JP4913467B2

JP4913467B2 - 電位センサ

Info

Publication number: JP4913467B2
Application number: JP2006109462A
Authority: JP
Inventors: 昌二小山
Original assignee: Ｈｓｔ株式会社
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-04-12
Also published as: JP2007279000A

Description

本発明は、非接触で測定対象物の電位を測定することのできる電位センサであって、特に、半導体製造技術を利用して製造される電位センサに関する。

従来、複写機の感光ドラムや半導体製造ラインのウェーハ等の測定対象物の電位を測定するために、電位センサが使用されている。

図５及び図６に示されているように、この種の従来の電位センサ１は、ベースプレート２と、プレス成形されてベースプレート２に片持ち梁状に取り付けられる振動体３とにより概略構成されており、該振動体３の先端部には、前記測定対象物に対向するように検知電極４が設けられている。また、振動体３には、圧電素子（図示せず）が設けられており、該圧電素子は発振回路（図示せず）に接続されている。

そして、このように構成された電位センサ１において、前記発振装置からの駆動信号が前記圧電素子に供給されると、該圧電素子が歪み、振動体３が振動すると共に、検知電極４が振動する。この検知電極４が振動することにより、検知電極３と前記測定対象物との間の距離が周期的に変動し、この距離の周期的な変動により、検知電極３と前記測定対象物との間に発生する静電容量が周期的に変化する。この結果、検知電極３に電荷が誘起され、交流信号が発生し、この交流信号に基づき、前記測定対象物の電位を測定する（例えば、特許文献１又は２参照）。
特表２００５−５０１２６０号公報特表２００５−５２６２２７号公報

しかしながら、上記した従来の電位センサ１においては、振動体３がプレス加工により成形されるようになっているため、少なくとも、０．１〜０．３ｍｍ程度の板厚が必要となる。また、ベースプレート２によって振動体３を安定性良く支持するためには、ベースプレート２は振動体３の数十倍程度の質量を有している必要がある。このようなことから、従来の電位センサ１では、小型化、軽量化が図り難いといった問題があった。

また、前記圧電素子は、振動体３とは別個に製造され、振動体３に接着されるようになっているため、部品点数が増加すると共に、接着工程が必要となる。したがって、電位センサの製造に非常に手間が掛かると共に、設計・製造の自由度が低いといった問題があった。

さらに、上記した従来の技術を使用して、ベースプレート２に複数個の振動体３を配列させた場合には、各振動体３間においてハウリングや干渉が発生し、動作が不安定になるおそれがあった。また、この場合には、各振動体３間の距離を十分にとる必要があると共に、各振動体３を支持するベースプレート２の質量を大きくする必要があるため、電位センサが大型化するといった問題があった。

さらにまた、上記した特許文献１に記載の電位センサにおいては、ベースプレート２の質量を幾分減少させることはできるが、検知電極４の可動範囲が小さくなり、センサとしての感度が低下するといった問題があった。

本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、小型軽量化及び感度の向上を図ると共に、製造を容易にし、設計・製造の自由度を高めることのできる電位センサを提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するため、本発明に係る電位センサは、半導体基板から成るベース部材と、該ベース部材に対して半導体製造技術により片持ち梁状に形成された振動体と、測定対象物に対向するように前記振動体の先端部表面に半導体製造技術により形成された検知電極と、前記振動体の表面に沿って半導体製造技術により形成された第１圧電素子及び第２圧電素子と、を備え、前記検知電極と前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とは互いに平面視で重ならないように形成され、前記検知電極が振動することにより、該検知電極と前記測定対象物との間の距離が周期的に変動し、この距離の周期的な変動により、前記検知電極と前記測定対象物との間に発生する静電容量が周期的に変動して交流信号が発生し、この交流信号によって前記測定対象物の電位を測定することを特徴とする。

この構成により、小型軽量化を図ることができると共に量産性の向上を図ることができ、さらに、検知電極の可動範囲を小さくすることもなく、センサとしての感度の向上を図ることができる。

また、本発明に係る電位センサにおいて、前記ベース部材は、前記振動体の基端側のみに設けられていてもよい。

この構成により、さらなる小型軽量化を図ることができる。

さらに、本発明に係る電位センサにおいて、前記ベース部材は、前記振動体の基端側に設けられていると共に、該振動体の左右いずれか一方側に設けられており、Ｌ字型平面形状を成していてもよい。

この構成により、電位センサを実装する時に平面度が取りやすくなるため、実装作業をより容易且つ確実に行うことができる。

さらにまた、本発明に係る電位センサにおいて、前記ベース部材は、前記振動体の基端側に設けられていると共に、該振動体の左右両側及び先端側の三方を取り囲むように設けられており、矩形環状を成していてもよい。

この構成により、電位センサを実装する時にさらに平面度が取りやすくなるため、実装作業をより一層容易且つ確実に行うことができる。

本発明によれば、電位センサが半導体製造技術により製造されるため、小型軽量化を図ることができると共に、量産性の向上を図ることができ、さらに、感度の向上を図ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。ここで、図１は本実施の形態に係る電位センサを示す斜視図、図２は本実施の形態に係る電位センサの別の例を示す斜視図、図３は本実施の形態に係る電位センサのさらに別の例を示す斜視図、図４は本実施の形態に係る電位センサのさらに別の例を示す斜視図である。

本実施の形態に係る電位センサ１０は、シリコンウェーハ等の半導体基板から成るベース部材１１と、ベース部材１１に対して片持ち梁状に設けられた振動体１２とから概略構成されている。

図１に示されているように、ベース部材１１は、振動体１２の基端側にのみ設けられて矩形状を成しており、０．５ｍｍ程度の板厚を有している。振動体１２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等の半導体製造技術を利用して製造されており、板厚を１〜１０μｍ程度にまで薄くすることができる。これにより、本実施の形態の電位センサ１０は、パッケージ化された状態において、縦５ｍｍ程度、横５ｍｍ程度、高さ２μｍ程度の外形サイズとなり、従来の電位センサと比べて、１／１００程度にまで小型化を図ることができる。

また、振動体１２には、測定対象物に対向するように先端部表面に検知電極１３が形成されていると共に、表面に沿って第１圧電素子１４及び第２圧電素子１５がそれぞれ直線状に形成されており、これらの圧電素子１４，１５は発振回路（図示せず）に接続されている。そして、前記検知電極１３と第１圧電素子１４及び第２圧電素子１５は、それぞれ、スパッタ法やゾルゲル法等の半導体製造技術によって、振動体１２上に直接、部品の一部として製造されるようになっている。これにより、電位センサ１０の製造過程において、接着工程を省くことができるため、電位センサ１０の製造が容易になり、耐環境性等の特性の向上及び安定性を高めることができると共に、電位センサの設計及び製造の自由度を高めることができる。

そして、このような構成を備えた電位センサ１０は、次のように動作する。

先ず、前記発振装置からの駆動信号が第１圧電素子１４及び第２圧電素子１５に供給されると、該各圧電素子１４，１５が歪み、振動体１２が振動すると共に、検知電極１３が振動する。この検知電極１３が振動することにより、検知電極１３と前記測定対象物との間の距離が周期的に変動し、この距離の周期的な変動により、検知電極１３と前記測定対象物との間に発生する静電容量が周期的に変化する。この結果、検知電極１３に電荷が誘起され、交流信号が発生する。そして、この交流信号は、前記測定対象物の電位に比例するため、この交流信号によって、前記測定対象物の電位を測定することができる
上記したように本発明の実施の形態に係る電位センサ１０によれば、電位センサ１０が半導体製造技術により製造されるようになっているため、小型軽量化を図ることができると共に量産性の向上を図ることができ、さらに、検知電極１３の可動範囲を小さくすることもなく、センサとしての感度の向上を図ることができる。また、振動体１２のみならず、パッケージ全体を半導体製造技術により製造することもでき、その場合には、エンドユーザによる電位センサ１０の実装作業が一段と容易且つ確実にできるようになる。

さらに、この電位センサ１０では、アレイ構造設計を行うことが可能であり、図２に示すように、小型軽量化を図りつつ、複数の振動体１２ａ，１２ｂ，１２ｃを一つのベース部材１１に同時に配列させることができるようになる。したがって、半導体製造ラインにおけるウェーハ表面の電位測定等、直線状や面上の複数の測定箇所において連続的に電位測定を行う必要のある用途に対しても柔軟に適用することが可能となり、用途の拡大化を図ることができる。

なお、上記した実施の形態において、ベース部材１１は矩形状を成しているが、これは単なる例示に過ぎず、例えば、図３に示すように、ベース部材１１’を振動体１２の基端側と該振動体１２の左右いずれか一方側（図２では右側）に設けることによりＬ字型平面形状に形成したり、或いは、例えば、図４に示すように、振動体１２の基端側と該振動体１２の左右両側及び先端側の三方を取り囲むように設けることによるベース部材１１”を矩形環状に形成したりする等、各種変更が可能である。

本発明の実施の形態に係る電位センサを示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る電位センサの別の例を示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る電位センサのさらに別の例を示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る電位センサのさらに別の例を示す斜視図である。従来例を示す斜視図である。従来例の動作を示す概略図である。

符号の説明

１０電位センサ
１１ベース部材
１２振動体
１３検査電極
１４第１圧電素子
１５第２圧電素子

Claims

半導体基板から成るベース部材と、
該ベース部材に対して半導体製造技術により片持ち梁状に形成された振動体と、
測定対象物に対向するように前記振動体の先端部表面に半導体製造技術により形成された検知電極と、
前記振動体の表面に沿って半導体製造技術により形成された第１圧電素子及び第２圧電素子と、
を備え、前記検知電極と前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とは互いに平面視で重ならないように形成され、
前記検知電極が振動することにより、該検知電極と前記測定対象物との間の距離が周期的に変動し、この距離の周期的な変動により、前記検知電極と前記測定対象物との間に発生する静電容量が周期的に変動して交流信号が発生し、この交流信号によって前記測定対象物の電位を測定することを特徴とする電位センサ。
前記ベース部材は、前記振動体の基端側のみに設けられている請求項１に記載の電位センサ。
前記ベース部材は、前記振動体の基端側に設けられていると共に、該振動体の左右いずれか一方側に設けられており、Ｌ字型平面形状を成している請求項１に記載の電位センサ。
前記ベース部材は、前記振動体の基端側に設けられていると共に、該振動体の左右両側及び先端側の三方を取り囲むように設けられており、矩形環状を成している請求項１に記載の電位センサ。