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

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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