CN108458829B - 静电电容型压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的静电电容型压力传感器减少来自被测定介质的热传递所引起的膜片的变形的影响，并且减少滞后现象、偏移等输出信号误差。在底座板(22)的与膜片支承部(32)相对的位置形成压力导入孔(22a)。由此，膜片支承部(32)和与该膜片支承部(32)接合的传感器底座(35)的厚度部分(壁厚部)(30A)形成散热部或者吸热部，被测定介质所具有的热能难以传递至传感器膜片(31)。

Description

静电电容型压力传感器

技术领域

本发明涉及一种具有检测与被测定介质的压力相对应的静电电容的膜片结构的传感器芯片的静电电容型压力传感器。

背景技术

一直以来，在半导体制造设备等当中所使用的以真空计为首的压力传感器中，大多采用使用所谓的MEMS(Micro Electro Mechanical Systems微机电系统)技术而具有小型膜片的传感器元件。该传感器元件的主要检测原理为，利用膜片来承受压力介质的压力，并将由此产生的位移转换为某种信号。

例如，作为使用了这种传感器元件的压力传感器，将承受被测定介质的压力而弯曲的膜片(隔膜)的位移作为静电电容的变化来进行检测的静电电容型压力传感器被广为人知。由于该静电电容型压力传感器的气体种类依赖性很小，因此经常使用于以半导体设备为首的工业用途中。例如为了测量在半导体制造装置等的制造过程中的真空状态而被使用，将用于测量该真空状态的静电电容型压力传感器称为隔膜真空计。此外，承受被测定介质的压力而弯曲的膜片被称为感压膜片，或者被称为传感器膜片。

对于隔膜真空计，要求对于材料气体、清洁气体的耐腐蚀性，并且要求对于制造过程中的副产物等(以下，将这些物质称为污染物质。)的堆积具有抗性。在设备正常运行期间，不仅是处理室的内部，管道、泵类，还有隔膜真空计的内部也会产生堆积，这是真空度测量误差的主要原因。为了减少这些污染物质的不期望的堆积，也包括隔膜真空计的腔室等真空构件通常自加热至最大200℃的程度。因此，在要求上述的耐腐蚀性的同时，隔膜真空计也要求对于该自加热温度的耐热性。

在半导体制造装置的制造过程中、维护时，处于如下的状况：对于如上所述处于自加热状态的隔膜真空计内部的传感器元件，反复地施加具有测量范围的压力之上的过大的压力的气体等测量介质。因此，当存在传感器制造时的残留应力时，输出信号会产生滞后现象等误差，从而影响传感器精度。

如上述那样，在隔膜真空计中，为了测量必须将压力施加至膜片。作为该压力的大小，正常的是，预想大气压、传感器的满量程压力这样的大压力被多次施加，之后传感器被再次抽成真空并且返回到零点。

以往，认为在传感器构件的接合处会发生伴随这样的施加压力的大幅的增减的滞后现象(由于机械性应力状态的变化而产生的压力所引起的滞后现象)。当压力被施加时，组件的金属壳体、传感器构件自身变形，并且该影响传达至隔膜(膜片)使得形状改变，从而也会产生滞后现象、偏移。

然而，在多数情况下，焊接部等状态容易由于压力引起的变形而改变的接触部位是其原因。此外也可以想到，由于将不同种材料彼此接合的接合部也在其界面处有大的变形，因此轻微的机械影响会产生不可逆的变化。其他还有形成静电电容的电极材料承受压力施加而变形的情况，在传感器所能承受的压力范围内不产生这样的偏移、滞后现象被认为是一直以来的压力传感器的大的设计问题，并且已经采取各种对策来解决该问题(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平9-61270号公报

专利文献2：日本专利特开2002-111011号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在隔膜真空计中，测量原理上从受压时的被测定介质到膜片的热传递无论如何都不可避免，从而会产生有别于上述那样的现有问题的其他问题。特别是，在传感器元件的部分区域(特别是膜片部位)发生局部温度变化的情况下，由于与传感器输出的滞后现象误差直接相关，因此对于保持传感器产品的精度来说，将影响维持在最低限度很重要。

但是，即使试图控制自加热温度来使温度均匀，对于真空状态的传感器内部的局部温度分布来说效果很低。推测这是气体分子对热传递的影响较大的原因。随着测量压力范围变小，输出时出现的滞后现象对于满量程压力的误差的影响变大，成为更加严重的状况。因此，这成为传感器测量精度上的大问题，所以要求进行改善。

以往大多数是针对所述那样的传感器结构制作时的残留应力的对策，但现状是，对于在这样的微小压力范围内显著的、测量原理上无法避免的因素(从被测定介质到膜片的热传递)无法采取对策。

参照图9所示的以往的隔膜真空计的要部的构成，对该问题进行具体说明。该隔膜真空计100具备：膜片构成构件103，其具备根据被测定介质的压力而位移的膜片(传感器膜片)101，以及支承该传感器膜片101的周缘部的膜片支承部102；传感器底座105，其与膜片支承部102接合，并与传感器膜片101一起形成基准真空室104；以及底座板107，其接合在膜片支承部102的与传感器底座105相反的那一侧，并与传感器膜片101一起形成压力导入室106。

在该隔膜真空计100中，在传感器底座105的基准真空室104侧那一面形成有固定电极108，在传感器膜片101的基准真空室104侧那一面以与固定电极108相对的方式形成有可动电极109。此外，在底座板107上，在该板的中央部(位于传感器膜片101的中心的部分)形成有压力导入孔107a。在该隔膜真空计100中，被测定介质经由压力导入孔107a被导入至压力导入室106而使传感器膜片101弯曲。

在为了测量半导体制造过程中的真空状态而利用该隔膜真空计时，除了规定的设定压力下的生产过程中或者暴露于大气的维护时，通常腔室被抽成真空，并且隔膜计100保持零点。图10表示半导体制造过程中的隔膜真空计100的设置状态的概略。在该图中，111为主腔室，112为管道。在测量开始时，主腔室111、管道112中残留有前一次的测量时的被测定介质的残留气体。即使在施加了满量程的压力之后的真空吸取的状态下，该被测定介质的残留气体也会从主腔室通过管道112而与壁面碰撞多次，交换热能的同时最终到达隔膜真空计100的内部的传感器膜片101。

此时，如果从压力施加前的主腔室111到管道112、隔膜真空计100的组件的内表面的温度与传感器膜片101的附近的温度存在差异的话，则气体最初到达传感器膜片101的部位的温度由于热能的授受而局部地上升或者下降。如果测定对象的压力范围较高，则传感器膜片101相对地较厚，因此热量扩散，局部的膨胀不会发生或其影响非常小。

但是，在更加微小的压力范围内，为了获得压力灵敏度，传感器膜片101变薄，热量不会扩散，并发生局部膨胀或收缩那样的现象。即，如图11所示，热量积蓄在传感器膜片101的中央部，产生微小温度分布，并发生局部膨胀或收缩那样的现象。

当发生这种局部膨胀、收缩时，认为由于传感器膜片101的形状、原来具有的初始弯曲或者固定方法等原因而产生与压力无关的弯曲，从而发生传感器输出的偏移。此外，从管道112依次地供应与传感器膜片101温度不同的气体，如果本底真空度例如是大约10^-4Pa左右(13Pa范围传感器的0.001％FS)的话，则基于残留气体分子的热能的交换的配管以及传感器内壁的热均匀化需要大量的时间，因此观察到冗长的偏移直至成为原来的状态。如果没有完全地返回到原来的状态，则其作为偏移量出现在输出中。

发明人对于初始弯曲0.1um、直径7.5mm的膜片的中心φ2mm的位置给予一定的热通量，并计算出发生了多少的温度上升和弯曲。当膜片的厚度加倍(例如从25μm到50μm)时，温度上升大约一半，该热通量导致的弯曲强度为1/8，可知在厚的膜片中难以发生该现象。

本发明是为了解决这样的问题而做出的，其目的在于提供一种静电电容型压力传感器，该静电电容型压力传感器可以降低来自被测定物质的热传递所导致的膜片的变形，并减少滞后现象、偏移等输出信号误差。

解决问题的技术手段

为了达成这样的目的，本发明的特征在于，具有：膜片构成构件33，其具备根据被测定介质的压力而位移的膜片31，以及支承该膜片的周缘部的膜片支承部32；传感器底座35，其与膜片支承部接合，并与膜片一起形成基准真空室34；底座板22，其接合在膜片支承部的与传感器底座相反的那一侧，并与膜片一起形成压力导入室36；固定电极37，其形成于传感器底座的基准真空室那一侧的表面；以及可动电极38，其以与固定电极相对的方式形成于膜片的基准真空室那一侧的表面，底座板22具有压力导入孔22a，该压力导入孔22a形成于与膜片支承部32相对的位置，将被测定介质导入至压力导入室36。

在本发明中，在底座板上的与膜片支承部相对的位置形成有压力导入孔，被测定介质被从该压力导入孔导入至压力导入室。即，在本发明中，被测定介质经由压力导入室被引导至膜片表面。由此，膜片支承部和与该膜片支承部接合的传感器底座的厚度部分(壁厚部)形成散热部或者吸热部，被测定介质所具有的热能难以传递至膜片。

另外，在上述说明中，作为一例，与本发明的构成要素对应的附图上的构成要素用附图标记表示。

发明的效果

如上所述，根据本发明，由于在底座板的与膜片支承部的相对的位置处设有压力导入孔，因此膜片支承部和与该膜片支承部接合的传感器底座的厚度部分(壁厚部)形成散热部或者吸热部，因此被测定介质具有的热能难以传递至膜片。由此，可以减小来自被测定介质的热传递所导致的膜片的变形，并减少滞后现象、偏移等输出信号误差。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的静电电容型压力传感器的一实施方式(隔膜真空计)的要部的纵向截面图。

图2是表示抽出了图1中的要部加以表示的图。

图3是从箭头A方向观察图2的俯视图。

图4是表示形成于底座板上的压力导入孔的位置以及形成在膜片支承部上的被测定介质的通路的立体图。

图5是设置在被测定介质的流入口的折流板的俯视图。

图6是例示采用了本实施方式的结构的隔膜真空计的测量结果的图。

图7是表示正常情况下的传感器输出的变化、正向侧膨胀的情况下的传感器输出的变化以及向负侧膨胀的情况下的传感器输出的变化的图。

图8是表示形成于膜片支承部中的通路的深度增加的例子的图。

图9是表示以往的隔膜真空计的要部的构成的图。

图10是表示半导体制造过程中的隔膜真空计的设置状况的概略的图。

图11是说明来自被测定介质的热传递所引起的膜片的变形的图。

具体实施方式

以下，基于附图详细地说明本发明。图1是表示本发明所涉及的静电电容型压力传感器的一实施方式(隔膜真空计)的要部的纵向截面图。

该隔膜真空计1具备：组件10；底座板组件20，其收纳在组件10内；传感器芯片30，其同样收纳在组件10内，并与底座板组件20接合；以及电极引线部40，其直接安装在组件10上，并导通连接组件10内外。此外，底座板组件20由第1底座板21和第2底座板22构成，与组件10是分开的，仅经由支承膜片50支承在组件10上。

组件10由上壳体11、下壳体12及盖13构成。另外，上壳体11、下壳体12及盖13由耐腐蚀性金属构成，分别通过焊接接合在一起。

上壳体11具备将直径不同的圆筒体连结而成的形状，其大径部11a具有与支承膜片50的接合部，其小径部11b形成有供被测定介质流入的导入部10A。

下壳体12具有大致圆筒体形状，通过盖13、支承膜片50、底座板组件20及传感器芯片30而在组件10内形成独立的真空室10B。另外，在真空室10B内配有被称为所谓的吸气剂(未图示)的气体吸附物质而维持真空度。

此外，在下壳体12的支承膜片50的安装侧，在周向适当位置突出形成有挡块12a。另外，该挡块12a起到限制因被测定介质的急剧的压力上升而导致底座板组件20过度位移这一情况的作用。

此外，盖13由圆形的板构成，在盖13的规定位置形成有电极引线插通孔13a，电极引线部40隔着气密封接件60而被埋入该电极引线插通孔13a，从而确保了该部分的密封性。

另一方面，支承膜片50由具有配合组件10的形状的外形形状的金属制薄板构成，是夹在第1底座板21与第2底座板22之间的状态，其外周部(周围缘部)被上述上壳体11和下壳体12的缘部夹住并通过焊接等接合在一起。

另外，关于支承膜片50的厚度，例如在本实施方式的情况下为几十微米，相较于各底座板21、22而言是充分的薄的厚度。此外，在支承膜片50的中央部，在第1底座板21与第2底座板22之间形成有构成狭缝状的空间(空腔)20A的大径的孔50a。

底座板21、22由作为氧化铝的单晶体的蓝宝石构成，第1底座板21以与组件10的内表面分开的状态接合在支承膜片50的上表面，第2底座板22以与组件10的内表面分开的状态接合在支承膜片50的下表面。

此外，在第1底座板21上，在其中央部形成有连通至狭缝状的空间(空腔)20A的被测定介质的导入孔21a，在第2底座板22上形成有多个(该例中为4个)狭缝状的空间(空腔)20A以及连通至传感器芯片30的压力导入室36的被测定介质的导出孔22a。

图2以及图3表示形成于第1底座板21上的导入孔21a和形成于第2底座板22上的导出孔22a的位置关系。图2是表示抽出了图1中的要部加以表示的图。图3是从箭头A方向观察图2的俯视图。

如图2及图3所示，第1底座板21的导入孔21a和第2底座板22的导出孔22a设置于在底座板21、22的厚度方向上不重叠的位置。在该例子中，在第1底座板21的中央部设置有1个被测定介质的导入孔21a，在第2底座板22的远离中央部的位置形成有4个被测定介质的导出孔22a。该导出孔22a相当于本发明中所说的形成在底座板上的压力导入孔。在下文描述形成于该第2底座板22上的导出孔(压力导入孔)22a的细节。在该例子中，示出了在中央部仅设有一个被测定介质的导入孔21a的第1底座板21，但是孔数、位置并不限定于此。

另外，如上所述，各底座板21、22相对于支承膜片50的厚度而言充分地厚，并且具有利用两底座板21、22呈所谓的夹心状夹住支承膜片50的结构。由此，防止因支承膜片50与底座板组件20的热膨胀率的差异而产生的热应力而导致该部分翘曲。

此外，在第2底座板22的下表面经由氧化铝基质的接合材料而接合有由作为氧化铝的单晶体的蓝宝石形成的俯视为矩形状的传感器芯片30。另外，该传感器芯片30的接合方法在专利文献2中已有详细记载，因此省略此处的说明。

传感器芯片30在俯视下具有1cm见方以下的大小，并具备：膜片构成构件33，其具备根据被测定介质的压力而位移的膜片(传感器膜片)31，以及支承该传感器膜片31的周缘部的膜片支承部32；以及传感器底座35，其与膜片支承部32接合，并与传感器膜片31一起形成基准真空室34。

在该传感器芯片30中，与传感器底座35为相反侧的膜片支承部32和第2底座板22接合。由此，在第2底座板22与传感器膜片31之间形成了压力导入室36。此外，传感器芯片30内的基准真空室34和组件10内的真空室10B经由穿设在传感器底座35的适当位置的未图示的连通孔而共同保持同一真空度。

另外，膜片构成构件33与传感器底座35通过所谓的直接接合而相互接合在一起，并构成一体化的传感器芯片30。此外，在本实施方式中，是将传感器膜片31与膜片支承部32一体化而得的物体作为膜片构成构件33，但也可将传感器膜片31和膜片支承部32设为不同个体。例如，也可以是将膜片支承部32上下分割并在中间夹入传感器膜片31这样的构成。在该情况下，被膜片支承部32夹住的部分成为膜片支承部32的构成要素。

此外，在该传感器芯片30中，在传感器底座35的基准真空室34侧那一面形成有由金或者铂等导体形成的固定电极37，在传感器膜片31的基准真空室34侧那一面以与固定电极37相对的方式形成有由金或者铂等导体形成的可动电极38。

此外，在第2底座板22上，形成所述的四个导出孔22a作为通往压力导入室36的被测定介质的压力导入孔。以下，将形成于第2底座板22上的导出孔22a也称为压力导入孔22a。这四个压力导入孔22a以在径向上与第2底座板22的中心等距离地、且在周向上相隔等间隔的方式形成在与膜片支承部32相对的位置。如图4所示，在膜片支承部32处，在第2底座板22的压力导入孔22a的正下方形成有使压力导入孔22a和压力导入室36连通的通路32a。该通路32a的深度较浅。

另一方面，电极引线部40具备电极引脚41和金属制屏蔽罩42，电极引脚41通过由玻璃等绝缘性材料构成的气密封接件43将其中央部分埋设在金属制屏蔽罩42中，并在电极引脚41的两端部间保持气密状态。

并且，电极引脚41的一端露出于组件10的外部，通过未图示的线路将隔膜真空计1的输出传递至外部的信号处理部。另外，在屏蔽罩42与盖13之间也像上述那样介入有气密封接件60。此外，在电极引脚41的另一端部连接有具有导电性的接触弹簧45、46。

接触弹簧45、46具有如下程度的充分的柔软性：即便因被测定介质骤然从导入部10A流入而发生的急剧的压力上升导致支承膜片50发生若干位移，接触弹簧45、46的作用力也不会对传感器芯片30的测定精度产生影响。

在该隔膜真空计1中，在传感器芯片30的传感器膜片31与导入部10A之间，在来自导入部10A的被测定介质的流入口处，以使板面与被测定介质的通过方向F正交的方式配置有金属制折流板70。图5表示折流板70的俯视图。在折流板70上，在其外周部以规定的角度间隔形成有凸耳(タブ)70a，被测定介质通过该凸耳70a间的间隙70b而被送至传感器膜片31。图示的折流板70是一个例子，形状、尺寸等并不限定于此。

接着，对该隔膜真空计1的动作进行说明。另外，在该实施方式中，隔膜真空计1安装在半导体制造装置中的CVD工艺中的必要的位置。

〔被测定介质的压力测定〕

在该隔膜真空计1中，来自导入部10A的被测定介质(气体)到达传感器膜片31，该被测定介质的压力与基准真空室34的压差使得传感器膜片31弯曲，设置在传感器膜片31的背面与传感器底座35的内表面之间的固定电极37与可动电极38的间隔发生变化，从而使得由该固定电极37和可动电极38构成的电容器的电容值(静电电容)发生变化。通过将该静电电容的变化导出至隔膜真空计1的外部，测定被测定介质的压力。

〔污染物质的堆积的防止〕

此外，在该压力的测定时，来自导入部10A的被测定介质(气体)碰到折流板70的板面的中央而迂回，通过折流板70的周围的间隙70b，并从第1底座板21的导入孔21a流入至第1底座板21与第2底座板22之间的狭缝状的空间(空腔)20A。

由于第1底座板21的导入孔21a和第2底座板22的压力导入孔22a被设置于在底座板21及22的厚度方向上不重叠的位置，因此流入该狭缝状的空间(空腔)20A的被测定介质不得不横向通过狭缝状的空间(空腔)20A。

当横向进入狭缝状空间(空腔)20A时，产生以气体的状态混入被测定介质的污染物质堆积在第1底座板21或者第2底座板22的内侧表面的机会。由此，最终穿过第2底座板22的压力导入孔22a，以气体的状态到达传感器芯片30的传感器膜片31的污染物质的量变少，堆积在传感器膜片31上的污染物质的量减少。

〔来自被测定介质的热传递所导致的膜片的变形的减少〕

在该实施方式中，四个压力导入孔22a以在径向上与第2底座板22的中心等距离地、且在周向上等间隔的方式形成在与膜片支承部32相对的位置，被测定介质通过该压力导入孔22a被导入至压力导入室36。

即，在本实施方式中，被测定介质经由膜片支承部32被引导到传感器膜片31的表面。由此，膜片支承部32和与膜片支承部32接合的传感器底座35的厚度部分(壁厚部30A)成为散热部或者吸热部，被测定介质所具有的热能难以传递至传感器膜片31。即，被测定介质所具有的热能从图2的T×W所示的壁厚部30A释放至外部，而难以传递至传感器膜片31。由此，来自被测定介质的热传递引起的传感器膜片31变形减小，并且滞后现象、偏移等输出信号误差减少。

另外，在本实施方式中，当传感器膜片31的厚度为t0时，壁厚部30A的厚度(膜片支承部32和传感器底座35的总厚度)T为T＝30·t0，膜片支承部32的厚度为t＝5·t0。此外，当形成在第2底座板22上的压力引入孔22a的直径设为φ0时，壁厚部30A的宽度W(膜片支承部32的宽度)为W>3·φ0。

图6例示了采用了本实施方式的结构的隔膜真空计的测量结果。在测量开始时，在施加了满量程的压力之后，抽成真空。在图6中，将此时的复位状况与以往相比较并显示。在图6中，由虚线表示的特性I表示采用了本实施方式的结构的隔膜真空计的传感器输出的变化，由实线表示的特性II表示采用了以往的结构的隔膜真空计的传感器输出的变化结果。

从该结果可知，关于隔膜真空计的零点复位时的信号追踪性，采用本实施方式的结构一方返回零点的时间较快。由于像这样减少了复位所需的时间，所以可以减少作为输出而出现的滞后现象。另外，作为参考，在图7中将正常情况下传感器输出的变化示为特性III，将向正侧膨胀的情况下的传感器输出的变化示为特性IV，将向负侧膨胀的情况下的传感器输出的变化示为特性V。

另外，在上述实施方式中，在第2底座板22上设有四个压力导入孔22a，但并不一定限定于四个，也可以是一个。此外，如图8所示，也可以加深形成在膜片支承部32中的通路32a的深度。

〔实施方式的扩展〕

以上，参考实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式。可以在本发明的技术思想的范围内对本发明的构成、详情进行本领域技术人员能够理解的各种变更。

符号说明

1…隔膜真空计、22…底座板、22a…导出孔(压力导入孔)、30…传感器芯片、31…传感器膜片、32…膜片支承部、32a…通路、33…膜片构成构件、34…基准真空室、35…传感器底座、36…压力导入室、37…固定电极、38…可动电极、30A…壁厚部。

Claims (3)

1.一种静电电容型压力传感器，其特征在于，包括：

膜片构成构件，其具备根据被测定介质的压力而位移的膜片，以及支承该膜片的周缘部的膜片支承部；

传感器底座，其与所述膜片支承部接合，并与所述膜片一起形成基准真空室；

底座板，其接合在所述膜片支承部的与所述传感器底座相反的那一侧，并与所述膜片一起形成压力导入室；

固定电极，其形成于所述传感器底座的所述基准真空室那一侧的表面；以及

可动电极，其以与所述固定电极相对的方式形成于所述膜片的所述基准真空室那一侧的表面，

所述底座板具有压力导入孔，该压力导入孔形成于与所述膜片支承部相对的位置，将所述被测定介质导入至所述压力导入室，

在所述膜片支承部上形成有使所述压力导入室与所述压力导入孔之间连通的通路。

2.根据权利要求1所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

所述压力导入孔在与所述膜片支承部相对的位置形成有多个。

3.根据权利要求2所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

所述压力导入孔的与所述膜片支承部相对的开口在包围所述膜片的圆周上沿周向等间隔地配置。

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