JP7431307B2

JP7431307B2 - 真空計

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Publication number: JP7431307B2
Application number: JP2022194071A
Authority: JP
Inventors: 将添田; 卓也石原; 正志関根
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2022-12-05
Publication date: 2024-02-14
Anticipated expiration: 2038-09-10
Also published as: KR102245528B1; JP2023014371A; JP2020041880A; CN110887586B; KR20200029349A; CN110887586A

Description

本発明は、静電容量の変化を検出することで圧力を計測する真空計に関する。

静電容量式の隔膜真空計などの圧力センサは、ダイアフラム（隔膜）を含むセンサチップを測定対象のガスが流れる配管などに取り付けて、圧力を受けたダイアフラムのたわみ量、すなわち変位を静電容量値に変換し、静電容量値から圧力値を出力する。この圧力センサは、ガス種依存性が少ないことから、半導体設備をはじめ、工業用途で広く使用されている（特許文献１参照）。

上述した隔膜真空計などの圧力センサのセンサチップは、図５に示すように、絶縁体からなる基台４０１と、基台４０１の上に支持部４０１ａによって支持されて可動領域４０２ａで基台４０１と離間して配置され、可動領域４０２ａで基台４０１の方向に変位可能とされた絶縁体からなり、測定対象からの圧力を受けるダイアフラム４０２と、可動領域４０２ａにおけるダイアフラム４０２と基台４０１との間に形成された気密室４０３とを備える。各部分はサファイアから構成されている。

また、ダイアフラム４０２の可動領域４０２ａに形成された可動感圧電極４０４と、基台４０１の上に可動感圧電極４０４に向かい合って形成された固定感圧電極４０５とを備える。また、ダイアフラム４０２の可動領域４０２ａにおいて可動感圧電極４０４の周囲に形成された可動参照電極４０６と、固定感圧電極４０５の周囲の基台４０１の上に形成され、可動参照電極４０６に向かい合って形成された固定参照電極４０７とを備える。

以上のように構成されたセンサチップでは、可動感圧電極４０４と固定感圧電極４０５とで容量が形成される。ダイアフラム４０２が外部との圧力差により中央部が基台４０１の方向あるいは逆方向に変位すれば、可動感圧電極４０４と固定感圧電極４０５との間隔が変化し、これらの間の容量が変化する。この容量変化を検出すれば、ダイアフラム４０２に受けた圧力を検出することができる。

また、可動参照電極４０６と、固定参照電極４０７との間にも容量が形成される。ただし、可動参照電極４０６は、支持部４０１ａに近い所に設けられているため、ダイアフラム４０２の反りによる変位量は、より中央部に配置された可動感圧電極４０４より小さい。従って、固定参照電極４０７と可動参照電極４０６との間の容量変化を基準として固定感圧電極４０５と可動感圧電極４０４との間の容量変化をとらえることで、ダイアフラム４０２の変位量がばらつきを抑制して検出できるようになる。

ところで、ダイアフラムや基台を絶縁体から構成した場合、感圧電極と参照電極との間には、絶縁体の表面が露出することになる。この領域がセンサ稼働中に帯電することにより隔膜にクーロン力が作用する。上述した圧力センサで絶対圧を計測する場合は、ダイアフラムや基台の表面が真空に曝されるので、帯電電荷の漏えいがしにくい状況となる。低圧レンジを測定するなど高感度を必要とする場合、ダイアフラムが非常に薄いため、上述したクーロン力の影響により、センサ出力の誤差要因となりやすい。

ダイアフラムや基台を絶縁材料から構成し、例えばこれらの表面抵抗が１０¹⁴Ω／□以上の場合、感圧電極と参照電極の間隔が広いと、絶縁体表面の露出面積が多く、互いの表面の接近や接触ないしは交流駆動などで帯電しやすい。この結果、ダイアフラムに帯電によるクーロン力が作用する。ここで、参照電極の内径と感圧電極の外径との比率に対する上述した静電引力の大きさは、図６Ｂに示すように変化する。図６Ｂは、ダイアフラムの厚さが異なる２つの圧力センサの結果を示し、黒四角は、黒丸の厚さの０．８倍とされている。

図６Ｂからわかるように、内径と外形との比率が１に近いほど、言い換えると感圧電極と参照電極の間隔が小さいほど、静電引力の大きさが小さい。このため、図６Ａに示すように、感圧電極５０１と参照電極５０２との間隔を所定の範囲で狭くし、これらの間の領域が、容易に帯電しないように、あるいは帯電しても電荷が早期に漏えいするようにしている。

なお、上述した感圧電極と参照電極との間隔によって２つの電極間の表面抵抗値が決まるが、計測時に電極に印加される交流電圧の周期よりも時定数τが十分大きくなるように間隔の最小値を設計すればよい。感圧電極と参照電極の間の抵抗をＲ、静電容量をＣ、さらに計測電圧の交流の振動周期をＴ（振動数ｆの逆数）としたとき、ＲＣ≫Ｔであることが望ましい。

一方で、ダイアフラム表面への副生成物堆積は、センサ出力誤差発生の原因となることが知られているが、現在これを検知するために圧力センサのゼロ点容量値を監視している。この値がある閾値を超えた場合に、計測回路からアラームが発報されるように構成されている。このアラーム発報に伴い、エンドユーザ自身が判断し、圧力センサのゼロ点をリセットして調整している。ただし、調整可能範囲を超えた場合に、この操作は不可能となる。例えば、半導体製造プロセスなどでの真空計測誤差の増大といった不具合低減は特に重要であり、さらなる改善が求められている。

これに対し、図７Ａに示すように、感圧電極６０１の外径と参照電極６０２と内径との差を大きくすることで、図７Ｂに示すように、ダイアフラム表面に対する異物堆積がない場合の正常な圧力感度の値に対して、異物堆積による出力変化の割合が小さい（＝ＳＮ比が大きい）ことが判明している。なお、図７Ｂにおいても、ダイアフラムの厚さが異なる２つの圧力センサの結果を示し、黒四角は、黒丸の厚さの０．８倍とされている。なお、これは、感圧電極から計測される感圧容量値と参照電極から計測される参照容量値との差分をセンサ出力として用いる構成の場合である。

特許第３３３９５６５号公報

しかしながら、上述したように、帯電の問題に対しては、感圧電極の外径と参照電極の内径との差を小さくして感圧電極と参照電極との間隔を小さくしているが、異物堆積に対しては、感圧電極の外径と参照電極と内径との差を大きくしている。このため、単純には、帯電問題への対策と異物堆積への対策とが、相反する関係となっている。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、帯電による問題と異物堆積による問題との両者に対応できるようにすることを目的とする。

本発明に係る真空計は、絶縁体からなる基台と、基台の上に支持部によって支持されて可動領域で基台と離間して配置され、可動領域で基台の方向あるいは逆方向に変位可能とされた絶縁体からなり、測定対象からの圧力を受ける受圧部と、可動領域における受圧部と基台との間に形成された圧力室と、圧力室の内部で受圧部の可動領域および基台の上の各々に、互いに向かい合って形成された感圧電極と、圧力室の内部で受圧部の可動領域および基台の上の各々の、感圧電極が形成されていない領域で互いに向かい合って形成された参照電極とを備え、受圧部の可動領域および基台の上の少なくとも一方の感圧電極は、圧力室の中央部に配置された中央部分と、中央部分より中心部より離れる方向に放射状に延びた複数の羽根部とから構成され、受圧部の可動領域および基台の上の少なくとも一方の参照電極は、圧力室の周縁部に配置された周縁部分と、周縁部分より複数の羽根部の間の領域に入り込む状態に配置された複数の突入部分とから構成され、複数の羽根部と複数の突入部分とは、咬合する状態に配置されている。

上記真空計において、受圧部の可動領域および基台の上の両方の感圧電極は、中央部分と、複数の羽根部とから構成され、受圧部の可動領域および基台の上の両方の参照電極は、周縁部分と、複数の突入部分とから構成されている。

上記真空計において、受圧部の可動領域および基台の上の一方の感圧電極は、中央部分と、複数の羽根部とから構成され、受圧部の可動領域および基台の上の一方の参照電極は、周縁部分と、複数の突入部分とから構成され、受圧部の可動領域および基台の上の他方の感圧電極および参照電極は、一体に形成されているようにしてもよい。

上記真空計において、複数の羽根部および複数の突入部分は、周方向に等しい間隔で形成されているとよい。

上記真空計において、感圧電極および参照電極は、回転対称に形成されているとよい。

上記真空計において、複数の羽根部と複数の突入部分とは、等しい面積とされているとよい。

上記真空計において、複数の羽根部および複数の突入部は、各々偶数設けられている。

上記真空計において、中央部分は、円形状に形成されている。

上記真空計において、羽根部は、扇状に形成されている。

上記真空計において、周縁部分は、円環状に形成されている。

以上説明したことにより、本発明によれば、帯電による問題と異物堆積による問題との両者に対応できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における真空計の構成を示す断面図である。図２Ａは、本発明の実施の形態における真空計の一部構成を示す平面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態における真空計の一部構成を示す平面図である。図２Ｃは、本発明の実施の形態における真空計の一部構成を示す平面図である。図３は、本発明の実施の形態における他の真空計の一部構成を示す平面図である。図４は、本発明の実施の形態における他の真空計の一部構成を示す平面図である。図５は、一般的な真空計の構成を示す斜視図である。図６Ａは、真空計の一部構成を示す平面図である。図６Ｂは、参照電極の内径と感圧電極の外径との比率に対するダイアフラムに作用する静電引力の変化を示す特性図である。図７Ａは、真空計の一部構成を示す平面図である。図７Ｂは、参照電極の内径と感圧電極の外径との比率に対する異物堆積の影響の変化を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態おける真空計について図１、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃを参照して説明する。この真空計は、基台１０１、ダイアフラム１０２、圧力室１０３、感圧電極１０４、参照電極１０５を備える。

受圧部となるダイアフラム１０２は、絶縁体からなる基台１０１の上に支持部１０１ａによって支持されて可動領域１０２ａで基台１０１と離間して配置されている。ダイアフラム１０２は、可動領域１０２ａの外側の接合領域１０２ｂで、支持部１０１ａの上面に接合されている。また、ダイアフラム１０２は、可動領域１０２ａで基台１０１の方向あるいは逆方向に変位可能とされ、測定対象からの圧力を受ける。この例では、ダイアフラム１０２および可動領域１０２ａは、平面視で円形に形成している。また、圧力室１０３も、平面視で略円形としている。

ダイアフラム１０２も、基台１０１と同様に絶縁体から構成されている。基台１０１およびダイアフラム１０２は、例えば、サファイアやアルミナセラミックから構成されている。なお、ダイアフラム１０２と支持部１０１ａとを一体に形成し、支持部１０１ａの下面を、基台１０１に接合する構成としてもよい。

可動領域１０２ａにおけるダイアフラム１０２と基台１０１との間に圧力室１０３が形成され、圧力室１０３の内部に、感圧電極１０４、参照電極１０５が形成されている。感圧電極１０４と参照電極１０５とは、絶縁分離されている。感圧電極１０４は、感圧固定電極１０４ａおよび感圧可動電極１０４ｂから構成され、これらが、基台１０１およびダイアフラム１０２の可動領域１０２ａの上の各々に、互いに向かい合って形成されている。感圧固定電極１０４ａと感圧可動電極１０４ｂとは、例えば、平面視で同一の形状とされている。なお、感圧固定電極１０４ａと感圧可動電極１０４ｂとは、同じ大きさ（面積）である必要は無い。

感圧可動電極１０４ｂは、ダイアフラム１０２の可動領域１０２ａに形成されている。感圧固定電極１０４ａは、基台１０１の上に感圧可動電極１０４ｂに向かい合って形成されている。よく知られているように、静電容量式の真空計は、感圧固定電極１０４ａと感圧可動電極１０４ｂとの間に形成される容量の変化により、ダイアフラム１０２の受圧領域で受けた圧力を測定する。

参照電極１０５は、参照固定電極１０５ａおよび参照可動電極１０５ｂから構成され、これらが、圧力室１０３の内部でダイアフラム１０２の基台１０１および可動領域１０２ａの上の各々の、感圧電極１０４が形成されていない領域で互いに向かい合って形成されている。参照固定電極１０５ａと参照可動電極１０５ｂとは、例えば、平面視で同一の形状とされている。なお、参照固定電極１０５ａと参照可動電極１０５ｂとは、同じ大きさ（面積）である必要は無い。

ここで、図２Ａに示すように、感圧電極１０４（感圧固定電極１０４ａ，感圧可動電極１０４ｂの各々）は、圧力室１０３の中央部に配置された中央部分１４１と、中央部分１４１より中心部より離れる方向に放射状に延びた複数の羽根部１４２とから構成されている。この例では、複数の羽根部１４２を、周方向に等しい間隔で形成している。また、この例では、平面視円形のダイアフラム１０２（可動領域１０２ａ）の形状に合わせ、中央部分１４１は、円形に形成し、羽根部１４２は、扇状に形成している。

また、図２Ｂに示すように、参照電極１０５（参照固定電極１０５ａ，参照可動電極１０５ｂの各々）は、圧力室１０３の周縁部に配置された周縁部分１５１と、周縁部分１５１より複数の突入部分１５２とから構成されている。この例では、複数の突入部分１５２を、周方向に等しい間隔で形成している。また、周縁部分１５１は、ダイアフラム１０２や可動領域１０２ａの形状に合わせて円環状に形成している。

図２Ｃに示すように、複数の突入部分１５２は、複数の羽根部１４２の間の領域に入り込む状態に配置され、複数の羽根部１４２と複数の突入部分１５２とは、咬合する状態に配置されている。なお、複数の羽根部１４２と複数の突入部分１５２とは、等しい面積とされているとよい。参照電極に対する感圧電極の信号比率の調整が容易となる。

また、この真空計は、圧力値出力部１０８を備える。圧力値出力部１０８は、参照固定電極１０５ａと参照可動電極１０５ｂとの間の容量を基準とし、ダイアフラム１０２の反り（変位）による感圧固定電極１０４ａと感圧可動電極１０４ｂとの間の容量変化を検出する。圧力値出力部１０８は、検出した容量変化を、設定されているセンサ感度を用いて圧力値に変換して出力する。

上述した実施の形態によれば、感圧電極１０４の複数の羽根部１４２と、参照電極１０５の複数の突入部分１５２とを、互いに入り組んだ形状としているので、感圧電極１０４と参照電極１０５との間の差分において、双方の電極の中間領域成分が相殺される。この結果、静電引力の影響を低減でき、圧力感度を下げることなく、異物堆積による影響が低減できるようになる。

なお、上述では、４つの羽根部１４２および４つの突入部分１５２から構成したが、これに限るものではない。図３に示すように、まず、感圧電極は、中央部分２４１より周方向に等しい間隔で、中心部より離れる方向に放射状に延びた８つの羽根部２４２を設ける形状としてもよい。また、参照電極は、周縁部分２５１より周方向に等しい間隔で配置された８の突入部分２５２を設ける形状としてもよい。

また、ダイアフラム（可動領域）は、平面視円形に限るものではなく、平面視矩形としてもよく、この場合、図４に示すように、まず、感圧電極は、矩形状の中央部分３４１より中心部より離れる方向に放射状に延びた複数の羽根部３４２を設けた形状としてもよい。また、参照電極は、矩形の枠状の周縁部分３５１より複数の突入部分３５２を設けるようにしてもよい。この場合においても、複数の突入部分３５２は、複数の羽根部３４２の間の領域に入り込む状態に配置され、複数の羽根部３４２と複数の突入部分３５２とは、咬合する状態に配置されている。この例において、羽根部３４２および突入部分３５２の各々は、正方形とされたダイアフラムの中心と頂点とを通る線に対して線対称な形状とされている。

なお、いずれにおいても、感圧電極および参照電極は、回転対称に形成されていればよい。また、複数の羽根部および複数の突入部は、各々偶数設けられているとよい。感圧電極および参照電極が形成されたダイアフラムが、ダイアフラム中心に対して均一に圧力が加わり、受圧によりダイアフラム中心に対して均一に変形可能な状態とされていればよい。

また、上述した実施の形態では、受圧部の可動領域および基台の上の両方の感圧電極を、中央部分と、複数の羽根部とから構成し、受圧部の可動領域および基台の上の両方の参照電極を、周縁部分と、複数の突入部分とから構成したが、これに限るものではない。受圧部の可動領域および基台の上の少なくとも一方の感圧電極を、中央部分と羽根部とから構成し、受圧部の可動領域および基台の上の少なくとも一方の参照電極を、周縁部分と複数の突入部分とから構成すればよい。

例えば、受圧部の可動領域および基台の上の一方の感圧電極は、中央部分と、複数の羽根部とから構成し、受圧部の可動領域および基台の上の一方の参照電極は、周縁部分と、複数の突入部分とから構成し、受圧部の可動領域および基台の上の他方の感圧電極および参照電極は、一体に形成されているようにしてもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、感圧電極を円形の中央部分と複数の羽根部とから構成し、参照電極を周縁部分と複数の突入部分とから構成し、複数の羽根部と、突入部分を、互いに入り組んだ形状としたので、帯電による問題と異物堆積による問題との両者に対応できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基台、１０１ａ…支持部、１０２…ダイアフラム、１０２ａ…可動領域、１０２ｂ…接合領域、１０３…圧力室、１０４…感圧電極、１０４ａ…感圧固定電極、１０４ｂ…感圧可動電極、１０５…参照電極、１０５ａ…参照固定電極、１０５ｂ…参照可動電極、１０８…圧力値出力部、１４１…中央部分、１４２…羽根部、１５１…周縁部分、１５２…突入部分。

Claims

絶縁体からなる基台と、
前記基台の上に支持部によって支持されて可動領域で前記基台と離間して配置され、前記可動領域で前記基台の方向あるいは逆方向に変位可能とされた絶縁体からなり、測定対象からの圧力を受ける受圧部と、
前記可動領域における前記受圧部と前記基台との間に形成された圧力室と、
前記圧力室の内部で前記受圧部の前記可動領域および前記基台の上の各々に、互いに向かい合って形成された感圧電極と、
前記圧力室の内部で前記受圧部の前記可動領域および前記基台の上の各々の、前記感圧電極が形成されていない領域で互いに向かい合って形成された参照電極と
を備え、
前記受圧部の前記可動領域および前記基台の上の少なくとも一方の前記感圧電極は、前記圧力室の中央部に配置された中央部分と、前記中央部分より中心部より離れる方向に放射状に延びた複数の羽根部とから構成され、
前記受圧部の前記可動領域および前記基台の上の少なくとも一方の前記参照電極は、前記圧力室の周縁部に配置された周縁部分と、前記周縁部分より前記複数の羽根部の間の領域に入り込む状態に配置された複数の突入部分とから構成され、
前記複数の羽根部と前記複数の突入部分とは、互いに咬合する状態に配置され、
前記複数の羽根部の面積と前記複数の突入部分の面積とは、互いに等しい面積とされている
ことを特徴とする真空計。
請求項１記載の真空計において、
前記受圧部の前記可動領域および前記基台の上の両方の前記感圧電極は、前記中央部分と、前記複数の羽根部とから構成され、
前記受圧部の前記可動領域および前記基台の上の両方の前記参照電極は、前記周縁部分と、前記複数の突入部分とから構成されている
ことを特徴とする真空計。
請求項１記載の真空計において、
前記受圧部の前記可動領域および前記基台の上の一方の前記感圧電極は、前記中央部分と、前記複数の羽根部とから構成され、
前記受圧部の前記可動領域および前記基台の上の一方の前記参照電極は、前記周縁部分と、前記複数の突入部分とから構成され、
前記受圧部の前記可動領域および前記基台の上の他方の前記感圧電極および前記参照電極は、一体に形成されている
ことを特徴とする真空計。
請求項１～３のいずれか１項に記載の真空計において、
前記複数の羽根部および前記複数の突入部分は、周方向に等しい間隔で形成されていることを特徴とする真空計。
請求項４記載の真空計において、
前記感圧電極および前記参照電極は、回転対称に形成されていることを特徴とする真空計。
請求項１～５のいずれか１項に記載の真空計において、
前記複数の羽根部および前記複数の突入部分は、各々偶数設けられていることを特徴とする真空計。
請求項１～６のいずれか１項に記載の真空計において、
前記中央部分は、円形状に形成されていることを特徴とする真空計。
請求項１～７のいずれか１項に記載の真空計において、
前記羽根部は、扇状に形成されていることを特徴とする真空計。
請求項１～８のいずれか１項に記載の真空計において、
前記周縁部分は、円環状に形成されていることを特徴とする真空計。