KR102553786B1 - 압력 센서 - Google Patents

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KR102553786B1
KR102553786B1 KR1020230004507A KR20230004507A KR102553786B1 KR 102553786 B1 KR102553786 B1 KR 102553786B1 KR 1020230004507 A KR1020230004507 A KR 1020230004507A KR 20230004507 A KR20230004507 A KR 20230004507A KR 102553786 B1 KR102553786 B1 KR 102553786B1
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pressure
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housing
pressure sensor
diaphragm
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KR1020230004507A
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미츠요시 아이자와
히사노리 마스다
요시노리 카와무라
이도호
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고도가이샤 에루에 사이엔스 라보
주식회사 젬텍
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms

Abstract

[과제] 더 고온의 압력 매체의 압력 측정을 정밀하게 실시할 수 있는 압력 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[해결 수단]
반도체 제조장치에 사용되는 압력 센서(1)로서, 중공(中空)인 통 형상의 하우징(2)과, 하우징(2)의 일단(一端) 측에 설치된 제1 기대(基臺)(3)와, 하우징(2)의 타단 측에 설치된 제2 기대(4)와, 제1 기대(3)에 지지(支持)되고, 압력(P)을 받으면 탄성 변형하는 다이어프램(5a)과, 제2 기대(4)에 지지되고, 다이어프램(5a)의 탄성 변형에 의한 응력을 검출하여 전기 신호로 변환하는 센서부(6)와, 제1 기대(3) 및 제2 기대(4)를 관통하고, 다이어프램(5a)과 센서부(6)의 사이에 설치된 로드핀(7)과, 제2 기대(4)의 외면(外面)과 하우징(2)의 내주면(內周面)의 사이에 설치된 제1 슬라이딩 부재(10)를 구비하고, 로드핀(7)은, 30℃에서부터 100℃에 있어서의 열선팽창 계수가 1.3×10-6/℃ 이하인 금속재료에 의해 형성되어 있다.

Description

압력 센서{Pressure Sensor}
본 발명은, 압력 센서와 관련되며, 특히, 반도체 제조장치에 사용되고, 고온의 압력 매체의 압력을 측정하는 압력 센서에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 제조장치, 자동차, 의료 기기 등의 여러 가지 분야에 있어서, 액체나 기체의 압력을 측정하기 위해 압력 센서가 사용되고 있다. 측정하는 매체가 상당히 고온이 되는 경우, 압력 센서가 고온에 견딜 수 있는 구조를 구비하는 것이 중요해진다.
예를 들면, 반도체 제조 프로세스에서 사용되는 다종(多種)의 특수 가스 등의 고온 압력 매체의 압력을 측정하기 위한 압력 센서가 알려져 있다. 특히, 반도체 제조 프로세스에 있어서의 중요한 공정 중에, 확산로(擴散爐)에서 실리콘 웨이퍼의 표면에 SiO2 등의 절연막을 형성하거나, CVD(화학 기상 성장)라 불리는 실리콘 기판 상에 박막을 형성하는 증착법을 사용한 공정이 있다. 또한, 이들 공정에서는, 열산화(熱酸化) 장치나 CVD 장치에 있어서의 반응 용기에 박막 성분을 포함하는 원료 가스를 공급하고, 기판 표면에 화학반응에 의해 막을 퇴적시키는 공정이 있다.
최근, 이들 시간이 걸리는 코팅(膜付) 공정의 경과 시간을 단축하기 위해, 용기 내의 온도 및 공급하는 가스의 온도를 고온화하고, 가스의 화학반응 속도를 올리는 방법이 이용되고 있다. 이러한 반도체 제조 프로세스에 사용되는 반도체 제조장치에서는, 공정 제어에 사용하는 압력 센서의 내열화(耐熱化), 특히, 250℃ 이상의 내열성을 가지는 압력 센서의 개발이 요구되고 있다.
그러나, 종래의 압력 센서는, 압력 매체의 온도가 180℃ 이상이 되면, 사용이 곤란해지는 경우가 있다. 예를 들면, CrNi의 재료를 사용한 금속 변형 게이지(strain gauge)를 구비하는 압력 센서에서는, 압력 매체의 온도는 150℃까지 제한된다. 또한, 일반적인 Si 반도체의 변형 게이지는, 100℃ 이상이 되면 온도 드리프트가 크게 불안정하게 되어 사용하는 것이 곤란하다. 또한, SiC를 사용한 변형 게이지도 개발되어 있으나, 내부에 사용되는 배선은 180℃~250℃에서 피복이 탄화(炭化)해 버려 사용할 수 없게 된다. 또한, 압력 센서가 부대(附帶)하는 전자 회로는, 고온부에 폭로(暴露)되면 파손하기 때문에, 압력 센서에 있어서 압력이 인가되는 수압부(受壓部)로부터 격리하지 않으면 안 된다.
그래서, 압력 센서의 압력 검출 소자를 고온이 되는 수압부로부터 격리하고, 압력 검출 소자의 온도를, 예를 들면, 100℃ 이하까지 낮추는 센서 구조가 제안되고 있다. 예를 들면, 비특허문헌 1은, 고온 환경하에 있는 수압부로부터 격리된 압력 검출 소자에 변위를 전달하는데, 수압부와 압력 검출 소자의 사이에 실리콘 오일을 충전한 코일 형상의 세관(細管)을 구비하는 압력 센서를 개시하고 있다. 비특허문헌 1에 기재된 압력 센서에서는, 수압부와 압력 검출 소자의 사이에 설치된 공간에 의해, 세관에 충전된 실리콘 오일이 받은 수압부로부터의 열을 공냉(空冷)하고, 압력 검출 소자 측으로의 열의 영향을 감소시킴으로써, 고온 환경하에서의 압력의 측정을 실시하고 있다.
그러나, 비특허문헌 1에 기재되어 있는 압력 센서는, 실리콘 오일을 압력 전달 매체로서 사용한 구조이며, 실리콘 오일의 내열 온도가 250℃인 것에 의한 압력 센서의 내열성은 제약된다. 특히, 250℃ 이상의 가열 온도에서는, 실리콘 오일이 비등(沸騰)하여 증기압이 발생하기 때문에, 측정 오차가 발생한다.
또한, 비특허문헌 1에 기재되어 있는 압력 센서에서는, 압력 센서의 금속 용기 및 금속의 세관은 가열 온도의 상승에 비례하여 확장하고, 세관의 단면(端面)에 있는 압력 검출 소자의 격막(隔膜)을 누르게 된다. 즉, 압력 전달 응력과 온도 상승에 의한 세관의 확장 응력과, 내열 실리콘 오일의 압력 변위 응력이 합성된 응력이 되어 압력 검출 소자의 다이어프램을 밀어 올리므로, 고온에서의 측정 오차는 더 커진다.
또한, 비특허문헌 1에 기재되어 있는 압력 센서에서는, 수압부와 압력 검출 소자의 거리를, 공냉을 위해 비교적 길게 취할 필요가 있으며, 또한, 코일 형상의 세관을 사용함으로써, 수압부와 압력 검출 소자의 거리가 더 길어진다. 그 때문에, 수압부로부터 압력 검출 소자로의 압력 전달 속도가 늦어진다.
압력 센서의 압력 검출 소자를 고온이 되는 수압부로부터 격리하고, 압력 검출 소자의 온도를 내리는 종래의 센서 구조의 다른 예로서, 특허문헌 1은, 수압부와 압력 검출 소자의 사이에 로드핀을 설치하고, 수압부의 압력을 로드핀이 압력 검출 소자에 전달하는 구조를 가지는 압력 센서를 개시하고 있다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 압력 센서에서는, 압력 센서의 금속 용기는, 예를 들면, 300℃의 가열 온도에 견딜 수 있지만, 금속 용기에 사용되는 스테인리스 등의 금속은, 열팽창이 비교적 크다. 또한, 로드핀에 대해서도, 스테인리스 등의 금속이 사용되기 때문에, 열팽창율이 비교적 크다. 압력 센서의 금속 용기 및 로드핀은, 모두 가열 온도의 상승에 따라 열팽창하여 압력 검출 소자의 중심부를 응력으로서 누르게 된다. 그 때문에, 압력의 응력과 열팽창 응력으로 합성된 응력이 압력 검출 소자의 검출면에 전달되고, 측정 압력의 오차가 발생한다.
특허문헌 1: 일본국 공개특허공보 특개평4-290937호
비특허문헌 1: 켈러사, "시리즈 35XHTC　데이터 시트", [online], 2020년 9월 15일, [2022년 6월 27일 검색], 인터넷 ＜https://download.keller-druck.com/api/download/hH7qKyYHH2gDhU7CPqeCgX/en/2020-09.pdf＞
종래의 기술에 의하면, 더 고온의 압력 매체의 압력 측정을 정밀하게 실시하는 것은 곤란했다.
본 발명은, 상술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 더 고온의 압력 매체의 압력 측정을 정밀하게 실시할 수 있는 압력 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관련되는 압력 센서는, 반도체 제조장치에 사용되는 압력 센서로서, 중공(中空)인 통 형상의 하우징과, 상기 하우징의 일단(一端) 측에 설치된 제1 기대(基臺)와, 상기 하우징의 타단(他端) 측에 설치된 제2 기대와, 상기 제1 기대에 지지(支持)되고, 압력을 받으면 탄성 변형하는 다이어프램과, 상기 제2 기대에 지지되고, 상기 다이어프램의 탄성 변형에 의한 응력을 검출하여 전기 신호로 변환하는 압력 검출 소자와, 상기 제1 기대 및 상기 제2 기대를 관통하고, 상기 다이어프램과 상기 압력 검출 소자의 사이에 설치된 압력 전달 부재와, 상기 제2 기대의 외면(外面)과 상기 하우징의 내주면(內周面)의 사이에 설치된 제1 슬라이딩(摺動) 부재를 구비하고, 상기 압력 전달 부재는, 30℃에서부터 100℃에 있어서의 열선팽창(熱線膨脹) 계수가 1.3×10-6/℃ 이하인 금속재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관련되는 압력 센서에 있어서, 상기 제1 기대 및 상기 제2 기대의 각각에는, 상기 하우징의 길이 방향의 중심축을 따르는 관통 구멍이 형성되고, 상기 압력 전달 부재는, 상기 관통 구멍에 삽통(揷通)되어, 상기 중심축을 따라 설치되어도 된다.
또한, 본 발명에 관련되는 압력 센서에 있어서, 또한, 상기 제1 기대와 상기 제2 기대의 사이에 설치된, 복수의 지주(支柱)를 구비하고, 상기 복수의 지주는, 상기 압력 전달 부재의 주위를 둘러싸도록, 상기 중심축으로부터 이간(離間)한 위치에 상기 중심축과 평행으로 설치되어 있어도 된다.
또한, 본 발명에 관련되는 압력 센서에 있어서, 상기 압력 전달 부재의 일단은, 상기 다이어프램에 용접되고, 상기 압력 전달 부재의 타단은, 상기 압력 검출 소자의 검출면에 용접되어 있어도 된다.
또한, 본 발명에 관련되는 압력 센서에 있어서, 상기 압력 전달 부재는, 슈퍼 인바(super invar)재에 의해 형성되어 있어도 된다.
또한, 본 발명에 관련되는 압력 센서에 있어서, 상기 제1 슬라이딩 부재는, 열전도율이 수지 재료 중에서 비교적 낮은, 불소 수지를 포함하는 재료에 의해 형성되어 있어도 된다.
또한, 본 발명에 관련되는 압력 센서에 있어서, 상기 압력 전달 부재는, 길이 방향으로 분할 가능하게 구성되고, 또한, 분할 부분은, 상기 압력 전달 부재의 길이 방향의 길이가 조절 가능하게 구성되어 있어도 된다.
또한, 본 발명에 관련되는 압력 센서에 있어서, 상기 복수의 지주는, 슈퍼 인바재에 의해 형성되어 있어도 된다.
또한, 본 발명에 관련되는 압력 센서에 있어서, 또한, 상기 제1 기대와 상기 제2 기대의 사이에 설치되고, 상기 복수의 지주 및 상기 압력 전달 부재를 지지하는 지지판과, 상기 지지판과 상기 하우징의 내주면의 사이에 배치된 제2 슬라이딩 부재를 구비하고, 상기 제2 슬라이딩 부재는, 열전도율이 수지 재료 중에서 비교적 낮은, 불소 수지를 포함하는 재료에 의해 형성되어 있어도 된다.
본 발명에 의하면, 제1 기대 및 제2 기대를 관통하고, 다이어프램과 압력 검출 소자의 사이에 설치된 압력 전달 부재와, 제2 기대의 외면과 하우징의 내주면의 사이에 설치된 제1 슬라이딩 부재를 구비하고, 압력 전달 부재는, 30℃에서부터 100℃에 있어서의 열선팽창 계수가 1.3×10-6/℃ 이하인 금속재료에 의해 형성되어 있다. 그 때문에, 더 고온의 압력 매체의 압력 측정을 정밀하게 실시할 수 있다.
[도 1] 도 1은, 본 발명의 실시의 형태에 관련되는 압력 센서의 요부(要部)를 나타내는 도면이며, (a)는 개략 단면도, (b)는 (a)의 A 화살표에서 본 개략 평면도이다.
[도 2] 도 2는, 본 실시의 형태에 관련되는 압력 센서의 본체부의 분해 사시도이다.
[도 3] 도 3은, 본 실시의 형태에 관련되는 압력 센서의 하우징의 구조예를 나타내는 도면이며, (a)는 정면도, (b)는 A 화살표에서 본 개략 평면도이다.
[도 4] 도 4는, 본 실시의 형태에 관련되는 압력 센서의 로드핀의 재료를 설명하기 위한 도면이다.
[도 5a] 도 5a는, 본 실시의 형태에 관련되는 압력 센서의 로드핀의 재료를 설명하기 위한 도면이다.
[도 5b] 도 5b는, 본 실시의 형태에 관련되는 압력 센서의 로드핀의 재료를 설명하기 위한 도면이다.
[도 5c] 도 5c는, 본 실시의 형태에 관련되는 압력 센서의 로드핀의 재료를 설명하기 위한 도면이다.
[도 6] 도 6은, 본 실시의 형태에 관련되는 압력 센서에 있어서의 열팽창의 영향을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 적합한 실시의 형태에 대해, 도 1부터 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다.
[실시의 형태]
우선, 본 발명의 실시의 형태에 관련되는 압력 센서(1)의 개요에 대해 설명한다. 도 1의 (a)는, 본 발명의 실시의 형태에 관련되는 압력 센서(1)의 요부(要部)의 개략 단면도이며, 도 1의 (b)는, 압력 센서(1)의 A 화살표에서 본 개략 평면도이다. 도 2는, 본 발명의 실시의 형태에 관련되는 압력 센서(1)의 본체부의 분해 사시도이다. 압력 센서(1)는 반도체 제조장치에 설치되며, 예를 들면, 250℃ 이상이 되는 압력 매체, 예를 들면, 가스 등의 압력(P)을 측정한다.
도 1의 (a)에 나타내듯이, 압력 센서(1)는, 주로, 하우징(2), 수압부(5), 및 센서부(압력 검출 소자)(6)를 구비하고, 중공인 통 형상의 하우징(2)의 내부에는, 제1 기대(3), 제2 기대(4), 로드핀(압력 전달 부재)(7), 지주(8a, 8b, 8c), 및 지지판(9)이 수용되어 있다. 수압부(5)에 인가되는 압력(P)은, 로드핀(7)에 의해 센서부(6)에 전달된다.
또한, 이하에 있어서, 하우징(2)을 제외한 압력 센서(1)의 구조, 즉, 제1 기대(3), 제2 기대(4), 수압부(5), 센서부(6), 로드핀(7), 지주(8a, 8b, 8c), 지지판(9), 제1 슬라이딩 부재(10), 및 제2 슬라이딩 부재(11)를 포함하는 구조를, 압력 센서(1)의 본체부라 부른다. 또한, 본 실시의 형태에 관련되는 압력 센서(1)는, 본체부의 각 구조 및 하우징(2)이, 순차적으로, 용접이나 접착 등에 의해 접속되어 일체화된 것이다.
하우징(2)은, 축(O) 방향으로 관통하는 원형 단면의 중공부를 가지는 통 형상으로 형성되어 있다. 하우징(2)의 양단(兩端)에는 개구(開口)가 형성되고, 일단 측에는, 외부로부터 인가되는 압력(P)을 받는 수압부(5)가 설치되어 있다. 하우징(2)의 타단 측에는, 수압부(5)에 있어서의 다이어프램(5a)의 탄성 변형에 의한 응력을 검출하여 전기신호로 변환하는 센서부(6)가 설치되어 있다. 하우징(2)의 길이 방향의 길이는, 측정하는 압력(P)의 온도에 따라 설정된다. 또한, 이하에 있어서 하우징(2)의 길이 방향의 축(O)을 압력 센서(1)의 축(O)이라 칭하는 경우가 있다.
하우징(2)은, 예를 들면, 알루미늄 등의 열전도율이 높은 금속재료에 의해 형성되어 있다. 하우징(2)의 외주면은, 예를 들면, 수압부(5)로부터의 열을 방열(放熱)하기 위해, 복수의 핀을 형성하여 전열 면적을 넓힌 구조로 할 수 있다. 도 3의 (a)는, 핀(fin) 구조가 형성된 외주면을 가지는 하우징(2)의 정면도를 나타내며, 도 3의 (b)는, 핀 구조가 형성된 외주면을 가지는 하우징(2)의 A 화살표에서 본 평면도를 나타낸다. 하우징(2)을 이러한 구조로 함으로써, 고온에 노출되는 수압부(5)로부터의 열을 효율적으로 방열하고, 또한, 본체부가 수용되어 있는 하우징(2) 내부의 온도의 변동을 억제할 수 있다.
예를 들면, 300℃의 고온이 되는 압력(P)을 측정하는 경우, 하우징(2)의 길이 방향의 길이를, 145[mm]로 하고, 지름 방향의 길이를, 50[mm]로 할 수 있다. 또한, 하우징(2)의 길이 방향의 길이, 즉, 압력 센서(1)의 본체부에 있어서의 수압부(5)와 센서부(6)의 이간 거리는, 측정하는 압력(P)의 온도에 따라 설정된다. 예를 들면, 측정하는 압력(P)의 온도가 300℃보다 낮은 경우에는, 하우징(2)의 길이 방향의 길이를 더 짧게 할 수 있다.
제1 기대(3)는, 하우징(2)의 일단 측, 즉 수압부(5) 측에 설치되어 있다. 제1 기대(3)는, 하우징(2)의 내경(內徑)에 대략 일치하는 직경을 가진 원형 단면의 대략 원주(圓柱)로 형성되어 있다. 제1 기대(3)는, 한쪽의 저면(底面)(3a) 측에 있어서, 수압부(5)를 지지하고 있다. 또한, 제1 기대(3)의 다른 쪽의 저면(3b)은, 하우징(2)의 중공 측에 면(面)하고 있다.
제1 기대(3)에는, 저면(3a)으로부터 다른 쪽의 저면(3b)을 향하여, 축(O)을 따르는 관통 구멍(3c)이 형성되어 있다. 관통 구멍(3c)의 직경은, 후술하는 로드핀(7)의 지름보다도 조금 크다. 또한, 저면(3a)의 외연(外緣) 부분에는, 축(O) 방향을 따라 돌출 구조가 형성되어 있다. 저면(3a)의 돌출 구조에 의해, 축(O) 주변의 영역에 제1 기대(3)의 내부 측을 향한 오목부가 형성되어 있다. 이 오목부 구조에 의해, 압력(P)에 의한 수압부(5)의 다이어프램(5a)의 휨을 허용하는 공간이 형성된다.
또한, 저면(3a)에 있어서의 축(O) 주변의 더 좁은 영역을 둘러싸도록, 외연 부분의 돌출 구조보다도 낮은 돌기가 형성되고, 수압부(5)의 다이어프램(5a)이 받을 수 있는 최대 휨을 규정하는 스토퍼로서 기능한다. 또한, 제1 기대(3)의 저면(3b) 측에는, 후술하는 지주(8a, 8b, 8c)의 한쪽의 단부가 고정적으로 지지된다. 제1 기대(3)는, 스테인리스(SUS304) 등의 금속재료에 의해 형성되어 있다. 제1 기대(3)와 하우징(2) 및 수압부(5)는, 각각 용접 등에 의해 고정적으로 접합된다.
제2 기대(4)는, 하우징(2)의 타단 측, 즉 센서부(6) 측에 설치되어 있다. 제2 기대(4)는, 하우징(2)의 내경보다 조금 작은 직경의 원형 단면을 가지는 대략 원주로 형성되어 있다. 제2 기대(4)는, 한쪽의 저면(4a) 측에 있어서, 센서부(6)를 지지하고 있다. 또한, 제2 기대(4)의 다른 쪽의 저면(4b)은, 하우징(2)의 중공 측에 면하고 있다.
제2 기대(4)에는, 저면(4a)으로부터 다른 쪽의 저면(4b)을 향하여, 축(O)을 따르는 관통 구멍(4c)이 형성되어 있다. 관통 구멍(4c)의 직경은, 후술하는 로드핀(7)의 지름보다도 조금 크고, 제1 기대(3)에 형성되어 있는 관통 구멍(3c)의 직경과 동등한 크기로 할 수 있다.
또한, 제2 기대(4)의 저면(4b) 측에는, 후술하는 지주(8a, 8b, 8c)의 다른 쪽의 단부가 지지되는 3개의 비관통 구멍(4d)이 형성되어 있다. 이 비관통 구멍(4d)의 직경은, 지주(8a, 8b, 8c)의 지름보다도 조금 큰 직경으로 할 수 있다. 또한, 비관통 구멍(4d)의 축(O) 방향의 깊이는, 도 1의 (a)에 나타내듯이, 지주(8a, 8b, 8c)의 다른 쪽의 단부와 비관통 구멍(4d)의 사이에 여유가 되는 공간이 형성되도록, 충분한 깊이가 된다. 또한, 비관통 구멍(4d)의 여유 공간의 상세(詳細)는 후술한다.
제2 기대(4)는, 스테인리스 등의 금속재료에 의해 형성되어 있다. 제2 기대(4)와 센서부(6)는, 용접 등에 의해 고정적으로 접합되지만, 제2 기대(4)와 하우징(2)은, 후술의 제1 슬라이딩 부재(10)를 통하여, 제2 기대(4)가 하우징(2)에 대해 축(O) 방향으로 슬라이딩 가능하도록 설치된다.
수압부(5)는, 압력(P)을 받으면 탄성 변형하는 수압(受壓)용의 다이어프램(5a)을 구비한다. 다이어프램(5a)은, 일면(一面)이 외부에 노출된 수압면으로 되어 있다. 이 수압면이, 피측정 압력으로서의 외부로부터의 압력(P)을 받아 휨 변형하고, 다이어프램(5a)의 타면(他面)의 중앙 영역에 고정적으로 접합되어 있는 후술의 로드핀(7)의 단면(7a)에 축(O) 방향의 힘을 인가한다.
수압부(5)는, 예를 들면, SUS316 등의 스테인리스에 의해 형성된다. 또한, 다이어프램(5a)은, 도 1의 (b)에 나타내듯이, 원반상(圓盤狀)의 스테인리스의 박막에 의해 형성되고, 중심점이, 압력 센서(1)의 축(O)과 일치한다.
센서부(6)는, 다이어프램(6a) 및 신호 처리부(6b)가 케이스 부재(6c)에 수용된 구조를 가진다. 센서부(6)는, 예를 들면, 변형 저항 방식, 정전 용량 방식, 압전 소자 방식 등에 의한 센서 구조로 할 수 있다. 예를 들면, 변형 저항 방식에 있어서는, 다이어프램(6a)은, 스테인리스 등의 금속 박막, 세라믹 박막, 또는 실리콘(Si)의 박막에 변형 저항 브릿지 회로를 형성할 수 있다.
다이어프램(6a)의 중심점은 압력 센서(1)의 축(O)과 일치한다. 다이어프램(6a)의 일면은, 로드핀(7)에 의해 전달된 압력(P)에 의한 응력을 검출하는 검출면으로 되어 있으며, 후술하는 로드핀(7)의 다른 쪽의 단면(7b)이 고정적으로 접합되어 있다. 예를 들면, 로드핀(7)의 다른 쪽의 단면(7b)은, 다이어프램(6a)의 중심점의 영역에 에폭시 수지계 등의 접착제로 고착할 수 있다. 로드핀(7)이 접합되어 있는 면과는 반대 측의, 다이어프램(6a) 타면에는, 도시되지 않은 게이지 저항이 배치되고, 로드핀(7)에 의해 전달되는 압력(P)의 응력에 의해 변화하는 게이지 저항의 저항값이 검출된다.
다이어프램(6a)과 신호 처리부(6b)와의 사이에는, 누름 링(6e)이 설치되어 있다. 누름 링(6e)을 설치함으로써, 다이어프램(6a)의 축(O)을 따르는 위치가 고정되기 때문에, 로드핀(7)의 단면(7b)이 다이어프램(6a)의 중심을 압압(押壓)할 때에, 수압부(5)의 다이어프램(5a)의 압력 변위를 확실히 전달할 수 있다.
신호 처리부(6b)는, 다이어프램(6a)에 있어서 검출된 게이지 저항의 저항값을, 압력(P)에 비례한 전압 신호로 변환한다. 더 구체적으로는, 신호 처리부(6b)는, 압력(P)을 나타내는 전기신호의 증폭, AD 변환, 노이즈의 제거 등을 포함하는 공지의 신호 처리를 실시하고, 외부에 출력한다. 또한, 신호 처리부(6b)에는, 압력 센서(1)를 외부 전자 장치에 접속하는 도시되지 않은 단자(端子)가 설치되어 있고, 이 단자에는, 센서 출력이 공급되는 신호선(6d)(도 2 참조)가 접속된다.
로드핀(7)은, 제1 기대(3) 및 제2 기대(4)를 관통하여, 수압부(5)와 센서부(6)의 사이에 설치되어 있는 봉 형상의 부재이다. 더 구체적으로는, 로드핀(7)의 길이 방향의 한쪽의 단면(7a)은, 수압부(5)의 다이어프램(5a)에 접합되고, 또한, 다른 쪽의 단면(7b)에 대해서도, 센서부(6)의 다이어프램(6a)에 접합된 상태에서, 제1 기대(3)의 관통 구멍(3c) 및 제2 기대(4)의 관통 구멍(4c)에 삽통되어 있다.
로드핀(7)의 지름은, 제1 기대(3)의 관통 구멍(3c) 및 제2 기대(4)의 관통 구멍(4c)에 닿지 않을 정도의 일정한 공간이 형성되도록, 관통 구멍(3c, 4c)의 지름보다도 작은 지름으로 할 수 있다. 또한, 로드핀(7)의 축은, 압력 센서(1)의 축(O)에 일치한다. 이와 같이, 로드핀(7)은, 제1 기대(3) 및 제2 기대(4)의 관통 구멍(3c, 4c)에 삽통되고, 축(O)을 따라 수압부(5)와 센서부(6)의 사이에 설치됨으로써, 수압부(5)에 인가된 압력(P)을 센서부(6)에 전달할 수 있다.
또한, 도 2에 나타내듯이, 로드핀(7)은, 길이 방향으로 분할 가능하게 구성되고, 또한, 분할 부분에는, 로드핀(7)의 길이 방향의 길이를 조절 가능으로 하는 어저스터(adjuster)부(7c)를 가진다. 예를 들면, 어저스터부(7c)는, 2 분할되는 로드핀(7)의 한쪽의 단부에 형성된 암나사 구조와, 이 암나사 구조와 감합(嵌合)하는 수나사 구조가 다른 쪽의 단부에 형성되는 것으로 구성된다.
로드핀(7)이 분할 가능해지는 구조를 채용함으로써, 압력 센서(1)를 제작할 때에는, 로드핀(7)의 단면(7a, 7b)을 각각 다이어프램(5a, 6a)에 접합한 후에, 2 분할된 로드핀(7)을 어저스터부(7c)에서 결합할 수 있다. 또한, 로드핀(7)의 길이 방향의 길이는, 압력 센서(1)가 측정하는 압력 매체에 의해 가열된 본체부의 공냉을 위해 필요해지는 수압부(5)와 센서부(6)의 이간 거리에 따라 결정된다.
로드핀(7)은, 슈퍼 인바 등의 상온 부근에서의 열팽창율이 낮고, 특히, 30℃에서부터 100℃에 있어서의 열선팽창 계수가 1.3×10-6/℃ 이하인 금속재료에 의해 형성된다. 슈퍼 인바는, 철, 니켈, 코발트의 합금이다. 도 4는, 각종 금속재료의 열선팽창 계수의 대표값을 막대그래프로 나타내는 도면이다. 도 4에 있어서, 세로축은, 온도 조건(상온 30℃~100℃, -20℃~60℃)에 따른 해칭(hatching)이 부여되어 있다. 도 5a~도 5c는, 각각, 각종 금속재료의 열선팽창 계수의 대표값을 테이블 형식으로 나타내는 도면이다.
도 5에 나타내듯이, 슈퍼 인바는, 예를 들면, 스테인리스(SUS304)의 열선팽창율의 1/35의 열선팽창율을 가지는 금속재료이며, 열선팽창율의 낮음은, 다른 금속재료와 비교하여 극히 낮다. 따라서, 로드핀(7)을 슈퍼 인바에 의해 형성함으로써, 로드핀(7) 자체의 열선팽창에 의한 응력의 영향을 받지 않는 압력 전달 부재가 실현된다.
로드핀(7)의 단면(7a, 7b)은 각각 수압부(5)의 다이어프램(5a), 센서부(6)의 다이어프램(6a)에 용접이나 접착제 등에 의해 고정적으로 접합할 수 있다.
지주(8a, 8b, 8c)는, 제1 기대(3)와 제2 기대(4)의 사이에 설치되어 있는 가늘고 긴 원주(圓柱) 형상의 부재이다. 더 구체적으로는, 지주(8a, 8b, 8c)는, 지지판(9)을 관통하여, 제1 기대(3)와 제2 기대(4)의 사이에 설치되어 있다. 지주(8a, 8b, 8c)의 지름은, 로드핀(7)의 지름과 동등하게 할 수 있다. 또한, 지주(8a, 8b, 8c)는, 하우징(2)을 화살표(A)의 방향에서 보아, 로드핀(7)의 주위를 둘러싸도록, 축(O) 상의 로드핀(7)으로부터 일정한 거리만큼 이간한 위치에 축(O)과 평행이 되도록 설치되어 있다.
지주(8a, 8b, 8c)는, 예를 들면, 슈퍼 인바 등의 상온 부근에서의 열팽창율이 낮은, 특히, 30℃에서부터 100℃에 있어서의 열선팽창 계수가 1.3×10-6/℃ 이하인 금속재료에 의해 형성할 수 있다. 지주(8a, 8b, 8c)에 대해서도 로드핀(7)과 마찬가지로 열팽창율이 극히 낮은 슈퍼 인바에 의해 형성함으로써, 로드핀(7)뿐만 아니라, 본체부 전체에 있어서의 열팽창을 억제할 수 있다.
지주(8a, 8b, 8c)의 길이 방향의 한쪽의 단부는, 각각 제1 기대(3)에 고정적으로 접합되어 있다. 지주(8a, 8b, 8c)의 다른 쪽의 단부는, 각각 제2 기대(4)의 비관통 구멍(4d)에 삽입되고, 제2 기대(4)에 대해서 축(O) 방향으로 가동(可動)으로 설치된다. 더 상세하게는, 지주(8a, 8b, 8c)의 다른 쪽의 단부와 비관통 구멍(4d)의 저면의 사이에는, 지주(8a, 8b, 8c)의 축(O) 방향을 따르는 이동을 가능하게 하는 여유 공간이 형성되어 있다.
지지판(9)은, 하우징(2)의 중공부에 있어서, 제1 기대(3)와 제2 기대(4)의 사이에 배설(配設)된다. 지지판(9)은, 예를 들면, 제1 기대(3)로부터 제2 기대(4)까지의 축(O)을 따르는 길이의 절반의 위치에 배치할 수 있다. 지지판(9)은, 하우징(2)의 내경에 대략 일치하는 직경의 원형 단면을 가진 대략 원주로 형성되어 있다. 지지판(9)의 원형 단면의 중심점은, 축(O)에 일치한다. 지지판(9)의 축(O) 방향에는 관통 구멍(9a)이 형성되고, 이 관통 구멍(9a)에 로드핀(7)이 삽통된다. 관통 구멍(9a)은, 제1 기대(3) 및 제2 기대(4)의 관통 구멍(3c, 4c)과 동일한 지름을 가지고, 로드핀(7)의 지름보다도 조금 크다.
지지판(9)에는, 또한, 지주(8a, 8b, 8c)의 각각이 삽통되는 관통 구멍이 형성되어 있다. 지주(8a, 8b, 8c)가 삽통되는 관통 구멍은, 지주(8a, 8b, 8c)와 간극없이 접할 수 있는 정도의 크기의 지름으로 할 수 있다.
지지판(9)과 지주(8a, 8b, 8c)는 각각 고정적으로 접합된다. 한쪽에 있어서, 지지판(9)과 하우징(2)은, 후술하는 제2 슬라이딩 부재(11)를 통하여 슬라이딩 가능하게 배치된다. 구체적으로는, 지지판(9)은 하우징(2)에 대해서, 축(O) 방향으로 슬라이딩 가능하게 되도록 배치된다. 지지판(9)은, 스테인리스 등의 금속재료에 의해 형성되어 있다. 지지판(9)을 설치함으로써, 로드핀(7)을 포함하는 본체부가 하우징(2) 내에서 더 안정적으로 지지되지만, 생략해도 된다.
제1 슬라이딩 부재(10)는, 제2 기대(4)의 측면(외면)과 하우징(2)의 내주면의 사이에 설치되어 있는 필름 형상의 부재이다. 제1 슬라이딩 부재(10)는, 제2 기대(4)의 측면 전체를 덮도록 설치된다. 제1 슬라이딩 부재(10)는, 예를 들면, 불소 수지(테플론(등록상표)) 등의 마찰 계수가 작고, 미끄러짐 특성이 양호하고, 또한, 예를 들면, 다른 수지 재료와 비교하여 열전도율이 비교적 낮은 재료에 의해 형성된다.
제2 슬라이딩 부재(11)는, 지지판(9)의 측면과 하우징(2)의 내주면의 사이에 설치되어 있는 필름 형상의 부재이다. 제2 슬라이딩 부재(11)는, 지지판(9)의 측면 전체를 덮도록 설치된다. 제2 슬라이딩 부재(11)에 대해서도, 제1 슬라이딩 부재(10)와 동일하게 불소 수지 등에 의해 형성된다.
여기서, 도 6의 (a) 및 (b)에 나타내는, 고온의 압력(P)이 인가되기 전과 후에 있어서의 압력 센서(1)의 개략 단면도를 참조하여, 하우징(2) 및 본체부에 있어서의 열팽창의 영향에 대해 설명한다. 도 6의 (a)는, 압력(P)이 수압부(5)에 인가되기 전의 압력 센서(1)의 개략 단면도를 나타내고 있다. 도 6의 (b)는, 압력(P)이 수압부(5)에 인가되었을 때의 압력 센서(1)의 개략 단면도를 나타내고 있다.
고온의 가스 등의 압력(P)이 수압부(5)에 인가되면, 도 6의 (b)에 나타내듯이, 알루미늄 등의 금속재료로 형성되어 있는 하우징(2)은 열팽창하고, 축(O) 방향으로 신장(伸長)한다. 구체적으로는, 알루미늄으로 형성된 하우징(2)은, 열전도가 뛰어나지만 열선팽창율이 높기 때문에, 도 6의 (b)의 축(O) 방향의 길이(h＇)로 나타내듯이, 압력(P)의 인가 전의 길이(h)로부터 열팽창에 의해 길이(d)만큼 축(O) 방향으로 신장한다. 한편, 스테인리스로 형성된 수압부(5)는, 방열재로서 기능하는 하우징(2)에 접합하고 있기 때문에, 고온에 노출된 때에는, 수압부(5)의 열이 하우징(2)을 통하여 방열(放熱)되고, 수압부(5)의 열팽창은 억제된다.
다음으로, 수압부(5)를 지지하는 제1 기대(3)는, 방열재로서 기능하는 하우징(2)에 직접 접하고 있기 때문에, 어느 정도의 열팽창은 억제된다. 그러나, 도 6의 (a) 및 (b)에 나타내듯이, 압력(P)의 인가 후에는, 제1 기대(3)는 열팽창에 의해 길이(b)분만큼 축(O) 방향으로 신장하고 있다.
전술한 것처럼, 지주(8a, 8b, 8c)의 한쪽의 단부는 제1 기대(3)에 고정적으로 접합되어 있다. 그 때문에, 열팽창에 의해 제1 기대(3)가 축(O) 방향으로 신장하면, 제1 기대(3)와 함께 지주(8a, 8b, 8c)도 축(O) 방향으로 밀어올려진다. 그러나, 도 6의 (b)에 나타내듯이, 지주(8a, 8b, 8c)의 다른 쪽의 단부는 비관통 구멍(4d) 내에 있어서 축(O) 방향으로 이동할 뿐이다. 즉, 지주(8a, 8b, 8c)의 다른 쪽의 단부는, 비관통 구멍(4d)의 저면에 닿아서 제2 기대(4)를 밀어올리는듯한 경우는 없다.
이와 같이, 비관통 구멍(4d)의 여유 공간에 의해, 열팽창에 의한 제1 기대(3)의 신장분(伸長分)의 길이가 흡수되므로, 제2 기대(4)는, 제1 기대(3)의 열선팽창의 영향을 받지 않는다. 또한, 지주(8a, 8b, 8c)는 전술한 바와 같이 슈퍼 인바에 의해 형성되어 있기 때문에, 지주(8a, 8b, 8c) 자체의 열선팽창은 영향을 미치지 않는다.
다음으로, 로드핀(7)에 주목하면, 수압부(5)에 고온의 압력(P)이 인가된 경우, 다이어프램(5a)이 압력(P)에 의해 휘어, 로드핀(7)에 응력이 전해진다. 또한, 로드핀(7)은, 압력(P)을 센서부(6)의 다이어프램(6a)에 전달한다. 로드핀(7)은, 전술한 바와 같이 열선팽창율이 낮은 재료인 슈퍼 인바에 의해 형성되어 있기 때문에, 고온의 압력(P)을 전달하는 경우여도, 열에 의한 축(O) 방향으로의 신장은 거의 없다(도 6의 (a)(b)의 길이(r)).
또한, 수압부(5)의 다이어프램(5a)은, 극히 얇은 금속 박막에 의해 형성되어 있어, 다이어프램(5a) 자체의 열선팽창율은 극히 작고, 열에 의한 축(O) 방향으로의 신장은 극히 작다. 그 때문에, 다이어프램(5a)의 열선팽창의 로드핀(7)에 대한 영향은 극히 작다.
즉, 고온의 압력(P)이 인가되면, 하우징(2)은 열팽창에 의해 축(O) 방향으로 신장하는 데 대해, 낮은 열팽창의 로드핀(7) 및 지주(8a, 8b, 8c)를 포함하는 본체부는, 열에 의한 축(O) 방향의 신장이 거의 없다. 또한, 본체부가 구비하는 제1 기대(3)의 열팽창에 의한 축(O) 방향으로의 신장분은, 제2 기대(4)의 비관통 구멍(4d)에 의해 흡수된다. 즉, 본체부는, 제1 기대(3)의 열선팽창의 영향을 억제할 수 있는 구조를 가진다.
또한, 압력 센서(1)의 본체부 중, 제1 기대(3), 제2 기대(4), 및 지지판(9)이 하우징(2)과 접하는 면인 바, 제2 기대(4) 및 지지판(9)은, 각각의 측면을 덮도록 배설된 제1 슬라이딩 부재(10), 및 제2 슬라이딩 부재(11)를 통하여 하우징(2)의 내주면에 접하고 있다. 제1 슬라이딩 부재(10) 및 제2 슬라이딩 부재(11)와 접하는 하우징(2)의 내주면이 슬라이딩면이 되고, 본체부에 대해서 하우징(2)이 축(O) 방향으로 신장하게 된다.
구체적으로는, 도 6의 (a) 및 (b)에 나타내듯이, 고온의 압력(P)의 인가 후에 있어서의 제2 기대(4) 및 지지판(9)의 축(O) 방향의 위치는, 하우징(2)이 축(O) 방향으로 신장(길이(h)로부터 길이(h＇))하고 있는 데 대해, 로드핀(7)의 길이(r)에 대응하는 위치가 유지되고 있다. 이와 같이, 로드핀(7)이 지지되고 있는 본체부가, 제1 슬라이딩 부재(10) 및 제2 슬라이딩 부재(11)를 통하여 하우징(2)과 접함으로써, 하우징(2)의 열팽창과, 열 부동(不動)의 로드핀(7)의 열선팽창 변위의 차(길이(d))를 흡수시킬 수 있다.
이와 같이, 압력 전달 부재인 로드핀(7)은, 하우징(2)에 수용되면서도, 열적으로는 하우징(2)으로부터는 격리된, 플로팅 구조가 된다. 로드핀(7)을 이러한 플로팅 구조로 함으로써, 하우징(2)의 열팽창에 의한 응력은 로드핀(7)에 의해 전달되는 경우는 없다.
또한, 로드핀(7)뿐만 아니라, 로드핀(7)을 둘러싸는 지주(8a, 8b, 8c)에 대해서도 슈퍼 인바에 의해 형성함으로써, 본체부 전체의 축(O) 방향의 열선팽창을 억제할 수 있다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시의 형태에 관련되는 압력 센서(1)에 의하면, 로드핀(7)을 열팽창율이 극히 낮은 재료로 형성하고, 또한, 플로팅 구조로 함으로써, 하우징(2)의 열팽창에 의한 응력이 로드핀(7)에 의해 전달되는 경우는 없기 때문에, 더 고온의 압력 매체의 압력 측정, 특히, 반도체 제조장치에 있어서 요구되는 250℃의 고온이 되는 압력 매체의 압력 측정을 정밀하게 실시할 수 있다.
이상, 본 발명의 압력 센서에 있어서의 실시의 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 설명한 실시의 형태에 한정되는 것은 아니며, 청구항에 기재한 발명의 범위에 있어서 당업자가 상정(想定)할 수 있는 각종의 변형을 실시하는 것이 가능하다.
1…압력 센서, 2…하우징, 3…제1 기대, 4…제2 기대, 3a, 3b, 4a, 4b…저면, 4d…비관통 구멍, 5…수압부, 6…센서부, 5a, 6a…다이어프램, 6b…신호 처리부, 6c…케이스 부재, 6d…신호선, 6e…누름 링, 7…로드핀, 7a, 7b…단면, 7c…어저스터부, 8a, 8b, 8c…지주, 9…지지판, 3c, 4c, 9a…관통 구멍, 10…제1 슬라이딩 부재, 11…제2 슬라이딩 부재, O…축, P…압력.

Claims (9)

  1. 반도체 제조장치에 사용되는 압력 센서로서,
    중공(中空)인 통 형상의 하우징과,
    상기 하우징의 일단(一端) 측에 설치된 제1 기대(基臺)와,
    상기 하우징의 타단 측에 설치된 제2 기대와,
    상기 제1 기대에 지지(支持)되고, 압력을 받으면 탄성 변형하는 다이어프램과,
    상기 제2 기대에 지지되고, 상기 다이어프램의 탄성 변형에 의한 응력(應力)을 검출하여 전기 신호로 변환하는 압력 검출 소자와,
    상기 제1 기대 및 상기 제2 기대를 관통하고, 상기 다이어프램과 상기 압력 검출 소자의 사이에 설치된 압력 전달 부재와,
    상기 제2 기대의 외면(外面)과 상기 하우징의 내주면(內周面)의 사이에 설치된 제1 슬라이딩(摺動) 부재
    를 구비하고,
    상기 압력 전달 부재는, 슈퍼 인바(super invar)재에 의해 형성되어 있는
    것을 특징으로 하는 압력 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기대 및 상기 제2 기대의 각각에는, 상기 하우징의 길이 방향의 중심축을 따르는 관통 구멍이 형성되고,
    상기 압력 전달 부재는, 상기 관통 구멍에 삽통(揷通)되어, 상기 중심축을 따라 설치되는
    것을 특징으로 하는 압력 센서.
  3. 청구항 2에 있어서,
    또한, 상기 제1 기대와 상기 제2 기대의 사이에 설치된, 복수의 지주(支柱)를 구비하고,
    상기 복수의 지주는, 상기 압력 전달 부재의 주위를 둘러싸도록, 상기 중심축으로부터 이간(離間)한 위치에 상기 중심축과 평행으로 설치되어 있는
    것을 특징으로 하는 압력 센서.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 전달 부재의 일단은, 상기 다이어프램에 용접되고,
    상기 압력 전달 부재의 타단은, 상기 압력 검출 소자의 검출면에 용접되어 있는
    것을 특징으로 하는 압력 센서.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 슬라이딩 부재는, 불소 수지를 포함하는 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력 전달 부재는, 길이 방향으로 분할 가능하게 구성되고, 또한, 분할 부분은, 상기 압력 전달 부재의 길이 방향의 길이가 조절 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수의 지주는, 슈퍼 인바재에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  8. 청구항 3에 있어서,
    또한, 상기 제1 기대와 상기 제2 기대의 사이에 설치되고, 상기 복수의 지주 및 상기 압력 전달 부재를 지지하는 지지판과,
    상기 지지판과 상기 하우징의 내주면의 사이에 배치된 제2 슬라이딩 부재
    를 구비하고,
    상기 제2 슬라이딩 부재는, 불소 수지를 포함하는 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  9. 삭제
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