JPH10293077A - Wide-range pressure gage - Google Patents
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- JPH10293077A JPH10293077A JP9102239A JP10223997A JPH10293077A JP H10293077 A JPH10293077 A JP H10293077A JP 9102239 A JP9102239 A JP 9102239A JP 10223997 A JP10223997 A JP 10223997A JP H10293077 A JPH10293077 A JP H10293077A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、１気圧から0.01Ｐ
ａまでの気体圧力を測ることができる圧力計に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a pressure of 1 atm to 0.01 p.
The present invention relates to a pressure gauge capable of measuring a gas pressure up to a.
【０００２】[0002]
【従来の技術】低真空から高真空の圧力範囲を測る際に
用いられる圧力計（真空計）として、次のようなものが
知られている。ダイアフラム圧力計は、圧力によるセン
サー部の変形を利用している。圧力指示の時間的遅れが
少なく、かなり高感度なものもある。動作圧力範囲は常
圧から100Ｐａ程度である。2. Description of the Related Art The following is known as a pressure gauge (vacuum gauge) used for measuring a pressure range from a low vacuum to a high vacuum. Diaphragm pressure gauges utilize the deformation of the sensor due to pressure. Some of the pressure indications have little time delay and are quite sensitive. The operating pressure range is from normal pressure to about 100 Pa.
【０００３】ピラニー真空計は、発熱体の熱損失、換言
すれば気体による熱伝導が圧力により異なることを利用
している。発熱体の温度による抵抗変化を測定している
ため、気体分子の平均自由行程が短いような圧力範囲で
は気体分子による熱伝導が一定となり、このことが動作
圧力範囲の上限を与える。また、熱伝導に関わる気体粒
子数が少なければ発熱体の温度変化が小さくなり、この
ことが動作圧力範囲の下限を与える。動作圧力範囲は、
一般には、1000Ｐａから１Ｐａである。[0003] The Pirani vacuum gauge utilizes the fact that the heat loss of the heating element, in other words, the heat conduction by the gas differs depending on the pressure. Since the resistance change due to the temperature of the heating element is measured, the heat conduction by the gas molecules is constant in a pressure range where the mean free path of the gas molecules is short, and this gives the upper limit of the operating pressure range. Also, if the number of gas particles involved in heat conduction is small, the temperature change of the heating element is small, which gives a lower limit of the operating pressure range. The operating pressure range is
Generally, it is 1000 Pa to 1 Pa.
【０００４】ペニング真空計は、気体分子が放電により
生じる電子と衝突する際にイオンが生成するので、この
イオン電流を測定することによって圧力を測定するもの
である。低い圧力においても、気体分子と電子との衝突
確率を高くして大きなイオン電流を得るために、電子の
軌道を磁場により曲げることで飛行距離を伸ばしてい
る。動作圧力範囲は１Ｐａから10-5Ｐａである。In the Penning vacuum gauge, ions are generated when gas molecules collide with electrons generated by discharge, and the pressure is measured by measuring the ion current. Even at a low pressure, in order to increase the probability of collision between gas molecules and electrons and obtain a large ion current, the flight distance is extended by bending the trajectory of the electrons by a magnetic field. The operating pressure range is from 1 Pa to 10 -5 Pa.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の圧力計
では、それぞれ動作可能な圧力範囲が限定されているた
め、常圧から10-2Ｐａ程度までの広範囲の圧力を測定す
るためには、これらの圧力計をリレーする必要があっ
た。従って、圧力容器または真空容器に、ダイアフラム
圧力計、ピラニー真空計及びペニング真空計を取り付け
るためのアダプターを用意しなければならず、さらに、
これらをリレーするための測定系を新たに設けなければ
ならなかった。In the above-mentioned conventional pressure gauges, the operable pressure ranges are respectively limited. Therefore, in order to measure a wide range of pressure from normal pressure to about 10 −2 Pa, These pressure gauges needed to be relayed. Therefore, an adapter for attaching a diaphragm pressure gauge, a Pirani gauge and a Penning gauge to a pressure vessel or a vacuum vessel must be prepared, and
A new measurement system for relaying them had to be provided.
【０００６】また、これらの圧力計は、圧力による弾性
変形や電気的変化を検知して圧力を知る二次圧力計に分
類されるので、絶対圧力計による校正を必要とするが、
各々校正の基準が異なる。従って、例えば１つの画面上
に圧力値（真空度）をスムーズに表示するのは難しい。
本発明は、１つの圧力計で常圧から10-2Ｐａ程度までの
広範囲の圧力を測定することができる計器を提供するこ
とを目的とする。[0006] These pressure gauges are classified as secondary pressure gauges that detect elastic deformation or electrical change due to pressure and know the pressure. Therefore, calibration with an absolute pressure gauge is required.
Each has different calibration standards. Therefore, for example, it is difficult to smoothly display a pressure value (degree of vacuum) on one screen.
An object of the present invention is to provide an instrument that can measure a wide range of pressure from normal pressure to about 10 −2 Pa with one manometer.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、
「振動子と、前記振動子にその共振周波数付近の振動を
与えるための励振子と、前記振動子の周囲の圧力変化に
よる前記振動子の振動状態の変化を検出するための圧電
または電歪特性を有する検出子と、を備えた」広範囲圧
力計である。Means for Solving the Problems Claim 1 of the present invention is as follows.
"A vibrator, an exciter for giving the vibrator a vibration near its resonance frequency, and a piezoelectric or electrostrictive characteristic for detecting a change in the vibration state of the vibrator due to a pressure change around the vibrator. And a detector having the following formula:
【０００８】本発明の請求項２は、「振動子と、前記振
動子にその共振周波数付近の振動を与えるための励振子
と、前記振動子の周囲の圧力変化による前記振動子の振
動状態の変化を検出するための光てこと、を備えた」広
範囲圧力計である。本発明の請求項３は、「振動子と、
前記振動子にその共振周波数付近の振動を与えるための
励振子と、前記振動子の周囲の圧力変化による前記振動
子の振動状態の変化を検出するための光波干渉計と、を
備えた」広範囲圧力計である。According to a second aspect of the present invention, a vibrator, an exciter for applying vibration to the vibrator near its resonance frequency, and a vibrating state of the vibrator due to a pressure change around the vibrator. A wide-range manometer with a light tip to detect changes. Claim 3 of the present invention relates to "a vibrator,
An exciter for giving a vibration near the resonance frequency to the vibrator, and a light wave interferometer for detecting a change in the vibration state of the vibrator due to a pressure change around the vibrator. It is a pressure gauge.
【０００９】上記の振動子の振動状態は、周囲の圧力変
化に応じて、振動周波数の位相の変化、振幅の変化また
は機械的品質係数の変化として測定されるので、これら
の検出値から逆に振動子周辺の圧力値（真空度）を知る
ことができる。The vibration state of the vibrator is measured as a change in the phase of the vibration frequency, a change in the amplitude, or a change in the mechanical quality factor in accordance with a change in the surrounding pressure. The pressure value (degree of vacuum) around the vibrator can be known.
【００１０】[0010]
【発明の実施の形態】図４は、本発明の実施の形態に係
る広範囲圧力計に備えられる圧力検出部の構造を示す斜
視図であり、圧力検出部は、以下の各部分から構成され
ている。振動子１は、支持部２から突出したいわゆる片
持ち梁である。振動子１と支持部２は一体となってお
り、いずれもシリコンの単結晶ウェハをリソグラフィー
と異方性エッチングとによって加工される。振動子１は
支持部２に比べて、厚さは十分に薄く、幅は一段と狭く
作製される。FIG. 4 is a perspective view showing the structure of a pressure detector provided in a wide-range pressure gauge according to an embodiment of the present invention. The pressure detector comprises the following components. I have. The vibrator 1 is a so-called cantilever projecting from the support 2. The vibrator 1 and the supporting portion 2 are integrated, and both are processed by lithography and anisotropic etching of a single crystal silicon wafer. The vibrator 1 is made sufficiently thinner and narrower in width than the support 2.
【００１１】支持部２は、基体部３から突出しており、
支持部２と基体部３は一体となっている。つまり、振動
子１、支持部２及び基体部３の全部は、シリコン製で一
体構造を成している。支持部２の下面には、励振子４が
取り付けられ、これによって振動子１に振動が与えられ
る。励振子４は、圧電特性を有する約１mmの厚さの薄板
と電極から構成されており、接着によって支持部２の下
面に取り付けられる。The support 2 protrudes from the base 3,
The support part 2 and the base part 3 are integrated. That is, all of the vibrator 1, the support portion 2, and the base portion 3 are made of silicon and have an integrated structure. An exciter 4 is attached to the lower surface of the support portion 2, whereby vibration is applied to the vibrator 1. The exciter 4 is composed of a thin plate having a piezoelectric property and a thickness of about 1 mm and an electrode, and is attached to the lower surface of the support 2 by bonding.
【００１２】振動子１の上面には、圧電薄膜６と電極か
ら成る検出子５が形成され、出力される圧電応答によっ
て振動子１の振動状態が検出される。検出子５は、圧電
薄膜６を上部電極７と下部電極（図４には示されない）
とで挟持した構成になっている。取り出し電極９ａは、
下部電極と導通している。なお、図４は、振動子の振動
状態の検出に検出子を用いる圧力検出部を示したもので
あり、検出子５は、他の検出手段を用いる場合には不必
要である。A detector 5 comprising a piezoelectric thin film 6 and electrodes is formed on the upper surface of the vibrator 1, and the vibration state of the vibrator 1 is detected by the output piezoelectric response. The detector 5 is composed of a piezoelectric thin film 6 and an upper electrode 7 and a lower electrode (not shown in FIG. 4).
It is configured to be sandwiched between. The extraction electrode 9a
Conducted with the lower electrode. FIG. 4 shows a pressure detecting unit that uses a detector to detect the vibration state of the vibrator, and the detector 5 is unnecessary when other detecting means is used.
【００１３】図１は、検出子によって振動子（片持ち
梁）の振動状態を検出する広範囲圧力計の全体構成を示
す概略図である。広範囲圧力計１１は、真空槽の内部に
設置される圧力検出部１０と真空槽の外部に設置される
電気回路から構成される。図１では簡単のため、主要構
成要素たる振動子１、支持部２、励振子４及び検出子５
のみを図示してある。FIG. 1 is a schematic diagram showing an entire configuration of a wide-range pressure gauge for detecting a vibration state of a vibrator (cantilever) by a detector. The wide-range pressure gauge 11 includes a pressure detector 10 installed inside the vacuum chamber and an electric circuit installed outside the vacuum chamber. In FIG. 1, for simplicity, the vibrator 1, the support 2, the exciter 4, and the detector 5, which are main components, are illustrated.
Only one is shown.
【００１４】振動子１が励振子４によって振動すると撓
み変形が生じ、振動子１の上面に設けられた検出子５に
電荷が誘起される。この誘起電荷は撓み変形量に比例す
る。電気回路は、励振子４に正弦電圧を印加するための
ファンクションジェネレーター、検出子５に誘起された
電圧信号を電流信号に変換するための電流電圧変換器、
及び電流電圧変換器から出力された電流信号のうち励振
周波数よりも低周波成分を分離するためのロックインア
ンプ等から成り立っている。When the vibrator 1 is vibrated by the exciter 4, bending deformation occurs, and electric charges are induced on the detector 5 provided on the upper surface of the vibrator 1. This induced charge is proportional to the amount of bending deformation. The electric circuit includes a function generator for applying a sine voltage to the exciter 4, a current-voltage converter for converting a voltage signal induced by the detector 5 into a current signal,
And a lock-in amplifier for separating a lower frequency component than the excitation frequency in the current signal output from the current-voltage converter.
【００１５】図２は、光てこによって振動子の振動状態
を検出する広範囲圧力計の全体構成を示す概略図であ
る。広範囲圧力計１２は、真空槽の内部に設置される圧
力検出部１０ａと真空槽の外部に設置される電気回路か
ら構成される。広範囲圧力計１２が図１の広範囲圧力計
１１と異なる点は、圧力検出部１０ａが検出子５を備え
ず、振動子１の振動による変位を別の方法で検知する点
である。すなわち、レーザー光源から振動子１の先端部
にレーザー光を照射し、反射したレーザー光（反射光）
を２分割フォトダイオード２１で検出する。電気回路
は、図１と同様に、ファンクションジェネレーター、電
流電圧変換器及びロックインアンプ等から成り立ってい
る。FIG. 2 is a schematic diagram showing the entire configuration of a wide-range pressure gauge for detecting the vibration state of the vibrator by using an optical lever. The wide-range pressure gauge 12 includes a pressure detector 10a installed inside the vacuum chamber and an electric circuit installed outside the vacuum chamber. The wide-range pressure gauge 12 is different from the wide-range pressure gauge 11 in FIG. 1 in that the pressure detection unit 10a does not include the detector 5, and detects displacement due to vibration of the vibrator 1 by another method. That is, laser light is irradiated from the laser light source to the tip of the vibrator 1 and reflected by the laser light (reflected light).
Is detected by the two-division photodiode 21. The electric circuit includes a function generator, a current-voltage converter, a lock-in amplifier, and the like, as in FIG.
【００１６】図３は、光波干渉計によって振動子の振動
状態を検出する圧力計の全体構成を示す概略図である。
広範囲圧力計１３は、真空槽の内部に設置される圧力検
出部１０ａと真空槽の外部に設置される電気回路から構
成される。広範囲圧力計１３が図１の広範囲圧力計１１
と異なる点は、圧力検出部１０ａが検出子５を備えず、
振動子１の振動による変位を別の方法で検知する点であ
る。すなわち、レーザー光を偏光分離素子（不図示）に
より２つに分離し、一方を光ファイバー２２で導入して
振動子１の先端部に垂直に照射し、その反射光を光ファ
イバー２２で取り入れる。この反射光を偏光分離素子に
より分離した他方の光（参照光）と多重干渉させ、振動
子１の変位及び振動状態を測定する。FIG. 3 is a schematic diagram showing the overall configuration of a pressure gauge for detecting the vibration state of a vibrator by a light wave interferometer.
The wide-range pressure gauge 13 includes a pressure detector 10a installed inside the vacuum chamber and an electric circuit installed outside the vacuum chamber. The wide range pressure gauge 13 corresponds to the wide range pressure gauge 11 of FIG.
The difference is that the pressure detector 10a does not include the detector 5,
The point is that displacement due to vibration of the vibrator 1 is detected by another method. That is, the laser light is split into two by a polarization splitting element (not shown), one of which is introduced by an optical fiber 22 and vertically irradiated on the tip of the vibrator 1, and the reflected light is taken in by the optical fiber 22. The reflected light is subjected to multiple interference with the other light (reference light) separated by the polarization separation element, and the displacement and the vibration state of the vibrator 1 are measured.
【００１７】電気回路は、図１と同様に、ファンクショ
ンジェネレーター、電流電圧変換器及びロックインアン
プ等から成り立っている。図５は、図４に示した圧力検
出部１０の作製過程を示す概略工程図である。実際の製
造では、１枚のシリコンウェハに多数の圧力検出部を一
括して作るが、本図では１個のみの作製過程を示す。
尚、以下の括弧内の数字は、図５の（１）〜（６）の数
字に対応するものであり、工程順を表す。各工程で示す
上下２つの図は、一方が平面図、他方が断面図である。
また、図２及び図３に示した圧力検出部１０ａの作製過
程では、図５の（６）の工程は省略される。The electric circuit is composed of a function generator, a current-voltage converter, a lock-in amplifier and the like as in FIG. FIG. 5 is a schematic process diagram showing a manufacturing process of the pressure detector 10 shown in FIG. In actual manufacturing, a large number of pressure detecting units are collectively formed on one silicon wafer, but only one manufacturing process is shown in FIG.
The numbers in parentheses below correspond to the numbers (1) to (6) in FIG. 5 and represent the order of the steps. Of the upper and lower figures shown in each step, one is a plan view and the other is a cross-sectional view.
In the process of manufacturing the pressure detecting unit 10a shown in FIGS. 2 and 3, the step (6) in FIG. 5 is omitted.
【００１８】（１）（１００）単結晶シリコンウェハの
一部分たる基体部３の両面にＣＶＤ（Chemical Vapor D
eposition)法により、厚さ 0.3μm の窒化シリコン膜８
を形成する。 （２）基体部３の下面にバックエッチングパターンを形
成し、反応性イオンエッチングで窒化シリコン膜８の一
部をエッチングにより除去してシリコンを露出させる。(1) CVD (Chemical Vapor D) is applied to both sides of the base 3 which is a part of the (100) single crystal silicon wafer.
0.3 μm thick silicon nitride film 8
To form (2) A back etching pattern is formed on the lower surface of the base portion 3, and a part of the silicon nitride film 8 is removed by reactive ion etching to expose silicon.
【００１９】（３）水酸化カリウム溶液で、シリコンの
露出部分の異方性エッチングを行い下方から深さ方向に
シリコンを除去する。 （４）基体部３の上面にバックエッチングパターンを形
成し、反応性イオンエッチングで窒化シリコン膜８の一
部を除去してシリコンを露出させる。これによって、振
動子１と支持部２の上面の形状が得られる。(3) Anisotropic etching of the exposed silicon is performed with a potassium hydroxide solution to remove silicon from below in the depth direction. (4) A back etching pattern is formed on the upper surface of the base 3, and a portion of the silicon nitride film 8 is removed by reactive ion etching to expose silicon. Thereby, the shapes of the upper surfaces of the vibrator 1 and the support 2 are obtained.
【００２０】（５）基体部３の両面に露出したシリコン
を、異方性エッチングにより、基体部３の上下両方向か
ら貫通するようにシリコンを除去する。振動子１の上面
側には窒化シリコン膜が形成されたままなので、下方か
らの異方性エッチングのみによって振動子１は厚さを減
少させてゆく。振動子１の厚さが所定の厚さになったと
きに、異方性エッチングを終了する。これによって、圧
力検出部１０の外形が完成する。(5) The silicon exposed on both surfaces of the base portion 3 is removed by anisotropic etching so as to penetrate the base portion 3 from both upper and lower directions. Since the silicon nitride film is still formed on the upper surface side of the vibrator 1, the vibrator 1 is reduced in thickness only by anisotropic etching from below. When the thickness of the vibrator 1 reaches a predetermined thickness, the anisotropic etching is completed. Thus, the outer shape of the pressure detecting unit 10 is completed.
【００２１】（６）圧力検出部１０の上面全体に、スパ
ッタリング法により、厚さ200nm のＰｔ／Ｔａ合金薄膜
を形成し、これを下部電極９とする。スパッタリング
は、温度 400℃、処理室内の圧力 0.2Ｐａのアルゴンガ
ス中で行い、白金ターゲットとタンタルターゲットから
それぞれ白金とタンタルの原子を叩き出し、圧力検出部
１０の上面全体に堆積させる。(6) A Pt / Ta alloy thin film having a thickness of 200 nm is formed on the entire upper surface of the pressure detector 10 by a sputtering method, and this is used as the lower electrode 9. The sputtering is performed in an argon gas at a temperature of 400 ° C. and a pressure of 0.2 Pa in the processing chamber, and atoms of platinum and tantalum are beaten out from a platinum target and a tantalum target, respectively, and are deposited on the entire upper surface of the pressure detection unit 10.
【００２２】次に、下部電極９の上に、スパッタリング
法により、厚さ１μm のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）薄膜（圧電薄膜６）を形成する。スパッタリング
は、温度400℃、処理室内の圧力 0.8Ｐａ、酸素ガスと
アルゴンガスの体積比率が１対９の条件で行い、チタン
ターゲット、ジルコニウムターゲット及び鉛ターゲット
から各々チタン、ジルコニウム及び鉛の各原子を叩き出
し、雰囲気中又は被処理物の表面上で各々の酸化物を形
成させ、複合酸化物であるＰＺＴ薄膜を堆積させる。続
いて、ＰＺＴ薄膜を、温度 650℃、圧力１atm で１時間
アニールする。Next, a 1 μm thick lead zirconate titanate (PZ) is formed on the lower electrode 9 by sputtering.
T) Form a thin film (piezoelectric thin film 6). The sputtering was performed at a temperature of 400 ° C., a pressure of 0.8 Pa in the processing chamber, and a volume ratio of oxygen gas to argon gas of 1: 9, and titanium, zirconium, and lead atoms were respectively obtained from a titanium target, a zirconium target, and a lead target. The respective oxides are formed by punching out, in the atmosphere or on the surface of the object to be treated, and a PZT thin film as a composite oxide is deposited. Subsequently, the PZT thin film is annealed at a temperature of 650 ° C. and a pressure of 1 atm for 1 hour.
【００２３】このＰＺＴ薄膜の一部分（ほぼ振動子の部
分）に、蒸着法により、厚さ 100nmのＡｕ薄膜を形成
し、これを上部電極７とする。また、下部電極９と導通
した取り出し電極９ａを、基体部２上のＰＺＴ薄膜の上
に設ける。以上の工程で作製した振動子１の大きさは、
長さ 850μm 、幅 200μm 、厚さ15μm である。尚、圧
電薄膜６は、室温においてＤＣ９Ｖ（電界９ｋＶ／mm）
の条件で分極処理を施した。An Au thin film having a thickness of 100 nm is formed on a part of the PZT thin film (substantially the vibrator part) by a vapor deposition method. Further, an extraction electrode 9a electrically connected to the lower electrode 9 is provided on the PZT thin film on the base portion 2. The size of the vibrator 1 manufactured in the above steps is
The length is 850 μm, the width is 200 μm, and the thickness is 15 μm. The piezoelectric thin film 6 has a DC voltage of 9 V (electric field of 9 kV / mm) at room temperature.
The polarization treatment was performed under the following conditions.
【００２４】（７）上記（１）〜（６）の工程で作製し
た圧力検出部１０において、支持部２の下面に、電極の
付いたチタン酸ジルコン酸鉛の薄板（厚さ約１mm）を接
着によって取り付け、これを励振子４とする。以上の工
程で作製された圧力検出部を広範囲圧力計に用いたとき
の圧力測定の原理を以下に説明する。(7) In the pressure detecting section 10 manufactured in the above steps (1) to (6), a thin plate (about 1 mm thick) of lead zirconate titanate with electrodes is provided on the lower surface of the support section 2. The exciter 4 is attached by bonding. The principle of pressure measurement when the pressure detection unit manufactured in the above steps is used for a wide range pressure gauge will be described below.
【００２５】（実施の形態１）・・・検出子を用いる場
合 図１を参照して、振動子の振動状態の検出に圧電薄膜の
検出子を用いた広範囲圧力計の動作を説明する。支持部
２の下面に取り付けられた励振子４に、ファンクション
ジェネレーターで生成した正弦電圧を印加し、振動子１
を共振周波数付近で振動させる。このときの振動状態
は、振動子１の上面に設けられた検出子５により電圧信
号として検出される。振動子１の振動周波数が振動子の
寸法で定まる共振周波数と一致すると、励振用の入力信
号と振動状態を反映する出力信号との位相差は９０度と
なる。つまり、励振子４の電圧の波形と検出子５により
検出された電圧の波形では９０度の位相差が生じる。(Embodiment 1)... Using a detector An operation of a wide-range pressure gauge using a piezoelectric thin-film detector for detecting the vibration state of a vibrator will be described with reference to FIG. The sine voltage generated by the function generator is applied to the exciter 4 attached to the lower surface of the
Is vibrated near the resonance frequency. The vibration state at this time is detected as a voltage signal by the detector 5 provided on the upper surface of the vibrator 1. When the vibration frequency of the vibrator 1 matches the resonance frequency determined by the size of the vibrator, the phase difference between the input signal for excitation and the output signal reflecting the vibration state becomes 90 degrees. That is, a 90 ° phase difference occurs between the waveform of the voltage of the exciter 4 and the waveform of the voltage detected by the detector 5.
【００２６】検出子５に誘起された電圧信号は、電流電
圧変換器により電流信号に変換され、電流電圧変換器か
ら出力された電流信号のうち励振周波数よりも低周波成
分はロックインアンプにより分離され、振動子１の振動
状態が正確に得られる。共振周波数は圧力に依存して変
化するため、振動子１の振動周波数をある圧力下におけ
る共振周波数に固定すると、この振動周波数は、圧力の
変化に伴い、固定された共振周波数からシフトしてゆ
く。従って、９０度であった位相差が９０度から変化し
てゆく。The voltage signal induced in the detector 5 is converted into a current signal by a current-to-voltage converter, and a frequency component lower than the excitation frequency of the current signal output from the current-to-voltage converter is separated by a lock-in amplifier. Thus, the vibration state of the vibrator 1 can be accurately obtained. Since the resonance frequency changes depending on the pressure, if the vibration frequency of the vibrator 1 is fixed to the resonance frequency under a certain pressure, the vibration frequency shifts from the fixed resonance frequency with a change in pressure. . Therefore, the phase difference of 90 degrees changes from 90 degrees.
【００２７】そこで、予め圧力と位相差との関係を調べ
ておけば、位相差を測定することによって圧力を求める
ことができる。図６は、圧力と位相差との関係を示すグ
ラフである。大気中すなわち 760Torrの圧力下での共振
時の位相差は９０度であるが、このグラフでは、この場
合を０度として描かれている。位相差は、圧力と直線的
に比例するわけではなく、圧力のレベルによって比例係
数が異なる。高圧力雰囲気では、振動子１の振動運動に
対する空気抵抗が大きいために、圧力変化が位相差を急
激に変化させる。Therefore, if the relationship between the pressure and the phase difference is checked in advance, the pressure can be obtained by measuring the phase difference. FIG. 6 is a graph showing the relationship between pressure and phase difference. Although the phase difference at the time of resonance in the atmosphere, that is, under the pressure of 760 Torr, is 90 degrees, this case is drawn as 0 degree in this graph. The phase difference is not linearly proportional to the pressure, and the proportionality coefficient varies depending on the pressure level. In a high-pressure atmosphere, a change in pressure sharply changes the phase difference because the air resistance to the vibration motion of the vibrator 1 is large.
【００２８】（実施の形態２）・・・光てこを用いる場
合 図２を参照して、振動子の振動状態の検出に光てこを用
いた広範囲圧力計の動作を説明する。支持部２の下面に
取り付けられた励振子４に、ファンクションジェネレー
ターで生成した正弦電圧を印加し、振動子１を共振周波
数付近で振動させる。このときの振動状態は、光てこ方
式を用い次のようにして検出する。(Embodiment 2) Using Optical Lever With reference to FIG. 2, the operation of a wide-range pressure gauge using an optical lever to detect the vibration state of a vibrator will be described. The sine voltage generated by the function generator is applied to the exciter 4 attached to the lower surface of the support unit 2 to vibrate the vibrator 1 near the resonance frequency. The vibration state at this time is detected as follows using an optical lever method.
【００２９】振動している振動子１の先端部にレーザー
光源からのレーザー光を照射し、その反射光を２つのフ
ォトダイオードを備えた２分割フォトダイオード２１で
検出する。２分割フォトダイオード２１は位置センサー
であり、振動子１の振動運動に応じて反射光の位置が検
出できる。従って、振動子１の振幅変化も振動周波数変
化も検出できる。The tip of the vibrating vibrator 1 is irradiated with laser light from a laser light source, and the reflected light is detected by a two-part photodiode 21 having two photodiodes. The two-division photodiode 21 is a position sensor, and can detect the position of the reflected light according to the vibration motion of the vibrator 1. Therefore, it is possible to detect both the amplitude change and the vibration frequency change of the vibrator 1.
【００３０】本実施形態では、２つのフォトダイオード
からの電流信号を電流電圧変換器により電圧信号に変換
し、差動増幅器（不図示）によって２つの電圧信号の差
動をとって、ロックインアンプに入力し、振動子１にお
ける共振周波数と振動周波数との位相差を測定する。こ
れにより、実施の形態１と同様に、圧力値を知ることが
できる。In this embodiment, a current signal from two photodiodes is converted into a voltage signal by a current-to-voltage converter, and a differential amplifier (not shown) obtains a difference between the two voltage signals to obtain a lock-in amplifier. To measure the phase difference between the resonance frequency and the vibration frequency in the vibrator 1. Thus, the pressure value can be known as in the first embodiment.
【００３１】（実施の形態３）・・・光波干渉計を用い
る場合 図３を参照して、振動子の振動状態の検出に光波干渉計
を用いた広範囲圧力計の動作を説明する。支持部２の下
面に取り付けられた励振子４に、ファンクションジェネ
レーターで生成した正弦電圧を印加し、振動子１を共振
周波数付近で振動させる。このときの振動状態は、光波
干渉計を用い次のようにして検出する。(Embodiment 3) Using a Light Wave Interferometer The operation of a wide range pressure gauge using a light wave interferometer to detect the vibration state of the vibrator will be described with reference to FIG. The sine voltage generated by the function generator is applied to the exciter 4 attached to the lower surface of the support unit 2 to vibrate the vibrator 1 near the resonance frequency. The vibration state at this time is detected as follows using a light wave interferometer.
【００３２】光波干渉計は、先に述べた原理によって、
振動子１の振動の変位を測定する。すなわち、レーザー
光を偏光分離素子（不図示）により２つに分離し、一方
を光ファイバー２２で導入して振動子１の先端部に垂直
に照射し、その反射光を光ファイバー２２で取り入れ
る。この反射光を偏光分離素子により分離した他方の光
（参照光）と多重干渉させ、振動子１の変位及び振動状
態を測定する。The light wave interferometer operates according to the principle described above.
The displacement of the vibration of the vibrator 1 is measured. That is, the laser light is split into two by a polarization splitting element (not shown), one of which is introduced by an optical fiber 22 and vertically irradiated on the tip of the vibrator 1, and the reflected light is taken in by the optical fiber 22. The reflected light is subjected to multiple interference with the other light (reference light) separated by the polarization separation element, and the displacement and the vibration state of the vibrator 1 are measured.
【００３３】励振子４による振動子１の振動が、その共
振周波数に一致すると、振動振幅は最大となる。共振ピ
ークの鋭さを表す機械的品質係数（Ｑ値）は、圧力に依
存して変化する。そこで、予め、圧力とＱ値に比例する
共振時の振幅量との関係を調べておけば、Ｑ値に基づく
振幅量を測定することによって圧力を求めることができ
る。When the vibration of the vibrator 1 by the exciter 4 coincides with its resonance frequency, the vibration amplitude becomes maximum. The mechanical quality factor (Q value) representing the sharpness of the resonance peak changes depending on the pressure. Therefore, if the relationship between the pressure and the amplitude at resonance that is proportional to the Q value is checked in advance, the pressure can be obtained by measuring the amplitude based on the Q value.
【００３４】[0034]
【発明の効果】本発明の広範囲圧力計において、シリコ
ン製の微小な振動子の振動状態の変化を検出することに
より、常圧から0.01Ｐａまでの広い範囲の圧力を一つの
計器で連続的に測ることができる。特に、真空槽を大気
圧から排気するときに、複数の種類の異なる圧力計を切
り換えることなく排気速度を認識できる。According to the wide-range pressure gauge of the present invention, a wide range of pressure from normal pressure to 0.01 Pa can be continuously measured by a single instrument by detecting a change in the vibration state of a microscopic vibrator made of silicon. Can be measured. In particular, when the vacuum chamber is evacuated from the atmospheric pressure, the evacuation speed can be recognized without switching a plurality of different types of pressure gauges.
【図１】本発明の第１の実施形態に係る、検出子を用い
た広範囲圧力計の全体構成を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an entire configuration of a wide-range pressure gauge using a detector according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第２の実施形態に係る、光てこを用い
た広範囲圧力計の全体構成を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an entire configuration of a wide-range pressure gauge using an optical lever according to a second embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第３の実施形態に係る、光波干渉計を
用いた広範囲圧力計の全体構成を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an entire configuration of a wide-range pressure gauge using a light wave interferometer according to a third embodiment of the present invention.
【図４】本発明の実施形態に係る広範囲圧力計に備えら
れる圧力検出部の構造を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing a structure of a pressure detecting unit provided in the wide range pressure gauge according to the embodiment of the present invention.
【図５】本発明の実施形態に係る圧力検出部の作製過程
を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a process of manufacturing a pressure detection unit according to the embodiment of the present invention.
【図６】本発明の実施形態に係る、圧力と位相差との関
係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a relationship between a pressure and a phase difference according to the embodiment of the present invention.
１ ・・・・・・ 振動子（片持ち梁） ２ ・・・・・・ 支持部 ３ ・・・・・・ 基体部 ４ ・・・・・・ 励振子 ５ ・・・・・・ 検出子 ６ ・・・・・・ 圧電薄膜 ７ ・・・・・・ 上部電極 ８ ・・・・・・ 窒化シリコン膜 ９ ・・・・・・ 下部電極 １０、１０ａ・・ 圧力検出部 １１〜１３・・・ 広範囲圧力計 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vibrator (cantilever) 2 ... Support part 3 ... Base part 4 ... Exciter 5 ... Detector 6 Piezoelectric thin film 7 Upper electrode 8 Silicon nitride film 9 Lower electrode 10, 10a Pressure detectors 11-13・ Wide range pressure gauge
Claims (7)
付近の振動を与えるための励振子と、前記振動子の周囲
の圧力変化による前記振動子の振動状態の変化を検出す
るための圧電または電歪特性を有する検出子と、を備え
たことを特徴とする広範囲圧力計。A vibrator, an exciter for applying vibration to the vibrator near a resonance frequency thereof, and a piezoelectric for detecting a change in a vibration state of the vibrator due to a pressure change around the vibrator. Or a detector having an electrostrictive characteristic.
付近の振動を与えるための励振子と、前記振動子の周囲
の圧力変化による前記振動子の振動状態の変化を検出す
るための光てこと、を備えたことを特徴とする広範囲圧
力計。2. A vibrator, an exciter for applying a vibration near the resonance frequency to the vibrator, and a light for detecting a change in a vibration state of the vibrator due to a pressure change around the vibrator. A wide-range pressure gauge, comprising:
付近の振動を与えるための励振子と、前記振動子の周囲
の圧力変化による前記振動子の振動状態の変化を検出す
るための光波干渉計と、を備えたことを特徴とする広範
囲圧力計。3. A vibrator, an exciter for imparting vibration to the vibrator near a resonance frequency thereof, and a light wave for detecting a change in a vibration state of the vibrator due to a change in pressure around the vibrator. A wide-range pressure gauge, comprising: an interferometer.
振幅または機械的品質係数の変化であることを特徴とす
る請求項１から３のいずれかに記載の広範囲圧力計。4. The change in the vibration state of the vibrator is a phase,
4. The wide-range pressure gauge according to claim 1, wherein the change is an amplitude or a change in a mechanical quality factor.
リコン製の基体と一体に形成された片持ち梁であること
を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の広範囲
圧力計。5. The wide-range pressure gauge according to claim 1, wherein the vibrator is a cantilever formed integrally with a silicon base for supporting the vibrator. .
薄膜と電極からなることを特徴とする請求項１に記載の
広範囲圧力計。6. The wide-range pressure gauge according to claim 1, wherein the detector comprises a thin film of lead zirconate titanate and an electrode.
らなることを特徴とする請求項１に記載の広範囲圧力
計。7. The wide-range pressure gauge according to claim 1, wherein the detector comprises a zinc oxide thin film and an electrode.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9102239A JPH10293077A (en) | 1997-04-18 | 1997-04-18 | Wide-range pressure gage |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9102239A JPH10293077A (en) | 1997-04-18 | 1997-04-18 | Wide-range pressure gage |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10293077A true JPH10293077A (en) | 1998-11-04 |
Family
ID=14322091
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9102239A Pending JPH10293077A (en) | 1997-04-18 | 1997-04-18 | Wide-range pressure gage |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10293077A (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1997
- 1997-04-18 JP JP9102239A patent/JPH10293077A/en active Pending
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