CN109141739A - 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CIP时的热冲击引起的传感器特性的恶化，并且缩短在CIP结束后恢复到规定的自加热温度的时间。在引入来自压力导入管(3)的清洗液进行壳体(2)内清洗时(CIP时)，抑制供给至加热器(5)的供给电流(I)，以使传感器外壳(4)内的温度(例如80℃)低于规定的自加热温度(例如125℃)。例如，在CIP时，将去往加热器控制部(11)的设定温度(tHsp)从通常时设定温度(tHsp 1)(125℃)切换到清洗时设定温度tHsp2(80℃)。

Description

静电电容型压力传感器

技术领域

本发明涉及一种静电电容型压力传感器，其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。

背景技术

一直以来，在使用于半导体制造设备等中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)技术并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)的位移检测为静电电容的变化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压力而被使用，将用于测量该压力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。

该隔膜真空计包括：传感器芯片，其将承受被测定介质的压力而弯曲的膜片的位移检测为静电电容的变化；壳体，其容纳传感器芯片；压力导入管，其连接于壳体并将被测定介质的压力引导到壳体的内部；以及传感器外壳，其覆盖壳体。

该隔膜真空计基本上会在膜片(传感器膜片)上堆积与作为加工对象的薄膜相同的物质、其副产物等。以下，将该堆积的物质称为污染物质。当该污染物质在膜片上堆积时，由于它们所引起的应力而产生膜片的弯曲，从而在传感器的输出信号中发生漂移(零点漂移)。另外，由于堆积的污染物质，在外观上膜片变厚，膜片变得难以弯曲，并且伴随压力施加的输出信号的变化幅度(跨度)也会变得比本来的输出信号的变化幅度小。

在此，在隔膜真空计中，在压力导入管与壳体之间设置挡板，使所述挡板的板面正交于被测定介质的通过方向，从而防止被测定介质中包含的污染物质堆积在膜片上。另外，以包围传感器外壳的外周面的方式设置加热器，用该加热器加热(自加热)传感器外壳的内部，从由此膜片周围的温度保持在污染物质不会析出的高温(例如，参照专利文献1以及专利文献2)。

这种隔膜真空计不仅用于半导体制造装置，而且也用于真空冷冻干燥装置等。特别是在面向医药和精细化工的真空冷冻干燥装置中，进行定期的原位清洗(CIP，Cleaningin Place)、原位灭菌(SIP(Sterilization in Place)(例如，参照专利文献3以及专利文献4)。在CIP中，例如，使用未被调节液温的约25℃的清洗液来进行包括隔膜真空计的装置内部的清洗。在SIP中，使用高压蒸汽进行包括隔膜压力计的装置内部的灭菌。另外，安装在真空冷冻干燥装置中的隔膜真空计主要是100Pa abs等比较低的压力范围，并且为了提高灭菌保证水平，使用将自加热温度(规定的自加热温度)设定为125℃的模式等。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本专利特开平5-281073号公报

【专利文献2】日本专利特开2007-002986号公报

【专利文献3】日本专利第3639783号公报

【专利文献4】日本专利特表2008-506951号公报

发明内容

【发明要解决的问题】

但是，对于隔膜真空计，SIP时的过度压力、CIP时的清洗引起的冷却等是苛刻的条件。特别是，由于在CIP时中清洗液的温度(例如25℃)与受压部(膜片的受压面)的温度(例如125℃)存在差异，所以有可能导致热冲击引起的传感器特性的恶化(零点漂移等)。

此外，通过提高清洗液的温度，能够减少受压部与清洗液的温度差。但是，CIP中的清洗液的温度调节是为了提高清洗效果等而进行，而现状是为了保护真空计的液温调节没有被进行。另外，通过关闭隔膜真空计的电源，不进行自加热使受压部温度变成接近室温的状态，能够减小受压部与清洗液之间的温差。但是，在CIP结束后，恢复到规定的自加热温度的时间会变长。

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能够减少CIP时的热冲击引起的传感器特性的恶化，并且能够缩短在CIP结束后恢复到规定的自加热温度的时间。

【解决问题的技术手段】

为了达成这种目的，本发明的特征在于，包括：传感器芯片，其具有膜片(1a1)和电极(1d、1e)，所述膜片承受被测定介质的压力而弯曲，所述电极构成为将该膜片的位移转换为静电电容的变化；壳体(2)，其收纳有传感器芯片；压力导入管(3)，其连接于壳体并将被测定介质的压力引导到传感器芯片的膜片上；传感器外壳(4)，其覆盖壳体；加热器(5)，其被设置为包围传感器外壳的外周面；温度传感器(9)，其测定传感器外壳内的温度；加热器控制部(11)，控制供给至所述加热器的供给电流，从而使由温度传感器测定出的传感器外壳内的温度变为规定的自加热温度；以及供给电流抑制部(12、16、17)，其构成为在引入来自压力导入管的清洗液进行壳体内清洗时，抑制供给至加热器的供给电流以使传感器外壳内的温度低于规定的自加热温度。

根据本发明，在引入来自压力导入管的清洗液进行壳体内清洗时(CIP时)，抑制供给至加热器的供给电流以使传感器外壳内的温度低于规定的自加热温度。由此，在CIP时，传感器外壳内的温度(例如80℃)低于规定的自加热温度(例如125℃)，减小了受压部与清洗液之间的温度差，能够减少由CIP时的热冲击引起的传感器特性的恶化。另外，由于供给至加热器的供给电流没有被切断，并且从被抑制的状态返回到原来的状态，因此能够缩短在CIP结束后恢复到规定的自加热温度的时间。

此外，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加括号的附图标记表示。

【发明的效果】

通过以上说明，根据本发明，利用清洗液进行壳体内清洗时(CIP时)，由于抑制对加热器的供给电流以使传感器外壳内的温度低于规定的自加热温度，因此，能够减小受压部与清洗液之间的温度差并且减少由CIP时的热冲击引起的传感器特性的恶化。另外，能够缩短在CIP结束后恢复到规定的自加热温度的时间。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的隔膜真空计的主要部分的图。

图2是表示在该隔膜真空计中使用的传感器芯片的主要部分的构成的图。

图3是表示实施方式1的隔膜真空计的供给电流抑制部中的设定温度切换部的动作的时间图。

图4是表示确认各样品中改变自加热温度来执行CIP前后的零点漂移所得的结果的图。

图5是表示本发明的实施方式2所涉及的隔膜真空计的主要部分的图。

图6是表示实施方式2的隔膜真空计的供给电流抑制部中的上限电流值切换部的动作的时间图。

具体实施方式

以下，基于附图详细地说明本发明的实施方式。

[实施方式1]

图1是表示本发明的实施方式1的隔膜真空计100的主要部分的图。图2是表示在该隔膜真空计100中使用的传感器芯片1的主要部分的构成的图。

在该隔膜真空计100中，传感器芯片1包括：膜片构成构件1a，其包括膜片(传感器膜片)1a1和膜片支承部1a2，所述膜片1a1被配置为能够根据被测定介质的压力而变形，所述膜片支承部1a2形成为比该膜片1a1厚，并以不可位移的方式支承膜片1a1的边缘部；以及底座1c，其与膜片支承部1a2接合并与膜片1a1一起形成基准真空室(腔)1b。

在该传感器芯片1中，在底座1c的基准真空室1b侧的面上形成有固定电极1d，在膜片1a1的基准真空室1b侧的面上形成有与固定电极1d相对的可动电极1e。

此外，在该例子中，固定电极1d由位于中央部的第一固定电极(压敏固定电极)1d1和位于该第一固定电极的周围的第二固定电极(参比固定电极)1d2构成。另外，膜片构成构件1a(膜片1a1+膜片支承部1a2)和底座1c例如由蓝宝石等绝缘体构成。

在该传感器芯片1中，在可动电极1e与压敏固定电极1d1之间形成静电电容(第一静电电容)。当膜片1a1承受被测定介质的压力P并弯曲时，可动电极1e和压敏固定电极1d1之间的间隔会变化，可动电极1e和压敏固定电极1d1之间的静电电容会变化。能够根据可动电极1e与压敏固定电极1d1之间的静电电容的变化来检测由膜片1a1承受的被测定介质的压力P。

另外，在该传感器芯片1中，在可动电极1e与参比固定电极1d2之间也形成静电电容(第二静电电容)。但是，可动电极1e的与参比固定电极1d2相对的部分位于膜片支承部1a2附近。因此，膜片1a1的弯曲所引起的位移量小于可动电极1e的中央部分。因此，通过以可动电极1e与参比固定电极1d2之间的静电电容的变化为基准来捕捉可动电极1e与压敏固定电极1d1之间的静电电容的变化，由此能够抑制偏差地检测出膜片1a1的位移量。

图1所示的隔膜真空计100包括：像这样构成的传感器芯片1；壳体2，其容纳传感器芯片1；压力导入管3，其连接于壳体2并将被测定介质的压力引导到传感器芯片1的膜片1a1；传感器外壳4，其覆盖壳体2；以及加热器(自加热用加热器)5，其被设置为包围传感器外壳4的外周面。此外，壳体2以及传感器外壳4例如形成为圆筒状。另外，设置有加热器5的传感器外壳4被绝热材料6覆盖。

在该隔膜真空计100中，在壳体2的内部设有分隔壁7。分隔壁7由底座板7a和支承板7b构成，并将壳体2的内部空间分隔成第一空间2a和第二空间2b。支承板7b的外周边缘面被固定于壳体2，并且以浮在壳体2的内部空间中的状态支承底座板7a。传感器芯片1被固定(接合)在底座板7a的第二空间2b侧。另外，在底座板7a中形成有压力导入孔7c，所述压力导入孔7c将第一空间2a内的压力引导到传感器芯片1的膜片1a1上。第二空间2b与传感器芯片1的基准真空室1b连通并被设为真空状态。

压力导入管3连接于壳体2的第一空间2a侧。被测定介质的压力P通过该压力导入管3被导入到传感器芯片1的膜片1a1。在压力导入管3与壳体2之间设有挡板8。从压力导入管3导入的被测定介质与挡板8的板面接触，并通过挡板8周围的间隙流入到壳体2的第一空间2a内。

另外，在该隔膜真空计100中，控制用温度传感器9设置在壳体2的外壁面上。控制用温度传感器9测定壳体2的温度(壳体温度)tHpv作为传感器外壳4内的温度。

另外，在该隔膜真空计100中，将收纳有上述的传感器芯片1的结构作为主体部101，并对于该主体部101设置电路部102。电路部102包括压力值输出部10、加热器控制部11以及供电电流抑制部12，并且通过由处理器、存储装置构成的硬件以及与这些硬件协作并实现各种功能的程序来实现。另外，电路部102中的各部分被搭载在电路基板13上。

在电路部102中，压力值输出部10将表示由传感器芯片1中的膜片1a1的位移而导致的静电电容的变化的信号作为输入，将该信号转换为压力值并输出该压力值。

加热器控制部11将由控制用温度传感器9所测定的壳体温度tHpv作为输入，而且将来自供给电流抑制部12的设定温度tHsp作为输入，控制对加热器5的供给电流I以使壳体温度tHpv变为设定温度tHsp。

供给电流抑制部12包括：通常时设定温度存储部12-1，其将第一设定温度tHsp1作为通常时设定温度(规定的自加热温度)来存储；清洗时设定温度存储部12-2，其将低于第一设定温度tHsp1的第二设定温度tHsp2(ttHsp2<tHsp1)作为清洗时设定温度来存储；以及设定温度切换部12-3，其在引入来自压力导入管3的清洗液进行壳体2内清洗时(CIP时)，将去往加热器控制部11的设定温度tHsp从通常时设定温度tHsp1切换到清洗时设定温度tHsp2。

在该实施方式中，通常时设定温度tHsp1例如被规定为125℃，清洗时设定温度tHsp2例如被规定为80℃。

图3的(a)中表示从外部去往设定温度切换部12-3的输入信号(CIP信号)的变化，图3的(b)中表示从设定温度切换部12-3去往加热器控制部11的设定温度tHsp的变化。CIP信号在CIP时被设定为“H”电平。

当CIP信号被设定为“H”电平时(图3的(a)中所示的t1点)，设定温度切换部12-3将去往加热器控制部11的设定温度tHsp从通常时设定温度tHsp1切换到清洗时设定温度tHsp2(图3的(b)中所示的t1点)。

在来自设定温度切换部12-3的设定温度tHsp为通常时设定温度tHsp1的情况下，加热器控制部11以成为通常时设定温度tHsp1(125℃)的方式来控制供给至加热器5的供给电流I，在来自设定温度切换部12-3的设定温度tHsp为清洗时设定温度tHsp2的情况下，加热器控制部11以成为清洗时设定温度tHsp2(80℃)的方式来控制供给至加热器5的供给电流I。

即，在CIP信号被设定为“H”电平之前(通常时)，加热器控制部11以使壳体温度tHpv成为通常时设定温度tHsp1(125℃)的方式来控制供给至加热器5的供给电流I，当CIP信号被设定为“H”电平时(CIP时)，加热器控制部11以使壳体温度tHpv成为清洗时设定温度tHsp2(80℃)的方式来控制供给至控制加热器5的供给电流I。

由此，在CIP时，壳体2的温度(传感器外壳4内的温度)低于通常时设定温度tHsp1(125℃)，即比规定的自加热温度(125℃)低(80℃)，减少了受压部与清洗液的温度差，并减少了CIP时的热冲击引起的传感器特性的恶化。

当CIP信号被设定为“L”电平时(图3的(a)中所示的t2点)，设定温度切换部12-3将去往加热器控制部11的设定温度tHsp从清洗时设定温度tHsp2(80℃)切换到通常时设定温度tHsp1(125℃)(图3的(b)中所示的t2点)。

由此，加热器控制部11开始控制对加热器5的供给电流I，使得壳体温度tHpv成为通常时设定温度tHsp1(125℃)，即规定的自加热温度(125℃)。在这种情况下，由于供给至加热器的电流没有被切断，从被抑制的状态返回到原来的状态，因此缩短了在CIP结束后恢复到规定的自加热温度(125℃)的时间。

图4中示出了确认各样品中改变自加热温度来执行CIP前后的零点漂移所得到的结果。CIP中的清洗液使用纯水，清洗液的温度为室温(约25℃)。根据该结果可以知道，在自加热温度为125℃的情况下会发生零点漂移，但是当自加热温度例如为80℃时，可以抑制零点漂移。根据这样的结果，在本实施方式中，清洗时设定温度tHsp2设定为80℃。

此外，清洗时设定温度tHsp2可以不一定是80℃。根据图4所示的结果，即使清洗时设定温度tHsp2上升至100℃左右，只要零点漂移在允许范围内，就可以认为没有问题。

另外，在CIP时，如果能够使受压部的温度与清洗液的温度相等或接近于该温度，即能够使传感器外壳4内的温度接近清洗液的温度的话，则能够使偏移量减少。

[实施方式2]

在实施方式1中，通过在CIP时将去往加热器控制部11的设定温度tHsp从通常时设定温度tHsp1(125℃)切换到清洗时设定温度tHsp2(80℃)，从而抑制供给至加热器5的供给电流I。对此，在实施方式2中，通过将限制供给至加热器5的供给电流I的上限值时使用的上限电流值从通常时上限电流值切换到清洗时上限电流值，从而抑制供给至加热器5的供给电流I。

图5中示出了本发明的实施方式2所涉及的隔膜真空计100的主要部分。在该图中，与图1中相同的附图标记表示与参照图1说明的构成要素相同或同等的构成要素，并且省略其说明。

在实施方式2的隔膜真空计100中，在加热器控制部11与加热器5之间设置有上限值限制部15，所述上限值限制部15限制从加热器控制部11供给至加热器5的供给电流I的上限值。此外，该上限值限制部15可以设置在加热器控制部11中。

另外，规定的自加热温度(125℃)作为设定温度tHsp存储在设定温度存储部14中，加热器控制部11以使壳体温度tHpv成为设定温度tHsp的方式来控制供给至加热器5的供给电流I。

另外，对于上限值限制部15，设置有在CIP时抑制供给至加热器5的供给电流I的供给电流抑制部16。供给电流抑制部16包括：通常时上限电流值存储部16-1，其将第一上限电流值I_LIM1作为通常时上限电流值进行存储；清洗时上限电流值存储部16-2，其将低于第一上限电流值I_LIM1的第二上限电流值I_LIM2(I_LIM2<I_LIM1)作为清洗时上限电流值进行存储；以及上限电流值切换部16-3，其在引入来自压力导入管3的清洗液进行壳体2内清洗时(CIP时)，将去往上限值限制部15的上限电流值I_LIM从通常时上限电流值I_LIM1切换到清洗时上限电流值I_LIM2。

图6的(a)表示从外部去往上限电流值切换部16-3的输入信号(CIP信号)的变化，图6的(b)表示从上限电流值切换部16-3去往上限值限制部15的上限电流值I_LIM的变化。CIP信号在CIP时被设定为“H”电平。

当CIP信号被设定为“H”电平时(图6的(a)中所示的t1点)，上限电流值切换部16-3将去往上限值限制部15的上限电流值I_LIM从通常时上限电流值I_LIM1切换到清洗时上限电流值I_LIM2(图6的(b)中所示的t1点)。

在来自上限电流值切换部16-3的上限电流值I_LIM为通常时上限电流值I_LIM1的情况下，上限值限制部15限制供给至对加热器5的供给电流I的上限值，以使其不超过通常时上限电流值I_LIM1。在这种情况下，虽然加热器控制部11以使得壳体温度tHpv成为设定温度tHsp(125℃)的方式来控制供给至加热器5的供给电流I，但是通常时上限电流值I_LIM1可以被规定为高于此时的供给电流I的容许范围的上限值的值。因此，如果正常的话，供给至加热器5的供给电流I的上限值不受通常时上限电流值I_LIM1的限制。

在来自上限电流值切换部16-3的上限电流值I_LIM为清洗时上限电流值I_LIM2的情况下，上限值限制部15限制供给至加热器5的供给电流I的上限值，以使其不超过清洗时上限电流值I_LIM2。在这种情况下，虽然加热器控制部11以使得壳体温度tHpv成为设定温度tHsp(125℃)的方式来控制加热器5的供给电流I，但是清洗时上限电流值I_LIM2可以被规定为低于此时的供给电流I的容许范围的下限值的值。在该例子中，清洗时上限电流值I_LIM2例如被规定为使得传感器外壳4内的温度为80℃的值。因此，供给至加热器5的供给电流I的上限值受清洗时上限电流值I_LIM2限制。

即，在CIP信号被设定为“H”电平之前(通常时)，上限值调节部15不限制从加热器控制部11至加热器5的供给电流I的上限值，壳体温度tHpv保持在设定温度tHsp(125℃)。对此，在CIP信号被设定为“H”电平时(CIP时)，从加热器控制部11至加热器5的供给电流I的上限值开始被清洗时上限电流值I_LIM2限制。

由此，在CIP时，传感器外壳4内的温度低于设定温度tHsp(125℃)，即比规定的自加热温度(125℃)低(80℃左右)，减少了受压部与清洗液的温度差，并减少了CIP时的热冲击引起的传感器特性的恶化。

当CIP信号被设定为“L”电平时(图6的(a)中所示的t2点)，上限电流值切换部16-3将去往上限值限制部15的上限电流值I_LIM从清洗时上限电流值I_LIM2切换到通常时上限电流值I_LIM1(图6的(b)中所示的t2点)

由此，上限值限制部15解除由清洗时上限电流值I_LIM2引起的对供给至加热器5的供给电流I的上限值的限制。由于供给至加热器的供给电流没有被切断，是从被抑制的状态返回到原来的状态，因此缩短了在CIP结束后恢复到规定的自加热温度(125℃)的时间。

〔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。能够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：传感器芯片，1a1：膜片，2：壳体，3：压力导入管，4：传感器外壳，5：加热器(自加热用加热器)，9：控制用温度传感器，10：压力值输出部，11：加热器控制部，12：供给电流抑制部，12-1：通常时设定温度存储部，12-2：清洗时设定温度存储部，12-3：设定温度切换部，14：设定温度存储部，15：上限值限制部，16：供给电流抑制部，16-1：通常时上限电流值存储部，16-2：清洗时上限电流值存储部，16-3：上限电流值切换部，100：隔膜真空计，101：主体部，102：电路部。

Claims (4)

1.一种静电电容型压力传感器，其特征在于，包括：

传感器芯片，其具有膜片和电极，所述膜片承受被测定介质的压力而弯曲，所述电极构成为将该膜片的位移转换为静电电容的变化；

壳体，其收纳有所述传感器芯片；

压力导入管，其连接于所述壳体并将所述被测定介质的压力引导到所述传感器芯片的膜片上；

传感器外壳，其覆盖所述壳体；

加热器，其被设置为包围所述传感器外壳的外周面；

温度传感器，其测定所述传感器外壳内的温度；

加热器控制部，其控制供给至所述加热器的供给电流，从而使由所述温度传感器测定出的所述传感器外壳内的温度变为规定的自加热温度；以及

供给电流抑制部，其构成为在引入来自所述压力导入管的清洗液进行所述壳体内清洗时，抑制供给至所述加热器的供给电流以使所述传感器外壳内的温度低于所述规定的自加热温度。

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，

所述供给电流抑制部包括：

第一设定温度存储部，其将所述规定的自加热温度作为第一设定温度来存储；

第二设定温度存储部，其存储低于所述第一设定温度的第二设定温度；以及

设定温度切换部，其构成为在利用所述清洗液进行所述壳体内清洗时，将对去往所述加热器控制部的设定温度从所述第一设定温度切换到所述第二设定温度，

在来自所述设定温度切换部的所述设定温度为所述第一设定温度的情况下，所述加热器控制部以成为所述第一设定温度的方式来控制供给至所述加热器的供给电流，

在来自所述设定温度切换部的所述设定温度为所述第二设定温度的情况下，所述加热器控制部以成为所述第二设定温度的方式来控制供给至所述加热器的供给电流。

3.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，包括：

上限值限制部，其构成为限制供给至所述加热器的供给电流的上限值，

所述供给电流抑制部包括：

第一上限电流值存储部，其存储第一上限电流值；

第二上限电流值存储部，其存储低于所述第一上限电流值的第二上限电流值；以及

上限电流值切换部，其在利用所述清洗液进行所述壳体内清洗时，将去往所述上限值限制部的上限电流值从所述第一上限电流值切换到所述第二上限电流值，

在来自所述上限电流值切换部的所述上限电流值为所述第一上限电流值的情况下，所述上限值限制部限制供给至所述加热器的供给电流的上限值以使其不超过所述第一上限电流值，

在来自所述上限电流值切换部的所述上限电流值为所述第二上限电流值的情况下，所述上限值限制部限制供给至所述加热器的供给电流的上限值以使其不超过所述第二上限电流值。

4.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，

所述供给电流抑制部构成为在利用所述清洗液进行所述壳体内清洗时，抑制供给至所述加热器的供给电流以使所述传感器外壳内的温度接近所述清洗液的温度。