JP6889061B2 - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造のセンサチップを備えた静電容量型圧力センサに関する。

従来より、半導体製造設備等において使用される真空計を始めとする圧力センサにおいては、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて小型のダイアフラムを有するセンサ素子を採用することが多い。このセンサ素子は、ダイアフラムで圧力媒体を受圧し、これによりダイアフラムに生じた変位や応力を何らかの信号へ変換することをその主な検出原理としている。

例えば、この種のセンサ素子を用いた圧力センサとして、被測定媒体の圧力を受けて撓むダイアフラム（隔膜）の変位を静電容量の変化として検出する静電容量型圧力センサが広く知られている。この静電容量型圧力センサは、ガス種依存性がないことから、半導体設備を始め工業用途でよく使用されている。例えば、半導体製造装置などにおける製造プロセス中の気体の圧力を計測するために利用されており、この用途で言えば上記の静電容量型圧力センサを静電容量式隔膜真空計と呼んでいる。また、被測定媒体の圧力を受けて撓むダイアフラムは、感圧ダイアフラムと呼ばれたり、センサダイアフラムと呼ばれたりしている（例えば、特許文献１，２，３参照）。

図６に従来の隔膜真空計に用いられるセンサチップ１００の要部の構成を示す。このセンサチップ１００は、被測定媒体の圧力に応じて変形可能に構成されたダイアフラム（センサダイアフラム）１０１と、このダイアフラム１０１より肉厚に形成されてダイアフラム１０１の周縁部１０１ｂを変位不能に支持するダイアフラム支持部１０２とを備えるダイアフラム構成部材１０３と、ダイアフラム支持部１０２に接合され、ダイアフラム１０１と共に基準真空室（キャビティ）１０４を形成する台座１０５とを備えている。

このセンサチップ１００において、台座１０５の基準真空室１０４側の面１０５ａには固定電極１０６が形成され、ダイアフラム１０１の基準真空室１０４側の面１０１ａには固定電極１０６と対向するように可動電極１０７が形成されている。

なお、この例において、固定電極１０６は、中央部に位置する第１の固定電極（感圧固定電極）１０６−１と、この第１の固定電極１０６−１の周囲に位置する第２の固定電極（参照固定電極）１０６−２とから構成されている。また、ダイアフラム構成部材１０３（ダイアフラム１０１＋ダイアフラム支持部１０２）と台座１０５は、例えばサファイアなどの絶縁体から構成されている。

このセンサチップ１００では、可動電極１０７と感圧固定電極１０６−１とで静電容量（第１の静電容量）が形成される。ダイアフラム１０１が被測定媒体の圧力Ｐを受けて撓むと、可動電極１０７と感圧固定電極１０６−１との間の間隔が変化し、可動電極１０７と感圧固定電極１０６−１との間の静電容量が変化する。この可動電極１０７と感圧固定電極１０６−１との間の静電容量の変化からダイアフラム１０１が受けた被測定媒体の圧力Ｐを検出することができる。

また、このセンサチップ１００では、可動電極１０７と参照固定電極１０６−２との間にも静電容量（第２の静電容量）が形成される。ただし、可動電極１０７の参照固定電極１０６−２と対向する部分は、ダイアフラム支持部１０２に近いところに位置している。このため、ダイアフラム１０１の撓みによる変位量は、可動電極１０７の中央部分より小さい。従って、可動電極１０７と参照固定電極１０６−２との間の静電容量の変化を基準として可動電極１０７と感圧固定電極１０６−１との間の静電容量の変化を捉えることで、例えば基準真空室（キャビティ）１０４部の誘電率の変化、センサチップを構成する基材の熱膨張、あるいは外部からの電気的なノイズなどの影響を抑制することが出来る。

特開２０１０−２３６９４９号公報 特開２０００−１０５１６４号公報 特開２００６−３２３４号公報

しかしながら、このようなセンサチップ１００では、ダイアフラム１０１と可動電極１０７とは異種材料であり、温度変化が生じると、ダイアフラム１０１の熱膨張係数とダイアフラム１０１に形成されている可動電極１０７との熱膨張係数の違いによって、曲げモーメントが発生する。この曲げモーメントにより、圧力が印加されていないにも拘わらず、ダイアフラム１０１に撓みが発生する（図７参照）。これにより、可動電極１０７と固定電極１０６との間の静電容量が変化し、それに伴いセンサの出力も変化してしまうという問題があった。このような温度変化による静電容量の変化を温度特性と呼ぶ。他にもパッケージやセンサ部材そのものの膨張による静電容量の変化等も温度特性を与える要因となり得る。一般的にはこの温度特性は計測回路でその影響を演算により除去し、センサの最終的な出力としているが、なるべく小さい方が望ましいのは言うまでもない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ダイアフラム基材と電極材料の熱物性の違いに起因する温度特性をなるべく小さくすることができる静電容量型圧力センサを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、被測定媒体の圧力に応じて変形可能に構成されたダイアフラム（１１）と，このダイアフラムより肉厚に形成されてダイアフラムの周縁部（１１ｂ）を変位不能に支持するダイアフラム支持部（１２）とを備えるダイアフラム構成部材（１３）と、ダイアフラム支持部に接合され、ダイアフラム支持部およびダイアフラムと共に基準真空室（１４）を形成する台座（１５）と、台座の基準真空室側のダイアフラムと対向する面（１５ａ）に形成された固定電極（１６）と、ダイアフラム構成部材の固定電極と対向する面（１１ａ）に形成された可動電極（１７）とを備え、ダイアフラム構成部材（１３）は、ダイアフラム支持部の基準真空室側に形成され、ダイアフラムの周縁部の外側まで基準真空室を拡張させる、ダイアフラムの基準真空室側の面と連続した拡張面（１２ａ）を備え、可動電極は、ダイアフラムおよび拡張面に形成されていることを特徴とする。

本発明において、ダイアフラム支持部は、ダイアフラムの周縁部の外側まで基準真空室を拡張させる拡張面を備えており、この拡張面は、ダイアフラムの基準真空室側の面と連続した面とされている。本発明において、可動電極は、ダイアフラムの基準真空室側の面（ダイアフラム上）だけではなく、ダイアフラムの基準真空室側の面と連続したダイアフラム支持部の拡張面（ダイアフラム外）にも形成されている。

本発明では、ダイアフラムの熱膨張係数と可動電極のダイアフラムに形成されている部分の熱膨張係数との違いによって、第１の曲げモーメント（Ｍ_f）がダイアフラムに作用する。また、ダイアフラム支持部の熱膨張係数と可動電極の拡張面に形成されている部分の熱膨張係数との違いによって、第１の曲げモーメントとは逆向きの第２の曲げモーメント（Ｍ_B）がダイアフラムに作用する。

したがって、本発明では、第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントとが互いに打ち消されるように構成するようにして、熱膨張係数の違いによってダイアフラムに作用する曲げモーメントを略ゼロとし、温度変化が生じた際のダイアフラムの撓みを抑制するようにして、温度特性（温度変化による静電容量の変化）を小さくすることが可能となる。

この場合、第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントとが互いに打ち消されてゼロになるように構成されていることが望ましいが、第１の曲げモーメントの大きさと第２の曲げモーメントの大きさは必ずしも同じでなくてもよい。すなわち、ダイアフラムの撓みが抑制されればよく、第１の曲げモーメントの大きさと第２の曲げモーメントの大きさとは多少であれば異なっていても構わない。上記において、「第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントとが互いに打ち消されるように構成する」とは、第１の曲げモーメントの大きさと第２の曲げモーメントの大きさとが多少異なっている場合、すなわち第１の曲げモーメントの大きさと第２の曲げモーメントの大きさとが略等しい場合も含むものである。

また、上記において、第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントとが互いに打ち消されるように構成する例として、可動電極の径を調整したり、ダイアフラムの厚みとダイアフラム支持部の拡張面が形成されている部分の厚み（ダイアフラムの周縁部の内外の厚み）を調整したり、ダイアフラムの径を調整したり、可動電極のダイアフラムに形成されている部分の厚みと可動電極の拡張面に形成されている部分の厚み（ダイアフラムの周縁部の内外の可動電極の厚み）を調整したりすることが考えられる。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したことにより、本発明によれば、ダイアフラムの周縁部の外側まで基準真空室を拡張させる拡張面をダイアフラム支持部に設け、この拡張面にも可動電極を形成するようにしたので、ダイアフラムの熱膨張係数と可動電極のダイアフラムに形成されている部分の熱膨張係数との違いによって第１の曲げモーメントがダイアフラムに作用し、ダイアフラム支持部の熱膨張係数と可動電極の拡張面に形成されている部分の熱膨張係数との違いによって第１の曲げモーメントとは逆向きの第２の曲げモーメントがダイアフラムに作用するものとなり、第１の曲げモーメントと第２の曲げモーメントとが互いに打ち消されるように構成することによって、熱膨張係数の違いによってダイアフラムに作用する曲げモーメントを略ゼロとし、温度変化が生じた際のダイアフラムの撓みを抑制するようにして、温度特性を小さくすることが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る隔膜真空計に用いられるセンサチップの要部の構成を示す図である。 図２は、このセンサチップの基準真空室側から可動電極の形成面を見た斜視図である。 図３は、熱膨張係数の違いによってダイアフラムに作用する第１の曲げモーメントＭ_fおよび第２の曲げモーメントＭ_Bを示す図である。 図４は、第１の曲げモーメントＭ_fと第２の曲げモーメントＭ_Bの大きさが異なる場合に生じるダイアフラムの撓みを例示する図である。 図５は、可動電極の電極径を変化させた場合の数値解析結果を例示する図である。 図６は、従来の隔膜真空計に用いられるセンサチップの要部の構成を示す図である。 図７は、このセンサチップにおいてダイアフラムに形成されている可動電極の熱膨張係数の違いによってダイアフラムに撓みが発生した状態を示す図である。 図８は、図７に示した撓みがダイアフラムに生じる原理を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に本発明の実施の形態に係る隔膜真空計に用いられるセンサチップ１０の要部の構成を示す。

このセンサチップ１０は、被測定媒体の圧力に応じて変形可能に構成されたダイアフラム（センサダイアフラム）１１と、このダイアフラム１１より肉厚に形成されてダイアフラム１１の周縁部１１ｂを変位不能に支持するダイアフラム支持部１２とを備えるダイアフラム構成部材１３と、ダイアフラム支持部１２に接合され、ダイアフラム支持部１２およびダイアフラム１１と共に基準真空室（キャビティ）１４を形成する台座１５とから構成されている。

このセンサチップ１０において、台座１５の基準真空室１４側のダイアフラム１１と対向する面１５ａには固定電極１６が形成され、ダイアフラム構成部材１３の固定電極１６と対向する面１１ａ可動電極１７が形成されている。

なお、この例において、固定電極１６は、中央部に位置する第１の固定電極（感圧固定電極）１６−１と、この第１の固定電極１６−１の周囲に位置する第２の固定電極（参照固定電極）１６−２とから構成されている。また、ダイアフラム構成部材１３（ダイアフラム１１＋ダイアフラム支持部１２）と台座１５は、例えばサファイアなどの絶縁体から構成されている。

この実施の形態において、ダイアフラム構成部材１３は、ダイアフラム支持部１２の基準真空室１４側に形成され、ダイアフラム１１の周縁部１１ｂの外側まで基準真空室１４を拡張させる、ダイアフラム１１の基準真空室１４側の面と連続した拡張面１２ａを備えている。

可動電極１７は、ダイアフラム１１の基準真空室１４側の面１１ａ上（ダイアフラム上）に形成されているが、このダイアフラム１１の基準真空室１４側の面１１ａ上だけではなく、ダイアフラム支持部１２の拡張面１２ａ（ダイアフラム外）まで広げるようにして形成されている。

図２に基準真空室１４側から可動電極１７の形成面を見た斜視図を示す。同図において、ｄ１はダイアフラム１１の厚さ（ダイアフラム厚さ）、ｄ２はダイアフラム支持部１２の厚さ（ダイアフラム外の厚さ）、ｒｄはダイアフラム１１の径（ダイアフラム半径）、ｒｅは可動電極１７の半径（電極半径）、ｔは可動電極１７の厚み（電極厚み）を示している。

従来のセンサチップ１００では、図７に示されるように、温度変化が生じると、ダイアフラム１０１の熱膨張係数とダイアフラム１０１に形成されている可動電極１０７の熱膨張係数との違いによって、曲げモーメントが発生し、圧力が印加されていないにも拘わらず、ダイアフラム１０１に撓みが発生する。この原理は、以下のように考えられる。

図６において、ダイアフラム１０１の厚みをｄ、可動電極１０７の厚みをｔとし、熱膨張係数の相違によって発生する膜応力をσとすると、ダイアフラム１０１の周縁部１０１ｂを固定していない場合、ダイアフラム１０１にはＭ_f＝σｔｄ／２の曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントＭ_fによりダイアフラム１０１の曲率半径Ｒは下記（１）式で与えられる。

この時、ダイアフラム１０１の周縁部１０１ｂを固定すると、境界条件（境界ではダイアフラムの傾きが一致する）により反モーメントＭ_Rが発生し、Ｍ_fを打ち消す方向に作用する（図８参照）。この反モーメントＭ_Rは曲げモーメントＭ_fより小さい。そのため、周縁部１０１ｂを固定しない場合と比較して、撓みは小さくなるが方向は変わらず、図７に示されたような撓みがダイアフラム１０１に発生する。

これに対して、本実施の形態のように、ダイアフラム支持部１２に基準真空室１４を拡張させる拡張面１２ａを設け、この拡張面１２ａまで広げるようにして可動電極１７を形成すると、この拡張面１２ａが形成されている部分の厚さ（ダイアフラム外の厚さ）ｄ２はダイアフラム１１の厚さ（ダイアフラム上の厚さ）ｄ１に比べて厚く、ダイアフラム支持部１２の熱膨張係数と可動電極１７の拡張面１２ａに形成されている部分の熱膨張係数との違いによって、ダイアフラム１１にＭ_B＝σｔｄ₂／２の曲げモーメントが作用する。ただし、ここではダイアフラム構成部材１３に設けられた基準真空室１０４を形成する窪みの深さはダイアフラム支持部１２の厚みに比べて十分小さく、無視できるものとしている。

ここで、ダイアフラム１１の熱膨張係数と可動電極１７のダイアフラム１１に形成されている部分の熱膨張係数との違いによってダイアフラム１１に作用する曲げモーメントＭ_fを第１の曲げモーメントとし、ダイアフラム支持部１２の熱膨張係数と可動電極１７の拡張面１２ａに形成されている部分の熱膨張係数との違いによってダイアフラム１１に作用する曲げモーメントＭ_Bを第２の曲げモーメントとした場合、ダイアフラム１１に作用する第１の曲げモーメントＭ_fの向きと第２の曲げモーメントＭ_Bの向きとは互いに逆となる（図３参照）。

このように、ダイアフラム１１に作用する第１の曲げモーメントＭ_fの向きと第２の曲げモーメントＭ_Bの向きとは互いに逆となるが、第１の曲げモーメントＭ_fの大きさと第２の曲げモーメントＭ_Bの大きさが異なり、例えば第２の曲げモーメントＭ_Bが第１の曲げモーメントＭ_fよりも大きいものとすると、図４に示すようにダイアフラム１１が上側に撓むものとなる。逆に、第１の曲げモーメントＭ_fの方が第２の曲げモーメントＭ_Bよりも大きいものとすると、ダイアフラム１１が下側に撓むものとなる。

そこで、本実施の形態では、ダイアフラム構成部材１３および可動電極１７の少なくとも１つを、第１の曲げモーメントＭ_fと第２の曲げモーメントＭ_Bとが互いに打ち消されるように構成する。

これによって、熱膨張係数の違いによってダイアフラム１１に作用する曲げモーメントを略ゼロとし、温度変化が生じた際のダイアフラム１１の撓みを抑制するようにして、温度特性（温度変化による静電容量の変化）を小さくすることができるようになる。

この場合、第１の曲げモーメントＭ_fと第２の曲げモーメントＭ_Bとが互いに打ち消されてゼロになるように構成されていることが望ましいが、第１の曲げモーメントＭ_fの大きさと第２の曲げモーメントＭ_Bの大きさは必ずしも同じでなくてもよい。すなわち、ダイアフラム１１の撓みが抑制されればよく、第１の曲げモーメントＭ_fの大きさと第２の曲げモーメントＭ_Bの大きさとは多少であれば異なっていても構わない。

本実施の形態において、第１の曲げモーメントＭ_fと第２の曲げモーメントＭ_Bとが互いに打ち消されるように構成するとは、第１の曲げモーメントＭ_fの大きさと第２の曲げモーメントＭ_Bの大きさとが多少異なっている場合、すなわち第１の曲げモーメントＭ_fの大きさと第２の曲げモーメントＭ_Bの大きさとが略等しい場合も含むものである。

本実施の形態では、例えば、可動電極１７の径（電極径）を調整することによって第２の曲げモーメントＭ_Bの大きさを調整し、第１の曲げモーメントＭ_fの大きさと第２の曲げモーメントＭ_Bの大きさとを略等しくさせるようにする。

これを図２に示したモデルで数値解析により確認した。数値解析では、可動電極１７の電極径２ｒｅを変化させ、その他のパラメータは固定とした。数値解析結果を図５に示す。図５において、横軸は電極径２ｒｅ、縦軸はダイアフラム１１の撓みを示す。

図５に示すように、可動電極１７の電極径２ｒｅを変化させることによって、ダイアフラム１１の撓みが変化する。この図において、ダイアフラム１１の撓みが０となった時の電極径２ｒｅが、第１の曲げモーメントＭ_fの大きさと第２の曲げモーメントＭ_Bの大きさとが等しくなる時の値である。

このような数値解析に従って、例えば、可動電極１７の電極径２ｒｅをダイアフラム径２ｒｄの１.０〜１.２倍の範囲などとすることによって、第１の曲げモーメントＭ_fの大きさと第２の曲げモーメントＭ_Bの大きさとを略等しくする。これによって、温度変化が生じた際のダイアフラム１１の撓みを抑制することができるようになる。

なお、上述においては、可動電極１７の径を調整する例を示したが、第１の曲げモーメントＭ_fと第２の曲げモーメントＭ_Bとが互いに打ち消されるように、ダイアフラム１１の周縁部１１ｂの内外の厚み（ダイアフラム１１の厚みとダイアフラム支持部１２の拡張面１２ａが形成されている部分の厚み）を調整するようにしてもよい。また、第１の曲げモーメントＭ_fと第２の曲げモーメントＭ_Bとが互いに打ち消されるように、ダイアフラム１１の径を調整するようにしたり、ダイアフラム１１の周縁部１１ｂの内外の可動電極１７の厚み（可動電極１７のダイアフラム１１に形成されている部分の厚みと可動電極１７の拡張面１２ａに形成されている部分の厚み）を調整するようにしたりしてもよい。

また、上述した実施の形態では、ダイアフラム１１とダイアフラム支持部１２とを一体化したものをダイアフラム構成部材１３としているが、ダイアフラム１１とダイアフラム支持部１２とを別体としても構わない。例えば、ダイアフラム支持部１２を上下に分割し、この間にダイアフラム１１を挟むような構成としてもよい。この場合、ダイアフラム支持部１２で挟まれた部分は、ダイアフラム支持部１２の構成要素とされる。

また、上述した実施の形態では、可動電極１７を１枚の電極としたが、この可動電極１７を固定電極１６と同様に第１の可動電極（感圧可動電極）と第２の可動電極（参照可動電極）とに分け、参照可動電極を拡張面１２ａに形成するなどしてもよい。

本発明を用いれば、センサ基材と熱膨張係数が著しく異なる材料でも温度特性を悪くすることなく電極膜として適用することが可能となる。従ってセンサ製造時の耐プロセス性や耐熱性、電気伝導性、入手性等で利点があるが熱物性の相違から従来では適用困難な材料でも本発明により選択することが可能となり、センサの基本特性だけでなく耐環境性や価格面でも大きな有意性を占めることができるようになる。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１０…センサチップ、１１…ダイアフラム、１１ｂ…周縁部、１２…ダイアフラム支持部、１２ａ…拡張面、１３…ダイアフラム構成部材、１４…基準真空室（キャビティ）、１５…台座、１６…固定電極、１６−１…第１の固定電極（感圧固定電極）、１６−２…第２の固定電極（参照固定電極）、１７…可動電極。

Claims (6)

1. 被測定媒体の圧力に応じて変形可能に構成されたダイアフラムと，このダイアフラムより肉厚に形成されて前記ダイアフラムの周縁部を変位不能に支持するダイアフラム支持部とを備えるダイアフラム構成部材と、
   前記ダイアフラム支持部に接合され、前記ダイアフラム支持部および前記ダイアフラムと共に基準真空室を形成する台座と、
   前記台座の前記基準真空室側の前記ダイアフラムと対向する面に形成された固定電極と、
   前記ダイアフラム構成部材の前記固定電極と対向する面に形成された可動電極とを備え、
   前記ダイアフラム構成部材は、前記ダイアフラム支持部の前記基準真空室側に形成され、前記ダイアフラムの周縁部の外側まで前記基準真空室を拡張させる、前記ダイアフラムの前記基準真空室側の面と連続した拡張面を備え、
   前記可動電極は、前記ダイアフラムおよび前記拡張面に形成されており、
   前記ダイアフラム構成部材および前記可動電極の少なくとも１つは、前記ダイアフラムの熱膨張係数と前記可動電極の前記ダイアフラムに形成されている部分の熱膨張係数との違いによって前記ダイアフラムに作用する第１の曲げモーメントと、前記ダイアフラム支持部の熱膨張係数と前記可動電極の前記拡張面に形成されている部分の熱膨張係数との違いによって前記ダイアフラムに作用する、前記第１の曲げモーメントは逆向きの第２の曲げモーメントとが、互いに打ち消されるように構成されている、
   ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 請求項１に記載された静電容量型圧力センサにおいて、
   前記ダイアフラムおよび前記可動電極は、
   平面視で円形に形成され、
   前記第１の曲げモーメントと前記第２の曲げモーメントとが互いに打ち消されるように前記可動電極の径が調整されている
   ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
3. 請求項１に記載された静電容量型圧力センサにおいて、
   前記第１の曲げモーメントと前記第２の曲げモーメントとが互いに打ち消されるように、前記ダイアフラムの厚みと前記ダイアフラム支持部の前記拡張面が形成されている部分の厚みが調整されている
   ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
4. 請求項１に記載された静電容量型圧力センサにおいて、
   前記ダイアフラムおよび前記可動電極は、
   平面視で円形に形成され、
   前記第１の曲げモーメントと前記第２の曲げモーメントとが互いに打ち消されるように前記ダイアフラムの径が調整されている
   ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
5. 請求項１に記載された静電容量型圧力センサにおいて、
   前記第１の曲げモーメントと前記第２の曲げモーメントとが互いに打ち消されるように
   、前記可動電極の前記ダイアフラムに形成されている部分の厚みと前記可動電極の前記拡張面に形成されている部分の厚みが調整されている
   ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
6. 請求項１に記載された静電容量型圧力センサにおいて、
   前記可動電極は、
   前記ダイアフラムに形成された第１の可動電極と、
   前記拡張面に形成された第２の可動電極とから構成されている
   ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。

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