JP4540775B2 - サーボ式静電容量型真空センサ - Google Patents

サーボ式静電容量型真空センサ Download PDF

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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ことが可能な真空センサの改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、真空装置内の圧力を測定する真空センサにはピラニ真空計や隔膜真空計が用いられている。かかる真空センサに関しては、信頼性や低消費電力化、小型化等の要望が高まっている。
【0003】
上記真空センサの一例としては特開平6−109568号公報に開示されるものがある。この公報に示された真空センサでは、シリコン材料を用い、対向させ対として形成された薄い可動電極を作製し、かつ複数対の可動電極が作製されている。各対の可動電極の面積は異なるように設定されている。各対の可動電極の間の隙間は高真空状態に封止され、各対の可動電極間の静電容量を独立して検出できるように構成されている。静電容量の変化を利用して、大きな面積の可動電極は小さい圧力の測定に利用され、小さい面積の可動電極は大きい圧力の測定に利用され、中間の面積の可動電極は中間の圧力の測定に利用される。これによって広範囲の絶対圧力を測定するようにしている。
【0004】
また近年、半導体製造プロセス技術によって、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ている。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(以下簡略して「真空センサ」という)がある。この真空センサの構造を図12に示す。図12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。
【0005】
図12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(図中、上側と下側)に接合されたパイレックス基板132,133で構成されている。中間に位置するシリコン基板131にはそのほぼ中央部に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。
【0006】
電極部134は、その中央部の下側に肉厚部135を有し、さらに肉厚部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として形成されている。電極部134では、導入口141を通して外部から内部空間139に入ってきた被測定気体によって圧力を受けると、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。
【0007】
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って作られる。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の下面に対向している。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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
特開平6−109568号による真空センサによれば、1つの真空センサで広範囲の絶対圧力を測定できるようにする目的で面積の異なる対向する複数対の可動電極を設けていたので、小型化を実現するのに限界があった。
【0011】
また図12に基づいて説明された真空センサは、半導体製造プロセス技術によって作製され、小型化を達成できる。しかし、この真空センサによれば、次のような問題が提起された。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
さらに、導入口141を通して被測定気体を内部空間139に導入するとき、電極部134とサーボ電極137との間のギャップが数μmと非常に狭く形成されているので、被測定気体が内部空間139に充填されるために時間がかかり、その結果応答性が悪いという問題があった。
【0015】
本発明の目的は、上記の各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、加えて、内部空間に被測定気体を導入する時間が短縮化され応答性が良好であ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。
【0016】
本発明の他の目的は、動作特性の良い小型で高感度かつ広範囲の圧力測定を行うことができ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。
【0017】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明に係わ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に、次のように構成される。真空センサは、電極用基板を、絶縁性と高剛性を有する第1基板と第2基板の間に配置し、前記電極用基板と前記第1基板、前記電極用基板と前記第2基板をそれぞれ接合して三層構造を形成し、前記電極用基板は電極部を備え、前記電極部と前記第1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サーボ電極を設け、気体導入口をサーボ電極が設けられた場所に対応して形成し、さらに前記可動電極に対向する前記サーボ電極の表面には前記気体導入口に達するように格子状の溝を設けた構成とする。上記構成により、可動電極とサーボ電極の間の隙間のコンダクタンスが高くなるという作用と共にセンサを小型化出来るという効果がある。
【0018】
【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。
【0019】
図1〜図6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。なお図2〜図4では位置関係を明確するために描かれており、寸法的な精度は正確ではない。図5は実際の寸法関係を考慮し具体性を高めて示したサーボ電極とダイヤフラム状電極の部分断面図、図6は真空センサと外部回路の関係を示す構成図である。
【0020】
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。
【0021】
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はダイヤフラム状の電極である。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に対向して配置されており、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。
【0022】
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(ほぼ中央部)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22と一体になって同等に作用する。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。可動電極21は、凹所22aの底部として位置する。
【0023】
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に対して露出している。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。
【0024】
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。実際には図5に示すように、サーボ電極16の凸部は電極部20の凹所22aに嵌まり込んでいる。サーボ電極16の凸部先端面は可動電極21に対向しており、凸部先端面と可動電極21との間の間隔51はおよそ10μmに設定されている。またサーボ電極16の凸部の先端面には溝52が形成されている。溝52は例えば格子状のパターンを有している。図2では格子状パターンを有する溝52が示されている。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。
【0025】
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。サーボ電極16の凸部先端面には前述のごとく格子状の溝52が形成されている。溝52の幅は例えば0.2mm、深さは例えば0.4mmである。またサーボ電極16の正方形の凸部先端面において一辺につき例えば10本程度形成される。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。また溝52は、図2中、横方向のみまたは縦方向のみに形成することも可能である。
【0026】
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。
【0027】
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、図中上側に内部空間S1、下側に内部空間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、当該被測定気体による圧力が可動電極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の部分は、厚膜として形成されているので、変位しない。
【0028】
一方、下側のパイレックス基板14には電極ピン31,32,33,34が設けられている。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31〜34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。
【0029】
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31〜34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位置関係を一部変更して図示している。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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および周囲電極22の各下面が形成する面と、固定電極24および参照電極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、固定電極24と同面積、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C2のコンデンサが構成される。
【0034】
凸状サーボ電極16は、前述のごとく、電極部20の周囲電極22と接触しないように、かつ可動電極21との間の間隔が10μm程度になるように、凹所22aの内部に入り込んだ状態で配置されている。凸状サーボ電極16の頂部の表面に形成された溝52の幅および深さは、サーボ電極16と可動電極21の間の間隔よりも広くなるように形成されている。
【0035】
図6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における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における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C2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。
【0036】
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C2を利用して作られた計算式「C1−C2×(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。
【0037】
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およそ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−C2×(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−C2×(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。
【0038】
本実施形態による真空センサ11では、感圧作用を有する電極部20のほぼ中央に圧力を受けて変位する肉薄の平たい可動電極21を形成し、周囲に圧力で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、剛性が高くなり、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。
【0039】
さらに凸状サーボ電極16の先端面には所定の寸法および本数の溝52が掘られており、そのため、サーボ電極16と可動電極21の間の間隙のコンダクタンスは、溝がない場合のサーボ電極と可動電極の間の間隙のコンダクタンスよりも大きくなるので、導入口15から内部空間S1へ侵入する被測定気体は、溝52を通じて容易に短時間にサーボ電極16と可動電極21の間の間隙に充満され、その結果、短時間に内部空間S1に充填される。このため真空センサ11の応答性が改善され、測定時間が短縮化される。また具体的な応答速度に関しては、どのような溝をサーボ電極16の先端面に形成するかというモデルに応じて異なるが、一例を述べると、溝なしに比較して溝ありの方が、応答速度を4〜5倍に高めることができる。従って、測定のための応答時間は1/4〜1/5に短縮される。
【0040】
また、可動電極21に対向して最も近接しているサーボ電極16の先端表面の面積は、溝を設けなかった場合に比較して減少するが、サーボ電極16と可動電極21の間の静電サーボ力は両者の間の距離の二乗に逆比例し、電位差の二乗に正比例するため、距離の僅かな短縮および電位差の僅かな増加により静電サーボ力の減少を補うことができる。
【0041】
前述の実施形態は次のように変更することができる。薄くて平らな構造の可動電極21をボロンを高濃度に注入したp型のエッチングストップ層により形成したが、リンイオンを注入してn型にすることもできる。また薄くて平らな構造の可動電極21の平面形状の大きさは□4mm、厚さは5μmであることが好ましいが、可動電極の寸法はこれに限定されず、形は必ずしも矩形である必要はない。圧力により可動可能なダイアフラム状であれば、可動電極はいかなる形状であってもよい。またパイレックス基板13に導入口21を形成したが、これに限らず、被測定気体が内部空間S1に導入されればよいので、他のパイレックス基板14で内部空間S1に面しているいずれかの領域に形成することもできる。
【0042】
図7に本発明に係る真空センサの他の実施形態を示す。図7において、図1で示した要素と実質的に同一の要素には同一符号を付して説明を省略する。相違する点だけを説明する。サーボ電極16には凸部の先端表面だけでなく、p型(あるいはn型)シリコン層17に達するように複数の溝53が形成されている。さらに被測定気体を内部空間S1に導入するための導入口は、導入口15Aとしてパイレックス基板13におけるサーボ電極16が設けられた場所に対応して形成され、導入口15Aの形成箇所に対応する位置のシリコン層17の部分には当該導入口と同等の孔が形成されている。導入口15Aと孔からなる気体通路は、サーボ電極16の各溝53につながっている。その他の構成は、図1で説明した真空センサの構成と同じである。以上の構成によって、導入口15Aから導入された被測定気体は、シリコン層17の孔、さらにサーボ電極16の各溝53、サーボ電極・可動電極の間の間隙を経由して内部空間S1に導入される。かかる構成によれば、導入口をパイレックス基板13以外の別の場所にあける必要はないので、若干小型にできる利点がある。
【0043】
次に、図8〜図10を参照して、本発明に係る真空センサの電極構造、外部回路、および被測定気体計測方法の好適な実施形態について説明する。これらの図において、前述した実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。図8はサーボ電極16、可動電極21、周囲電極22、固定電極24、参照電極25の関係を拡大して示した部分断面図で、実質的に図1に示した構成と同じである。なお図8では、図1に比較して、その上下関係を反対にして示し、また横方向および縦方向の寸法尺度、サーボ電極と電極部の位置関係を異ならせて示している。図9は固定電極24と参照電極25の配置例の拡大図である。図10は、前述の外部回路50の具体的な回路例と各電極との結線関係を示している。
【0044】
図8において、前述の通り、中央に位置するシリコン基板の部分には、可動電極21と、その周囲に可動電極21を支持する周囲電極22が形成されている。可動電極21の下側には、凹所22aに嵌まり込む位置関係で、サーボ電極16がパイレックス基板13の内側面上に形成されている。なおこの実施形態では、電極同士の関係に関する構造に着目するため、サーボ電極16の凸部先端面の溝の図示は省略されている。またサーボ電極16と可動電極21の間の間隔は10μmであるが、図は寸法的には誇張して描かれている。他方、可動電極21の上側には、パイレックス基板14の上側面に可動電極21に対応してほぼ正方形の平面形状を有する固定電極24が設けられ、周囲電極22に対応して矩形リング状の参照電極25が設けられている。
【0045】
図1および図6で既に説明されたことであるが、図10に示されるごとく、可動電極21および周囲電極22に接続される電極ピン31、固定電極24に接続される電極ピン32、参照電極25に接続される電極ピン33、さらにサーボ電極16に接続される電極ピン34が設けられている。また可動電極21と固定電極24の間には上記静電容量C1が形成され、可動電極21と電気的に同電位に保持される周囲電極22と参照電極25の間には上記静電容量C2が形成され、可動電極21とサーボ電極16の間には静電容量C3が形成されている。
【0046】
前述の外部回路50は、図10において3つの回路50A,50B,50Cに分けて示されている。回路50Aは第1の静電容量検出用回路(第1検出回路という)であり、回路50Bは電圧印加用回路(印加回路という)であり、回路50Cは第2の静電容量検出用回路(第2検出回路という)である。第1検出回路50Aには、可動電極21(および周囲電極22)と固定電極24と参照電極25が接続されている。印加回路50Bには、可動電極21(および周囲電極22)が接続され、かつ切換スイッチ61を介してサーボ電極16が接続され得る。第2検出回路50Cには、上記切換スイッチ61を介してサーボ電極16が接続され得る。第1検出回路50Aは、前述の「C1−C2×(固定電極24の面積)/(参照電極25の面積)」の計算を行い、この計算値に比例する電圧V1を印加回路50Bに対して出力する。印加回路50Bは、第1検出回路50Bからの電圧V1を入力する。印加回路50Bは、切換スイッチ61を介してサーボ電極16と接続されているとき、上記電圧V1が最終的に0になるように、当該電圧V1に基づいてサーボ電圧を生成し、切換スイッチ61を介してサーボ電極16に接続されていることを条件に、サーボ電極16に与える。このサーボ電圧はサーボ電極16と可動電極21の間に印加される。この場合に、可動電極21は例えば接地電位に保持されている。切換スイッチ61が第2検出回路50C側に接続されているときには、第2検出回路50Cは静電容量C3を検出する。
【0047】
最初に圧力が低い被測定気体を測定する例を説明する。
【0048】
まず可動電極21に圧力が加わっていないときには、可動電極21と固定電極24の間の間隔、および周囲電極22と参照電極25の間の間隔は等しくなるように設定され、静電容量C1,C2の比は固定電極24と参照電極25の面積比に等しくなる。従って、可動電極21に圧力が加わっていないとき、「C1−C2×(固定電極24の面積)/(参照電極25の面積)」の計算値は、可動電極と固定電極の間隔の製造バラツキに関係なく、0になる。
【0049】
次に切換スイッチ61によってサーボ電極16が印加回路50Bと接続されているとする。可動電極21に被測定気体による低い圧力が加わるとき、第1検出回路50Bは、前述の静電容量C1,C2によって決まる「C1−C2×(固定電極24の面積)/(参照電極25の面積)」の計算値が0に維持されるように、可動電極21とサーボ電極16の間にサーボ電圧を印加する。このようにサーボ電圧を可動電極とサーボ電圧の間に印加することは、可動電極21を、被測定気体の圧力に抗して、サーボ電圧により発生する静電引力により圧力が加わっていないときと同じ位置に戻すことを意味する。このとき、サーボ電圧による静電引力と被測定気体による圧力は可動電極21において釣り合った状態にある。静電引力とサーボ電圧の二乗とは比例関係にあるので、印加したサーボ電圧を取り出すことにより、被測定気体により加わった圧力を求めることができる。
【0050】
被測定気体の生じる圧力の全範囲に対して釣り合うサーボ電圧による静電引力を働かせることが理想であるが、実際には、被測定気体の圧力が大気圧に近づくに従って印加するサーボ電圧を高電圧する必要が生じ、真空センサの小型化に併せて回路を小型化する上で実用的ではない。
【0051】
そこで、本実施形態による真空センサでは、サーボ電極16に印加するサーボ電圧が実用範囲を越える場合には、切換スイッチ61によってサーボ電極16との接続関係を、電圧印加用の印加回路50Bから第2検出回路50Cに切り換え、この第2検出回路50Cによって静電容量C3を検出するようにする。被測定気体による高い圧力が可動電極21に加わる場合、静電容量C3を構成する可動電極21とサーボ電極16の間の間隔が大きくなる。このため、被測定気体の圧力が加わっていないときの可動電極21とサーボ電極16の間の間隔を狭く構成することが可能であり、サーボ電圧を印加しない方式でありながら高い圧力領域で、圧力に対する静電容量の変化率を大きくすることができる。図11に、可動電極21とサーボ電極16の間の静電容量C3の実測例を示す。この実測例によれば約100Pa以上から大気圧に至る圧力領域R1で良好な圧力依存特性が見られる。また100Pa以下の低い圧力領域R2では、前述のサーボ電圧を印加する方式で圧力を測定することが可能である。このように、上記の実施形態による真空センサによれば、切換スイッチ61を切り換えることによって、被測定気体の圧力が低い領域R2と高い領域R1のそれぞれに応じて、被測定気体の圧力を測定することができ、小型の真空センサであって、広い圧力範囲R3を測定することができる。
【0052】
図8〜図10で説明した真空センサにおいても、前述した最初の実施形態と同様に、サーボ電極の凸部における可動電極に対向する表面の箇所に、コンダクタンスを高くするための溝や、同様な作用を発揮する気体導入口につながる溝を形成することができるのは勿論である。
【0053】
前述の実施形態では、電極部を形成した層はシリコン基板で形成したが、これに限定されない。またシリコン基板の両側にガラス基板を設けたが、これに限定されず、絶縁性および所要の剛性を有する任意の基板を用いることができる。
【0054】
【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。
【0055】
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、振動等の影響に強く安定して検出動作を行うことができる。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。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。電極部に圧力が加わる状態では、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。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。
【0056】
特に可動電極に極めて近い距離で接近させて配置させたサーボ電極の凸部先端面に溝(あるいは気体導入口につながる深い溝)を形成するようにしたため、被測定気体を所定の内部空間に導入するときに可動電極・サーボ電極の間の間隙のコンダクタンスを高くすることができ、被測定気体の導入速度を高め、真空センサとしての応答性を高めることができ、測定時間を短縮できる。
【0057】
また被測定気体の圧力を測定する外部回路を、可動電極・固定電極間の静電容量と周囲電極・参照電極間の静電容量とを利用してサーボ制御用電圧を生成して低い圧力を検出するための第1回路部分と、サーボ電極と可動電極の間の静電容量を検出して高い圧力を検出するための第2回路部分と、圧力の範囲に応じて第1回路部分と第2回路部分を切り換える切換手段とによって構成したため、1つの小型の真空センサを用いて広い範囲の圧力測定を行うことができ、かつ動作特性の良い小型で高感度の圧力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概略的に示す縦断面図である。
【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】実際の寸法関係を考慮し具体性を高めて示したサーボ電極と電極部の部分断面図である。
【図6】真空センサと外部回路の関係を示す構成図である。
【図7】本発明に係るサーボ式静電容量型真空センサの他の実施形態を示す縦断面図である。
【図8】本発明に係るサーボ式静電容量型真空センサの検出部のみを示す部分縦断面図である。
【図9】図8に示した検出部における固定電極と参照電極の平面図である。
【図10】検出部と外部回路との接続関係を詳しく示す回路構成図である。
【図11】可動電極とサーボ電極の間の静電容量−圧力特性を示すグラフである。
【図12】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
15,15A 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
50 外部回路
50A 第1検出回路
50B 印加回路
50C 第2検出回路
52,53 溝
61 切換スイッチ

Claims (2)

  1. 電極用基板を、絶縁性と高剛性を有する第1基板と第2基板の間に配置し、前記電極用基板と前記第1基板、前記電極用基板と前記第2基板をそれぞれ接合して三層構造を形成し、前記電極用基板は電極部を備え、前記電極部と前記第1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サーボ電極を設け、気体導入口をサーボ電極が設けられた場所に対応して形成し、さらに前記可動電極に対向する前記サーボ電極には前記気体導入口に達するように格子状の溝を設けた、ことを特徴とするサーボ式静電容量型真空センサ。
  2. 前記サーボ電極は、前記可動電極に接近するように突き出た凸形状を有し、前記格子状の溝は、前記可動電極と前記サーボ電極の間の間隙のコンダクタンスを高くすることを特徴とする請求項1記載のサーボ式静電容量型真空センサ。
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