JP2024031316A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力センサのチップサイズを大きくすることなく、測定のバラツキが抑制できるようにする。【解決手段】この圧力センサは、基台１０１、ダイアフラム１０２、可動電極１０４、固定電極１０５を備え、さらに、基準室１０３の外部の基台１０１の裏面に形成され基台１０１を挟んで固定電極１０５と対向させて設けられた補正電極１０６を備える。補正電極１０６は、固定電極１０５に対応する位置に形成されている。例えば、固定電極１０５と補正電極１０６とは、基台１０１を挾んで平面視で同じ領域内に形成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、静電容量の変化を検出することで圧力を計測す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）を含むセンサチップ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。この容量式の圧力センサにおいて、熱膨張の影響などによる測定のバラツキを抑制するために参照電極（補正電極）を用いる技術がある（特許文献１）。補正電極により得られる容量変化を基準として補正することで、測定のバラツキを抑制することができる。

特開２０１８－１１５９０３号公報

しかしながら、従来技術では、可動電極の周囲に補正電極を設けるため、可動電極に加えて補正電極を形成する領域が必要となり、センサチップの小型化を妨げている。例えば、半導体製造装置などの精密な圧力制御が求められる装置では、内部状態管理の高度化要求に伴いセンサチップの実装数が増える傾向にあり、常にセンサチップの小型化の要求があり、改善が求められている。

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、圧力センサのチップサイズを大きくすることなく、測定のバラツキが抑制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、基台と、基台の表面から離間して基台と向かい合う対向面を有するダイアフラムと、基台とダイアフラムの対向面との間に形成された基準室と、基準室の内部で対向面に設けられた可動電極と、基準室の内部の基台の表面に設けられて可動電極と向かい合う固定電極と、基準室の外部の基台の裏面に形成され、基台を挟んで固定電極と対向させて設けられた補正電極とを備える。

上記圧力センサの一構成例において、補正電極は、固定電極に対応する位置に形成されている。

上記圧力センサの一構成例において、補正電極と固定電極との間の容量を基準とし、ダイアフラムの変位による可動電極と固定電極との間の容量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を備える。

上記圧力センサの一構成例において、基準室の内部で、可動電極の周囲に形成された副可動電極と、基準室の内部の基台の表面で固定電極の周囲に設けられて副可動電極と向かい合う副固定電極とを備える。

上記圧力センサの一構成例において、副可動電極は、可動電極の周囲を囲う状態に形成され、副固定電極は、固定電極の周囲を囲う状態に形成されている。
上記圧力センサの一構成例において、固定電極または副固定電極と補正電極との間の容量を基準とし、ダイアフラムの変位による可動電極と固定電極との間の容量変化を第１圧力値に変換して出力し、ダイアフラムの変位による副可動電極と副固定電極との間の容量変化を第２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を備える。

以上説明したように、本発明によれば、基台の裏面に補正電極を設けるので、圧力センサのチップサイズを大きくすることなく、測定のバラツキが抑制できる。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの構成を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの一部構成を示す平面図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの構成を示す断面図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの構成を示す断面図である。 図４Ｃは、本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る圧力センサについて説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１にかかる圧力センサについて、図１を参照して説明する。この圧力センサは、基台１０１、ダイアフラム１０２、可動電極１０４、固定電極１０５を備える。この圧力センサは、例えば真空計として用いることができる。

ダイアフラム１０２は、基台１０１の表面から離間して基台１０１と向かい合う対向面を有する。ダイアフラム１０２は、可動領域１２１で基台１０１と離間して配置されている。ダイアフラム１０２の可動領域１２１は、基台１０１の平面の法線方向に変位可能とされている。ダイアフラム１０２が測定対象からの圧力を受けると、可動領域１２１が変位する。

基台１０１とダイアフラム１０２の対向面との間には、基準室１０３が形成される。基準室１０３は、例えば、真空とされている。可動電極１０４は、基準室１０３の内部でダイアフラム１０２の対向面に設けられている。固定電極１０５は、基準室１０３の内部の基台１０１の表面に設けられて可動電極１０４と向かい合っている。

さらに、この圧力センサは、基準室１０３の外部の基台１０１の裏面に形成された補正電極１０６を備える。補正電極１０６は、固定電極１０５に対応する位置に形成されている。例えば、固定電極１０５と補正電極１０６とは、基台１０１を挾んで対向させて設けられ、平面視で同じ領域内に形成されている。

なお、ダイアフラム１０２は、ダイアフラム基板１１１に設けられた支持部１１２によって、基台１０１の上に支持されている。支持部１１２は、ダイアフラム１０２の周囲を取り囲むように配置されている。ダイアフラム基板１１１の支持部１１２と基台１０１とは、可動領域１２１の外側の接合部１１３で接合されている。なお、基台１０１の方に、支持部を設けることができる。例えば、基台１０１，ダイアフラム基板１１１は、平面視正方形とされている。また、ダイアフラム１０２は、平面視円形とされている。基台１０１およびダイアフラム基板１１１は、例えばサファイアやアルミナセラミックなどの絶縁体から構成することができる。

可動電極１０４と固定電極１０５とは、容量を形成する。この容量は、ダイアフラム１０２の可動領域１２１が変位する（撓む）ことで、変化する。よく知られているように、静電容量式の圧力センサは、固定電極１０５と可動電極１０４との間に形成される容量の変化により、ダイアフラム１０２の受圧領域（可動領域１２１）で受けた圧力を測定する。

また、この圧力センサは、圧力値出力部１１０を備える。圧力値出力部１１０は、補正電極１０６と固定電極１０５との間の容量を基準とし、ダイアフラム１０２の反り（変位）による可動電極１０４と固定電極１０５との間の容量変化を測定する。圧力値出力部１１０は、測定した容量変化を、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。

例えば温度の上昇により基台１０１およびダイアフラム基板１１１が熱膨張すると、ダイアフラム１０２が圧力を受けていなくても、可動電極１０４と固定電極１０５との間隔が変化し、容量が変化する。このため、圧力に変化がなくても、圧力が変化した測定結果が出力されてしまう。

これに対し、実施の形態１によれば、補正電極１０６を設けているので、補正電極１０６と固定電極１０５との間の容量を基準とすれば、上述した温度変化による可動電極１０４と固定電極１０５との間の容量の変化を補正できる。上述した温度の変化による熱膨張は、基台１０１においても発生し、固定電極１０５と補正電極１０６との間隔も変化して容量が変化する。固定電極１０５と補正電極１０６との間の容量は、圧力が変化しても影響を受けず、熱膨張の変化に影響を受ける。

このため、補正電極１０６と固定電極１０５との間の容量を基準として可動電極１０４と固定電極１０５との間の容量変化を測定すれば、圧力の変化によるダイアフラム１０２の変位による可動電極１０４と固定電極１０５との間の容量変化が測定できる。また、補正電極１０６は、基台１０１の裏面に形成するため、補正電極１０６を設けるためにチップサイズを大きくする必要が無い。このように、実施の形態１によれば、圧力センサのチップサイズを大きくすることなく、測定のバラツキが抑制できるようになる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る圧力センサについて、図２、図３を参照して説明する。この圧力センサは、基台２０１、ダイアフラム２０２、可動電極２０４、固定電極２０５、副可動電極２０６、副固定電極２０７を備える。この圧力センサは、例えば真空計として用いることができる。

ダイアフラム２０２は、基台２０１の表面から離間して基台２０１と向かい合う対向面を有する。ダイアフラム２０２は、可動領域２２１で基台２０１と離間して配置されている。ダイアフラム２０２の可動領域２２１は、基台２０１の平面の法線方向に変位可能とされている。ダイアフラム２０２が測定対象からの圧力を受けると、可動領域２２１が変位する。

基台２０１とダイアフラム２０２の対向面との間には、基準室２０３が形成される。基準室２０３は、例えば、真空とされている。可動電極２０４は、基準室２０３の内部でダイアフラム２０２の対向面に設けられている。固定電極２０５は、基準室２０３の内部の基台２０１の表面に設けられて可動電極２０４と向かい合っている。

また、この圧力センサは、基準室２０３の内部で、可動電極２０４の周囲に形成された副可動電極２０６と、基準室２０３の内部の基台２０１の表面で固定電極２０５の周囲に設けられて副可動電極２０６と向かい合う副固定電極２０７とを備える。例えば、副可動電極２０６は、可動電極２０４の周囲を囲う状態に形成されている。また、例えば、副固定電極２０７は、固定電極２０５の周囲を囲う状態に形成されている。

例えば、副可動電極２０６は、可動電極２０４の周囲を、一部（可動電極２０４に接続する引出し電極の配置領域）を除いて囲う状態に形成することができる。同様に、副固定電極２０７は、固定電極２０５の周囲を、一部（固定電極２０５に接続する引出し電極の配置領域）を除いて囲う状態に形成することができる。なお、例えば、固定電極２０５に接続する引出し電極を、固定電極２０５および副固定電極２０７が形成される基台２０１の表面に形成せず、基台２０１を貫通させて外部に引き出す場合は、固定電極２０５の周囲の全域を覆う状態に副固定電極２０７を形成することができる。

例えば、可動電極２０４（固定電極２０５）は、平面視で円形とされ、副可動電極２０６（副固定電極２０７）は、平面視で円環とされている。例えば、可動電極２０４（固定電極２０５）の面積と、副可動電極２０６（副固定電極２０７）とは、略同一の面積とすることができる。

さらに、この圧力センサは、基準室２０３の外部の基台２０１の裏面に形成された補正電極２０８を備える。補正電極２０８は、例えば、基台２０１を挟んで固定電極２０５および副固定電極２０７が形成されている領域に対向させて配置することができる。また、補正電極２０８は、例えば、基台２０１を挟んで固定電極２０５が形成されている領域に対向させて配置することができる。また、補正電極２０８は、例えば、基台２０１を挟んで副固定電極２０７が形成されている領域に対向させて配置することができる。

なお、ダイアフラム２０２は、ダイアフラム基板２１１に設けられた支持部２１２によって、基台２０１の上に支持されている。支持部２１２は、ダイアフラム２０２の周囲を取り囲むように配置されている。ダイアフラム基板２１１の支持部２１２と基台２０１とは、可動領域２２１の外側の接合部２１３で接合されている。なお、基台２０１の方に、支持部を設けることができる。例えば、基台２０１，ダイアフラム基板２１１は、平面視正方形とされている。また、ダイアフラム２０２は、平面視円形とされている。基台２０１およびダイアフラム基板２１１は、例えばサファイアやアルミナセラミックなどの絶縁体から構成することができる。

可動電極２０４と固定電極２０５とは、容量を形成する。この容量は、ダイアフラム２０２の可動領域２２１が変位する（撓む）ことで、変化する。よく知られているように、静電容量式の圧力センサは、固定電極２０５と可動電極２０４との間に形成される容量の変化により、ダイアフラム２０２の受圧領域（可動領域２２１）で受けた圧力を測定する。

また、この圧力センサは、圧力値出力部２１０を備える。圧力値出力部２１０は、固定電極２０５または副固定電極２０７と補正電極２０８との間の容量を基準とし、ダイアフラム２０２の変位による可動電極２０４と固定電極２０５との間の容量変化を第１圧力値に変換して出力する。また、圧力値出力部２１０は、ダイアフラム２０２の変位による副可動電極２０６と副固定電極２０７との間の容量変化を第２圧力値に変換して出力する。圧力値出力部２１０は、測定した各々の容量変化を、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。

実施の形態２によれば、可動電極２０４と固定電極２０５との間の容量変化により低圧領域を測定し、副可動電極２０６と副固定電極２０７との間の容量変化により高圧領域を測定する。

例えば、図４Ａに示すように、ダイアフラム２０２が受圧していない状態から、ダイアフラム２０２が受圧する圧力がある圧力値（第１圧力）に達すると、図４Ｂに示すように、ダイアフラム２０２の変位により可動電極２０４が固定電極２０５に当接する。この状態となると、第１圧力以上の圧力を受けても、可動電極２０４と固定電極２０５との間の容量は変化しない。

一方、可動電極２０４が固定電極２０５に当接した第１圧力では、副可動電極２０６は、副固定電極２０７に当接していない。このため、第１圧力以上の圧力を受けることで、副可動電極２０６と副固定電極２０７との間の容量は変化する。例えば、第１圧力よりさらに高圧の第２圧力を受けることで、図４Ｃに示すように、副可動電極２０６が副固定電極２０７に当接するまでは、副可動電極２０６と副固定電極２０７との間の容量は変化する。

したがって、上述した圧力センサにより、第１圧力までの低圧測定レンジでは、可動電極２０４と固定電極２０５との間の容量変化を第１圧力値に変換して出力し、第１圧力から第２圧力までの高圧測定レンジでは、副可動電極２０６と副固定電極２０７との間の容量変化を第２圧力値に変換して出力することができる。この圧力センサによれば、測定レンジを拡張することができる。

また、実施の形態２に係る圧力センサにおいても、前述した実施の形態１と同様に、熱膨張の影響を受けることなく、圧力の変化によるダイアフラム２０２の変位による可動電極２０４と固定電極２０５との間の容量変化、副可動電極２０６と副固定電極２０７との間の容量変化が測定できる。

例えば温度の上昇により基台２０１およびダイアフラム基板２１１が熱膨張すると、ダイアフラム２０２が圧力を受けていなくても、可動電極２０４と固定電極２０５との間隔が変化し、容量が変化する。このため、圧力に変化がなくても、圧力が変化した測定結果が出力されてしまう。一方、熱膨張により、補正電極２０８と固定電極２０５との間の容量も変化する。したがって、補正電極２０８と固定電極２０５との間の容量を基準とすれば、上述した温度変化による可動電極２０４と固定電極２０５との間の容量の変化を補正できる。

また、補正電極２０８は、基台２０１の裏面に形成するため、補正電極２０８を設けるためにチップサイズを大きくする必要が無い。このように、実施の形態２においても、圧力センサのチップサイズを大きくすることなく、測定のバラツキが抑制できる。

以上に説明したように、本発明によれば、基台の裏面に補正電極を設けるので、圧力センサのチップサイズを大きくすることなく、測定のバラツキが抑制できるようになる。

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。

１０１…基台、１０２…ダイアフラム、１０３…基準室、１０４…可動電極、１０５…固定電極、１０６…補正電極、１１０…圧力値出力部、１１１…ダイアフラム基板、１１２…支持部、１１３…接合部、１２１…可動領域、２０１…基台、２０２…ダイアフラム、２０３…基準室、２０４…可動電極、２０５…固定電極、２０６…副可動電極、２０７…副固定電極、２０８…補正電極、２１０…圧力値出力部、２１１…ダイアフラム基板、２１２…支持部、２１３…接合部、２２１…可動領域。

Claims (6)

1. 基台と、
   前記基台の表面から離間して前記基台と向かい合う対向面を有するダイアフラムと、
   前記基台と前記ダイアフラムの前記対向面との間に形成された基準室と、
   前記基準室の内部で前記対向面に設けられた可動電極と、
   前記基準室の内部の前記基台の表面に設けられて前記可動電極と向かい合う固定電極と、
   前記基準室の外部の前記基台の裏面に形成され、前記基台を挟んで前記固定電極と対向させて設けられた補正電極と
   を備える圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記補正電極は、前記固定電極に対応する位置に形成されていることを特徴とする圧力センサ。
3. 請求項１または２記載の圧力センサにおいて、
   前記補正電極と前記固定電極との間の容量を基準とし、前記ダイアフラムの変位による前記可動電極と前記固定電極との間の容量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を備える
   ことを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記基準室の内部で、前記可動電極の周囲に形成された副可動電極と、
   前記基準室の内部の前記基台の表面で前記固定電極の周囲に設けられて前記副可動電極と向かい合う副固定電極と
   を備えることを特徴とする圧力センサ。
5. 請求項４記載の圧力センサにおいて、
   前記副可動電極は、前記可動電極の周囲を囲う状態に形成され、
   前記副固定電極は、前記固定電極の周囲を囲う状態に形成されている
   ことを特徴とする圧力センサ。
6. 請求項４または５記載の圧力センサにおいて、
   前記固定電極または前記副固定電極と前記補正電極との間の容量を基準とし、前記ダイアフラムの変位による前記可動電極と前記固定電極との間の容量変化を第１圧力値に変換して出力し、前記ダイアフラムの変位による前記副可動電極と前記副固定電極との間の容量変化を第２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を備える
   ことを特徴とする圧力センサ。

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