TWI449892B - Pressure sensor device - Google Patents

Description

壓力感測器裝置

本發明係關於一種壓力感測器裝置，尤其是關於具有適於測定接近真空之壓力之隔膜構造且感測器為高溫之壓力感測器裝置。

一直以來，在製造半導體之電漿蝕刻裝置或濺鍍裝置等製造裝置，為了測定真空室之真空度使用靜電容式之壓力感測器裝置。此種壓力感測器裝置，視氣體種類之不同，會有因對隔膜面之凝著而其變形量變化導致感測器部分誤動作之情形。因此，為了防止此種誤動作，提供有感測器部分構成為高溫者(例如，參照專利文獻1)。

此處，專利文獻1記載之習知壓力感測器裝置具備偵測外部腔室之氣體壓力之靜電容式感測器、將該感測器加熱至既定動作溫度之加熱器、從以感測器偵測之電容值產生表示外部之腔室之氣體壓力之輸出訊號之電路部、及收容感測器及加熱器以及電路部之盒體。此外，上述習知壓力感測器裝置之盒體具有收容感測器及加熱器之感測器收容部、收容電路部之電路收容部、及將該等各收容部分隔且防止以加熱器產生之熱傳遞至電路收容部之傳熱防止部。

專利文獻1：日本特開2007-155500號公報

然而，上述專利文獻1記載之習知壓力感測器裝置，由於將感測器收容部與電路收容部設在相同盒體內，因此在盒體內需要複雜之隔熱構造及散熱構造，導致成本上升。又，為了採用400℃以上之高溫用加熱器，必須充分確保盒體內之感測器收容部與電路收容部之間之距離，伴隨此盒體大型化。

因此，為了解決此種問題，考量將感測器與電路部收納於個別之盒體使其等隔離，並以纜線等將其等連接之手段。

然而，單純以纜線連接感測器與電路部之情形，尤其在連接於感測器之端部，可能有在連接作業時被拉扯、或無法耐400℃以上高溫之虞、亦有可能無法充分補償電磁屏蔽。因此，在將感測器與電路部收納於個別之盒體使其等隔離之情形，必須重新提出耐熱性、機械強度、電磁屏蔽性等優異之連接手段。

本發明係有鑑於上述狀況而構成，其目的在於在感測器構成為(例如300~450℃程度之)高溫之壓力感測器裝置，提高連接感測器與電路部之構造體之耐熱性、機械強度、電磁屏蔽性。

本發明之壓力感測器裝置，具備檢測從外部導入之氣體之壓力之感測器、將感測器加熱至既定動作溫度之加熱器、收容感測器及加熱器之封裝體、根據以感測器檢測出之檢測輸出產生表示氣體之壓力之輸出訊號之電路部、及收容電路部之電路收容部，其特徵在於：封裝體與電路收容部係以個別之筐體構成且透過連接構造體隔離配置；連接構造體具有將封裝體內之感測器與電路收容部內之電路部加以連接之導線、覆蓋導線外周之絕緣構件、及覆蓋絕緣構件外周之彈性構件。

若採用上述構成，由於封裝體(感測器收容部)與電路收容部係以個別之筐體構成且隔離配置，因此不需要習知一體型壓力感測器裝置必要之裝置內之特殊隔熱、散熱構造，能將封裝體與電路收容部依現場之環境彈性地設置。又，將封裝體與電路收容部加以連接之連接構造體具有將封裝體內之感測器與電路收容部內之電路部加以連接之導線、覆蓋此導線外周之絕緣構件、及覆蓋此絕緣構件外周之彈性構件，因此具有高機械強度或彈性。又，此種連接構造體亦作用為散熱構件或電磁屏蔽構件。是以，構成簡單且能提高機械強度、耐熱性、電磁屏蔽性，使壓力感測器裝置之可靠性提升。

上述壓力感測器裝置中，能藉由將以絕緣材料構成之複數個管狀構件積層在導線之長度方向構成絕緣構件。

若採用上述構成，藉由將以絕緣材料構成之複數個管狀構件積層在導線之長度方向構成絕緣構件，能進一步提高連接構造體之可撓性。又，藉由積層複數個管狀構件，可形成任意長度之連接構造體。

又，上述壓力感測器裝置中，能以螺旋彈簧構成彈性構件。

若採用上述構成，由於能以螺旋彈簧構成彈性構件，因此裝置之製造容易。

根據本發明，在感測器構成為高溫之壓力感測器裝置，可提高連接感測器與電路部之構造體之耐熱性、機械強度、電磁屏蔽性。

以下，針對適用本發明之具體施形態，參照圖式詳細說明。

(第一實施形態)

首先，使用圖1說明本發明第一實施形態之壓力感測器裝置1。本實施形態之壓力感測器裝置1，如圖1所示，具備封裝體10、收容在封裝體10內之台座板20、接合在同樣地收容在封裝體10內之台座板20之感測器30、直接安裝在封裝體10且將封裝體10內外導通連接之複數個電極引腳部40、根據以感測器30檢測出之檢測輸出產生表示氣體壓力之輸出訊號之電路部70等。又，台座板20從封裝體10之內壁隔離，僅透過支承隔膜50支承在封裝體10。

封裝體10係由下外殼11、上外殼12、及蓋體13構成。下外殼11及上外殼12由耐蝕性之金屬即英高鎳構成，蓋體13以具有接近玻璃之熱膨脹率之鐵鎳鉻合金構成，分別藉由熔接接合。此外，在封裝體10內配置有將感測器10加熱至既定動作溫度(未圖示)之加熱器。

下外殼11為具備連結徑不同之圓筒體之形狀之構件，其大徑部11a具有與支承隔膜50之接合部，其小徑部11b形成有被測定流體流入之壓力導入部10A。此外，在大徑部11a與小徑部11b之結合部形成有折流板11c，在折流板11c周圍於周方向以既定間隔形成有壓力導入孔11d。折流板11c為達到使程序氣體等被測定流體不會從壓力導入部10A直接到達後述感測器30而迂迴之效果者，防止程序氣體之成分或程序氣體中之雜質沉積在感測器30。

上外殼12為具有大致圓筒體形狀之構件，與蓋體13、支承隔膜50、台座板20及感測器30一起在封裝體10內形成真空之基準真空室10B。基準真空室10B係藉由感測器30與導入有程序氣體之區域(壓力導入部10A)隔開。在基準真空室10B設有被稱為所謂(未圖示)吸氣劑之氣體吸附物質，維持真空度。又，在上外殼12之支承隔膜安裝側，於周方向適當部位突出形成有制動件12a。制動件12a達到限制台座板20因被測定流體之急速壓力上升而過度位移之效果。

蓋體13為具有既定厚度之俯視圓形狀之板狀構件，在其中央部形成有複數個電極引腳插通孔13a。在電極引腳插通孔13a埋入有電極引腳部40，電極引腳部40與電極引腳插通孔13a之間係藉由以密封用玻璃構成之密封部60氣密地密封。

支承隔膜50由具有與封裝體10之形狀一致之外形形狀之英高鎳之薄板構成，周圍緣部夾在上述下外殼11與上外殼12之緣部並藉由熔接等接合。支承隔膜50之厚度為例如本實施形態之情形數十微米，較各台座板21,22充分薄之厚度。又，在支承隔膜50之中央部分形成有用以將壓力導至感測器30之壓力導入孔50a。在支承隔膜50之兩面，在從支承隔膜50與封裝體10之接合部遍布周方向整體離開某種程度之位置接合有由氧化鋁之單晶體即藍寶石構成之薄環狀之下台座板(第1台座板)21、上台座板(第2台座板)22。

各台座板21,22相對於支承隔膜50之厚度如上述為充分厚，且具有將支承隔膜50以兩台座板21,22夾入成所謂三明治狀之構造。藉此，防止因支承隔膜50與台座板20之熱膨脹率不同產生之熱應力使此部分彎曲。又，在上台座板22，以氧化鋁之單晶體即藍寶石構成之俯視矩形狀之感測器30係透過氧化鋁基座之接合材接合。

感測器30具有在俯視下具有1cm見方以下之大小且由四角角型之薄板構成之間隔物31、接合於間隔物31且與壓力之施加對應產生變形之感測器隔膜32、接合於感測器隔膜32而形成真空之電容室(參考室)30A之感測器台座33。又，真空之電容室30A與基準真空室10B係透過穿設在感測器台座33之適當部位之未圖示之連通孔保持大致相同之真空度。此外，間隔物31、感測器隔膜32及感測器台座33係藉由所謂直接接合彼此接合，構成一體化之感測器30。

又，在感測器30之電容室30A，在感測器台座33之凹陷部33a形成以金或鉑等導體構成之固定電極33b,33c，且在與其對向之感測器隔膜32之表面上形成以金或鉑等導體構成之可動電極32b,32c。又，在感測器30之上面形成由金或鉑構成之接觸墊35,36，此等固定電極33b,33c與可動電極32b,32c係藉由未圖示之配線與接觸墊35,36接連。

電極引腳部40具備電極引腳銷41與金屬製之屏蔽件42。電極引腳銷41之中央部分係藉由由玻璃等絕緣性材料構成之密封部43埋設於金屬製之屏蔽件42，在電極引腳銷41之兩端部間保持氣密狀態。電極引腳銷41之一端係電氣連接於感測器30。又，電極引腳銷41之另一端係透過蓋體13之插通孔13a在封裝體10之外部露出，連接於電路部70。此外，在屏蔽件42與蓋體13之間亦如上述介在有密封部60。又，在電極引腳銷41之一端連接有具有導電性之接觸彈簧45,46。接觸彈簧45,46具有下述彈性，亦即即使支承隔膜50因程序氣體等被測定流體從壓力導入部10A快速流入而產生之急速壓力上升產生若干位移、接觸彈簧45,46之彈壓力亦不會對感測器30之測定精度造成影響程度之充分彈性。

電路部70係由1片或複數片基板構成，收容於電路收容部71。在本實施形態，如圖1所示，作為收容感測器30之感測器收容部之封裝體10與收容電路部70之電路收容部71係以個別之筐體構成。又，此等封裝體10及電路收容部71係透過具有既定長度之連接構造體90分離配置。連接構造體90之長度(封裝體10與電路收容部71之間之距離)可依據封裝體10或電路收容部71之尺寸、感測器30之加熱溫度、壓力感測器裝置1之配置形態等適當設定。

連接構造體90係由電極引腳部40、連接於電極引腳部40之延伸屏蔽部80構成。電極引腳部40如上述具有電極引腳銷41與金屬製之屏蔽件42。電極引腳銷41為將封裝體10內之感測器30與電路收容部71內之電路部70加以連接之導線，較金屬製之屏蔽件42更向外部冗長延伸。延伸屏蔽部80係由覆蓋從電極引腳部40之屏蔽件42露出之電極引腳銷41外周之絕緣管81與覆蓋絕緣管81外周之螺旋彈簧82構成。

電極引腳銷41係由具有耐熱性之金屬(例如，英高鎳X750等之耐熱性鎳合金、赫史特合金、SUS310S等之耐熱性不鏽鋼)構成。絕緣管81係以絕緣材料(例如，氧化鋁或石英玻璃等)構成之絕緣構件，達到將電極引腳銷41與螺旋彈簧82絕緣之功能。本實施形態之絕緣管81係形成為在內部具有通過電極引腳銷41之貫通孔81a之長帶圓筒狀。螺旋彈簧82係由具有耐熱性之金屬(例如，英高鎳X750等之耐熱性鎳合金、赫史特合金、SUS310S等之耐熱性不鏽鋼)構成之彈性構件，達到對延伸屏蔽部80賦予彈性或可撓性之功能。螺旋彈簧82為拉伸螺旋彈簧或壓縮螺旋彈簧皆可，可適當設定其匝數或間隔。

構成延伸屏蔽部80之絕緣管81抵接於構成電極引腳部40之屏蔽部42之端部、或藉由接著劑等接合。又，螺旋彈簧82係藉由雷射熔接或電阻熔接等各種熔接方式、各種機械性結合方式、嵌入等固定於絕緣管81。

接著，說明本實施形態之壓力感測器裝置1之作用。此外，本實施形態中，針對下述情形進行說明，將壓力感測器裝置1安裝於例如半導體製造裝置之適當部位，在例如CVD(Chemical Vapor Deposition)等半導體製程中，測定程序氣體之接近真空之微小壓力(以下，稱為「微壓」)時之壓力感測器裝置1之作用。

程序氣體從壓力感測器裝置1之壓力導入部10A經由壓力導入孔11d流入至封裝體10內。此時，即使程序氣體之急速流入產生，亦經由折流板11c與壓力導入孔11d使程序氣體迂迴而流入至封裝體10內，因此程序氣體不會直接接觸感測器隔膜32。因此，可防止程序氣體之成分或程序氣體所含之雜質再次沉積於感測器隔膜32。

此外，即使程序氣體為微壓，由於感測器30之電容室內為真空，因此感測器隔膜32撓曲，感測器30之固定電極33b,33c與可動電極32b,32c之間隔變化。藉此，以固定電極33b,33c與可動電極32b,32c構成之電容器之電容值變化。藉由電流引腳部40將上述電容值變化取出至壓力感測器裝置1之外部，可測定程序氣體之微壓。

另一方面，本實施形態中，壓力感測器裝置1設置在半導體製程，由於程序氣體為高溫，因此在程序氣體流入至半導體製造裝置之前後，安裝有壓力感測器裝置1之部分產生較大熱變化。又，感測器30本身亦藉由加熱器加熱(例如最大200℃程度為止)，因此產生熱變化。再者，在裝置製作時之受壓部製作步驟(最終密封步驟)需要約300℃之加熱，因此在收容於封裝體10內之零件產生較大熱變化。此點，在本實施形態之壓力感測器裝置1之情形，由於封裝體10與電路收容部71係以個別之筐體構成且隔離配置，因此不需要習知一體型壓力感測器裝置必要之裝置內之特殊隔熱、散熱構造，能將封裝體10與電路收容部71依現場之環境彈性地設置。

在以上說明之實施形態之壓力感測器裝置1，由於封裝體10(感測器收容部)與電路收容部71係以個別之筐體構成且隔離配置，因此能將封裝體10與電路收容部71依現場之環境彈性地設置。又，將封裝體10與電路收容部71加以連接之連接構造體90具有將封裝體10內之感測器30與電路收容部71內之電路部70加以連接之電極引腳銷41、覆蓋電極引腳銷41外周之絕緣管81、及覆蓋絕緣管81外周之螺旋彈簧82，因此具有高機械強度或彈性。又，此種連接構造體90亦作用為散熱構件或電磁屏蔽構件。是以，構成簡單且能提高機械強度、耐熱性、電磁屏蔽性，使壓力感測器裝置1之可靠性提升。

(第二實施形態)

接著，使用圖2說明本發明第二實施形態之壓力感測器裝置1A。本實施形態之壓力感測器裝置1A僅變更第一實施形態之壓力感測器裝置1之連接構造體(延伸屏蔽部)之構成，關於其他構成實質上與第一實施形態相同。因此，以不同之構成為中心進行說明，關於相同之構成則賦予與第一實施形態相同之符號以省略詳細說明。

本實施形態之壓力感測器裝置1A之連接構造體90A係由電極引腳部40、連接於電極引腳部40之延伸屏蔽部80A構成。延伸屏蔽部80A係由覆蓋從電極引腳部40之屏蔽部42露出之電極引腳銷41外周之管狀構造體81A與覆蓋絕緣管81外周之螺旋彈簧82構成。

電極引腳銷41與螺旋彈簧82與第一實施形態實質上相同，因此省略說明。管狀構造體81A為與第一實施形態之絕緣管81相同之長帶圓筒狀之絕緣構件，將以絕緣材料(例如，氧化鋁或石英玻璃等)構成之複數個短帶管狀構件81Ab積層於電極引腳銷41之長度方向而構成。管狀構造體81A如上述由複數個短帶管狀構件81Ab構成，因此具有高可撓性。在管狀構造體81A之內部形成有使電極引腳銷41通過之貫通孔81Aa。

在以上說明之實施形態之壓力感測器裝置1A，由於封裝體10(感測器收容部)與電路收容部71係以個別之筐體構成且隔離配置，因此能將封裝體10與電路收容部71依現場之環境彈性地設置。又，將封裝體10與電路收容部71加以連接之連接構造體90A具有將封裝體10內之感測器30與電路收容部71內之電路部70加以連接之電極引腳銷41、覆蓋電極引腳銷41外周之管狀構造體81A、及覆蓋管狀構造體81A外周之螺旋彈簧82，因此具有高機械強度或彈性。又，此種連接構造體90A亦作用為散熱構件或電磁屏蔽構件。是以，構成簡單且能提高機械強度、耐熱性、電磁屏蔽性，使壓力感測器裝置1A之可靠性提升。

又，在以上說明之實施形態之壓力感測器裝置1A，將以絕緣材料構成之複數個短帶管狀構件81Ab積層於電極引腳銷41之長度方向而構成管狀構造體81A，藉此可進一步提高連接構造體90A之可撓性。又，藉由積層複數個短帶管狀構件81Ab，可形成任意長度之連接構造體90A。

(第三實施形態)

接著，使用圖3說明本發明第三實施形態之壓力感測器裝置1B。本實施形態之壓力感測器裝置1B僅變更第一實施形態之壓力感測器裝置1之連接構造體(延伸屏蔽部)之構成，關於其他構成實質上與第一實施形態相同。因此，以不同之構成為中心進行說明，關於相同之構成則賦予與第一實施形態相同之符號以省略詳細說明。

本實施形態之壓力感測器裝置1B之連接構造體90B係由電極引腳部40、連接於電極引腳部40之延伸屏蔽部80B構成。延伸屏蔽部80B係由覆蓋從電極引腳部40之屏蔽部42露出之電極引腳銷41外周之管狀構造體81B與覆蓋絕緣管81外周之螺旋彈簧82構成。

電極引腳銷41與螺旋彈簧82與第一實施形態實質上相同，因此省略說明。管狀構造體81B為與第一實施形態之絕緣管81相同之長帶圓筒狀之絕緣構件，將以絕緣材料(例如，氧化鋁或石英玻璃等)構成之複數個短帶管狀構件81Bb積層於電極引腳銷41之長度方向而構成。在管狀構造體81B之內部形成有使電極引腳銷41通過之貫通孔81Ba。本實施形態之短帶管狀構件81Bb，如圖3所示，一方之端部形成為前端逐漸變細之凸狀，另一方之端部形成為能嵌入此凸狀端部之凹狀。管狀構造體81B係將此種形狀之短帶管狀構件81Bb複數個嵌合而構成，因此具有高可撓性。

在以上說明之實施形態之壓力感測器裝置1B，由於封裝體10(感測器收容部)與電路收容部71係以個別之筐體構成且隔離配置，因此能將封裝體10與電路收容部71依現場之環境彈性地設置。又，將封裝體10與電路收容部71加以連接之連接構造體90B具有將封裝體10內之感測器30與電路收容部71內之電路部70加以連接之電極引腳銷41、覆蓋電極引腳銷41外周之管狀構造體81B、及覆蓋管狀構造體81B外周之螺旋彈簧82，因此具有高機械強度或彈性。又，此種連接構造體90B亦作用為散熱構件或電磁屏蔽構件。是以，構成簡單且能提高機械強度、耐熱性、電磁屏蔽性，使壓力感測器裝置1B之可靠性提升。

又，在以上說明之實施形態之壓力感測器裝置1B，將以絕緣材料構成之複數個短帶管狀構件81Bb積層於電極引腳銷41之長度方向而構成管狀構造體81B，藉此可進一步提高連接構造體90B之可撓性。又，藉由積層複數個短帶管狀構件81Bb，可形成任意長度之連接構造體90B。

此外，在以上之各實施形態，支承隔膜50雖以英高鎳構成，但並不限於此，以不鏽鋼或鐵鎳鉻合金等耐蝕性金屬構成亦可。又，台座板20或感測器30雖以藍寶石構成，但並不限於此材質，以矽或氧化鋁、碳化矽、或石英等構成亦可。又，接觸墊35,36與電極引腳部40之連接部雖以所謂接觸彈簧45,46之形態構成，但只要具有充分可撓性並不限於此，為板簧之形態亦可。再者，將電極引腳部40與接觸墊35,36以充分柔軟之導電引線連接亦可。又，感測器30、台座板20、電極引腳部40、封裝體10之形狀當然不限於上述實施形態。

1,1A,1B．．．壓力感測器裝置

10．．．封裝體

30．．．感測器

41．．．電極引腳銷(導線)

70．．．電路部

71．．．電路收容部

81．．．絕緣管(絕緣構件)

81A,81B．．．管狀構造體(絕緣構件)

81Ab,81Bb．．．短帶管狀構件

82．．．螺旋彈簧(彈性構件)

90,90A,90B．．．連接構造體

圖1係本發明第一實施形態之壓力感測器裝置之剖面圖。

圖2係本發明第二實施形態之壓力感測器裝置之剖面圖。

圖3係本發明第三實施形態之壓力感測器裝置之剖面圖。

1．．．壓力感測器裝置

10．．．封裝體

10A．．．壓力導入部

10B．．．基準真空室

11．．．下外殼

11a．．．大徑部

11b．．．小徑部

11c．．．折流板

11d．．．壓力導入孔

12．．．上外殼

12a．．．制動件

13．．．蓋體

13a．．．電極引腳插通孔

20,21,22．．．台座板

30．．．感測器

30A．．．電容室

31．．．間隔物

32．．．感測器隔膜

32b,32c．．．可動電極

33．．．感測器台座

33a．．．凹陷部

33b,33c．．．固定電極

35,36．．．接觸墊

40．．．電極引腳部

41．．．電極引腳銷(導線)

42．．．屏蔽件

43．．．密封部

45,46．．．接觸彈簧

50．．．支承隔膜

50a．．．壓力導入孔

60．．．密封部

70．．．電路部

71．．．電路收容部

80．．．延伸屏蔽部

81．．．絕緣管(絕緣構件)

81a．．．貫通孔

82．．．螺旋彈簧(彈性構件)

90．．．連接構造體

Claims (3)

1. 一種壓力感測器裝置，具備檢測從外部導入之氣體之壓力之感測器、將該感測器加熱至既定動作溫度之加熱器、收容該感測器及該加熱器之封裝體、根據以該感測器檢測出之檢測輸出產生表示該氣體之壓力之輸出訊號之電路部、及收容該電路部之電路收容部，其特徵在於：該封裝體與該電路收容部係以個別之筐體構成且透過連接構造體隔離配置；該連接構造體具有將該封裝體內之該感測器與該電路收容部內之該電路部加以連接之導線、覆蓋該導線外周之絕緣構件、及覆蓋該絕緣構件外周之彈性構件。
2. 如申請專利範圍第1項之壓力感測器裝置，其中，該絕緣構件，係將以絕緣材料構成之複數個管狀構件積層在該導線之長度方向構成。
3. 如申請專利範圍第1或2項之壓力感測器裝置，其中，該彈性構件係以螺旋彈簧構成。