JP2017125852A - 真空計測センサ - Google Patents

Abstract

【課題】気体の種類に依存せず所望の範囲の真空圧力を計測することができる真空計測センサを提供する。【解決手段】一面に開口を有する基準圧室１２と、前記開口を塞ぐように設けられた検知部１４とを備え、前記基準圧室１２は飽和蒸気圧に保持されており、前記検知部１４は、前記基準圧室１２の内外の圧力差によって弾性変形する圧力検出用カンチレバー１６を有することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、真空計測センサに関する。

真空装置内の圧力を計測する真空計測センサとしては、ピラニ型真空計（例えば、非特許文献１）が知られている。また、特許文献１には、熱的に分離された薄膜（例えば、カンチレバー）上に設けられた薄膜温度センサと、薄膜温度センサを加熱する薄膜ヒータとを備えたピラニ型真空計が開示されている。ピラニ型真空計は、薄膜温度センサ付近の気体の圧力（真空圧力など）が変化すると、これに対応して変化する薄膜温度センサ付近の気体伝熱を温度変化として検出することにより、真空圧力を計測する。

特許文献２には、内部の空間を隔てて対向する一対の導電性薄膜からなるダイアフラム電極をそれらの周縁を基板に固定して配置し、導電性薄膜の面積がそれぞれ異なる複数組のダイアフラム電極を、各ダイアフラム電極の間の空間を相互に連通させて高真空に封止した状態で基板に電気的に絶縁させて連設したダイアフラム型真空計が開示されている。

特開２００７−５１９６３号公報 特開平６−１０９５６８号公報

F. T. Zhang et al., "A micro-pirani vacuum gauge based on micro-hotplate technology," Sens. Actuators A, Phys., vol.126, no.2, p.300-305, Feb. 2006.

しかしながら、ピラニ型真空計は、計測する気体の種類により熱伝導率が異なるため感度が変化し、気体の種類によって圧力値が異なるという問題がある。

ダイアフラム型真空計は、気体の種類に依存しないものの、ダイアフラム電極の変位を利用しているため、１つのダイアフラム電極で広範囲の真空圧力を計測することができない。したがってダイアフラム型真空計は、広い計測範囲で真空圧力を計測するには、複数組のダイアフラム電極を設ける必要があり、小型化が困難であるという問題があった。

本発明は、気体の種類に依存せず所望の範囲の真空圧力を計測することができる真空計測センサを提供することを目的とする。

本発明に係る真空計測センサは、一面に開口を有する基準圧室と、前記開口を塞ぐように設けられた検知部とを備え、前記基準圧室は飽和蒸気圧に保持されており、前記検知部は、前記基準圧室の内外の圧力差によって弾性変形する圧力検出用カンチレバーを有することを特徴とする。

本発明によれば、基準圧室内の飽和蒸気圧と、真空チャンバー内の圧力との差に基づいて真空圧力を計測するので、真空チャンバー内の気体の種類に依存せず真空圧力を計測することができる。また媒体によって基準圧室内の飽和蒸気圧を変更することにより、所望の範囲の真空圧力を計測することができる。

本実施形態に係る真空計測センサの構成を模式的に示す斜視図である。 本実施形態に係る真空計測センサの構成を模式的に示す縦断面図であり、（Ａ）は計測前、（Ｂ）は計測時の状態を示す図である。 本実施形態に係る真空計測センサに適用する検出回路の構成を示す回路図である。 実験装置の構成を示す模式図である。 実験に用いた真空計測センサの圧力に対する抵抗変化特性を示すグラフである。 実験に用いた真空計測センサの基準圧室内の圧力を計測した結果を示すグラフである。 実験装置における真空チャンバーの圧力を計測した結果を示すグラフであり、（Ａ）はピラニ型真空計、（Ｂ）は真空計測センサにおける計測結果である。 図７の結果におけるピラニ型真空計と真空計測センサの関係を示すグラフである。 真空計の計測可能圧力を示す一覧表である。 本実施形態に係る真空計測センサの変形例の構成を模式的に示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（全体構成）
図１に示す真空計測センサ１０は、基準圧室１２と、検知部１４とを備える。基準圧室１２は、一面に開口を有する密閉容器である。検知部１４は、基準圧室１２の開口を塞ぐように、設けられている。

検知部１４は、フレーム１８を有する。フレーム１８は、図示しないが、基板と、絶縁層と、シリコン（Ｓｉ）層と、ピエゾ抵抗層と、電極層とからなる。フレーム１８は、基準圧室１２の開口端部に、気密を保持した状態で着脱自在に固定される。検知部１４は、フレーム１８の略中央に、圧力検出用カンチレバー１６を有する。圧力検出用カンチレバー１６は、シリコン層とピエゾ抵抗層とからなる。

圧力検出用カンチレバー１６は、一端を除いて、フレーム１８との間にギャップ２０を設けた状態で形成されたいわゆる片持ち梁構造である。圧力検出用カンチレバー１６の一端は、フレーム１８と一体になっている。圧力検出用カンチレバー１６は、平板状の受圧部１７と当該受圧部１７の一側面に一体に形成された一対のヒンジ部１９とを有する。

フレーム１８と圧力検出用カンチレバー１６の間のギャップ２０は、計測圧力における気体の平均自由行程以下であることが好ましい。平均自由行程は圧力によって変わり、圧力が高いほど平均自由行程が小さくなる。このため、目的とする計測圧力の範囲の最大圧力における平均自由行程以下とすることが好ましい。フレーム１８は、圧力検出用カンチレバー１６の一対のヒンジ部１９と一体となった電極２４，２５を有する。

検知部１４を製造するには、まずＳｉからなる基板上にＳｉＯ_２からなる絶縁層を形成し、さらにその絶縁層上にシリコン層を形成することにより、基板と絶縁層とシリコン層からなる積層構造のＳＯＩを形成する。ＳＯＩの各層（Ｓｉ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ）の厚さは、それぞれ上から順に、０．３μｍ／１μｍ／２５０μｍとすることができる。次いで、シリコン層上に不純物をドーピングしてシリコン層の一部をＮ型又はＰ型半導体としたピエゾ抵抗層を形成する。

次に、ＳＯＩ上のピエゾ抵抗層の上に電極をパターン形成し、その後、シリコン層とピエゾ抵抗層を一部エッチングすることにより、ギャップ２０を形成する。最後に、底面側から基板と絶縁層を矩形状（図中２２）にエッチングすることにより、圧力検出用カンチレバー１６を形成する。

基準圧室１２は、図２Ａに示すように、ギャップ２０を除いて密閉された容器であり、媒体２８が収容されている。媒体２８は、飽和蒸気圧が既知の、液体又は固体である。液体としては、水、エタノール、アセトン、ヘプタノール、シリコーンオイル等を用いることができる。固体としては、氷、ヨウ素等を用いることができる。基準圧室１２の内部空間２６は、媒体と、当該媒体の蒸気で満たされている。基準圧室１２内の圧力は、媒体２８の飽和蒸気圧である。

真空計測センサ１０は、検知部１４を挟んで、基準圧室１２と反対側が、真空チャンバー３０に接続されている。圧力検出用カンチレバー１６は、真空チャンバー３０と基準圧室１２の圧力差によって、一端を回転中心として弾性変形する。真空チャンバー３０内の圧力が、基準圧室１２内の圧力に対し低い高真空の場合、圧力検出用カンチレバー１６は、真空チャンバー３０側へ倒れるように弾性変形する（図２Ｂ）。圧力検出用カンチレバー１６は、弾性変形することにより、ピエゾ抵抗層の抵抗値が変化する。上記圧力差に対する圧力検出用カンチレバー１６の抵抗変化特性は、予め計測されており、既知である。

真空計測センサ１０は、図３に示すように、検出回路に電気的に接続される。検出回路３１は、ブリッジ回路３３とロックインアンプ３８とを有している。ブリッジ回路３３は、真空計測センサ１０と温度補償用カンチレバー３２が直列接続された枝辺と、可変抵抗３４と固定抵抗３６が直列接続された枝辺とが、ロックインアンプ３８に対し並列に接続されている。

温度補償用カンチレバー３２は、図示しないが、圧力検出用カンチレバー１６と同様の温度に対する抵抗変化特性を有し、基板と、絶縁層と、シリコン（Ｓｉ）層と、ピエゾ抵抗層と、電極層とからなる。温度補償用カンチレバー３２は、基板と一体化されているので、基準圧室１２の内外の圧力差によって弾性変形しない。

ロックインアンプ３８は、圧力検出用カンチレバー１６と温度補償用カンチレバー３２の接続点３５と、可変抵抗３４と固定抵抗３６の接続点３７とに、接続されている。ロックインアンプ３８を通じて、ブリッジ回路３３に対し、所定の交流電圧が印加される。可変抵抗３４は、圧力検出用カンチレバー１６が弾性変形していない状態で、接続点３５と接続点３７の電圧値が等しくなるように調整される。

圧力検出用カンチレバー１６が弾性変形すると、ピエゾ抵抗層の抵抗値が変化するので、接続点３５の電圧値が変動する。ロックインアンプ３８は、接続点３５の電圧値の変動を、接続点３５と接続点３７の電位差として受け取る。ロックインアンプ３８は、当該電位差からロウパスフィルタによってノイズを除去し、真空計測信号として出力する。なお、上記電位差は、圧力検出用カンチレバー１６の抵抗値と温度補償用カンチレバー３２の抵抗値との差分に応じた値となる。

（動作及び効果）
次に、上記の真空計測センサ１０の動作及び効果を説明する。まず基準圧室１２内の気体を十分に排気する。排気することで、基準圧室１２内は、媒体２８の蒸気で満たされる。次いで、基準圧室１２内の温度を計測し、媒体２８の飽和蒸気圧を算出する。基準圧室１２内の温度を計測する手段は、特に限定されない。例えば、予め計測しておいた上記温度補償用カンチレバー３２の温度特性に基づいて、基準圧室１２内の温度を計測することとしてもよい。

続いて、真空チャンバー３０内を、真空ポンプを用いて真空引きする。真空チャンバー３０は、圧力が基準圧室１２内の圧力に対し低下し、高真空となると、圧力検出用カンチレバー１６は、圧力差に応じて、真空チャンバー３０側へ倒れるように弾性変形する。圧力検出用カンチレバー１６の弾性変形によって生じる抵抗変化特性の変動は、ロックインアンプ３８から真空計測信号として出力される。当該真空計測信号に基づき、真空チャンバー３０と基準圧室１２の圧力差を算出する。基準圧室内の飽和蒸気圧と、算出された圧力差の差分により、真空チャンバー３０内の真空圧力が得られる。上記のようにして真空計測センサ１０は、真空チャンバー３０内の真空圧力を計測することができる。

本実施形態の真空計測センサ１０は、基準圧室１２内の飽和蒸気圧と、真空チャンバー３０内の圧力との差に基づいて真空圧力を計測するので、真空チャンバー３０内の気体の種類に依存せず広範囲の真空圧力を計測することができる。

真空計測センサ１０は、基準圧室内に収容する媒体２８によって飽和蒸気圧を変更することにより、真空圧力の計測範囲を選択することができる。

真空計測センサ１０は、ブリッジ回路３３やロックインアンプ３８を用いてノイズを低減し、分解能を向上することにより、真空圧力の計測範囲を広くすることができる。

（評価）
実際に図４に示す実験装置を作製し、真空計測センサ１０を評価した。真空計測センサ１０は、検知部１４を挟んで、基準圧室１２と反対側が、真空チャンバー３０に接続されている。基準圧室１２は、配管４２及びバイパスバルブ４４を通じて、排気配管４６へ接続されている。排気配管４６は、真空チャンバー３０を真空ポンプへ接続している。配管４２及び排気配管４６には、それぞれピラニ型真空計４８，５０が設けられている。基準圧室１２には、媒体２８として水が収容されている。基準圧室１２の容積は１８ｃｍ^３、収容する水の体積は０．５ｍｌとした。

圧力検出用カンチレバー１６は、縦×横の長さを７５μｍ×５０μｍ、厚さを３００ｎｍとした。ギャップ２０は、２μｍとした。圧力検出用カンチレバー１６の圧力差に対する抵抗変化特性を図５に示す。本図は、横軸が圧力差（Ｐａ）、縦軸が抵抗値変化率（×１０^−３）を示す。圧力差の上昇に伴い、抵抗値変化率も大きくなることが確認された。したがって圧力検出用カンチレバー１６の抵抗値変化率に基づき、真空チャンバー３０と基準圧室１２の圧力差を計測することができる。

図４の実験装置において、真空ポンプを起動してバイパスバルブ４４を開いてから、真空チャンバー３０及び基準圧室１２内を排気し、１分経過後、バイパスバルブ４４を閉じるまで、の基準圧室１２内の圧力変化を計測した。その結果を図６に示す。本図は、横軸が時間（Ｓ）、縦軸が基準圧室１２内の圧力（Ｐａ）を示す。基準圧室１２内の圧力は、一端９００Ｐａ程度まで減圧された後、バイパスバルブ４４を閉じることにより、一定時間経過後、１２８０Ｐａで安定した。１２８０Ｐａという圧力は、圧力変化を計測した環境温度（１１℃）における飽和蒸気圧である。この結果から、真空計測センサ１０は、基準圧室１２内の圧力を、安定的に飽和蒸気圧に保持できることが確認された。

基準圧室１２内の圧力が飽和蒸気圧、この場合１２８０Ｐａで安定した状態から、真空ポンプで真空チャンバー３０内を排気し、ピラニ型真空計５０と真空計測センサ１０とで、真空チャンバー３０内の圧力変化を計測した。その結果を図７に示す。本図は、横軸が時間（Ｓ）、図７Ａの縦軸が圧力（Ｐａ）、図７Ｂの縦軸が抵抗値変化率（×１０^−３）を示す。本図から、真空計測センサ１０の抵抗値変化率は、ピラニ型真空計５０で計測した圧力と同様に、減少しており、ピラニ型真空計５０で計測される圧力と相関があるといえる。

図８に真空チャンバー３０と基準圧室１２の圧力差と、真空計測センサ１０で計測した抵抗値変化率の関係を示す。本図は、横軸が圧力差（Ｐａ）、縦軸が抵抗値変化率（×１０^−３）を示す。真空チャンバー３０と基準圧室１２の圧力差は、ピラニ型真空計４８，５０で計測した。本図から、真空チャンバー３０と基準圧室１２の圧力差と、真空計測センサ１０で計測した抵抗値変化率は、同一の線形上にあることが確認された。この結果から、真空計測センサ１０は、２００〜１２００Ｐａの範囲で、真空圧力を計測できるといえる。

真空計測センサ１０は、媒体２８を適宜選択することにより、１×１０^−３Ｐａ〜×１０^３Ｐａの計測範囲で、真空圧力を計測することができる。したがって真空計測センサ１０は、図９に示すよう、従来の真空計より広い範囲の真空圧力を、単体で計測することができる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

真空計測センサ１０は、基準圧室１２内の温度を、予め基準圧室１２内に設けた温度センサ、例えば熱電対によって計測することとしてもよい。

図１０に示すように、真空計測センサ５６は、検知部５７に温度補償用カンチレバー３２を備えることとしてもよい。本図の場合、温度補償用カンチレバー３２は、圧力検出用カンチレバー１６と対称の位置に設けられている。温度補償用カンチレバー３２は、圧力検出用カンチレバー１６と同様の温度に対する抵抗変化特性を有し、基板と、絶縁層と、シリコン（Ｓｉ）層と、ピエゾ抵抗層と、電極層とからなる。温度補償用カンチレバー３２は、基板と一体化されているので、基準圧室１２の内外の圧力差によって弾性変形しない。温度補償用カンチレバー３２は、電極５８，５９を通じて、ブリッジ回路３３に電気的に接続される。温度補償用カンチレバー３２は、圧力検出用カンチレバー１６の温度補償を行うこと共に、基準圧室１２内の温度を計測することができる。

１０ 真空計測センサ
１２ 基準圧室
１４ 検知部
１６ 圧力検出用カンチレバー
１８ フレーム
２０ ギャップ
２４，２５ 電極
２８ 媒体
３０ 真空チャンバー
３１ 検出回路
３２ 温度補償用カンチレバー
３３ ブリッジ回路
３４ 可変抵抗
３５ 接続点
３６ 固定抵抗
３７ 接続点
３８ ロックインアンプ
５８，５９ 電極

Claims (5)

1. 一面に開口を有する基準圧室と、
   前記開口を塞ぐように設けられた検知部と
   を備え、
   前記基準圧室は飽和蒸気圧に保持されており、
   前記検知部は、前記基準圧室の内外の圧力差によって弾性変形する圧力検出用カンチレバーを有する
   ことを特徴とする真空計測センサ。
2. 前記基準圧室内には、飽和蒸気圧が既知である媒体が収容されていることを特徴とする請求項１記載の真空計測センサ。
3. 前記検知部は、前記基準圧室と反対側が、真空チャンバーに接続されることを特徴とする請求項１又は２記載の真空計測センサ。
4. 前記圧力検出用カンチレバーと、前記圧力検出用カンチレバーを前記基準圧室に保持するフレームの間のギャップは、計測圧力の範囲の最大圧力における平均自由行程以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の真空計測センサ。
5. 前記検知部は、前記圧力検出用カンチレバーと同様の温度に対する抵抗変化特性を有する温度補償用カンチレバーをさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の真空計測センサ。
   

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