JP2008008688A - 容量式圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】断線検出を確実に行うことにより信頼性を高めた圧力センサを提供する。
【解決手段】被測定媒体の物理量の変化に応じて互いの容量の相対的関係が変化する２つの容量を測定することで被測定媒体の物理量の変化を測定する容量式圧力センサにおいて、各容量の単独の値（ＣＸ、ＣＹ）をそれぞれ計測し、かつ各容量の値のうち少なくとも何れか一方の容量値が前記容量式圧力センサの通常の動作範囲で示す容量値（Ａ）を下回った時に断線異常と判断する機能を備え、これにより、断線検出を確実に行うことにより信頼性を高めた圧力センサを提供する。
【選択図】図６

Description

本発明は、絶対圧やゲージ圧、差圧を測定するのに適した容量式圧力センサに関する。

例えば、半導体チップ製造プロセスにおいて、一部がダイアフラムでできた容量室内に容量検出部を備えた構造の圧力センサが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

このような半導体チップ製造プロセスやその他の真空装置の圧力を測定する真空圧力センサは、真空チャンバに設けられ、例えば素材としてのシリコンウェハや製品としての半導体チップを出し入れする際に真空チャンバ内がゲージ圧になったことを確認するゲージ圧センサと、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)などのプロセス中において真空チャンバ内に流入する殆んど真空に近いプロセスガスの圧力を測定する真空圧センサの２つが個別に備わっている。

なお、このような真空圧センサは一般に、センサダイアフラムの圧力に対する感度が大きい領域に感圧容量検出部を備えると共に、圧力に対する感度の小さい領域に参照容量検出部を備え、参照容量検出部は、圧力センサ周囲の温度変化等に伴う感圧容量検出部の出力ドリフトを補償するためだけに使われている。
特開２００２−１１１０１１号公報（４−７頁、図１）

かかる特許文献１に記載の圧力式センサの検出精度を更に高めた例として特開２００５−３３１３２８号公報に開示された圧力センサが提案されている。この圧力センサは、同公報の図１に示すように、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の単結晶体であるサファイアでできたベース部と、同じくサファイアでできたダイアフラムと、ベース部とダイアフラムとで形成される容量室に対向配置された感圧電極及び参照電極とを備えている。そして、ベース部にはドライエッチングによって凹み部が形成されており、当該凹み部のほぼ中央部に金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）からなる例えば平面視で丸型の感圧容量検出用電極が形成されている。また、この電極の周囲を囲むように、この電極と離間して例えば平面視で環状の参照容量検出用電極が形成されている。また、これらのダイアフラム及びベース部に形成された電極はリード線及び電極パットを介してそれぞれセンサ外部に電気的に導出している。

上述したタイプを含む容量式圧力センサにおいてダイアフラム上の電極とパッド間をつなぐ導体パターンが断線することがある。

このような断線を検出する方法として、圧力センサとは技術分野が異なるが、例えば特開平５−２８１２５６号公報に記載された加速度センサの断線検出方法が知られている。

この容量式加速度センサ６のブロック構成図を図１０に示す。容量式加速度センサ６は、診断制御回路６１、静電容量検出用信号発生器６２、スイッチ６３，６４、静電容量６５，６６、抵抗器６７，６８、昇圧回路６９、検出部７０、静電容量検出器７５、出力調整回路７６、スイッチ７７，７８より構成され、加速度を測定する回路に断線診断機能を付加したものである。

そして、この容量式加速度センサ６に開示されている断線検出は、診断制御回路６１により制御され、リーク電流検査診断の終了後に信号ΦＭＲの立ち下がりと共に開始されるようになっている。具体的には、断線検査診断が開始すると信号ΦＦをハイレベルにし、固定電極に印加される矩形波Ｖ_ｃ１，Ｖ_ｃ２を同相の信号にし、可動電極６１３と固定電極６１１，６１２との間の各容量ＣＸとＣＹの和に比例した電圧Ｖｏを静電容量検出器７５に出力させる。この出力電圧Ｖｏを診断制御回路６１により基準電圧と比較し、この出力電圧Ｖｏが一定の範囲を越えた場合、即ち容量ＣＸと容量ＣＹの和が規定値から外れた場合には信号ΦＯＦＦを診断信号がローレベルの期間中ローレベルに保持する。このように出力を一定電圧に保持することで、加速度センサが断線異常であることをこの加速度センサを使用するシステムに知らせている。

しかしながら、かかる容量式加速度センサ６による断線検出においては、可動電極６１３と固定電極６１１，６１２との間の容量ＣＸと容量ＣＹの和が規定値より下回った場合にのみ断線異常と判断しているため、例えば容量ＣＸと容量ＣＹのどちらかが規定値をかなり超えて、かつ他方の容量に関する配線が断線している場合などは結果的に容量ＣＸと容量ＣＹの和が正常な範囲内となり、配線の断線を検出することができない。

また、この容量式加速度センサ６の断線検出においては、固定電極に印加される矩形波Ｖ_ｃ１，Ｖ_ｃ２を特別に同相の信号にし、可動電極と固定電極間の容量ＣＸと容量ＣＹの和に比例した電圧Ｖｏを静電容量検出器７５に出力させるようにするため、断線検出間の特別なルーチンを通常の加速度計測ルーチンに適宜組み入れなければならないという問題もある。

本発明の目的は、断線検出を確実に行うことにより信頼性を高めた容量式圧力センサを提供することにある。

被測定媒体の物理量の変化に応じて互いの容量の相対的関係が変化する２つの容量を測定することで被測定媒体の物理量の変化を測定する容量式圧力センサにおいて、
前記各容量の単独の値をそれぞれ計測し、かつ前記各容量の値のうち少なくとも何れか一方の容量値が前記容量式圧力センサの通常の動作範囲で示す容量値を下回った時に断線異常と判断する機能を備えたことを特徴としている。

容量式圧力センサがこのような構成を有することにより、ダイアフラム上に形成された電極及び電極とパッド間を接続する電極取出し用導体部の断線を確実に検出することができる。

また、本発明の請求項２にかかる容量式圧力センサは、請求項１に記載の容量式圧力センサにおいて、
前記各２つの容量の一方が感圧容量で他方が参照容量であることを特徴としている。

このような構成を有する容量式圧力センサの場合であっても、ダイアフラム上に形成された電極及び電極取出し導体部の断線を検出することができる。

また、本発明の請求項３にかかる容量式圧力センサは、請求項１に記載の容量式圧力センサにおいて、
前記各２つの容量が被測定媒体の物理量の変化に応じて互いに差動的に出力することを特徴としている。

このような構成を有する容量式圧力センサの場合であっても、ダイアフラム上に形成された電極及び電極取出し用導体部の断線を検出することができる。

本発明によると、ダイアフラム上に形成された電極及び電極取出し導体部の断線検出を確実に行うことにより信頼性を高めた容量式圧力センサを提供できる。

以下、本発明の第１の実施形態にかかる容量式圧力センサ１について図面に基いて説明する。本発明の第1の実施形態にかかる容量式圧力センサ１は、例えば真空圧力センサのような被測定対象物の絶対圧を測定する容量式圧力センサであって、図１に示すように酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の単結晶体であるサファイアでできたベース部１１と、同じくサファイアでできたダイアフラム１２と、ベース部１１とダイアフラム１２とで形成される容量室１３に対向配置された感圧容量（感圧容量）検出用電極１１１，１２１及び参照容量（参照容量）検出用電極１１２，１２２とを備えている。そして、圧力センサ１は、図中二点鎖線で示すサファイアからなるカバープレート１５及び金属の耐食材からなるメタルプレート１６を介してハウジング１７の内壁に支持されている。なお、図１においては説明の都合上、各構成要素の断面をハッチングせずに示している。

ベース部１１には容量室内部を真空に保つための導通孔１１ｂが形成され、ハウジング１７のチャンバ１７ａ側に設けられたいわゆるゲッター（図示せず）と呼ばれる気体吸着物質を介して容量室内部の圧力を真空に保つようになっている。

ベース部１１には、ドライエッチングによって凹み部１１ａが形成されており、当該凹み部１１ａのほぼ中央部に金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）からなる例えば平面視で丸型の感圧容量検出用電極１１１が形成されている。また、この感圧容量検出用電極１１１の周囲を囲むように、感圧容量検出用電極１１１と離間して例えば平面視で環状の参照容量検出用電極１１２が形成されている。

一方、ダイアフラム１２の容量室側平面にも、ベース部１１の感圧容量検出用電極１１１と対向する位置にダイアフラム１２の感圧容量検出用電極１２１が形成されると共に、ベース部１１の参照容量検出用電極１１２と対向する位置にダイアフラム１２の参照容量検出用電極１２２が形成されている。

また、これらのダイアフラム１２及びベース部１１に形成された各電極１１１，１１２，１２１，１２２はリード線（図１においてはリード線１３１，１３２のみを代表的に図示）及び電極パット（図１においては電極パッド１４１，１４２のみを代表的に図示）を介してそれぞれセンサ外部に電気的に導出している。

そして、圧力センサ１は、上述したカバープレート１５とメタルプレート１６からなる圧力隔壁を介して、ベース部外部をなす例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）やインコネルでできたハウジング１７のチャンバ１７ａをなす容量室内部の真空である基準圧力領域と、測定すべき気体の圧力が加わるダイアフラム外部の圧力印加領域１７ｂとに画定されている。なお、圧力センサ１の測定精度を必要とする使用範囲内ではダイアフラム１２は着座しないようになっている。

以上のように、感圧容量検出用電極１１１，１２１からなる感圧容量検出部１０１は、ダイアフラム１２の圧力に対する感度の大きい領域に形成され、丸型の電極が対向したコンデンサからなり、感圧容量ＣＸを有している。また、参照容量検出用電極１１２，１２２からなる参照容量検出部１０２は、感圧容量検出部１０１の外側であってダイアフラム１２の圧力に対する感度の小さい領域に形成され、環状の電極が対向したコンデンサからなり、参照容量ＣＹを有している。

なお、圧力センサ１は、周囲の温度変化によるダイアフラム１２の変形などによって圧力センサの電極間の静電容量が変化するが、このように１つの圧力センサに２つのコンデンサを形成して、特別な信号処理を行いながら感圧容量検出部１０１と参照容量検出部１０２の双方で圧力測定を行うことによって、測定精度の要求される微小圧力の測定において温度変化による出力の誤差をキャンセルすることができる。

このような構成を有した絶対圧型の圧力センサ１は、例えば通常の半導体チップ製造プロセス中の真空チャンバ内に省スペースを保ちながら設置され、真空チャンバを閉じた状態における半導体プロセスガスの圧力、すなわち殆んど真空に近い範囲での圧力を測定すると共に、プロセスチャンバを開放してシリコンウェハを当該チャンバ内に入れたりシリコンチップを外に出したりするときなどのハンドリングに適したゲージ圧に当該チャンバ内があるかどうかを測定するようになっている。

続いて、感圧容量検出部１０１と参照容量検出部１０２の出力から温度補正を行い、圧力を測定する方法について説明する。

第１の実施形態にかかる絶対圧型の圧力センサ１は、上述の通り圧力により電極間が変化することを容量の変化として検出する圧力センサである。そして、上述したように圧力により変化する感圧容量検出部１０１がダイアフラム中央領域に配置されている。なお、感圧容量ＣＸは温度変化による各電極の熱膨張に起因して誤差特性をもってしまう。そのため、上述の通り誤差を補正するために圧力により変化しない参照容量検出部１０２がダイアフラム周辺領域に配置されている。

ここで、ダイアフラム１２に加わる圧力により変化する感圧容量検出部１０１の電極間の隔間ｄの変化量をΔｄとすると、それぞれの容量値は下式で表される。

ε：誘電率
ｄ：電極間距離
Ｓ：電極面積
そして以下の計測を行うことにより、温度変化によるダイアフラム等のひずみの影響をキャンセルし、電極間距離の変化、すなわちこれらの影響をキャンセルした状態での圧力の変化に比例した絶対圧の正確な計測を可能とする。

なお、上述した第１の実施形態にかかる容量式圧力センサは絶対圧型の圧力センサとして説明したが、チャンバ１７ａ内を大気圧としたゲージ圧型の容量式圧力センサにも適用可能であることは言うまでもない。

続いて、本発明の第２の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサ２について説明する。なお、容量式圧力センサ２の各構成要素の材質については、第１の実施形態にかかる容量式圧力センサと同様である。

本発明の第２の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサ２は、図２に示すように、厚みの厚いリング状に形成され内周面の略中央部に全周に亘って内方に向かう突出部２１０が形成されたベース部２１と、リング状のベース部２１の両開口部をそれぞれ覆うように形成され、かつ中心部が互いに連結部２５で連結されたダイアフラム２２，２３と、ベース部２１の突出部２１０と一方のダイアフラム２３に互いに対向してそれぞれ形成された第１の電極２１３，２３３と、ベース部２１の突出部２１０と他方のダイアフラム２２に互いに対向してそれぞれ形成された第２の電極２１２，２２２を備えている。

そして、一方のダイアフラム２３と他方のダイアフラム２２に互いに異なる圧力が加わり、一方のダイアフラム２３にかかる圧力が他方のダイアフラム２２にかかる圧力より小さい場合は、一方のダイアフラム２３と他方のダイアフラム２２が連結部２５を介して図中上方向に略平行に移動するようになっている。これによって、第２の電極２１２，２２２間が狭まると共に、第１の電極２１３，２３３間が広がる。その結果、第１の電極２１３，２３３間に対応する第１の電極間容量ＣＸ（２０３）と第２の電極２１２，２２２間に対応する第２の電極間容量ＣＹ（２０２）とがそれぞれ異なって変化するようになっている。

また、一方のダイアフラム２３と他方のダイアフラム２２に互いに異なる圧力が加わり、他方のダイアフラム２２にかかる圧力が一方のダイアフラム２３にかかる圧力より小さい場合は、一方のダイアフラム２３と他方のダイアフラム２２が連結部２５を介して図中下方向に略平行に移動するようになっている。これによって、第１の電極２１３，２３３間が狭まると共に、第２の電極２１２，２２２間が広がり、その結果、第１の電極２１３，２３３間に対応する第１の電極間容量ＣＸと第２の電極２１２，２２２間に対応する第２の電極間容量ＣＹとがそれぞれ異なって変化するようになっている。

この差圧型の容量式圧力センサ２において、例えば、図２に示すダイアフラム２２，２３が差圧によりそれぞれ下方に変移したときの各電極間の隔間の変化量をΔｄとすると、第１の電極間容量ＣＸ、第２の電極間容量ＣＹは下式で表される。

ε：誘電率
ｄ：電極間距離
Ｓ：電極面積
そして以下の計測を行うことにより、温度変化によるダイアフラム等のひずみの影響をキャンセルした状態での電極間距離の変化、即ち圧力の変化に比例した正確な差圧の計測を可能とする。

続いて、上述した第１及び第２の実施形態にかかる容量式圧力センサの断線検出機能を備えた圧力検出回路の構成を説明する。

かかる圧力検出回路は、上述した２つの実施形態に共通して適用可能な第１の圧力検出回路と第２の圧力検出回路からなる。最初に第１の圧力検出回路について説明する。

第１の圧力検出回路は、図３に示すような構成を有している。ここでＶｓｉｎはこの回路への入力信号（交流電流）を表し、ＣＸは第１の実施形態における絶対圧（ゲージ圧）型の容量式圧力センサ１の感圧容量検出部１０１又は第２の実施形態における差圧型の容量式圧力センサ２の第１の電極間容量検出部２０３に対応するコンデンサ容量を示し、ＣＹは第１の実施形態における絶対圧（ゲージ圧）型の容量式圧力センサ１の参照容量検出部１０２又は第２の実施形態における差圧型の容量式圧力センサ２の第２の電極間容量検出部２０２に対応するコンデンサ容量を示している。また、ＣＦは回路上のコンデンサ容量を示し、ＲＦは回路上の抵抗値であり、Ｄｅｔｅｃｔｏｒは半波整流又は全波整流回路を示している。また、ＬＰＦは整流された電圧を平均化するローパスフィルタである。

そして、所定の交流電流Ｖｓｉｎを印加すると共に、検出回路のスイッチＳ１，Ｓ２の接点をそれぞれＣ１〜Ｃ３，Ｃ４〜Ｃ６に適宜切り替えることによって、図４のＶ１〜Ｖ８に示すような時分割された異なる出力信号を得ている。

具体的には、スイッチＳ１の接点をＣ１〜Ｃ３端子、スイッチＳ２の接点をＣ４〜Ｃ６端子とする。スイッチＳ１及びスイッチＳ２端子のＣ３，Ｃ４端子は常にゼロ電位に保たれている。容量ＣＸはスイッチＳ１に接続されておりスイッチＳ１の位置により３種類の電圧を選択して加える。同様に容量ＣＹもスイッチＳ２に接続されておりスイッチＳ２の位置により３種類の電圧を選択して加える。これによって容量ＣＸにはスイッチＳ１によりゼロ電位電圧と正、反の交流電圧を選択して加えることができる。又、容量ＣＹにも同様にスイッチＳ２によりゼロ電位電圧と正、反の交流電圧を選択して加えることができる。そして、容量検出部の出力は図中右側の増幅器に導かれ検出信号は増幅される。増幅された交流信号はＤｅｔｅｃｔｏｒとＬＰＦにより直流検出信号に変換され出力信号Ｖｏｕｔとなる。

以上のようにＶｓｉｎで示される交流電流がスイッチＳ１，Ｓ２の切替によって、容量ＣＸへの入力信号と容量ＣＹへの異なる入力信号として時分割され、回路上のＣＦを経て電流が電圧に変換されて正弦波の電圧になる。そして、この交流電圧をＤｅｔｅｃｔｏｒによって全波整流又は半波整流することで直流の電圧とし、ＬＰＦでこの電圧を平均化する。そして、これらの信号処理によって各容量ＣＸ，ＣＹに基づいた信号出力値Ｖ１〜Ｖ８を得るようになっている。

即ち、図３に示した検出回路の場合、その回路構成上から信号出力値Ｖ１〜Ｖ８には各々、ＣＸ−ＣＹ，ＣＸ，−（ＣＸ−ＣＹ），−ＣＸ，（ＣＸ＋ＣＹ），−（ＣＸ＋ＣＹ），ＣＹ，−ＣＹにそれぞれ比例した信号が出力され、絶対圧や大気圧を測定する際の正確な圧力測定値として利用可能になっている。

そして、第１の実施形態にかかる絶対圧型又はゲージ圧型の容量式圧力センサ１の場合、下記のように演算し、測定すべき圧力に対応したΔｄ／ｄを求めることができる。

なお、以下の各式については厳密な意味では各項が互いに比例した関係にあるが、説明の都合上、等価式として表わしている。

又は、より回路の誤差要因を排除するためには、下記のように演算し、より高精度な測定すべき圧力に対応したΔｄ／ｄを求めることができる。

一方、第２の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの場合、下記のように演算し、測定すべき差圧に対応したΔｄ／ｄを求めることができる。

又は、より回路の誤差要因を排除するためには、下記のように演算し、より高精度な測定すべき差圧に対応したΔｄ／ｄを求めることができる。

続いて、第２の圧力検出回路について説明する。第２の圧力検出回路は、図５に示す回路構成を有している。この第２の圧力検出回路は、Ｖ１〜Ｖ４に対応する４つの出力ポートを有し、図３に示した第１の圧力検出回路のように異なる出力値が時分割で得られるのではなく、各出力ポートであるＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４に各々、ＣＸ−ＣＹ，ＣＸ，ＣＸ＋ＣＹ，ＣＹに比例した信号が同時に出力されるようになっている。

具体的には、容量ＣＸ，ＣＹの信号は図５の上下の増幅器でそれぞれ増幅される。増幅された容量ＣＸの信号はそのままＤｅｔｅｃｔｏｒとＬＰＦにより検波整流されてＶ２出力とされるものと、増幅された容量ＣＹ出力と減算器により減算された後、ＤｅｔｅｃｔｏｒとＬＰＦにより検波整流されたＶ１信号になる。また、増幅された容量ＣＹ出力と加算器により加算された後、ＤｅｔｅｃｔｏｒとＬＰＦにより検波整流されたＶ３信号になる。また、容量ＣＹから出力された信号はそのまま、ＤｅｔｅｃｔｏｒとＬＰＦにより検波整流されたＶ４信号となる。

そして、第１の実施形態にかかる絶対圧型又はゲージ圧型の容量式圧力センサの場合、下記のように演算して、測定すべき圧力に対応したΔｄ／ｄを求めることができる。

また、第２の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの場合、下記のように演算して測定すべき圧力に対応したΔｄ／ｄを求めることができる。

続いて、上述の回路構成で得られた信号出力値を利用した本実施形態にかかる圧力センサの断線検出アルゴリズムについて、図６及び図７に基づいて説明する。

なお、上述した第１の実施形態にかかる絶対圧（ゲージ圧）型の容量式圧力センサ及び第２の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの双方について、以下に説明する断線検出アルゴリズムは適用可能である。

また、以下に示す容量ＣＸは第１の実施形態においては感圧容量ＣＸを表し、第２の実施形態においては第１の電極間容量ＣＸを表す。同様に、容量ＣＹは第１の実施形態においては参照容量ＣＹを表し、第２の実施形態においては第２の電極間容量ＣＹを表す。

この断線検出にかかる第１のアルゴリズムの具体的内容は以下の通りである。この断線検出ルーチンでは、図３に示した第１の検出回路の場合、スイッチＳ１とスイッチＳ２の切り替えによって時分割で得られた図４に示すＶ１〜Ｖ８の信号出力のうち、容量ＣＸに比例した出力信号Ｖ２と容量ＣＹに比例した出力信号Ｖ７に基づいて容量ＣＸ，ＣＹがそれぞれ所定の閾値Ａ以上であるか否かを判断して、これらの値が所定の閾値Ａ以上であれば、上述した（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸ又は（ＣＸ−ＣＹ）／（ＣＸ＋ＣＹ）を求めている。

即ち、図３に示すスイッチＳ１とスイッチＳ２を適宜切り替えることで図４に示すような出力信号を時分割で得ると同時に感圧容量検出部１０１の断線検出と参照容量検出部１０２の断線検出を合わせて行う。

一方、図５に示す第２の検出回路を利用する場合は、図５の出力信号Ｖ１〜Ｖ４のうち、容量ＣＸに比例する出力信号Ｖ２と容量ＣＹに比例する出力信号Ｖ４を利用する。

具体的には、最初に、容量ＣＸを演算する（ステップＳ１）。そして、容量ＣＸが圧力センサ又は差圧センサの通常の動作範囲内で出力される出力値の最低値である閾値Ａ以上か否かを判断し（ステップＳ２）、この閾値Ａを下回った場合は断線検出のアラームを出す（ステップＳ３）。また、この閾値Ａ以上の場合であると判断した場合は（ステップＳ４）、容量ＣＹを計測する（ステップＳ５）。そして、容量ＣＹが圧力センサの通常の動作範囲内で出力される出力値の最低値である閾値Ａを下回った場合は、断線検出のアラームを出す（ステップＳ６）。

このように容量ＣＸ，ＣＹの何れかが所定の閾値Ａを下回ったら容量ＣＸの検出部又は容量ＣＹの検出部の少なくとも何れかの配線が断線していると判断してアラームを発生させる。

そして、容量ＣＸ，ＣＹの値の何れも所定の閾値Ａを下回っていなければ（ステップＳ５）、第１の実施形態における絶対圧又はゲージ圧型の圧力センサの場合は、（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸを演算し、第２の実施形態における差圧型の圧力センサの場合は（ＣＸ−ＣＹ）／（ＣＸ＋ＣＹ）を演算することにより、絶対圧やゲージ圧、又は差圧を正確に表したΔｄ／ｄを出力する（ステップＳ７）。

続いて、このような断線検出ルーチンの変形例である第２のアルゴリズムについて図７に基いて説明する。この断線検出ルーチンは図６に示した断線検出ルーチンの機能に加えて、第1の実施形態における感圧容量検出部１０１に関する配線の断線（又は第２の実施形態における第１の電極間容量検出部に関する配線の断線）のみが発生したのか、又は第１の実施形態における参照容量検出部１０２に関する配線の断線（又は第２の実施形態における第２の電極間容量検出部に関する配線の断線）のみが発生したのか、若しくはそれらの双方の容量検出部に関する配線の断線が発生したのかを特定できる機能を有している。以下にこの第２のアルゴリズムにかかる断線検出ルーチンについて説明する。

なお、以下に示す容量ＣＸは第１の実施形態における感圧容量ＣＸを表し、第２の実施形態における第１の電極間容量ＣＸを表す。同様に、容量ＣＹは第１の実施形態における参照容量ＣＹを表し、第２の実施形態における第２の電極間容量ＣＹを表す。

第１の検出回路においては時分割された出力信号Ｖ１〜Ｖ８のうち出力信号Ｖ２に基づいて容量ＣＸを演算する（ステップＳ１１）と共に、出力信号Ｖ７に基づいて容量ＣＹを演算する（ステップＳ１２）。

また、第２の検出回路においては、同時に出力される出力信号Ｖ２に基づいて容量ＣＸを演算する（ステップＳ１１）と共に、出力信号Ｖ４に基づいて容量ＣＹを演算する（ステップＳ１２）。

続いて、容量ＣＸが所定の閾値Ｂ以上かつ容量ＣＹが所定の閾値Ｂ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。なお、ここでいう所定の閾値とは、上述した第１のアルゴリズムと同様に各容量ＣＸ，ＣＹの信号出力値が容量式圧力センサの通常の動作範囲内で出力される出力値の最低値である。

このステップＳ１３の条件を満たす場合には例えば第１の実施形態にかかる絶対圧又はゲージ圧型の容量式圧力センサの場合、（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸなどの所定の演算式を演算し、第２の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの場合、（ＣＸ−ＣＹ）／（ＣＸ＋ＣＹ）を演算する（ステップＳ１４）。

続いて、温度補正を行い（ステップＳ１５）、圧力値を算出する（ステップＳ１６）。そして、計測が終了していないかを判断し（ステップＳ１７）、計測が終了していない場合はステップＳ１１〜ステップＳ１６までのルーチンを計測が終了するまで繰り返す。そして、計測が終了したならば圧力測定ルーチンを終了させる。

一方、ステップＳ１３で容量ＣＸか容量ＣＹの少なくとも何れか一方が所定の閾値Ｂを下回った場合には容量検出部の配線に断線が生じたと判断し、断線検出ルーチンに移行する。まず、容量ＣＸが所定の閾値Ｂより下回り、かつ容量ＣＹが所定の閾値Ｂ以上であるかを判断する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１の条件を満たした場合は、容量ＣＸのみに関する配線が断線したと判断し、圧力（差圧）計測を強制終了し、容量ＣＸに関する配線断線の異常発報を行う（ステップＳ２２）。

ステップＳ２１の条件を満たさない場合は、容量ＣＸが所定の閾値Ｂ以上であり、かつ容量ＣＹが所定の閾値Ｂを下回っているかを判断する（ステップＳ３１）。

このステップＳ３１の条件を満たす場合は、容量ＣＹのみに関する配線が断線したと判断し、圧力（差圧）計測を強制終了し、容量ＣＹに関する配線断線の異常発報を行う（ステップＳ３２）。

ステップＳ３１の条件を満たさない場合は容量ＣＸ、容量ＣＹの双方に関する配線が断線していると判断し、圧力（差圧）計測を強制終了し、容量ＣＸ、容量ＣＹの双方に関する配線断線の異常発報を行う（ステップＳ４１）。

以上により、容量ＣＸのみに関する配線の断線か、容量ＣＹのみに関する配線の断線か、容量ＣＸ、容量ＣＹの双方に関する配線の断線かを個別に判断でき、詳細な断線検出を行うことができる。

最後に従来の加速度センサにおける断線検出と本発明の各実施形態にかかる容量式圧力センサについて上述した断線検出のアルゴリズムを実行した場合の作用効果の違いを比較して説明する。

従来の加速度センサにおける断線検査方式では、図８の上表に示すように、断線検出に関する可動電極と固定電極間の容量ＣＸと容量ＣＹの和の閾値を１８０（ｐＦ）と設定すると、容量ＣＸが１００（ｐＦ）、容量ＣＹが１００（ｐＦ）の場合、容量ＣＸ＋ＣＹ＝２００（ｐＦ）となり、設定した閾値１８０（ｐＦ）を超えるため、断線なしと判断する（パターン１−１参照）。

しかしながら、例えば一方の容量ＣＸが容量ＣＸ＋ＣＹの設定した閾値の１８０（ｐＦ）を超えていて２３０（ｐＦ）となり、かつ他方の容量ＣＹに関する配線が断線している場合は、ＣＸ＋ＣＹ＝２３０（ｐＦ）＋０（ｐＦ）＝２３０（ｐＦ）となり、容量ＣＹに関する配線が断線しているにもかかわらず、正常範囲と判断して通常通り加速度を計測してしまう（パターン１−７参照）。

このように従来の加速度センサの場合、各電極間の容量ＣＸと容量ＣＹの和が規定値から外れた場合にのみ断線異常と判断しているため、例えば容量ＣＸと容量ＣＹの何れか一方の容量が規定値を超えていて何れか他方に関する配線が断線している場合には、一方の容量に関する配線に断線が生じているにもかかわらず断線発生を検出できない場合が生じる。

一方、本発明の第１の実施形態にかかる絶対圧型の容量式圧力センサについて上述した断線検出方法のアルゴリズムを実行した場合、図８の下表に示すように容量ＣＸの閾値を４０（ｐＦ）、容量ＣＹの閾値を４０（ｐＦ）と設定すると、例えば、容量ＣＸが１００（ｐＦ）で、かつ容量ＣＹが１００（ｐＦ）の場合は容量ＣＸ、容量ＣＹの各閾値を超えるため、断線発生せずとして（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸの圧力を計測する（パターン１−１参照）。

そして、容量ＣＸが断線して０（ｐＦ）、容量ＣＹが１０５（ｐＦ）の場合は、容量ＣＹは閾値を超えているが、容量ＣＸは閾値を下回っているため、第１の断線検出アルゴリズムによると何れかの容量に関する配線が断線していると判断でき、第２の断線検出アルゴリズムによると容量ＣＸに関する配線が断線していると判断することができる（パターン１−４参照）。

同様に容量ＣＸが１３０（ｐＦ）、容量ＣＹが断線して０（ｐＦ）の場合は、容量ＣＸは閾値を超えているが、容量ＣＹは閾値を下回っているため、第１の断線検出アルゴリズムによると何れかの容量に関する配線が断線していると判断でき、第２の断線検出アルゴリズムによると容量ＣＹに関する配線が断線していると判断することができる（パターン１−６参照）。

また、容量ＣＸが２３０（ｐＦ）となり容量ＣＹが断線して０（ｐＦ）となっている場合、容量ＣＸ＋ＣＹは２３０（ｐＦ）であるが、容量ＣＹが閾値である４０（ｐＦ）を下回っているので、第１の断線検出アルゴリズムによると何れかの容量に関する配線が断線していると判断でき、第２の断線検出アルゴリズムによると容量ＣＹに関する配線が断線していると判断することができる（パターン１−７参照）。

同様に、従来の加速度センサにおける断線検出と本発明の第２の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサについて上述した断線検出のアルゴリズムを実行した場合の作用効果の違いを比較して説明する。

従来の加速度センサにおける断線検査方式では、図９の上表に示すように、断線検出に関する可動電極と固定電極間の容量ＣＸと容量ＣＹの和の閾値１８０（ｐＦ）と設定すると、容量ＣＸが１００（ｐＦ）、容量ＣＹが１００（ｐＦ）の場合、容量ＣＸ＋ＣＹ＝２００（ｐＦ）となり、設定した閾値１８０（ｐＦ）を超えるため、断線なしと判断する（パターン２−１参照）。

しかしながら、例えば一方の容量ＣＹが容量ＣＸ＋ＣＹの設定した閾値の１８０（ｐＦ）を超えていて２３０（ｐＦ）となり、かつ他方の容量ＣＸが断線して０（ｐＦ）の場合は、ＣＸ＋ＣＹ＝０（ｐＦ）＋２３０（ｐＦ）＝２３０（ｐＦ）となり、容量ＣＸに関する配線が断線しているにもかかわらず、正常範囲と判断して通常通り加速度を計測してしまう（パターン２−７参照）。これは、例えば他方の容量ＣＸ＝２３０（ｐＦ）となり、かつ一方の容量ＣＹが断線して０（ｐＦ）となって容量ＣＸとＣＹの和が閾値１８０（ｐＦ）を超えている場合も同様である（パターン２−９参照）。

即ち、図９上側に示すパターン２の表からも明らかように、従来の加速度センサの場合、各電極間の容量ＣＸと容量ＣＹの和が規定値から外れた場合にのみ断線異常と判断しているため、例えば容量ＣＸと容量ＣＹの何れかの容量が規定値を超えていて他方の容量に関する配線が断線している場合には、一方の容量に関する配線に断線が生じているにもかかわらず断線発生を検出できない場合が生じる。

一方、本発明の第２の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサに上述した断線検出方法のアルゴリズムを実行すると、図９の下表に示すように、容量ＣＸの閾値を４０（ｐＦ）、容量ＣＹの閾値を４０（ｐＦ）と設定すると、例えば、容量ＣＸが１００（ｐＦ）で、かつ容量ＣＹが１００（ｐＦ）の場合は容量ＣＸ、容量ＣＹが各閾値を超えるため、断線発生せずとして（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸの圧力を計測する（パターン２−１参照）。

また、容量ＣＹが２３０（ｐＦ）となり容量ＣＸが断線して０（ｐＦ）となっている場合、容量ＣＸ＋ＣＹは２３０（ｐＦ）であるが、容量ＣＸの出力値が閾値である４０（ｐＦ）を下回っているので、第１の断線検出アルゴリズムによると何れかの容量に関する配線が断線していると判断でき、第２の断線検出アルゴリズムによると、容量ＣＸに関する配線が断線していると判断することができる（パターン２−７参照）。

また、容量ＣＹが断線のために０（ｐＦ）で、容量ＣＸが２３０（ｐＦ）の場合も同様に断線を検出することができる（パターン２−９参照）。

このように本発明による断線検出の第１のアルゴリズムによると第１の実施形態における絶対圧型（ゲージ圧型）の容量式圧力センサのように（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸ又は第２の実施形態における差圧型の容量式圧力センサのように（ＣＸ−ＣＹ）／（ＣＸ＋ＣＹ）の計測を行う前に容量ＣＸ、容量ＣＹの単独の信号出力値の計測をそれぞれ常時行い、容量ＣＸの信号出力値の閾値、容量ＣＹの信号出力値の閾値をそれぞれ設けて、容量ＣＸ、容量ＣＹの単独の信号出力値が何れかが所定の閾値を下回ったら断線していると判断し、断線発生をアラームで知らせることができる。

また、本発明による断線検出にかかる第２のアルゴリズムの場合、例えば第１の実施形態にかかる絶対圧型の容量式圧力センサの場合、（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸの計測を行う前、又は第２の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの場合、（ＣＸ−ＣＹ）／（ＣＸ＋ＣＹ）の計測を行う前に容量ＣＸ、容量ＣＹの単独の信号出力値の計測をそれぞれ計測し、容量ＣＸの信号出力値の閾値、容量ＣＹの信号出力値の閾値を設けて、容量ＣＸ、容量ＣＹの単体の信号出力値が何れかが所定の閾値を下回ったら断線していると判断し、断線している配線を特定するアラームを発生させる。これによって断線の原因を速やかに特定できると共に計測を強制終了させることができ、断線検出に優れ信頼性の高い圧力測定を可能とする。

なお、上述の絶対圧型の容量式圧力センサのように（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸで絶対圧やゲージ圧を算出したり、差圧型の容量式圧力センサのように（ＣＸ−ＣＹ）／（ＣＸ＋ＣＹ）で差圧を算出したりする代わりに、求める圧力又は差圧の形態によって適宜（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＹ、又はＣＸ−ＣＹ、又はＣＸ／ＣＹを計測するような回路構成としても、ダイアフラムの温度特性の影響による容量の変化をキャンセルして絶対圧やゲージ圧、又は差圧を正確に測定することが可能である。

また、以上説明した容量式圧力センサを構成する材質は、サファイアに限定されず、シリコン等の他の半導体であっても変わらないことは言うまでもない。

また、その他の構成要素に関する材質についても、上述した実施形態の材質に限定されるものでないことは言うまでもない。

なお、上述したアルゴリズムは、一例として挙げたものであり、本発明の範囲に含まれるアルゴリズムであれば上述したアルゴリズムに限定されるものではない。

本発明の第１の実施形態かかる容量式圧力センサの概略構成を、断面ハッチングを省略して示す断面図である。 本発明の第２の実施形態かかる差圧型の容量式圧力センサの概略構成を、断面ハッチングを省略して示す断面図である。 本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態にかかる容量式圧力センサの第１の回路構成図である。 図３の回路構成図によって時分割で得られる出力値を示す一覧表である。 本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態にかかる容量式圧力センサの第２の回路構成図である。 本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態にかかる容量式圧力センサの断線検出ルーチンを示す第１のアルゴリズムのフローチャートである。 図６の断線検出ルーチンの変形例である第２のアルゴリズムのフローチャートである。 従来の容量式加速度センサの断線検出と本発明の第１の実施形態にかかる絶対圧型の容量式圧力センサの断線検出の一例を示す表である。 従来の容量式加速度センサの断線検出と本発明の第２の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの断線検出の一例を示す表である。 従来の加速度センサの概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 絶対圧（ゲージ圧）型の容量式圧力センサ
２ 差圧型の容量式圧力センサ
６ 容量式加速度センサ
１１ ベース部
１１ａ 凹み部
１１ｂ 導通孔
１２ ダイアフラム
１３ 容量室
１５ カバープレート
１６ メタルプレート
１７ ハウジング
１７ａ チャンバ
１７ｂ 圧力印加領域
２１ ベース部
２２ 一方のダイアフラム
２３ 他方のダイアフラム
２５ 連結部
６１ 診断制御回路
６２ 静電容量検出用信号発生器
６３，６４ スイッチ
６５，６６ 静電容量
６７，６８ 抵抗器
６９ 昇圧回路
７０ 検出部
７５ 静電容量検出器
７６ 出力調整回路
７７，７８ スイッチ
１０１ 感圧容量検出部
１０２ 参照容量検出部
１１１ 感圧容量検出用電極
１１２ 参照容量検出用電極
１２１ 感圧容量検出用電極
１２２ 参照容量検出用電極
１３１，１３２ リード線
１４１，１４２ 電極パッド
２０２ 第２の電極間容量検出部
２０３ 第１の電極間容量検出部
２１０ 突出部
２１２ 第２の電極
２１３ 第１の電極
２２２ 第２の電極
２３３ 第１の電極
６１１，６１２ 固定電極
６１３ 可動電極
Ａ，Ｂ 閾値
Ｃ１〜Ｃ６ スイッチの接点
ＣＦ 回路上のコンデンサ容量
ＣＸ 容量
ＣＹ 容量
Ｄｅｔｅｃｔｏｒ 半波整流又は全波整流回路
ＬＰＦ ローパスフィルタ
ＲＦ 回路上の抵抗値
Ｓ１，Ｓ２ スイッチ
Ｖ_ｃ１，Ｖ_ｃ２ 矩形波
Ｖｓｉｎ 回路への入力信号（交流電流）
Ｖｏ 出力電圧
Ｖｏｕｔ 出力信号

Claims (3)

1. 被測定媒体の物理量の変化に応じて互いの容量の相対的関係が変化する２つの容量を測定することで被測定媒体の物理量の変化を測定する容量式圧力センサにおいて、
   前記各容量の単独の値をそれぞれ計測し、かつ前記各容量の値のうち少なくとも何れか一方の容量値が前記容量式圧力センサの通常の動作範囲で示す容量値を下回った時に断線異常と判断する機能を備えたことを特徴とする容量式圧力センサ
2. 前記各２つの容量の一方が感圧容量で他方が参照容量であることを特徴とする、請求項１に記載の容量式圧力センサ。
3. 前記２つの容量が被測定媒体の物理量の変化に応じて互いに差動的に出力することを特徴とする、請求項１に記載の容量式圧力センサ。

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