JP2008107214A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】測定媒体が感圧ダイアフラムに付着堆積した場合でも感圧ダイアフラムの撓みを抑制して零点シフトを抑制するようにした静電容量型圧力センサを提供する。
【解決手段】測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造の圧力センサチップ30を備えた静電容量型圧力センサにおいて、圧力センサの感圧ダイアフラム32の測定媒体と接触する面32aに所定パターンの凹凸部32bを連続して形成することで当該面を複数の小さい領域32cに画成した形状として、感圧ダイアフラム32の測定媒体と接触する面32aに付着して堆積した測定媒体の収縮又は伸長に起因する感圧ダイアフラム32の厚さ方向の撓みを抑えて圧力センサの零点シフトを軽減する。
【選択図】図4

Description

本発明は、測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造を備えた静電容量型圧力センサに関する。
従来から被測定圧力の変化を静電容量の変化として検出するダイアフラム構造を備えた圧力センサ(隔膜式センサ)は広く知られている。かかる圧力センサの一例として、真空チャンバと隔膜真空計との連通孔にフィルタを被せることにより、未反応生成物や副反応生成物及びパーティクル等が真空チャンバから真空計内に入るのを防止して隔膜センサを構成する感圧ダイアフラムに付着して堆積することを防ぐようにした構造の隔膜式センサが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平10−153510号公報(2―3頁、図1)
上記構成の隔膜式センサにおいては、測定媒体が直進性の高い堆積物(未反応生成物や副反応生成物及びパーティクル等)の感圧ダイアフラムへの付着を回避することは可能であるが、測定圧を感圧ダイアフラムに導く必要上完全にフィルタによって堆積物を排除することは不可能である。
測定媒体の一部が感圧ダイアフラムの測定媒体と接触する面に堆積すると、当該感圧ダイアフラムを一方向に撓ませこととなり、零点シフト(零点移動)が発生する。即ち、感圧ダイアフラム上の堆積物は、付着後に収縮を起こし、これに伴い感圧ダイアフラムの測定媒体と接触する側も収縮され、感圧ダイアフラムの厚さ方向でのバランスが崩れる。これにより、測定媒体側が凹状となるように感圧ダイアフラムに撓みが発生する。測定媒体ごとに異なる堆積物と感圧ダイアフラムの材料を常に一致させることは不可能であり、かつミクロ的に堆積物と感圧ダイアフラムの原子の配列が、完全に一致することは稀有であるため、堆積物は、通常、上述したように収縮もしくは伸長を生じることとなる。そして、零点シフトは、感圧ダイアフラムに堆積する堆積物が多くなる程大きくなる。
静電容量式の圧力センサにおいては、感圧ダイアフラムの撓みにより変化する静電容量に基づいて圧力差を検出しており、感圧ダイアフラムの両側で圧力差がない状態でも、「差がある」との信号を検出することとなり、いわゆる零点シフトと呼ばれる零点誤差を生じることとなる。このため、測定誤差を生ずるという問題がある。また、感圧ダイアフラム、即ち隔膜センサの交換頻度が高くなり、耐久性の低下及び費用が嵩むという問題もある。
本発明の目的は、測定媒体が感圧ダイアフラムに付着して堆積した場合でも感圧ダイアフラムの撓みを抑制して零点シフトを抑制するようにした静電容量型圧力センサを提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明にかかる静電容量型圧力センサは、
測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造の圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサにおいて、
前記圧力センサの感圧ダイアフラムの前記測定媒体と接触する面に所定パターンの凹凸部を連続して形成することで当外面を複数の小さい領域に画成したことを特徴としている。
圧力センサチップの感圧ダイアフラム(センサダイアフラム)の測定媒体と接触する面に所定形状の凹凸部を連続して形成してこの面を複数の小さい領域に画成することで、感圧ダイアフラムに測定媒体が付着して堆積した場合にこの堆積物を実質的に多数の堆積片に分断し、測定媒体の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラムの厚み方向の撓みを抑制する。これにより、圧力センサの零点シフトを抑制することが可能となる。
また、本発明の請求項2に記載の静電容量型圧力センサは、請求項1に記載の静電型圧力センサにおいて、前記所定パターンは前記面側から見てハニカム形状をなすことを特徴としている。
感圧ダイアフラムの測定媒体と接触する面に形成する所定パターンをハニカム形状とすることで、感圧ダイアフラムの剛性が向上し感圧ダイアフラムの板厚を薄くすることが可能となり、軽量化を図ることができると共に厚さ方向の撓みを有効に抑えることが可能となる。また、感圧ダイアフラムの剛性を高くすることで共振周波数を高くすることができ、これに伴い静電容量型圧力センサの電極間に印加する駆動電圧の周波数を高めに設定することができ、その応答性の低下を抑えることができる。
また、本発明の請求項3に記載の圧力センサは、請求項1又は請求項2に記載の静電容量型圧力センサにおいて、前記感圧ダイアフラムは前記測定媒体と接触する面の内側の領域が前記ハニカム形状をなす領域として形成されると共に、該ハニカム形状の外側の領域に厚肉部が連続して形成されていることを特徴としている。
センサダイアフラムの測定媒体と接触する面の内側の領域がハニカム形状のパターンをなす領域として形成されると共に、この内側の領域と連続する外側の領域に厚肉部が形成されるようにしたことで、センサダイアフラムの厚さ方向の撓みをより有効に抑えることが可能となる。
本発明によると、感圧ダイアフラムの測定媒体と接触する面に測定媒体が付着して堆積した場合でも測定媒体の収縮又は伸長に起因するセンサダイアフラムの一方向への撓みを抑制することができ、圧力センサの零点シフトを抑えることができる。
また、感圧ダイアフラムの測定媒体と接触する面側から見てハニカム形状をなすパターンを形成することで、感圧ダイアフラムの剛性が向上して厚さを薄くすることが可能となり軽量化を図ることができると共に厚さ方向の撓みを有効に抑えることが可能となる。
また、感圧ダイアフラムの剛性を高くすることで共振周波数を高くすることができ、静電容量型圧力センサの電極間に印加する駆動電圧の周波数を高めに設定することができ、その応答性の低下を抑えることができる。これに伴い圧力センサの感度を高くすることができる。
以下、本発明の一実施形態にかかる静電容量型圧力センサ(以下単に「圧力センサ」という)について図面に基づいて説明する。図1及び図2に示すように圧力センサ1は、パッケージ10と、パッケージ10内に収容された台座プレート20と、同じくパッケージ10内に収容され台座プレート20に接合された圧力センサチップ30と、パッケージ10に直接取付けられ当該パッケージ10の内外を導通接続する電極リード部40とを備えている。また、台座プレート20は、パッケージ10に対して隔間しており、支持ダイアフラム50のみを介してパッケージ10に支持されている。
パッケージ10は、ロアハウジング11、アッパーハウジング12、及びカバー13から構成されている。なお、ロアハウジング11、アッパーハウジング12、及びカバー13は、耐食性の金属であるインコネルからなり、それぞれ溶接により接合されている。
ロアハウジング11は、径の異なる円筒体を連結した形状を備え、その大径部11aは支持ダイアフラム50との接合部を有し、その小径部11bは測定媒体(被測定流体)が流入する圧力導入部10Aをなしている。なお、大径部11aと小径部11bとの結合部にはバッフル11cが形成されると共に、当該バッフル11cはその周囲に周方向所定の間隔で圧力導入孔11dが形成されている。
バッフル11cは、圧力導入部10Aからプロセスガスなどの測定媒体を後述する圧力センサチップ30に直接到達させずに迂回させる役目を果たすものであり、圧力センサチップ30に測定媒体の成分や測定媒体中の不純物が直接衝突することで付着して堆積するのを防止するようになっている。
アッパーハウジング12は、略円筒体形状を有し、後述するカバー13、支持ダイアフラム50、台座プレート20、及び圧力センサチップ30を介してパッケージ10内に測定媒体の導入する領域と独立した真空の基準真空室(密閉空間)10Bを形成している。なお、基準真空室10Bにはいわゆるゲッター(図示せず)と呼ばれる気体吸着物質が備わり、高い真空度を維持している。
また、アッパーハウジング12の支持ダイアフラム取付け側には周方向適所にストッパ12aが突出形成されている。なお、このストッパ12aは、測定媒体の急激な圧力上昇により台座プレート20が過度に変移するのを規制する役目を果たしている。
また、カバー13は円形のプレートからなり、カバー13の所定位置には電極リード挿通孔13aが形成されており、ハーメチックシール60を介して電極リード部40が埋め込まれ、この部分のシール性が確保されている。
一方、支持ダイアフラム50はパッケージ10の形状に合わせた外形形状を有するインコネルの薄板からなり、周囲縁部は上述したロアハウジング11とアッパーハウジング12の縁部に挟まれて溶接等により接合されている。なお、支持ダイアフラム50の厚さは、例えば本実施形態の場合数十μmであって、台座プレート20を形成するロア台座プレート21、アッパ台座プレート22より充分薄い厚さとなっている。また、支持ダイアフラム50の中央部分には、圧力センサチップ30に圧力を導くための圧力導入孔50aが形成されている。
支持ダイアフラム50の両面には、支持ダイアフラム50とパッケージ10の接合部から周方向全体に亘って或る程度隔間した位置に酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアからなる薄いリング状のロア台座プレート21とアッパー台座プレート22が接合されている。
なお、各台座プレート21,22は、支持ダイアフラム50の厚さに対して上述の通り十分に厚くなっており、かつ支持ダイアフラム50を両台座プレート21,22でいわゆるサンドイッチ状に挟み込む構造を有している。これによって、支持ダイアフラム50と台座プレート20の熱膨張率の違いによって発生する熱応力でこの部分が反るのを防止している。
また、アッパー台座プレート22には酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアでできた上面視矩形状の圧力センサチップ30が接合後にスペーサ31やアッパー台座プレート22と同一の材料に変化する酸化アルミニウムベースの接合材を介して接合されている。なお、この接合方法については、特開2002−111011号公報において詳しく記載されているのでここでの詳細な説明を省略する。
圧力センサチップ30は、四角角型の薄板からなるスペーサ31と、スペーサ31に接合されかつ圧力の印加に応じて歪が生じる感圧ダイアフラムとしてのセンサダイアフラム32と、センサダイアフラム32に接合して真空の容量室(リファレンス室)30Aを形成するセンサ台座33を有している。なお、センサダイアフラム32の詳細については後述する。また、真空の容量室30Aと基準真空室10Bとはセンサ台座33の適所に穿設された図示しない連通孔を介して共に同一の真空度を保っている。
なお、スペーサ31、センサダイアフラム32、及びセンサ台座33はいわゆる直接接合によって互いに接合され、一体化した圧力センサチップ30を構成している。また、圧力センサチップ30の容量室30Aには、図1及び図2に示すように、センサ台座33の凹み部に白金等の導体でできた感圧側固定電極110、参照側固定電極120が形成されているとともに、これと対向するセンサダイアフラム32の表面上に白金等の導体でできた感圧側可動電極210、参照側可動電極220が形成されている。
なお、感圧側固定電極110は、図3に示すように、凹み部の中央部に平面視で円形をなして形成され、参照側固定電極120は感圧側固定電極110と僅かに離間してこれの周囲をほぼ囲むように平面視円弧をなして同心状に形成されている。
また、感圧側可動電極210及び参照側可動電極220は、それぞれ感圧側固定電極110及び参照側固定電極120と対向配置するようにそれぞれ対応する形状をなしてセンサダイアフラム32の容量室30A側表面に形成されている。そして、感圧側固定電極110と感圧側可動電極210は、圧力に対して高感度であって、圧力測定を行う役目を果たし、参照側固定電極120と参照側可動電極220は圧力に対して低感度であって電極間の誘電率を補正する役目を果たしている。
また、圧力センサチップ30の上面四隅には、それぞれ電極取り出し用パッドが蒸着されている。これらの電極取り出し用パッドは、感圧側固定電極取り出し用パッド111、感圧側可動電極取り出し用パッド211、参照側固定電極取り出し用パッド121、参照側可動電極取り出し用パッド221である。そして、感圧側固定電極110と感圧側固定電極取り出し用パッド111は電極取り出し穴に成膜された導体を介して電気的に接続されている。
同様に、参照側固定電極120と参照側固定電極取り出し用パッド121、感圧側可動電極210と感圧側可動電極取り出し用パッド211、参照側可動電極220と参照側可動電極取り出し用パッド221もそれぞれ電極取り出し穴に成膜された導体を介して個別に電気的に接続されている。
一方、電極リード部40は、各電極取り出し用パッドに対応して4本設けられ、図1に示すように、電極リードピン41と金属製のシールド42を備え、電極リードピン41は金属製のシールド42にガラスなどの絶縁性材料からなるハーメチックシール43によってその中央部分が埋設され、電極リードピン41の両端部間で気密状態を保っている。
そして、電極リードピン41の一端はパッケージ10の外部に露出して図示しない配線によって圧力センサ1の出力を外部の信号処理部に伝達するようになっている。なお、シールド42とカバー13との間にも上述の通りハーメチックシール60が介在している。また、電極リードピン41の他方の端部には導電性を有するコンタクトバネ45が接続されている。
コンタクトバネ45は、圧力導入部10Aから測定媒体が急に流れ込むことで発生する急激な圧力上昇により支持ダイアフラム50が若干変移しても、コンタクトバネ45の付勢力が圧力センサチップ30の測定精度に影響を与えない程度の十分な柔らかさを有している。
なお、圧力センサチップ30の製造方法は以下の通りである。まず、最適化したパッド形状がパターニングされたメタルマスクをステンレス薄板のエッチングにより作製する(第1工程)。
次いで、センサパッケージ体(パッドを蒸着する前の図2にある構造体)に第1工程で作製したメタルマスクを被せ、位置決めした後、冶具によりセンサパッケージ体とメタルマスクを固定する(第2工程)。
次いで、白金や金などを蒸着することによりパッドを形成すると同時に、センサチップ内部のセンサ電極との電気的接続を得て(第3工程)、これによって圧力センサチップ30の製造を終える。
次に、前記センサダイアフラム32について詳細に説明する。センサダイアフラム32は、外形が図4に示すように四角角型のスペーサ31の外径と同じ四角角型の板体をなし、図2において下側の面、即ち測定媒体側と接触する側の面(測定媒体の接触面)32aにはスペーサ31の内径と同じ大きさの円形をなし実質的にダイアフラムを形成するダイアフラム部32Aに所定パターンの凹凸部32bが連続して形成されている。そして、ダイアフラム部32Aの外側の領域32Bがスペーサ31とセンサ台座33との間にサンドイッチ状に挟持されて接合される接合部とされている。
この凹凸部32bは、多角形、例えば正六角形状の複数の凹部(堀り込み部)32cが隣り合う各凹部32cと隔壁(凸部)32dを共有して連続して形成されており、測定媒体側から見ていわゆる蜂の巣の形状(以下「ハニカム形状」という)をなしている。
センサダイアフラム32の凹凸部32bは、図5に示すように測定媒体と接触する側の面32aに凹部32cを穿って形成したものであり、従って、凹部32cの底部32eの板厚は、センサダイアフラム32の板厚よりも薄く形成され、隔壁32dの上面がセンサダイアフラム32の測定媒体と接触する側の面32aであってダイアフラム部32Aの外側の領域32Bと面一をなしている。従って、センサダイアフラム32、即ちダイアフラム部32Aの軽量化が図られる。
なお、このダイアフラム部32Aの形状は、公知のマイクロマシニング技術によって形成される。
このようにダイアフラム部32Aの測定媒体の接触する側の面32aに隣り合う凹部32cの隔壁32dを共有する連続した複数の小さい領域を画成することにより、ダイアフラム部32Aの厚み方向の剛性が大幅に向上して撓みが抑制される。また、ダイアフラム部32Aに付着する堆積物を多数の堆積片に実質的に分断することが可能となる。
また、ダイアフラム部32Aの厚み方向の剛性が大幅に向上して撓みが抑制されることにより、共振周波数が低下することを防止することが可能となる。このため、静電容量型圧力センサにおいて電極間に印加される駆動電圧の周波数を高めに設定することができ、その応答性の低下を妨げる効果もある。
なお、ダイアフラム部32Aに形成する凹凸部32bの形状としては、上述した正六角形状(ハニカム形状)に限るものではなく他の形状、例えば四角形や五角形等の多角形、正弦波形、ずれ六角形、複波形等の形状としても良い。更に、凹凸部32bとして例えば凹部(堀込み部)32cと隔壁(凸部)32dとを反対にして凹部32cがスリット状になると共に凸部32dが或る程度の広さを有する領域となった構造としても良い。
このセンサダイアフラム32は、図2及び図6に示すようにダイアフラム部32Aの外側の領域32Bがスペーサ31とセンサ台座33との間にサンドイッチ状に挟まれて接合される。図6は、図2に示すセンサダイアフラム32、スペーサ31、センサ台座32等からなる圧力センサチップ30の拡大図で、対応する部材には対応する符号を付して詳細な説明を省略する。なお、図6においてセンサダイアフラム32は、断面形状を分かり易くするためにハッチングを省略してある。
図7は、図4に示したセンサダイアフラム32の変形例を示し、センサダイアフラム32’は、測定媒体と接触する面32a’のダイアフラム部32A’を2つの領域32C’と32D’とを同心的にかつ全周に亘り連続して形成したものである。そして、ダイアフラム部32A’を形成する外側の環状の領域32C’は、外径がスペーサ31の内径と同一とされ、かつその板厚が当該センサダイアフラム32’の板厚と同じ板厚の厚肉部とされている。そして、ダイアフラム部32A’の外側の領域32B’がスペーサ31とセンサ台座33との間にサンドイッチ状に挟持されて接合される接合部とされている。
また、ダイアフラム部32A’を形成する内側の円形の領域32D’は、図7及び図8に示すように測定媒体と接触する側の面32a’に前述したセンサダイアフラム32の所定パターンとしての凹凸部32bと同様に複数の正六角形状の凹部32c’と、各隣り合う凹部32c’が隔壁32d’を共有して形成され、凹部32c’の底部32e’が当該センサダイアフラム32’の板厚よりも薄い凹凸部(堀込み部)32b’とされている。
これにより、センサダイアフラム32’の厚み方向の剛性が更に向上し測定媒体が付着堆積した場合でも撓み量が抑制される。なお、ダイアフラム部32A’の内側の領域32D’(堀込み部)の外径(最外径)は、外側の領域32C’の外径よりも数パーセント程度小さく設定されているに過ぎず、外側の領域32C’(厚肉部)の幅は、狭く形成されている。
このセンサダイアフラム32’は、前述したセンサダイアフラム32と同様に図9に示すようにダイアフラム部32A’の外側の領域32B’がスペーサ31とセンサ台座33との間にサンドイッチ状に挟まれて接合される。図9は、センサダイアフラム32’を図2に示すセンサダイアフラム32に代えて取り付けた場合におけるスペーサ31、センサダイアフラム32’、センサ台座33等からなる圧力センサチップ30の拡大図で、対応する部材には対応する符号を付して詳細な説明を省略する。なお、図9においてセンサダイアフラム32’は、断面形状を分かり易くするためにハッチングを省略してある。
続いて、上述した圧力センサ1に図4及び図7に示した本発明に係るセンサダイアフラム32,32’を適用した場合の圧力センサと、従来の単なる板状のセンサダイアフラムを適用した場合の圧力センサを比較例とした場合の特性評価試験の結果を図10に示す。
図10は、上記した測定媒体がセンサダイアフラムに付着して堆積した状態でのセンサダイアフラムの撓みをシミュレーションした結果の一例を示し、横軸にセンサダイアフラム径(図中左側がダイアフラムの中心方向、図中右側がダイアフラムの周縁)を、縦軸に撓み量(比)を取ったものである。図10において曲線Iは、従来の単なる板状のセンサダイアフラムを使用した場合の特性を示し、曲線IIは、図4に示したセンサダイアフラムを使用した場合の特性を示し、曲線IIIは、図7に示したセンサダイアフラムを使用した場合の特性を示す。なお、曲線I〜曲線IIIに示す各センサダイアフラムは、同じ量の堆積物が付着しているものとする。図10から明らかなように従来形状のセンサダイアフラムに比べて本発明を適用した形状のセンサダイアフラムを適用した場合、他のセンサダイアフラムと同じ量の堆積物が付着しているにも拘らず、その堆積物が測定媒体の接触する面において実質的に複数(多数)の堆積片に分断されているため、ダイアフラム径に対する撓み量が極めて小さくなっていることが明かであった。
本発明の一実施形態及び本発明に関連する圧力センサの断面図である。 図1に示した圧力センサを部分的に示す一部断面斜視図である。 図1に示した圧力センサチップの平面図である。 図1に示したセンサダイアフラムを拡大して測定媒体と接触する側から見た平面図である。 図4に示したセンサダイアフラムの矢線V―Vに沿う拡大断面図である。 図4に示したセンサダイアフラムを図2に示した圧力センサチップに装着した状態の拡大断面図である。 図4に示した本発明に係るセンサダイアフラムの変形例を示し、センサダイアフラムを拡大して測定媒体と接触する側から見た平面図である。 図7に示したセンサダイアフラムの矢線VIII―VIIIに沿う拡大断面図である。 図7に示したセンサダイアフラムを図2に示した圧力センサチップに装着した状態の拡大断面図である。 本発明に係るセンサダイアフラムと従来のセンサダイアフラムの堆積物による撓みのシミュレーション結果の一例を示す特性図である。
符号の説明
1 圧力センサ
10 パッケージ
10A 圧力導入部
10B 基準真空室(密閉空間)
11 ロアハウジング
11a 大径部
11b 小径部
11c バッフル
11d 圧力導入孔
12 アッパーハウジング
12a ストッパ
13 カバー
13a 電極リード挿通孔
20 台座プレート
21 ロア台座プレート
22 アッパー台座プレート
30 圧力センサチップ
30A 容量室(リファレンス室)
31 スペーサ
32 センサダイアフラム(感圧ダイアフラム)
32a センサダイアフラムの測定媒体と接触する面
32b 凹凸部(所定パターン)
32c 凹部
32d 隔壁(凸部)
32e 底部
32A ダイアフラム部
32B ダイアフラム部32Aの外側の領域
32’ センサダイアフラム(感圧ダイアフラム)
32a’ センサダイアフラムの測定媒体と接触する面
32b’ 凹凸部(所定パターン)
32c’ 凹部
32d’ 隔壁(凸部)
32e’ 底部
32A’ ダイアフラム部
32B’ ダイアフラム部32A’の外側の領域
32C’ ダイアフラム部32A’を形成する外側の環状の領域
32D’ ダイアフラム部32A’を形成する内側の円形の領域
33 センサ台座
40 電極リード部
41 電極リードピン
42 シールド
43 ハーメチックシール
45 コンタクトバネ
50 支持ダイアフラム
50a 圧力導入孔
60 ハーメチックシール
110 感圧側固定電極
111 感圧側固定電極取り出し用パッド
120 参照側固定電極
121 参照側固定電極取り出し用パッド
210 感圧側可動電極
211 感圧側可動電極取り出し用パッド
220 参照側可動電極
221 参照側可動電極取り出し用パッド

Claims (3)

  1. 測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造の圧力センサチップを備えた静電容量型圧力センサにおいて、
    前記圧力センサの感圧ダイアフラムの前記測定媒体と接触する面に所定パターンの凹凸部を連続して形成することで当該面を複数の小さい領域に画成したことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
  2. 前記所定パターンは前記面側から見てハニカム形状をなすことを特徴とする、請求項1に記載の静電容量型圧力センサ。
  3. 前記感圧ダイアフラムは前記測定媒体と接触する面の内側の領域が前記ハニカム形状をなす領域として形成されると共に、該ハニカム形状の外側の領域に厚肉部が連続して形成されていることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の静電容量型圧力センサ。
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