JP2016505145A - キャパシタンスダイヤフラムゲージの自動汚染検出 - Google Patents

Abstract

システムおよび方法は、キャパシタンスダイヤフラムゲージにおけるダイヤフラムの汚染を検出し、汚染されたダイヤフラムは、圧力の存在下で、汚染されていないダイヤフラムよりも撓まない。システムおよび方法は、基準圧力を測定する。ＤＣ電圧は、有効圧力をまねるようにダイヤフラムを撓ませるために、ダイヤフラムと固定電極との間に印加される。システムおよび方法は、基準圧力および有効圧力によって生じる複合圧力を測定する。システムおよび方法は、静的なダイヤフラムの撓みによって生じる有効圧力を決定するために、基準圧力を差し引く。測定された有効圧力が許容可能な有効圧力よりも小さい場合、システムおよび方法は、ダイヤフラムが汚染されていると決定する。

Description

本発明は、ダイヤフラムの撓みに基づいて圧力を測定するキャパシタンスダイヤフラムゲージの分野にある。

絶対キャパシタンスダイヤフラムゲージ（ＣＤＧ）は、ダイヤフラムの撓みに関連するキャパシタンスの変化を感知することによって、圧力を測定し、それにより、ダイヤフラムの一方の側（「Ｐｘ側」）は、測定されるための圧力（Ｐｘ）にさらされ、ダイヤフラムの他方の側は、密閉された基準真空キャビティにさらされる。基準真空キャビティ内には、超高真空（例えば、１０^-9トル未満）が、基準キャビティの密封前に生成されている。

ＣＤＧは、基準真空キャビティ内に収容されたダイヤフラムと１以上の固定電極との間のキャパシタンスを測定する。ダイヤフラムのＰｘ側における圧力が基準真空キャビティ内の圧力よりも高い場合、ダイヤフラムは、固定電極（または固定電極群）の方向に撓み、測定されたキャパシタンスを増加させる。ダイヤフラムのＰｘ側における圧力が低下すると、ダイヤフラムの両面の圧力差が減少し、ダイヤフラムは、基準真空キャビティ内の固定電極（または固定電極群）から離れ、測定されたキャパシタンスを減少させる。

ダイヤフラムのＰｘ側における圧力が基準真空キャビティ内の圧力に近づくと、ダイヤフラムの両面の圧力差が、ＣＤＧのための「ゼロ点」と考慮されるのと同じくらい十分に小さくなる。この固定されたゼロ点は、ＣＤＧの較正中に確立され、その後の圧力測定における基準として使用される。

ＣＤＧは、一般的に材料の薄膜または厚膜が基板上に堆積された真空チャンバ内の測定圧力に使用されている。使用の１つの一般的な例は、半導体デバイスの製造中のシリコンウェハの表面上への材料の堆積時の圧力を測定することである。キャパシタンスダイヤフラムゲージは、非常に正確であり、かつ、ガス組成から独立して絶対圧力を測定することができるので、ＣＤＧは、複数のガスを使用する真空蒸着プロセスにおいて非常に有用である。残念ながら、真空蒸着法が一般的に行われる圧力レジームでＣＤＧを動作させることを可能にするＣＤＧの同一の特徴は、また、ＣＤＧを、ダイヤフラムの表面上に入り込む汚染またはコーティングのいずれかの形態に対して、非常に敏感にする。その問題を構成するのは、ＣＤＧのダイヤフラムが、システムからＣＤＧを取り外すことなく検査され得ないという事実である。したがって、従来のＣＤＧのユーザは、ダイヤフラムの表面が、その表面上になんらかの種類の材料の堆積によって汚染されているかどうかを決定するために、ＣＤＧを調査する非破壊的な方法を有しない。

ダイヤフラムのコーティングまたは汚染は、ＣＤＧの感度および精度に悪影響を与え得るし、また、ＣＤＧのゼロ点における変化をもたらし得る。他のいくつかの一般的に遭遇する現象も、ＣＤＧの感度、精度、およびゼロ点に影響を与え得る。このように、従来、ユーザが、リアルタイムでかつその場で、ダイヤフラムのコーティングまたは汚染の発生を検出することを、不可能にしていた。その結果、ＣＤＧのユーザは、ダイヤフラムの温度を上昇させることによって、ダイヤフラムの汚染またはコーティングの可能性を軽減することを試みている。この技術は、長く使用され、かつ、好影響を有する一方、この技術は、ダイヤフラムの汚染またはコーティングの発生を解消していない。ＣＤＧは、半導体ウエハ処理のようなプロセスにおいて、より頻繁に使用されており、真空測定における僅かな不正確さに非常に敏感である。また、ＣＤＧの精度および再現性におけるダイヤフラム汚染またはダイヤフラムコーティングの効果は、プロセスの結果およびプロセスの歩留まりに影響を与えるのに十分に有意であることが知られている。

ユーザが修正の行為を取ることができるように、リアルタイムでおよびその場で、ダイヤフラムの汚染またはコーティングの発生を検出する必要性が、存在する。本明細書に開示され、かつ、請求されるシステムは、その必要に対応する。

本明細書で開示される実施形態の態様は、ダイヤフラムおよび少なくとも１つの固定電極を備えるキャパシタンスダイヤフラムゲージ（ＣＤＧ）のダイヤフラムの汚染を検出するための方法であり、ダイヤフラムと少なくとも１つの固定電極との間のキャパシタンスは、ＣＤＧに印加される圧力に対応する。この方法は、ＣＤＧに第１圧力を印加し、かつ、第１圧力がＣＤＧに印加される間、第１圧力値を決定する。次に、方法は、ダイヤフラムの撓みを引き起こすように、ダイヤフラムと少なくとも１つの固定電極との間にＤＣ電圧を印加する。第１圧力がＣＤＧに印加されている間、ＤＣ電圧が印加される。ＤＣ電圧がダイヤフラムと少なくとも１つの固定電極との間に印加されている間、この方法は、第２圧力値を決定する。この方法は、印加されたＤＣ電圧による撓みに起因する圧力値の差を決定するために、第２圧力値を第１圧力値と比較する。この方法は、圧力値の差が圧力値における許容差よりも小さい場合に、ダイヤフラムが汚染されていると決定する。この方法の特定の実施形態では、ダイヤフラムと少なくとも１つの固定電極との間に印加されたＤＣ電圧は、ダイヤフラムと少なくとも１つの固定電極との間のキャパシタンスを増加させるように少なくとも１つの固定電極の方にダイヤフラムを撓ませる。

本明細書に開示された実施形態の別の態様は、キャパシタンスダイヤフラムゲージ（ＣＤＧ）のための汚染検出システムである。ＣＤＧは、ダイヤフラムおよび少なくとも１つの固定電極を備える。ダイヤフラムと少なくとも１つの固定電極との間のキャパシタンスは、少なくとも１つの固定電極に対してダイヤフラムを撓ませるＣＤＧに印加される圧力に対応する。システムは、ＤＣ電圧の源およびスイッチを備える。スイッチは、ＣＤＧにおいて、ダイヤフラムと少なくとも１つの固定電極との間で、ＤＣ電圧を選択的に印加する。ダイヤフラムは、少なくとも１つの固定電極に対してダイヤフラムを撓ませるように、印加されたＤＣ電圧に対応する。汚染試験コントローラは、スイッチを選択的に有効にする出力と、少なくとも１つの固定電極に対するダイヤフラムの撓みに応じた圧力値を受信する入力とを、有する。汚染試験コントローラは、スイッチを有効にする前の第１圧力値を、第１圧力値と第２圧力値との間の差を決定するようにスイッチを有効にする間の第２圧力値と比較する。第１圧力値と第２圧力値との差が所定の圧力差より小さい場合、汚染試験コントローラは、許容できない汚染の存在を決定する。特定の実施形態では、システムは、汚染試験コントローラに結合された通知ユニットをさらに備え、通知ユニットは、汚染試験コントローラが許容できない汚染の存在を判断した場合に活性化される。特定の実施形態では、ダイヤフラムと少なくとも１つの固定電極との間に印加されるＤＣ電圧は、ダイヤフラムと少なくとも１つの固定電極との間のキャパシタンスを増加させるように、ダイヤフラムを少なくとも１つの固定電極の方に撓ませる。

本発明の態様に係る実施形態は、添付の図面に関連して、以下に記載される。

システム内の圧力を測定するための空気圧システム（図示せず）に設置可能である典型的なキャパシタンスダイヤフラムゲージ（ＣＤＧ）の正面斜視図を示す。 図１の図から１８０°回転された図１のＣＤＧの背面斜視図を示す。 図１の線３−３に沿って取られたＣＤＧの断面図であって、実線で撓んでいないダイヤフラムが表され、破線で、第１撓み位置および第２撓み位置におけるダイヤフラムが表されたＣＤＧの断面図を示す。 キャパシタの撓みを決定するための図３のダイヤフラムおよび固定電極によって形成された可変キャパシタのキャパシタンスを監視し、それによりダイヤフラムに印加される圧力を決定する、基本的な圧力監視システムを示す。 非撓み位置および２つの撓み位置におけるダイヤフラムの表面上の汚染層を有する図３のＣＤＧの断面図を示す。 図５に示すような汚染を受けたときに、図３のダイヤフラムおよび固定電極によって形成された可変キャパシタのキャパシタンスを監視するための改善された圧力監視システムであって、高電圧源、電圧スイッチ、汚染試験コントローラおよび通知ユニットをさらに備える圧力監視システムを示す。 図６のシステムの動作のフローチャートを示す。 図６のシステムの動作の第２フローチャートを示す。

キャパシタンスダイヤフラムの改善が、システムおよび方法の例示的な実施形態について、本明細書に開示される。実施形態は、システムおよび方法の説明のために開示され、添付の特許請求の範囲で画定される場合を除き限定されない。以下の説明は、キャパシタンスダイヤフラムゲージの特定の実施形態に向けられているが、開示されたシステムおよび方法は、キャパシタンスダイヤフラムゲージの他の実施形態に適用され得ることが、理解されるべきである。

図１は、典型的なキャパシタンスダイヤフラムゲージ（ＣＤＧ）１００の正面斜視図を示し、ＣＤＧ１００は、システム内の圧力を測定するための空気圧システム（図示せず）に設置可能である。特に、ＣＤＧは、空気圧システムの排出に起因する非常に低い圧力を測定するために使用される。図２は、図１の図から１８０°回転された図１のＣＤＧの背面斜視図を示す。図３は、図１の線３−３に沿って取られたＣＤＧの断面図を示す。

図示の実施形態では、ＣＤＧ１００は、中空の略円筒状の本体構造１１０を備え、本体構造１１０は、第１端面１１２（図１）と第２端面１１４（図２）との間に延びる。第１円筒管１２０は、第１端面から延びる。第１円筒管は、ＣＤＧの第１内部キャビティ１２２（図３）への空気圧のアクセスを提供する。第１円筒管は、システムの圧力が第１内部キャビティに印加されることを可能にする空気圧システム（図示せず）に接続可能である。

図３に示すように、円筒状の本体構造１１０内のダイヤフラム１３０は、第２内部キャビティ１３２から第１内部キャビティ１２２を分離する。第１内部キャビティがダイヤフラムによって第２内部キャビティから空気圧で分離されるように、ダイヤフラムは、円筒状の本体構造の内面１３４に対して、その周縁部の周りで密封されている。ダイヤフラムは、また、円筒状の本体構造に電気的に接続され、本体構造は、以下に説明するように、接地基準に電気的に接続されている。

特定の実施形態では、ダイヤフラム１３０は、インコネル７５０または他の適切な材料を含む。特定の実施形態では、ダイヤフラムは、約０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）から約０．０１５インチ（０．３８ｍｍ）に及び得る厚さを有する。第１内部キャビティ１２２は、また、ダイヤフラムと第１円筒管１２０との間に配置されたバッフル１３６を備える。バッフルは、第１内部キャビティに面するダイヤフラムの表面への汚染物質の付着を低減する。

電極アセンブリ１４０は、ダイヤフラム１３０と第２端面１１４との間の第２内部キャビティ１３２内に配置されている。電極組立体は、取付構造体１４２を備え、取付構造体１４２は、円筒状の本体構造１１０の内面１３４に固定されている。電極組立体の取付構造は、周縁部の周りで密封されていない。したがって、電極組立体の両側は、第２内部キャビティ内で同一の圧力である。少なくとも１つの電極１４４は、電極組立体の取付構造の一方の側に取り付けられている。具体的には、電極は、ダイヤフラムに面する取付構造の側に取り付けられている。電極は、取付構造を介して電気的に接続されている。導体１４６は、取付構造から、円筒状の本体構造１１０の第２端面１１４を通って延びるポート１５０へと延びる。ポート１５０は、第２端面から外側に延びる第２円筒管１５２を備える。導体は、第２円筒管の端部を超えて延びる。導体は、導体の周りの第２円筒管を密封するプラグ１５４を通って延びる。

電極アセンブリの一方の電極について本明細書に記載されているが、当業者は、電極アセンブリが、複数の電極を備え得ることを理解するであろう。例えば、Ｆｅｒｒａｎ等に対する米国特許第４８２３６０３号を参照せよ。米国特許第４８２３６０３号は、２つの同心の固定電極を開示する。米国特許第４８２３６０３号は、参照により本明細書に組み込まれている。

図示の実施形態では、第２端面１１４の中央部分１６０は、第２内部キャビティ１３２の延長キャビティ部１６２を形成するように、外側に延びる。第２内部キャビティの延長部分は、ゲッタ１６４を収容する。ゲッタは、第２内部キャビティの内面によって放出され得る少量のガスを除去するための従来の方法で、機能する。

第３円筒管１７０は、円筒状の本体構造１１０の第２端面１１４から延びる。まず、第３円筒管の全体の長さは、均一な円筒形である。第３円筒管は、第２内部キャビティ内の所望の低い圧力を生成するように、第２内部キャビティ１３２からガスを排気するための真空排気システム（図示せず）に接続されている。排気プロセスが完了した後に、第３円筒管の端部１７２は、第２内部キャビティの排気状態を維持するように、第２内部キャビティを密封するために、図１に示すように、圧着される。

図３の断面図に示すように、ダイヤフラム１３０は、第２内部キャビティ１３２から第１内部キャビティ１２２を分離する薄い金属板である。上述のように、第２内部キャビティは、排気され、その結果、第２内部キャビティ内の絶対圧が非常に低くなる（例えば、約１０^-9トル）。第１内部キャビティ内の圧力は、第１円筒管１２０が接続されたシステム（図示せず）の圧力Ｐｘよって決定される。第１内部キャビティ内の圧力が、第２内部キャビティ内の圧力と実質的に等しい場合には、ダイヤフラムは、撓まされず、かつ、（図３において１３０と表示された）無地のクロスハッチングの輪郭によって示される実質的に平坦な形状を維持するだろう。ダイヤフラムのシステム側の圧力Ｐｘ（すなわち、第１内部キャビティ内の圧力）が、第２内部キャビティ内の圧力を超える場合、ダイヤフラムの中心は、第２内部キャビティの方に撓まされるであろうし、かつ、ダイヤフラムは、図３における第１の破線のクロスハッチングの輪郭１３０’によって示されるように第２内部キャビティ内へ撓むであろう。ダイヤフラムのシステム側の圧力Ｐｘが第２内部キャビティの圧力よりも小さい場合には、ダイヤフラムの中心は、第１内部キャビティの方に撓まされるであろうし、かつ、ダイヤフラムは、図３において第２の破線のクロスハッチングの輪郭１３０”によって示されるように第１内部キャビティ内へ撓むであろう。それぞれの場合において、撓み量は、第１内部キャビティと第２内部キャビティとの間の圧力差によって決定されるであろう。撓みの量も、ダイヤフラムの材料特性（例えば、ダイヤフラムの剛性）によって部分的に決定される。

当技術分野でよく知られているように、ダイヤフラム１３０は、可変キャパシタの第１可動板を形成する。電極支持構造体１４２上の電極１４４は、可変キャパシタの第２固定板を形成する。ダイヤフラム１３０が、非撓みの初期状態にあるとき、可変キャパシタのキャパシタンスは、ダイヤフラムと電極との間の初期距離によって決定される第１（初期）値を有する。圧力Ｐｘが増加するとき、ダイヤフラムは、第２内部キャビティの方に撓まされ、したがって第１の破線のクロスハッチングの輪郭１３０’によって示されるように、固定電極の方に向かう。撓みは、ダイヤフラムと電極との間の距離を減少させ、可変キャパシタのキャパシタンスを増加させる。圧力Ｐｘが減少すると、ダイヤフラムは、第１内部キャビティの方に撓まされ、したがって第２の破線のクロスハッチングの輪郭１３０”によって示されるように、固定電極から離れる。撓みは、ダイヤフラムと電極との間の距離を増加させ、可変キャパシタのキャパシタンスを減少させる。後述するように、キャパシタンスは、監視され、かつ、キャパシタンスにおける増加および減少は、システム圧力Ｐｘにおける対応する増加および減少を決定するために使用される。複数の既知の値の圧力ＰｘがＣＤＧに印加されるので、ＣＤＧは、キャパシタンスにおける変化を監視することによって最初に較正される。

図４は、図３のダイヤフラム１３０および固定電極１４４によって形成される可変キャパシタのキャパシタンスを監視するための簡略化された例示的なシステム２００を示す。システムは、第１キャパシタ２１０および第２キャパシタ２１２を備える。第１キャパシタは、ダイヤフラムおよび固定電極によって形成される可変キャパシタを備える。したがって、第１キャパシタの第１電極（ダイヤフラム）は、参照番号１３０で特定され、および第１キャパシタの第２電極（固定電極）は、参照番号１４４で特定される。第２キャパシタは、従来の固定キャパシタである。第２キャパシタは、第１電極２１４および第２電極２１６を有している。

第１キャパシタ２１０の第１電極１３０および第２キャパシタ２１２の第１電極２１４は、接地基準２１８に接続されている。第１キャパシタの第２電極１４４は、変圧器２２０のセンタータップ出力（２次）巻線２２２の第１端子２２４に接続されている。第２キャパシタの第２電極２１６は、変圧器の出力巻線の第２端子２２６に接続されている。変圧器の出力巻線のセンタータップ端子２２８は、ライン２３０上の信号出力を提供する。

図示の実施形態では、第１（可変）キャパシタ２１０の第１電極（ダイヤフラム）１３０は、機械的および電気的に円筒形の本体構造１１０に接続されている。円筒形の本体構造は、測定される圧力を有するシステムに設置されている場合に接地基準２１８に電気的に接続され、したがって、接地基準にダイヤフラムの電気的接続を提供する。第１（可変）キャパシタの第２電極１４４は、図３の導体１４６を介して変圧器の第２端子に接続されている。

図示の実施形態では、第２キャパシタ２１２のキャパシタンスは、固定されている。第１内部キャビティ１２２におけるシステム圧力Ｐｘが、図３について上述したように第２内部キャビティ１３２における圧力とほぼ等しい場合に、第２（固定）キャパシタのキャパシタンスは、ダイヤフラム１３０と固定電極１４４との間の初期キャパシタンス（例えば、第１（可変）キャパシタ２１０の初期キャパシタンス）とほぼ等しくなるように選択される。

変圧器２２０は、第１端子２４２および第２端子２４４を有する入力（１次）巻線２４０を有している。第１端子は、接地基準２１８に接続されている。第２端子は、例えば、約５０キロヘルツの周波数で動作する高周波信号源２４６に接続されている。

導電体２３０は、ＡＣ結合キャパシタ２５２を介してＡＣ圧力測定回路２５０の入力２５４に変圧器２２０の出力巻線２２２のセンタータップ２２８を接続する。ＡＣ圧力測定回路は、出力信号ライン２５６上の出力信号（ＯＵＴＰＵＴ）を提供する。

図示の実施形態では、ＡＣ圧力測定回路２５０は、増幅器２６０および復調器２６２を備える。変圧器２２０の出力巻線２２２のセンタータップ２２８上の信号は、ＡＣ結合キャパシタ２５２を介して増幅器の入力２７０に印加される。増幅器は、好ましくは、非常に高い入力インピーダンスを有し、その結果、実質的にゼロ電流が増幅器の入力に流れ込む。増幅器の出力２７２は、復調器の入力２７４に増幅された出力信号を提供する。復調器の出力２７６は、出力信号ライン２５６上に出力信号を提供する。出力信号は、第１（可変）キャパシタ２１０のキャパシタンスの変化に対応する。したがって、出力信号は、システム圧力Ｐｘの変化に応じて変化する。

高周波信号源２４６によって生成された信号は、変圧器２２０の入力（１次）巻線２４０に印加される。印加信号は、２次巻線２２２に結合され、かつ、２次巻線を横切って高周波電圧を誘導する。誘導電圧は、第１（可変）キャパシタ２１０および第２（固定）キャパシタ２１２の直列接続の両端に印加される。各キャパシタの両端の電圧は、キャパシタのそれぞれのキャパシタンスに反比例する。第２（固定）キャパシタのキャパシタンスが略一定であるため、第１（可変）キャパシタの両端の電圧は、ＣＤＧ１００の第１内部キャビティ１２２と第２内部キャビティ１３２との間でダイヤフラムの両面の差圧に起因するダイヤフラム１３０の撓みに応じて変化する。各キャパシタのそれぞれの１つの電極が、接地基準２１８に電気的に接続されるので、２つのキャパシタの両端の電圧の差は、変圧器の出力巻線の第１入力端子２２４と第２入力端子２２６との間の出力巻線の両端の電圧差として現れる。

変圧器２２０の出力巻線２２２の両端の電圧差は、接地基準２１８に基準とされかつ第１（可変）キャパシタ２１０と第２（固定）キャパシタ２１２との間のキャパシタンスにおける差に比例する電圧が、出力巻線のセンタータップ２２８に現れるようにする。

変圧器２２０の出力巻線２２２のセンタータップ２２８の電圧は、増幅器２６０の入力２７０に導体２３０およびＡＣ結合キャパシタ２５２を介して印加される。増幅器は、センタータップ電圧を増幅し、かつ、出力２７２に出力信号として増幅された信号を提供する。増幅器からの出力信号は、第１（可変）キャパシタ２１０のキャパシタンスにおける差に比例する振幅を有する信号源２４６の周波数で、時間的に変化する信号であり、この信号は、ダイヤフラム１３０の両面の圧力差における変化に応じて変化する。したがって、増幅器の時間変化信号出力の振幅は、ダイヤフラムの両面の圧力差における変化に応じて変化する。

増幅器２６０によって生成された時間変化信号は、ダイヤフラム１３０の両面の圧力差に応じたＤＣ電圧レベルを有する出力信号ライン２５６に出力信号を提供するように、従来の方法で、復調器２６２によって復調される。ＡＣ圧力測定回路は、ＡＣ電圧における変動をダイヤフラムに印加される絶対圧力（Ｐｘ）に一致させるように較正される。１つの実施形態では、復調器は、当該技術分野で知られている同期復調器を備える。

図５は、図１から３に示されるＣＤＧ１００のダイヤフラム１３０の汚染に起因する問題を示す。特に、図５は、図３の断面図に対応し、図５における同じ要素は、図３で使用されるのと同じ参照番号で特定される。ダイヤフラム汚染の結果は、第１内部キャビティ１２２に面するダイヤフラムの表面上に堆積された材料の薄層３００として示されている。汚染の均一な層として示されているが、ダイヤフラム上の実際の汚染が均一でなくてもよいことが理解されるべきである。例えば、バリア１３６の効果は、汚染を、中央部でダイヤフラムの周縁部でより広範囲となるようにさせる。汚染は、さらに、図５における、第１の破線のクロスハッチングの輪郭１３０’の表面上で層３００’として、第２の破線のクロスハッチングの輪郭１３０”の表面上で層３００”として、表されている。上述のように、表面汚染は、ダイヤフラムの特性に影響を与え、例えば、ダイヤフラムが新しくかつ汚染されていないときにダイヤフラムを第１量だけ撓ませる圧力差が、ダイヤフラムが汚染されたときにダイヤフラムをより少量だけ撓ませるようになっている。このように、同一の圧力差に起因するキャパシタンスの変化は、汚染されていないダイヤフラムに対してよりも、汚染されたダイヤフラムに対して、少なくなる。したがって、ＣＤＧ１００が最初に設置されたときに、特定の出力信号（圧力測定値または圧力値）を生成したであろう圧力差は、ダイヤフラムが汚染されているときに異なる出力信号（圧力測定値または圧力値）を生成する。少量の汚染は圧力測定値に大幅に影響することはないが、圧力測定値は、汚染の増加に伴ってより不正確になる。最終的に、圧力測定値が、ＣＤＧが設置されたシステムを制御するように使用するのにもはや十分に正確ではないレベルにまで、汚染は、増加する。汚染のレベルは、密封されたＣＤＧの外側から決定され得ないので、非破壊のシステムおよび方法は、ＣＤＧがもはや十分に正確ではなく、かつ、ＣＤＧが交換されることを必要とするレベルまで汚染が増加した場合を、決定するために必要とされる。

図６は、図５に示される汚染を受けたときの図３および図５のダイヤフラム１３０および固定電極１４４によって形成される可変キャパシタのキャパシタンスを監視することによって動作する、改善された圧力監視システム４００を示す。図６の改善された測定システムは、図４に示されるシステムについて上述された要素を備える。したがって、同様の要素は、図４における参照番号に対応する参照番号で特定される。ＡＣ圧力測定回路２５０までのかつＡＣ圧力測定回路２５０を備える図６における測定システムの要素は、以前に説明された測定システムにおける対応する要素と同様であり、詳細には再び説明されない。また、ＡＣ測定回路の詳細は、既に図４に示され、図６では再び示されない。

図４の測定システム２００とは異なり、図６の改善された測定システム４００は、高電圧ＤＣ電源４１０および高電圧ＤＣスイッチ４２０を備える。ＤＣ電圧源は、出力４３０上に既知の一定の大きさ（例えば、３００ボルトＤＣ）のＤＣ電圧（Ｖ_DC）を提供する。ＤＣ電圧は、高電圧スイッチの入力として提供される。ＤＣ電圧は、高電圧スイッチの入力４４２に印加される制御信号（ＤＣ制御）に応じて、高電圧スイッチの出力４４０上に選択的に設けられる。制御信号は、以下に記載の汚染試験コントローラ４５０のデジタル出力（ＤＩＧ ＯＵＴ）ポート４５２からの出力信号によって、生成される。高電圧スイッチの出力は、電気導体２３０に接続され、したがって、変圧器２２０の出力巻線２２２のセンタータップ２２８に接続されている。高電圧スイッチの出力は、また、ブリード抵抗４６０を介して接地基準２１８に接続されている。

図６のシステム４００におけるＡＣ圧力測定回路２５０は、上述したように、２次巻線のセンタータップと共通接地との間に生じるＡＣ電圧を測定するように、かつ、出力信号ライン２５６にＤＣ電圧を生成するように、動作し、ＤＣ電圧は、ダイヤフラムに印加される圧力（Ｐｘ）によって引き起こされるダイヤフラム１３０の撓みに起因するキャパシタンスにおける変化に対応する。

ＤＣ電圧源４１０および高電圧スイッチは、ダイヤフラム１３０の表面が汚染されているかどうかを検査するためのシステムおよび方法を提供し、圧力変化に応じたダイヤフラムの撓みの大きさが、ＣＤＧ１００が最初に較正されたときの撓みの大きさともはや十分に一致しないようになっている。高電圧スイッチが、汚染試験コントローラ４５０によって有効にされるとき、ＤＣ電圧源からのＤＣ電圧は、変圧器２２０の出力巻線２２２のセンタータップ２２８に印加される。ＤＣ電圧は、出力巻線のそれぞれ第１端部端子２２４および第２端部端子２２６に接続された２つのキャパシタ２１０、２１２のそれぞれ第１電極１４４、２１４に、出力巻線のそれぞれ半分を介して結合されている。ＤＣ電圧は、ＡＣ圧力測定回路２５０への入力で減結合キャパシタ２５２によって、ＡＣ圧力測定回路から隔離され、ＤＣ電圧が、ＡＣ圧力測定回路の動作に影響を与えないようになっている。

変圧器２２０の出力巻線２２２のセンタータップ２２８に印加されるＤＣ電圧は、変圧器の第１端部端子２２４と接地基準２１８との間で第１キャパシタ２１０の両端に印加される。ＤＣ電圧は、また、第２端部端子２２６と接地基準との間で第２キャパシタ２１２の両端に印加される。第２（固定）キャパシタの両端に印加されるＤＣ電圧は、キャパシタのキャパシタンスには影響しない。対照的に、第２（可変）キャパシタ２１０に印加されるＤＣ電圧は、ＤＣ電圧に応じた量だけダイヤフラム１３０を撓ませる静電気力を生成する。印加されたＤＣ電圧は、第２内部キャビティ１３２内で、固定電極（または固定電極群）１４４の方に、ダイヤフラムを撓ませ、印加された圧力（Ｐｘ）の増加によって生じるキャパシタンスの増加と同様に、キャパシタンスを増加させる。好ましくは、ＤＣ電圧は、ＣＤＧが設置されているシステムに固有であってもよい「システムゼロ点圧力」に、印加された圧力（Ｐｘ）が設定されている場合に、印加される。例えば、処理ステップを開始する前に既知のベース圧力にシステムがポンプダウンされる場合、システム零点圧力が、得られ得る。システム零点圧力は、ＣＤＧ（１つの実施形態では、例えば、約１０^-9トル）の元の較正中に印加される工場のゼロ点圧力と同じ一般的な圧力範囲であり得る。

圧力Ｐｘが、システムのベース圧力までポンプダウンされる間、第１圧力測定値が、現在のベース圧力測定値を確立するために取られる。現在のベース圧力測定値は、ＡＣ圧力測定回路２５０の出力信号ライン２５６上の第１出力信号の極性および振幅によって表される。ＡＣ圧力測定回路からの出力は、汚染試験コントローラ４５０への入力として提供される。そして、切り替えられたＤＣ電圧は、高電圧スイッチ４２０を介して印加され、第２圧力測定値は、第２圧力測定値を得るために行われる。したがって、ＡＣ圧力測定回路は、システムのベース圧力と、印加されたＤＣ電圧により誘導された撓みに起因する「有効圧力」との複合効果に対応する極性および大きさを有する第２出力信号を生成する。第２出力信号は、また、汚染テキストコントローラに提供される。汚染試験コントローラは、第２圧力測定値と、ＤＣ電圧によって引き起こされたダイヤフラムの撓みに起因する有効圧力としての第１圧力測定値との間の差を決定する。ＣＤＧ１００が、汚染されていないまたはコーティングされていないダイヤフラムを有する場合、高ＤＣ電圧の印加によって引き起こされる有効圧力は、また、システム内への新たなＣＤＧの元の設置時に、決定される。汚染試験コントローラは、ＣＤＧの使用期間後の高ＤＣ電圧の印加によって引き起こされる現在の有効圧力を、元の有効圧力と比較する。現在の有効圧力が元の有効圧力と十分に異なる場合、汚染試験コントローラは、ＣＤＧが、新しいＣＤＧを用いてＣＤＧの交換を正当化するのに十分な汚染であると考えられることを、決定する。ＣＤＧの交換を正当化するのに十分な有効圧力測定値における差の大きさは、ＣＤＧが設置されたシステムの重要性に応じて、ユーザによって選択され得る。より重要な適用では、許容可能な圧力差は、非常に小さくすることができ、汚染がまずダイヤフラム上に形成し、小さな圧力差を生じる場合に、ＣＤＧが交換されるようになっている。重要度の低い適用では、許容可能な圧力差は、ＣＤＧを交換する前に、より高い程度までダイヤフラム上に汚染が蓄積することを許容するように、よりに大きくなり得る。

上述の改善されたシステムは、その場でかつリアルタイムにダイヤフラム汚染およびまたはダイヤフラムコーティングを検出するための装置および方法を提供する。上述したように、装置および方法は、ダイヤフラム上の汚染またはコーティングの存在に起因するダイヤフラム１３０の撓み特性における変化を、感じる。上述したように、装置は、指令で基準真空キャビティ内のダイヤフラムとキャパシタンス測定電極１４４との間に、正確なＤＣ電圧を導入する回路（ＤＣ電圧源４１０および高電圧スイッチ４２０）を備える。このＤＣ電圧によって生成される静電気力は、ダイヤフラムが、キャパシタンス測定電極（または二重電極装置の場合には、電極群）に誘引されるようにする。印加されたＤＣ電圧により生成される吸引力は、電極（または電極群）の方向にダイヤフラムを撓ませ、それによりダイヤフラムと電極（または電極群）との間の間隔を減少させる。減少された間隔は、測定されたキャパシタンスにおける変化をもたらす。コーティングされていない、または汚染されていないダイヤフラムの撓みの大きさと、任意の引加されたＤＣ電圧に対して結果として得られるキャパシタンスの変化とは、非常に再現性がある。

ＣＤＧ１００は、ダイヤフラム１３０と固定電極１４４との間に既知の大きさの複数のＤＣ電圧を印加することによる製造時に特徴があり、撓みに起因するキャパシタンスの変化を測定する。較正および撓みの特性は、汚染試験コントローラ４５０のメモリに記憶される。一旦、この初期の特徴付けが工場で行われると、デバイスのユーザは、このデバイスが、圧力を測定するために使用されていない任意の時点に、その場のダイヤフラム診断ルーチンを実行することができる。診断ルーチンは、顧客が生成した指令によって、始動され得る。診断ルーチンは、ダイヤフラムの静的撓みを誘導するために、ダイヤフラムと電極（または電極群）との間に印加される大きなＤＣ電圧（例えば、３００ボルト）を活性化する（例えば、切り替える）。ダイヤフラムが、このように撓まされている間、ダイヤフラムと電極（または電極群）との間のキャパシタンスは、従来の方法でＡＣ電圧を用いて測定される。誘導された撓みに関連する測定されたキャパシタンスは、ＣＤＧの元の製造および較正時に印加された同一のＤＣ電圧に対して最初に検出されるような、予想されるキャパシタンス変化と比較される。コーティングまたは他の汚染がダイヤフラム表面上に生じるので、撓み量および結果として生じるキャパシタンスの測定は、大きさにおいて変化する。特に、より大きな汚れまたはコーティングは、与えられた印加電圧で、より小さなダイヤフラムの撓みを発生させる。より小さなダイヤフラムの撓みは、ダイヤフラムと電極（または電極群）との間に、より大きな間隔をもたらし、測定されたキャパシタンスが、較正プロセスの間に、測定されたキャパシタンスよりも小さくなるようにさせる。測定されたキャパシタンスが低減される程度は、ＣＤＧの修理または交換が必要な場合を決定するために、使用される。測定されたキャパシタンスは、時間とともに、ダイヤフラムの撓み特性を監視するために、使用される。監視される撓みの特性は、ＣＤＧのユーザが、アラームを設定すること、または、適切な保守間隔の決定において境界条件を確立することを、可能にする。

実際の使用の選択された期間の後に（例えば、選択された数の時間または日の後に）、高電圧スイッチ４２０は、ＣＤＧの入力における圧力がＣＤＧの「システムのゼロ点圧力」またはその近くとなるように、システムの圧力（Ｐｘ）がシステムのベース圧力にまで再び引き下げられた場合に、選択的に有効にされ得る。圧力は、ＤＣ電圧を印加する前に、第１圧力をまず測定することによって再び測定され、その後、ＤＣ電圧を印加する間に、第２圧力を測定する。２つの圧力の差は、ＣＤＧが最初に設置されたときに決定される差の許容範囲内でなければならない。ダイヤフラムが汚染される、またはダイヤフラムの表面が被覆されるので、ＤＣ電圧によって引き起こされるダイヤフラムの撓みは、減少し、２つの測定された圧力の差における対応する減少を引き起こす。手順は、現在の測定された有効圧力差を、元の有効圧力差と比較するように、定期的に繰り返される。ダイヤフラム上の汚染またはコーティングが、測定された有効圧力差に実質的に影響を与えていることを示すために、２つの圧力測定値における差が、十分に小さくなる場合、ＣＤＧは、サービスから取り除かれ、新しいＣＤＧと交換され得る。システムは、２つの圧力測定値が取られるたびに、同一の絶対ベース圧力にポンプダウンされる必要がないことが、理解されるべきである。むしろ、ＣＤＧが最初に設置されたときに（例えば、１０^-9トル程度）、システムが、システムのベース圧力と同一範囲の大きさにおける現在のベース圧力までポンプダウンされるにつれて、定期的な検査中の２つの圧力測定値間の差は、印加されたＤＣ電圧に応じたダイヤフラムの撓みに起因する有効圧力を正確に表すであろう。

図６の汚染試験コントローラ４５０は、マイクロコントローラまたは他の集積回路のような１つの実施形態で実現される。例えば、１つの実施形態では、マイクロコントローラは、ＡＣ圧力測定回路２５０から出力信号ライン２５６上の出力信号を受信するアナログ入力（ＡＮ ＩＮ）ポート４７０を備える。マイクロコントローラは、有利には、マイクロコントローラ内の処理のためにアナログ入力における値をデジタル値に変換するための、内部アナログデジタル変換回路を備える。マイクロコントローラのデジタル出力ポート４５２は、高電圧スイッチ４２０を有効にするための第１レベル（例えば、論理「１」）で出力信号を提供し、かつ、高電圧スイッチを無効にするための第２レベル（例えば、論理「０」）で出力信号を提供する。

汚染試験コントローラ４５０内のマイクロコントローラは、第２デジタル出力ポート４８０をさらに備え、第２デジタル出力ポート４８０は、通知ユニット４９０の入力４９２に接続されている。通知ユニットは、エラーを示すように選択的に活性化されるＬＥＤまたは可聴デバイスのように単純であり得る。または、通知ユニットは、ＣＤＧ１００が設置されたシステムを制御するために、かつ、システムの動作パラメータを表示するために、使用される全体の制御および表示（例えば、グラフィカルユーザインターフェース）の一部とすることができる。

汚染試験コントローラ４５０内のマイクロコントローラは、最初に特徴付けられたＣＤＧ１００の圧力特性を記憶するための内部メモリを有する。

汚染試験コントローラ４５０の動作の１つの例示的なモードは、図７におけるフローチャート５００によって示されている。通常、汚染試験コントローラは、オフであるか、または、ＣＤＧ１００の通常動作に関連し得る他のタスクを実行している。ＣＤＧ内の圧力が、システムのベース圧力にまで引き下げられる間に、ＣＤＧのユーザが、汚染試験を開始したい場合、ユーザは、図７におけるフローチャートに示されるルーチンを実行するためにマイクロコントローラを活性化する。マイクロコントローラは、また、定期的に、または、特定の条件が検出される場合に、ルーチンを実行するように自動的に活性化され得る。

汚染試験コントローラ４５０内のマイクロコントローラは、ステップ５１０でルーチンを開始する。マイクロコントローラは、ブロック５１２で、まず、アナログ入力ポート４７０上の電圧をサンプリングする。マイクロコントローラは、ブロック５１４で、現在の「システムのベース圧力」として、（デジタル値に変換される）サンプリングされた電圧を保存する。その後、マイクロコントローラは、ブロック５２０で、ＤＣ電圧源４１０から導体２３０に高電圧を印加するために高電圧スイッチ４２０を有効にするように、デジタル出力ポート４５２を活性化する。高電圧を活性化した後、マイクロコントローラは、ブロック５３０内でアナログ入力ポート上の電圧を再びサンプリングする。ブロック５３２において、マイクロコントローラは、ダイヤフラム１３０の撓みに起因する「システムのベース圧力」および「有効圧力」の合計である「複合圧力」として、サンプリングされた電圧を保存する。次に、ブロック５４０において、マイクロコントローラは、現在のサンプリングされた「複合圧力」から以前のサンプリングされたシステムのベース圧力を減算することにより、ＤＣ電圧によって引き起こされる「有効圧力」を計算する。計算された「有効圧力」は、ブロック５５０で記憶される。図示の実施形態では、ブロック５５２において、マイクロコントローラは、計算された「有効圧力」を、圧力差を決定するための上述した較正プロセスの間に、ＤＣ電圧がダイヤフラムに印加された場合に保存された、記憶された有効圧力（または予想圧力）と、比較する。次に、決定ブロック５５４において、決定された圧力差は、許容可能な圧力差と比較される。決定された圧力差が、許容可能な圧力差よりも大きい場合、マイクロコントローラは、アラームを設定するか、そうでなければ、（例えば、図６の通知ユニット４９０を介して）ブロック５６０において、ＣＤＧが汚染されそうであることをユーザに通知し、その後、ブロック５６２における現在の試験を終了し、汚染試験の次の開始を待機する。そうでなければ、決定された圧力差が、許容可能な圧力差よりも大きくない場合、マイクロコントローラは、ブロック５６２に直接進む。上述したように、許容可能な圧力差は、ＣＤＧが設置される環境の重要度に応じた大きさに設定され得る。

図８は、汚染試験コントローラ４５０によってＣＤＧ１００の汚染を決定するマイクロコントローラの実行方法の別の説明のフローチャート６００を示す。ブロック６１０で汚染試験を初期化した後、この方法は、ブロック６１２でＣＤＧに第１圧力を印加する。図示された実施形態では、第１圧力は、上述したようなシステムのベース圧力である。第１圧力がＣＤＧに印加されている間、この方法は、第１圧力値を決定するために、汚染試験コントローラのアナログ入力４７０の電圧を測定する。ブロック６２０において、この方法は、汚染コントローラのデジタル出力ポート４５２から高電圧スイッチ４２０の入力４４２にＤＣ制御信号を出力することにより、ダイヤフラム１３０と固定電極１４４との間にＤＣ電圧を印加する。ＤＣ電圧源からの電圧は、高電圧スイッチを通って、変圧器２２０の出力巻線２２２のセンタータップ２２８に至り、それにより、上述したようにダイヤフラムを撓ませるように、ダイヤフラムに至る。ブロック６３０において、この方法は、第２圧力測定値を決定するために、汚染試験コントローラのアナログ入力上の電圧を使用する。ブロック６３２において、この方法は、ダイヤフラムに印加される高電圧によって引き起こされる有効圧力を決定するために、第２圧力測定値と第１圧力測定値との間の差を決定する。次に、決定ブロック６４０において、この方法は、有効圧力（すなわち、２つの圧力測定値の差）が、許容される有効圧力よりも小さいかどうかを判定する。ダイヤフラムの汚染がダイヤフラムの撓みを低減しているため、計算された有効圧力が、許容可能な有効圧力よりも小さい場合、この方法は、（例えば、図６の通知ユニット４９０を介して）ブロック６５０で、汚染可能性をユーザに通知し、かつ、その後、ブロック６６０で試験を終了する。そうでなければ、計算された有効圧力が、許容される有効圧力と少なくとも同様である場合は、この方法は、ユーザに通知することなく、ブロック６６０で試験を終了する。

さらに、上述したように、汚染試験コントローラは、一定の間隔で、または、ユーザによる手動開始を待つよりもむしろ特定の条件の存在下で、実行するようにプログラムされ得る。

本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が、上記の構成においてなされ得るので、上述の明細書に含まれる、または添付の図面に示されるすべての事項は、例示として解釈されるべきであって、限定的な意味ではないことが、意図されている。

Claims (5)

1. ダイヤフラムおよび少なくとも１つの固定電極を備えるキャパシタンスダイヤフラムゲージ（ＣＤＧ）のダイヤフラムの汚染を検出するための方法であって、前記ダイヤフラムと前記固定電極との間の前記キャパシタンスは、前記ＣＤＧに印加される圧力に対応しており、
   前記ＣＤＧに第１圧力を印加することと、
   前記第１圧力が前記ＣＤＧに印加される間に、第１圧力値を決定することと、
   前記ダイヤフラムの撓みを引き起こすように、前記ダイヤフラムと前記少なくとも１つの固定電極との間にＤＣ電圧を印加することであって、前記第１圧力が前記ＣＤＧに印加される間に前記ＤＣ電圧が印加される、ＤＣ電圧を印加することと、
   前記ＤＣ電圧が前記ダイヤフラムと前記少なくとも１つの固定電極との間に印加される間に第２圧力値を決定することと、
   前記印加されたＤＣ電圧によって引き起こされる撓みに起因する圧力値における差を決定するために、前記第２圧力値を前記第１圧力値と比較することと、
   圧力値における前記差が許容差よりも小さいときに、前記ダイヤフラムが汚染されていると決定することと、
   を備える方法。
2. 前記ダイヤフラムと前記少なくとも１つの固定電極との間に印加される前記ＤＣ電圧は、前記ダイヤフラムと前記少なくとも１つの固定電極との間の前記キャパシタンスを増加させるために、前記ダイヤフラムを前記少なくとも１つの固定電極の方に撓ませる、請求項１に記載の方法。
3. キャパシタンスダイヤフラムゲージ（ＣＤＧ）のための汚染検出システムであって、前記ＣＤＧは、ダイヤフラムおよび少なくとも１つの固定電極を備え、前記ダイヤフラムと前記少なくとも１つの固定電極との間の前記キャパシタンスは、前記少なくとも１つの固定電極に対して前記ダイヤフラムを撓ませる、前記ＣＤＧに印加される圧力に対応しており、
   ＤＣ電圧の源と、
   前記少なくとも１つの固定電極に対して前記ダイヤフラムを撓ませるように、前記ＣＤＧにおいて前記ダイヤフラムと前記少なくとも１つの固定電極との間に前記ＤＣ電圧を選択的に印加するためのスイッチと、
   前記スイッチを選択的に有効にする出力と、前記少なくとも１つの固定電極に対する前記ダイヤフラムの前記撓みに応じた圧力値を受信する入力とを有する汚染試験コントローラであって、前記スイッチを有効にする前の前記第１圧力値を前記スイッチを有効にする間の前記第２圧力値と比較して、前記第１圧力値と第２圧力値との間の差を決定し、前記第１圧力値と前記第２圧力値との差が所定圧力差よりも小さい場合に、許容できない汚染の存在を決定する、汚染試験コントローラと、
   を備えるシステム。
4. 前記汚染試験コントローラに結合された通知ユニットであって、前記汚染試験コントローラが、許容できない汚染の存在を決定する場合に活性化される通知ユニットを、さらに備える請求項３に記載のシステム。
5. 前記ダイヤフラムと前記少なくとも１つの固定電極との間に印加されるＤＣ電圧は、前記ダイヤフラムと前記少なくとも１つの固定電極との間の前記キャパシタンスを増加させるように、前記ダイヤフラムを前記少なくとも１つの固定電極の方に撓ませる、請求項３に記載のシステム。

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