichtung
verbundene Bearbeitungswerkzeuge betätigt werden.
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In der
EP 0 330 011 A2 ist ein eingekapselter Blutdruckwandler
zur Verwendung in einer Katheterleitung beschrieben. Zwischen zwei
Anschlüssen
erstreckt sich ein Durchfluss, und über einem mit einem Siliziumgel
gefüllten
Durchgang wird eine Fluidverbindung mit einem Festkörper-Druckwandlerchip
geschaffen.
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Im US-Patent Nr. 2,190,713 ist ein
piezoelektrischer Drucksensor für
einen Verbrennungsmotor beschrieben, der in einer normalen Zündkerzenfassung
bzw. einem Zündkerzengehäuse integriert
ist.
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JP-A-7072029 und JP-A-6129927 zeigen chemisch
inerte Druckwandlermodule, bei denen ein chemisch inertes, fle xibles
Isolationselement so angeordnet ist, dass es mit dem druckempfindlichen
Teil eines Drucksensors direkt in Kontakt ist.
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Es besteht daher ein Bedarf nach
einem nicht verschmutzenden Druckwandler, der inline in einem korrosive
Materialen leitenden Fluidströmungskreis
angeordnet werden kann, wobei der Druckwandler entweder einen Überdruck
oder einen absoluten Druck des Fluidströmungskreises bestimmt. Außerdem besteht
ein Bedarf nach einem Druckwandler, der das Einbringen von Partikeln,
unerwünschten
Ionen oder Dämpfen
in den Strömungskreis
vermeidet. Die vorliegende Erfindung überwindet diese und andere
Nachteile des Standes der Technik.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Druckwandlermodul vorzusehen, das in den Strömungskreis
eines korrosiven Fluids gekoppelt werden kann, wobei entweder der Überdruck oder
absolute Druck im Strömungskreis
festgestellt werden kann. Das Druckwandlermodul weist einen Drucksensor
in einem nicht verschmutzenden Gehäuse auf. Bei der bevorzugten
Ausführungsform weisen
die Komponenten des Druckwandlermoduls ein Gehäuse, einen Deckel, einen elektrischen
Anschluss, Druckanschlüsse,
eine Isolationsmembran, einen Drucksensor, eine elektronische Schaltung,
einen Abstandsring und einen Haltering auf.
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Der Deckel des Gehäuses ist
durch aufeinander passende Gewinde, die auf einer Innenoberfläche des
Deckels und auf der Außenoberfläche des Gehäuses ausgebildet
sind, entfernbar auf dem Gehäuse
befestigt. Im Deckel ist ein elek trischer Steckverbinder angebracht,
durch den ein Zusammenfügen
elektrischer Leitungen im Gehäuse
mit externen Leitern ermöglicht
wird, wenn der Deckel befestigt ist.
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Das Gehäuse weist eine sich durch das
Gehäuse
hindurch erstreckende Bohrung auf, die einen Durchgang oder eine
Leitung bildet, durch den bzw. durch die Fluide fließen, wenn
der Wandler in einen Fluidströmungskreis
eingebunden ist. Druckanschlüsse
sind an jedem offenen Ende der Bohrung ausgerichtet und dicht mit
ihm verbunden. Die Druckanschlüsse
sind aus einem chemisch inerten Material gefertigt, sind leicht
erhältlich
und dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt. Außerdem weist das Gehäuse einen
Hohlraum auf, der sich von einer Außenoberfläche in Kommunikation mit der
Bohrung erstreckt. Vorzugsweise ist im Gehäuse an der Schnittstelle zwischen
Hohlraum und Bohrung eine Lippe ausgebildet. Die Lippe hat eine
innere Abmessung, die geringer ist als die Innenabmessung des Gehäuses. Die
Isolationsmembran, der Drucksensor, die elektronische Schaltung,
der Abstandsring und der Haltering sind alle im Hohlraum des Gehäuses enthalten.
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Die Isolationsmembran ist an der
Lippe des Gehäuses
im Hohlraum abgedichtet. Auf diese Weise ist der Hohlraum des Gehäuses gegenüber dem Fluidfluss
isoliert. Die Isolationsmembran ist vorzugsweise aus einem antikorrosiven,
chemisch inerten Material hergestellt, wobei Teflon bevorzugt wird.
Der Drucksensor wird auf die Isolationsmembran gebondet, auf sie
gepresst, mit ihr wärmeverschweißt oder sonst
verbunden. Der Drucksensor kann ein Kapazitanzdrucksensor oder ein
piezoelektrischer Drucksensor sein. Eine im Gehäuse angeordnete hybridmäßig konstruierte
oder voll integrierte elektronische Schaltung ist mit dem Drucksen sor
und dem oben genannten Steckverbinder wirksam verbunden.
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Die elektronische Schaltung erzeugt
ein Signal, das aus durch den Drucksensor erfasster Information
eine Anzeige für
den Druck im Strömungskreis
liefert. Diese elektronische Schaltung kann auch in Kombination
mit temperaturempfindlichen Komponenten verwendet werden, um die
Druckmessung aufgrund von Temperaturveränderungen im Strömungskreis
einzustellen. Wie erwähnt
ist der elektronische Sensor über
elektrische Leitungen mit dem elektrischen Steckverbinder verbunden,
und elektrischer Strom kann an die elektronische Schaltung über die
elektrischen Leitungen geleitet werden, die beim Steckverbinder
mit einer externen Stromquelle verbunden sind. Außerdem kann
ein analoges Ausgangssignal, wie z. B. ein standardmäßiges 4
bis 20 Milliamperes betragendes Signal, das zum berechneten Druck
proportional ist, über
zusätzliche elektrische
Leitungen übertragen
werden.
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Die Isolationsmembran und der Drucksensor werden
durch eine Kombination des Abstandrings und des Halterings im Hohlraum
eingeschlossen. Auf der Oberfläche
des Halterings ist ein Gewinde ausgebildet, das mit einem auf der
Innenoberfläche
des den Hohlraum definierenden Ventilkörpers ausgebildeten Gewinde
zusammenpasst.
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Ohne dass dadurch eine Einschränkung beabsichtigt
ist, ist das Gehäuse,
die Isolationsmembran, der Abstandsring und der Haltering aus demselben
Polymer hergestellt, um ein Lecken zu vermeiden, wenn sich der Wandler
thermisch ausdehnt. In der bevorzugten Ausführungsform werden Tetrafluorethylenfluorkarbonpolymere
verwendet. Diese Polymere verringern die Menge von Abriebpartikeln,
sind chemisch inert und sehen ein nicht verschmutzendes Druckwandlermodul
vor.
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Aufgaben
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Es ist demnach eine Hauptaufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen nicht verschmutzenden Druckwandler
vorzusehen, der inline in einen Fluidströmungskreis gekoppelt werden
kann.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, ein Druckwandlermodul vorzusehen, bei dem die
Drucksensorkomponente durch eine verschmutzungsverhindernde Barriere
vom Fluidströmungskreis
isoliert ist.
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Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Druckwandlermodul vorzusehen, das ein Isolationselement
aufweist, das mit dem Drucksensor in direktem Kontakt steht, wobei
das Isolationselement so wirkt, dass es den Sensor und den damit
verbundenen elektronischen Schaltungen gegenüber potenziell korrosiven Prozesschemikalien isoliert
und das Einführen
verschmutzender Substanzen in die weiter geleitenden Prozessfluide
verhindert.
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Es ist noch eine weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen Druckwandler vorzusehen, bei dem
ein Überdruck
oder ein absoluter Druck des Strömungskreises
nicht intrusiv gemessen wird.
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Diese Aufgaben sowie diese Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus
einer Durchsicht der folgenden eingehenden Beschreibung der bevor zugten
Ausführungsform
anhand der Zeichnungen und Ansprüche
deutlich, wobei sich gleiche Referenznummern in den Zeichnungen
auf jeweils gleiche Teile beziehen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1:
ist eine perspektivische Darstellung des Druckwandlers.
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2:
ist eine Seitenansicht des Druckwandlers des in 1 gezeigten Typs.
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3:
ist eine Teilseitenschnittansicht des Druckwandlermoduls des in 1 gezeigten Typs, bei dem
der Deckel abgenommen wurde.
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4:
ist eine vergrößerte teilweise
Schnittansicht des in 3 gezeigten
Druckwandlermoduls.
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5:
ist eine perspektivische Darstellung der in den Anordnungen der 1–3 verwendeten Membran.
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6:
ist eine Seitenansicht eines kapazitiven Druckelements aus Aluminiumoxidkeramik,
das an das Isolationselement anstößt.
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7:
ist eine vergrößerte Teilseitenschnittansicht
eines alternativen bevorzugten Druckwandlermoduls nach einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung.
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8:
ist eine vergrößerte Teilseitenschnittansicht
eines weiteren alternativen bevorzugten Druckwandlermoduls.
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9:
ist eine vergrößerte Teilseitenschnittansicht
noch eines weiteren bevorzugten Druckwandlermoduls.
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10:
ist noch eine vergrößerte Teilseitenschnittansicht
noch eines weiteren alternativen bevorzugten Druckwandlermoduls.
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11:
ist eine vergrößerte Teilseitenschnittansicht
eines weiteren erfindungsgemäßen Druckwandlermoduls.
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12:
ist eine vergrößerte Teilseitenschnittansicht
eines weiteren alternativen bevorzugten Druckwandlermoduls.
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13:
ist eine vergrößerte Teilseitenschnittansicht
eines weiteren alternativen bevorzugten Druckwandlermoduls.
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14:
ist eine vergrößerte Teilseitenschnittansicht
eines weiteren alternativen bevorzugten Druckwandlermoduls. Und
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15:
ist eine vergrößerte Teilseitenschnittansicht
eines weiteren alternativen bevorzugten Druckwandlermoduls.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Zunächst wird auf 1 und 2 eingegangen, wobei
das Druckwandlermodul allgemein mit der Referenznummer 10 bezeichnet
ist. Es ist gezeigt, dass der Druckwandler eine Basis 12 aufweist,
die zum Anschließen
des Druckwandlermoduls 10 an (nicht dargestellte) Bearbeitungsvorrichtungen
verwendet wird. Das Modul weist allgemein ein Gehäuse oder einen
Körper 14 auf,
Druckanschlüsse 16 und 18 und eine
Abdeckung bzw. einen Deckel 20. Ein elektrischer Steckverbinder 22 bekannter
Konstruktion kann entfernbar auf dem Deckel 20 angebracht
sein. Die Druckanschlüsse 16 und 18 dienen
als Einlass und Auslass für
den Wandlerkörper 14,
und ihre Konstruktion ist bekannt.
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Der Fachmann wird erkennen, dass
das Druckwandlergehäuse
verschiedene Formen annehmen kann, wobei jedoch eine allgemein zylindrische Form,
wie sie hier gezeigt ist, bevorzugt wird. Ein zylindrischer Druckwandlerkörper lässt sich
leicht herstellen und Fluide fließen leichter durch eine zylindrische
Bohrung oder einen zylindrischen Hohlraum im Wandler. Das Gehäuse 14 und
der Deckel 20 werden vorzugsweise aus einem chemisch inerten,
nicht kontaminierenden Polymer, wie z. B. aus Polytetrafluorethylen
hergestellt.
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Auf der Innenoberfläche des
Deckels kann ein Gewinde ausgebildet sein, das mit einem wie bei 24 in 3 gezeigten Gewinde zusammenpasst,
das auf der Außenfläche des
Gehäuses
ausgebildet ist. Der Deckel kann so auf das Gehäuse aufgeschraubt werden und
kann weiter einen (nicht dargestellten) Dichtungsring aufweisen,
der zur Schaffung einer hermetischen Dichtung zwischen dem Deckel
und dem Gehäuse
angeordnet ist. Eine in 2 gezeigte Entlüftungsöffnung 26 kann
durch die Gehäusewand gehen,
wodurch ein Innenraum des Gehäuses
entlüftet
wird. Die Entlüf tungsöffnung 26 ermöglicht es
einem im Gehäuse
enthaltenen Drucksensor, einen Überdruck
zu bestimmen. Ohne eine solche Entlüftungsöffnung wird der absolute Druck
im Fluidströmungskreis
gemessen. Es folgt eine Erörterung
der besonderen Merkmale der verschiedenen Komponenten des Druckwandlers.
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In 3 und 4 ist der Innenaufbau des Druckwandlers
gezeigt. Eine Bohrung 28 erstreckt sich durch das Gehäuse und
bildet so einen Kanal, wodurch die Bohrung 28, wenn das
Druckwandlermodul 10 über
die Druckanschlüsse 16 und 18 in
Reihe (in-line) mit einem Fluidströmungskreis verbunden wird,
als ein Durchgang im Fluidströmungskreis dient.
Ein Ende der Bohrungsöffnung
bildet den Einlass und das andere Ende der Bohrung einen Auslass
zum Fluidströmungskreis.
Die Ausrichtung des Druckwandlermoduls im Fluidströmungskreis
kann umgekehrt werden, ohne dass dadurch die Wirksamkeit des Druckwandlers
beeinflusst würde.
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Ein Hohlraum 30 erstreckt
sich über
die ganze Strecke von einer Außenoberfläche des
Gehäuses 20 zur
Bohrung 28. In der Nähe
des Bereiches im Gehäuse,
wo sich der Hohlraum 30 und die Bohrung 28 schneiden,
ist eine ringförmige
Lippe 32 ausgebildet. Die Lippe 32 definiert weiter
eine Öffnung
von der Bohrung zum Hohlraum. Wie weiter unter erörtert, kann
die Lippe verschiedene Formen haben.
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Eine dünne flexible Polymermembranscheibe 34 ist
auf der Lippe 32 des Hohlraums positioniert. In der bevorzugten
Ausführungsform
wird sowohl das Gehäuse 14 als
auch die flexible Membran 34 aus Tetrafluorethylenfluorkarbonpolymeren
hergestellt. Ein solches Tetrafluorethylenfluorkarbonpolymer wird von
E. I. duPont Nemours unter der Marke TEFLON® vertrieben.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Membranscheibe vorzugsweise formgepresst und nicht gespritzt
oder durch ein anderes Verfahren hergestellt, das darin feine Löcher hinterlassen
könnte.
Wenn das Druckwandlermodul vollständig zusammengesetzt ist, ist
der ringförmige
Oberflächenkontakt
zwischen der flexiblen Membran und der Gehäuselippe 32 derart,
dass zwischen ihnen eine hermetische Dichtung entsteht.
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In 5 ist
die dünne,
flexible Teflonmembran 34 detaillierter dargestellt. Ohne
dass dadurch eine Einschränkung
beabsichtigt wäre,
ist die Membran so konstruiert, dass sie eine Dicke im Bereich zwischen
25 und 1016 um (0,001 und 0,040 Zoll) hat. Die obere Oberfläche 36 ist
geschliffen, so dass daraus ein Muster aus Rillen oder Riffeln entsteht.
Wenn nun die obere Oberfläche 36 der
Membran gegen die Basis 38 des Drucksensors 40 gedrückt wird,
verschwinden alle Lufteinschlüsse,
die sich sonst zwischen der Sensorbasis 38 und der Membran
gebildet hätten,
wodurch ein engerer Kontakt zwischen der Membran und dem Drucksensor 40 ermöglicht wird. Der
Flansch 52 des Abstandsrings 50 und der Dichtungsring 54 sind
so ausgelegt, dass zwischen dem Sensor 40, dem Dichtungsring 54 und
dem Abstandsring 50 ein kleiner Zwischenraum bleibt. Die Innenoberfläche des
Abstandsrings 50 kann auf sich auch ein Muster aus Rillen
oder Riffeln haben, um für die
ausgepresste Luft einen Durchgang zu schaffen, durch den sie in
den mittleren Bereich des Hohlraums gelangt.
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Wie in 3 und 4 zu sehen ist, ist der Drucksensor 40 oben
auf der flexiblen Membran 34 positioniert. Der Drucksensor
kann ein dem Fachmann bekannter Kapazitanz-Drucksensor oder ein piezoelektrischer
Drucksensor sein. Die Basis 38 des Drucksensors ist in
direktem Kontakt mit der Membran und kann entweder mit der Membran
in Druckkontakt sein oder durch einen Kleber, thermisches Schweißen oder
ein anderes bekanntes Verfahren mit ihr verbunden sein.
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In einer allgemein in 6 gezeigten Ausführungsform
besteht ein Aluminiumoxidkeramik-Drucksensor aus einem dünnen, allgemein
biegsamen Keramikplättchen 42,
wobei ein isolierender Abstandsring 44 zwischen ihm und
einem dickeren, nicht biegsamen Keramikplättchen 46 eingeklemmt ist.
Das erste dünne
Keramikplättchen
bzw. die Membran ist ungefähr
127 bis 1270 μm
(0,005–0,050
Zoll) dick, mit einer typischen Dicke von 508 um (0,020 Zoll). Das
dickere Keramikplättchen
hat einen Dickenbereich zwischen 2,54 bis 5,08 mm (0,100–0,200 Zoll).
Der Abstandsring kann aus einem geeigneten Polymer sein. Die sich
gegenüber liegenden
Oberflächen
der Keramikplättchen 42 und 46 sind
mit Metallen wie z. B. Gold, Nickel oder Chrom beschichtet, wodurch
die Platten eines Kondensators gebildet werden. Ein ähnlicher
kapazitiver Druckwandler ist im US-Patent Nr. 4,177,496 (Bell et al.)
beschrieben. Weitere kapazitive Druckwandler, die denen im US-Patent
Nr. 4,177,496 beschriebenen ähnlich
sind, sind erhältlich
und auf diesem Gebiet bekannt.
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Wie in 4 zu
sehen ist, ist ein elektronisches Schaltungsmodul 48 über dem
Keramikdrucksensor 40 positioniert und mit den leitenden
Oberflächen
des Keramikdrucksensors elektrisch verbunden. Das elektronische
Schaltungsmodul 48 ist auch über nicht dargestellte geeignete
Leiter mit Intervallkontakten des Steckerverbinders 22 verbunden (1). In der bevorzugten Ausführungsform
ist der elektrische Steckverbinders 22 aus einem chemisch inerten Material
hergestellt und kann vorzugsweise das von Pneumatico erhältliche
Teil mit der Nummer po3rsd-00004-24 sein.
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Das elektronische Schaltungsmodul 48 erzeugt
ein zum Druck in dem Strömungskreis
proportionales Steuersignal unter Verwendung analoger Informationen,
die vom Drucksensor 40 empfangen werden und mit Veränderungen
seiner Kapazitanz zusammenhängen,
die aufgrund der Deformation des Elements 42 durch den
auf ihn wirkenden Fluiddruck entstehen. Bei einer Veränderung
der Temperatur im Strömungskreis
kann die elektronische Schaltung auch den Druck einstellen, in dem
ein Thermistor oder dergleichen eingebaut wird.
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In 3 und 4 ist über dem Drucksensor 40 ein
becherförmiges
Abstandselement 50 angeordnet, das auf die obere Oberfläche des
Drucksensors 40 eine Kraft ausübt, um den Sensor flach gegen
die Membran 34 zu drücken.
Das Abstandselement 50 hat weiter einen umlaufenden Flansch 52 (4), der eine Kraft gegen
die Membran 34 und die Lippe 32 des Hohlraums überträgt. Ein
O-Ring 54 kann zwischen dem Flansch 52 des Abstandselements
und der Membran angeordnet sein, wodurch durch seine Elastomereigenschaften
die Kraft vom Abstandselement 50 gegen die Membran übertragen
werden kann, um sie gegen die ringförmige Lippe 32 des Hohlraums
zu drücken.
Ein Haltering 56 mit einem Gewinde wird in das Innengewinde
des Hohlraums des Gehäuses
oder Körpers 14 passend
eingedreht, wobei er gegen das Abstandselement 50 drückt und es
wiederum gegen den Drucksensor 40 und die Membran 34 drückt.
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Zum Verringern toten Raums sollte
der Abstand "d" (4), um den die flexible Membran vom Lumen
der Bohrung 28 versetzt ist, minimal gehalten werden. Je
geringer der tote Raum ist, desto geringer ist auch die Wahrscheinlichkeit
einer Ansammlung von kleinen Teilen und Verschmutzung. Je geringer der
tote Raum, desto geringer ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass
Luftblasen im toten Raum gefangen sind und dann plötzlich wieder
in den Strömungskreis
eintreten. Das Wiedereintreten dieser Luftblasen vom toten Raum
hat negative Auswirkungen auf die Halbleiterbearbeitung. Der Innendurchmesser des
Lumens "D" sollte nicht größer sein
als 2d. Idealerweise ist die Abmessung d wesentlich kleiner als die
Abmessung D.
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7 zeigt
eine alternative Ausführungsform,
bei der das Abstandselement 50 gerundete Kanten hat, wie
bei 58 zu sehen ist. Die abgerundeten Kanten tragen zum
Fokussieren der Kraft des Abstandselements 50 gegen die
flexible Membran 34 und die Lippe 32 des Hohlraums
bei. Bei dieser Anordnung kann auch auf den O-Ring 54 verzichtet
werden. Der O-Ring 54 kann jedoch zwischen der Membran
und der Lippe 32 (siehe 13)
angeordnet sein. Der Flansch 52 des Abstandselements 50 und der
O-Ring 54 sind so abgemessen, dass ein kleiner Zwischenraum
zwischen dem Sensor 40, dem O-Ring 54 und dem
Abstandselement 50 verbleibt. Die Innenoberfläche des
Abstandselements 50 kann ebenfalls ein Muster von darauf
ausgebildeten Rillen oder Riffeln haben, wodurch die herausgedrückte Luft
entweichen kann. Außerdem
kann sich durch die Mitte des Abstandsstücks 50' eine Bohrung erstrecken, wodurch
sich der Durchgang in den Hohlraum des Gehäuses ausdehnt.
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8 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform,
bei der die Lippe 32' des
Hohlraums abgestuft ist. Wenn der O-Ring 54 durch das Abstandselement 50 zusammengedrückt wird,
wird er in die Form der Stufe gebracht und drückt oder zwingt (forces) die
flexible Membran 34, wodurch diese gebogen wird und in
die Form der abgestuften Lippe 32 gepresst wird, um eine
Dichtung gegen das Eindringen eines Fluids zu erzeugen. In noch
einer weiteren Ausführungsform
kann der O-Ring 54 zwischen der Membrane und der Lippe 32' angeordnet
sein (siehe 15).
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9 veranschaulicht
eine weitere bevorzugte Ausführungsform,
bei der das Ende des Abstandselementflanschs 52 abgerundet
ist, wobei der Flansch gegen den O-Ring 54 gedrückt wird,
was dazu führt,
dass der O-Ring seinerseits gegen die flexible Membran 34 gedrückt wird.
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10 veranschaulicht
noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei der die O-Ring-Dichtung 54' in einer in
der Lippe 32' ausgebildeten
ringförmigen
Nut oder Vertiefung 60 enthalten ist. Die flexible Membran 32 wird
gegen den O-Ring 54' gedrückt, wodurch
die Kanten der Lippe 32' abgedichtet
werden, wodurch verhindert wird, dass Fluid aus dem Strömungskreis
in den Hohlraum des Gehäuses
eindringt. Diese Abschirmungsanordnung wird in Umständen bevorzugt,
bei denen der Fluiddruck geringer als der Atmosphärendruck
ist. In solchen Umständen
schließt
die Abschirmungsanordnung aus, dass der O-Ring in den Fluidströmungskreis
hineingezogen wird.
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11 zeigt
noch eine weitere Ausführungsform,
bei der sich entlang der Oberfläche
der Lippe 32 eine ringförmige
Erhebung 62 erstreckt. Wenn die Membran gegen die Lippe
zusammengedrückt
wird, schmiegt sich die Membran an die Form der Erhebung an. Auf
diese Weise wird zwischen den Membranplättchen und der Gehäuselippe
eine wirksame Dichtung erzeugt.
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12 zeigt
noch eine weitere Ausführungsform,
bei der die Lippe mehrfach gestuft ist, wobei der O-Ring 54 auf
der unteren Stufe unterhalb der Membran 32 angeordnet ist.
Ein zusätzlicher
ringförmiger Dichtungsring 64 mit
einer äußeren Nut 66 zum
Aufnehmen eines O-Rings 68 und einer inneren Nut 70 zum
Aufnehmen eines O-Rings 72 schafft eine zusätzliche
Dichtung zwischen dem Gehäuse 14 und dem
Drucksensor 40. Der zusätzliche
ringförmige Dichtungsring 64 ist
als zwischen der oberen Stufe 74 und dem ersten Abstandsring 76 angeordnet
dargestellt. Das Abstandselement 50 ist in direktem Kontakt
sowohl mit dem ersten Abstandsring 76 als auch dem Drucksensor 40.
Auf diese Weise ist das Innere des Gehäuses unabhängig von der zwischen der Membran 32 und
dem Drucksensor 40 gebildeten Dichtung gegen den Fluidkreis
abgedichtet. Ein Auslasskanal 78 erstreckt sich durch das
Gehäuse 14 zu einer
Außenoberfläche. Der
Auslasskanal 78 ist zwischen der oberen Stufe 74 und
der unteren Stufe angeordnet, mit der die Dichtung 54 in
Kontakt ist. Wenn Fluid aus dem Strömungskreis am O-Ring 54 vorbei
eindringt, ermöglicht
der Kanal 78 ein Auslassen dieses Fluids aus dem Gehäuse, ohne
dass dadurch der Sensor 40 verschmutzt oder beeinträchtigt würde.
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Wenn der O-Ring 54 auf der
Fluidströmungskreisseite
angeordnet ist (siehe 10 und 12–15), muss
der O-Ring aus einem chemisch inerten Material hergestellt werden.
Ein Perfluorelastomer, wie zum Beispiel das von duPont Nemours,
Inc. erhältliche
KALREZ, ist für
diesen Zweck geeignet. Andere Werkstoffe, wie zum Beispiel CHEMRAZ,
ein von Greene, Tweed & Co.,
Inc. erhältliches
elastomeres PTFE ist ebenfalls geeignet.
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Nach der vorhergehenden Beschreibung
der Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung wird nun deren
Verwendung erörtert.
Der Benutzer koppelt das Druckwandlermodul 10 über die
Druckanschlüsse 16 und 18 in
einen Fluidströmungskreis. Wenn
ein Fluid durch den Strömungskreis
fließt, drückt der
Druck das dünne
Keramikplättchen 38 des Drucksensors 40 in
Abhängigkeit
davon ein und verändert
damit die Kapazitanz des keramischen Drucksensors. Die Veränderung
der Kapazitanz steht mit dem Druck im Strömungskreis in Zusammenhang. Diese
Veränderung
der Kapazitanz wird durch die elektrische Schaltung 48 erfasst,
die ihrerseits ein zum Druck proportionales analoges Signal erzeugt. Der Überdruck
oder absolute Druck kann gleichermaßen festgestellt werden.
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Der Fachmann wird erkennen, dass
das Wandlerausgangssignal so kalibriert werden kann, dass minimale
Ausgangswerte minimalem Druck und maximale Ausgangswerte maximalem
Druck zugeordnet werden. Zum Beispiel kann ein zum Messen von 0 –689 kPa
(0–100
psig/pounds per square inch gauge) beabsichtigter Wandler zum Lesen
von 4 mA bei 0 kPa (0 psig) und 20 mA bei 689 kPa (100 psig) kalibriert
werden.
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Durch Vorsehen der inerten Teflonmembran, die
in engem Kontakt mit der Keramikmembran 38 des Drucksensors
ist, kommt das Arbeitsfluid nicht mit den Oberflächen des Sensors in Kontakt,
was zu einer Verschmutzung führen
könnte.
Die offenbarten Dichtungsanordnungen stellen sicher, dass das Arbeitsfluid
nicht in den Hohlraum des Gehäuses 14 gelangt
und dort die elektronischen Schaltungen negativ beeinflusst.
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Die Erfindung wurde hier in beträchtlichem Detail
beschrieben, um den Patentvorschriften zu genügen und um dem Fachmann die
Information an die Hand zu geben, die er zum Anwenden der neuartigen Prinzipien
und zum Herstellen und Verwenden der entsprechenden benötigten spezialisierten
Komponenten braucht. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung
auch durch spezifische andere Vorrichtungen ausgeführt werden
kann und dass verschiedene Modifikationen sowohl bei den Einzelheiten
der Vorrichtungen als auch bei den Bedienvorgängen ausgeführt werden können, ohne
dass dadurch vom Umfang der Erfindung nach den Ansprüchen abgewichen
wird.