JP2018128334A - 圧力センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】装置から取り外すことなく圧力センサの温度特性が調整できるようにする。
【解決手段】圧力値変化測定部125が、温度制御部124を動作させてセンサチップ101の温度を所定の温度範囲で変化させ、温度が変化しているセンサチップ101より出力される圧力値の変化を測定する。温度特性算出部126が、温度制御部124の動作によるセンサチップ101の温度の変化と、圧力値変化測定部125が測定した圧力値の変化とから、センサチップ101の温度特性を算出する。
【選択図】 図1
【解決手段】圧力値変化測定部125が、温度制御部124を動作させてセンサチップ101の温度を所定の温度範囲で変化させ、温度が変化しているセンサチップ101より出力される圧力値の変化を測定する。温度特性算出部126が、温度制御部124の動作によるセンサチップ101の温度の変化と、圧力値変化測定部125が測定した圧力値の変化とから、センサチップ101の温度特性を算出する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、圧力センサに関し、特に流体からの圧力を受けて変位するダイアフラムを含む検出デバイスを備える圧力センサに関する。
静電容量式の隔膜真空計などの圧力センサは、ダイアフラム(隔膜)を含む検出デバイスを測定対象のガスが流れる配管などに取り付けて、圧力を受けたダイアフラムのたわみ量、すなわち変位を静電容量値に変換し、静電容量値から圧力値を出力する。この圧力センサは、ガス種依存性が少ないことから、半導体設備をはじめ、工業用途で広く使用されている(特許文献1参照)。
上述した隔膜真空計などの圧力センサの検出デバイスは、図4に示すように、測定対象からの圧力を受けるダイアフラム302と、平面視中央に凹部を有し、ダイアフラム302を支持する支持部301aを有する基台301とを有する。ダイアフラム302と基台301とは容量室303を形成する。支持部301aによって支持されたダイアフラム302のうち基台301と離間した可動領域302aは、基台301の方向に変位可能となる。ダイアフラム302と基台301は、例えばサファイアなどの絶縁体から構成されている。
また、圧力センサの検出デバイスは、ダイアフラム302の可動領域302aに形成された可動電極304と、基台301の上に形成されて可動電極304に向かい合う固定電極305とを備える。また、圧力センサの検出デバイスは、ダイアフラム302の可動領域302aにおいて可動電極304の周囲に形成された可動参照電極306と、固定電極305の周囲の基台301の上に形成され、可動参照電極306に向かい合う固定参照電極307とを備える。
上述した圧力センサの検出デバイスは、圧力センサが取り付けられている装置に用いられているガスに対する耐腐食性と共に、成膜などのプロセス中で発生する副生成物に対しても耐性が要求される。また、成膜プロセスでは、成膜室内壁、配管内壁、真空ポンプ内部、および圧力センサの受圧部であるダイアフラムなど、原料ガスに曝される箇所にはプロセス中に生成した副生成物が堆積する。例えば、図3に示すように、ダイアフラム302の上に副生成物321が堆積する。
例えば、ゲート絶縁膜などの形成に用いられている原子層堆積法(ALD)は、特性上、原料ガスに曝される様々な箇所に副生成物が堆積する。このような副生成物の堆積を防止するために、例えば成膜動作時などにおいて、副生成物が堆積しやすい成膜装置の各部分を例えば200℃程度に加熱している。
例えば、圧力センサ側では、検出デバイスを加熱して副生成物の堆積を抑制している。また、成膜装置側では、圧力センサのダイアフラムに圧力を導入するための配管部にヒータを設けて同様に加熱している。
ところで、圧力センサは温度変化に対しても感度(温度特性)を持っている(非特許文献1参照)。このため通常は、圧力センサを組み立てた後に温度特性を評価し、温度変化の影響が小さくなるように、検出デバイスを加熱する温度に基づいて圧力センサの出力を補正する計測回路を調整して出荷している。
市田 俊司 他、「SPS300インテリジェント圧力センサーの開発」、Savemation Review、vol.9、 no.1、 pp.8-14、1991年。
しかしながら、上述する加熱による回避策を行っても副生成物の堆積は微量ずつ進行する。このように堆積が発生した場合、ダイアフラムの機械的や熱的な性質が変化する。副生成物は、ダイアフラムを構成する材料とは異なるので、検出デバイスにおける温度感度そのものが変化してしまう。
上述した検出デバイスにおける温度特性の変化は、副生成物の形成以外にもエッチングの腐食性ガスによるダイアフラム表面の変質により発生する。具体的には、プロセス対象の基板と同様にエッチングされる場合に温度特性は変化する。また、表面が化学的に反応して材質が変化してしまうような場合にも、温度特性は変化する。上述したダイアフラムにおける機械的な特性が変化する原因としては、ダイアフラムを固定する接合部もしくは溶接部、検出デバイスのパッケージから伝わる影響などもある。
圧力を受ける部分となるダイアフラムの機械的なバランスが、上述したような応力緩和、熱変形などで変化すると、温度特性が変化して調整時とは異なる状態となる。この結果、圧力センサの測定結果は実際とは異なるものとになり、プロセスの品質に大きな影響を与えてしまう。
上述したように検出デバイスの温度特性が変化し、圧力センサが正常な測定をできない状態となると、検出デバイスが故障したものと認識される。検出デバイスが故障した場合、一般には、装置から検出デバイスを取り外して交換することになる。このように検出デバイスを交換する場合、装置の稼働を長い時間停止することになり、生産性の大幅な低下もたらす。
ところが、故障と認識された場合であっても、温度特性の変化が原因の場合、前述した温度特性の調整を再度実施すれば、交換することなく継続して使用することが可能である。しかしながら従来では、温度特性の調整は、検出デバイスを装置から取り外して実施することになり、上述したように、生産性の大幅な低下をもたらしていた。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、装置から取り外すことなく圧力センサの温度特性が調整できるようにすることを目的とする。
本発明に係る圧力センサは、測定対象からの圧力を受けて変位するダイアフラムを備え、ダイアフラムの変位を他の物理量の変化に変換する検出デバイスと、ダイアフラムの変位による上記他の物理量の変化を圧力値に変換して出力するように構成された圧力値出力部と、検出デバイスの所定の温度範囲における温度変化に対する圧力値の変化を示す温度特性を記憶する記憶部と、測定されている検出デバイスの温度を元に記憶部に記憶されている温度特性で圧力値出力部が出力する圧力値を補正するように構成された補正部と、検出デバイスの温度を所定の温度範囲で変化させるように構成された温度制御部と、温度制御部を動作させて検出デバイスの温度を所定の温度範囲で変化させ、検出デバイスの温度が変化している状態で圧力値出力部より出力される圧力値の変化を測定するように構成された圧力値変化測定部と、温度制御部の動作による検出デバイスの温度の変化と、圧力値変化測定部が測定した圧力値の変化とから検出デバイスの温度特性を算出するように構成された温度特性算出部と、記憶部に記憶されている温度特性と、温度特性算出部が算出した温度特性との特性差を求めるように構成された特性差算出部と、特性差算出部が求めた特性差が更新基準値を超えた場合、温度特性算出部が算出した温度特性で記憶部に記憶されている温度特性を更新するように構成された更新部とを備える。
上記圧力センサにおいて、特性差算出部が求めた特性差が異常判定値を超えた場合に警報を発令するように構成された警報出力部を備える。
上記圧力センサにおいて、特性差算出部は、記憶部に記憶されている温度特性と、温度特性算出部が算出した温度特性との差の、所定の温度範囲における積分値を特性差として求める。また、特性差算出部は、所定の温度範囲の最大値または最小値において、記憶部に記憶されている温度特性と温度特性算出部が算出した温度特性との差を特性差として求める。
上記圧力センサにおいて、検出デバイスは、ダイアフラムと離間してダイアフラムを支持する基台と、ダイアフラムに設けられた第1の電極と、基台に設けられ第1の電極と向いあう第2の電極とを有し、圧力値出力部は、ダイアフラムの変位による第1の電極と第2の電極との間の容量変化を圧力値に変換して出力する。
以上説明したことにより、本発明によれば、装置から取り外すことなく圧力センサの温度特性が調整できるという優れた効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における圧力センサの構成を示す構成図である。この圧力センサは、センサチップ(検出デバイス)101、圧力値出力部121、記憶部122、補正部123、温度制御部124、圧力値変化測定部125、温度特性算出部126、特性差算出部127、更新部128を備える。
実施の形態において、センサチップ101は、よく知られた静電容量式であり、基台111,ダイアフラム112,可動電極(第1の電極)114,固定電極(第2の電極)115を備える。センサチップ101は、ダイアフラム112の変位を他の物理量(例えば容量)の変化に変換する。
基台111およびダイアフラム112は、例えば、サファイアやアルミナセラミックなどの耐熱耐食性を有する絶縁体から構成されている。また、受圧部となるダイアフラム112は、平面視中央に凹部を有する基台111の支持部111aによって支持されている。ダイアフラム112は、支持部111aの内側の可動領域112aにおいて、基台111の方向に変位可能とされている。可動領域112aは、例えば、平面視円形とされている。
可動領域112aおけるダイアフラム112と基台111との間は、容量室113とされている。容量室113はいわゆる真空とされ、基準真空室となる。この場合、実施の形態における圧力センサは、大気圧より減圧される環境における圧力(真空度)を測定する真空計である。
また、可動電極114は、容量室113の内部でダイアフラム112の可動領域112aに形成されている。また、固定電極115は、可動電極114と、容量室113の内部で基台111の上に可動電極114に向かい合って形成されている。なお、センサチップ101は、可動参照電極116および固定参照電極117を備える。可動参照電極116は、容量室113の内部でダイアフラム112の可動領域112aにおいて可動電極114の周囲に形成されている。固定参照電極117は、容量室113の内部で固定電極115の周囲の基台111の上に形成されている。可動参照電極116と固定参照電極117とは向かい合っている。
圧力値出力部121は、ダイアフラム112の変位による上記他の物理量の変化を圧力値に変換して出力する。例えば、圧力値出力部121は、ダイアフラム112の変位による容量変化を、設定されているセンサ感度を用いて圧力値に変換して出力する。
記憶部122は、センサチップ101の所定の温度範囲における温度変化に対する圧力値の変化を示す温度特性を記憶する。例えば、センサチップ101が設定温度100℃で使用される場合、実使用温度範囲の95〜105℃の温度変化に対する圧力値の変化が温度特性として記憶部122に記憶されている。例えば、初期(出荷時)に、センサチップ101を95〜105℃の範囲で温度変化させ、この温度変化に対して圧力値出力部121より出力される圧力値の変化を測定しておく。この測定結果より温度特性を求め、温度特性の初期値として記憶部122に記憶しておく。
補正部123は、温度測定機構129により測定されているセンサチップ101の温度に基づいて、記憶部122に記憶されている温度特性で圧力値出力部121が出力する圧力値を補正する。
ここで、温度特性について説明する。この種の圧力センサでは、センサチップ101が使用される温度により、同一の圧力(真空度)に対して出力される圧力値が変化する。この温度特性を発生させる原因として、まず、センサチップ101自体の熱に対する膨張および収縮がある。また、温度特性を発生させる原因として、センサチップ101の基材と、電極材料との熱膨張係数の相違によるバイメタル効果がある。また、温度特性を発生させる原因として、センサチップ101が、センサチップが実装されるパッケージから受ける力学的な影響がある。また、温度特性を発生させる原因として、電極材料の抵抗値の温度変化がある。
通常、上述した温度特性を発生させる要因を、実使用上問題のない大きさにすることは困難である。このため、前述したように初期状態の温度特性を測定し、測定された温度特性がキャンセルされるように、補正部123で補正して出力する。
温度制御部124は、センサチップ101の温度を所定の温度範囲で変化させる。例えば、温度制御部124は、よく知られたセンサチップ101の自己加熱用ヒータ(不図示)を駆動してセンサチップ101の温度を所定の温度範囲で変化させる。圧力値変化測定部125は、温度制御部124を動作させてセンサチップ101の温度を所定の温度範囲で変化させ、センサチップ101の温度が変化している状態で圧力値出力部121より出力される圧力値の変化を測定する。
温度特性算出部126は、温度制御部124の動作によるセンサチップ101の温度の変化と、圧力値変化測定部125が測定した圧力値の変化とからセンサチップ101の温度特性を算出する。特性差算出部127は、記憶部122に記憶されている温度特性と、温度特性算出部126が算出した温度特性との特性差を求める。
更新部128は、特性差算出部127が求めた特性差が更新基準値を超えた場合、温度特性算出部126が算出した温度特性で記憶部122に記憶されている温度特性を更新する。
また、実施の形態における圧力センサは、特性差算出部127が求めた特性差が異常判定値を超えた場合、センサチップ101が異常であることを示す警報を発令する警報出力部130を備える。
次に、本発明の実施の形態における圧力センサの動作例について、図2のフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップS201で、温度特性の確認開始が指示されると(ステップS201のyes)、ステップS202で、圧力値変化測定部125が、温度制御部124を動作させてセンサチップ101の温度を所定の温度範囲で変化させる。例えば、温度測定機構129で測定されている温度でフィードバック制御し、95℃から105℃までセンサチップ101の温度を変化させる。なお、例えば、ユーザからの開始指示の入力を受け付けにより、温度特性の確認を開始すればよい。また、よく知られた圧力センサの0点調整が実施された直後のタイミングで、温度特性の確認を開始すればよい。この状態であれば、圧力値出力部121より出力される圧力値が既知である。
次に、ステップS203で、圧力値変化測定部125が、温度が変化しているセンサチップ101より出力される圧力値の変化を測定する。次に、ステップS204で、温度特性算出部126が、温度制御部124の動作によるセンサチップ101の温度の変化と、圧力値変化測定部125が測定した圧力値の変化とから、センサチップ101の温度特性を算出する。
温度特性算出部126は、例えば、図3の黒丸で示す温度に対する圧力値の11点の測定結果をもとに、多項式による近似処理をし、一点鎖線で示すような温度特性を算出する。
次に、ステップS205で、特性差算出部127が、記憶部122に記憶されている温度特性と、温度特性算出部126が算出した温度特性との特性差を求める。例えば、記憶部122には、図3の白四角で示す温度に対する圧力値の11点の測定結果をもとに得られた初期の温度特性が記憶されている。特性差算出部127は、図3に実線で例示する初期の温度特性と、前述した一点鎖線で示す温度特性との差を求める。
例えば、特性差算出部127は、記憶部122に記憶されている温度特性と、温度特性算出部126が算出した温度特性との差の、所定の温度範囲における積分値を特性差として求める。また、特性差算出部127は、所定の温度範囲の最大値または最小値において、記憶部122に記憶されている温度特性と温度特性算出部126が算出した温度特性との差を特性差として求める。なお、所定の温度範囲で温度が異なる数点において、記憶部122に記憶されている温度特性と温度特性算出部126が算出した温度特性との差を特性差として求める、これらの平均値や合計値を特性差として求めてもよい。
次に、ステップS206で、更新部128が、特性差算出部127が求めた特性差が更新基準値を超えているかどうかを判定する。更新部128が、特性差算出部127が求めた特性差が更新基準値を超えていると判断すると(ステップS206のyes)、ステップS207で、警報出力部130が、特性差算出部127が求めた特性差が異常判定値を超えているかどうかを判定する。
警報出力部130が、特性差算出部127が求めた特性差が異常判定値を超えていないと判断した場合(ステップS207のno)、ステップS208で、更新部128は、温度特性算出部126が算出した温度特性で記憶部122に記憶されている温度特性を更新する。一方、警報出力部130が、特性差算出部127が求めた特性差が異常判定値を超えていると判断した場合(ステップS207のyes)、ステップS209で、警報出力部130が、センサチップ101が異常であることを示す警報を発令する。
以上に説明したように、本発明によれば、実使用の中で検出デバイス(センサチップ)の温度特性を測定して更新するようにしたので、装置から取り外すことなく圧力センサの温度特性が調整できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、静電容量式の隔膜真空計を例に説明したが、これに限るものではない、ダイアフラムの変位をピエゾ抵抗の変化として検出するピエゾ抵抗式の圧力センサであっても同様である。
101…センサチップ(検出デバイス)、111…基台、111a…支持部、112…ダイアフラム、112a…可動領域、113…容量室、114…可動電極、115…固定電極、116…可動参照電極、117…固定参照電極、121…圧力値出力部、122…記憶部、123…補正部、124…温度制御部、125…圧力値変化測定部、126…温度特性算出部、127…特性差算出部、128…更新部、129…温度測定機構、130…警報出力部。
Claims (5)
- 測定対象からの圧力を受けて変位するダイアフラムを備え、前記ダイアフラムの変位を他の物理量の変化に変換する検出デバイスと、
前記ダイアフラムの変位による前記他の物理量の変化を圧力値に変換して出力するように構成された圧力値出力部と、
前記検出デバイスの所定の温度範囲における温度変化に対する前記圧力値の変化を示す温度特性を記憶する記憶部と、
測定されている前記検出デバイスの温度を元に前記記憶部に記憶されている前記温度特性で前記圧力値出力部が出力する圧力値を補正するように構成された補正部と、
前記検出デバイスの温度を前記所定の温度範囲で変化させるように構成された温度制御部と、
前記温度制御部を動作させて前記検出デバイスの温度を前記所定の温度範囲で変化させ、前記検出デバイスの温度が変化している状態で前記圧力値出力部より出力される圧力値の変化を測定するように構成された圧力値変化測定部と、
前記温度制御部の動作による前記検出デバイスの温度の変化と、前記圧力値変化測定部が測定した圧力値の変化とから前記検出デバイスの温度特性を算出するように構成された温度特性算出部と、
前記記憶部に記憶されている温度特性と、前記温度特性算出部が算出した温度特性との特性差を求めるように構成された特性差算出部と、
前記特性差算出部が求めた特性差が更新基準値を超えた場合、前記温度特性算出部が算出した温度特性で前記記憶部に記憶されている温度特性を更新するように構成された更新部と
を備えることを特徴とする圧力センサ。 - 請求項1記載の圧力センサにおいて、
前記特性差算出部が求めた特性差が異常判定値を超えた場合に警報を発令するように構成された警報出力部
を備えることを特徴とする圧力センサ。 - 請求項1または2記載の圧力センサにおいて、
前記特性差算出部は、前記記憶部に記憶されている温度特性と、前記温度特性算出部が算出した温度特性との差の、前記所定の温度範囲における積分値を前記特性差として求める
ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項1または2記載の圧力センサにおいて、
前記特性差算出部は、前記所定の温度範囲の最大値または最小値において、前記記憶部に記憶されている温度特性と前記温度特性算出部が算出した温度特性との差を前記特性差として求める
ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧力センサにおいて、
前記検出デバイスは、前記ダイアフラムと離間して前記ダイアフラムを支持する基台と、前記ダイアフラムに設けられた第1の電極と、前記基台に設けられ前記第1の電極と向いあう第2の電極とを有し、
前記圧力値出力部は、前記ダイアフラムの変位による前記第1の電極と前記第2の電極との間の容量変化を前記圧力値に変換して出力することを特徴とする圧力センサ。
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