JP5558667B2 - 改良されたプロセスアダプタを備えた圧力変換器 - Google Patents

Description

発明の背景
圧力／減圧変換器は公知である。このような装置は一般に、圧力源又は減圧源に結合し、圧力又は減圧に応じて変化する電気的特性を生じさせ、変化した電気的特性の電気的表示を提供して、減圧又は圧力をオペレータ又はプロセスの他の部分に知らせる。

高純度圧力又は減圧変換器は、一般的な減圧又は圧力変換器の比較的小さなサブセットである。これらの装置は、きわめて高感度及び／又は非常に清浄なプロセスへの暴露のために特に適合されている。これらは、圧力変換器から剥離する又は圧力変換器から放出される粒子がプロセスライン全体に悪影響を及ぼすおそれのあるタイプのプロセスである。このような用途の一例は半導体加工である。

半導体工業におけるような、たとえば材料の付着又は除去（エッチング）を伴う高純度用途には減圧変換器が使用される。半導体付着チャンバ中で減圧変換器を運用する場合の一つの関心事は、圧力センサそのものへの付着材料の堆積である。このような用途では、センサ上への付着を抑制するために「プラズマシールド」を用いることが一般に知られている。これは一般に、有孔シートメタル片を使用し、それをセンサの正面のハウジングにスポット溶接することによって達成されてきた。このタイプのシールドにはいくつかの望ましくない副作用がある。第一に、材料の薄い断面のせいで、シールドの熱伝導が不十分である。この不十分な熱伝導は、付着材料の堆積を減らすためにセンサ及びシールドを高温に維持しようとする加熱システムの効率を下げることがある。したがって、シールドの不十分な熱伝導率は、プロセス材料をシールド上に早期付着させることにつながるかもしれない。もう一つの望ましくない副作用は、シールドが一般に、側壁へのその付着点に多くの狭くて深い裂け目を有するということである。これらの閉じ込められた容積が「ポンプダウン」時間を延ばし、清浄の難題をもたらす。さらに別の望ましくない副作用は、一般的なシートメタルシールドが多くの場合に非常に薄く、センサに対して限られた物理的防護しか提供しないということである。シールドは、その比較的乏しい物理的頑丈さのせいで、ときに、破損したり、センサが用いられるところのきわめて清浄な環境の中で望ましくない粒子を発生させたりする。

発明の概要
清浄な環境のための圧力変換器が開示される。圧力変換器は、プロセスカプラ、センサモジュール、シールド及び電子部品を含む。プロセスカプラは、プロセス入口でプロセス媒体の供給源に結合するように構成されている。センサモジュールは、プロセスカプラに結合され、圧力センサをその中に有している。圧力センサは、センサモジュール内の圧力に応答して変化する電気的特性を有している。シールドは、プロセスカプラに隣接して配置され、プロセス入口と圧力センサとの間の実質的にすべての見通し線を遮るように構成されている。変換器内の電子部品は圧力センサに結合されて電気的特性を計測し、その表示を提供する。また、清浄な環境で圧力を感知する方法が提供される。

例示的な実施態様の詳細な説明
以下、本発明の様々な実施態様を説明する。一部の実施態様では、プロセス入口と圧力センサとの間の実質的にすべての見通し線がシールドによって遮られている。他の実施態様では、シールドは、プロセスカプラに対し、シールドとプロセスカプラとの間に高い熱伝導率を提供するような方法で結合されている。シールドは、プロセスカプラとで一体に形成されてシールドとプロセスカプラとの間の容積を最小限にし、それにより、ポンプダウン時間を減らすことができる。

図１は、本発明の実施態様が特に有用である高純度減圧変換器の概略図である。変換器１０は一般に、センサ電子部品エンクロージャ１２、センサ部１４、プロセスカップリング１６及び電気コネクタ１８を含む。プロセスカップリング１６は一般に、高純度環境において減圧源又は圧力源に結合され、供給源をセンサ部１４に流動的に結合する。モジュール１４内の圧力センサは、圧力とともに変化する電気的特性を有している。このような圧力センサの例は、可撓性ダイアフラム静電容量ベースのセンサ及び可撓性ダイアフラムひずみベースのセンサを含むが、これらに限定されるものではない。

図２は、部分１４内のセンサ１５に電気的に結合されたセンサ電子部品エンクロージャ１２内の電子部品の概略図である。図２に示すように、変換器１０は、好ましくは、コネクタ１８に結合され、コネクタ１８を介して受けた電気から変換器の他の部品のための電力を提供又は他の方法でコンディショニングするように構成された電源モジュール１００を含む。そのようなものとして、変換器１０は、コネクタ１８を介して供給される電気によって完全に給電されることができる。変換器１０はまた、好ましくは、通信モジュール１０２を含む。通信モジュール１０２は、変換器１０が適当なプロセス工業規格プロトコルに準拠した信号伝達を介して通信することを許すように構成されている。このようなプロトコルの例は、ＨＡＲＴ（Highway Addressable Remote Transducer）プロトコル及びFOUNDATION（商標）Fieldbusプロトコルを含むが、これらに限定されない。エンクロージャ１２内のさらなる電子部品は、さらなる機能、たとえば電気信号のデジタル表示への変換ならびにデジタル出力の線形化及び／又は特性決定を実行することができる。制御装置１０４が電源モジュール１００に結合され、そこから電力を導出する。制御装置１０４はまた、通信モジュール１０２に結合されて、制御装置１０４によって供給された情報をモジュール１０２を介して送ることができるようになっている。さらには、プロセスループを経由してモジュール１０２によって受信された情報が制御装置１０４に提供されることができる。制御装置１０４は、適当なデジタル処理回路を含むことができるが、好ましくはマイクロプロセッサである。制御装置１０４は、計測回路１０６を介してセンサ１５に結合されている。回路１０６は、アナログデジタル変換器、たとえばシグマ・デルタ変換器を含むことができる。回路１０６はまた、所望により、適当な線形化、較正及び／又は特性決定回路を含むことができる。

センサ１５は、加えられる圧力又は減圧に応答して撓む又は他の方法で変形することができる。センサ１５は、加えられる圧力又は減圧に応答して変化する電気的特性、たとえば抵抗、電圧又は静電容量を有する。好ましくは、センサ１５は半導体系材料から構成される。このようなタイプのセンサは、本発明の譲受人に譲り受けられている米国特許第５，６３７，８０２号で教示されている。このような半導体系センサは一般に、半導体センサの部分の撓みとともに変化する静電容量を提供する。撓みは、加えられる圧力に応答する。半導体、特に単結晶半導体、たとえばサファイヤの使用は多数の利点を提供する。サファイヤは、正しく融着されると二つの融着部分の間に材料界面を有しない単結晶材料の例である。したがって、得られる構造は抜群に頑丈である。さらには、半導体系センサは、非常に良好なヒステリシスを有し、きわめて高い周波数応答を有する。半導体系圧力センサに関連するさらなる情報は、すべて本発明の譲受人に譲り受けられている米国特許第６，０７９，２７６号、第６，０８２，１９９号、第６，０８９，９０７号、第６，４８４，５８５号及び第６，５２０，０２０号に見いだすことができる。

サファイヤ系センサの使用は、本発明の一部の実施態様には特に有益であることができる。サファイヤは非常に耐食性であり、プロセス媒体への直接的な暴露に適している。さらには、サファイヤ圧力センサは、応答時間が速く、一般には約１００kHzを超える。センサ１５をプロセス媒体と直に接触させて配置することにより、センサ応答を遅らせる及び／又はシステム有効性を損なうおそれのある、シリコーンオイルのような隔離流体は要らない。さらには、隔離流体が使用されないため、シールが破損し、隔離流体が清浄な環境中に漏れる危険はない。

図３は、本発明の実施態様のセンサモジュール及びプロセス結合を示す。センサモジュール１４は界面１９でプロセスカプラ１６に結合している。本発明の態様にしたがって、他にも様々な形態のプロセスカプラを使用することができる。たとえば、ＶＣＲ継手を使用することができる。図３に示すように、圧力センサ１５は、マウント２２を介してセンサ部１４に取り付けられている。センサ１５の感圧部２４がモジュール１４内に配置されている。圧力センサ１５は、好ましくは、半導体加工技術にしたがって、上記のような半導体材料を使用して構成される。センサモジュール１４内の圧力の変化が部分２４の撓みを発生させ、それが圧力センサ１５の電気的特性、たとえば静電容量を変化させる。センサ１５（図示せず）に結合された導体が電気信号を計測回路１０６に運び、エンクロージャ１２内の回路１０６が電気的特性、ひいては圧力を計測することを可能にする。センサモジュール１４は、好ましくは、プロセスカプラ１６に隣接して配置されたシールド３０を含む。シールド３０は、プロセス入口、たとえば入口３２と圧力センサ部２４との間のすべての見通し線を遮るように働く。本明細書で使用する見通し線とは、二つの物体の間、たとえばプロセス入口と圧力センサ部２４との間の直線である。シールド３０は、適当な材料から構成することができる。適当な構成の一例は、厚さ１／８インチのステンレス鋼であるシールド３０である。見通し線の遮断は、プロセス材料が不都合にもセンサ部２４に付着することがないことを保証するために重要である。シールド３０は入口３２とセンサ部３４との間の見通し線を遮るが、シールド３０が入口３２とセンサ部２４との間の流動的連絡を可能にすることが同じく重要である。したがって、シールド３０は、入口３２で受けられたプロセス媒体がセンサ部２４にアクセスすることを可能にする多数の開口３４を含む。

シールド３０は、好ましくは、センサモジュール１４の一体部分であるように構成される。シールド３０は、モジュール１４の他の部分とは別に製造したのち、モジュール１４に完全に溶接することができる。シールド３０を完全に溶接することができる一つの方法は、シールド３０の全周囲を取り囲む一つの途切れのない溶接を使用することによる方法である。しかし、好ましくは、シールド３０はモジュール１４と一体に形成される。モジュール１４内のシールド３０の一体性は、シールド３０とモジュール１４との間に界面がないため、それらの間の容積を最小限にしながらシールド３０とモジュール１４との間の接続がきわめて頑丈であることを保証する。

図４は、本発明の実施態様のモジュール１４の拡大斜視図である。モジュール１４は、図４では断面図として示されている。図４に示す実施態様では、シールド３０は、全部で６個の開口３４を含む。図３及び４を見ることによって明らかであるように、シールド３０中の開口３４の位置及びサイズは、好ましくは、入口３２からのすべての見通し線が遮られるように選択される。したがって、各内側接線３６及び開口３６は、入口３２の半径を超えたところに配置されている。本発明の態様にしたがって、開口３４を位置決めし、サイズ決めする他の方法を使用することもできる。たとえば、プロセス流体がガス流である場合、開口３４の開口サイズの比及び位置を使用して乱流を軽減することもできる。さらには、開口３４の寸法及び位置を変更して様々な粒径を選択的にろ過することもできる。

シールド３０とモジュール１４の残り部分との間の比較的大きな熱伝導路は、シールド３０がモジュール１４の側壁からの熱によってより効果的に加熱されることを保証する。これは、シールド３０がプロセス材料を堆積させないことを保証するのに役立つ。

好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の本質及び範囲を逸することなく、その形態及び詳細における変更を加えることができることを認識するであろう。

本発明の実施態様が特に有用である高純度減圧変換器の概略図である。 センサ電子部品エンクロージャ内の電子部品の概略図である。 本発明の実施態様のセンサモジュール及びプロセス結合を示す概略図である。 本発明の実施態様のモジュール１４の拡大斜視図である。

Claims (14)

1. 減圧源に結合して付着材料の高純度用途で使用される圧力変換器であって、
   プロセス入口でプロセス媒体の供給源に結合するように構成されたプロセスカプラ、
   前記プロセスカプラに結合され、半導体系材料で形成された圧力センサをその中に有するセンサモジュールであって、前記圧力センサが、プロセス媒体と直に接触させて配置され、前記センサモジュール内の圧力に応答して変化する電気的特性を有するものである前記センサモジュール、
   前記プロセスカプラに隣接して前記圧力センサの正面に配置され、有孔金属片が使用され、前記プロセス入口と前記圧力センサとの間の実質的にすべての見通し線を遮るように構成され、加熱システムからの熱伝導により高温に維持されるプラズマシールド、及び
   前記電気的特性を計測し、その表示を提供するための、前記圧力センサに結合された電子部品
   を含む圧力変換器。
2. 前記プラズマシールドが前記センサモジュールとで一体に形成されている、請求項１記載の圧力変換器。
3. 前記プラズマシールドが一つの途切れのない溶接で前記センサモジュールに溶接されている、請求項１記載の圧力変換器。
4. 前記金属がステンレス鋼である、請求項１記載の圧力変換器。
5. 前記プラズマシールドが厚さ約０．１２５インチである、請求項１記載の圧力変換器。
6. 圧力センサが単結晶材料で形成されている、請求項１記載の圧力変換器。
7. 圧力センサがサファイヤで形成されている、請求項６記載の圧力変換器。
8. 前記電子部品が、電源モジュールに結合されたコネクタをさらに含み、電源モジュールが、コネクタを介して受けた電気で変換器を給電するように構成されている、請求項１記載の圧力変換器。
9. 前記電子部品が、プロセス工業規格通信プロトコルにしたがって圧力の表示を提供するように構成された通信モジュールをさらに含む、請求項１記載の圧力変換器。
10. 前記電子部品が、前記電気的特性のデジタル表示を提供するための、前記圧力センサに動作可能に結合されたアナログ・デジタル変換器をさらに含む、請求項１記載の圧力変換器。
11. 前記プラズマシールドが、前記プラズマシールドの全周囲にわたって前記センサモジュールに熱的に結合されている、請求項１記載の圧力変換器。
12. プロセスカプラがＶＣＲ継手である、請求項１記載の圧力変換器。
13. 前記プラズマシールドが複数の開口を含み、各開口が内側接線を有する、請求項１記載の圧力変換器。
14. 前記各開口が、各内側接線が前記プロセス入口の半径を超えたところに配置されるようなサイズ及び位置を有する、請求項１３記載の圧力変換器。

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