JP5826943B2 - 静電容量型圧力計アセンブリ - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１１年１０月１１日出願の米国仮特許出願第６１／５４５７９０号、発明の名称「圧力センサ」に基づく優先権を主張し、当該出願の全体を参照することによって援用する。

本開示は、概して静電容量型圧力センサに関し、更に詳細には、特に非常に低い（真空）圧力下で非常に正確かつ精密な測定を行う改良されたセンサに関する。

圧力変換器は数えきれないほどの適用例で用いられてきた。このような変換器のひとつとして、ガスや蒸気などの流体の圧力を非常に正確かつ精密に測定する静電容量型圧力計がある。適用例には、真空下における処理の精密制御および半導体処理制御が含まれる。例えば、半導体エッチング処理および物理蒸着が含まれる。

静電容量型圧力計には、典型的には、（ａ）電極構造体を形成するまたは有する可撓性のダイヤフラムと、（ｂ）ダイヤフラムとの間に静電容量を確立するように、ダイヤフラムから間隔を空けて配置された固定電極構造体とが使用される。ダイヤフラムの片側に対する圧力が、ダイヤフラムの反対側に対する圧力に対して変化すると、ダイヤフラムが湾曲し、この差圧に応じて、ダイヤフラムの電極構造体と固定電極構造体との間の静電容量が変化する。通常、ダイヤフラムの片側のガスまたは蒸気が測定されている圧力（Ｐｘ）であり、ダイヤフラムの反対側のガスまたは蒸気が既知の基準圧力（Ｐｒ）である。後者は、大気圧、または所定の高圧もしくは低圧（真空）であり、よって、ダイヤフラムの測定側に対する圧力を、静電容量測定値に応じて決めることができる。

極低圧（高真空）を必要とする多くの適用が以前から現在に引き続き開発されており、その結果、このような低圧を測定することのできる静電容量型圧力計の必要性が生じている。しかし、低圧下で圧力を非常に正確かつ精密に測定するために静電容量型圧力計の感度を高めることは、設計上の課題を伴う。極低圧（高真空）を測定するために、小さな圧力の変化を検出するよう、一般に、静電容量型圧力計の可撓性のダイヤフラムと固定電極構造体の間のギャップ（「電極ギャップ」）を、非常に狭くする必要がある。

ギャップを非常に狭くすることの欠点は、ダイヤフラム両端の差圧の測定とは無関係な、電極ギャップ形状のより小さな変化も検出されることである。このような電極ギャップ形状の有害な変化のひとつが、ガス分子またはガス原子がダイヤフラムの表面に拡散するなど、処理に関連する化学反応によるダイヤフラム形状の変化である。静電容量測定は、平行板静電容量Ｃに関する以下の周知の式に基づく。
Ｃ＝ｅ_ｒｅ_ｏＡ／ｓ （式１）
式中、Ｃは２つの平行板の間の静電容量であり、
ｅ_ｏは自由空間の誘電率であり、
ｅ_ｒは平行板の間の物質の比誘電率（真空では、ｅ_ｒ＝１）であり、
Ａは平行板の間の共通面積であり、
ｓは平行板の間の間隔である。

この式に基づくと、静電容量のわずかな変化が各測定電極の電極ギャップ間隔のわずかな変化の負数に等しいという関係を、導き出すことができる（ΔＣ／Ｃ＝−ΔＳ／Ｓ）。

つまり、各測定電極の静電容量を安定して制御するためには、電極ギャップ間隔をうまく制御した状態を維持することが重要である、ということが容易に分かる。単純な２重電極の設計では、これらの影響は、任意の数のブリッジ回路（例えば、ホイートストンブリッジ）及び／またはその他の電気的測定方法を用いた所定の電気測定技術における平坦なダイヤフラムおよび電極構造体（それぞれが実平面からの平面度偏差および傾斜偏差の異なる実際の値を有する）において、ゼロ差圧下で１次まで平衡を保たれている。センサは極低圧（極めて小さなダイヤフラムたわみ）を測定するように構成されるので、最小圧力の安定した検出を達成するために圧力測定の不確実性を適切な低いレベルにまで下げるには、安定した電極ギャップを作らずに電極の平衡を維持するだけでは十分ではない。

静電容量測定は、固定電極構造体とダイヤフラム耐圧要素の間の変位の変化を検出することを目的とするので、１つの誤差原因が、（電極ギャップに影響を与えるので）ダイヤフラムの形状および位置のあらゆる変化につながり、そのような変化により、圧力とは無関係なセンサ出力の変化が生じる。

図１（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、従来技術による静電容量型圧力計１００の一部を示す側面図および平面図である。この装置はダイヤフラム１０２を有し、ダイヤフラム１０２は電極構造体１０４から離間している。電極構造体１０４は、ギャップ１１０によって分離された内側電極１０６と外側電極１０８を有する。（Ｂ）に示すとおり、電極は環状に構成することができる。ダイヤフラム１０２の両側面において差圧が存在するとき、代替位置１０２’で示すようにダイヤフラムはたわむ。

図２（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ、他の従来技術による静電容量型圧力計２００の一部を示す側面図および断面図である。この装置は、図１に図示した装置と類似しており、電極構造体２０４から離間されたダイヤフラム２０２を有する筐体２０１を備える。電極構造体２０４は、ギャップ２１０によって分離された内側電極２０６と外側電極２０８を有する。筐体２０１は、ダイヤフラム２０２に隣接した領域にガスを導入する注入口２１２を有する。バッフル２１４は、ダイヤフラム２０２に隣接した領域へのガスの導入を制御するためにある。（Ｂ）に示すとおり、バッフルは、複数のテザー２１８で筐体２０１に固定されてもよい。バッフル２１４は中実であり、内部特徴を有さない。動作中、注入口２１２から導入されたガスはバッフル２１４を回り込み、まずダイヤフラム２０２の外縁に到達する。それから、ガスはダイヤフラム２０２の中心に向かって拡散する。

図３（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、更に他の従来技術による静電容量型圧力計３００の一部を示す側面図および代替断面図である。この装置は、図２に図示した装置と類似しており、電極構造体３０４から離間されたダイヤフラム３０２を有する筐体３０１を備える。電極構造体３０４は、ギャップ３１０によって分離された内側電極３０６と外側電極３０８を有する。筐体３０１は、ダイヤフラム３０２に隣接した領域にガスを導入する注入口３１２を有する。バッフル３１４は、ダイヤフラム３０２へのガスの流入を制御するためにある。（Ｂ）に示すとおり、バッフル３１４は、その全体またはその大半に亘って均一に分布する複数の開口部３１６を有する。図（Ｃ）に示すバッフルの代替構造は、バッフル３１４の全体またはその大半に亘って均一の放射状に分布する開口部を有する。

以下の特許文献は全て本開示と同一の出願人に譲渡されおり、その特許および公開特許公報の全部を参照することによって援用する。

米国特許第７，７５７，５６３号 米国特許第７，７０６，９９５号 米国特許第７，６２４，６４３号 米国特許第７，４５１，６５４号 米国特許第７，３８９，６９７号 米国特許第７，３１６，１６３号 米国特許第７，２８４，４３９号 米国特許第７，２０１，０５７号 米国特許第７，１５５，８０３号 米国特許第７，１３７，３０１号 米国特許第７，０００，４７９号 米国特許第６，９９３，９７３号 米国特許第６，９０９，９７５号 米国特許第６，９０１，８０８号 米国特許第６，７３５，８４５号 米国特許第６，６７２，１７１号 米国特許第６，５６８，２７４号 米国特許第６，４４３，０１５号 米国特許第６，１０５，４３６号 米国特許第６，０２９，５２５号 米国特許第５，９６５，８２１号 米国特許第５，９４２，６９２号 米国特許第５，９３２，３３２号 米国特許第５，９１１，１６２号 米国特許第５，８０８，２０６号 米国特許第５，６２５，１５２号 米国特許第５，２７１，２７７号 米国特許第４，８２３，６０３号 米国特許第４，７８５，６６９号 米国特許第４，４９９，７７３号 米国特許出願公開第２００９／０２５５３４２号 米国特許出願公開第２００７／００２３１４０号 米国特許出願公開第２００６／００７０４４７号 米国特許出願公開第２００６／００００２８９号 米国特許出願公開第２００５／０２６２９４６号 米国特許出願公開第２００４／０２１１２６２号 米国特許出願公開第２００４／００９９０６１号

従来技術の圧力計はその意図された目的においては適しているかもしれないが、一時的な測定誤差が生じる傾向があり、特に原子状フッ素等の反応性ガスを使用するときにその傾向がある。

本開示の態様は、これまでに指摘された問題を解消するために、圧力以外の影響によって生じる、静電容量型圧力計のダイヤフラムまたは静電容量型圧力計用のダイヤフラムの一時的な変形を測定することを低減したり阻止したりできるバッフルや電極構造体を提供する。

本開示の一観点によれば、静電容量型圧力計または静電容量型圧力計アセンブリは、
（ａ）導電性の材料を含むダイヤフラムと、（ｂ）内側（または中央）電極および外側電極を有する電極構造体と、を備え、前記ダイヤフラムは、前記電極構造体に対して（ｉ）前記ダイヤフラムの両側面の圧力が等しいゼロ位置と、（ｉｉ）最大測定可能差圧が前記ダイヤフラムに印加された最大差圧位置との間で可動であり、さらに、
（ｂ）ダイヤフラムに隣接する領域へガスを導入するよう構成された１または複数の開口部を有し、圧力以外の影響によるダイヤフラムの表面変形がセンサ出力に与える影響を最小限にするバッフルを備える。前記ダイヤフラム、前記電極構造体、および前記バッフルは、適切な筐体内に配置されてもよい。

本開示の他の観点によれば、静電容量型圧力計または静電容量型圧力計アセンブリは、
（ａ）導電性の材料を含むダイヤフラムと、（ｂ）内側（例えば、中央）電極と、外側電極と、前記内側電極と前記外側電極の間に配設されたガード構造とを有する電極構造体と、を備え、前記ダイヤフラムは、前記電極構造体に対して（ｉ）前記ダイヤフラムの両側面の圧力が等しいゼロ位置と（ｉｉ）最大測定可能差圧が前記ダイヤフラムに印加された最大差圧位置との間で可動であり、さらに、
（ｂ）前記ダイヤフラムに隣接する領域へガスを導入するよう構成された１または複数の開口部を有し、ガードに関して戦略的に配置され、圧力以外の影響によるダイヤフラムの表面変形がセンサ出力に与える影響を更に最小限にするバッフルと、を備える。前記ダイヤフラム、前記電極構造体、および前記バッフルは、適切な筐体内に配置されてもよい。

例示的な実施の形態によれば、静電容量型圧力計または圧力センサにおけるセンサ導入口およびバッフルの１または複数の孔の構成（形状、特徴の位置、表面仕上げや表面処理等）により、反応性ガスがセンサ内に侵入しダイヤフラムと反応することで生じる内側電極および外側電極への有害な影響は、速やかにかつ実質的に相殺され、または相殺されやすくなる。

上記の様態ならびに他の構成要素、ステップ、特徴、利益、および利点は、後述する例示の実施の形態の詳細な説明、添付図面、および特許請求の範囲を検討することによって明らかになるであろう。

図面に例示的な実施の形態を開示するが、これらの図面は全ての実施の形態を示しているわけではない。他の実施の形態を追加してもよく、代わりに他の実施の形態を用いてもよい。明白であるか不要な詳細は、スペースの節約のため、またはより効果的な説明のために省略することがある。逆に実施の形態によっては、開示された全ての詳細を含まなくても実施することができる。同じ参照符号が異なる図面にある場合、同一または同様の構成要素またはステップを示す。

以下の説明を添付の図面と共に読むと、より完全に本開示の態様を理解することができるが、これらは本質的に例示を目的とするもので、限定するものではないと理解されるべきである。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本開示の本質的なものを強調している。

図１は、従来技術による静電容量型圧力計の一部を示す平面図および側面図である。 図２は、他の従来技術による静電容量型圧力計の一部を示す平面図および断面図である。 図３は、更に他の従来技術による静電容量型圧力計の側面図および代替断面図である。 図４の（Ａ）および（Ｂ）は、従来技術の静電容量型圧力計の電極構造体およびダイヤフラムを含み、（Ａ）は異なる時間におけるダイヤフラムの一時的な変形を示す図であり、（Ｂ）は関連する測定誤差のグラフである。 図５は、本開示によるダイヤフラムと、バッフルと、ガード構造を有する電極構造体とを有する静電容量型圧力計アセンブリの一例を示す側面図である。 図６は、本開示によるダイヤフラムと、バッフルと、ガード構造を有する電極構造体とを有する静電容量型圧力計アセンブリの他の例を示す側面図および断面図である。 図７Ａは、本開示による静電容量型圧力計の電極およびガード構造の一例を示す平面略図である。 図７Ｂは、本開示による例示的実施の形態の静電容量型圧力計の電極およびガード構造の平面略図である。 図８は、本開示による静電容量型圧力計の電極およびガード構造の他の例を示す側面略図である。 図９Ａは、本開示による圧力計アセンブリの電極構造体およびダイヤフラムを示す図であり、異なる時点におけるダイヤフラムの一時的な変形を示す。 図９Ｂは、本開示による圧力計アセンブリの電極構造体およびダイヤフラムを示す図であり、異なる時点におけるダイヤフラムの一時的な変形を示す。 図１０は、本開示による静電容量型圧力計の電極およびガード構造の他の例の側面略図である。 図１１は、本開示による静電容量型圧力計の電極およびガード構造の更に他の例の側面略図である。 図１２は、本開示による静電容量型圧力計の電極およびガード構造の他の例の切り取り側面略図である。

特定の実施の形態について図面で示したが、ここに描写した実施の形態は例示的なものであり、本開示の範囲内で、図示したものの変形物や本明細書に記載の他の実施の形態を想像でき実施できることは、当業者にとって明らかである。

本開示の態様は、圧力測定の精度や堅牢性が改良された静電容量型圧力計の提供、作動、制御を容易にする装置、システム、方法、およびコンピュータのソフトウェアプログラム製品を含む技術を対象としている。

添付の図面に関連して以下に詳述するように、本開示の態様は、例えば１または複数の反応性ガスとの相互作用などの圧力以外の影響によって生じる、静電容量型圧力計のダイヤフラムまたは静電容量型圧力計用のダイヤフラムの一時的変形を測定することを低減したり阻止したりできるバッフルや電極構造体を設けることにより、上記の問題に取り組む。

図４の（Ａ）および（Ｂ）は、静電容量型圧力計の電極構造体およびダイヤフラムを含み、（Ａ）は異なる時間における一時的な変形を示す図であり、（Ｂ）は関連する測定誤差のグラフである。（Ａ）において、ダイヤフラム４０２は、電極構造体４０４とバッフル４１０の間に配設されている。電極構造体４０４は、平面に配設されギャップ４０８によって分離された、内側電極４０６と外側電極４０７を有する。中心線４２０を示す。バッフル４１０は、ダイヤフラム４０２に隣接する領域にガスを導入するよう構成された孔すなわちオリフィス４１２を有するか、またはオリフィス４１２に隣接する。図示のとおり、オリフィス４１２は、ダイヤフラム４０２の半径方向外周に位置する。筐体や注入口等の、圧力計の他の特徴は図示を省略する。

動作中、反応性ガスがオリフィス４１２を通ってダイヤフラム４０２に隣接した領域に流入すると、オリフィス４１２に隣接したダイヤフラムの表面は、時間ｔ＝１からｔ＝９で示す時間と共に、様々な程度に変形し得る。そのような表面の変形は、ダイヤフラム表面に反応性ガスが拡散することによって生じ得る。そのような反応性ガスの例としては、分子状または原子状のフッ素、六フッ化硫黄、それらのガスを含む気体混合物があるが、それらに限定されない。もちろん、他の反応性ガスも時間と共に圧力計のダイヤフラムをそのように変形させる可能性があり、本開示はそのような反応性ガスの全てを対象とするものである。（Ａ）に示すとおり、表面変形はダイヤフラムの表面全体に広がり、徐々に定常状態に到達する。

引き続き図４を参照して、（Ｂ）は、（Ａ）に図示した圧力計を反応性ガスにさらした後に高真空（低圧）まで排出した場合の、時間ｔ＝１からｔ＝９の各ゼロ誤差測定値を示す。真空状態における出力信号を示す。２種類の異なるゼロ誤差値ｅ_１およびｅ_２を示す。

図４に示すとおり、静電容量型圧力計のダイヤフラムを反応性ガスまたは複数の反応性ガスにさらすと、ガス分子がダイヤフラムの分子構造中に拡散することがある。そのような拡散により、ガスが導入された部位内のダイヤフラム表面（例えば、外側の５０〜１００オングストローム）の張力が変化することがある。これにより、ダイヤフラムが屈曲し、圧力計の電極による静電容量の測定に影響が出る可能性がある。その結果、この静電容量の変化が圧力の変化のように見えることがある。このたわみは一時的な問題であり、ダイヤフラムにガスが初めに導入され、拡散する過程で現れる。ダイヤフラムの外側部にガスが拡散すれば、それ以上は拡散しない。また、ダイヤフラム表面全体にガスが拡散すると、表面には一定の張力が発生し、圧力ゼロにおいてより均一な形状に、例えば平坦に戻る。この一時的な測定誤差に関連する過程は、半導体デバイス作製に用いられるようなエッチング処理および物理的気相成長法など、圧力計を用いる作業に悪影響を及ぼす可能性がある。

上記のこの一時的問題を補償するため、本開示の一態様では、静電容量型圧力計の電極にガード構造を設ける。ガード構造（または単に「ガード」）は、ダイヤフラムへのガスの拡散に比較的反応しない１または複数の部位に設けることができるため、ダイヤフラムの曲率の変化とそれに続く（表面張力の変化に起因する）電極ギャップの局所的変化は測定されないか、または測定されてもわずかであり、したがって、圧力計のゼロ測定値や圧力測定値の安定性が向上するか、または最適なものとなる。ガード構造は、２以上の電極を静電気的に分離することもできる。

上記の一時的問題の他の（または追加的な）補償として、本開示の別の態様では、圧力計の電極構造体に関して１または複数の所望の位置に形成された、バッフル孔などのバッフルの１または複数の部位を通して、静電容量型圧力計に１または複数の反応性ガスを導入する。例えば、１または複数のバッフル孔により、ガード構造間や内側と外側の容量電極間の、対応するガードされた１または複数の区画に隣接する（または真上に位置する）圧力計ダイヤフラムの１または複数の領域に、ガスを導入することができる。結果として、正負の屈曲が誤差を誘発する影響を無効化または最小化できる。ガードされた区画は、ガード構造間や電極間のギャップまたは間隙によって形成される電極構造体の部位であってもよい。更には、１または複数のバッフル孔により、圧力計の電極構造体における１または複数の電極または１または複数のガードに隣接する（または真上に位置する）圧力計ダイヤフラムの１または複数の領域に、ガスを導入することができる。１または複数のバッフル孔に隣接する（または真下に位置する）ダイヤフラムのピーク曲率は、ｔ＝０の直後に達成されると考えられ、時間の経過と共に、ダイヤフラム表面は均一な飽和状態に近づき、ダイヤフラムは「安定する」。上記のとおり、ダイヤフラムの表面全体が飽和状態になると、もはや一時的問題は存在しない。ガスが導入される部位の特定パターンは、ガス導入口の形状の影響を受けることがある。例えば、ある電極構造体の構成には、センサの中心のチューブを通してガスを導入するガス注入口を用いてもよいが、注入口の他の形状に対しては、他の電極形状を効果的に用いてもよい。

図５は、本開示による静電容量型圧力計（または静電容量型圧力計アセンブリ）５００の一部を示す図であり、ダイヤフラム、バッフル、およびガード構造を有する電極構造体の詳細を示す。装置５００は、電極構造体５０４とバッフル５１４の間に位置するダイヤフラム５０２を有する。バッフル５１４は、図示のとおり、ダイヤフラム５０２に隣接する領域へガスを導入する１または複数の開口部５１６を有する。電極構造体５０４は、内側電極５０６および外側電極５０８を有する。使用時には、ダイヤフラム５０２が、内側電極と外側電極の共通電極を形成する（内側キャパシタと外側キャパシタを効率的に形成することができる）。ダイヤフラムは、実施の形態によっては、共通電極として用いられるために、特定または専用の構造を用いてもよい。電極やダイヤフラムは、回路（図示せず）の一部として電気的に接続することができ、例えばダイヤフラム５０２のたわみに基づく静電容量測定に適したブリッジを形成することができる。電極には、銅、銀、それらを含む組成物等の、任意の適切な導電性材料を使用することができる。内側電極５０６と外側電極５０８の間には、例えばギャップ５１２内に示すようなガード構造すなわちガード５１０が位置する。また、静電容量型圧力計アセンブリ５００は、ダイヤフラム５０２（具体的にはダイヤフラム５０２の外周）が電極構造体５０４に対して制約を受けるよう、ダイヤフラム５０２を支持するように配置された支持構造体（図示せず）を有することができる。圧力計５００については１つのバッフルしか図示していないが、実施の形態によっては２以上のバッフルを用いてもよい。

ガード５１０は、内側電極５０６と外側電極５０８を分離し、かつ静電容量の測定には寄与しない、電極構造体の区画または領域を形成する。ガード５１０および開口部５１６は、概ね中心に位置し、互いに対向するように構成することができる。本明細書中で図示し説明するダイヤフラムは、任意の適切な材料で作製することができる。例示的実施の形態においては、いわゆる超合金を用いてもよい。例としては、ハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）、ワスパロイ（Ｗａｓｐａｌｏｙ）、ルネ（Ｒｅｎｅ）合金（例えばルネ４１、ルネ８０、ルネ９５、ルネ１０４）、ヘインズ（Ｈａｙｎｅｓ）合金、インコロイ（Ｉｎｃｏｌｏｙ）、ＭＰ９８Ｔ、ＴＭＳ合金、ＣＭＳＸ単結晶合金があるが、これらに限定されない。他の実施の形態では、例えばダイヤフラムの基準側面に、適切なステンレス鋼合金、アルミナ、またはパラジウムガラスを用いてもよい。理解を容易にするため、簡略化した電気接続を示す。

図５に示す構造構成により、様々な利益を得ることができる。例えば、内側電極５０６と外側電極５０８との距離を増加させると、圧力計５００の感圧性が増加する。更には、静電容量測定に関して不活性部位を示すガード５１０により、装置は、本来ならば開口部５１６に隣接する領域（すなわち流入ガスを初めに受けるダイヤフラムの部位）においてダイヤフラムが一時的に変形することによって導入されたであろう誤差を、全部ではなくともほとんど効果的に無視することができる。一時的な最初のピークはガード５１０によって遮蔽され、時間の経過と共に電極のギャップ間隔は内側電極５０６および外側電極５０８によって概ね平衡となるため、測定誤差を低減することができる。図５においてはガード５１０を図示したが、別の実施の形態においてはもちろん、ガード５１０を省略し、開口部５１６をギャップ５１２の中心に概ねまたは正確に配置してもよい。

図６は、本開示によるダイヤフラム、バッフル、およびガード構造を有する電極構造体を有する静電容量型圧力計６００の一部を示す側面図および断面図である。装置６００は、電極構造体６０４から離間されたダイヤフラム６０２を有する筐体６０１を有する。電極構造体６０８は、ガード６１０によって分離された内側電極６０６と外側電極６０８を有する。図示のように、構造は環状の構成とすることができる。筐体６０１は、任意の適切な材料から作製することができ、図示のように、ダイヤフラム６０２に隣接する領域にガスを導入する注入口６１８を介して、ガス流６１６を導入するように構成される。筐体６０１は、ダイヤフラム６０２の外周が電極構造体６０４に対して制約を受けるように、ダイヤフラム６０２を支持するよう配置された支持構造体を有してもよく、または提供してもよい。バッフル６１２は、ダイヤフラム６０２に隣接した領域へのガスの流入を制限するためにある。バッフル６１２は、ガード６１０に関して戦略的に配置された１または複数の開口部６１４を有する。例えば、開口部６１４の中線を、ガードの中線と合わせて（または、大体そうなるように）配置することができる。上記のとおり、この構成により、ダイヤフラム６０２の表面が一時的に変形することに起因するこの測定誤差を低減しやすくなる。

図６の（Ａ）に図示される断面Ａ‐Ａは、電極６０６と６０８の間のガード６１０が比較的大きい面積を有する静電容量型圧力計６００を示す。（Ｂ１）の断面Ｂ‐Ｂは、ガード６１０を覆う部位にガスを導入する環状に配置された孔を有するバッフル６１２を示し、（Ｂ２）の断面Ｂ‐Ｂは、ガード６１０を覆う部位にガスを導入する環状に配置された円形開口部６１４を有するバッフル６１２を示す。

上記の実施例においては、電極およびガード構造を円形のものとして説明したが、これらの構造は、例えば鋸歯形状や直線形状などの他の形状であってもよく、所望の構成の曲面形状であってもよい。図７Ａは、本開示による静電容量型圧力計の、滑らかな鋸歯形状を有する電極およびガード構造７００Ａの上面略図である。電極構造体７００Ａは、内側電極７０２Ａおよび外側電極７０４Ａを有することができ、その間にガード７０６Ａが位置する。内側電極７０２Ａの外周は、図示のとおり、例えば滑らかな鋸歯形状にするなど、所望の外周を選択することができる。図示のとおり、ガード７０６Ａの内周をそれと相補的に構成してもよい。外側電極７０４Ａの内周およびガード７０６Ａの外周を、同様に任意に構成してもよい。例示的な実施の形態において、外側電極７０４Ａを滑らかな鋸歯形状とすることができるが、蛇行形状として、静電容量測定が行われる径方向の幅（または距離）を増加させることもできる。そのような形状にすると、ダイヤフラムの曲率およびたわみが変化することによって生じる静電容量の変化を内側および外側電極の各々が受ける時間のバランスを取りやすくなる。

他の実施例では、図７Ａの実施例と同様に、外側電極を蛇行形状とするなど、導体の外周を滑らかな流線形状などの所望の形状または輪郭としてもよく、内側電極と外側電極の間の領域、およびガードなど外側電極の径方向外側の場所を所望の形状や輪郭にしてもよい。図７Ｂは、本開示による静電容量型圧力計（または圧力計アセンブリ）の、滑らかな流線形状を有する電極およびガード構造７００Ｂの実施例の上面略図である。電極構造体７００Ｂは、内側電極７０２Ｂおよび外側電極７０４Ｂを有してもよく、その間にガード７０６Ｂが位置する。内側電極７０２Ｂの外周は、図示のとおり、例えば滑らかな流線形状を有するよう、選択または設計することができる。図示のように、ガード７０６Ｂの内周をそれと相補的に構成してもよい（必ずしもそのように構成しなくてもよい）。外側電極７０４Ｂの内周およびガード７０６Ｂの外周を、同様に任意に構成してもよい。図示のとおり、外側電極７０４Ｂは、第１の端部が第２の端部から離間した非連続の電極形状を含むか有してもよい。外側電極７０４Ｂは、ギャップ７１２によって、ガード７０６Ｂなどの１または複数の周囲構造または隣接構造から分離することができる。

図８は、本開示による静電容量型圧力計８００の電極およびガード構造の他の実施例を示す側面略図である。静電容量型圧力計８００は図６の装置と同様であり、筐体８０１（図６に示した形状とは異なる形状をもつ）を有し、ダイヤフラム８０２は電極構造体８０４から離間される。電極構造体８０４は、ガード８１０によって分離された内側電極８０６および外側電極８０８を有する。構造体は、図示のとおり、環状の構成とすることができる。筐体８０１は、図示のとおり、注入口８１８を介してガス流を導入するよう構成され、ダイヤフラム８０２に隣接した領域にガスを導入する。バッフル８１２は、ダイヤフラム８０２に隣接した領域へのガスの流入を制御するためにある。バッフル８１２は、ガード８１０に関して戦略的に配置された１または複数の開口部８１４を有する。例えば、１または複数の開口部８１４の中線を、ガードの中線と合わせて（または、大体そうなるように）配置することができる。図８から分かるとおり、特にガスが分子流状である可能性がある（分子は互いに衝突するよりも壁に衝突する可能性の方が高い）ので、内壁の形状は、静電容量型圧力計のダイヤフラム部へのガスの流入に関する重要な要素または影響となりうる。

図９Ａおよび図９Ｂは、本開示による圧力計アセンブリ９００Ａおよび９００Ｂの電極構造体およびダイヤフラムを示す図であり、異なる時点におけるダイヤフラムの一時的な変形を示す。図９Ａは、アセンブリ９００Ａが経験する、反応性ガスの導入によるダイヤフラムの一時的な変形の第１の連続した時間依存プロファイル（１〜５）を示し、図９Ｂは、第２の連続した時間依存プロファイル（１〜５）を示す。図９Ａおよび図９Ｂの両方において、圧力計アセンブリ９００Ａ、９００Ｂは、電極構造体９０３から縦軸（位置決め軸）に沿って離間されたダイヤフラム９０２を有する。電極構造体９０３は、外側電極９０４と、ガード９０６と、内側電極９０８とを有する。ダイヤフラムは、外側電極９０４および内側電極９０８の共通電極として動作する。圧力計アセンブリ９００Ａ、９００Ｂは、図示のとおり、中心線９１０に関して放射対称性を有することができる。アセンブリにバッフル９１２を用いることができ、部分的に圧力キャビティ体９２２（バッフル９１２を有することができる）によって画定される圧力キャビティ（「Ｐｘ」）９２０内へガスを導入する１または複数の注入口または開口部９１４を有することができる。また、静電容量型圧力計アセンブリは、ダイヤフラム９０２が電極構造体９０３に対して制約を受けるよう、ダイヤフラム９０２を支持するように配置された支持構造体（図示せず）を有することができる。図９Ａに示すとおり、圧力キャビティ体９２２は、プレナムまたは圧力キャビティ９２０を提供するよう構成することができ、ダイヤフラム９２０全体に亘って均一な深さ（Ｌ１で示す）を有する。他の例においては、例えば図９Ｂに示すように、圧力キャビティ体９２２は、ダイヤフラム９０２に亘って非均一な深さ（Ｌ２およびＬ３で示す）によって変化するプレナムまたは圧力キャビティ９２０を提供するように構成することができる。図９Ｂに１つの非均一な深さ（すなわち、段のある断面）を示すが、例えば、線形勾配や所望の指数関数プロファイルなどの所望のプロファイルを有する、本発明の開示の範囲内で他の構成とすることができる。

図９Ａに示すとおり、バッフルの開口部９１４は、例えばガード９０６の中線９１６に対して概ねその中心を合わせることができるが、ダイヤフラム９０２の曲率およびたわみの変化と、内側電極９０４と外側電極９０８の間の静電容量変化のタイミングを操作するために、ガード中心線９１６の内側または外側（例えば、ガードの３等分の真ん中などの位置）にバッフル開口部９１４を配置することができる。図９Ａに、開口部中心線９１８の代表的な変位を「ｈ」と表す。図９Ｂにおいてガードの中心線９１６は、開口部の中心線９１８と一致している。

図９Ｂに示すとおり、Ｐｘ圧力キャビティ体９２２は、反応性ガス流を加速または減速させ、そうしてダイヤフラムの屈曲率およびたわみを操作するために、例えば中心線９１０からの径方向距離に亘って壁のプロファイルが変化するように、任意に設計することができる。バッフル９１２の１または複数の開口部９１４から径方向外側に流れる反応性ガス流は、Ｐｘキャビティに形成された先細り路（図ではテーパー構造が示されているが、他の形状でもよい）を通って細い路（Ｐｘｃａｖ ｏと示す）に流れ、そこで反応性ガスは凝縮されて、ダイヤフラム９０２の曲率およびたわみが増大すると同時に、反応性ガス流が減速する。径方向内側に流れる反応性ガスは、より深いプレナム（Ｐｘｃａｖ ｉ）へと広がって加速し、ダイヤフラム表面の反応性ガスの濃度が低下し、ダイヤフラムの曲率およびたわみの誘発される変化が低減される。プレナムチャンバまたは圧力チャンバの高さ（例えば、浅い路または深い路）に対する反応性ガスの径方向の速度はこのように起こると考えられる。すなわち、非常に小さいギャップにおいては、反応性ガスは径方向へと流れる過程で金属表面に実質的に「ゲッター」される（吸収される、または吸着される）と考えられるからである。ガス分子は、その分子量および温度において、音速でキャビティ内を移動する。反応性ガス分子は、「吸着波面」より先の位置よりも、「吸着波面」付近で壁とより多くの衝突を起こし、これにより反応性ガスは消費され、金属表面に吸着され、拡散する。これによって、キャビティにおいて反応性ガスの有効な径方向速度が生じる。深いプレナムの場合には、この波面を超えて更に径方向に壁に沿って壁に衝突する分子がより多く存在すると同時に、壁と平行な方向にも衝突する。非反応性ガスと反応性ガスの混合気体の場合、非反応性ガスは波面において「ゲッター」されることはなく、キャビティに沿ってより高速で移動する。圧力キャビティ９２０の形状に由来するこのような効果を用いて、ダイヤフラム９０２の全体的なタイミングおよびたわみを操作することができ、圧力計センサ９００Ａ、９００Ｂの出力に対する圧力以外の影響を低減したり軽減したりできる。また、圧力キャビティ壁の表面仕上げおよび表面化学を変更して、バッフルおよびダイヤフラムの周りのガス流に影響を与えてもよい。

図１０は、本開示による静電容量型圧力計の電極およびガード構造１０００の他の実施例の側面略図である。ガード構造１０００は図５に示したものと同様であるが、追加のガードを有する。デバイス構造は、電極構造体１００４とバッフル１０１４の間に配置されるダイヤフラム１００２を有する。図示のとおり、バッフル１０１４は、ダイヤフラム１００２に隣接した領域へガスを導入する１または複数の開口部１０１６を有する。電極構造体１００４は、内側電極１００６および外側電極１００８を有する。内側電極１００６と外側電極１００８の間には、第１のガードすなわち内側ガードが配置される。内側ガード１０１０は、内側電極１００６と外側電極１００８を分離し、静電容量測定には寄与しない電極の区域または領域を形成する。内側ガード１０１０および開口部１０１６は、内側ガード１０１０および開口部１０１６の中心が概ね一致し、例えば半径ｒと関連して示すように、互いに対向するように構成することができる。図示のとおり、第２のガードすなわち外側ガード１０１２を用いて、測定誤差を更に軽減することができる。理解を助けるために、簡略化した電気接続を示す。

図１０に示す実施の形態は、電極電圧が同相である用途において特に有利である。そのような用途では、ガード電圧は正確に電極電圧に従う。

図１１は、本開示による静電容量型圧力計１１００の電極およびガード構造の他の実施例の側面略図である。静電容量型圧力計１１００は筐体１１０１を有し、筐体１１０１は、ダイヤフラム１１０２と、注入口１１０３と、装置内に導入されたガスの圧力を測定する電極およびガード構造１１０４を有する。電極およびガード構造１１０４は、構造１１０４上で内側ガード１１１０および外側ガード１１１２によって分離される内側電極１１０６および外側電極１１０８を有する。内側ガード１１１０および外側ガード１１１２は、１または複数のギャップ１１１１によって分離される。周辺ガード１１１４も存在する。バッフル１１２０は、所望の戦略的位置に１または複数の開口部１１２２を有する。理解を助けるために、簡略化した電気接続を示す。

図１１に示すとおり、電極およびガード構造１１０４において、内側ガード１１１０と外側ガード１１１２の間の１または複数のギャップは、開口部１１２２の中線１１２４に沿って（または、大体そうなるように）整列することができる。その結果、電極およびガード構造１１０４は、内側ガードが２つに分割されていること以外は、図１０に示したものと同様である。

図１１に示す実施の形態は、例えば、典型的な変圧器のブリッジの先端のように、電極電圧の位相が１８０°ずれている用途において特に有利である。そのような用途において、内側ガードの電圧は内側電極電圧に正確に従うことができ、外側ガード電圧は外側電極電圧に正確に従うことができる。

図１２は、本開示による静電容量型圧力計の構造１２００の一部詳細な側面図であり、ダイヤフラムは表面が変形している。構造１２００は、図１１の圧力計１１００の構造と同様であり、ダイヤフラム１２０２と、電極およびガード構造１２０４と、１または複数の開口部１２１６を有するバッフル１２１４を有する。電極およびガード構造１２０４は、内側ガード１２１０および外側ガード１２１２で分離された内側電極１２０６および外側電極１２０８を有する。内側ガード１２１０および外側ガード１２１２は、ギャップ１２２０によって分離される。内側ガード１２１０と外側ガード１２１２の間のギャップ１２２０は、開口部１２１６の中線１２１８に沿って（または、大体そうなるように）整列することができる。

ダイヤフラム１２０２の破線輪郭で示すとおり、原子状フッ素などの１または複数の反応性ガスが圧力計１２００内へ導入されると、ダイヤフラムは変形する。上記のとおり、そのような変形は一時的である場合もあり、長い期間存続する場合もあり、定常状態に到達する。変形により、電極およびガード構造１２０４の面（または表面）に対して、ダイヤフラムの部位によって正または負の変位を示す。例えば、ダイヤフラムは、図示のとおり、シンク関数や第１種ベッセル関数に似た表面プロファイルとなってもよい。内側ガードおよび外側ガードならびにギャップ１２２０を図のように配置することにより、圧力計１２００の使用時に、本来ならば変形ダイヤフラムによって引き起こされたであろう測定誤差が軽減されるか、または最小限に抑えられる。

ダイヤフラムのピーク曲率および対応する軸方向のたわみを測定されない位置に集中させるために、バッフルの孔は、ガードリングの中央に（または略中央に）直接設けることができる。例示的実施の形態においては、バッフルを１つのみ用いてもよい。第２のバッフルは必須ではないが、２以上のバッフルを用いてもよい。例示的実施の形態において、バッフルとして単独の周方向孔を用いることができ、また、例えば０１０インチ幅の小さな孔を形成することもできる。

（効果）
本開示の実施の形態は、以下の１または複数の効果を提供することができる。

比較的厚い高張力ダイヤフラムを使用することにより、加工変質ダイヤフラム材料の極薄層によって誘発される膜曲げひずみに、より硬い要素で対抗することができ、ダイヤフラムの曲率の全体的な変化を低減できる。

製造コストの低減。

圧力感度の最大化または増大。

バッフルにおける長孔の位置によって、加工変質による（誘発された）ダイヤフラム変形による測定誤差を低減し、ダイヤフラムのピーク曲率および対応する軸方向たわみを測定されない位置に集中させる。

電極ギャップを小さくすることにより、適切な基礎静電容量を維持する。

トラップが不要となる。

システムの時定数を低減することで、従来技術に比べてシステム応答性が高くなる。

（例示的実施の形態）
本開示による例示的実施の形態は、静電容量型圧力計または静電容量型圧力計アセンブリであって、
（ａ）導電性の材料を含むダイヤフラムと、（ｂ）内側電極または中央電極、および外側電極を有する電極構造体と、を備え、前記ダイヤフラムは、前記電極構造体に対して（ｉ）前記ダイヤフラムの両側面の圧力が等しいゼロ位置と、（ｉｉ）最大測定可能差圧が前記ダイヤフラムに印加された最大差圧位置との間で可動であり、さらに、
前記ダイヤフラムに隣接する領域へガスを導入するよう構成された１または複数の開口部を有するバッフルと、を備え、前記バッフルは、圧力以外の影響による前記ダイヤフラム表面の変形がセンサ出力に与える影響を最小限にする電極構造体静電容量型圧力計または静電容量型圧力計アセンブリを含むことができる。

上記バッフルの１または複数の開口部は、上記ダイヤフラムの電極間のギャップと整列して構成することができる。

上記圧力計のダイヤフラムに、超合金を使用することができる。

本開示の他の例示的実施の形態は、静電容量型圧力計または静電容量型圧力計アセンブリであって、
（ａ）導電性の材料を含むダイヤフラムと、（ｂ）内側電極または中央電極と、外側電極と、内側電極と外側電極の間に配設されたガード構造とを有する電極構造体と、を備え、前記ダイヤフラムは、前記電極構造体に対して（ｉ）前記ダイヤフラムの両側面の圧力が等しいゼロ位置と（ｉｉ）最大測定可能差圧が前記ダイヤフラムに印加された最大差圧位置との間で可動であり、さらに、
ダイヤフラムに隣接する領域へガスを導入するよう構成された１または複数の開口部を有するバッフルと、を備える静電容量型圧力計または静電容量型圧力計アセンブリを含むことができる。

上記ガード構造は、連続したガード、またはギャップで離間された内側ガードおよび外側ガードを含むことができる。

上記ガード構造は、電極構造体の外側電極に隣接した位置に、電極構造体の中心から径方向に離れて配置された第３のガードを含むことができる。

上記バッフルの１または複数の開口部は、上記電極間のギャップおよび上記ダイヤフラムのガード構造のうち少なくとも一方と整列して構成することができる。

圧力計のダイヤフラムに、超合金を使用することができる。

上述した構成要素、ステップ、処理、方法、構成、特徴、目的、利益、および効果は単なる例示であり、そのいずれも、またそれらに関するいずれの議論も、いかなる方法においても保護の範囲を限定するものではない。他にも多くの実施の形態が想定される。そのような実施の形態には、構成要素、ステップ、特徴、目的、利益、および効果がより少なかったり多かったり、異なったりする実施例が含まれる。また、構成要素やステップが、異なる方法で配置されたり順序づけられたりする実施例も含まれる。例えば、実施の形態は本明細書において２重電極の静電容量型圧力計と関連して記載されているが、本開示の他の実施の形態は、単極圧力計に適用可能である。

また、様々な材料や構成要素が本明細書に記載されているが、当然ながら、記載のものに追加して、あるいは記載のものの代わりとして、他の適切な材料や構成要素を用いてもよい。

更に、本明細書に記載の方法、ステップ、処理、アルゴリズム等は、適切なコンピュータシステム、コンピュータ装置、コンピュータプロセッサ（例えば、ＣＰＵやグラフィック処理装置）等によって実装されてもよく、あるいは、それらを用いることによって実装されてもよい。また、そのようなものコンピュータシステム等は、メモリ装置または記憶場所を実装してもよく、あるいは利用してもよい。メモリ装置または記憶場所は、非一時的機械可読記憶媒体などの製品であってもよく、あるいはそのような製品を有してもよい。また、コンピュータシステム等は、プログラム可能計算装置のプロセッサによって実行されると、プログラム可能計算装置に方法、ステップ、処理、アルゴリズムを実行させるか、行わせるか、あるいはその実行を制御させる、機械可読記憶媒体において具現化される実行可能なプログラム指令を実装してもよく、あるいは利用してもよい。例えば、本明細書に記載の電極およびダイヤフラム構造体は、単独で構成されるか適切な通信ネットワークと共に構成される適切なコンピュータシステム上で動作する、コンピュータ支援ドローソフトウェアの助けを借りて実装されてもよい。他の例では、本明細書に記載されるような静電容量型圧力計の計測電子機器は、例えば較正や計測のために、適切な通信ネットワークに接続されてもよい。

特に明記しないかぎり、本明細書および添付する特許請求の範囲に記載する全ての計測値、値、定格、位置、大きさ、サイズなどの仕様はおおよそのものであり、厳密なものではない。これらの仕様は、その仕様が関連する機能に適合し、また、その仕様が関連する技術分野において慣例的なものと適合する合理的な範囲を有するものとする。本開示には、引用または提示した全ての論文、特許、特許出願、明細書、およびその他の出版物を援用する。

Claims (12)

1. 導電性の材料を含むダイヤフラムと、
   内側電極と、外側電極と、前記内側電極と前記外側電極の間に配設され、前記ダイヤフラムに隣接し且つ該ダイヤフラムへの反応性ガスの拡散に反応しない領域を形成する導電性ガード構造と、を有する電極構造体と、
   前記ダイヤフラムが前記電極構造体に対して制約を受けるように、また、前記ダイヤフラムが前記内側電極および前記外側電極から離間され、かつ前記圧力計のアライメント軸に対して前記内側電極および前記外側電極と軸方向に整列されるよう配置された支持構造体と、
   前記ダイヤフラムに隣接する前記反応しない領域へガスを導入して、前記反応性ガスによる前記ダイヤフラムの表面変形の影響を低減するよう構成された１または複数の開口部を有するバッフルと、
   を備え、
   前記ダイヤフラムは、前記電極構造体に対して（ｉ）前記ダイヤフラムの両側面の圧力が等しいゼロ位置と（ｉｉ）最大測定可能差圧が前記ダイヤフラムに印加された場合の最大差圧位置との間で可動であることを特徴とする静電容量型圧力計アセンブリ。
2. 前記導電性ガード構造は連続したガードを有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力計アセンブリ。
3. 前記導電性ガード構造は、ギャップによって分離された内側ガードおよび外側ガードを備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力計アセンブリ。
4. 前記導電性ガード構造は、前記電極構造体の前記外側電極に隣接した位置に、前記電極構造体の中心から径方向に離れて配置された第３のガード構造を備えることを特徴とする請求項３に記載の静電容量型圧力計アセンブリ。
5. 前記バッフルの１または複数の開口部は、前記静電容量型圧力計アセンブリの前記アライメント軸に平行な方向に、前記電極構造体における前記電極間のギャップまたは前記電極のうち１つと前記導電性ガード構造との間のギャップと整列されることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力計アセンブリ。
6. 前記ダイヤフラムは超合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力計アセンブリ。
7. ガスを導入する注入口を有する筐体をさらに備え、
   前記ダイヤフラム、前記電極構造体、前記支持構造体、および前記バッフルは、前記筐体内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力計アセンブリ。
8. 前記外側電極は、第１の端部および第２の端部を有する非連続の電極を備え、前記第１の端部および第２の端部は分離されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力計アセンブリ。
9. 前記バッフルの１または複数の開口部は、前記静電容量型圧力計アセンブリの前記アライメント軸に平行な方向に、前記電極構造体における前記導電性ガード構造と整列されることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力計アセンブリ。
10. 前記導電性ガード構造は、ギャップによって分離された内側ガードおよび外側ガードを備えることを特徴とする請求項９に記載の静電容量型圧力計アセンブリ。
11. 前記導電性ガード構造は、前記電極構造体の前記外側電極に隣接した位置に、前記電極構造体の中心から径方向に離れて配置された第３のガード構造を含むことを特徴とする請求項１０に記載の静電容量型圧力計アセンブリ。
12. 前記バッフルの１または複数の開口部は、前記静電容量型圧力計アセンブリの前記アライメント軸に平行な方向に、前記電極構造体における前記導電性ガード構造の内側の３分の１と整列され、
    前記電極構造体は、前記電極構造体の中心から径方向に、内側、中央、および外側に３等分されることを特徴とする請求項９に記載の静電容量型圧力計アセンブリ。

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