JP3171410B2 - 真空センサ - Google Patents

真空センサ

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JP3171410B2
JP3171410B2 JP25499192A JP25499192A JP3171410B2 JP 3171410 B2 JP3171410 B2 JP 3171410B2 JP 25499192 A JP25499192 A JP 25499192A JP 25499192 A JP25499192 A JP 25499192A JP 3171410 B2 JP3171410 B2 JP 3171410B2
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
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    • G01L15/00—Devices or apparatus for measuring two or more fluid pressure values simultaneously

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  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、真空装置内の圧力を測
定するための真空センサに関し、詳しくは、絶対圧力の
値を静電容量の値の変化から検出する真空センサに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、プロセス工業等では、真空装置に
装着される真空センサは、信頼性，小型化等の機能の要
求が高まっており、真空装置内の圧力を測定するための
真空センサとして、従来、例えばピラニ真空計が良く使
用されている。
【０００３】図５はピラニ真空計の検出部を示したもの
で、真空容器４１の内部に白金製のフィラメント４２が
張設され、このフィラメント４２が通電加熱される。圧
力変化によりガス分子がフィラメント４２から熱を奪う
量が変化するので、このフィラメント４２を一定温度に
保つための電力が検出回路にフィードバックされる。こ
のフィードバック量によりガスの圧力が測定される。
【０００４】また、図６はダイヤフラム真空計の検出部
を示すもので、これは気密容器５１の中央に金属薄膜の
可動ダイヤフラム電極５２が設けられ、中央部に中央固
定電極５３が、外周部に外周固定電極５４がそれぞれ可
動ダイヤフラム電極５２に対向して近接した状態で設け
られている。中央固定電極５３と可動ダイヤフラム電極
５２間の静電容量と、外周固定電極５４と可動ダイヤフ
ラム電極５２間の静電容量との差が交流ブリッジ回路に
より検出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のピラ
ニ真空計では、ガスの熱伝導率の違いにより感度が変っ
てしまうという欠点があり、測定対象のガスによりその
都度校正が必要であった。
【０００６】また、通電された金属製のフィラメント４
２が直接測定対象のガスに触れる構造となっているた
め、腐食性ガスの圧力測定等では使用中にピラニ真空計
の出力が変化するという問題もあった。
【０００７】一方、ダイヤフラム真空計では、ピラニ真
空計のようにガスの種類により出力が変化することな
く、また、可動ダイヤフラム電極５２の材質を適当に選
ぶことにより、腐食性のガスの圧力測定も可能になる
が、圧力感度を高めるためには、可動ダイヤフラム電極
５２の厚さを非常に薄くして１０ミクロン程度の厚さに
したり、１辺が数センチメートルの面積にする必要があ
る。
【０００８】ダイヤフラム電極の厚さを非常に薄くする
と、加工や気密容器５１への固定が困難となり、可動ダ
イヤフラム電極５２の面積を大きくすると、装置全体の
大きさが大きくなり、デッドスペースが増大し、所定の
真空度に到達するまでの時間が長かったり、圧力変化に
対する応答性が悪くなるという問題があった。
【０００９】また、圧力感度を高めるためには、可動ダ
イヤフラム電極５２の厚さを非常に薄く加工した精密機
器にする必要があるが、取扱いには充分な注意が必要
で、交流ブリッジ回路等の信号処理回路を組み込んだ真
空計は大きくなり、非常に高価であった。
【００１０】さらに、１つのダイヤフラムでは広い範囲
の真空圧力を測定することは不可能で、真空の測定範囲
が広い場合には、複数台を必要とし、デッドスペースが
大きくなるという問題があった。
【００１１】本発明は、上述の問題点を解決するために
なされたもので、その目的は、ガスの広範囲の絶対圧力
を１つの装置で測定でき、且つ、簡単な構造で小型化を
達成できる真空センサを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
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
ダイヤ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上記構造の複数
組のダイヤフラム電極を、各ダイヤ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ことを特徴とする。
【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、複数組のダイヤフラム電極のうち少なくと
も１つに厚肉部を設けたことを特徴とする。請求項３記
載の発明は、請求項１記載の発明において、ダイヤフラ
ム電極の導電性薄膜の外側表面を耐食性皮膜で覆ったこ
とを特徴とする。
【００１４】
【作用】本発明においては、導電性薄膜の面積の大きな
ダイヤフラム電極により、真空度の高い領域が測定さ
れ、また、導電性薄膜の面積の小さなダイヤフラム電極
により、真空度の低い領域が測定される。
【００１５】そして、導電性薄膜の面積が異なる上記構
造の複数組のダイヤフラム電極を、複数箇所に亘り各ダ
イヤフラム電極の間の空間が相互に連通するように基板
に配列したので、各ダイヤフラム電極の間の空間は、同
時に同じ真空圧力に保持される。
【００１６】
【実施例】以下、図面により本発明の実施例について説
明する。図１，図２は本発明の実施例に係わる真空セン
サを示す。
【００１７】図において、符号１はシリコン基板で、こ
のシリコン基板１の一端側には絶縁層２を介して３組の
ダイヤフラム電極３，４，５が複数箇所に亘り電気的に
絶縁して固定されている。各ダイヤフラム電極３，４，
５は、それぞれ一対の導電性薄膜３Ａ，３Ａ、４Ａ，４
Ａ、５Ａ，５Ａからなり、内部の空間を高真空に封止し
た状態で、それらの周縁がシリコン基板１に固定されて
いる。
【００１８】上記３組のダイヤフラム電極３，４，５の
各導電性薄膜３Ａ，４Ａ，５Ａは、面積が異なり、導電
性薄膜３Ａの面積Ｓａ＞導電性薄膜４Ａの面積Ｓｂ＞導
電性薄膜４Ｃの面積Ｓｃとなっている。
【００１９】そして、シリコン基板１の他端側に厚肉部
１Ｂが形成され、この厚肉部１Ｂの内部には、上記ダイ
ヤフラム電極５に隣接して一対の導電性薄膜６Ａ，６Ａ
からなる参照電極６が形成され、参照電極６は、内部の
空間６Ｂを高真空に封止した状態で、絶縁層２，２を介
してシリコン基板１と絶縁され、それらの周縁をシリコ
ン基板１に固定されている。
【００２０】さらに、上記の厚肉部１Ｂの内部には、参
照電極６に隣接して絶対圧力の測定で基準圧力となる真
空室７が形成され、真空室７内にはゲッター材７Ａが収
容されている。このゲッター材７Ａにより、真空室７内
の基準圧力が高真空に保たれ、基準圧力の変動による当
該真空センサの出力の変動が防がれている。
【００２１】ダイヤフラム電極３の空間３Ｂとダイヤフ
ラム電極４の空間４Ｂは第１連通路８を介して相互に連
通し、ダイヤフラム電極４の空間４Ｂとダイヤフラム電
極５の空間５Ｂは第２連通路９を介して相互に連通して
いる。ダイヤフラム電極５の空間５Ｂと参照電極６内の
空間６Ｂは第３連通路１０を介して相互に連通し、参照
電極６内の空間６Ｂと真空室７は第４連通路１１を介し
て相互に連通している。従って、ダイヤフラム電極３，
４，５の空間３Ｂ，４Ｂ，５Ｂと、参照電極６内の空間
６Ｂと、真空室７とは相互に連通している。
【００２２】また、真空室７とシリコン基板１の他端側
の端面との間には、第５連通路１２が形成され、第５連
通路１２の途中は、シリコン基板１の他端下側部に形成
した封止口１３内に嵌め込んだ封止材１４により閉塞さ
れている。
【００２３】シリコン基板１上には、端子部１５，１
５，１５，１５，１５が設けられ、これらの端子部１
５，１５，１５，１５，１５とダイヤフラム電極３，
４，５は、リード線１６を介して接続されている。
【００２４】しかして、本実施例においては、真空セン
サを組み立る際に、最後の工程で高真空中でシリコン基
板１を構成する上下２枚の平板部の間の隙間を排気し
て、封止材１４により封止口１３が密閉されるが、この
時、参照電極６と同様にしてシリコン基板１内に同時に
一体的に形成された真空室７内にゲッター材７Ａが収納
され、シリコン基板１におけるダイヤフラム電極３，
４，５の空間３Ｂ，４Ｂ，５Ｂと参照電極６内の空間６
Ｂと真空室７とが高真空状態に維持されている。
【００２５】かかる状態で、当該真空センサがガス中に
設置される。当該真空センサが置かれた周囲のガスの圧
力が低下すると、ガスの圧力の変化に対応して各ダイヤ
フラム電極３，４，５の導電性薄膜３Ａ，３Ａ、４Ａ，
４Ａ、５Ａ，５Ａ間の間隔が大きくなり、静電容量の値
が減少する。
【００２６】ガスの圧力の変化に対応した各組のダイヤ
フラム電極３，４，５の変位量は、ダイヤフラム電極
３，４，５の導電性薄膜３Ａ，４Ａ，５Ａの厚さが同じ
場合には、導電性薄膜３Ａ，４Ａ、５Ａの面積に比例す
るので、面積の大きなダイヤフラム電極３では、静電容
量の値の変化は大きく、面積の小さなダイヤフラム電極
５では、静電容量の値の変化は小さくなる。ダイヤフラ
ム電極４では中間となる。
【００２７】従って、面積の大きなダイヤフラム電極３
により、真空度の高い領域が測定され、また、面積の小
さなダイヤフラム電極５により真空度の低い領域が測定
される。ダイヤフラム電極４により真空度が上記領域の
中間の領域が測定される。
【００２８】そして、導電性薄膜３Ａ，４Ａ，５Ａの面
積が異なる上記構造の３組のダイヤフラム電極３，４，
５を、３箇所に亘り各組のダイヤフラム電極３，４，５
の間の空間３Ｂ，４Ｂ，５Ｂが相互に連通するようにシ
リコン基板１に配列したので、各組のダイヤフラム電極
３，４，５の間の空間３Ｂ，４Ｂ，５Ｂが同時に同じ真
空圧力に保持される。
【００２９】また、参照電極６の外側部分は、シリコン
基板１の厚肉部１Ｂで覆われているため、参照電極６の
周囲のガスの圧力により変形することが無く、従って、
参照電極６における静電容量の値は圧力によって変化し
ない。参照電極６における静電容量の値は、温度によっ
てのみ変化するので（電極間距離は構成している材料の
熱膨張係数の差により変化するため）、この値（温度に
よる変化分）を基準として、他のダイヤフラム電極３，
４，５間の静電容量の値の変化（圧力の変化分＋温度に
よる変化分）を測定し、温度による静電容量の値の変化
分をキャンセルすれば、他のダイヤフラム電極３，４，
５間の静電容量の値の変化（圧力のみの変化分）が測定
される。即ち、ダイヤフラム電極３，４，５の静電容量
のうち、温度変化による分をキャンセルして温度補償さ
れる。
【００３０】以上の如き構成によれば、導電性薄膜３
Ａ，４Ａ，５Ａが適当な面積の複数組のダイヤフラム電
極３，４，５を、複数箇所に亘って配列することによ
り、ガスの広範囲の絶対圧力を１つの真空センサにより
測定することができる。
【００３１】しかも、各ダイヤフラム電極３，４，５の
間の空間３Ｂ，４Ｂ，５Ｂが相互に連通しているので、
それらの空間３Ｂ，４Ｂ，５Ｂを真空にするための装置
の構造を簡単にでき、従って、真空センサの大きさを数
ミリメートルとコンパクトに構成し、従来の真空センサ
に比して超小型を可能にしてデッドスペースを小さくで
きるので、真空装置全体の排気する時間を短くでき、圧
力変化に対するセンサの応答を速くすることができる。
【００３２】このことにより、真空装置内部の多点測定
や圧力分布の測定が可能となり、より一層きめ細かいプ
ロセス制御や管理を可能にできる。また、真空センサの
センシング部分の周辺に半導体集積回路技術を利用して
信号処理回路を集積化することも容易である。
【００３３】さらに、各ダイヤフラム電極３，４，５の
空間が相互に連通しているので、各空間３Ｂ，４Ｂ，５
Ｂを同時に高真空にし、各ダイヤフラム電極３，４，５
の空間をぞれぞれ独立に真空圧力にする必要を無くすこ
とができる。
【００３４】なお、本実施例においては、ダイヤフラム
電極の組数は３個となっているが、組数を２個または４
個以上にすることもできる。また、３組のダイヤフラム
電極３，４，５のうち少なくとも１つに厚肉部を設ける
ことができる。例えば、図３に示すように、導電性薄膜
５Ａの面積の最も小さいダイヤフラム電極５の導電性薄
膜５Ａ，５Ａに厚肉部２１，２１をそれぞれ設けること
ができる。これにより、圧力変化によるダイヤフラム電
極５の変位が抑制され、ダイヤフラム電極５の絶対圧力
の検出範囲を更に拡大できる。
【００３５】さらに、図４に示すように、３組のダイヤ
フラム電極３，４，５の各導電性薄膜３Ａ，３Ａ、４
Ａ，４Ａ、５Ａ，５Ａの外側表面をそれぞれ耐食性皮膜
３１で覆った構造にすることができる。これにより、耐
食性ガスの圧力測定をすることができる。なお、ここで
用いる耐食性皮膜３１としては、例えば高分子材料，貴
金属等が耐食性ガスに対応して使用される。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
適当な面積の導電性薄膜からなる複数組のダイヤフラム
電極を、複数箇所に亘って配列することにより、ガスの
広範囲の絶対圧力を１つの真空センサにより測定するこ
とができる。
【００３７】しかも、各組のダイヤフラム電極の間の空
間が相互に連通しているので、それらの空間を真空にす
るための装置の構造を簡単にでき、従って、真空センサ
の大きさを数ミリメートルとコンパクトに構成し、従来
の真空センサに比して超小型を可能にしてデッドスペー
スを小さくでき、排気速度，応答時間を速くすることが
できる。
【００３８】また、各ダイヤフラム電極の空間が相互に
連通しているので、各空間を同時に高真空にし、各ダイ
ヤフラム電極の空間をぞれぞれ独立に真空圧力にする必
要を無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係わる真空センサの縦断面図
である。
【図２】同真空センサの平面図である。
【図３】同真空センサの第１の変形例を示す縦断面図で
ある。
【図４】同真空センサの第２の変形例を示す縦断面図で
ある。
【図５】従来におけるピラニ真空計の検出部の構成図で
ある。
【図６】従来におけるダイヤフラム真空計の検出部の構
成図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板 ３ ダイヤフラム電極 ３Ａ 導電性薄膜 ３Ｂ 空間 ４ ダイヤフラム電極 ４Ａ 導電性薄膜 ４Ｂ 空間 ５ ダイヤフラム電極 ５Ａ 導電性薄膜 ５Ｂ 空間
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 諸貫 正樹 東京都千代田区九段北１丁目13番５号 株式会社リケン内 (72)発明者 逸見 浩二 東京都千代田区九段北１丁目13番５号 株式会社リケン内 審査官 福田 裕司 (56)参考文献 特開 昭61−40529（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 21/00 G01L 9/12

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 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ヤ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上記構造の複数組の
    ダイヤフラム電極を、各ダイヤ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ことを特徴とする真空センサ。
  2. 【請求項２】 複数組のダイヤフラム電極のうち少なく
    とも１つに厚肉部を設けたことを特徴とする請求項１記
    載の真空センサ。
  3. 【請求項３】 ダイヤフラム電極の導電性薄膜の外側表
    面を耐食性皮膜で覆ったことを特徴とする請求項１記載
    の真空センサ。
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