KR20220155912A - 격막 진공계 - Google Patents

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KR20220155912A
KR20220155912A KR1020220058872A KR20220058872A KR20220155912A KR 20220155912 A KR20220155912 A KR 20220155912A KR 1020220058872 A KR1020220058872 A KR 1020220058872A KR 20220058872 A KR20220058872 A KR 20220058872A KR 20220155912 A KR20220155912 A KR 20220155912A
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capacitance
diaphragm
coaxial cable
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KR1020220058872A
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야스히데 요시카와
게이스케 오바라
준 이치하라
기미히로 사토
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아즈빌주식회사
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Abstract

[과제] 케이블의 기생 용량이나 부유 용량의 영향을 받지 않고서 센서 칩의 전극 사이의 정전 용량을 계측한다.
[해결수단] 격막 진공계는, 받침대에 형성되는 제1 전극과, 받침대와 갭을 두고서 배치되는 다이어프램에 제1 전극과 대향하도록 형성되는 제2 전극을 구비하고, 피측정 매체의 압력에 의한 다이어프램의 변위에 따라서 제1, 제2 전극의 간격이 변화되는 센서 칩(1)과, 제1 전극으로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 증폭하는 오피 앰프(A1)와, 제1 전극과 오피 앰프(A1)를 접속하는 동축 케이블(21)을 구비한다. 제1 전극은, 동축 케이블(21)의 심선(22)을 통해 오피 앰프(A1)의 가상 그라운드와 접속된다.

Description

격막 진공계{DIAPHRAGM VACUUM GAUGE}
본 발명은 격막 진공계에 관한 것이다.
용량 검출형의 격막 진공계는, 다이어프램의 변위를 용량의 변화로 검출함으로써 압력을 계측하고 있다. 격막 진공계는, 미소한 용량 변화를 검출할 필요가 있기 때문에, 계측치에 기생 용량이나 부유 용량의 영향을 받게 된다. 특히 센서부에서부터 회로부까지의 배선에 있어서의 기생 용량이나 부유 용량의 영향을 받게 된다. 그 때문에, 통상은 배선을 최대한 짧게 하기 위해서 센서부 옆에 회로부를 배치할 필요가 있다.
격막 진공계는 반도체 제조 장치에 사용되는 케이스가 많다. 반도체의 프로세스 가스는, 온도가 적절하지 않으면, 액화 또는 고화하여 격막 진공계의 센서부에 부착되어 버려, 계측에 영향을 준다. 이 때문에, 격막 진공계는 액화 또는 고화된 프로세스 가스의 부착을 방지하기 위해서 격막 진공계의 내부 또는 외부에 가열 수단을 설치하여 가열할 필요가 있다(특허문헌 1, 특허문헌 2, 특허문헌 3 참조). 그와 같은 격막 진공계에서는, 센서부 근처에 내열성이 낮은 회로를 설치하면 이하와 같은 문제가 있었다.
(I) 센서부로부터 회로부에 열이 전해지지 않게 하기 위해서 단열 구조가 필요하게 된다.
(II) 회로부의 방열이 필요하게 된다.
(III) 단열과 방열을 하더라도 회로부의 온도가 상승해 버리는 경우에는 회로부 주위의 온도를 내릴 필요가 있다.
이상과 같이 센서부 근처에 회로부를 설치하면 회로부의 내열성 문제가 발생하기 때문에, 회로부를 센서부와 분리하여 설치해야 한다는 요구가 있다. 또한, 센서부를 설치하는 진공 챔버 주변은 배관이 뒤얽혀 있기 때문에, 스페이스가 필요한 회로부를 분리하여 설치해야 한다는 요구가 있다.
그러나, 센서부와 회로부를 분리하면, 상기한 것과 같이 기생 용량이나 부유 용량의 영향을 받게 되어, 압력의 계측 결과에 오차가 생긴다고 하는 과제가 있었다.
[특허문헌 1] 일본 특허공개 2010-117154호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허공개 2009-243887호 공보 [특허문헌 3] 일본 특허공개 2019-7906호 공보
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 센서 칩과 회로부를 분리하여 설치하여 케이블을 통해 접속하는 경우라도, 케이블의 기생 용량이나 부유 용량의 영향을 받지 않고서 센서 칩의 전극 사이의 정전 용량을 계측할 수 있는 격막 진공계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 격막 진공계는, 받침대(pedestal)에 형성되는 제1 전극과, 상기 받침대와 갭을 두고서 배치되는 다이어프램에 상기 제1 전극과 대향하도록 형성되는 제2 전극을 구비하고, 피측정 매체의 압력에 의한 상기 다이어프램의 변위에 따라서 상기 제1, 제2 전극의 간격이 변화되도록 구성되는 센서 칩과, 상기 제1 전극으로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 증폭하도록 구성되는 제1 오피 앰프와, 상기 제1 전극과 상기 제1 오피 앰프를 접속하도록 구성되는 동축 케이블을 구비하고, 상기 제1 전극이 상기 동축 케이블의 심선(芯線)을 통해 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계의 일 구성예는, 상기 동축 케이블의 쉴드선이, 상기 제1 오피 앰프를 포함하는 회로부의 그라운드와 접속되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계의 일 구성예는, 상기 제1 오피 앰프를 포함하는 회로부 측에 마련되며, 중심 컨택트가 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되는 제1 동축 커넥터와, 일단이 상기 제1 전극과 접속된 상기 동축 케이블의 타단에 부착되며, 중심 컨택트가 상기 동축 케이블의 심선의 타단과 접속되는 제2 동축 커넥터를 더 구비하고, 상기 제1 동축 커넥터와 상기 제2 동축 커넥터가 감합(嵌合)함으로써 상기 제1 전극과 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드와가 접속되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계의 일 구성예는, 센서 구동 신호를 상기 제2 전극에 인가하도록 구성되는 제2 오피 앰프와, 상기 제2 오피 앰프의 출력 단자와 상기 제2 전극을 접속하도록 구성되는 케이블을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계의 일 구성예는, 상기 제1 오피 앰프의 출력 신호에 기초하여 상기 제1, 제2 전극 사이의 정전 용량의 값을 산출하도록 구성되는 용량 산출부와, 상기 정전 용량을 압력 계측치로 변환하도록 구성되는 압력 계측부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계는, 받침대에 형성되는 제1 전극과, 상기 받침대와 갭을 두고서 배치되는 다이어프램에 상기 제1 전극과 대향하도록 형성되는 제2 전극과, 상기 제1 전극의 외측의 상기 받침대에 형성되는 제3 전극과, 상기 제2 전극의 외측의 상기 다이어프램에 상기 제3 전극과 대향하도록 형성되는 제4 전극을 구비하고, 피측정 매체의 압력에 의한 상기 다이어프램의 변위에 따라서 상기 제1, 제2 전극의 간격이 변화되도록 구성되는 센서 칩과, 상기 제1 전극으로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 증폭하도록 구성되는 제1 오피 앰프와, 상기 제3 전극으로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 증폭하도록 구성되는 제2 오피 앰프와, 상기 제1 전극과 상기 제1 오피 앰프를 접속하도록 구성되는 제1 동축 케이블과, 상기 제3 전극과 상기 제2 오피 앰프를 접속하도록 구성되는 제2 동축 케이블을 구비하고, 상기 제1 전극이 상기 제1 동축 케이블의 심선을 통해 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되고, 상기 제3 전극이 상기 제2 동축 케이블의 심선을 통해 상기 제2 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계의 일 구성예는, 상기 제1 동축 케이블의 쉴드선과 상기 제2 동축 케이블의 쉴드선이, 상기 제1, 제2 오피 앰프를 포함하는 회로부의 그라운드와 접속되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계의 일 구성예는, 상기 제1, 제2 오피 앰프를 포함하는 회로부 측에 마련되며, 중심 컨택트가 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되는 제1 동축 커넥터와, 일단이 상기 제1 전극과 접속된 상기 제1 동축 케이블의 타단에 부착되며, 중심 컨택트가 상기 제1 동축 케이블의 심선의 타단과 접속되는 제2 동축 커넥터와, 상기 제1, 제2 오피 앰프를 포함하는 회로부 측에 마련되며, 중심 컨택트가 상기 제2 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되는 제3 동축 커넥터와, 일단이 상기 제3 전극과 접속된 상기 제2 동축 케이블의 타단에 부착되며, 중심 컨택트가 상기 제2 동축 케이블의 심선의 타단과 접속되는 제4 동축 커넥터를 더 구비하고, 상기 제1 동축 커넥터와 상기 제2 동축 커넥터가 감합함으로써 상기 제1 전극과 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드가 접속되고, 상기 제3 동축 커넥터와 상기 제4 동축 커넥터가 감합함으로써 상기 제3 전극과 상기 제2 오피 앰프의 가상 그라운드가 접속되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계의 일 구성예는, 센서 구동 신호를 상기 제2, 제4 전극에 인가하도록 구성되는 제3 오피 앰프와, 상기 제3 오피 앰프의 출력 단자와 상기 제2, 제4 전극을 접속하도록 구성되는 케이블을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계의 일 구성예는, 상기 제1 오피 앰프의 출력 신호로부터 상기 제2 오피 앰프의 출력 신호를 감산하도록 구성되는 감산기와, 상기 제1 오피 앰프의 출력 신호에 기초하여 상기 제1, 제2 전극 사이의 제1 정전 용량의 값을 산출하도록 구성되는 용량 산출부와, 상기 감산기의 출력 신호에 기초하여 상기 제1 정전 용량으로부터 상기 제3, 제4 전극 사이의 제2 정전 용량을 감산한 값을 산출하도록 구성되는 용량차 산출부와, 상기 용량 산출부의 산출 결과와 상기 용량차 산출부의 산출 결과에 기초하여, 상기 제2 정전 용량에 의해 상기 제1 정전 용량을 보정하도록 구성되는 용량 보정부와, 상기 보정된 제1 정전 용량을 압력 계측치로 변환하도록 구성되는 압력 계측부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 격막 진공계의 일 구성예에 있어서, 상기 제2 전극과 제4 전극은 전기적으로 접속되어 단일의 전극으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 센서 칩과 회로부를 분리하여 설치하여 케이블을 통해 접속하는 경우라도, 케이블의 기생 용량이나 부유 용량의 영향을 받지 않고서 센서 칩의 전극 사이의 미소한 정전 용량을 계측할 수 있어, 기생 용량, 부유 용량에 의한 압력의 계측 오차를 저감할 수 있다. 또한, 종래에는 케이블의 기생 용량이 변화하지 않도록 케이블이 움직이지 않는 구조로 할 필요가 있었지만, 본 발명에서는, 케이블이 움직였다고 해도 센서 칩의 전극 사이의 정전 용량에 미치는 영향이 작기 때문에, 유연한 케이블을 사용할 수 있어, 센서 칩을 수용하는 수압부 하우징과 회로부를 수용하는 별개의 하우징을 따로따로의 장소에 설치할 수 있고, 또한 각 하우징의 방향도 임의로 결정할 수 있기 때문에, 격막 진공계의 현장 계장(計裝)을 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 격막 진공계의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 격막 진공계의 센서 칩의 주요부의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 격막 진공계의 센서 칩과 회로부의 접속 구조 및 용량 검출부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 격막 진공계의 압력 계측 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 진공계의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 진공계의 센서 칩의 주요부의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 진공계의 센서 칩과 회로부의 접속 구조 및 용량 검출부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 진공계의 압력 계측 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 진공계의 센서 칩과 회로부의 접속 구조의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 진공계의 센서 칩과 회로부의 접속 구조의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 진공계의 센서 칩의 다른 예를 도시하는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 격막 진공계의 회로부를 실현하는 컴퓨터의 구성예를 도시하는 블록도이다.
[제1 실시예]
이하, 본 발명의 실시예에 관해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 격막 진공계의 구성을 도시하는 블록도, 도 2는 격막 진공계에 이용되는 센서 칩의 주요부의 구성을 도시하는 단면도이다.
격막 진공계는, 피측정 매체(예컨대 프로세스 가스)의 압력에 의한 다이어프램(격막)의 변위에 따라서 정전 용량이 변화되는 수압부(10)와, 수압부(10)의 정전 용량의 변화를 압력 계측치로 변환하는 회로부(11)를 구비한다.
수압부(10)의 센서 칩(1)의 받침대(101)의 중앙부에는 오목부가 형성된다. 이 오목부가 형성된 받침대(101)의 면에는, 피측정 매체(예컨대 프로세스 가스)의 압력(P)에 따라서 변형 가능하게 구성되는 다이어프램(102)이 접합된다. 받침대(101)의 오목부는 다이어프램(102)과 함께 기준 진공실(104)을 형성한다.
센서 칩(1)에 있어서, 받침대(101)의 기준 진공실(104) 측의 면에는 고정 전극(105)이 형성되고, 다이어프램(102)의 기준 진공실(104) 측의 면에는 고정 전극(105)과 대향하도록 가동 전극(106)이 형성된다. 이렇게 해서, 고정 전극(105)과 가동 전극(106)이 갭을 두고서 대향하도록 배치된다. 다이어프램(102)이 피측정 매체의 압력(P)을 받아 휘면, 가동 전극(106)과 고정 전극(105) 사이의 간격이 변화되어, 가동 전극(106)과 고정 전극(105) 사이의 정전 용량이 변화된다. 이 정전 용량의 변화로부터 다이어프램(102)이 받은 피측정 매체의 압력(P)을 검출할 수 있다. 다이어프램(102)과 받침대(101)는, 예컨대 사파이어 등의 절연체로 구성된다.
도 1에 도시한 격막 진공계는, 이와 같이 구성되는 센서 칩(1)과, 센서 칩(1)을 수용하는 하우징(2)과, 센서 칩(1)의 다이어프램(102)에 피측정 매체의 압력(P)을 유도하는 압력 도입관(3)과, 하우징(2)을 덮는 센서 케이스(4)와, 센서 케이스(4)의 외주면을 둘러싸는 식으로 설치되는 히터(5)를 구비한다. 히터(5)가 설치된 센서 케이스(4)는, 단열재(6)에 의해서 덮인다.
또한, 히터(5)는, 반드시 하우징(2)의 내부에 설치할 필요는 없고, 하우징(2)의 외부에 설치되어도 좋다. 또한, 단열재(6)도 반드시 설치할 필요는 없다.
하우징(2)의 내부에는 격벽(7)이 설치된다. 격벽(7)은 받침판(7a)과 지지판(7b)으로 구성되고, 하우징(2)의 내부 공간을 제1 공간(2a)과 제2 공간(2b)으로 분리한다. 지지판(7b)은 외주가 하우징(2)에 고정되며, 받침판(7a)을 하우징(2)의 내부 공간 안으로 부상시킨 상태에서 지지한다. 받침판(7a)의 제2 공간(2b) 측에 센서 칩(1)이 고정된다. 또한, 받침판(7a)에는, 제1 공간(2a) 내의 압력을 센서 칩(1)의 다이어프램(102)으로 유도하는 압력 도입 구멍(7c)이 형성된다. 제2 공간(2b)은 센서 칩(1)의 기준 진공실(104)과 연통되며, 진공 상태로 되어 있다.
압력 도입관(3)은 하우징(2)의 제1 공간(2a) 측에 접속된다. 압력 도입관(3)과 하우징(2)의 사이에는 배플(8)이 마련된다. 압력 도입관(3)으로부터 도입되는 피측정 매체는, 배플(8)의 판면에 닿고, 배플(8) 주위의 간극을 통과하여, 하우징(2)의 제1 공간(2a) 내로 유입된다.
격막 진공계의 회로부(11)는, 용량 검출부(12)와 압력 계측부(13)와 히터 구동부(15)로 구성된다.
도 3은 센서 칩(1)과 회로부(11)의 접속 구조 및 용량 검출부(12)의 구성을 도시하는 도면, 도 4는 본 실시예의 격막 진공계의 압력 계측 동작을 설명하는 흐름도이다.
용량 검출부(12)는, 센서 구동 신호를 출력하는 신호 발생기(120)와, 신호 발생기(120)로부터의 센서 구동 신호를 케이블(20)을 통해 센서 칩(1)에 송출하는 오피 앰프(121)와, 커패시터(C1)와 저항(R1)과 오피 앰프(A1)로 이루어지는 증폭기(122)와, 차동 입력형의 로우패스 필터(123)와, 증폭기(122)와 로우패스 필터(123)의 사이에 설치되는 스위치(124)와, 가동 전극(106)과 고정 전극(105) 사이의 정전 용량의 값을 산출하는 용량 산출부(125)로 구성된다. 도 3에서는, 센서 칩(1)의 가동 전극(106)과 고정 전극(105) 사이의 정전 용량을 Cx로 나타내고 있다.
용량 검출부(12)의 신호 발생기(120)는, 압력 계측을 위한 정현파형의 센서 구동 신호 Esin(2πft)를 오피 앰프(121)와 스위치(124)로 출력한다. E는 진폭, f는 주파수, t는 시간이다.
오피 앰프(121)는, 반전 입력 단자와 출력 단자가 접속되고, 비반전 입력 단자에 신호 발생기(120)의 출력 단자가 접속되며, 전압 팔로워(버퍼)를 구성한다. 오피 앰프(121)의 출력 단자와 센서 칩(1)의 제2 전극(예컨대 가동 전극(106))의 사이는, 케이블(20)에 의해서 접속된다. 오피 앰프(121)는, 센서 구동 신호 Esin(2πft)를 케이블(20)을 통해 센서 칩(1)의 제2 전극에 인가한다(도 4의 단계 S100).
센서 칩(1)의 제1 전극(예컨대 고정 전극(105))과 용량 검출부(12)의 증폭기(122)의 입력 단자(오피 앰프(A1)의 반전 입력 단자)의 사이는, 동축 케이블(21)에 의해서 접속된다.
증폭기(122)는, 오피 앰프(A1)와, 오피 앰프(A1)의 반전 입력 단자와 출력 단자의 사이에 접속되는 커패시터(C1) 및 저항(R1)으로 구성된다. 증폭기(122)는, 센서 칩(1)의 제1 전극으로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하고 증폭하여, 정전 용량 Cx에 비례하는 진폭의 신호를 출력한다.
용량 검출부(12)의 스위치(124)와 로우패스 필터(123)는, 동기 검파부(126)를 구성한다. 로우패스 필터(123)는, 센서 구동 신호 Esin(2πft)를 통과시키도록 컷오프 주파수가 설정된다. 동기 검파부(126)는, 증폭기(122)의 출력으로부터 센서 구동 신호 Esin(2πft)에 동기한 신호를 복조한다.
구체적으로 스위치(124)는, 센서 구동 신호 Esin(2πft)가 양일 때, 증폭기(122)의 출력 단자와 로우패스 필터(123)의 비반전 입력 단자를 접속한다. 또한, 스위치(124)는, 센서 구동 신호 Esin(2πft)가 음일 때, 증폭기(122)의 출력 단자와 로우패스 필터(123)의 반전 입력 단자를 접속한다. 이에 따라, 증폭기(122)의 출력으로부터 센서 구동 신호 Esin(2πft)에 동기한 신호를 복조할 수 있다.
용량 산출부(125)는, 동기 검파부(126)의 출력 신호의 진폭으로부터 정전 용량 Cx의 값을 산출한다(도 4의 단계 S101).
압력 계측부(13)는 용량 검출부(12)에 의해서 산출된 정전 용량 Cx의 변화를 압력 계측치로 변환하여 출력한다(도 4의 단계 S102).
히터 구동부(15)는, 히터(5)를 구동하여 수압부(10)를 가열하여, 측정 대상 가스 중의 성분이 액화 또는 고체화하여 센서 칩(1) 상에 부착되는 것을 방지한다.
격막 진공계는 예컨대 사용자의 지시에 의해서 압력 계측 동작이 종료될 때까지(도 4의 단계 S103에 있어서 YES), 단계 S100∼S102의 처리를 계측 주기마다 행한다.
이상과 같이, 본 실시예에서는, 센서 칩(1)과 회로부(11)를 분리하여 설치하여 케이블(20)과 동축 케이블(21)을 통해 접속한다. 주지된 것과 같이, 동축 케이블(21)은, 심선(22)과, 심선(22)의 주위를 덮는 절연체(도시하지 않음)와, 절연체의 주위를 덮는 외부 도체인 쉴드선(23)과, 쉴드선(23)의 주위를 덮는 보호 피복(도시하지 않음)으로 구성된다.
센서 칩(1)의 제1 전극은, 동축 케이블(21)의 심선(22)을 통해 회로부(11)의 용량 검출부(12)를 구성하는 오피 앰프(A1)의 반전 입력 단자, 즉 가상 그라운드에 접속된다. 동축 케이블(21)의 쉴드선(23)은, 오피 앰프(A1)의 가상 그라운드와 같은 전위의, 회로부(11)의 그라운드에 접속된다.
이상과 같은 센서 칩(1)과 회로부(11)의 접속 구조에 의해, 본 실시예에서는, 케이블(20)과 동축 케이블(21)로 연장한 부분의 기생 용량, 부유 용량의 영향을 받기 어렵게 하고 있다.
구체적으로는 센서 칩(1)의 입력 측의 제2 전극에 센서 구동 신호를 입력하는 케이블(20)은 오피 앰프(121)의 출력 단자에 접속된다. 센서 칩(1)의 입력 측에 관해서는, 오피 앰프(121)의 출력 임피던스가 저임피던스이기 때문에, 케이블(20)의 기생 용량, 부유 용량의 영향을 받기 어렵다.
한편, 출력 측에 관해서는, 오피 앰프(A1)의 입력 임피던스가 고임피던스이기 때문에, 케이블(21)의 기생 용량, 부유 용량의 영향을 받기 쉽다. 케이블(21)의 기생 용량, 부유 용량의 영향을 저감하기 위해서, 본 실시예에서는, 케이블(21)을 동축 케이블로 하여, 동축 케이블(21)의 심선(22)에 의해서 센서 칩(1)의 제1 전극과 오피 앰프(A1)의 가상 그라운드를 접속하고, 동축 케이블(21)의 쉴드선(23)을 회로부(11)의 그라운드에 접속한다. 심선(22)과 쉴드선(23)을 같은 전위로 함으로써, 동축 케이블(21)의 기생 용량, 부유 용량의 영향을 받기 어렵게 하고 있다.
[제2 실시예]
이어서, 본 발명의 제2 실시예에 관해서 설명한다. 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 격막 진공계의 구성을 도시하는 블록도이며, 도 1과 동일한 구성에는 동일한 부호를 붙여 놓는다. 본 실시예의 격막 진공계는, 수압부(10a)와 회로부(11a)를 구비한다.
도 6은 본 실시예의 센서 칩(1a)의 주요부의 구성을 도시하는 단면도이다. 센서 칩(1a)에 있어서, 고정 전극(105) 외측의 받침대(101)의 기준 진공실(104) 측의 면에는 고정 전극(107)이 형성된다. 가동 전극(106) 외측의 다이어프램(102)의 기준 진공실(104) 측의 면에는 고정 전극(107)과 대향하도록 가동 전극(108)이 형성된다. 센서 칩(1a)의 그 밖의 구성은 센서 칩(1)과 동일하다.
고정 전극(107)과 가동 전극(108)은, 다이어프램(102)의 가장자리부에 형성된다. 다이어프램(102)이 피측정 매체의 압력(P)을 받아 휘었다고 해도, 다이어프램(102)의 가장자리부는 거의 변형되지 않기 때문에, 가동 전극(108)과 고정 전극(107) 사이의 정전 용량은 변화되기 어렵다. 이 정전 용량은 센서 내외의 온도 변화 및 기준 진공실(104) 내의 습도 변화 등에 기초한 측정 오차를 없애기 위해서 마련되는 것이다.
회로부(11a)는 용량 검출부(12a)와 압력 계측부(13a)와 히터 구동부(15)로 구성된다.
도 7은 센서 칩(1a)과 회로부(11a)의 접속 구조 및 용량 검출부(12a)의 구성을 도시하는 도면, 도 8은 본 실시예의 격막 진공계의 압력 계측 동작을 설명하는 흐름도이다.
용량 검출부(12a)는, 신호 발생기(120), 오피 앰프(121), 증폭기(122), 로우패스 필터(123), 스위치(124), 용량 산출부(125), 커패시터(C2)와 저항(R2)과 오피 앰프(A2)로 이루어지는 증폭기(127), 감산기(128), 차동 입력형의 로우패스 필터(129), 감산기(128)와 로우패스 필터(129) 사이에 설치되는 스위치(130), 용량차 산출부(131) 및 용량 보정부(132)로 구성된다. 도 7에서는, 센서 칩(1a)의 가동 전극(108)과 고정 전극(107) 사이의 정전 용량을 Cr로 나타내고 있다.
용량 검출부(12a)의 신호 발생기(120)는, 센서 구동 신호 Esin(2πft)를 오피 앰프(121)와 스위치(124, 130)로 출력한다. 오피 앰프(121)는, 센서 구동 신호 Esin(2πft)를 케이블(20)을 통해 센서 칩(1a)의 제2 전극(예컨대 가동 전극(106))과 제4 전극(예컨대 가동 전극(108))에 인가한다(도 8의 단계 S200).
증폭기(122)는, 센서 칩(1a)의 제1 전극(예컨대 고정 전극(105))으로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하고 증폭하여, 정전 용량 Cx에 비례하는 진폭의 신호를 출력한다.
증폭기(127)는, 오피 앰프(A2)와, 오피 앰프(A2)의 반전 입력 단자와 출력 단자의 사이에 접속되는 커패시터(C2) 및 저항(R2)으로 구성된다. 증폭기(127)는, 센서 칩(1a)의 제3 전극(예컨대 고정 전극(107))으로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하고 증폭하여, 정전 용량 Cr에 비례하는 진폭의 신호를 출력한다.
감산기(128)는, 증폭기(122)의 출력 신호로부터 증폭기(127)의 출력 신호를 감산한다.
제1 실시예와 마찬가지로, 동기 검파부(126)는, 증폭기(122)의 출력으로부터 센서 구동 신호 Esin(2πft)에 동기한 신호를 복조한다.
한편, 스위치(130)와 로우패스 필터(129)는, 동기 검파부(133)를 구성한다. 로우패스 필터(129)는, 센서 구동 신호 Esin(2πft)를 통과시키도록 컷오프 주파수가 설정된다. 동기 검파부(133)는, 감산기(128)의 출력으로부터 센서 구동 신호 Esin(2πft)에 동기한 신호를 복조한다.
구체적으로 스위치(130)는, 센서 구동 신호 Esin(2πft)가 양일 때, 감산기(128)의 출력 단자와 로우패스 필터(129)의 비반전 입력 단자를 접속한다. 또한, 스위치(130)는, 센서 구동 신호 Esin(2πft)가 음일 때, 감산기(128)의 출력 단자와 로우패스 필터(129)의 반전 입력 단자를 접속한다. 이에 따라, 감산기(128)의 출력으로부터 센서 구동 신호 Esin(2πft)에 동기한 신호를 복조할 수 있다.
용량 산출부(125)는, 동기 검파부(126)의 출력 신호의 진폭으로부터 정전 용량 Cx의 값을 산출한다(도 8의 단계 S201).
용량차 산출부(131)는, 동기 검파부(133)의 출력 신호의 진폭으로부터 용량차 (Cx-Cr)의 값을 산출한다(도 8의 단계 S202).
용량 보정부(132)는, 용량 산출부(125)의 산출 결과와 용량차 산출부(131)의 산출 결과에 기초하여, 참조 용량 Cr에 의해 정전 용량 Cx를 보정한 값 (Cx-Cr)/Cx를 산출한다(도 8의 단계 S203).
압력 계측부(13a)는, 용량 보정부(132)에 의해서 산출된 정전 용량 (Cx-Cr)/Cx를 압력 계측치로 변환한다(도 8의 단계 S204).
히터 구동부(15)는, 히터(5)를 구동하여 수압부(10a)를 가열하여, 측정 대상 가스 중의 성분이 액화 또는 고체화하여 센서 칩(1a) 상에 부착되는 것을 방지한다.
격막 진공계는, 예컨대 사용자의 지시에 의해서 압력 계측 동작이 종료될 때까지(도 8의 단계 S205에 있어서 YES), 단계 S200∼S204의 처리를 계측 주기마다 행한다.
제1 실시예와 마찬가지로, 본 실시예에서는, 센서 칩(1a)과 회로부(11a)를 분리하여 설치하여, 케이블(20) 및 동축 케이블(21, 24)을 통해 접속한다.
센서 칩(1a)의 제1 전극은, 동축 케이블(21)의 심선(22)을 통해 회로부(11a)의 용량 검출부(12a)를 구성하는 오피 앰프(A1)의 가상 그라운드에 접속된다. 동축 케이블(21)의 쉴드선(23)은, 오피 앰프(A1)의 가상 그라운드와 같은 전위의, 회로부(11a)의 그라운드에 접속된다. 센서 칩(1a)의 제3 전극은, 동축 케이블(24)의 심선(25)을 통해 회로부(11a)의 용량 검출부(12a)를 구성하는 오피 앰프(A2)의 가상 그라운드에 접속된다. 동축 케이블(24)의 쉴드선(26)은, 오피 앰프(A2)의 가상 그라운드와 같은 전위의, 회로부(11a)의 그라운드에 접속된다.
이렇게 해서, 본 실시예에서는 제1 실시예와 마찬가지로 케이블(20) 및 동축 케이블(21, 24)의 기생 용량, 부유 용량의 영향을 받기 어렵게 하고 있다.
또한, 제1, 제2 실시예에서는, 케이블(20)을 단선 케이블로 하고 있지만, 동축 케이블로 하여도 좋다.
또한, 제1, 제2 실시예에 있어서, 동축 케이블과 수압부(10, 10a)의 접속, 동축 케이블과 회로부(11, 11a)의 접속 중 적어도 한쪽의 접속에, 동축 커넥터를 사용하여도 좋다. 동축 커넥터를 사용하는 경우의 구성을 도 9에 도시한다. 도 9의 예에서는, 수압부(10a) 측의 리셉터클(110)(동축 커넥터의 암단자)의 중심 컨택트가 센서 칩(1a)의 제2 전극과 제4 전극에 접속되고, 리셉터클(111)의 중심 컨택트가 센서 칩(1a)의 제1 전극에 접속되며, 리셉터클(112)의 중심 컨택트가 센서 칩(1a)의 제3 전극에 접속된다.
한편, 회로부(11a) 측의 리셉터클(140)의 중심 컨택트가 오피 앰프(121)의 출력 단자에 접속되고, 리셉터클(141)의 중심 컨택트가 오피 앰프(A1)의 반전 입력 단자에 접속되며, 리셉터클(142)의 중심 컨택트가 오피 앰프(A2)의 반전 입력 단자에 접속된다. 리셉터클(140∼142)의 보디는 회로부(11a)의 그라운드에 접속된다.
동축 케이블(20)은, 심선(27)과, 심선(27)의 주위를 덮는 절연체(도시하지 않음)와, 절연체의 주위를 덮는 쉴드선(28)과, 쉴드선(28)의 주위를 덮는 보호 피복(도시하지 않음)으로 구성된다. 심선(27)의 일단은 플러그(150)(동축 커넥터의 수단자)의 중심 컨택트에 접속되고, 쉴드선(28)의 일단은 플러그(150)의 보디에 접속된다. 심선(27)의 타단은 플러그(151)의 중심 컨택트에 접속되고, 쉴드선(28)의 타단은 플러그(151)의 보디에 접속된다.
동축 케이블(21)의 심선(22)의 일단은 플러그(152)의 중심 컨택트에 접속되고, 쉴드선(23)의 일단은 플러그(152)의 보디에 접속된다. 심선(22)의 타단은 플러그(153)의 중심 컨택트에 접속되고, 쉴드선(23)의 타단은 플러그(153)의 보디에 접속된다. 동축 케이블(24)의 심선(25)의 일단은 플러그(154)의 중심 컨택트에 접속되고, 쉴드선(26)의 일단은 플러그(154)의 보디에 접속된다. 심선(25)의 타단은 플러그(155)의 중심 컨택트에 접속되고, 쉴드선(26)의 타단은 플러그(155)의 보디에 접속된다.
플러그(150, 151)를 리셉터클(110, 140)과 감합시키고, 플러그(152, 153)를 리셉터클(111, 141)과 감합시키며, 플러그(154, 155)를 리셉터클(112, 142)과 감합시킴으로써, 수압부(10a)와 회로부(11a)를 접속할 수 있다. 또한, 하나의 플러그와 그 플러그와 감합하는 하나의 리셉터클의 조가, 하나의 동축 커넥터로서 기능한다.
상기한 것과 같이 케이블(20)로서 단선 케이블을 이용하여도 좋으며, 단선 케이블을 이용하는 경우에는 동축 커넥터 대신에 단선 케이블용 커넥터를 사용하면 된다.
또한, 제1, 제2 실시예에 있어서 수압부(10, 10a)와 회로부(11, 11a)를 접속하는 케이블을 통합한 다심(多芯) 동축 케이블을 사용하여도 상관없다. 다심 동축 케이블과 수압부(10, 10a)의 접속, 다심 동축 케이블과 회로부(11, 11a)의 접속 중 적어도 한쪽의 접속에, 다심 동축 커넥터를 사용하여도 좋다. 다심 동축 커넥터를 사용하는 경우의 구성을 도 10에 도시한다.
도 10의 예에서는, 수압부(10a) 측의 리셉터클(113)의 제1 중심 컨택트가 센서 칩(1a)의 제2 전극과 제4 전극에 접속되고, 제2 중심 컨택트가 센서 칩(1a)의 제1 전극에 접속되며, 제3 중심 컨택트가 센서 칩(1a)의 제3 전극에 접속된다.
한편, 회로부(11a) 측의 리셉터클(143)의 제1 중심 컨택트가 오피 앰프(121)의 출력 단자에 접속되고, 제2 중심 컨택트가 오피 앰프(A1)의 반전 입력 단자에 접속되며, 제3 중심 컨택트가 오피 앰프(A2)의 반전 입력 단자에 접속된다. 리셉터클(143)의 보디는 회로부(11a)의 그라운드에 접속된다.
다심 동축 케이블(30)의 제1 심선(31)의 일단은 플러그(156)의 제1 중심 컨택트에 접속되고, 제2 심선(32)의 일단은 플러그(156)의 제2 중심 컨택트에 접속되며, 제3 심선(33)의 일단은 플러그(156)의 제3 중심 컨택트에 접속된다. 다심 동축 케이블(30)의 쉴드선(34)의 일단은 플러그(156)의 보디에 접속된다. 다심 동축 케이블(30)의 제1 심선(31)의 타단은 플러그(157)의 제1 중심 컨택트에 접속되고, 제2 심선(32)의 타단은 플러그(157)의 제2 중심 컨택트에 접속되며, 제3 심선(33)의 타단은 플러그(157)의 제3 중심 컨택트에 접속된다. 쉴드선(34)의 타단은 플러그(157)의 보디에 접속된다.
플러그(156, 157)를 리셉터클(113, 143)과 감합시킴으로써 수압부(10a)와 회로부(11a)를 접속할 수 있다.
도 9, 도 10의 예에서는, 제2 실시예에 동축 커넥터, 다심 동축 커넥터를 이용한 예를 도시하고 있지만, 제1 실시예에 있어서 동축 커넥터, 다심 동축 커넥터를 이용하여도 좋은 것은 물론이다.
또한, 제1, 제2 실시예에 있어서 동축 케이블의 쉴드선의 그라운드의 전위로 센서 칩(1, 1a) 측에 존재하는 기생 용량을 쉴드하여도 좋다. 구체적으로는 예컨대 도 11에 도시하는 것과 같이, 센서 칩(1a)의 사파이어제 받침대(101)에 금속 박판(109)을 접합하고, 이 금속 박판(109)과 동축 케이블(20, 21, 24, 30)의 쉴드선(28, 23, 26, 34)(리셉터클(110, 111, 112, 113)의 보디)을 접속하면 된다. 도 11의 예에서는, 제2 실시예의 센서 칩(1a)에 쉴드를 적용한 예를 도시하고 있지만, 제1 실시예에 있어서 센서 칩(1)에 쉴드를 적용하여도 좋은 것은 물론이다.
제1, 제2 실시예에서 설명한 회로부(11, 11a)는, CPU(Central Processing Unit), 기억 장치 및 인터페이스를 갖춘 컴퓨터와, 이들의 하드웨어 자원을 제어하는 프로그램에 의해서 실현할 수 있다. 이 컴퓨터의 구성예를 도 12에 도시한다.
컴퓨터는 CPU(200)와 기억 장치(201)와 인터페이스 장치(I/F)(202)를 구비한다. I/F(202)에는 용량 검출부(12, 12a)의 하드웨어부와 히터 구동부(15)의 하드웨어부 등이 접속된다. 이러한 컴퓨터에 있어서, 본 발명의 방법을 실현시키기 위한 프로그램은, 기억 장치(201)에 저장된다. CPU(200)는, 기억 장치(201)에 저장된 프로그램에 따라서 제1, 제2 실시예에서 설명한 처리를 실행한다.
본 발명은, 격막 진공계에 적용할 수 있다.
1: 센서 칩, 10, 10a: 수압부, 11, 11a: 회로부, 12, 12a: 용량 검출부, 13, 13a: 압력 계측부, 15: 히터 구동부, 20, 21, 24, 30: 케이블, 22, 25, 27, 31∼33: 심선, 23, 26, 28, 34: 쉴드선, 102: 다이어프램, 105, 107: 고정 전극, 106, 108: 가동 전극, 110∼113, 140∼143: 리셉터클, 120: 신호 발생기, 122, 127: 증폭기, 123, 129: 로우패스 필터, 124, 130: 스위치, 125: 용량 산출부, 126, 133: 동기 검파부, 128: 감산기, 131: 용량차 산출부, 132: 용량 보정부, 150∼157: 플러그.

Claims (11)

  1. 받침대에 형성되는 제1 전극과, 상기 받침대와 갭을 두고서 배치되는 다이어프램에 상기 제1 전극과 대향하도록 형성되는 제2 전극을 구비하고, 피측정 매체의 압력에 의한 상기 다이어프램의 변위에 따라서 상기 제1, 제2 전극의 간격이 변화되도록 구성되는 센서 칩과,
    상기 제1 전극으로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 증폭하도록 구성되는 제1 오피 앰프와,
    상기 제1 전극과 상기 제1 오피 앰프를 접속하도록 구성되는 동축 케이블을 구비하고,
    상기 제1 전극이 상기 동축 케이블의 심선을 통해 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동축 케이블의 쉴드선이, 상기 제1 오피 앰프를 포함하는 회로부의 그라운드와 접속되는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 오피 앰프를 포함하는 회로부 측에 마련되며, 중심 컨택트가 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되는 제1 동축 커넥터와,
    일단이 상기 제1 전극과 접속된 상기 동축 케이블의 타단에 부착되며, 중심 컨택트가 상기 동축 케이블의 심선의 타단과 접속되는 제2 동축 커넥터를 더 구비하고,
    상기 제1 동축 커넥터와 상기 제2 동축 커넥터가 감합함으로써 상기 제1 전극과 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드가 접속되는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    센서 구동 신호를 상기 제2 전극에 인가하도록 구성되는 제2 오피 앰프와,
    상기 제2 오피 앰프의 출력 단자와 상기 제2 전극을 접속하도록 구성되는 케이블을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 오피 앰프의 출력 신호에 기초하여 상기 제1, 제2 전극 사이의 정전 용량의 값을 산출하도록 구성되는 용량 산출부와,
    상기 정전 용량을 압력 계측치로 변환하도록 구성되는 압력 계측부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  6. 받침대에 형성되는 제1 전극과, 상기 받침대와 갭을 두고서 배치되는 다이어프램에 상기 제1 전극과 대향하도록 형성되는 제2 전극과, 상기 제1 전극의 외측의 상기 받침대에 형성되는 제3 전극과, 상기 제2 전극의 외측의 상기 다이어프램에 상기 제3 전극과 대향하도록 형성되는 제4 전극을 구비하고, 피측정 매체의 압력에 의한 상기 다이어프램의 변위에 따라서 상기 제1, 제2 전극의 간격이 변화되도록 구성되는 센서 칩과,
    상기 제1 전극으로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 증폭하도록 구성되는 제1 오피 앰프와,
    상기 제3 전극으로부터 출력되는 전류를 전압으로 변환하여 증폭하도록 구성되는 제2 오피 앰프와,
    상기 제1 전극과 상기 제1 오피 앰프를 접속하도록 구성되는 제1 동축 케이블과,
    상기 제3 전극과 상기 제2 오피 앰프를 접속하도록 구성되는 제2 동축 케이블을 구비하고,
    상기 제1 전극이 상기 제1 동축 케이블의 심선을 통해 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되고, 상기 제3 전극이 상기 제2 동축 케이블의 심선을 통해 상기 제2 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 동축 케이블의 쉴드선과 상기 제2 동축 케이블의 쉴드선이, 상기 제1, 제2 오피 앰프를 포함하는 회로부의 그라운드와 접속되는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1, 제2 오피 앰프를 포함하는 회로부 측에 마련되며, 중심 컨택트가 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되는 제1 동축 커넥터와,
    일단이 상기 제1 전극과 접속된 상기 제1 동축 케이블의 타단에 부착되며, 중심 컨택트가 상기 제1 동축 케이블의 심선의 타단과 접속되는 제2 동축 커넥터와,
    상기 제1, 제2 오피 앰프를 포함하는 회로부 측에 마련되며, 중심 컨택트가 상기 제2 오피 앰프의 가상 그라운드와 접속되는 제3 동축 커넥터와,
    일단이 상기 제3 전극과 접속된 상기 제2 동축 케이블의 타단에 부착되며, 중심 컨택트가 상기 제2 동축 케이블의 심선의 타단과 접속되는 제4 동축 커넥터를 더 구비하고,
    상기 제1 동축 커넥터와 상기 제2 동축 커넥터와가 감합함으로써 상기 제1 전극과 상기 제1 오피 앰프의 가상 그라운드가 접속되고, 상기 제3 동축 커넥터와 상기 제4 동축 커넥터가 감합함으로써 상기 제3 전극과 상기 제2 오피 앰프의 가상 그라운드가 접속되는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    센서 구동 신호를 상기 제2, 제4 전극에 인가하도록 구성되는 제3 오피 앰프와,
    상기 제3 오피 앰프의 출력 단자와 상기 제2, 제4 전극을 접속하도록 구성되는 케이블을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1 오피 앰프의 출력 신호로부터 상기 제2 오피 앰프의 출력 신호를 감산하도록 구성되는 감산기와,
    상기 제1 오피 앰프의 출력 신호에 기초하여 상기 제1, 제2 전극 사이의 제1 정전 용량의 값을 산출하도록 구성되는 용량 산출부와,
    상기 감산기의 출력 신호에 기초하여 상기 제1 정전 용량으로부터 상기 제3, 제4 전극 사이의 제2 정전 용량을 감산한 값을 산출하도록 구성되는 용량차 산출부와,
    상기 용량 산출부의 산출 결과와 상기 용량차 산출부의 산출 결과에 기초하여, 상기 제2 정전 용량에 의해 상기 제1 정전 용량을 보정하도록 구성되는 용량 보정부와,
    상기 보정된 제1 정전 용량을 압력 계측치로 변환하도록 구성되는 압력 계측부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
  11. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2 전극과 제4 전극은 전기적으로 접속되어 단일의 전극으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 격막 진공계.
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