JP6787636B2 - Vacuum measurement sensor - Google Patents

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Description

本発明は、真空計測センサに関する。 The present invention relates to a vacuum measurement sensor.

真空装置内の圧力を計測する真空計測センサとしては、ピラニ型真空計(例えば、非特許文献1)が知られている。また、特許文献1には、熱的に分離された薄膜(例えば、カンチレバー)上に設けられた薄膜温度センサと、薄膜温度センサを加熱する薄膜ヒータとを備えたピラニ型真空計が開示されている。ピラニ型真空計は、薄膜温度センサ付近の気体の圧力(真空圧力など)が変化すると、これに対応して変化する薄膜温度センサ付近の気体伝熱を温度変化として検出することにより、真空圧力を計測する。 A Pirani type pressure gauge (for example, Non-Patent Document 1) is known as a vacuum measurement sensor for measuring the pressure in the vacuum device. Further, Patent Document 1 discloses a pyrani type pressure gauge including a thin film temperature sensor provided on a thermally separated thin film (for example, a cantilever) and a thin film heater for heating the thin film temperature sensor. There is. The pyrani type pressure gauge measures the vacuum pressure by detecting the gas heat transfer near the thin film temperature sensor, which changes in response to the change in gas pressure (vacuum pressure, etc.) near the thin film temperature sensor, as a temperature change. measure.

特許文献2には、内部の空間を隔てて対向する一対の導電性薄膜からなるダイアフラム電極をそれらの周縁を基板に固定して配置し、導電性薄膜の面積がそれぞれ異なる複数組のダイアフラム電極を、各ダイアフラム電極の間の空間を相互に連通させて高真空に封止した状態で基板に電気的に絶縁させて連設したダイアフラム型真空計が開示されている。 In Patent Document 2, diaphragm electrodes made of a pair of conductive thin films facing each other with an internal space separated from each other are arranged with their peripheral edges fixed to a substrate, and a plurality of sets of diaphragm electrodes having different areas of the conductive thin films are provided. Disclosed is a diaphragm type vacuum gauge in which the spaces between the diaphragm electrodes are communicated with each other and sealed in a high vacuum, and then electrically insulated from the substrate.

特開2007−51963号公報JP-A-2007-51963 特開平6−109568号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-109568

F. T. Zhang et al., “A micro-pirani vacuum gauge based on micro-hotplate technology,” Sens. Actuators A, Phys., vol.126, no.2, p.300-305, Feb. 2006.F. T. Zhang et al., “A micro-pirani vacuum gauge based on micro-hotplate technology,” Sens. Actuators A, Phys., Vol.126, no.2, p.300-305, Feb. 2006.

しかしながら、ピラニ型真空計は、計測する気体の種類により熱伝導率が異なるため感度が変化し、気体の種類によって圧力値が異なるという問題がある。 However, the Pirani type vacuum gauge has a problem that the sensitivity changes because the thermal conductivity differs depending on the type of gas to be measured, and the pressure value differs depending on the type of gas.

ダイアフラム型真空計は、気体の種類に依存しないものの、ダイアフラム電極の変位を利用しているため、1つのダイアフラム電極で広範囲の真空圧力を計測することができない。したがってダイアフラム型真空計は、広い計測範囲で真空圧力を計測するには、複数組のダイアフラム電極を設ける必要があり、小型化が困難であるという問題があった。 Although the diaphragm type pressure gauge does not depend on the type of gas, it cannot measure a wide range of vacuum pressure with one diaphragm electrode because it utilizes the displacement of the diaphragm electrode. Therefore, the diaphragm type pressure gauge has a problem that it is difficult to miniaturize it because it is necessary to provide a plurality of sets of diaphragm electrodes in order to measure the vacuum pressure in a wide measurement range.

本発明は、気体の種類に依存せず所望の範囲の真空圧力を計測することができる真空計測センサを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a vacuum measurement sensor capable of measuring a vacuum pressure in a desired range regardless of the type of gas.

本発明に係る真空計測センサは、一面に開口を有する基準圧室と、前記開口を塞ぐように設けられた検知部とを備え、前記基準圧室は飽和蒸気圧に保持されており、前記検知部は、前記基準圧室の内外の圧力差によって弾性変形する圧力検出用カンチレバーを有することを特徴とする。 The vacuum measurement sensor according to the present invention includes a reference pressure chamber having an opening on one surface and a detection unit provided so as to close the opening, and the reference pressure chamber is held at a saturated vapor pressure, and the detection is performed. The unit is characterized by having a pressure detecting cantilever that elastically deforms due to a pressure difference between the inside and outside of the reference pressure chamber.

本発明によれば、基準圧室内の飽和蒸気圧と、真空チャンバー内の圧力との差に基づいて真空圧力を計測するので、真空チャンバー内の気体の種類に依存せず真空圧力を計測することができる。また媒体によって基準圧室内の飽和蒸気圧を変更することにより、所望の範囲の真空圧力を計測することができる。 According to the present invention, since the vacuum pressure is measured based on the difference between the saturated vapor pressure in the reference pressure chamber and the pressure in the vacuum chamber, the vacuum pressure can be measured regardless of the type of gas in the vacuum chamber. Can be done. Further, the vacuum pressure in a desired range can be measured by changing the saturated vapor pressure in the reference pressure chamber depending on the medium.

本実施形態に係る真空計測センサの構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the vacuum measurement sensor which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る真空計測センサの構成を模式的に示す縦断面図であり、(A)は計測前、(B)は計測時の状態を示す図である。It is a vertical cross-sectional view which shows typically the structure of the vacuum measurement sensor which concerns on this embodiment, (A) is a figure which shows the state before measurement, (B) is a figure which shows the state at the time of measurement. 本実施形態に係る真空計測センサに適用する検出回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the detection circuit applied to the vacuum measurement sensor which concerns on this embodiment. 実験装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of an experimental apparatus. 実験に用いた真空計測センサの圧力に対する抵抗変化特性を示すグラフである。It is a graph which shows the resistance change characteristic with respect to pressure of the vacuum measurement sensor used in an experiment. 実験に用いた真空計測センサの基準圧室内の圧力を計測した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the pressure in the reference pressure chamber of the vacuum measurement sensor used in an experiment. 実験装置における真空チャンバーの圧力を計測した結果を示すグラフであり、(A)はピラニ型真空計、(B)は真空計測センサにおける計測結果である。It is a graph which shows the result of having measured the pressure of the vacuum chamber in an experimental apparatus, (A) is a Pirani type pressure gauge, (B) is the measurement result in a vacuum measurement sensor. 図7の結果におけるピラニ型真空計と真空計測センサの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the Pirani type vacuum gauge and the vacuum measurement sensor in the result of FIG. 真空計の計測可能圧力を示す一覧表である。It is a list which shows the measurable pressure of a vacuum gauge. 本実施形態に係る真空計測センサの変形例の構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the structure of the modification of the vacuum measurement sensor which concerns on this embodiment.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(全体構成)
図1に示す真空計測センサ10は、基準圧室12と、検知部14とを備える。基準圧室12は、一面に開口を有する密閉容器である。検知部14は、基準圧室12の開口を塞ぐように、設けられている。
(overall structure)
The vacuum measurement sensor 10 shown in FIG. 1 includes a reference pressure chamber 12 and a detection unit 14. The reference pressure chamber 12 is a closed container having an opening on one side. The detection unit 14 is provided so as to close the opening of the reference pressure chamber 12.

検知部14は、フレーム18を有する。フレーム18は、図示しないが、基板と、絶縁層と、シリコン(Si)層と、ピエゾ抵抗層と、電極層とからなる。フレーム18は、基準圧室12の開口端部に、気密を保持した状態で着脱自在に固定される。検知部14は、フレーム18の略中央に、圧力検出用カンチレバー16を有する。圧力検出用カンチレバー16は、シリコン層とピエゾ抵抗層とからなる。 The detection unit 14 has a frame 18. Although not shown, the frame 18 includes a substrate, an insulating layer, a silicon (Si) layer, a piezoresistive layer, and an electrode layer. The frame 18 is detachably fixed to the open end of the reference pressure chamber 12 while maintaining airtightness. The detection unit 14 has a pressure detection cantilever 16 at substantially the center of the frame 18. The pressure detecting cantilever 16 is composed of a silicon layer and a piezoresistive layer.

圧力検出用カンチレバー16は、一端を除いて、フレーム18との間にギャップ20を設けた状態で形成されたいわゆる片持ち梁構造である。圧力検出用カンチレバー16の一端は、フレーム18と一体になっている。圧力検出用カンチレバー16は、平板状の受圧部17と当該受圧部17の一側面に一体に形成された一対のヒンジ部19とを有する。 The pressure detecting cantilever 16 has a so-called cantilever structure formed in a state where a gap 20 is provided between the cantilever 16 and the frame 18 except for one end. One end of the pressure detecting cantilever 16 is integrated with the frame 18. The pressure detecting cantilever 16 has a flat plate-shaped pressure receiving portion 17 and a pair of hinge portions 19 integrally formed on one side surface of the pressure receiving portion 17.

フレーム18と圧力検出用カンチレバー16の間のギャップ20は、計測圧力における気体の平均自由行程以下であることが好ましい。平均自由行程は圧力によって変わり、圧力が高いほど平均自由行程が小さくなる。このため、目的とする計測圧力の範囲の最大圧力における平均自由行程以下とすることが好ましい。フレーム18は、圧力検出用カンチレバー16の一対のヒンジ部19と一体となった電極24,25を有する。 The gap 20 between the frame 18 and the pressure detecting cantilever 16 is preferably less than or equal to the mean free path of the gas at the measured pressure. The mean free path depends on the pressure, and the higher the pressure, the smaller the mean free path. Therefore, it is preferable that the mean free path or less at the maximum pressure in the target measurement pressure range. The frame 18 has electrodes 24 and 25 integrated with a pair of hinge portions 19 of the pressure detecting cantilever 16.

検知部14を製造するには、まずSiからなる基板上にSiOからなる絶縁層を形成し、さらにその絶縁層上にシリコン層を形成することにより、基板と絶縁層とシリコン層からなる積層構造のSOIを形成する。SOIの各層(Si/SiO/Si)の厚さは、それぞれ上から順に、0.3μm/1μm/250μmとすることができる。次いで、シリコン層上に不純物をドーピングしてシリコン層の一部をN型又はP型半導体としたピエゾ抵抗層を形成する。 In order to manufacture the detection unit 14, an insulating layer made of SiO 2 is first formed on a substrate made of Si, and then a silicon layer is formed on the insulating layer, whereby a substrate, an insulating layer, and a silicon layer are laminated. Form the SOI of the structure. The thickness of each layer of SOI (Si / SiO 2 / Si) can be 0.3 μm / 1 μm / 250 μm in order from the top. Next, impurities are doped onto the silicon layer to form a piezoresistive layer in which a part of the silicon layer is an N-type or P-type semiconductor.

次に、SOI上のピエゾ抵抗層の上に電極をパターン形成し、その後、シリコン層とピエゾ抵抗層を一部エッチングすることにより、ギャップ20を形成する。最後に、底面側から基板と絶縁層を矩形状(図中22)にエッチングすることにより、圧力検出用カンチレバー16を形成する。 Next, the electrode is patterned on the piezoresistive layer on the SOI, and then the silicon layer and the piezoresistive layer are partially etched to form the gap 20. Finally, the pressure detection cantilever 16 is formed by etching the substrate and the insulating layer in a rectangular shape (22 in the figure) from the bottom surface side.

基準圧室12は、図2Aに示すように、ギャップ20を除いて密閉された容器であり、媒体28が収容されている。媒体28は、飽和蒸気圧が既知の、液体又は固体である。液体としては、水、エタノール、アセトン、ヘプタノール、シリコーンオイル等を用いることができる。固体としては、氷、ヨウ素等を用いることができる。基準圧室12の内部空間26は、媒体と、当該媒体の蒸気で満たされている。基準圧室12内の圧力は、媒体28の飽和蒸気圧である。 As shown in FIG. 2A, the reference pressure chamber 12 is a closed container except for the gap 20, and contains the medium 28. The medium 28 is a liquid or solid with a known saturated vapor pressure. As the liquid, water, ethanol, acetone, heptanol, silicone oil and the like can be used. As the solid, ice, iodine or the like can be used. The internal space 26 of the reference pressure chamber 12 is filled with a medium and the vapor of the medium. The pressure in the reference pressure chamber 12 is the saturated vapor pressure of the medium 28.

真空計測センサ10は、検知部14を挟んで、基準圧室12と反対側が、真空チャンバー30に接続されている。圧力検出用カンチレバー16は、真空チャンバー30と基準圧室12の圧力差によって、一端を回転中心として弾性変形する。真空チャンバー30内の圧力が、基準圧室12内の圧力に対し低い高真空の場合、圧力検出用カンチレバー16は、真空チャンバー30側へ倒れるように弾性変形する(図2B)。圧力検出用カンチレバー16は、弾性変形することにより、ピエゾ抵抗層の抵抗値が変化する。上記圧力差に対する圧力検出用カンチレバー16の抵抗変化特性は、予め計測されており、既知である。 The vacuum measurement sensor 10 is connected to the vacuum chamber 30 on the opposite side of the reference pressure chamber 12 with the detection unit 14 interposed therebetween. The pressure detection cantilever 16 is elastically deformed with one end as the center of rotation due to the pressure difference between the vacuum chamber 30 and the reference pressure chamber 12. When the pressure in the vacuum chamber 30 is low with respect to the pressure in the reference pressure chamber 12, the pressure detection cantilever 16 elastically deforms so as to fall toward the vacuum chamber 30 (FIG. 2B). The pressure detection cantilever 16 is elastically deformed to change the resistance value of the piezoresistive layer. The resistance change characteristic of the pressure detecting cantilever 16 with respect to the pressure difference has been measured in advance and is known.

真空計測センサ10は、図3に示すように、検出回路に電気的に接続される。検出回路31は、ブリッジ回路33とロックインアンプ38とを有している。ブリッジ回路33は、真空計測センサ10と温度補償用カンチレバー32が直列接続された枝辺と、可変抵抗34と固定抵抗36が直列接続された枝辺とが、ロックインアンプ38に対し並列に接続されている。 As shown in FIG. 3, the vacuum measurement sensor 10 is electrically connected to the detection circuit. The detection circuit 31 has a bridge circuit 33 and a lock-in amplifier 38. In the bridge circuit 33, the branch side in which the vacuum measurement sensor 10 and the temperature compensation cantilever 32 are connected in series and the branch side in which the variable resistor 34 and the fixed resistor 36 are connected in series are connected in parallel to the lock-in amplifier 38. Has been done.

温度補償用カンチレバー32は、図示しないが、圧力検出用カンチレバー16と同様の温度に対する抵抗変化特性を有し、基板と、絶縁層と、シリコン(Si)層と、ピエゾ抵抗層と、電極層とからなる。温度補償用カンチレバー32は、基板と一体化されているので、基準圧室12の内外の圧力差によって弾性変形しない。 Although not shown, the temperature compensation cantilever 32 has the same resistance change characteristics with respect to temperature as the pressure detection cantilever 16, and includes a substrate, an insulating layer, a silicon (Si) layer, a piezoresistive layer, and an electrode layer. Consists of. Since the temperature compensation cantilever 32 is integrated with the substrate, it does not elastically deform due to the pressure difference between the inside and outside of the reference pressure chamber 12.

ロックインアンプ38は、圧力検出用カンチレバー16と温度補償用カンチレバー32の接続点35と、可変抵抗34と固定抵抗36の接続点37とに、接続されている。ロックインアンプ38を通じて、ブリッジ回路33に対し、所定の交流電圧が印加される。可変抵抗34は、圧力検出用カンチレバー16が弾性変形していない状態で、接続点35と接続点37の電圧値が等しくなるように調整される。 The lock-in amplifier 38 is connected to a connection point 35 of the pressure detection cantilever 16 and the temperature compensation cantilever 32, and a connection point 37 of the variable resistor 34 and the fixed resistor 36. A predetermined AC voltage is applied to the bridge circuit 33 through the lock-in amplifier 38. The variable resistor 34 is adjusted so that the voltage values of the connection point 35 and the connection point 37 are equal to each other in a state where the pressure detection cantilever 16 is not elastically deformed.

圧力検出用カンチレバー16が弾性変形すると、ピエゾ抵抗層の抵抗値が変化するので、接続点35の電圧値が変動する。ロックインアンプ38は、接続点35の電圧値の変動を、接続点35と接続点37の電位差として受け取る。ロックインアンプ38は、当該電位差からロウパスフィルタによってノイズを除去し、真空計測信号として出力する。なお、上記電位差は、圧力検出用カンチレバー16の抵抗値と温度補償用カンチレバー32の抵抗値との差分に応じた値となる。 When the pressure detection cantilever 16 is elastically deformed, the resistance value of the piezoresistive layer changes, so that the voltage value at the connection point 35 fluctuates. The lock-in amplifier 38 receives the fluctuation of the voltage value of the connection point 35 as the potential difference between the connection point 35 and the connection point 37. The lock-in amplifier 38 removes noise from the potential difference by a low-pass filter and outputs it as a vacuum measurement signal. The potential difference is a value corresponding to the difference between the resistance value of the pressure detection cantilever 16 and the resistance value of the temperature compensation cantilever 32.

(動作及び効果)
次に、上記の真空計測センサ10の動作及び効果を説明する。まず基準圧室12内の気体を十分に排気する。排気することで、基準圧室12内は、媒体28の蒸気で満たされる。次いで、基準圧室12内の温度を計測し、媒体28の飽和蒸気圧を算出する。基準圧室12内の温度を計測する手段は、特に限定されない。例えば、予め計測しておいた上記温度補償用カンチレバー32の温度特性に基づいて、基準圧室12内の温度を計測することとしてもよい。
(Operation and effect)
Next, the operation and effect of the vacuum measurement sensor 10 will be described. First, the gas in the reference pressure chamber 12 is sufficiently exhausted. By exhausting, the inside of the reference pressure chamber 12 is filled with the steam of the medium 28. Next, the temperature in the reference pressure chamber 12 is measured, and the saturated vapor pressure of the medium 28 is calculated. The means for measuring the temperature in the reference pressure chamber 12 is not particularly limited. For example, the temperature inside the reference pressure chamber 12 may be measured based on the temperature characteristics of the temperature compensating cantilever 32 measured in advance.

続いて、真空チャンバー30内を、真空ポンプを用いて真空引きする。真空チャンバー30は、圧力が基準圧室12内の圧力に対し低下し、高真空となると、圧力検出用カンチレバー16は、圧力差に応じて、真空チャンバー30側へ倒れるように弾性変形する。圧力検出用カンチレバー16の弾性変形によって生じる抵抗変化特性の変動は、ロックインアンプ38から真空計測信号として出力される。当該真空計測信号に基づき、真空チャンバー30と基準圧室12の圧力差を算出する。基準圧室内の飽和蒸気圧と、算出された圧力差の差分により、真空チャンバー30内の真空圧力が得られる。上記のようにして真空計測センサ10は、真空チャンバー30内の真空圧力を計測することができる。 Subsequently, the inside of the vacuum chamber 30 is evacuated using a vacuum pump. In the vacuum chamber 30, when the pressure drops with respect to the pressure in the reference pressure chamber 12 and a high vacuum is obtained, the pressure detection cantilever 16 is elastically deformed so as to fall toward the vacuum chamber 30 side according to the pressure difference. The fluctuation of the resistance change characteristic caused by the elastic deformation of the pressure detection cantilever 16 is output from the lock-in amplifier 38 as a vacuum measurement signal. Based on the vacuum measurement signal, the pressure difference between the vacuum chamber 30 and the reference pressure chamber 12 is calculated. The vacuum pressure in the vacuum chamber 30 is obtained from the difference between the saturated vapor pressure in the reference pressure chamber and the calculated pressure difference. As described above, the vacuum measurement sensor 10 can measure the vacuum pressure in the vacuum chamber 30.

本実施形態の真空計測センサ10は、基準圧室12内の飽和蒸気圧と、真空チャンバー30内の圧力との差に基づいて真空圧力を計測するので、真空チャンバー30内の気体の種類に依存せず広範囲の真空圧力を計測することができる。 Since the vacuum measurement sensor 10 of the present embodiment measures the vacuum pressure based on the difference between the saturated vapor pressure in the reference pressure chamber 12 and the pressure in the vacuum chamber 30, it depends on the type of gas in the vacuum chamber 30. It is possible to measure a wide range of vacuum pressure without using it.

真空計測センサ10は、基準圧室内に収容する媒体28によって飽和蒸気圧を変更することにより、真空圧力の計測範囲を選択することができる。 The vacuum measurement sensor 10 can select the measurement range of the vacuum pressure by changing the saturated vapor pressure according to the medium 28 housed in the reference pressure chamber.

真空計測センサ10は、ブリッジ回路33やロックインアンプ38を用いてノイズを低減し、分解能を向上することにより、真空圧力の計測範囲を広くすることができる。 The vacuum measurement sensor 10 can widen the measurement range of the vacuum pressure by reducing noise and improving the resolution by using the bridge circuit 33 and the lock-in amplifier 38.

(評価)
実際に図4に示す実験装置を作製し、真空計測センサ10を評価した。真空計測センサ10は、検知部14を挟んで、基準圧室12と反対側が、真空チャンバー30に接続されている。基準圧室12は、配管42及びバイパスバルブ44を通じて、排気配管46へ接続されている。排気配管46は、真空チャンバー30を真空ポンプへ接続している。配管42及び排気配管46には、それぞれピラニ型真空計48,50が設けられている。基準圧室12には、媒体28として水が収容されている。基準圧室12の容積は18cm、収容する水の体積は0.5mlとした。
(Evaluation)
The experimental device shown in FIG. 4 was actually manufactured, and the vacuum measurement sensor 10 was evaluated. The vacuum measurement sensor 10 is connected to the vacuum chamber 30 on the opposite side of the reference pressure chamber 12 with the detection unit 14 interposed therebetween. The reference pressure chamber 12 is connected to the exhaust pipe 46 through the pipe 42 and the bypass valve 44. The exhaust pipe 46 connects the vacuum chamber 30 to the vacuum pump. Pirani type vacuum gauges 48 and 50 are provided in the pipe 42 and the exhaust pipe 46, respectively. Water is stored in the reference pressure chamber 12 as a medium 28. The volume of the reference pressure chamber 12 was 18 cm 3 , and the volume of water contained was 0.5 ml.

圧力検出用カンチレバー16は、縦×横の長さを75μm×50μm、厚さを300nmとした。ギャップ20は、2μmとした。圧力検出用カンチレバー16の圧力差に対する抵抗変化特性を図5に示す。本図は、横軸が圧力差(Pa)、縦軸が抵抗値変化率(×10−3)を示す。圧力差の上昇に伴い、抵抗値変化率も大きくなることが確認された。したがって圧力検出用カンチレバー16の抵抗値変化率に基づき、真空チャンバー30と基準圧室12の圧力差を計測することができる。 The pressure detection cantilever 16 has a length × width of 75 μm × 50 μm and a thickness of 300 nm. The gap 20 was set to 2 μm. FIG. 5 shows the resistance change characteristic of the pressure detection cantilever 16 with respect to the pressure difference. In this figure, the horizontal axis shows the pressure difference (Pa), and the vertical axis shows the resistance value change rate (× 10 -3 ). It was confirmed that the rate of change in resistance increased as the pressure difference increased. Therefore, the pressure difference between the vacuum chamber 30 and the reference pressure chamber 12 can be measured based on the resistance value change rate of the pressure detection cantilever 16.

図4の実験装置において、真空ポンプを起動してバイパスバルブ44を開いてから、真空チャンバー30及び基準圧室12内を排気し、1分経過後、バイパスバルブ44を閉じるまで、の基準圧室12内の圧力変化を計測した。その結果を図6に示す。本図は、横軸が時間(S)、縦軸が基準圧室12内の圧力(Pa)を示す。基準圧室12内の圧力は、一端900Pa程度まで減圧された後、バイパスバルブ44を閉じることにより、一定時間経過後、1280Paで安定した。1280Paという圧力は、圧力変化を計測した環境温度(11℃)における飽和蒸気圧である。この結果から、真空計測センサ10は、基準圧室12内の圧力を、安定的に飽和蒸気圧に保持できることが確認された。 In the experimental apparatus of FIG. 4, the reference pressure chamber is from the time when the vacuum pump is started to open the bypass valve 44, the inside of the vacuum chamber 30 and the reference pressure chamber 12 is exhausted, and after 1 minute, until the bypass valve 44 is closed. The pressure change in 12 was measured. The result is shown in FIG. In this figure, the horizontal axis represents time (S) and the vertical axis represents pressure (Pa) in the reference pressure chamber 12. The pressure in the reference pressure chamber 12 was once reduced to about 900 Pa, and then closed at the bypass valve 44 to stabilize at 1280 Pa after a certain period of time. The pressure of 1280 Pa is the saturated vapor pressure at the environmental temperature (11 ° C.) at which the pressure change is measured. From this result, it was confirmed that the vacuum measurement sensor 10 can stably maintain the pressure in the reference pressure chamber 12 at the saturated vapor pressure.

基準圧室12内の圧力が飽和蒸気圧、この場合1280Paで安定した状態から、真空ポンプで真空チャンバー30内を排気し、ピラニ型真空計50と真空計測センサ10とで、真空チャンバー30内の圧力変化を計測した。その結果を図7に示す。本図は、横軸が時間(S)、図7Aの縦軸が圧力(Pa)、図7Bの縦軸が抵抗値変化率(×10−3)を示す。本図から、真空計測センサ10の抵抗値変化率は、ピラニ型真空計50で計測した圧力と同様に、減少しており、ピラニ型真空計50で計測される圧力と相関があるといえる。 From a state where the pressure in the reference pressure chamber 12 is saturated vapor pressure, in this case 1280 Pa, the inside of the vacuum chamber 30 is exhausted by a vacuum pump, and the pyrani type vacuum gauge 50 and the vacuum measurement sensor 10 are used in the vacuum chamber 30. The pressure change was measured. The result is shown in FIG. In this figure, the horizontal axis represents time (S), the vertical axis of FIG. 7A is pressure (Pa), and the vertical axis of FIG. 7B is the resistance value change rate (× 10 -3 ). From this figure, it can be said that the resistance value change rate of the vacuum measurement sensor 10 is decreasing like the pressure measured by the Pirani type pressure gauge 50, and has a correlation with the pressure measured by the Pirani type pressure gauge 50.

図8に真空チャンバー30と基準圧室12の圧力差と、真空計測センサ10で計測した抵抗値変化率の関係を示す。本図は、横軸が圧力差(Pa)、縦軸が抵抗値変化率(×10−3)を示す。真空チャンバー30と基準圧室12の圧力差は、ピラニ型真空計48,50で計測した。本図から、真空チャンバー30と基準圧室12の圧力差と、真空計測センサ10で計測した抵抗値変化率は、同一の線形上にあることが確認された。この結果から、真空計測センサ10は、200〜1200Paの範囲で、真空圧力を計測できるといえる。 FIG. 8 shows the relationship between the pressure difference between the vacuum chamber 30 and the reference pressure chamber 12 and the resistance value change rate measured by the vacuum measurement sensor 10. In this figure, the horizontal axis shows the pressure difference (Pa), and the vertical axis shows the resistance value change rate (× 10 -3 ). The pressure difference between the vacuum chamber 30 and the reference pressure chamber 12 was measured by Pirani type vacuum gauges 48 and 50. From this figure, it was confirmed that the pressure difference between the vacuum chamber 30 and the reference pressure chamber 12 and the resistance value change rate measured by the vacuum measurement sensor 10 are on the same linearity. From this result, it can be said that the vacuum measurement sensor 10 can measure the vacuum pressure in the range of 200 to 1200 Pa.

真空計測センサ10は、媒体28を適宜選択することにより、1×10−3Pa〜×10Paの計測範囲で、真空圧力を計測することができる。したがって真空計測センサ10は、図9に示すよう、従来の真空計より広い範囲の真空圧力を、単体で計測することができる。 The vacuum measurement sensor 10 can measure the vacuum pressure in the measurement range of 1 × 10 -3 Pa to × 10 3 Pa by appropriately selecting the medium 28. Therefore, as shown in FIG. 9, the vacuum measurement sensor 10 can measure a vacuum pressure in a wider range than the conventional pressure gauge by itself.

(変形例)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
(Modification example)
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be appropriately modified within the scope of the gist of the present invention.

真空計測センサ10は、基準圧室12内の温度を、予め基準圧室12内に設けた温度センサ、例えば熱電対によって計測することとしてもよい。 The vacuum measurement sensor 10 may measure the temperature in the reference pressure chamber 12 by a temperature sensor provided in the reference pressure chamber 12 in advance, for example, a thermocouple.

図10に示すように、真空計測センサ56は、検知部57に温度補償用カンチレバー32を備えることとしてもよい。本図の場合、温度補償用カンチレバー32は、圧力検出用カンチレバー16と対称の位置に設けられている。温度補償用カンチレバー32は、圧力検出用カンチレバー16と同様の温度に対する抵抗変化特性を有し、基板と、絶縁層と、シリコン(Si)層と、ピエゾ抵抗層と、電極層とからなる。温度補償用カンチレバー32は、基板と一体化されているので、基準圧室12の内外の圧力差によって弾性変形しない。温度補償用カンチレバー32は、電極58,59を通じて、ブリッジ回路33に電気的に接続される。温度補償用カンチレバー32は、圧力検出用カンチレバー16の温度補償を行うこと共に、基準圧室12内の温度を計測することができる。 As shown in FIG. 10, the vacuum measurement sensor 56 may include a temperature compensation cantilever 32 in the detection unit 57. In the case of this figure, the temperature compensating cantilever 32 is provided at a position symmetrical with the pressure detecting cantilever 16. The temperature compensation cantilever 32 has the same resistance change characteristics with respect to temperature as the pressure detection cantilever 16, and includes a substrate, an insulating layer, a silicon (Si) layer, a piezoresistive layer, and an electrode layer. Since the temperature compensation cantilever 32 is integrated with the substrate, it does not elastically deform due to the pressure difference between the inside and outside of the reference pressure chamber 12. The temperature compensation cantilever 32 is electrically connected to the bridge circuit 33 through the electrodes 58 and 59. The temperature compensation cantilever 32 can perform temperature compensation of the pressure detection cantilever 16 and can measure the temperature in the reference pressure chamber 12.

10 真空計測センサ
12 基準圧室
14 検知部
16 圧力検出用カンチレバー
18 フレーム
20 ギャップ
24,25 電極
28 媒体
30 真空チャンバー
31 検出回路
32 温度補償用カンチレバー
33 ブリッジ回路
34 可変抵抗
35 接続点
36 固定抵抗
37 接続点
38 ロックインアンプ
58,59 電極
10 Vacuum measurement sensor 12 Reference pressure chamber 14 Detection unit 16 Pressure detection cantilever 18 Frame 20 Gap 24, 25 Electrodes 28 Medium 30 Vacuum chamber 31 Detection circuit 32 Temperature compensation cantilever 33 Bridge circuit 34 Variable resistance 35 Connection point 36 Fixed resistance 37 Connection point 38 Lock-in amplifier 58, 59 electrodes

Claims (5)

一面に開口を有する基準圧室と、
前記開口を塞ぐように設けられた検知部と
を備え、
前記基準圧室は飽和蒸気圧に保持されており、
前記検知部は、前記基準圧室の内外の圧力差によって弾性変形する圧力検出用カンチレバーを有する
ことを特徴とする真空計測センサ。
A reference pressure chamber with an opening on one side,
It is provided with a detection unit provided so as to close the opening.
The reference pressure chamber is held at a saturated vapor pressure and is maintained.
The detection unit is a vacuum measurement sensor characterized by having a pressure detection cantilever that elastically deforms due to a pressure difference between the inside and outside of the reference pressure chamber.
前記基準圧室内には、飽和蒸気圧が既知である媒体が収容されていることを特徴とする請求項1記載の真空計測センサ。 The vacuum measurement sensor according to claim 1, wherein a medium having a known saturated vapor pressure is housed in the reference pressure chamber. 前記検知部は、前記基準圧室と反対側が、真空チャンバーに接続されることを特徴とする請求項1又は2記載の真空計測センサ。 The vacuum measurement sensor according to claim 1 or 2, wherein the detection unit is connected to a vacuum chamber on the side opposite to the reference pressure chamber. 前記圧力検出用カンチレバーと、前記圧力検出用カンチレバーを前記基準圧室に保持するフレームの間のギャップは、計測圧力の範囲の最大圧力における平均自由行程以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の真空計測センサ。 Claims 1 to 1, wherein the gap between the pressure detecting cantilever and the frame holding the pressure detecting cantilever in the reference pressure chamber is equal to or less than the mean free path at the maximum pressure in the measurement pressure range. The vacuum measurement sensor according to any one of 3. 前記検知部は、前記圧力検出用カンチレバーと同様の温度に対する抵抗変化特性を有する温度補償用カンチレバーをさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の真空計測センサ。
The vacuum measurement sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the detection unit further includes a temperature compensation cantilever having a resistance change characteristic with respect to a temperature similar to that of the pressure detection cantilever.
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