CN110709683A

CN110709683A - 静电电容型压力传感器

Info

Publication number: CN110709683A
Application number: CN201880037106.5A
Authority: CN
Inventors: 关根正志; 石原卓也; 添田将; 栃木伟伸
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2018-06-08
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2038-06-08
Also published as: JP2018205259A; CN110709683B; KR20200004379A; JP6815283B2; KR102222617B1; WO2018225853A1

Abstract

隔膜真空计(100)具有温度差算出部(14)和异常判定部(15)。温度差算出部(14)求出由控制用温度传感器(9)测定的传感器外壳(4)内的温度t1与由加热器监视用温度传感器(10)测定的加热器(5)的温度t2的温度差Δt。在由温度差算出部(14)求出的温度差Δt超过存储在异常判断用阈值存储部(16)中的异常判断用的阈值Δtth的情况下，异常判定部(15)判定为在加热器(5)中出现了异常的征兆。由此，能够早期发现加热器(5)的异常。

Description

静电电容型压力传感器

技术领域

本发明涉及一种具备检测与被测定介质的压力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

在半导体制造设备等中使用的以真空计为首的压力传感器中，大多采用具有使用所谓MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统)技术形成的小型膜片的传感器元件。该传感器元件的主要检测原理是：用膜片承受压力介质，将由此产生的位移转换为某种信号。

例如，作为使用这种传感器元件的压力传感器，公知有将受到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。由于该静电电容型压力传感器的气体种类依赖性小，因此，在以半导体设备为首的工业用途中被广泛使用。例如，被用于测量半导体制造装置等的制造过程中的压力。这种用于测量压力的静电电容压力传感器被称为隔膜真空计。另外，受到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。

该隔膜真空计具备：传感器芯片，其将受到被测定介质的压力而弯曲的膜片的位移作为静电电容的变化进行检测；壳体，其收容有传感器芯片；压力导入管，其与壳体连接，将被测定介质的压力引导至传感器芯片的膜片；以及传感器外壳，其覆盖壳体。

该隔膜真空计基本上在膜片(传感器膜片)上堆积与处理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。当该污染物质堆积在膜片上时，膜片由于它们的应力而出现弯曲，从而在传感器的输出信号中产生偏移(零点漂移)。另外，由于堆积的污染物质，在外观上膜片变厚，因此膜片变得难以弯曲，伴随压力施加的输出信号的变化幅度(跨度)也变得比原来的输出信号的变化幅度小。

因此，在隔膜真空计中，在压力导入管与壳体之间设置有挡板。该挡板以其板面与被测定介质的通过方向正交的方式配置，防止被测定介质中含有的污染物质向膜片堆积。另外，以包围传感器外壳的外周面的方式设置加热器，通过利用该加热器对传感器外壳内进行加热，以将膜片的周边的温度保持在不析出污染物质的高温度(例如，参照专利文献1、2)。

但是，在这样的隔膜真空计中，有时在以包围传感器外壳的外周面的方式设置的加热器中会产生剥离(从传感器外壳的外周面的脱落)这样的异常。这种情况下，由于传感器芯片具有的温度特性(温度变化引起的静电电容的变化)，有可能不能进行正确的压力测量。另外，不能将膜片的周边的温度保持在高温，有可能引起因污染物质向膜片的堆积而导致的零点、跨度变化等。

在过程中不能进行正确的压力测量，也有可能导致在装置方面的半成品的全损。若是为了避免这种情况，实施定期的隔膜真空计的更换的话，则会引起因装置停止而导致的生产率下降。

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

发明内容

发明要解决的问题

本发明是为了解决这样的问题而完成的，其目的在于：提供一种能够早期发现加热器的异常的静电电容型压力传感器。

用于解决问题的技术手段

为了达到这样的目的，本发明的特征在于，具备：传感器芯片，其具有受到被测定介质的压力而弯曲的膜片、和构成为将该膜片的位移转换为静电电容的变化的电极；壳体，其收容有传感器芯片；压力导入管，其与壳体连接，将被测定介质的压力引导到膜片；传感器外壳，其覆盖壳体；加热器，其以包围传感器外壳的外周面的方式设置；第1温度传感器，其测定传感器外壳内的温度；第2温度传感器，其测定加热器的温度；加热器控制部，其构成为控制向加热器的供给电流，以使由第1温度传感器测定的传感器外壳内的温度成为规定的设定温度；以及温度差算出部，其构成为求出由第1温度传感器测定的传感器外壳内的温度与由第2温度传感器测定的加热器的温度的温度差；以及异常判定部，其构成为根据由温度差算出部求出的温度差来判定加热器有无异常。

发明的效果

根据本发明，求出由第1温度传感器测定的传感器外壳内的温度与由第2温度传感器测定的加热器的温度的温度差，根据该温度差判定加热器有无异常，因此，能够早期发现加热器的异常。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的隔膜真空计的主要部分的图。

图2是表示图1所示的隔膜真空计所使用的传感器芯片的主要部分的立体截面图。

图3是简单地表示连续使用图1所示的隔膜真空计，在某一时间加热器开始剥离的状态发生，随着时间的推移，该剥离不断进行的情况下的传感器温度(传感器外壳内温度、加热器温度)的变化的图表。

图4是表示本发明的实施方式2的隔膜真空计的主要部分的图。

图5是表示由恒温槽内温度的变化引起的传感器外壳内温度及加热器温度的变化的图表。

图6是表示恒温槽内温度与加热器温度的关系的图表。

图7是表示本发明的实施方式3的隔膜真空计的主要部分的图。

图8是表示由恒温槽内温度的变化引起的传感器外壳内温度、加热器温度及电路温度的变化的图表。

图9是表示恒温槽内温度与电路温度的关系的图表。

图10是表示电路温度与加热器温度的关系的图表。

具体实施方式

以下，根据附图详细说明本发明的实施方式。在此，说明将本发明的静电电容型压力传感器应用于隔膜真空计的情况。

〔发明的原理〕

首先，在进入实施方式的说明之前，对本发明的原理(技术思想)进行说明。

隔膜真空计的加热器(自加热用加热器)为了尽可能均匀地加热隔膜真空计的膜片周边，以围绕膜片周边的方式配置。另一方面，用于温度控制的控制用温度传感器配置成测定膜片周边的特定的一点的温度。由于温度受反馈控制，因此由控制用温度传感器测定的温度不变。因此，即使观察由控制用温度传感器测定的温度，也无法检测出剥离那样的加热器的异常。

以过热防止等监视加热器的动作为目的，隔膜真空计具备与温度控制用不同的温度传感器(加热器监视用温度传感器)。由于加热器是围绕膜片周边的配置，因此当发生剥离这样的异常时，热的传递方式不是朝向膜片侧而是朝向隔膜真空计的外部侧。其结果，向加热器的电流供给量增大，加热器监视用温度传感器测定的加热器的温度变高。

发明人着眼于这一点，想到如果利用由控制用温度传感器测定的温度与由加热器监视用温度传感器测定的温度的温度差，则能够检测出膜片周边的加热器的剥离这样的异常的征兆。

在本发明中，根据由控制用温度传感器测定的传感器外壳内的温度与由加热器监视用温度传感器测定的加热器的温度的温度差，判定加热器有无异常。例如，在控制用温度传感器测定的传感器外壳内的温度与加热器监视用温度传感器测定的加热器的温度的温度差开始变大的情况下，判定为在加热器中出现异常的征兆。由此，能够早期发现加热器的异常。

〔实施方式1〕

图1是表示本发明的实施方式1的隔膜真空计的主要部分的图。图2是表示图1所示的隔膜真空计所使用的传感器芯片的主要部分的立体截面图。

在隔膜真空计100中，传感器芯片1具备膜片构成构件1a和底座1c。膜片构成构件1a具备膜片(传感器膜片)1a1和膜片支承部1a2，其中，膜片(传感器膜片)1a1构成为能够根据被测定介质的压力而变形，膜片支承部1a2形成为比该膜片1a1壁厚厚，且以不能位移的方式支承膜片1a1的周缘部。底座1c与膜片支承部1a2接合，与膜片1a1一起形成基准真空室(空腔)1b。

在该传感器芯片1中，在底座1c的基准真空室1b侧的表面形成有固定电极1d。在膜片1a1的基准真空室1b侧的表面以与固定电极1d相对的方式形成有可动电极1e。

此外，在该例中，固定电极1d由位于中央部的第1固定电极(压敏固定电极)1d1和位于该第1固定电极1d1周围的第2固定电极(参照固定电极)1d2构成。另外，膜片构成构件1a(膜片1a1+膜片支撑部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，由可动电极1e和压敏固定电极1d1形成静电电容(第1静电电容)。当膜片1a1受到被测定介质的压力P而弯曲时，可动电极1e与压敏固定电极1d1之间的间隔发生变化，可动电极1e与压敏固定电极1d1之间的静电电容发生变化。即，膜片1a1的位移被转换为静电电容的变化。根据该可动电极1e与压敏固定电极1d1之间的静电电容的变化，能够检测出膜片1a1受到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与参照固定电极1d2之间也形成静电电容(第2静电电容)。只是，可动电极1e的与参照固定电极1d2相对的部分位于接近膜片支承部1a2的位置。因此，由膜片1a1的弯曲引起的位移量比可动电极1e的中央部分小。因此，通过以可动电极1e与参照固定电极1d2之间的静电电容的变化为基准，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，能够抑制并检测出膜片1a1的位移量的偏差。

图1所示的隔膜真空计100具备这样构成的传感器芯片1、收容有传感器芯片1的壳体2、与壳体2连接并将被测定介质的压力引导至传感器芯片1的膜片1a1的压力导入管3、覆盖壳体2的传感器外壳4、以及以包围传感器外壳4的外周面的方式设置的加热器(自加热用加热器)5。此外，壳体2及传感器外壳4例如形成为圆筒状。另外，设有加热器5的传感器外壳4被隔热材料6覆盖。

在该隔膜真空计100中，在壳体2的内部设置有隔壁7。隔壁7由底座板7a和支承板7b构成，将壳体2的内部空间分离成第1空间2a和第2空间2b。支承板7b的外周的边缘面固定在壳体2上，以使底座板7a在壳体2的内部空间内浮起的状态支承底座板7a。在该底座板7a的第2空间2b侧固定(接合)有传感器芯片1。另外，在底座板7a上形成有将第1空间2a内的压力引导至传感器芯片1的膜片1a1的压力导入孔7c。第2空间2b与传感器芯片1的基准真空室1b连通，成为真空状态。

压力导入管3与壳体2的第1空间2a侧连接。被测定介质的压力P经由该压力导入管3被引导至传感器芯片1的膜片1a1。在压力导入管3与壳体2之间设有挡板8。该挡板8以其板面与被测定介质的通过方向正交的方式配置，防止被测定介质中含有的污染物质向膜片1a1堆积。从压力导入管3导入的被测介质碰到挡板8的板面，通过挡板8周围的间隙，流入壳体2的第1空间2a内。

另外，在该隔膜真空计100中，在壳体2的外壁面设置有控制用温度传感器(第1温度传感器)9，在加热器5的外壁面设置有加热器监视用温度传感器(第2温度传感器)10。控制用温度传感器9测定传感器外壳4内的温度(传感器外壳内温度)t1，加热器监视用温度传感器10测定加热器5的温度(加热器温度)t2。

将收容上述传感器芯片1的构成称为主体部101。在该隔膜真空计100中，相对于该主体部101还设置有电路部102。电路部102具备压力值输出部11、加热器控制部(加热器控制器)12、加热器监视部(加热器监视器)13、温度差算出部14、异常判定部15、异常判定用阈值存储部(异常判定用阈值存储器)16。各部可以通过由处理器(CPU)、存储装置(存储器)构成的硬件、和与这些硬件协同实现各种功能的程序来实现。另外，该隔膜真空计100设置在恒温槽200内，电路部102的各部搭载在电路基板17上。

在电路部102中，压力值输出部11将表示由传感器芯片1中的膜片1a1的位移引起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。

加热器控制部12将由控制用温度传感器9测定的传感器外壳内温度t1作为输入，控制向加热器5的供给电流I，使得该传感器外壳内温度t1成为规定的设定温度t1sp(例如，t1sp＝150℃)，即，使得收容在壳体2中的传感器芯片1的膜片1a1的周边的温度保持在不析出污染物质的高温度。

加热器监视部13将由加热器监视用温度传感器10测定的加热器温度t2作为输入，在该加热器温度t2超过预先确定的温度t2th的情况下，发出表示发生了过度升温的警报。

温度差算出部14求出由控制用温度传感器9测定的传感器外壳内温度t1与由加热器监视用温度传感器10测定的加热器温度t2的温度差Δt(Δt＝t2-t1)。

异常判定部15将由温度差算出部14求出的温度差Δt作为输入，根据该温度差Δt判定加热器5有无异常。更详细地说，在温度差Δt超过存储在异常判定用阈值存储部16中的异常判定用阈值Δtth的情况下，异常判定部15判定为在加热器5中出现了异常的征兆，并输出该主旨的警报。

在图3中，简单地表示连续使用隔膜真空计100，在某一时间加热器5开始剥离的状态发生，随着时间的推移，该剥离不断进行的情况下的传感器温度(传感器外壳内温度t1、加热器温度t2)的变化。

当在以包围传感器外壳4的外周面的方式设置的加热器5中发生剥离这样的异常时，热的传递方式不是朝向传感器外壳4的内部，而是朝向传感器外壳4的外部。另一方面，加热器控制部12控制向加热器5的供给电流I，以使传感器外壳4内的温度成为设定温度t1sp。

因此，传感器外壳4内的温度被保持在设定温度t1sp，但加热器5的加热量增大，加热器5的温度变高。即，当发生加热器5的剥离时，由控制用温度传感器9测定的传感器外壳内温度t1与由加热器监视用温度传感器10测定的加热器温度t2的温度差Δt变大。

异常判定部15将该温度差Δt与存储在异常判定用阈值存储部16中的异常判定用阈值Δtth进行比较，根据该比较结果判定在加热器5中是否出现了异常的征兆。具体而言，在温度差Δt超过异常判定用的阈值Δtth的情况下，判断为温度差Δt开始变大，从而判定为在加热器5中出现了异常的征兆。

这里，存储在异常判断用阈值存储部16中的异常判断用的阈值Δtth例如求出出厂前调整时的温度差Δt(Δt＝t2-t1)，确定为在该求出的温度差Δt上加上规定值α后所得的值(Δtth＝Δt+α)。此外，也可以不根据出厂前调整时的温度差Δt，而作为固定值确定异常判定用的阈值Δtth。

〔实施方式2〕

在实施方式1中，将由控制用温度传感器9测定的传感器外壳内温度t1与由加热器监视用温度传感器10测定的加热器温度t2的温度差Δt与异常判定用的阈值Δtth进行比较。

但是，实际上，由加热器监视用温度传感器10测定的加热器温度t2会根据周围温度等而变化。因此，在实施方式1中，有可能将由周围温度等的变化引起的温度差Δt的增大误判定为出现了异常的征兆。

因此，在实施方式2中，如图4所示，设置将恒温槽200内的温度(恒温槽内温度)t3作为放置隔膜真空计100的周围的温度进行测定的温度传感器(恒温槽温度传感器(第3温度传感器))18，另外，在温度差算出部14与异常判定部15之间设置温度差校正部19，在温度差校正部19中，根据由恒温槽温度传感器18测定的恒温槽内温度t3，校正由温度差算出部14求出的温度差Δt。

图5表示由恒温槽内温度t3的变化引起的传感器外壳内温度t1及加热器温度t2的变化。从该图可知，传感器外壳内温度t1是固定的，与此相对，如果恒温槽内温度t3上升，则加热器温度t2下降，如果恒温槽内温度t3下降，则加热器温度t2上升(参照图6)。由此可知，当恒温槽内温度t3下降时，传感器外壳内温度t1与加热器温度t2的温度差Δt增大。

在该实施方式2中，在恒温槽内温度t3上升的情况下，温度差校正部19根据该恒温槽内温度t3的上升量校正温度差Δt，以使温度差Δt变大，在恒温槽内温度t3下降的情况下，温度差校正部19根据该恒温槽内温度t3的下降量校正温度差Δt，以使温度差Δt变小。例如，温度差校正部19也可以将根据恒温槽内温度t3的上升量而变大且根据恒温槽内温度t3的下降量而变小的变量与温度差Δt相加。即，校正来自温度差算出部14的温度差Δt，以使温度差Δt不因恒温槽内温度t3的变化而变化。

异常判定部15将由该温度差校正部19校正后的温度差Δt’作为输入，根据该温度差Δt’判定加热器5有无异常。更详细地说，在校正后的温度差Δt’超过存储在异常判定用阈值存储部16中的异常判定用阈值Δtth的情况下，异常判定部15判定为在加热器5中出现了异常的征兆。

由此，在异常判定部15中，不用担心将由放置有隔膜真空计100的周围的温度的变化而引起的温度差Δt的增大误判定为出现了异常征兆。

〔实施方式3〕

在实施方式3中，如图7所示，设置将电路基板17的周边的温度(电路温度)t4作为放置隔膜真空计100的周围的温度进行测定的温度传感器(电路温度传感器(第3温度传感器))20，另外，在温度差算出部14与异常判定部15之间设置温度差校正部19，在温度差校正部19中，根据由电路温度传感器20测定的电路温度t4，校正由温度差算出部14求出的温度差Δt。

图8表示由恒温槽内温度t3的变化引起的传感器外壳内温度t1、加热器温度t2及电路温度t4的变化。由该图可知，若恒温槽内温度t3上升，则电路温度t4也上升，若恒温槽内温度t3下降，则电路温度t4也下降(参照图9)。另外，传感器外壳内温度t1是固定的，与此相对，若电路温度t4上升，则加热器温度t2下降，若电路温度t4下降，则加热器温度t2上升(参照图10)。由此可知，当电路温度t4下降时，传感器外壳内温度t1与加热器温度t2的温度差Δt增大。

在该实施方式3中，在电路温度t4上升的情况下，温度差校正部19根据该电路温度t4的上升量校正温度差Δt，以使温度差Δt变大，在电路温度t4下降的情况下，温度差校正部19根据该电路温度t4的下降量校正温度差Δt，以使温度差Δt变小。例如，温度差校正部19也可以将根据电路温度t4的上升量而变大且根据电路温度t4的下降量而变小的变量与温度差Δt相加。即，校正来自温度差算出部14的温度差Δt，以使温度差Δt不因电路温度t4的变化而变化。

此外，在上述的实施方式中，是判定在加热器5中是否出现了异常的征兆作为在异常判定部15中加热器5有无异常，但也可以进一步增大存储在异常判定用阈值存储部16中的异常判定用的Δtth，来判定在加热器5中是否发生了需要更换的异常(寿命)。另外，也可以将加热器5中是否出现了异常的征兆的判定和加热器5中是否发生了需要更换的异常(寿命)的判定进行组合。

另外，在上述实施方式中，作为校正温度差Δt时的参数，可以使用恒温槽内温度t3，或者使用电路温度t4，但也可以使用其他参数。例如，由于加热器温度t2也随配管温度而变化，因此也可以测定压力导入管3周边的温度，将该测定的压力导入管3周边的温度作为参数，校正温度差Δt。

〔实施方式的扩展〕

本发明不限于上述实施方式。本领域技术人员可以在本发明的技术思想的范围内对本发明的构成、详情进行各种变更。

符号说明

1…传感器芯片、1a1…膜片、1d…固定电极、1e…可动电极、2…壳体、3…压力导入管、4…传感器外壳、5…加热器、9…控制用温度传感器、10…加热器监视用温度传感器、11…压力值输出部、12…加热器控制部、13…加热器监视部、14…温度差算出部、15…异常判定部、16…异常判定用阈值存储部、17…电路基板、18…恒温槽温度传感器、19…温度差校正部、20…电路温度传感器、100…隔膜真空计、101…主体部、102…电路部、200…恒温槽。

Claims

1.一种静电电容型压力传感器，其特征在于，具备：

传感器芯片，其具有受到被测定介质的压力而弯曲的膜片、和构成为将所述膜片的位移转换为静电电容的变化的电极；

壳体，其收容有所述传感器芯片；

压力导入管，其与所述壳体连接，并将所述被测定介质的压力引导至所述膜片；

传感器外壳，其覆盖所述壳体；

加热器，其以包围所述传感器外壳的外周面的方式设置；

第1温度传感器，其测定所述传感器外壳内的温度；

第2温度传感器，其测定所述加热器的温度；

加热器控制部，其构成为控制向所述加热器的供给电流，以使由所述第1温度传感器测定的所述传感器外壳内的温度成为规定的设定温度；

温度差算出部，其构成为求出由所述第1温度传感器测定的所述传感器外壳内的温度与由所述第2温度传感器测定的所述加热器的温度的温度差；以及

异常判定部，其构成为根据由所述温度差算出部求出的温度差，判定所述加热器有无异常。

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，还具备：

第3温度传感器，其测定所述静电电容型压力传感器的周围的温度；以及

温度差校正部，其构成为根据由所述第3温度传感器测定的周围的温度，校正由所述温度差算出部求出的温度差，

所述异常判定部构成为根据由所述温度差校正部校正的温度差，判定所述加热器有无异常。

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，

所述第3温度传感器构成为将放置有所述静电电容型压力传感器的恒温槽内的温度作为所述周围的温度进行测定。

4.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，

所述第3温度传感器构成为将搭载有所述加热器控制部、所述温度差算出部以及所述异常判定部的电路基板的周边的温度作为所述周围的温度进行测定。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

所述异常判定部构成为判定所述加热器中是否出现异常征兆作为所述加热器有无异常。

6.根据权利要求1～4中的任一项所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

所述异常判定部构成为判定所述加热器中是否发生了需要更换的异常作为所述加热器有无异常。

7.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，

所述异常判定部构成为在判定为所述加热器异常时，输出警报。