JP2024031318A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】計測に用いるダイアフラムの領域を切り替える圧力センサの計測精度の安定化させる。【解決手段】この圧力センサは、基台１０１、ダイアフラム１０２、構造体１０３、第１スイッチ電極１０５ａ、第２スイッチ電極１０５ｂ、スイッチ導体１０５ｃ、および測定部１２０を備える。構造体１０３は、ダイアフラム１０２の基台１０１の側の面の第１領域１０２ａと第２領域１０２ｂとの境界部に設けられて基台１０１の側に突出して凸状に形成されている。第１スイッチ電極１０５ａ、第２スイッチ電極１０５ｂ、スイッチ導体１０５ｃにより、ダイアフラム１０２が基台１０１の側に変位して構造体１０３が基台１０１に当接したことを検出する検出部が構成される。【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力センサに関する。

中央部の第１ダイアフラム部と、第１ダイアフラム部を取り囲む中央肉厚部と、中央肉厚部の周囲の第２ダイアフラム部とを備える圧力センサがある（特許文献１）。この圧力センサは、第２ダイアフラム部の変位により第１の圧力範囲を測定し、中央肉厚部が台座に当接した後は、第１ダイアフラム部の変位により第２の圧力範囲を測定する。このように１つのセンサで複数の圧力範囲を測定する部分を１つのセンサに設けることで、コンパクト化の効果が得られる。

特開平４－１７８５３３号公報

しかしながら、現在、半導体製造装置の制御技術の高度化要求に伴い、圧力センサに対して、コンパクト化に加えて計測精度の安定化に向けた改善が要求されている。

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、計測に用いるダイアフラムの領域を切り替える圧力センサの計測精度の安定化を目的とする。

本発明に係る圧力センサは、変位可能とされて基台の上に形成され、中央部の第１領域と第１領域の周囲の第２領域とを有して測定対象の気体の圧力を受けるダイアフラムと、ダイアフラムの基台の側の面の第１領域と第２領域との境界部に設けられて基台の側に突出する凸状の構造体と、ダイアフラムが基台の側に変位して構造体が基台に当接したことを検出するように構成された検出部と、第１領域の変位を測定することで第１領域が受けた第１圧力値を求め、第２領域の変位を測定することで第２領域が受けた第２圧力値を求めるように構成された測定部とを備え、測定部は、検出部により構造体が基台に当接したことが検出されると、第２圧力値の出力から第１圧力値の出力に変更する。

上記圧力センサの一構成例において、検出部は、基台に設けられた第１スイッチ電極および第２スイッチ電極と、構造体の先端に設けられ、構造体が基台に当接した時に第１スイッチ電極と第２スイッチ電極とを短絡するスイッチ導体とを備える。

上記圧力センサの一構成例において、ダイアフラムの第１領域の基台の側の面に形成された第１可動電極と、基台の表面に設けられて第１可動電極と向かい合う第１固定電極と、ダイアフラムの第２領域の基台の側の面に形成された第２可動電極と、基台の表面に設けられて第２可動電極と向かい合う第２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、基台の表面の第２固定電極の周囲に形成され、第２可動電極と向かい合う参照電極をさらに備える。

上記圧力センサの一構成例において、測定部は、ダイアフラムの変位による第１可動電極と第１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、第２可動電極と参照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第２可動電極と第２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。

以上説明したように、本発明によれば、ダイアフラムの基台の側の面の第１領域と第２領域との境界部に設けられて基台の側に突出する凸状の構造体が基台に当接したことを検出するので、計測に用いるダイアフラムの領域を切り替える圧力センサの計測精度の安定化が図れる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１に係る圧力センサの一部構成を示す平面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１に係る圧力センサの一部構成を示す平面図である。 図３は、本発明の実施の形態２に係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に係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、構造体１０３、第１スイッチ電極１０５ａ、第２スイッチ電極１０５ｂ、スイッチ導体１０５ｃ、および測定部１２０を備える。

ダイアフラム１０２は、変位可能とされて基台１０１の上に形成されている。ダイアフラム１０２は、中央部の第１領域１０２ａと、第１領域１０２ａの周囲の第２領域１０２ｂとを有して測定対象の気体の圧力を受ける。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の対向面は、基台１０１と離間して配置され、ダイアフラム１０２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は、測定対象からの圧力を受けると変位する。例えば、第１領域１０２ａは、第２領域１０２ｂより厚く形成されている。また、基台１０１とダイアフラム１０２の対向面との間には、基準室１１５が形成される。基準室１１５は、例えば、真空とされている。

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。ダイアフラム基板１１１の支持部１１２と基台１０１とは、ダイアフラム１０２の外周部の接合部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。ただし、平面視正方形以外の形状であってもよい。また、ダイアフラム１０２の支持部１１２の内側の領域は平面視で円形とされている。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。

構造体１０３は、ダイアフラム１０２の基台１０１の側の面の第１領域１０２ａと第２領域１０２ｂとの境界部に設けられて基台１０１の側に突出して凸状に形成されている。第１スイッチ電極１０５ａおよび第２スイッチ電極１０５ｂは、基台１０１の構造体１０３の形成位置に向かい合うに箇所に設けられている。スイッチ導体１０５ｃは、構造体１０３の先端に設けられている。構造体１０３が基台１０１に当接した時に、スイッチ導体１０５ｃにより第１スイッチ電極１０５ａと第２スイッチ電極１０５ｂとが短絡する。第１スイッチ電極１０５ａ、第２スイッチ電極１０５ｂ、スイッチ導体１０５ｃにより、ダイアフラム１０２が基台１０１の側に変位して構造体１０３が基台１０１に当接したことを検出する検出部が構成される。

測定部１２０は、第１領域１０２ａの変位を測定することで第１領域１０２ａが受けた第１圧力値を求め、第２領域１０２ｂの変位を測定することで第２領域１０２ｂが受けた第２圧力値を求める。測定部１２０は、検出部により構造体１０３が基台１０１に当接したことが検出されると、第２圧力値の出力から第１圧力値の出力に変更する。

実施の形態１において、圧力センサは、第１可動電極１０６、第１固定電極１０７、第２可動電極１０８、第２固定電極１０９を備える。第１可動電極１０６は、ダイアフラム１０２の第１領域１０２ａの基台１０１の側の面（対向面）に形成されている。第１固定電極１０７は、基台１０１の表面に設けられて第１可動電極１０６と向かい合って配置されている。

第２可動電極１０８は、ダイアフラム１０２の第２領域１０２ｂの基台１０１の側の面（対向面）に形成されている。第２固定電極１０９は、基台１０１の表面に設けられて第２可動電極１０８と向かい合って配置されている。可動電極と固定電極とは、容量を形成する。この容量は、ダイアフラム１０２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、固定電極と可動電極との間に形成される容量の変化により、ダイアフラム１０２で受けた圧力を測定する。

測定部１２０は、ダイアフラム１０２の変位による第１可動電極１０６と第１固定電極１０７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、測定部１２０は、第２可動電極１０８と参照電極との間の容量を基準とし、ダイアフラム１０２の変位による第２可動電極１０８と第２固定電極１０９との間の容量変化を第２圧力値に変換して出力する。

例えば、ダイアフラム１０２が受圧していない状態から、ダイアフラム１０２が受圧する圧力がある圧力値に達すると、ダイアフラム１０２の変位により構造体１０３の先端が、基台１０１に当接する。この状態は、第１スイッチ電極１０５ａと第２スイッチ電極１０５ｂとが、スイッチ導体１０５ｃにより短絡されたことにより検出される。

構造体１０３の先端が基台１０１に当接するまでは、ダイアフラム１０２の外周（支持部１１２）が固定支持端となってダイアフラム１０２が変形する。構造体１０３の先端が基台１０１に当接した後は、構造体１０３が固定支持端となってダイアフラム１０２が変形する。

第１領域１０２ａと第２領域１０２ｂではその面積または厚さの違いにより、構造体１０３の当接前後で印加圧力に対する変位量が異なる。たわみ（変位量）は面積の２乗と厚さの３乗に比例するため、第１領域１０２ａが当接する前の低圧測定を可能とし、第２領域１０２ｂが当接した後に高圧測定を可能にする。また、構造体１０３が基台１０１に当接したことを検出するので、切り替わるタイミングが分かるため、適切な圧力値の演算切替えができるようになり、計測精度の安定化の効果が得られる。

構造体１０３は、図２Ａに示すように、つい立て状の形状とすることができる。また、構造体１０３は、図２Ｂに示すように、円柱状とすることができる。また、構造体１０３は、複数設けることができる。

［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３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、構造体１０３、第１スイッチ電極１０５ａ、第２スイッチ電極１０５ｂ、スイッチ導体１０５ｃを備える。また、圧力センサは、第１可動電極１０６、第１固定電極１０７、第２可動電極１０８、第２固定電極１０９を備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。

実施の形態２では、基台１０１の表面の第２固定電極１０９の周囲に形成され、第２可動電極１０８と向かい合う参照電極１１０を備える。測定部１２０ａは、ダイアフラム１０２の変位による第１可動電極１０６と第１固定電極１０７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、測定部１２０ａは、第２可動電極１０８と参照電極１１０との間の容量を基準とし、ダイアフラム１０２の変位による第２可動電極１０８と第２固定電極１０９との間の容量変化を第２圧力値に変換して出力する。

実施の形態２においても、例えば、ダイアフラム１０２が受圧していない状態から、ダイアフラム１０２が受圧する圧力がある圧力値に達すると、ダイアフラム１０２の変位により構造体１０３の先端が、基台１０１に当接する。この状態は、第１スイッチ電極１０５ａと第２スイッチ電極１０５ｂとが、スイッチ導体１０５ｃにより短絡されたことにより検出される。

構造体１０３の先端が基台１０１に当接するまでは、ダイアフラム１０２の外周（支持部１１２）が固定支持端となってダイアフラム１０２が変形する。構造体１０３の先端が基台１０１に当接した後は、構造体１０３が固定支持端となってダイアフラム１０２が変形する。第１領域１０２ａと第２領域１０２ｂではその面積または厚さの違いにより、構造体１０３の当接前後で印加圧力に対する変位量が異なる。たわみ（変位量）は面積の２乗と厚さの３乗に比例するため、第１領域１０２ａが当接する前の低圧測定を可能とし、第２領域１０２ｂが当接した後に高圧測定を可能にする。さらに、実施の形態２位よれば、第２可動電極１０８と参照電極１１０との間の容量を基準として第２可動電極１０８と第２固定電極１０９との間の容量変化を測定するので、測定のバラツキを抑制することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、ダイアフラムの基台の側の面の第１領域と第２領域との境界部に設けられて基台の側に突出する凸状の構造体が基台に当接したことを検出するので、計測に用いるダイアフラムの領域を切り替える圧力センサの計測精度の安定化が図れるようになる。

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、１０２ａ…第１領域、１０２ｂ…第２領域、１０３…構造体、１０５ａ…第１スイッチ電極、１０５ｂ…第２スイッチ電極、１０５ｃ…スイッチ導体、１０６…第１可動電極、１０７…第１固定電極、１０８…第２可動電極、１０９…第２固定電極、１１１…ダイアフラム基板、１１２…支持部、１１３…接合部、１１５…基準室、１２０…測定部。

Claims (5)

1. 変位可能とされて基台の上に形成され、中央部の第１領域と前記第１領域の周囲の第２領域とを有して測定対象の気体の圧力を受けるダイアフラムと、
   前記ダイアフラムの前記基台の側の面の前記第１領域と前記第２領域との境界部に設けられて前記基台の側に突出する凸状の構造体と、
   前記ダイアフラムが前記基台の側に変位して前記構造体が前記基台に当接したことを検出するように構成された検出部と、
   前記第１領域の変位を測定することで前記第１領域が受けた第１圧力値を求め、前記第２領域の変位を測定することで前記第２領域が受けた第２圧力値を求めるように構成された測定部と
   を備え、
   前記測定部は、前記検出部により前記構造体が前記基台に当接したことが検出されると、前記第２圧力値の出力から前記第１圧力値の出力に変更する
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 請求項１記載の圧力センサにおいて、
   前記検出部は、
   前記基台に設けられた第１スイッチ電極および第２スイッチ電極と、
   前記構造体の先端に設けられ、前記構造体が前記基台に当接した時に前記第１スイッチ電極と前記第２スイッチ電極とを短絡するスイッチ導体と
   を備え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、
   前記ダイアフラムの前記第１領域の前記基台の側の面に形成された第１可動電極と、
   前記基台の表面に設けられて前記第１可動電極と向かい合う第１固定電極と、
   前記ダイアフラムの前記第２領域の前記基台の側の面に形成された第２可動電極と、
   前記基台の表面に設けられて前記第２可動電極と向かい合う第２固定電極と
   を備えることを特徴とする圧力センサ。
4. 請求項３記載の圧力センサにおいて、
   前記基台の表面の前記第２固定電極の周囲に形成され、前記第２可動電極と向かい合う参照電極をさらに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、
   前記測定部は、
   前記ダイアフラムの変位による前記第１可動電極と前記第１固定電極との間の容量変化を前記第１圧力値に変換して出力し、
   前記第２可動電極と前記参照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第２可動電極と前記第２固定電極との間の容量変化を前記第２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。

Images