JPH11326093A - サーボ式静電容量型真空センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動に対する感応性を抑え、製造バラツキや
温度による熱膨張の依存性を少なくし、真空センサごと
の静電容量計測を不要とし、測定精度を向上させ、小型
で高感度で広範囲の圧力測定を行え、特に微小圧力の測
定に適したサーボ式静電容量型真空センサを提供する。 【解決手段】 シリコン基板12とパイレックス基板13,1
4 からなる積層構造を有し、電極部20と静電容量を検出
するための電極とサーボ電極とを備え、外部と内部を連
通する導入口15が形成されるサーボ式静電容量型真空セ
ンサである。電極部は、ほぼ中央に形成される肉薄の可
動電極21と、可動電極の周囲に位置して可動電極を支持
する肉厚の周囲電極22から構成される。可動電極に対向
する固定電極24および凸状サーボ電極16と周囲電極に対
向する参照電極25が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はサーボ式静電容量型
真空センサに関し、特に、絶対圧力値を静電容量の変化
に基づき測定する真空センサの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年半導体製造プロセス技術により小型
かつ測定範囲の広い圧力測定用センサが開発されてき
た。例えばIEEE Electron Device Societyにおいて開催
されたTRANSDUCER 97 の1997 International Conferenc
e on Solid-State Sensor and Actuators Chicago, Jun
e 16-19, 1997 講演予稿集 Volume 2, p.1457-p.1460な
どに発表されたサーボ式静電容量型真空センサ（以下
「真空センサ」という）がある。この真空センサの構造
を図６に示す。図６では真空センサの実際の構造に比較
して厚みを誇張して示している。

【０００３】図６において、真空センサは、シリコン基
板１３１と、シリコン基板１３１の両側に接合されたパ
イレックス基板１３２，１３３で構成されている。中間
のシリコン基板１３１にはダイアフラム状の電極部１３
４が形成される。電極部１３４と上側のパイレックス基
板１３２の間には内部空間１３９が形成され、電極部１
３４と下側のパイレックス基板１３３との間には内部空
間１４０が形成されている。内部空間１３９には導入口
１４１を通して外部から測定対象である気体（以下「被
測定気体」という）が導入される。内部空間１４０はゲ
ッター材１５４が収容されたゲッター室１５３と通じて
おり、内部空間１４０とゲッター室１５３はゲッター材
１５４によって排気され、高真空状態に保持されてい
る。電極部１３４は、内部空間１３９に導入された被測
定気体の圧力を受ける。電極部１３４は、その中央部下
側に肉厚部１３５を有し、肉厚部１３５の周囲に肉薄部
１３６を有する。肉厚部１３５は下方に凸状となってい
る。電極部１３４は、肉厚部１３５と肉薄部１３６の全
体が変位する可動電極である。電極部１３４では、被測
定気体の圧力を受けると、下側の内部空間１４０が高真
空状態に保持されているので、肉薄部１３６が下方向へ
変形し、中央の肉厚部１３５が下方へ変位する。

【０００４】上記構造を有する電極部１３４は、一定の
厚みを有するシリコン基板１３１の両面を半導体製造プ
ロセス技術を応用してエッチングすることにより形成さ
れる。また上記パイレックス基板１３２，１３３はパイ
レックスガラスで形成され、絶縁性と高剛性を有してい
る。パイレックス基板１３２における内部空間１３９側
の面にはサーボ電極１３７が設けられている。サーボ電
極１３７はｐ＋＋シリコン層で形成される。サーボ電極
１３７は電極部１３４に対向している。パイレックス基
板１３３における内部空間１４０側の面には固定電極１
３８が設けられている。固定電極１３８は肉厚部１３５
に対向している。肉厚部１３５は固定電極１３８に対す
る電極として機能し、肉厚部１３５と固定電極１３８の
間で間隔に応じた静電容量が決まる。

【０００５】上側のパイレックス基板１３２には、導電
性端子を形成するための３つの貫通孔が形成される。第
１の貫通孔にはＡｌ（アルミニウム）電極１４２が設け
られかつサーボ電極１３７に接続される導電性エポキシ
樹脂１４３が充填されている。第２の貫通孔にはＡｌ電
極１４４が設けられかつシリコン部１４５を介して電極
部１３４に接続される導電性エポキシ樹脂１４６が充填
されている。第３の貫通孔にはＡｌ電極１４７が設けら
れかつシリコン部１４８を介して固定電極１３８に接続
される導電性エポキシ樹脂１４９が充填されている。各
エポキシ樹脂１４３，１４６，１４９にはそれぞれリー
ド線１５０，１５１，１５２が電気的に接続されてい
る。リード線１５０，１５１，１５２はそれぞれ図示し
ない外部回路に接続される。詳しくは、リード線１５０
は外部回路内のサーボ電圧出力部に接続され、リード線
１５１は外部回路内の基準電位部に接続され、リード線
１５２は外部回路内の検出部に接続される。サーボ電極
１３７にはリード線１５０を通してサーボ電圧が印加さ
れる。

【０００６】上記構成において、導入口１４１を通して
被測定気体が内部空間１３９に導入されると、電極部１
３４は被測定気体の圧力を受け、前述のごとく肉薄部１
３６が下方向へ変形し、肉厚部１３５が内部空間１４０
側へ変位する。その結果、電極部１３４の肉厚部１３５
と固定電極１３８との間の間隔が変化し、肉厚部１３５
と固定電極１３８の間の静電容量が変化する。この静電
容量の変化は例えば交流ブリッジ回路からなる検出部に
よって検出される。検出部の検出作用に基づいて、電極
部１３４に加わる圧力と釣り合うように、パイレックス
基板１３２のサーボ電極１３７にサーボ電圧が印加され
る。電極部１３４においてサーボ電圧による静電引力と
被測定気体による圧力との間に釣り合いが生じ、電極部
１３４は中央位置に保たれる。印加されたサーボ電圧の
２乗と上記圧力の間には比例関係があるため、サーボ電
極１３７に与えられたサーボ電圧を測定することによ
り、上記真空センサに加わった被測定気体の圧力を測定
することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の真空セ
ンサは次の問題を有する。

【０００８】電極部１３４を変位させて静電容量の変化
を検知する方式の真空センサで微小圧力の測定を高い精
度で行えるようにするためには、電極部１３４の肉厚部
１３５と固定電極１３８との間の静電容量を大きくする
ことが要求される。静電容量を大きくするためには、電
極部１３４における肉厚部１３５の対向部の面積を大き
くすること、あるいは肉厚部１３５と固定電極１３８の
間のギャップを狭くすることが必要である。しかしなが
ら、従来の真空センサで静電容量を大きくする場合、構
造上、電極部１３４の中央に質量の大きな肉厚部１３５
を設ける必要があり、このため、電極部１３４の肉厚部
１３５が重りとして作用し、外部からの振動に感応しや
すく、測定感度および測定精度に悪い影響を与えるとい
う問題が起きる。

【０００９】さらに従来の真空センサでは、被測定気体
の圧力測定時、肉厚部１３５と固定電極１３８の間の静
電容量が、被測定気体の圧力が加わっていないときの静
電容量と同じになるように、サーボ電極１３７にサーボ
電圧を印加する。圧力が加わっていないときの静電容量
は、真空センサごとに主に電極部１３４の肉厚部１３５
と固定電極１３８の間の間隔に依存してバラツキを有
し、この間隔に起因する静電容量のバラツキは真空セン
サの製造バラツキおよび温度により変化する熱膨張に依
存する。このため従来の真空センサによれば、真空セン
サに圧力が加わっていない状態での肉厚部１３５と固定
電極１３８の間の静電容量を各真空センサごとに計測し
なければならないという問題があった。

【００１０】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、構造的に振動に対する感応性を抑え、製造バ
ラツキや温度による熱膨張の依存性を少なくし、真空セ
ンサごとの静電容量の計測を不要とし、微小圧力の測定
精度を高め、小型で高感度かつ広範囲の圧力測定を行え
るサーボ式静電容量型真空センサを提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
サーボ式静電容量型真空センサは、上記目的を達成する
ため、次のように構成される。真空センサは、シリコン
基板を第１ガラス基板と第２ガラス基板の間に配置し、
シリコン基板と第１ガラス基板、シリコン基板と第２ガ
ラス基板をそれぞれ接合して三層構造を有する。シリコ
ン基板は電極部を備え、電極部と第１ガラス基板の間に
は例えば第１ガラス基板に形成された気体導入口を通し
て外部と通じる第１内部空間が形成され、電極部と第２
ガラス基板の間には高真空状態に保持される第２内部空
間が形成される。電極部は気体導入口から第１内部空間
に導入された気体の圧力を受ける。電極部は、気体の圧
力を受けて変位する可動電極と、可動電極の周囲に可動
電極を支持するように形成されかつ気体の圧力を受けて
も変位しない周囲電極とからなる。可動電極の第２内部
空間側の面と周囲電極の第２内部空間側の面は同一面と
して形成される。第２ガラス基板における第２内部空間
側の面に、可動電極に対向する固定電極と、周囲電極に
対向する参照電極が設けられる。第１ガラス基板におけ
る第１内部空間側の面には可動電極に接近して対向する
凸状サーボ電極が設けられる。真空センサでは、さらに
好ましくは、可動電極の第２内部空間側の面と周囲電極
の第２内部空間側の面からなる上記同一面が、被測定気
体の圧力が加わっていないとき、固定電極および参照電
極が設けられた第２ガラス基板における第２内部空間側
の面に平行である。上記真空センサの電極部では、被測
定気体の圧力を受けて変位する肉薄の可動電極をほぼ中
央に設け、その周りに被測定気体の圧力で変位しない肉
厚の周囲電極を設け、可動電極を支持するようにした。
ここで被測定気体は、例えば、粘性流、分子流、あるい
はその中間領域の流れ特性を有する気体である。また真
空センサで測定可能な圧力範囲は可動電極と周囲電極に
関する上記変位特性を有する範囲である。電極部の一方
の側には気体導入口を介して外部と通じる第１内部空間
と、他方の側には高真空状態に保持された第２内部空間
が形成されている。可動電極と周囲電極の第２内部空間
側の面は同一面となっている。可動電極に圧力が加わっ
ていないときに、上記同一面に対向して平行でかつ同一
間隔で、可動電極に対して固定電極が設けられ、周囲電
極に対して参照電極が設けられる。可動電極に被測定気
体の圧力が加わると、可動電極は第２内部空間側に変位
し可動電極と固定電極の間の間隔が狭くなるが、肉厚の
周囲電極は変位せず、周囲電極と参照電極の間隔は一定
に保持される。上記真空センサでは、電極部の中央に重
り作用を有する肉厚部が存在しないので、振動や衝撃が
真空センサに加わったときにも、電極部にノイズの原因
となる不必要な振動が発生せず、測定の感度や精度に関
する従来の問題が解消される。特に微小圧力の測定精度
を向上できる。またサーボ電極に必要なサーボ電圧を印
加することにより、可動電極に加わる被測定気体の圧力
とサーボ電圧による静電引力とを釣り合わせるようにし
た。上記の真空センサによれば、サーボ電圧の値を決め
るにあたって、可動電極と固定電極の間で決まる第１静
電容量（Ｃ１）と、周囲電極と固定電極の間で決まる第
２静電容量（Ｃｓ）とを利用することによって、各真空
センサごとの製造バラツキを解消し、温度の依存性をな
くすことが可能である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００１３】図１〜図５を参照して本発明に係るサーボ
式静電容量型真空センサの代表的実施形態を説明する。
図１の断面図は、説明の便宜上、実際の真空センサの構
造に比較して厚みを誇張して示している。また図２は図
１のＡ−Ａ線矢視断面、図３は図１のＢ−Ｂ線矢視断
面、図４は図１のＣ−Ｃ線矢視断面をそれぞれ示してい
る。図５は真空センサと外部回路の関係を示す構成図で
ある。

【００１４】図１に示すごとく真空センサ１１は三層の
積層構造を有している。中央に位置する層はシリコン基
板１２である。シリコン基板１２の上側および下側には
パイレックス基板１３，１４が設けられている。パイレ
ックス基板１３，１４はパイレックスガラスで作られた
板状部材であり、絶縁性を有しかつ高い剛性を有してい
る。パイレックス基板１３，１４はシリコン基板１２に
陽極接合されている。このシリコン基板１２には電極部
２０が設けられる。電極部２０は、パイレックス基板１
３，１４に挟まれかつシリコン基板１２の周囲の支持壁
部３８で囲まれた空間（図３に示す）の中に形成されて
いる。

【００１５】電極部２０はシリコン基板を利用して形成
される。電極部２０は、ほぼ中央に形成された肉薄の可
動電極２１と、可動電極２１の周囲に位置し可動電極２
１を支持するように形成された肉厚の周囲電極２２とか
ら構成されている。可動電極２１は例えば５μｍ程度の
厚みを有するシリコン薄膜である。可動電極２１は、後
述するように、電極部２０が被測定気体の圧力を受ける
ときに変形して変位を生じる。可動電極２１の平面形状
は図３に示すように例えば四角である。可動電極２１
は、図１に示すごとく、後述する下側の固定電極２４お
よび上側のサーボ電極１６に対向しており、例えば接地
電位等の基準電位に保持され、かつ固定電極２４との間
で静電容量を生じさせ、あるいはサーボ電極１６との間
で静電引力を生じさせる。一方、周囲電極２２は例えば
４００μｍ未満の厚みを有するシリコン厚膜である。周
囲電極２２の平面形状は、例えば図３に示されるごとく
四角のほぼ環状である。周囲電極２２のほぼ中央に可動
電極２１が形成される。また周囲電極２２は、図１に示
すごとく、後述する下側の参照電極２５に対向してお
り、参照電極２５との間で静電容量を生じさせる。電極
部２０は全体として単体であり、可動電極２１と周囲電
極２２は一体的に形成されている。電極部２０が被測定
気体の圧力を受けて可動電極２１で変位が生じたとき、
周囲電極２２は変位せず、可動電極２１を支持する。

【００１６】上記構造を有する電極部２０は、例えば厚
み４００μｍのシリコン基板を用意し、このシリコン基
板の両面にエッチング等の半導体製造プロセスを応用し
て作られる。図１に示された電極部２０において、シリ
コン層２３は、エッチングの際にエッチングストップ層
として残ることにより形成される。シリコン層２３の一
部が上記可動電極２１になる。図１で、可動電極２１
は、シリコン層２３の他の部分に対して作用が異なるこ
とから、断面の描き方を異ならせて示している。シリコ
ン層２３における可動電極２１以外の他の部分は、周囲
電極２２と重なっており、周囲電極と同等に作用する。
半導体製造プロセスを応用して作られる電極部２０は、
可動電極２１の下面と周囲電極２２の下面が同一面とな
るように形成されている。このことは、可動電極２１そ
れ自体、および周囲電極２２の下面部が上記シリコン層
２３で作られることから明らかである。エッチングによ
って電極部２０が上記形状に形成されることから可動電
極２１の上側に凹所２２ａが形成される。

【００１７】上記電極部２０が形成されたシリコン基板
１２の両側にパイレックス基板１３，１４が陽極接合さ
れる。電極部２０は、その製造工程で、肉厚の周囲電極
２２の縁部が下側のパイレックス基板１４に陽極接合さ
れる。電極部２０とパイレックス基板１３の間には内部
空間Ｓ１が形成される。内部空間Ｓ１は、例えばパイレ
ックス基板１３に形成された導入口１５を通して真空セ
ンサ１１の外部と通じており、外部から被測定気体が導
入される。可動電極２１は凹所２２ａを通して内部空間
Ｓ１に対し露出している。なお被測定気体を内部空間Ｓ
１に導入するための導入口は、パイレックス基板１３以
外の箇所にも形成することができる。また電極部２０と
パイレックス基板１４の間には高真空状態に保持された
内部空間Ｓ２が形成されている。内部空間Ｓ２は封止さ
れた空間である。

【００１８】上側のパイレックス基板１３に形成された
導入口１５は外部と内部空間Ｓ１を連通し、この導入口
１５を通して外部から内部空間Ｓ１に被測定気体が導入
される。ここで真空センサ１１の測定対象である気体
は、例えば、粘性流、分子流、またはそれらの中間領域
の流れ特性を有する気体である。また真空センサ１１の
測定対象である圧力範囲は、可動電極２１の変位が生じ
かつ周囲電極２２に変位が生じないような範囲である。
このような圧力範囲に含まれる対象であれば、上記気体
以外の一般的な流体も真空センサ１１の測定対象に含ま
れる。パイレックス基板１３の内部空間Ｓ１側の面に
は、ほぼ中央部に、可動電極２１に対向するように突出
した凸状のサーボ電極１６が形成されている。サーボ電
極１６は、別に用意したシリコン基板に半導体製造プロ
セス技術を応用してｐ型（あるいはｎ型）のシリコン層
１７を形成すると共にエッチングを行うことにより作ら
れる。サーボ電極１６の凸部はパイレックス基板１３よ
り下方に向かって突出している。サーボ電極１６の凸部
の形状は、電極部２０の凹所２２ａの形状とほぼ一致し
ている。サーボ電極１６にはシリコン層１７とＡｌ電極
１８を通して外部からサーボ電圧が印加されるようにな
っている。Ａｌ電極１８は蒸着等の方法により形成さ
れ、シリコン層１７の端部はＡｌ電極１８に接続されて
いる。サーボ電極１６は、Ａｌ電極１８を介して外部回
路５０（例えば交流ブリッジ回路またはマイコンで構成
される演算処理手段等を含む回路）に接続され、サーボ
電圧が印加される。

【００１９】図２に示すように、サーボ電極１６の凸部
の先端面は例えば正方形の形状を有し、シリコン層１７
の端部はＡｌ電極１８に接続されている。また導入口１
５は例えば４か所に形成されている。なお図１と図２を
比較すると、例えば導入口１５の位置や個数が正確に一
致していないが、説明の便宜上理解しやすいように図示
されている。

【００２０】下側のパイレックス基板１４の内部空間Ｓ
２側の面には、静電容量検出用固定電極２４（以下「固
定電極２４」と簡略化する）と参照電極２５が設けられ
ている。参照電極２５は固定電極２４の周囲に電気的絶
縁状態で設けられる。固定電極２４は可動電極２１に対
向して設けられ、参照電極２５は周囲電極２２に対向し
て設けられている。電極部２０に被測定気体の圧力が加
わらない場合において、可動電極２１と周囲電極２２の
各下面は、同一面となっており、固定電極２４と参照電
極２５が設けられた面に対して平行になっている。この
とき可動電極２１および固定電極２４の間隔と周囲電極
２２および参照電極２５の間隔とは実質的に等しくなっ
ている。固定電極２４と参照電極２５は例えばシリコン
層で形成される。上記構造に基づき、可動電極２１と固
定電極２４、周囲電極２２と参照電極２５の各々によっ
て静電容量が検出される。参照電極２５は、後述する計
算式に基づいて特定の値を求めるための静電容量を作り
出す電極であり、製造バラツキをなくすゼロ点補償を行
い、かつ温度依存性をなくす温度補償を行うために設け
られた電極である。

【００２１】上記に説明したように、電極部２０の可動
電極２１の両側には内部空間Ｓ１，Ｓ２が形成される。
導入口１５を通して外部から被測定気体が内部空間Ｓ１
に導入されると、当該被測定気体の圧力が可動電極２１
に加わり、内部空間Ｓ２が高真空に保たれているので、
可動電極２１は内部空間Ｓ２側に変位する。可動電極２
１の周囲を支持する周囲電極２２は、厚膜として形成さ
れているので、変位しない。

【００２２】一方、下側のパイレックス基板１４には電
極ピン３１，３２，３３，３４が設けられる。各電極ピ
ン３１〜３４は、それぞれ、パイレックス基板１４に形
成された電極部用貫通孔、固定電極用貫通孔、参照電極
用貫通孔、サーボ電極用貫通孔に接着剤としての導電性
エポキシ樹脂３５で固定されている。電極ピン３１は電
極部２０に接続され、電極ピン３２は固定電極２４に接
続され、電極ピン３３は参照電極２５に接続されてい
る。参照電極２５は、図４に示すごとく好ましくは固定
電極２４の周囲にこれを囲むように配置される。電極ピ
ン３１〜２４の各々にはＡｌ電極３６が設けられてい
る。また電極ピン３４は、シリコンで作られた接続部３
７を介して前述のＡｌ電極１８およびシリコン層１７に
接続され、さらにサーボ電極１６に接続される。

【００２３】なお図１〜図３で３８はシリコンで形成さ
れた支持壁部、図１で３９はシリコン層、４０は深い窪
み、４１はゲッター材である。支持壁部３８は、図２お
よび図３に示されるように、電極部２０の周囲を囲むよ
うに全周に形成されている。内部空間Ｓ２は、窪み４０
に収納されたゲッター材４１で部材から発生するガスが
吸着され、前述のごとく高真空に保持される。また図１
と図４を比較すると、例えば４つの電極ピンの設置位置
が正確に一致していないが、図１では４つの電極ピンの
設置関係が明確になるように断面部を一部変更して図示
している。

【００２４】図１に示した構造では、シリコン基板１２
に対しその両側に絶縁性かつ高剛性を有するパイレック
ス基板１３，１４を接合させた積層構造としたが、積層
される両側の基板はパイレックスガラス（コーニング
（株）社製）に限定されず、その代わりにシリコン基板
の材料と同じあるいは非常に近い熱膨張係数を持つ材
料、例えばＳＤガラス（ホウケイ酸ガラス；ホーヤ
（株）社製）を用いることもできる。

【００２５】シリコン基板１２は、ＥＰＷ（エチレンジ
アミンピロカテコール水溶液）やＴＭＡＨ（水酸化テト
ラメチルアンモニウム）などのエッチング溶液によりウ
ェットエッチングされ、その片面に、底部の少なくとも
一部が平らな凹所を形成し、次にその凹所の表面に半導
体拡散技術によって上記シリコン層２３が形成される。
また凹所の端にはゲッター材４１を収納するための窪み
４０が形成される。

【００２６】シリコン基板１２とパイレックス基板１４
は上記窪み４０にゲッター材４１を収納した後に真空中
で接合され、内部空間Ｓ２が形成される。その後、シリ
コン基板１２を上記エッチング溶液により選択エッチン
グして、可動電極２１および周囲電極２２からなる電極
部２０と支持壁部３８とが形成される。

【００２７】電極部２０に被測定気体の圧力が加わらな
いとき、可動電極２１と周囲電極２２の各下面が形成す
る面と固定電極２４と参照電極２５が設けられた面との
間隔は、例えば１０μｍ程度である。可動電極２１と固
定電極２４の各々の面積は例えば□４ｍｍ（一辺が４ｍ
ｍの正方形）である。また参照電極２５は同面積あるい
は固定電極２４の面積に対して一定比率の面積となるよ
うに形成されている。可動電極２１と固定電極２４によ
って静電容量Ｃ１のコンデンサが構成され、周囲電極２
２と参照電極２５によって静電容量Ｃｓのコンデンサが
構成される。

【００２８】凸状のサーボ電極１６は、電極部２０の周
囲電極２２と接触しないように配置されている。サーボ
電極１６と可動電極２１の間の間隔は例えば１０μｍ程
度になるように設定されている。可動電極２１の周囲に
位置する周囲電極２２の厚みは前述のごとく約４００μ
ｍであるので、実際の構造では、サーボ電極１６の凸部
は凹所２２ａの内部に入り込んだ状態で配置される。

【００２９】図５は真空センサ１１と外部回路５０の関
係を示す。固定電極２４はパイレックス基板１４の対応
する貫通孔におけるＡｌ電極３６と導電性エポキシ樹脂
３５と電極ピン３２を介して外部回路５０に接続され、
参照電極２５はパイレックス基板１４の対応する貫通孔
におけるＡｌ電極３６と導電性エポキシ樹脂３５と電極
ピン３３を介して外部回路５０に接続されている。一
方、電極部２０は、シリコン層２３と対応する貫通孔に
おけるＡｌ電極３６と導電性エポキシ樹脂３５と電極ピ
ン３１を介して外部回路５０と接続されている。なお電
極部２０は接地電位等の基準電位に保持される。さらに
サーボ電極１６は、シリコン層１７、Ａｌ電極１８、接
続部３７、シリコン層３９、パイレックス基板１４の対
応する貫通孔におけるＡｌ電極３６および導電性エポキ
シ樹脂３５と電極ピン３４を介して外部回路５０に接続
されている。外部回路５０では、電極ピン３１，３２，
３３との接続関係に基づき上記の静電容量Ｃ１と静電容
量Ｃｓが入力され、予め用意された下記の計算式に基づ
いて特定の値を計算する。そしてこの値がほぼ０になる
ように、電極ピン３４に対して印加するサーボ電圧を定
め、電極ピン３４を通してサーボ電極１６にサーボ電圧
を印加する。印加されたサーボ電圧による静電引力と被
測定気体の圧力とが釣り合うと、可動電極２１での変位
が０になり、上記特定の値も０になる。

【００３０】真空センサ１１では、導入口１５から被測
定気体が内部空間Ｓ１内に入ると、可動電極２１に対し
て内部空間Ｓ２側に変位させる圧力が加わる。このとき
周囲電極２２は被測定気体の圧力によって内部空間Ｓ２
側に変位しない。サーボ電極１６には、静電容量Ｃ１と
静電容量Ｃｓを利用して作られた計算式「Ｃ１−Ｃｓ×
（固定電極２４の面積）／（参照電極２５の面積）」の
値が０となるように、外部回路５０によりサーボ電圧が
印加される。サーボ電圧によって可動電極２１に対して
可動電極２１に加わった圧力と等しい静電引力が逆向き
に加えられる。これにより可動電極２１は常に変位のな
い状態に保たれる。静電引力とサーボ電圧の２乗とは比
例関係にあるので、印加したサーボ電圧を検出すること
により、被測定気体により加わった圧力を求めることが
できる。そこで外部回路５０には当該関係に基づいて圧
力値を算出する演算部が内蔵され、演算部で算出された
圧力値が計測値として出力される。

【００３１】真空センサ１１では可動電極２１と固定電
極２４の間に形成されたギャップの間隔は１０μｍと狭
く設定され、真空センサ１１でも真空センサごとに製造
バラツキを有し、温度依存性を有する。しかし本実施形
態による真空センサ１１によれば、構造上、各真空セン
サで圧力が加わっていない状態で可動電極２１および固
定電極２４の間隔と周囲電極２２および参照電極２５の
間隔とが等しいので、回路設計上、製造バラツキおよび
温度依存性に拘らず、圧力が加わっていない場合の上記
計算式「Ｃ１−Ｃｓ×（固定電極２４の面積）／（参照
電極２５の面積）」の値は０になる。さらに被測定気体
が導入口１５から入ってその圧力を検出する場合、「Ｃ
１−Ｃｓ×（固定電極２４の面積）／（参照電極２５の
面積）」が０となるように、すなわち静電引力と圧力が
釣り合うように、サーボ電極１６にサーボ電圧を印加し
て可動電極２１の位置を常に変位のない状態に保つこと
ができる。従って真空センサ１１による圧力検出は、構
造上および制御の回路構成上、電極の間のギャップ間隔
に関する真空センサごとの製造バラツキおよび温度依存
性の影響を受けない。

【００３２】本実施形態による真空センサ１１では、電
極部２０のほぼ中央に圧力を受けて変位する肉薄の可動
電極２１を形成し、周囲に変位しない肉厚の周囲電極２
２を形成した。可動電極２１は質量が小さく、また周囲
電極２２を一体化して電極部２０を作っているため、振
動および衝撃により電極の位置関係は変化しにくく、真
空センサの動作を安定化させることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、次の効果を奏する。

【００３４】被測定気体の圧力に受けて変位する可動電
極を電極部のほぼ中央に形成し、その周囲に肉厚の周囲
電極を形成したため、従来の真空センサに比較して中央
に重り部分がなく、振動および衝撃による影響を排除で
き、安定した動作を行う真空センサを実現できる。さら
に振動等の影響に強く安定して検出動作を行い、かつ可
動電極と固定電極の間隔、周囲電極と参照電極の間隔を
例えば１０μｍ程度に狭くし各々の間隔で決まる静電容
量が大きくなるように構成したため、高い圧力の測定は
勿論のこと、微小な圧力の測定に対しても高い測定感度
を達成することができる。

【００３５】さらに、電極部に圧力が加わっていない状
態で、可動電極と周囲電極の各下面が同一面となり、か
つ可動電極と固定電極の間隔、周囲電極と参照電極の間
の間隔が等しくなる構造としたため、可動電極、周囲電
極、固定電極、参照電極の各々を設計目的に応じて再現
性良くかつ歩留まり良く作ることができ、圧力のない状
態での可動電極と固定電極間の静電容量、周囲電極と参
照電極間の静電容量の比を設計通りに歩留まり良く実現
できる。また真空センサごとの電極間のギャップ間隔の
製造バラツキも補償することができる。

【００３６】また電極部に圧力が加わる状態でも、周囲
電極・参照電極間の静電容量に固定電極面積を参照電極
面積で割った値を掛け、この値を可動電極・固定電極間
の静電容量の値から引くという操作を演算処理により実
施し、差し引かれた値が実質的に０となるようにサーボ
電圧を印加し、可動電極の変位を０に保つように構成し
たため、真空センサごとの電極間のギャップ間隔の製造
バラツキを解消し、温度に依存しない正しい圧力指示値
を得ることができる。

【００３７】またサーボ式の構造を採用することにより
肉薄の可動電極に機械的歪みが生じないようにしたた
め、真空センサに機械疲労が加わらず、真空センサの寿
命を長くでき、長期に渡って信頼性の高い測定を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るサーボ式静電容量型真空センサの
代表的実施形態を示す要部縦断面図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。

【図３】図１におけるＢ−Ｂ線矢視断面図である。

【図４】図１におけるＣ−Ｃ線矢視断面図である。

【図５】真空センサと外部回路の関係を示す構成図であ
る。

【図６】従来のサーボ式静電容量型真空センサの要部縦
断面図である。

【符号の説明】

１１ サーボ式静電容量型真空センサ １２ シリコン基板 １３，１４ パイレックス基板 １５ 導入口 １６ サーボ電極 ２０ 電極部 ２１ 可動電極 ２２ 周囲電極 ２４ 静電容量検出用固定電極 ２５ 参照電極 ３１〜３４ 電極ピン ３５ エポキシ樹脂

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 葭村 昭子 東京都府中市四谷５丁目８番１号 アネル バ株式会社内 (72)発明者 江刺 正喜 宮城県仙台市太白区八木山南１丁目11番地 ９

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板を第１ガラス基板と第２ガ
   ラス基板の間に配置し、前記シリコン基板と前記第１ガ
   ラス基板、前記シリコン基板と前記第２ガラス基板をそ
   れぞれ接合して三層構造を形成し、 前記シリコン基板は電極部を備え、前記電極部と前記第
   １ガラス基板の間には気体導入口を通して外部と通じる
   第１内部空間が形成され、前記電極部と前記第２ガラス
   基板の間には高真空状態に保持される第２内部空間が形
   成され、前記電極部は前記気体導入口から前記第１内部
   空間に導入された気体の圧力を受け、 前記電極部は、前記気体の圧力を受けて変位する可動電
   極と、前記可動電極の周囲に前記可動電極を支持するよ
   うに形成されかつ前記気体の圧力を受けても変位しない
   周囲電極とからなり、前記可動電極の前記第２内部空間
   側の面と前記周囲電極の前記第２内部空間側の面は同一
   面として形成され、 前記第２ガラス基板における前記第２内部空間側の面
   に、前記可動電極に対向する固定電極と、前記周囲電極
   に対向する参照電極を設け、 前記第１ガラス基板における前記第１内部空間側の面
   に、前記可動電極に接近して対向する凸状サーボ電極を
   設けた、 ことを特徴とするサーボ式静電容量型真空センサ。
2. 【請求項２】 前記可動電極の前記第２内部空間側の面
   と前記周囲電極の前記第２内部空間側の面からなる前記
   同一面は、前記気体の圧力が加わっていないとき、前記
   固定電極および前記参照電極が設けられた前記第２ガラ
   ス基板における前記第２内部空間側の面に平行であるこ
   とを特徴とする請求項１記載のサーボ式静電容量型真空
   センサ。