JP4059306B2 - Servo capacitive vacuum sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はサーボ式静電容量型真空センサに関し、特に、絶対圧力値を静電容量の変化に基づき測定する真空センサの改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年半導体製造プロセス技術により小型かつ測定範囲の広い圧力測定用センサが開発されてきた。例えばIEEE Electron Device Societyにおいて開催されたTRANSDUCER 97 の1997 International Conference on Solid-State Sensor and Actuators Chicago, June 16-19, 1997 講演予稿集 Volume 2, p.1457-p.1460などに発表されたサーボ式静電容量型真空センサ(以下「真空センサ」という)がある。この真空センサの構造を図6に示す。図6では真空センサの実際の構造に比較して厚みを誇張して示している。
【0003】
図6において、真空センサは、シリコン基板131と、シリコン基板131の両側に接合されたパイレックス基板132,133で構成されている。中間のシリコン基板131にはダイアフラム状の電極部134が形成される。電極部134と上側のパイレックス基板132の間には内部空間139が形成され、電極部134と下側のパイレックス基板133との間には内部空間140が形成されている。内部空間139には導入口141を通して外部から測定対象である気体(以下「被測定気体」という)が導入される。内部空間140はゲッター材154が収容されたゲッター室153と通じており、内部空間140とゲッター室153はゲッター材154によって排気され、高真空状態に保持されている。電極部134は、内部空間139に導入された被測定気体の圧力を受ける。電極部134は、その中央部下側に肉厚部135を有し、肉厚部135の周囲に肉薄部136を有する。肉厚部135は下方に凸状となっている。電極部134は、肉厚部135と肉薄部136の全体が変位する可動電極である。電極部134では、被測定気体の圧力を受けると、下側の内部空間140が高真空状態に保持されているので、肉薄部136が下方向へ変形し、中央の肉厚部135が下方へ変位する。
【0004】
上記構造を有する電極部134は、一定の厚みを有するシリコン基板131の両面を半導体製造プロセス技術を応用してエッチングすることにより形成される。また上記パイレックス基板132,133はパイレックスガラスで形成され、絶縁性と高剛性を有している。パイレックス基板132における内部空間139側の面にはサーボ電極137が設けられている。サーボ電極137はp++シリコン層で形成される。サーボ電極137は電極部134に対向している。パイレックス基板133における内部空間140側の面には固定電極138が設けられている。固定電極138は肉厚部135に対向している。肉厚部135は固定電極138に対する電極として機能し、肉厚部135と固定電極138の間で間隔に応じた静電容量が決まる。
【0005】
上側のパイレックス基板132には、導電性端子を形成するための3つの貫通孔が形成される。第1の貫通孔にはAl(アルミニウム)電極142が設けられかつサーボ電極137に接続される導電性エポキシ樹脂143が充填されている。第2の貫通孔にはAl電極144が設けられかつシリコン部145を介して電極部134に接続される導電性エポキシ樹脂146が充填されている。第3の貫通孔にはAl電極147が設けられかつシリコン部148を介して固定電極138に接続される導電性エポキシ樹脂149が充填されている。各エポキシ樹脂143,146,149にはそれぞれリード線150,151,152が電気的に接続されている。リード線150,151,152はそれぞれ図示しない外部回路に接続される。詳しくは、リード線150は外部回路内のサーボ電圧出力部に接続され、リード線151は外部回路内の基準電位部に接続され、リード線152は外部回路内の検出部に接続される。サーボ電極137にはリード線150を通してサーボ電圧が印加される。
【0006】
上記構成において、導入口141を通して被測定気体が内部空間139に導入されると、電極部134は被測定気体の圧力を受け、前述のごとく肉薄部136が下方向へ変形し、肉厚部135が内部空間140側へ変位する。その結果、電極部134の肉厚部135と固定電極138との間の間隔が変化し、肉厚部135と固定電極138の間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は例えば交流ブリッジ回路からなる検出部によって検出される。検出部の検出作用に基づいて、電極部134に加わる圧力と釣り合うように、パイレックス基板132のサーボ電極137にサーボ電圧が印加される。電極部134においてサーボ電圧による静電引力と被測定気体による圧力との間に釣り合いが生じ、電極部134は中央位置に保たれる。印加されたサーボ電圧の2乗と上記圧力の間には比例関係があるため、サーボ電極137に与えられたサーボ電圧を測定することにより、上記真空センサに加わった被測定気体の圧力を測定することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の真空センサは次の問題を有する。
【0008】
電極部134を変位させて静電容量の変化を検知する方式の真空センサで微小圧力の測定を高い精度で行えるようにするためには、電極部134の肉厚部135と固定電極138との間の静電容量を大きくすることが要求される。静電容量を大きくするためには、電極部134における肉厚部135の対向部の面積を大きくすること、あるいは肉厚部135と固定電極138の間のギャップを狭くすることが必要である。しかしながら、従来の真空センサで静電容量を大きくする場合、構造上、電極部134の中央に質量の大きな肉厚部135を設ける必要があり、このため、電極部134の肉厚部135が重りとして作用し、外部からの振動に感応しやすく、測定感度および測定精度に悪い影響を与えるという問題が起きる。
【0009】
さらに従来の真空センサでは、被測定気体の圧力測定時、肉厚部135と固定電極138の間の静電容量が、被測定気体の圧力が加わっていないときの静電容量と同じになるように、サーボ電極137にサーボ電圧を印加する。圧力が加わっていないときの静電容量は、真空センサごとに主に電極部134の肉厚部135と固定電極138の間の間隔に依存してバラツキを有し、この間隔に起因する静電容量のバラツキは真空センサの製造バラツキおよび温度により変化する熱膨張に依存する。このため従来の真空センサによれば、真空センサに圧力が加わっていない状態での肉厚部135と固定電極138の間の静電容量を各真空センサごとに計測しなければならないという問題があった。
【0010】
本発明の目的は、上記の問題を解決することにあり、構造的に振動に対する感応性を抑え、製造バラツキや温度による熱膨張の依存性を少なくし、真空センサごとの静電容量の計測を不要とし、微小圧力の測定精度を高め、小型で高感度かつ広範囲の圧力測定を行えるサーボ式静電容量型真空センサを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係るサーボ式静電容量型真空センサは、上記目的を達成するため、次のように構成される。
真空センサは、シリコン基板を第1ガラス基板と第2ガラス基板の間に配置し、シリコン基板と第1ガラス基板、シリコン基板と第2ガラス基板をそれぞれ接合して三層構造を有する。シリコン基板は電極部を備え、電極部と第1ガラス基板の間には例えば第1ガラス基板に形成された気体導入口を通して外部と通じる第1内部空間が形成され、電極部と第2ガラス基板の間には高真空状態に保持される第2内部空間が形成される。電極部は気体導入口から第1内部空間に導入された気体の圧力を受ける。電極部は、気体の圧力を受けて変位する可動電極と、可動電極の周囲に可動電極を支持するように形成されかつ気体の圧力を受けても変位しない周囲電極とからなる。可動電極の第2内部空間側の面と周囲電極の第2内部空間側の面は同一面として形成される。第2ガラス基板における第2内部空間側の面に、可動電極に対向する固定電極と、周囲電極に対向する参照電極が設けられる。第1ガラス基板における第1内部空間側の面には可動電極に接近して対向する凸状サーボ電極が設けられる。
真空センサでは、さらに好ましくは、可動電極の第2内部空間側の面と周囲電極の第2内部空間側の面からなる上記同一面が、被測定気体の圧力が加わっていないとき、固定電極および参照電極が設けられた第2ガラス基板における第2内部空間側の面に平行である。
上記真空センサの電極部では、被測定気体の圧力を受けて変位する肉薄の可動電極をほぼ中央に設け、その周りに被測定気体の圧力で変位しない肉厚の周囲電極を設け、可動電極を支持するようにした。ここで被測定気体は、例えば、粘性流、分子流、あるいはその中間領域の流れ特性を有する気体である。また真空センサで測定可能な圧力範囲は可動電極と周囲電極に関する上記変位特性を有する範囲である。電極部の一方の側には気体導入口を介して外部と通じる第1内部空間と、他方の側には高真空状態に保持された第2内部空間が形成されている。可動電極と周囲電極の第2内部空間側の面は同一面となっている。可動電極に圧力が加わっていないときに、上記同一面に対向して平行でかつ同一間隔で、可動電極に対して固定電極が設けられ、周囲電極に対して参照電極が設けられる。可動電極に被測定気体の圧力が加わると、可動電極は第2内部空間側に変位し可動電極と固定電極の間の間隔が狭くなるが、肉厚の周囲電極は変位せず、周囲電極と参照電極の間隔は一定に保持される。上記真空センサでは、電極部の中央に重り作用を有する肉厚部が存在しないので、振動や衝撃が真空センサに加わったときにも、電極部にノイズの原因となる不必要な振動が発生せず、測定の感度や精度に関する従来の問題が解消される。特に微小圧力の測定精度を向上できる。またサーボ電極に必要なサーボ電圧を印加することにより、可動電極に加わる被測定気体の圧力とサーボ電圧による静電引力とを釣り合わせるようにした。上記の真空センサによれば、サーボ電圧の値を決めるにあたって、可動電極と固定電極の間で決まる第1静電容量(C1)と、周囲電極と固定電極の間で決まる第2静電容量(Cs)とを利用することによって、各真空センサごとの製造バラツキを解消し、温度の依存性をなくすことが可能である。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0013】
図1〜図5を参照して本発明に係るサーボ式静電容量型真空センサの代表的実施形態を説明する。図1の断面図は、説明の便宜上、実際の真空センサの構造に比較して厚みを誇張して示している。また図2は図1のA−A線矢視断面、図3は図1のB−B線矢視断面、図4は図1のC−C線矢視断面をそれぞれ示している。図5は真空センサと外部回路の関係を示す構成図である。
【0014】
図1に示すごとく真空センサ11は三層の積層構造を有している。中央に位置する層はシリコン基板12である。シリコン基板12の上側および下側にはパイレックス基板13,14が設けられている。パイレックス基板13,14はパイレックスガラスで作られた板状部材であり、絶縁性を有しかつ高い剛性を有している。パイレックス基板13,14はシリコン基板12に陽極接合されている。このシリコン基板12には電極部20が設けられる。電極部20は、パイレックス基板13,14に挟まれかつシリコン基板12の周囲の支持壁部38で囲まれた空間(図3に示す)の中に形成されている。
【0015】
電極部20はシリコン基板を利用して形成される。電極部20は、ほぼ中央に形成された肉薄の可動電極21と、可動電極21の周囲に位置し可動電極21を支持するように形成された肉厚の周囲電極22とから構成されている。可動電極21は例えば5μm程度の厚みを有するシリコン薄膜である。可動電極21は、後述するように、電極部20が被測定気体の圧力を受けるときに変形して変位を生じる。可動電極21の平面形状は図3に示すように例えば四角である。可動電極21は、図1に示すごとく、後述する下側の固定電極24および上側のサーボ電極16に対向しており、例えば接地電位等の基準電位に保持され、かつ固定電極24との間で静電容量を生じさせ、あるいはサーボ電極16との間で静電引力を生じさせる。一方、周囲電極22は例えば400μm未満の厚みを有するシリコン厚膜である。周囲電極22の平面形状は、例えば図3に示されるごとく四角のほぼ環状である。周囲電極22のほぼ中央に可動電極21が形成される。また周囲電極22は、図1に示すごとく、後述する下側の参照電極25に対向しており、参照電極25との間で静電容量を生じさせる。電極部20は全体として単体であり、可動電極21と周囲電極22は一体的に形成されている。電極部20が被測定気体の圧力を受けて可動電極21で変位が生じたとき、周囲電極22は変位せず、可動電極21を支持する。
【0016】
上記構造を有する電極部20は、例えば厚み400μmのシリコン基板を用意し、このシリコン基板の両面にエッチング等の半導体製造プロセスを応用して作られる。図1に示された電極部20において、シリコン層23は、エッチングの際にエッチングストップ層として残ることにより形成される。シリコン層23の一部が上記可動電極21になる。図1で、可動電極21は、シリコン層23の他の部分に対して作用が異なることから、断面の描き方を異ならせて示している。シリコン層23における可動電極21以外の他の部分は、周囲電極22と重なっており、周囲電極と同等に作用する。半導体製造プロセスを応用して作られる電極部20は、可動電極21の下面と周囲電極22の下面が同一面となるように形成されている。このことは、可動電極21それ自体、および周囲電極22の下面部が上記シリコン層23で作られることから明らかである。エッチングによって電極部20が上記形状に形成されることから可動電極21の上側に凹所22aが形成される。
【0017】
上記電極部20が形成されたシリコン基板12の両側にパイレックス基板13,14が陽極接合される。電極部20は、その製造工程で、肉厚の周囲電極22の縁部が下側のパイレックス基板14に陽極接合される。電極部20とパイレックス基板13の間には内部空間S1が形成される。内部空間S1は、例えばパイレックス基板13に形成された導入口15を通して真空センサ11の外部と通じており、外部から被測定気体が導入される。可動電極21は凹所22aを通して内部空間S1に対し露出している。なお被測定気体を内部空間S1に導入するための導入口は、パイレックス基板13以外の箇所にも形成することができる。また電極部20とパイレックス基板14の間には高真空状態に保持された内部空間S2が形成されている。内部空間S2は封止された空間である。
【0018】
上側のパイレックス基板13に形成された導入口15は外部と内部空間S1を連通し、この導入口15を通して外部から内部空間S1に被測定気体が導入される。ここで真空センサ11の測定対象である気体は、例えば、粘性流、分子流、またはそれらの中間領域の流れ特性を有する気体である。また真空センサ11の測定対象である圧力範囲は、可動電極21の変位が生じかつ周囲電極22に変位が生じないような範囲である。このような圧力範囲に含まれる対象であれば、上記気体以外の一般的な流体も真空センサ11の測定対象に含まれる。パイレックス基板13の内部空間S1側の面には、ほぼ中央部に、可動電極21に対向するように突出した凸状のサーボ電極16が形成されている。サーボ電極16は、別に用意したシリコン基板に半導体製造プロセス技術を応用してp型(あるいはn型)のシリコン層17を形成すると共にエッチングを行うことにより作られる。サーボ電極16の凸部はパイレックス基板13より下方に向かって突出している。サーボ電極16の凸部の形状は、電極部20の凹所22aの形状とほぼ一致している。サーボ電極16にはシリコン層17とAl電極18を通して外部からサーボ電圧が印加されるようになっている。Al電極18は蒸着等の方法により形成され、シリコン層17の端部はAl電極18に接続されている。サーボ電極16は、Al電極18を介して外部回路50(例えば交流ブリッジ回路またはマイコンで構成される演算処理手段等を含む回路)に接続され、サーボ電圧が印加される。
【0019】
図2に示すように、サーボ電極16の凸部の先端面は例えば正方形の形状を有し、シリコン層17の端部はAl電極18に接続されている。また導入口15は例えば4か所に形成されている。なお図1と図2を比較すると、例えば導入口15の位置や個数が正確に一致していないが、説明の便宜上理解しやすいように図示されている。
【0020】
下側のパイレックス基板14の内部空間S2側の面には、静電容量検出用固定電極24(以下「固定電極24」と簡略化する)と参照電極25が設けられている。参照電極25は固定電極24の周囲に電気的絶縁状態で設けられる。固定電極24は可動電極21に対向して設けられ、参照電極25は周囲電極22に対向して設けられている。電極部20に被測定気体の圧力が加わらない場合において、可動電極21と周囲電極22の各下面は、同一面となっており、固定電極24と参照電極25が設けられた面に対して平行になっている。このとき可動電極21および固定電極24の間隔と周囲電極22および参照電極25の間隔とは実質的に等しくなっている。固定電極24と参照電極25は例えばシリコン層で形成される。上記構造に基づき、可動電極21と固定電極24、周囲電極22と参照電極25の各々によって静電容量が検出される。参照電極25は、後述する計算式に基づいて特定の値を求めるための静電容量を作り出す電極であり、製造バラツキをなくすゼロ点補償を行い、かつ温度依存性をなくす温度補償を行うために設けられた電極である。
【0021】
上記に説明したように、電極部20の可動電極21の両側には内部空間S1,S2が形成される。導入口15を通して外部から被測定気体が内部空間S1に導入されると、当該被測定気体の圧力が可動電極21に加わり、内部空間S2が高真空に保たれているので、可動電極21は内部空間S2側に変位する。可動電極21の周囲を支持する周囲電極22は、厚膜として形成されているので、変位しない。
【0022】
一方、下側のパイレックス基板14には電極ピン31,32,33,34が設けられる。各電極ピン31〜34は、それぞれ、パイレックス基板14に形成された電極部用貫通孔、固定電極用貫通孔、参照電極用貫通孔、サーボ電極用貫通孔に接着剤としての導電性エポキシ樹脂35で固定されている。電極ピン31は電極部20に接続され、電極ピン32は固定電極24に接続され、電極ピン33は参照電極25に接続されている。参照電極25は、図4に示すごとく好ましくは固定電極24の周囲にこれを囲むように配置される。電極ピン31〜24の各々にはAl電極36が設けられている。また電極ピン34は、シリコンで作られた接続部37を介して前述のAl電極18およびシリコン層17に接続され、さらにサーボ電極16に接続される。
【0023】
なお図1〜図3で38はシリコンで形成された支持壁部、図1で39はシリコン層、40は深い窪み、41はゲッター材である。支持壁部38は、図2および図3に示されるように、電極部20の周囲を囲むように全周に形成されている。内部空間S2は、窪み40に収納されたゲッター材41で部材から発生するガスが吸着され、前述のごとく高真空に保持される。また図1と図4を比較すると、例えば4つの電極ピンの設置位置が正確に一致していないが、図1では4つの電極ピンの設置関係が明確になるように断面部を一部変更して図示している。
【0024】
図1に示した構造では、シリコン基板12に対しその両側に絶縁性かつ高剛性を有するパイレックス基板13,14を接合させた積層構造としたが、積層される両側の基板はパイレックスガラス(コーニング(株)社製)に限定されず、その代わりにシリコン基板の材料と同じあるいは非常に近い熱膨張係数を持つ材料、例えばSDガラス(ホウケイ酸ガラス;ホーヤ(株)社製)を用いることもできる。
【0025】
シリコン基板12は、EPW(エチレンジアミンピロカテコール水溶液)やTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)などのエッチング溶液によりウェットエッチングされ、その片面に、底部の少なくとも一部が平らな凹所を形成し、次にその凹所の表面に半導体拡散技術によって上記シリコン層23が形成される。また凹所の端にはゲッター材41を収納するための窪み40が形成される。
【0026】
シリコン基板12とパイレックス基板14は上記窪み40にゲッター材41を収納した後に真空中で接合され、内部空間S2が形成される。その後、シリコン基板12を上記エッチング溶液により選択エッチングして、可動電極21および周囲電極22からなる電極部20と支持壁部38とが形成される。
【0027】
電極部20に被測定気体の圧力が加わらないとき、可動電極21と周囲電極22の各下面が形成する面と固定電極24と参照電極25が設けられた面との間隔は、例えば10μm程度である。可動電極21と固定電極24の各々の面積は例えば□4mm(一辺が4mmの正方形)である。また参照電極25は同面積あるいは固定電極24の面積に対して一定比率の面積となるように形成されている。可動電極21と固定電極24によって静電容量C1のコンデンサが構成され、周囲電極22と参照電極25によって静電容量Csのコンデンサが構成される。
【0028】
凸状のサーボ電極16は、電極部20の周囲電極22と接触しないように配置されている。サーボ電極16と可動電極21の間の間隔は例えば10μm程度になるように設定されている。可動電極21の周囲に位置する周囲電極22の厚みは前述のごとく約400μmであるので、実際の構造では、サーボ電極16の凸部は凹所22aの内部に入り込んだ状態で配置される。
【0029】
図5は真空センサ11と外部回路50の関係を示す。固定電極24はパイレックス基板14の対応する貫通孔におけるAl電極36と導電性エポキシ樹脂35と電極ピン32を介して外部回路50に接続され、参照電極25はパイレックス基板14の対応する貫通孔におけるAl電極36と導電性エポキシ樹脂35と電極ピン33を介して外部回路50に接続されている。一方、電極部20は、シリコン層23と対応する貫通孔におけるAl電極36と導電性エポキシ樹脂35と電極ピン31を介して外部回路50と接続されている。なお電極部20は接地電位等の基準電位に保持される。さらにサーボ電極16は、シリコン層17、Al電極18、接続部37、シリコン層39、パイレックス基板14の対応する貫通孔におけるAl電極36および導電性エポキシ樹脂35と電極ピン34を介して外部回路50に接続されている。外部回路50では、電極ピン31,32,33との接続関係に基づき上記の静電容量C1と静電容量Csが入力され、予め用意された下記の計算式に基づいて特定の値を計算する。そしてこの値がほぼ0になるように、電極ピン34に対して印加するサーボ電圧を定め、電極ピン34を通してサーボ電極16にサーボ電圧を印加する。印加されたサーボ電圧による静電引力と被測定気体の圧力とが釣り合うと、可動電極21での変位が0になり、上記特定の値も0になる。
【0030】
真空センサ11では、導入口15から被測定気体が内部空間S1内に入ると、可動電極21に対して内部空間S2側に変位させる圧力が加わる。このとき周囲電極22は被測定気体の圧力によって内部空間S2側に変位しない。サーボ電極16には、静電容量C1と静電容量Csを利用して作られた計算式「C1−Cs×(固定電極24の面積)/(参照電極25の面積)」の値が0となるように、外部回路50によりサーボ電圧が印加される。サーボ電圧によって可動電極21に対して可動電極21に加わった圧力と等しい静電引力が逆向きに加えられる。これにより可動電極21は常に変位のない状態に保たれる。静電引力とサーボ電圧の2乗とは比例関係にあるので、印加したサーボ電圧を検出することにより、被測定気体により加わった圧力を求めることができる。そこで外部回路50には当該関係に基づいて圧力値を算出する演算部が内蔵され、演算部で算出された圧力値が計測値として出力される。
【0031】
真空センサ11では可動電極21と固定電極24の間に形成されたギャップの間隔は10μmと狭く設定され、真空センサ11でも真空センサごとに製造バラツキを有し、温度依存性を有する。しかし本実施形態による真空センサ11によれば、構造上、各真空センサで圧力が加わっていない状態で可動電極21および固定電極24の間隔と周囲電極22および参照電極25の間隔とが等しいので、回路設計上、製造バラツキおよび温度依存性に拘らず、圧力が加わっていない場合の上記計算式「C1−Cs×(固定電極24の面積)/(参照電極25の面積)」の値は0になる。さらに被測定気体が導入口15から入ってその圧力を検出する場合、「C1−Cs×(固定電極24の面積)/(参照電極25の面積)」が0となるように、すなわち静電引力と圧力が釣り合うように、サーボ電極16にサーボ電圧を印加して可動電極21の位置を常に変位のない状態に保つことができる。従って真空センサ11による圧力検出は、構造上および制御の回路構成上、電極の間のギャップ間隔に関する真空センサごとの製造バラツキおよび温度依存性の影響を受けない。
【0032】
本実施形態による真空センサ11では、電極部20のほぼ中央に圧力を受けて変位する肉薄の可動電極21を形成し、周囲に変位しない肉厚の周囲電極22を形成した。可動電極21は質量が小さく、また周囲電極22を一体化して電極部20を作っているため、振動および衝撃により電極の位置関係は変化しにくく、真空センサの動作を安定化させることができる。
【0033】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【0034】
被測定気体の圧力に受けて変位する可動電極を電極部のほぼ中央に形成し、その周囲に肉厚の周囲電極を形成したため、従来の真空センサに比較して中央に重り部分がなく、振動および衝撃による影響を排除でき、安定した動作を行う真空センサを実現できる。さらに振動等の影響に強く安定して検出動作を行い、かつ可動電極と固定電極の間隔、周囲電極と参照電極の間隔を例えば10μm程度に狭くし各々の間隔で決まる静電容量が大きくなるように構成したため、高い圧力の測定は勿論のこと、微小な圧力の測定に対しても高い測定感度を達成することができる。
【0035】
さらに、電極部に圧力が加わっていない状態で、可動電極と周囲電極の各下面が同一面となり、かつ可動電極と固定電極の間隔、周囲電極と参照電極の間の間隔が等しくなる構造としたため、可動電極、周囲電極、固定電極、参照電極の各々を設計目的に応じて再現性良くかつ歩留まり良く作ることができ、圧力のない状態での可動電極と固定電極間の静電容量、周囲電極と参照電極間の静電容量の比を設計通りに歩留まり良く実現できる。また真空センサごとの電極間のギャップ間隔の製造バラツキも補償することができる。
【0036】
また電極部に圧力が加わる状態でも、周囲電極・参照電極間の静電容量に固定電極面積を参照電極面積で割った値を掛け、この値を可動電極・固定電極間の静電容量の値から引くという操作を演算処理により実施し、差し引かれた値が実質的に0となるようにサーボ電圧を印加し、可動電極の変位を0に保つように構成したため、真空センサごとの電極間のギャップ間隔の製造バラツキを解消し、温度に依存しない正しい圧力指示値を得ることができる。
【0037】
またサーボ式の構造を採用することにより肉薄の可動電極に機械的歪みが生じないようにしたため、真空センサに機械疲労が加わらず、真空センサの寿命を長くでき、長期に渡って信頼性の高い測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るサーボ式静電容量型真空センサの代表的実施形態を示す要部縦断面図である。
【図2】図1におけるA−A線矢視断面図である。
【図3】図1におけるB−B線矢視断面図である。
【図4】図1におけるC−C線矢視断面図である。
【図5】真空センサと外部回路の関係を示す構成図である。
【図6】従来のサーボ式静電容量型真空センサの要部縦断面図である。
【符号の説明】
11 サーボ式静電容量型真空センサ
12 シリコン基板
13,14 パイレックス基板
15 導入口
16 サーボ電極
20 電極部
21 可動電極
22 周囲電極
24 静電容量検出用固定電極
25 参照電極
31〜34 電極ピン
35 エポキシ樹脂[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a servo-type capacitive vacuum sensor, and more particularly to an improvement of a vacuum sensor that measures an absolute pressure value based on a change in capacitance.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a sensor for pressure measurement having a small size and a wide measuring range has been developed by a semiconductor manufacturing process technology. For example, the servo type presented in TRANSDUCER 97 held at IEEE Electron Device Society, 1997 International Conference on Solid-State Sensor and Actuators Chicago, June 16-19, 1997
[0003]
In FIG. 6, the vacuum sensor includes a
[0004]
The
[0005]
The upper Pyrex
[0006]
In the above configuration, when the gas to be measured is introduced into the
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional vacuum sensor described above has the following problems.
[0008]
In order to make it possible to measure a minute pressure with high accuracy using a vacuum sensor that detects a change in capacitance by displacing the
[0009]
Furthermore, in the conventional vacuum sensor, when measuring the pressure of the gas to be measured, the capacitance between the
[0010]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, structurally suppressing the sensitivity to vibration, reducing the dependence on thermal expansion due to manufacturing variations and temperature, and measuring the capacitance of each vacuum sensor. An object of the present invention is to provide a servo-type capacitive vacuum sensor that is unnecessary, increases the measurement accuracy of minute pressure, is small, has high sensitivity, and can perform pressure measurement over a wide range.
[0011]
[Means and Actions for Solving the Problems]
The servo capacitive vacuum sensor according to the present invention is configured as follows to achieve the above object.
The vacuum sensor has a three-layer structure in which a silicon substrate is disposed between a first glass substrate and a second glass substrate, and the silicon substrate and the first glass substrate, and the silicon substrate and the second glass substrate are bonded to each other. The silicon substrate includes an electrode portion, and a first internal space that communicates with the outside through, for example, a gas inlet formed in the first glass substrate is formed between the electrode portion and the first glass substrate, and the electrode portion and the second glass substrate are formed. A second internal space that is maintained in a high vacuum state is formed between the two. The electrode portion receives the pressure of the gas introduced into the first internal space from the gas inlet. The electrode portion includes a movable electrode that is displaced by receiving a gas pressure, and a surrounding electrode that is formed to support the movable electrode around the movable electrode and is not displaced even when the gas pressure is received. The surface on the second internal space side of the movable electrode and the surface on the second internal space side of the surrounding electrode are formed as the same surface. A fixed electrode facing the movable electrode and a reference electrode facing the surrounding electrode are provided on the surface of the second glass substrate on the second internal space side. A convex servo electrode facing the movable electrode is provided on the surface of the first glass substrate on the first internal space side.
In the vacuum sensor, more preferably, when the pressure of the gas to be measured is not applied to the same surface formed by the surface on the second internal space side of the movable electrode and the surface on the second internal space side of the surrounding electrode, The second glass substrate provided with the reference electrode is parallel to the surface on the second internal space side.
In the electrode part of the vacuum sensor, a thin movable electrode that is displaced by the pressure of the gas to be measured is provided in the center, and a thick surrounding electrode that is not displaced by the pressure of the gas to be measured is provided around the movable electrode. I tried to support it. Here, the gas to be measured is, for example, a gas having a viscous flow, a molecular flow, or a flow characteristic in an intermediate region thereof. The pressure range measurable by the vacuum sensor is a range having the above displacement characteristics with respect to the movable electrode and the surrounding electrode. A first internal space that communicates with the outside through a gas inlet is formed on one side of the electrode portion, and a second internal space that is maintained in a high vacuum state is formed on the other side. The surface of the movable electrode and the surrounding electrode on the second internal space side is the same surface. When no pressure is applied to the movable electrode, a fixed electrode is provided for the movable electrode and parallel to the same surface and at the same interval, and a reference electrode is provided for the surrounding electrode. When the pressure of the gas to be measured is applied to the movable electrode, the movable electrode is displaced to the second internal space side, and the interval between the movable electrode and the fixed electrode is narrowed, but the thick surrounding electrode is not displaced, The distance between the reference electrodes is kept constant. In the above vacuum sensor, there is no thick part having a weighting action at the center of the electrode part, so even when vibration or impact is applied to the vacuum sensor, unnecessary vibrations that cause noise are generated in the electrode part. Therefore, the conventional problems concerning the sensitivity and accuracy of measurement are solved. In particular, the measurement accuracy of minute pressure can be improved. Further, by applying a necessary servo voltage to the servo electrode, the pressure of the gas to be measured applied to the movable electrode is balanced with the electrostatic attraction by the servo voltage. According to the vacuum sensor described above, in determining the value of the servo voltage, the first capacitance (C1) determined between the movable electrode and the fixed electrode, and the second capacitance determined between the surrounding electrode and the fixed electrode ( Cs) can be used to eliminate manufacturing variations for each vacuum sensor and eliminate temperature dependence.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0013]
A representative embodiment of a servo capacitive vacuum sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. The cross-sectional view of FIG. 1 exaggerates the thickness as compared with the actual structure of the vacuum sensor for convenience of explanation. 2 shows a cross section taken along line AA in FIG. 1, FIG. 3 shows a cross section taken along line BB in FIG. 1, and FIG. 4 shows a cross section taken along line CC in FIG. FIG. 5 is a block diagram showing the relationship between the vacuum sensor and the external circuit.
[0014]
As shown in FIG. 1, the
[0015]
The
[0016]
The
[0017]
[0018]
The
[0019]
As shown in FIG. 2, the tip surface of the convex portion of the
[0020]
A capacitance detecting fixed electrode 24 (hereinafter simply referred to as “fixed
[0021]
As described above, the internal spaces S1 and S2 are formed on both sides of the
[0022]
On the other hand, the
[0023]
In FIG. 1 to FIG. 3,
[0024]
In the structure shown in FIG. 1, the
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
When the pressure of the gas to be measured is not applied to the
[0028]
The
[0029]
FIG. 5 shows the relationship between the
[0030]
In the
[0031]
In the
[0032]
In the
[0033]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention has the following effects.
[0034]
A movable electrode that is displaced by the pressure of the gas to be measured is formed almost at the center of the electrode, and a thick surrounding electrode is formed around it, so there is no weight in the center compared to conventional vacuum sensors, and vibration occurs. Further, it is possible to realize a vacuum sensor that can eliminate the influence of an impact and perform stable operation. Furthermore, the detection operation is strong and stable against the influence of vibration and the like, and the interval between the movable electrode and the fixed electrode and the interval between the surrounding electrode and the reference electrode are reduced to, for example, about 10 μm so that the capacitance determined by each interval is increased. Therefore, high measurement sensitivity can be achieved not only for measurement of high pressure but also for measurement of minute pressure.
[0035]
In addition, since the lower surface of the movable electrode and the surrounding electrode are the same surface with no pressure applied to the electrode portion, the distance between the movable electrode and the fixed electrode and the distance between the surrounding electrode and the reference electrode are equal. The movable electrode, the surrounding electrode, the fixed electrode, and the reference electrode can be made with good reproducibility and yield according to the design purpose. The capacitance between the movable electrode and the fixed electrode without pressure, the surrounding electrode The ratio of the capacitance between the reference electrode and the reference electrode can be realized as designed with good yield. Further, it is possible to compensate for manufacturing variations in the gap interval between the electrodes for each vacuum sensor.
[0036]
Even when pressure is applied to the electrode, the capacitance between the surrounding electrode and the reference electrode is multiplied by the value obtained by dividing the fixed electrode area by the reference electrode area, and this value is the value of the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode. Since the operation of subtracting is performed by arithmetic processing, the servo voltage is applied so that the subtracted value is substantially zero, and the displacement of the movable electrode is maintained at zero, so that the gap between the electrodes for each vacuum sensor is The manufacturing variation of the gap interval can be eliminated, and a correct pressure indication value independent of temperature can be obtained.
[0037]
In addition, by adopting a servo structure, the thin movable electrode is not mechanically strained, so the vacuum sensor is not subject to mechanical fatigue, and the life of the vacuum sensor can be extended, providing long-term reliability. Measurements can be made.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an essential part showing a representative embodiment of a servo capacitive vacuum sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a configuration diagram showing a relationship between a vacuum sensor and an external circuit.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a main part of a conventional servo-type capacitive vacuum sensor.
[Explanation of symbols]
11 Servo-type capacitive vacuum sensor
12 Silicon substrate
13,14 Pyrex board
15 introduction port
16 Servo electrodes
20 electrodes
21 Movable electrode
22 Ambient electrode
24 Fixed electrode for capacitance detection
25 Reference electrode
31-34 Electrode pins
35 Epoxy resin
Claims (2)
前記シリコン基板は電極部を備え、前記電極部と前記第1ガラス基板の間には気体導入口を通して外部と通じる第1内部空間が形成され、前記電極部と前記第2ガラス基板の間には高真空状態に保持される第2内部空間が形成され、前記電極部は前記気体導入口から前記第1内部空間に導入された気体の圧力を受け、
前記電極部は、前記気体の圧力を受けて変位する可動電極と、前記可動電極の周囲に前記可動電極を支持するように形成されかつ前記気体の圧力を受けても変位しない周囲電極とからなり、前記可動電極の前記第2内部空間側の面と前記周囲電極の前記第2内部空間側の面は同一面として形成され、
前記第2ガラス基板における前記第2内部空間側の面に、前記可動電極に対向する固定電極と、前記周囲電極に対向する参照電極を設け、
前記第1ガラス基板における前記第1内部空間側の面に、前記可動電極に接近して対向する凸状サーボ電極を設けた、
ことを特徴とするサーボ式静電容量型真空センサ。A silicon substrate is disposed between the first glass substrate and the second glass substrate, the silicon substrate and the first glass substrate, and the silicon substrate and the second glass substrate are joined to form a three-layer structure,
The silicon substrate includes an electrode portion, a first internal space communicating with the outside through a gas inlet is formed between the electrode portion and the first glass substrate, and between the electrode portion and the second glass substrate. A second internal space that is maintained in a high vacuum state is formed, and the electrode portion receives the pressure of the gas introduced into the first internal space from the gas inlet,
The electrode portion includes a movable electrode that is displaced by receiving the pressure of the gas, and a peripheral electrode that is formed to support the movable electrode around the movable electrode and that is not displaced even by receiving the pressure of the gas. The surface of the movable electrode on the second internal space side and the surface of the peripheral electrode on the second internal space side are formed as the same surface,
On the surface of the second glass substrate on the second internal space side, a fixed electrode facing the movable electrode and a reference electrode facing the surrounding electrode are provided,
Provided on the surface of the first glass substrate on the first internal space side is a convex servo electrode that is close to and opposed to the movable electrode,
A servo-type capacitive vacuum sensor.
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