JP5102819B2 - デジタルキャパシタンスダイヤフラムゲージ用システムおよび埋め込まれた当該システムの操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、センサを動作させるシステムおよび方法、より具体的には、内部ゲージ機能を処理する、カーネルおよびゲージ制御アルゴリズムを含む、高度デジタル信号プロセッサを用いるデジタルキャパシタンスダイヤフラムゲージ用の埋め込み制御システムに関する。

多くの製造プロセスが、重要な処理工程の間、正確、かつ繰り返すことができる圧力測定を必要としている。これらのプロセスは、プロセスチャンバ圧力の正確な判定を達成するために、キャパシタンスダイヤフラムゲージに依存し得る。キャパシタンスダイヤフラムゲージ（またはキャパシタンスマノメータ）は、半導体産業において、広く用いられている。部分的には、これは、通常、この産業の腐食性サービスに適している。また、精度が高く汚染に対して耐性があるので好まれる。

キャパシタンスマノメータは、プロセスチャンバ内の圧力などのパラメータを測定するために用いられ得るタイプのセンサである。キャパシタンスマノメータは、ダイヤフラムによって分離された２つのチャンバを含むハウジングを有する。チャンバのうちの１つは、圧力が測定されるプロセスチャンバまたは導管と流体連通状態にある。マノメータの他のチャンバは、通常（必ずではないが）、真空にされる。他のチャンバは、圧力基準チャンバである。プレートがマノメータハウジングの上、およびダイヤフラムの上に位置する。これらのプレートは、測定されるキャパシタンスを有する。プロセスガスは、第１のチャンバに入るとき、ダイヤフラムに対して圧力をかけ、ダイヤフラムを移動させる。ダイヤフラムに接続された容量プレートは、結果として、マノメータハウジングに接続されたプレートに向かって移動し、プレート間のキャパシタンスを変化させる。キャパシタンスの変化は、圧力の増大に対応し、圧力の測定として用いられ得る。

キャパシタンスマノメータは、通常、検出電極の相対的移動から得られる、電気キャパシタンスの変化を測定することによって動作する。キャパシタンスの変化は、各種の異なるタイプの電気インターフェース、例えば、バランスがとられたダイオードブリッジインターフェース、ガードされた二次変換器ベースブリッジインターフェース、および適合された基準キャパシタブリッジインターフェースなどを用いて、測定され得る。これらのインターフェースは、キャパシタンスの変化を判定し、測定されたパラメータの対応する変化を判定するため、マノメータの容量プレートに接続された回路を用いて、キャパシタンスの変化を測定する。

キャパシタンスダイヤフラムゲージの主な利点のうちの１つは、非常に小さいダイヤフラムの動きを検出し、従って、非常に小さい測定されたプロセスパラメータの変化も検出することができる能力である。これらのセンサの精度は、代表的には、生成される示数の０．２５〜０．５％である。例えば、代表的なキャパシタンスダイヤフラム圧力センサにおいて、薄いダイヤフラムは、１０〜５Ｔｏｒｒまで測定することができる。より厚いが、凹凸があるダイヤフラムは、低真空から大気の範囲まで測定することができる。幅広い真空の範囲を対象とするため、２つより多いキャパシタンス検出ヘッドが、複数範囲のパッケージに接続される。

差動キャパシタンスマノメータを利用するシステムは、概して、圧力示数の繰り返し性について、厳しい要件を有し、オフセットドリフトは、通常、一日あたり、フルスケールの０．２％に制限されている。差動キャパシタンスマノメータのフルスケール偏差は、通常、０．２２．０ｐＦ（１０〜１２Ｆ）のキャパシタンス変化を引き起こす。従って、検出素子に対する電子インターフェース（「アナログフロントエンド」または「ＡＦＥ」）は、一日あたり、０．０４フェムトファラッド（１０〜１５Ｆ）を超えるドリフトを受けることはない。

厳しい性能要件に加えて、顧客は、差動キャパシタンスマノメータベースシステムが、他のプロセス機器における進歩の利点を生かすことを可能にする機能をより要求するようになってきている。例えば、デジタル通信、埋め込み型診断法、およびより低い温度感受性が、現在、最新のプロセス技術の一部によって必要とされる。従来のキャパシタンスダイヤフラムゲージは、これらの要件を満たしていないことが多い。

（発明の要旨）
上記の問題のうちの１つ以上は、本発明の様々な実施形態によって解決され得る。大まかに言うと、本発明は、センサをデジタル制御するシステムおよび方法を含む。本発明の様々な実施形態は、従来技術によるセンサを動作させるシステムおよび方法に関連する不利な点および問題点を実質的に減らすか、または、なくす。

ある実施形態において、キャパシタンスダイヤフラムゲージ用のデジタルコントローラがデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）に埋め込まれる。コントローラは、センサアナログフロントエンドから可変ゲインモジュール、ゼロオフセットモジュール、およびアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を介して、デジタル化された入力を受け取る。コントローラは、受け取った入力を、可変ゲインおよびゼロオフセットモジュールを調整することによって、自動的にスケーリングする。コントローラはまた、センサにおいて適切な温度を維持するように、ヒーターアセンブリをモニタリングし、調整する。コントローラは、処理するリソースをゲージコントローラモジュールの様々なタスクに割り当てるカーネルソフトウェアモジュールを利用する。カーネルモジュールは、ループの反復をそれぞれ実行し、各反復において、優先度が高いタスクのセットの全てが行われ、より優先度が低いタスクのセットのうちの１つが行われる。これにより、コントローラモジュールは、予備機能（例えば、自動スケーリング、ゼロオフセット調整および埋め込まれた診断）を行いながら、正確な周期的インターバルで、センサ測定出力を提供する。

本発明のシステムおよび方法は、従来技術と比較して複数の利点を提供し得る。例えば、本発明のシステムおよび方法は、コントローラが、同時に、デジタルツールコントローラインターフェースおよび埋め込み型診断ポートインターフェースを提供することを可能にし得る。さらに、本発明のシステムおよび方法は、コントローラ内の埋め込み型診断を可能にし得る。コントローラのデジタルエンジンは、システム変数を別個にモニタリングすることができ、ツールコントローラおよび/または埋め込み型診断ポートにデータを継ぎ目なく提示することができる。システム変数には、ゲージ圧力、センサ温度（単数または複数）、ヒータードライブ（単数または複数）、周囲温度、前処理済ゲージ圧力、ゼロオフセット、およびデバイスステータスが含まれるが、これらに限定されない。さらに、本発明のシステムおよび方法においては、手動調整用の電位差計は必要ない。１つのゲージバランシング抵抗器が組み立ての間にインストールされることを除けば、全ての較正調整が、自動化較正スタンドによって、デジタルに行われる。全ての較正パラメータは、不揮発性メモリに格納され、埋め込み型診断ポートを介してアクセス可能である。さらに、本発明のシステムおよび方法は、埋め込み型診断ポートを介する、ゲージの線形化およびセンサヒーターコントローラの線形化を可能にし得る。

図１は、ある実施形態における埋め込み型システムコントローラを示すハードウェアブロック図である。 図２は、ある実施形態における埋め込み型システムのカーネルモジュールの動作を示すフローチャートである。 図３は、ある実施形態における埋め込み型システムのゲージコントローラモジュールを示すブロック図である。

本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を参照することによって、明らかになり得る。

本発明は、様々な改変例および別の形態が可能であるが、特定の実施形態が、例示のため、図面および詳細な説明に示されている。しかし、図面および詳細な説明は、本発明を、記載される特定の実施形態に限定する意図を持たないことが理解されるべきである。むしろ、この開示内容は、特許請求の範囲の中に含まれる全ての改変例、均等物、代替例を対象とするように意図されている。

（詳細な説明）
本発明の好適な実施形態を以下に説明する。以下に説明されるこの実施形態および任意の他の実施形態は、例に過ぎず、本発明を限定ではなく、例示することが留意されるべきである。

大まかに言うと、本発明は、センサをデジタル制御するシステムおよび方法を含む。本発明の各種の実施形態は、従来技術によるセンサを動作させるシステムおよび方法に伴う短所および問題点を実質的に減らすか、またはなくし得る。

ある実施形態において、キャパシタンスダイヤフラムゲージ用のデジタルコントローラは、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）に組み込まれている。コントローラは、センサＡＦＥから、可変ゲインモジュール、ゼロオフセットモジュール、およびアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）を介して、デジタル化された入力を受け取る。コントローラは、受け取った入力を、可変ゲインおよびゼロオフセットモジュールを調節することによって、スケーリングする。コントローラはまた、センサにおいて適切な温度を維持するように、ヒーターアセンブリをモニタリングし、調節する。

コントローラは、プロセスするリソースを、ゲージコントローラモジュールの各種のタスクに割り当てるカーネルモジュールを利用する。カーネルモジュールは、それぞれ、ループの反復を実行する。反復のたびに、高い優先度のタスクのセットの全てが行われ、より低い優先度のタスクのセットのうち１つが行われる。ある実施形態において、高い優先度のタスクには、センサからのデジタル化された入力を読むこと、入力を線形化すること、および圧力出力を提供することが含まれる。より低い優先度のタスクには、シリアル通信インターフェース（ＳＣＩ）メッセージを提供すること、コントロールエリアネットワーク（ＣＡＮ）メッセージを提供すること、周囲温度について補償すること、センサヒーターを制御すること、温度およびステータスＬＥＤを制御すること、ゼロ圧力および過度の圧力をチェックすることなどが含まれる。

正確で、繰り返すことができ、かつ温度が補償された圧力出力を生成し、同時に、デジタルツールコントローラインターフェース、独立した診断方法インターフェース、閉じられたループヒーターコントローラ、および他のゲージ機能をサポートするため、コントローラのデジタルエンジンは、システム変数をモニタリングする。これらの機能の全ては、ゲージの精度および性能に影響を与えることなしに、実行される。

利点。差動キャパシタンスマノメータシステムの新たな要件の多くを満たすため、デジタルコントロールシステムが必要とされ得る。従来のアナログ信号は、ノイズ、グラウンドループ、および信号損失の影響を受けやすい。これらの問題点は、デジタル通信を用いると、デジタル通信がノイズおよび信号劣化に対して耐性を有するため、解決され得る。ある実施形態において、ゲージ上のデジタル通信インターフェースは、埋め込み型デジタルコントロールシステムを用いて実現され得る。

従来技術は、診断機能を、たとえあったとしても、ほとんど提供しない。従来のアナログゲージは、診断されるツールから取り除かれる必要がある。本発明のシステムおよび方法を用いることによって、ゲージは、問題を診断または解決するために取り除かれる必要がなくなる。内部システムパラメータは、通常の動作中に、例えば、デジタル診断ポート、またはＰＣ、ノートブックコンピュータ、ＰＤＡ、または較正スタンドを介して、モニタリング、または取り出される。ゲージはまた、ツールまたはゲージ問題の解決を容易にする埋め込み型診断方法を含み得る。このような機能は、ツールまたはセンサの問題点が素早く特定され、解決されることを可能にすることによって、所有にかかるコストを低減し得る。

従来のアナログゲージは、主として手動較正のうちの１つであるプロセスを通じて、複数の電位差計を調節することによって較正される。しかし、本発明のシステムおよび方法は、自動較正に（例えば、自動化された較正スタンドによって）備え得る。ある実施形態において、埋め込み型デジタルエンジンは、製造のコストを下げ、デバイスごとのばらつきを低減する、自動化された較正およびテストを可能にする。従来技術とは対照的に、電位差計は必要とされない。較正がデジタル、かつ自動的に行われるので、人為的なばらつきの可能性がずっと低くなる。従って、より高いレベルの精度、繰り返し性、デバイスからデバイスへの再現性が可能である。

高性能キャパシタンスダイヤフラムゲージは、通常、温度係数要件に左右される。すなわち、温度のばらつきに対するゲージの感度は、最小である必要がある。温度係数地を低減させることは、概して、精度センサヒーター制御システムを必要とする。また、高度なヒーター制御も、デジタル技術を用いてヒーター出力をモニタリングし、制御する、本発明のシステムおよび方法によって容易にされる。本発明のシステムおよび方法はまた、電子回路の温度のばらつきを補償するように、周囲温度の測定を利用する。

従って、本発明のシステムおよび方法は、高いレベルのゲージ性能を提供し、ホスト機器および診断設備との同時デジタル通信を可能にする。さらに、本発明のシステムおよび方法は、ゲージを製造するコストおよびエンドユーザの所有にかかるコストを低減し得る。

（好ましい実施形態）
図１を参照すると、デジタルコントローラを有するセンサシステムの構造を例示する機能的なブロック図が示されている。この図に示す実施形態において、コントローラは、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１１０にインプリメントされている。他の実施形態において、コントローラは、マイクロコントローラまたは他のデータプロセッサにインプリメントされ得る。コントローラは、センサ１０からのデジタルからされた入力を受け取り、入力を処理し、センサおよび関連する部材を制御し、様々なサービス機能を行い、出力データをユーザに提供する。ある実施形態において、コントローラＤＳＰは、センサに埋め込まれている（一体である）。

圧力取得。この実施形態において、センサ（例えば、キャパシタンスダイヤフラムゲージ）１０からの信号は、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）３０によって電圧に変換される。その後、ＡＦＥ信号は、プログラマブルゲインアンプ４０によって増幅され、ゼロオフセットモジュール５０によってゼロ調整される。プログラマブルゲインアンプ４０とゼロオフセットモジュール５０との両方は、埋め込まれたコントローラ、ＤＳＰ１１０によって制御される。その後、増幅され、オフセットされたアナログ信号は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）６０によってデジタル信号に変換される。その後、ＡＤＣ６０は、デジタル信号を、埋め込まれた制御コードからのコマンドに際して、プロセッサに通信し得る。

プログラマブルゲインアンプ４０およびゼロオフセットモジュール５０は、センサ出力がセンサごとに大きく異なり得るので、ＡＦＥ３０によって生成される信号を変更するために用いられる。従って、信号は、デジタル化の前に、適切なレベルに自動的に調整される。これらの部材は、従来技術によるシステムにおいて、ゲインおよびオフセット調整に用いられる電位差計の代わりとなる。正しくない調整の影響を受けやすく、通常高い温度係数を有する電位差計をなくすことによって、ゲージ性能は向上する。

信号処理。ＤＳＰ１１０によって受け取られるデジタル化された圧力信号は、デジタル技術を用いて、非線形センサ信号を線形圧力信号に変換するように、処理される。このプロセスは、コントローラの自動較正のあいだ計算された定数に基づく線形化アルゴリズムを利用する。これらの定数は、ＥＥＰＲＯＭ１５０内の不揮発性メモリにおいて維持される。温度補償アルゴリズムはまた、電子機器における温度のばらつきを補償するように信号を処理するために用いられる。

デジタル信号は、ＤＳＰによって処理された後、１つ以上の出力ポートに送信され得る。デジタル信号は、コントロールエリアネットワーク（ＣＡＮ）トランシーバ１０１などのデジタルデバイスまたはネットワークに直接転送されてもよい。その後、デジタルデバイスまたはネットワークは、デジタル信号を、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔネットワーク１０２、またはＲＳ２３２／４８５埋め込み型診断ポートにとって利用可能にし得る。デジタル信号は、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔネットワーク１０２、またはＲＳ２３２／４８５埋め込み型診断ポートを介して、較正スタンド、ＰＣ、または他のデバイスにとって利用可能にされ得る。処理されたデジタル信号はまた、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）７０に送信され、アナログデバイスに適したアナログ信号が生成される。アナログ信号は、回路１０３によってスケーリングされ、必要であれば、デバイス１０４に伝送される前に、アルゴリズムによって線形化される。

ゼロオフセット。ゼロオフセットは、ベース圧力またはゲージの検出分解能未満の圧力にさらされる場合のゲージの出力である。従来のＣＤＧにおける問題点の１つは、ゲージにおけるゼロオフセットドリフトの制御である。ほとんどのゲージが、時間が経つにつれ、ゼロオフセット値のある程度のドリフトまたはずれを受ける。従って、ゲージは、ドリフトを補償するために、周期的に調整される必要がある。従来のゲージは、ユーザ（例えば、技術者）が電位差計をベース圧力がかけられる場合にゲージ出力がゼロボルトを示すまで調整することを必要とする。

本発明によるシステムおよび方法は、調整電位差計をなくすことによって、このゼロ調整プロシージャを簡略化する。コントローラは、圧力信号をモニタリングし、適切なコマンドに応答してゼロオフセットモジュール５０を自動的に調整するように構成される。ゼロオフセットの調整がコントローラによって自動的に行われるので、ゼロオフセットを調整するために必要な時間は最小限にされる。また、電位差計の調整における人的エラーの可能性がなくなるため、正確でない調整のリスクが低減される。（調整の精度が、通常、電位差計の手動調整によって得られる精度よりも、かなり高いことにも留意されたい。）ゼロ調整プロシージャは、手動で（例えば、ユーザがボタンを押すことによって）呼び出されてもよいし、ツールボート、診断ポート、コンタクトクロージャ、または、場合によってはコントローラ自体からの信号に応答して開始されてもよい。

ある実施形態において、コントローラは、ゼロ調整プロシージャに関連するロックアウト機能を含む。ゼロオフセットの調整は、適切な条件がある場合にのみ行われる必要がある。ある実施形態において、ゼロ調整プロシージャが行われる前に、以下の条件が満たされる必要がある。インレット圧力は、ゲージのゼロ調整限界点未満である必要があり、センサは、設定点温度である必要がある、電子機器の周囲温度は所定の範囲内である必要があり、超過圧力信号がアサートされていない必要があり、センサまたはコントローラ内において故障状態がない状態である必要がある。これらの条件を守ることができない場合には不適切な調整につながり得るので、コントローラは、これらの条件が満たされない限りゼロ調整が行われることを防ぐように構成される。

可変ゲイン。コントローラはまた、システムの自動較正に備え得る。センサ信号が最適な信号範囲（すなわち、大きさおよびゼロからのずれ）を有さない可能性があるので、時には、アナログ−デジタル変換器およびコントローラに入力する、できるだけ最良の信号を取得するため、可変ゲインモジュール、ならびにゼロオフセットモジュールを調整する必要がある。コントローラは、可変ゲインおよびゼロオフセットモジュールに制御入力を提供し、それにより調節するために構成される。これにより、従来のシステムのように、手動で電位差計を調節する必要がなくなる。デジタル化されたセンサ信号に基づいてこれらのモジュールを調節することによって、較正の精度および繰り返し性が向上する。

ヒーター制御。この実施形態において、コントローラはまた、センサヒーターアセンブリ２０の制御に関わる。ヒーターアセンブリは、センサ出力が温度の関数であり、センサ性能がセンサのダイヤフラム上のプロセスゲージ（キャパシタンスダイヤフラムゲージ）の結露によって影響を受け得るので、この実施形態において必要である。従って、コントローラは、センサの温度をモニタリングし、センサにおいて所望の設定点温度を維持するようにヒーターアセンブリの温度を調整する。ヒーターの制御は、他のシステム機能とどじに動作し、ゲージの精度または性能を低下させない閉ループサブシステムにおいて実施される。

周囲温度補償。周囲温度も、センサ温度の影響よりも概して小さいが、センサの性能に対する影響を有する。従って、コントローラは、周囲温度センサ１４０に接続される。コントローラは、センサ１４０から周囲温度情報を受け取り、周囲温度の影響を補償するようにデジタル信号を処理する。

デジタル通信ポート。上述したように、コントローラは、様々な他のデバイスによって用いられるように、処理されたデジタル信号を複数のポートに提供し得る。例えば、コントローラは、データをＣＡＮトランシーバ１０１に送るＣＡＮインターフェースを有し得る。その後、ＣＡＮトランシーバ１０１は、データをＤｅｖｉｃｅＮｅｔネットワークに送り得る。同様に、コントローラは、ＤＡＣ７０に接続された圧力出力ポートを有する。圧力出力ポートは、アナログ信号（デジタル信号に対応している）を外部アナログデバイスに提供し得る。さらに、コントローラは、データを、ＵＡＲＴ（ユニバーサル非同期受信器／送信器）を介して、ＲＳ２３２／４８５診断ポート１００に送り得る。診断ポート１００は、独立しており、コントローラの自動較正、テスト、およびトラブルシューティング機能を可能にするために利用可能である。このポートは、コントローラがシリアルリンクを介して、ＰＣ、ラップトップ、ＰＤＡ、較正スタンドなど（１０５）に診断データを提供することを可能にする。また、診断ポートは、適切なウェブサーバデバイスにインターフェースする場合、遠隔診断を可能にし得る。

他のハードウェアモジュール。この実施形態においてコントローラによってモニタリングされる他の信号には、アドレス、バンド速度セレクタおよびＭａｃＩｄスイッチ（１６０）、ならびに各種ステータス（例えば、故障）および温度ＬＥＤ（１７０）を含む。ステータスおよび温度ＬＥＤは、コントローラ内の埋め込み診断法によって駆動され得る。また、コントローラは、較正および設定パラメータを格納するように、不揮発性メモリ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ１５０）にインターフェースし得る。これらのハードウェア機能は、以下の開示内容中でさらに詳細に説明される。

ソフトウェア。コントローラがインプリメントされるＤＳＰは、センサ信号の処理の関わる機能的タスクと、診断、較正および他の非測定機能に関わる補助タスクとを含むある特定のタスクを周期的に実行するようにプログラムされる。このプログラミングは、ある実施形態において、カーネルモジュールおよびコントローラモジュールによって、インプリメントされる。カーネルモジュールは、連続的に実行し、処理するリソースを、行われる様々なタスクに割り当て、コントローラモジュールは、実際にタスクを行う。

カーネルモジュール。上述したように、埋め込み型コントローラのこの実施形態におけるカーネルは、プロセッサリソースをコントローラモジュールの個々のタスクに割り当てる。埋め込み型コントローラの大きな目的がセンサを制御することであるので、コントローラの第１の優先事項は、システムの検出機能を提供することである。カーネルは、これらの機能の周期的なサービスを正確に提供するように設計される。この実施形態において、これらの機能は、アナログ−デジタルコンバータからのデジタル化された圧力信号を読むこと、デジタル化された圧力信号を線形化すること、および線形化された信号を様々な圧力ポート（特に、特にセンサ出力のために意図されているポート）に提供することを含む。リソースをこれらの優先度が高いタスクにまず割り当てることによって、カーネルが、検出された圧力の適時で、正確な決定を確実にする。

この実施形態における埋め込み型コントローラが閉ループ圧力制御システムにおいて用いられるので、このコントローラは、圧力応答時間にあらゆるばらつきを引き起こさないことが重要である。圧力信号の処理に関連する機能が遅延される場合、圧力制御システムは、古いデータで有効に動作し得、誤っている可能性がある制御データを生成し得る。従って、カーネルは、優先度の高い圧力計算タスクを遅延または干渉しないような様態で、プロセッサリソースを優先度の低いタスクに割り当てる。

カーネルは、優先度が高い圧力計算タスクをトリガする干渉を周期的に生成するタイマーによってペースが整えられる。干渉のそれぞれは、優先度が高いタスクの全てと、この実施形態においては、優先度が低いタスクのうちの１つとの実行を含む制御フローの新たな反復をトリガする。次の干渉の前の時間の残りは、優先度が低いタスクについて用いられ得る。

ある実施形態において、優先度が高いタスクには、アナログ−デジタル変換器からのＡＦＥ出力を読み出すこと、線形化された圧力出力を計算すること、線形化された圧力値をＤＡＣ（単数または複数）に書き込むこと、ＣＡＮバッファを提供すること、およびシリアルポートバッファを提供することが含まれる。

この実施形態における優先度が低いタスクには、シリアル通信メッセージを（埋め込み型診断ポート１００を介して）処理すること、ＣＡＮメッセージを（ＤｅｖｉｃｅＮｅｔポート１０１を介して）処理すること、周囲温度補償を更新すること、閉ループヒーターアルゴリズムを提供すること、温度ＬＥＤを提供すること、超過圧力およびゼロ調整入力をモニタリングすること、ステータスＬＥＤ１７０およびスイッチ１６０を提供すること、およびＥＥＰＲＯＭ１５０を提供することが含まれる。

図２を参照すると、埋め込み型システムカーネルの動作を示すフローチャートが示されている。電源投入（または、リセットイベント）の際、カーネルは、リソースを、コントローラモジュールおよびカーネルモジュール自体を含む、ＤＳＰの初期化に割り当てる。初期化が完了した後、カーネルは、それぞれ、実質的にステップ２２０および２３０からなるループ２００を実行する。このループの反復はそれぞれ、タイマー２１０からの信号に応答して実行され、ループが正確に周期的な様態で実行されることを確実にする。

ステップ２２０は、出力信号を生成するように、センサ出力の処理に関わるタスク（すなわち、優先度が高いタスク）を含む。上記の実施形態において、これらのタスクには、アナログ−デジタル変換器６０によって生成されるデジタル信号を読むこと、この信号を線形化して線形圧力信号を生成すること、圧力信号の温度補償調整を行うこと、ならびに、得られる圧力データをデジタル−アナログ変換器、ＣＡＮ、および診断（ＳＣＩ）ポートからバッファに書き込むことが含まれる。これらのタスクのそれぞれは、ループの反復のたびに一度実行される。センサコントローラシステムの測定機能は、タイマー２１０と同じ周期性を有する。

ステップ２２０の優先度が高いタスクが行われた後、より優先度が低いタスクのうちの１つがステップ２３０において選択される。これらのタスクのそれぞれは、別個のステップ（２４０〜２４７）として図に示されている。図に示す実施形態において、より優先度が低いタスクには、ＳＣＩメッセージを提供すること（２４０）、ＣＡＮメッセージを提供すること（２４１）、温度補償を行うこと（２４２）、ヒーター制御を行うこと（２４３）、温度ＬＥＤを制御すること（２４４）、ゼロおよび超過圧力チェックを行うこと（２４５）、ステータスＬＥＤを制御すること（２４６）、ならびにＥＥＰＲＯＭおよび経過時間タイマー（２４７）を制御することが含まれる。ある反復において実行されるより優先度が低いタスクは、各ループにおいてより優先度が低いタスクが完了する際にインクリメントされるタスクカウンタに基づいて選択される（ステップ２５０参照）。結果として、ステップ２４０〜２４７のより優先度が低いタスクが、ループ２００の反復につき１つずつ、連続的に実行される。すなわち、優先度が低いタスクは、「Ｎ」タイマー反復ごとに提供される。ここで、「Ｎ」は、タスクリストにおけるタスクの数である。

この実施形態において、ループ２００の各反復を制御するタイマー２１０は、優先度が高いタスクの全てと、より優先度が低いタスクのうちの１つとが完了する（ならびに、タスクカウンタをインクリメントする）ために十分な時間を与える設定である。他の実施形態において、コントローラによって生成されるセンサ出力読み出しのより頻繁な更新を提供するようにタイマーの周期を短くすることが所望され得る。この場合、選択されたより優先度が低いタスクを完了するために十分な時間がない場合がある。従って、選択されたタスクの実行が不完全であり、後でタスクの再開または再実行が行われる場合を考慮に入れるために、設計において対策が行われ得る。あるいは、コントローラのセンサ出力読み出しを頻繁に更新する必要がない場合もある。この場合、優先度が低いタスクが１つより多く一回のループの反復において完了され得るように、タイマーのインターバルを長くすることが可能である。他の変形例も可能である。

図２に示すカーネル制御ループを用いることによって、各タスクは、次のタイマー干渉が起きる前に完了する。この連続的なプロセスは、ゲージ制御システムが、精密に周期的な様態で、他のゲージ機能も提供しながら、チャンバ圧力を読み出し、線形化し、出力することができることを保障する。この制御フローは、予備機能を提供しながらも、ゲージ精度および性能を最適にするために、計算リソースに効率的に優先順位を付ける。

コントローラモジュール。上述したように、コントローラモジュールは、リソースがカーネルによって割り当てられるにつれて、埋め込み型コントローラのタスクを実行する。コントローラモジュールの構造を図３に示す。構造は、図を参照しながら以下に説明される。

ある実施形態において、コントローラモジュールソフトウェアは、ＤＳＰにプログラムされる。（本明細書中で用いる「ソフトウェア」は、ＤＳＰに指定されたタスクを行わせるように構成されたプログラム命令のセットを意味し、ソフトウェア、ファームウェア、およびハードコードされた命令を含むように意図されていることに留意されたい。）コントローラモジュールは、ヒーターアセンブリおよびセンサ、ＡＦＥ、ならびにアナログ−デジタル変換器からデータを受け取るように構成される。コントローラモジュールはまた、（ユーザが自動再ゼロプロセスを開始するためにボタンを押すときに）ゼロボタンから制御入力を受け取る。コントローラモジュールは、この実施形態において、出力データをＣＡＮポート、デジタル−アナログ変換器および診断ポート（ＲＳ２３２／４８５）に提供する。コントローラモジュールは、アナログゼロオフセットおよびゲイン部材、ならびにヒーターアセンブリおよびセンサに制御出力を提供する。

コントローラモジュール３００は、センサ１０に接続された温度センサから温度データを受け取るように構成されたヒーターコントローラモジュール３１０を含む。ヒーターコントローラモジュール３１０は、センサ１０の温度が適切であるか否かを判定し、必要であれば、温度を調整するように、このデータを処理する。これは、センサ１０の異なるゾーンに対応する、複数の加熱部材を別個の制御することを含み得る。ヒーター設定ポイントおよびチューニング値は、ＥＥＰＲＯＭに格納され、電源投入において回復される。

ゼロ調整モジュール３３０は、ゼロボタンから受け取った信号に応答して、ゼロオフセット調整プロシージャを開始するように構成される。ゼロ調整モジュール３３０は、センサのドリフトおよび/またはアナログフロントエンドを、補正され得るように、自動的に判定する。すなわち、ゼロ調整モジュール３３０は、圧力が実質上ゼロ（すなわち、分解できる圧力の最小値未満）であるときにアナログ−デジタル変換器によってデジタル化されたセンサ信号をゼロにするために必要な調整を判定する。その後、この情報は、ゼロオフセット制御モジュールに送られる。ゼロオフセット制御モジュールは、ゼロオフセットハードウェアモジュールの実際の調整を行わせる。調整は、ＥＥＰＲＯＭに格納され、電源投入において回復される。

ある実施形態において、ゼロ調整モジュール３３０は、ロックアウト機能を組み込むことに留意されたい。これによって、調整のための適切な条件（調整が適切に実行されるための条件）が満たされない場合、ゼロオフセット調整が防がれる。すなわち、自動ゼロオフセット調整プロシージャがロックアウトされる。この実施形態において満たされる必要がある特定の条件は、センサにおける圧力が所定の閾値未満であること、センサ温度が所定のセットポイントであること、電子機器の周囲温度が所定の範囲内にあること、およびコントローラに故障状態がないことである。

ＥＥＰＲＯＭモジュール３２０は、ＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ）におけるデータの格納を管理するように構成される。ＥＥＰＲＯＭモジュールは、ゲインおよびゼロ調整値、設定データ、履歴診断データ、ならびにヒーター設定および制御データを格納する。上述したように、コントローラモジュール３００によって計算される線形化定数はまた、ＥＥＰＲＯＭに格納される。これらの定数は、圧力線形化モジュール３４０によって、アナログ−デジタル変換器から受け取った非線形デジタル化信号を適切なポートを通じて出力され得る線形圧力信号に変換するように用いられる。圧力線形化モジュール３４０によって生成される線形圧力信号が、周囲温度の変化について補正するために、温度補償モジュール３５０によって処理される必要がある場合がある。

圧力信号が線形化され、温度補償された後、適切な出力モジュールに送られ得る。ある実施形態において、これらのモジュールは、（ＤｅｖｉｃｅＮｅｔネットワークに利用可能にされ得る）ＣＡＮポートへの出力を制御するように構成されるツールコントローラモジュール３６０と、専用診断ポートへの出力を制御するように構成される埋め込み型診断および較正モジュール３７０と、デジタル−アナログ変換器への出力を制御するように構成されるデジタル−アナログ変換器モジュール３８０とを含む。

埋め込み型診断および較正モジュール３７０は、コントローラモジュールと較正スタンドまたはＰＣなどの外部デバイスとの間の通信を可能にする。従って、コントローラは、デジタル信号データおよび内部コントローラデータを用いて診断プロシージャを行い、その後、この情報をユーザに通信し得る。行われる特定の診断は実施形態ごとに異なり得るので、特有のプロシージャについて本明細書中で記載しないことに留意されたい。特定のプロシージャのプログラミングは、本発明の技術分野における当業者の能力のうちであると考えられる。診断は、故障状態の表示を生成し得、故障状態の表示は、その後ユーザに通信され、ＬＥＤインジケータを駆動するために用いられ、他の診断プロシージャのために用いられ得る。ある実施形態において、故障状態は、後の分析のために、履歴データベースに記録される。

また、埋め込み型診断および較正モジュール３７０によって行われる較正は、外部デバイス、例えば、較正スタンドからの通信を利用する。モジュールは、較正スタンドからダウンロードされた情報、例えば、自動較正プロシージャにおいて利用される多変数応答関数を記述する較正定数または他のデータを受け取るように構成される。その後、この情報は、処理されていないセンサ信号、周囲温度、センサ温度、および超過圧力信号などの内部変数とともに、可変ゲインおよびゼロオフセットハードウェアモジュールを調整して、最適化された入力データを取得するように用いられ得る。

図３から分かるように、アナログセンサ信号のオフセットを制御するゼロオフセット制御モジュールに加えて、コントローラモジュール３００は、センサゲイン制御モジュールを含む。このモジュールは、アナログフロントエンドからのアナログセンサ信号を増幅するプログラマブルゲインハードウェアモジュールを制御する。これによって、適切な信号レベルのほとんどがアナログ−デジタル変換器の入力に提供されることが可能になる。アンプゲインおよびゼロ調整値の両方が、ＥＥＰＲＯＭに格納され、電源投入において回復される。コントローラモジュール３００は、さらに、アナログフロントエンドにおける超過圧力状態を検出するように構成された超過圧力入力モジュールを含む。

上記の本発明の実施形態に加えて、本発明の開示内容の範囲内である様々な別の実施形態がある。例えば、別の実施形態のうちの１つは、上述したように、センサを有するセンサシステムと、アナログフロントエンドと、アナログ−デジタル変換器と、デジタルコントローラとを含み得る。このシステムは、他のハードウェア部材を単独で、または組み合わせて含み得る。これらの部材には、センサヒーター、可変ゲインモジュール、ゼロオフセットモジュール、メモリ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ）、通信ポート、較正スタンド、ＰＣ、ＰＤＡ、ネットワーク、あるいは他の外部機器を含み得る。

他の実施形態は、方法を含み得る。例えば、別の実施形態のうちの１つは、ゼロ調整を行う方法を含む。この方法は、以下のステップを含む。ゼロ調整コマンド（例えば、ユーザの押しボタンスイッチ、コンタクトクロージャからのコマンド、または通信ポートからのデジタルコマンド）を検出するステップと、インレット圧力信号のゼロオフセット値を検出するステップと、線形化された圧力出力信号からゼロオフセット値をデジタル除去するするステップと、ゼロ調整ステータス変数を更新するステップとである。この方法は、ゼロ調整演算の成功または失敗を示すステップ、所定の条件が満たされる場合にのみプロシージャを行う（その他の場合にはプロシージャをロックアウトする）ステップなどをさらに含み得る。

さらに別の実施形態は、キャパシタンスダイヤフラムゲージなどのセンサを較正する方法を含み得る。この方法のステップには、センサインレットにおける実際の圧力を測定するステップと、キャパシタンスダイヤフラムゲージと関連付けられた、一連のシステム変数（例えば、処理されていない入力圧力信号、周囲温度信号、センサ温度信号または超過圧力信号）を検出するステップと、キャパシタンスダイヤフラムゲージと関連付けられた、他の一連のシステム変数（例えば、センサゲインアンプ値またはゼロオフセット値）を制御するステップと、回帰技術を用いて圧力をモデリングして、システム変数の式でゲージ圧力を記述する多変数応答関数を生成するステップと、多変数応答関数を埋め込み型制御システムに入力して圧力信号の出力をイネーブルするステップとが含まれる。

本発明によって提供され得る利点および効果は、特定の実施形態に関して上述されてきた。これらの利点および効果、ならびに、これらを生じさせるか、より明らかなものにする任意の要素または限定は、任意または全ての請求項の決定的な特徴、必要な特徴、または本質的な特徴であると考えられるべきではない。本明細書中で用いられる用語「含む」、「含んでいる」または他の変形は、これらの用語の後に続く要素または限定を包括的に含むように解釈されることが意図される。従って、要素のリストを含むプロセス、方法、物、または装置は、それらの要素のみを含むではなく、明確にリストにあげられていない他の要素、あるいは、請求されるプロセス、方法、物、または装置に固有の他の要素を含み得る。

本発明は、特定の実施形態を参照しながら説明されてきたが、実施形態は例示に過ぎず、本発明の範囲はこれらの実施形態に限定されないことに留意されたい。上記の実施形態について、多くの変形、改変、追加および改善が可能である。これらの変形、改変、追加および改善は、特許請求の範囲に説明される本発明の範囲内であると考えられる。

Claims (43)

1. デジタル制御されるセンサシステムであって、
   キャパシタンスダイヤフラムゲージと、
   該キャパシタンスダイヤフラムゲージに接続され、アナログセンサ信号を生成するように構成されたアナログフロントエンドモジュールと、
   該アナログセンサ信号をデジタルセンサ信号に変換するように構成されたアナログ−デジタル変換器と、
   該デジタルセンサ信号を受信し、該デジタルセンサ信号を処理し、該デジタルセンサ信号に対応する測定されたパラメータを示す第２のデジタル制御信号からなる出力信号を提供するように構成されたデジタルコントローラと、
   を含み、
   前記デジタルコントローラは、カーネルモジュール、制御ループ、優先度が高いタスクのセットと複数の優先度が低いタスクとを含むメモリを備え、該カーネルモジュールが該制御ループの反復を実施するように構成され、該制御ループは、優先度が高いタスクのセットの全ての実行および１つ又は複数の優先度が低いタスクの実行を含む、
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記デジタルコントローラは、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）にインプリメントされ、該ＤＳＰは前記キャパシタンスダイヤフラムゲージに埋め込まれる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記デジタルコントローラは、マイクロコントローラにインプリメントされ、該マイクロコントローラは前記キャパシタンスダイヤフラムゲージに埋め込まれる、請求項１に記載のシステム。
4. 前記制御ループの反復のそれぞれは、周期的な時間に行われる、請求項１に記載のシステム。
5. 前記優先度が高いタスクのセットは、
   前記アナログ−デジタル変換器から前記デジタルセンサ信号を読み出すこと、
   該デジタルセンサ信号から線形化された圧力値を計算すること、
   該線形化された圧力値をデジタル−アナログ変換器に書き込むこと、および、
   該線形化された圧力値を１つ又は複数のポートバッファに伝達することからなる群のうちの１つ又は複数を含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記優先度が低いタスクは、
   診断ポートから受け取った通信メッセージを処理すること、
   コントロールエリアネットワークメッセージを処理すること、
   周囲温度補償を実施すること、
   閉ループヒーターアルゴリズムを実施すること、
   温度ＬＥＤを提供すること、
   ステータスＬＥＤおよびスイッチを提供すること、
   ＥＥＰＲＯＭを提供すること、
   自動アナログスケーリングプロシージャを実施すること、
   自動ゼロ調整プロシージャを実施すること、および、
   埋め込み型診断プロシージャを実施することからなる群のうちの少なくとも１つ又は複数を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記デジタルコントローラは、自動較正プロシージャを実施するように構成される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記デジタルコントローラは、線形化計算が基づく較正定数のセットを計算するように構成される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記デジタルコントローラは、回帰プロシージャを用いて、前記較正定数のセットを計算するように構成される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記デジタルコントローラは、不揮発性メモリに前記較正定数のセットをアーカイブするように構成される、請求項８に記載のシステム。
11. 前記デジタルコントローラは、較正スタンドから該デジタルコントローラにインポートされる較正データを用いて、前記自動較正プロシージャを実施するように構成される、請求項７に記載のシステム。
12. 前記デジタルコントローラは、自動ゼロ調整プロシージャを実施するように構成される、請求項１に記載のシステム。
13. 前記デジタルコントローラは、ユーザからの指示に応答して、前記自動ゼロ調整プロシージャを実施するように構成される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記デジタルコントローラは、ネットワーク接続を介して受け取った電子指示に応答して、前記自動ゼロ調整プロシージャを実施するように構成される、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記デジタルコントローラは、制御データをアナログゼロ調整モジュールに提供するように構成され、該制御データは、前記自動ゼロ調整プロシージャによって生成される、請求項１２に記載のシステム。
16. 前記デジタルコントローラは、所定のセットの条件が満たされない限り、前記自動ゼロ調整プロシージャをロックアウトするように構成される、請求項１２に記載のシステム。
17. 前記所定のセットの条件は、
    インレット圧力が前記キャパシタンスダイヤフラムゲージの検出限界未満であること、
    前記キャパシタンスダイヤフラムゲージおよび電子機器がセットポイント温度であること、
    周囲温度が所定の範囲内であること、
    超過圧力がアサートされていないこと、ならびに、
    前記キャパシタンスダイヤフラムゲージまたはコントローラ内に故障状態がないことからなる群のうちの１つ又は複数を含む、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記デジタルコントローラは、１つ又は複数の埋め込み型診断プロシージャを実施するように構成される、請求項１に記載のシステム。
19. 前記デジタルコントローラは、前記１つ又は複数の埋め込み型診断プロシージャによって検出される故障状態の表示を提供するように構成される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記デジタルコントローラは、検出された故障状態をアーカイブするように構成される、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記デジタルコントローラは、前記１つ又は複数の埋め込み型診断プロシージャから得られる診断データを診断ポートに転送するように構成される、請求項１８に記載のシステム。
22. 前記デジタルコントローラは、専用診断ポートを含む、請求項１に記載のシステム。
23. 前記デジタルコントローラに格納されたデータは、外部デバイスにアクセス可能である、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記デジタルコントローラは、前記デジタルセンサ信号を線形化するように構成される、請求項１に記載のシステム。
25. 前記デジタルコントローラは、不揮発性メモリに格納されている値に基づいて、線形化表現を用いて、前記デジタルセンサ信号を線形化するように構成される、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記不揮発性メモリは、ＥＥＰＲＯＭである、請求項２５に記載のシステム。
27. 前記デジタルコントローラは、前記デジタルセンサ信号を温度補償するように構成される、請求項１に記載のシステム。
28. 前記優先度が高いタスクのセットは、前記デジタルセンサ信号からの線形化された圧力値を書き込むタスクを含む、請求項１に記載のシステム。
29. 前記複数の優先度の低いタスクは、診断ポートから受け取った通信メッセージを処理し、コントロールエリアメッセージを処理するタスクからなる、診断ポートを含む、請求項１に記載のシステム。
30. 前記複数の優先度の低いタスクは、周囲温度補償の実施及び閉ループヒータアルゴリズムの実施を含む、請求項１に記載のシステム。
31. 前記複数の優先度の低いタスクは、超過圧力の監視及びゼロ調整入力を含む、請求項１に記載のシステム。
32. システムが、ステータスＬＥＤ及びＥＥＰＲＯＭを含み、前記複数の優先度の低いタスクは、該ステータスＬＥＤ及びＥＥＰＲＯＭのサービスを含む、請求項１に記載のシステム。
33. 前記複数の優先度の低いタスクは、自動アナログスケーリングプロシージャ及び自動ゼロ調整プロシージャの実施を含む、請求項１に記載のシステム。
34. 前記複数の優先度の低いタスクは、故障状態の表示、データベースへの記録、ユーザへの連絡を含む、請求項１に記載のシステム。
35. 前記デジタルコントローラは、更に、センサ及び電子機器がセットポイント温度でない限り、自動ゼロ調整プロシージャをロックアウトするように構成される、請求項１２に記載のシステム。
36. 前記デジタルコントローラは、更に、周囲温度が所定の範囲内にない限り、自動ゼロ調整プロシージャをロックアウトするように構成される、請求項１２に記載のシステム。
37. 前記デジタルコントローラは、更に、故障状態が前記キャパシタンスダイヤフラムゲージ又はデジタルコントローラ内に存在しない限り、自動ゼロ調整プロシージャをロックアウトするように構成される、請求項１２に記載のシステム。
38. 埋め込み型診断プロシージャ及びデータベースを更に含み、前記デジタルコントローラが、該埋め込み型診断プロシージャによって検出された故障状態の表示を提供し、データベースへ記録し、及び、ユーザに連絡するように構成される、請求項１に記載のシステム。
39. 専用診断ポート及び埋め込み型診断プロシージャを更に含み、前記デジタルコントローラが、該埋め込み型診断プロシージャから生じる診断データを該専用診断ポートに送信するように構成される、請求項１に記載のシステム。
40. 前記デジタルコントローラは、周囲温度により招来される影響に対して前記デジタルセンサ信号を補償するように構成される、請求項１に記載のシステム。
41. システムが、不揮発性メモリを含むとともに、更に、前記キャパシタンスダイヤフラムゲージに接続された温度センサを含み、前記デジタルコントローラが、前記キャパシタンスダイヤフラムゲージに接続された前記温度センサから温度データを受け取るよう構成されるヒータコントローラモジュールを含む、請求項１に記載のシステム。
42. 前記ヒータコントローラモジュールが、セットポイント及びチューニング値を含み、該セットポイント及びチューニング値が、前記不揮発性メモリに記憶され、電源投入により回復される、請求項４１記載のシステム。
43. 前記キャパシタンスダイヤフラムゲージの異なるゾーンに対応する多数のヒーティングコンポーネントを更に含み、前記ヒータコントローラモジュールが、前記キャパシタンスダイヤフラムゲージの異なるゾーンに対応する多数のヒーティングコンポーネントを別個に制御する、請求項４２に記載のシステム。

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