TWI835023B - 壓力感測器 - Google Patents
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Abstract
一種壓力感測器(10)係具備：有底筒狀的感測器模組(11)，其在內側具有與流路連通的受壓室(C1)，且該感測器模組(11)含有連接於受壓室的隔膜(11a)；壓力檢測元件(12)，其將隔膜(11a)的應變作為壓力而輸出；底環(14)，其被固定於感測器模組的開放側端部(11c)之外緣，且配置於感測器模組(11)的外周側；密封構件(13)，其被固定於底環(14)，用以形成隔著隔膜(11a)並與受壓室(C1)相對向的密封真空室(C2)；密封墊(18)，其被夾持於底環(14)與主體(5)之間；以及按壓突緣(19)，其是經由密封墊(18)將底環(14)對主體(5)按壓。
Description
本發明係關於一種壓力感測器，特別是有關隔膜式的壓力感測器，該壓力感測器適用於對半導體製造裝置等所供給之氣體的壓力測定。
在半導體製造設備或者是化工廠等，對製程腔室供給原料氣體或蝕刻氣體等各種的氣體。作為控制所供給之氣體的流量的裝置，已知有質量流控制器(熱式質量流量控制器)或壓力式流量控制裝置。
壓力式流量控制裝置藉由控制閥與其下游側之節流部(例如孔口板或臨界流噴嘴)所組合之較簡單的構成，而能夠高精度地控制各種流體之質量流量。壓力式流量控制裝置，係具有一次側的供給壓力即使有大的變動也能夠進行穩定的流量控制之出色的流量控制特性(例如，專利文獻1)。
在壓力式流量控制裝置設置有用以測定控制閥之下游側的壓力之壓力感測器。使用例如在隔膜安裝應變計而檢測氣體的壓力之類型者作為像這樣的壓力感測器(例如，專利文獻2)。這樣的隔膜式的壓力感測器係，隔
膜因應測定氣體的壓力而以變形或是扭曲方式所構成，應變計根據檢測出的應力之大小，來測定測定氣體的壓力。
此外，近幾年來，已知有使用連接於壓力式流量控制裝置之上游側的氣化供給裝置，而將液體原料氣化並供給的構成(例如，專利文獻3)。在氣化供給裝置，將例如三甲基鋁(TMAl)、正矽酸四乙酯(TEOS)、六氯乙矽烷(HCDS)等之液體原料押送至氣化供給裝置的氣化室，且藉由加熱器來加熱。已氣化之原料氣體係藉由被設置於氣化室之下游側的壓力式流量控制裝置進行流量控制並往製程腔室供給。
[專利文獻1]日本專利第3546153號公報
[專利文獻2]國際公開第2020/075600號
[專利文獻3]國際公開第2019/021948號
[專利文獻4]日本專利第3494594號公報
在使用上述氣化供給裝置的情況下，有供給200℃以上之高溫氣體至壓力式流量控制裝置的情形。此外，在已密封壓力式流量控制裝置之下游側的停止閥的狀態下，有將例如一定時間以上、且200kPa abs(絕對壓力)程度的高壓氣體作為負荷，施加於壓力感測器的情形。
本案發明者係，於特別是在如上所述之高溫、高壓的使用環境下，在連接有壓力式流量控制裝置之流路中，當從加壓氣體密封狀態開啟停止閥的同時進行抽真空時，發現超過零而至負數值為止壓力感測器的輸出(絕對壓力)產生掉落的現象(以下，稱為零點偏移或是零點下降(drop))的情形。接著，像這樣地顯示壓力感測器中斷零的輸出後，係確認了即使持續有抽真空的狀態，在壓力感測器的輸出為了從負數回復至零，有需要相當的時間例如數小時的情況。
這樣的零點下降的發生，係有損壓力感測器之輸出可靠信者，且當零點下降產生時，亦有中斷之後的製程，而產生必要之應對的情形。因此，具有提供亦能在高溫環境下使用，此外，即使在加壓密封後的抽真空時也不易發生零點下降之隔膜式的壓力感測器之課題。
本發明係為解決上述課題所成者，主要以提供於高溫環境下使用時，中斷零的輸出之零點下降被抑制的壓力感測器為目的。
關於本發明之實施形態的壓力感測器，其是被固定於形成有流路的主體，具備：
有底筒狀的感測器模組，其在內側具有與前述流路連通的受壓室，且該感測器模組含有連接於前述受壓室的隔膜；
壓力檢測元件，其被固定於前述隔膜，且將前述隔膜的應變作為壓力而輸出；
底環，其被固定於前述感測器模組的開放側端部之外緣，且配置於前述感測器模組的外周側；
密封構件，其被固定於前述底環，用以形成隔著前述隔膜並與前述受壓室相對向的密封真空室；
密封墊，其被夾持於前述底環與前述主體之間；以及
按壓突緣，其是經由前述密封墊將前述底環對前述主體按壓。
該實施形態中，前述隔膜係由鈷-鎳合金所形成。
該實施形態中，前述隔膜係由在溫度500℃以上經100分鐘以上熱處理的鈷-鎳合金所形成。
該實施形態中，在前述底環形成有溝，該溝是用以在使用前述按壓突緣對於前述主體固定時，緩和傳遞至前述隔膜的應力。
該實施形態中，前述溝係在前述密封構件所被固定之側的前述底環之端面中，沿著圓周方向形成。
該實施形態中，前述溝係在與前述感測器模組面向的前述底環之內周面中，沿著圓周方向形成。
該實施形態中，係被固定於前述底環的外周部，更具備與前述底環直徑相同的筒狀之外周壁，且在前述外周壁之內側空出間隙而配置有前述密封構件。
該實施形態中，前述密封構件包含：被固定於前述底環的密封環；以及密封前述密封環的蓋，其是與前述隔膜空出間隙而以覆蓋密封環的方式配置。
該實施形態中，當對前述流路及前述受壓室密封了流體之後將前述流路及前述受壓室抽真空時，在已密封之前述流體的溫度為210℃、密封期間120分鐘、密封壓力200kPa abs.的條件下，使在前述抽真空時前述壓力檢測元件所輸出的壓力低於零的量為前述密封壓力的0.25%以下。
該實施形態中，朝前述主體的前述按壓突緣之鎖緊力矩為50N･m以下。
關於本發明之實施形態的壓力感測器，係在高溫環境下於加壓密封後已抽真空時產生的零點下降量被減低。
以下，一邊參考圖面一邊說明本發明之實施形態，然本發明係並非限定於以下之實施形態者。
圖1係表示高溫氣體供給系統100，該高溫氣體供給系統100含有具備關於本發明之實施形態的壓力感測器10之壓力式流量控制裝置20及被設置於其上游側的氣化供給裝置30。此外，圖2(a)及(b)係表示關於本實施形態的壓力感測器10。
如圖1所示般，壓力感測器10，係被設置於壓力式流量控制裝置20的控制閥22與節流部24之間的流路，且使用在用於檢測節流部24的上游側壓力(以下，會稱之為上游壓力P1或是控制壓力)。壓力感測器10的輸出，係使用在用於反饋控制控制閥22，且能夠藉由使用控制閥22而控制上游壓力P1，來控制流往節流部24之下游的流體的流量。此外，在節流部24的下游側係設有停止閥28，可藉由密封停止閥28來更確實地執行停止氣體的供給。
作為控制閥22，係使用可調整至任意開合度的各種閥(比例閥)，例如，使用以藉由壓電致動器調整隔膜閥之開合度的方式所構成的壓電閥為佳。作為停止閥28，使用在回應性、遮斷性出色的氣動閥(AOV)或電磁閥等的開關閥為佳。作為節流部24，係使用孔口板或臨界流噴嘴為佳。孔徑或是噴嘴徑係被設定為例如10μm~2000 μm。
高溫氣體供給系統100中，氣化供給裝置30係接收液體原料L，且將此氣化而作為氣體G送出壓力式流量控制裝置20。氣化供給裝置30係，具有用以預先將液體原料L加熱備好的預先加熱部32及透過液體原料供給閥36連接於預先加熱部32的氣化部34，且藉由液體原料供給閥36的開閉動作，能夠控制往氣化部34的液體原料L的供給量。
氣化供給裝置30的預先加熱部32係藉由加熱器加熱至例如180℃，氣化部34係加熱至例如200℃，進一步，為了防止被送出的氣體的再液化，壓力式流量控制裝置20係加熱至例如210℃以上。為此，壓力感測器10亦成為加熱至200℃以上的高溫，且謀求在如此般的高溫環境下仍正確地檢測出壓力。尚且，在本實施形態，停止閥28亦藉由加熱器所加熱，停止閥28的出口側係加熱至例如220℃。加熱器的設定溫度根據所氣化的材料而任意地選擇。
在本實施形態，於控制閥22的上游側亦設有用以測定供給壓力P0的流入壓力感測器26。流入壓力感測器26的輸出係例如：被使用於用在氣化部34的氣體生成量控制。該流入壓力感測器26亦可具有與以下所說明之壓力感測器10相同的構成。
如圖2(a)及(b)所示，本實施形態的壓力感測器10係具有單面連接於受壓室C1的隔膜11a，且在與受壓室C1相反側之面處固定有含應變計的壓力檢測元件12。此外，以連接於與受壓室C1相反側之面(或者是設置有壓力檢測元件12的面)的方式，設有真空室C2。壓力感測器10，係當應力未產生於隔膜11a時，亦即，考量到受壓室C1與真空室C2的壓力相等時，以輸出零作為絕對壓力的方式所構成。
圖3係表示壓力感測器10的安裝例。壓力感測器10，係與示於圖2(a)的朝向上下相反的態樣，收容並固定在被設置於形成有流路的主體5之下面的收容凹部內。主體5為形成有示於圖1的壓力式流量控制裝置20之流路的金屬塊(例如，SUS316L製)，且於主體5之上面側係安裝有壓電閥等。
在收容凹部之底面中央部，係設置有連通形成於主體5的流路與壓力感測器10的受壓室C1之連通路徑，且壓力感測器10能夠測定流動於主體5之流路的流體的壓力。尚且，與本例相異，壓力感測器10係只要與流路連通，便也能被安裝於主體5的上面側(固定有壓電閥之側)等其他場所。
壓力感測器10係藉由密封墊18保有密封性，同時以按壓主體5的收容凹部底面的方式而被固定。壓力感測器10係藉由從外側鎖緊按壓突緣19(例如，SUS316L製)來進行固定。此時，藉由調整按壓突緣19的鎖緊力矩N的大小，壓力感測器10的固定程度產生變化。在本實施形態，以比較小的轉矩(例如，50N･m以下)進行固定，此乃是用於減輕在固定於壓力感測器10，特別是固定於隔膜11a時所附加的應力。關於鎖緊力矩N造成的感測器輸出之變化，後述說明之。
再次參閱圖2(a)及(b)，說明壓力感測器10的詳細構成。如上所述，壓力感測器10，係連接流入至受壓室C1的流體且具有因應流體的壓力而應變的隔膜11a，隔膜11a則係設置有作為被形成為有底筒狀的感測器模組11之底部。
此外，感測器模組11係藉由嵌合固定於底環14來支撐。此外，在底環14的上端面固定有密封構件13(包含密封環13a與蓋15)。密封構件13(更具體而言係密封環13a)與底環14係藉由熔接所嵌合的環狀段差部而氣密地連接，且感測器模組11被收容在此等內部空間。
在本實施形態，密封構件13係藉由熔接筒狀的密封環13a與蓋15而形成為有底筒狀。密封構件13係被設置於感測器模組11之隔膜11a的上方。更詳細來說，密封環13a係作為隔膜11a之外側周壁固定並設置於底環14，蓋15係隔著空隙而被設置成以披覆隔膜11a的方式將密封環13a的開口密封。在此構成當中，藉由在將密封構件13之內側抽真空以後密封，來形成連接於隔膜11a之氣密密封狀態的真空室(密封真空室)C2。真空室C2係隔著隔膜11a與受壓室C1對向的空間。
此外，在密封環13a係被複數條導線13c的先端部透過低熔點玻璃材料13b氣密狀地插通，各導線13c的先端部係透過接合線而連接於壓力檢測元件12的應變計。接合線一般係由金所形成，但亦可使用鋁、銅等來代替金。接合線的線徑係設計成10~50μm。應變計一般係藉由金屬箔的抵抗線所構成，使抵抗線的電阻變化透過導線13c藉由橋式電路而檢測，藉此可檢測出產生於隔膜11a之應變的大小。
此外，於本實施形態中，底環14係具有：具備有與感測器模組11之圓筒部11b的外周面對向之內周面的收容凹部。此外，感測器模組11的開放側端部11c係，被形成為比圓筒部11b小徑且並有突緣，且底環14的收容凹部亦形成為合適於感測器模組11之開放側端部11c的形狀。底環14係熔接於感測器模組11之開放側端部11c的外緣，且底環14與感測器模組11係相互對向並穩固的固定住。
在底環14的外周部下側(對向於主體5的收容凹部底面之側)，係形成有用以配置環狀之密封墊18的環狀切口。由此，如圖3所示般，壓力感測器10安裝於主體5時，隔著密封墊18進行固定，且流路與外部之間的密封性提升。密封墊18係，可由例如沃斯田鐵系不鏽鋼等之金屬所形成，亦可為了抑制後述之零點下降，而由更柔軟的材料即O型環所形成。密封墊18係因應按壓突緣19的緊固而變形，且能夠提升密封性。
以上的構成中，底環14與主體5之間係夾持有密封墊18，並且感測器模組11並非直接固定而是以收容於底環14的態樣被固定。在這樣的態樣下，係當使用按壓突緣19而在主體5的凹部安裝壓力感測器10之際，在感測器模組11不容易接受從底環14而來的應力。因此，在安裝後的狀態下，感測器模組11的隔膜11a中的殘留應力小，且藉此能夠抑制在特別高溫、高壓環境下壓力感測器10所易產生的零點下降。
甚至，在本實施形態，於底環14之外周部上側，固定有與底環14同徑的圓筒狀之外周壁17。於此構成中，在外周壁17的內側係隔著間隙並配置有密封構件13。
藉由設置外周壁17，使壓力感測器10氣密地無晃動且變得容易固定於主體5的收容凹部。此外，藉由按壓突緣19，透過與此抵接的外周壁17而進行壓力感測器10之固定，因此，當鎖緊按壓突緣19時亦不易在隔膜11a產生應力。但是，當能夠確保充分的氣密性或固定程度時，外周壁17並非為必要。此外，亦可使外周壁17於按壓突緣19設置同樣的外周壁，來取代設置於底環14，而以按壓底環14之周緣部的方式構成。
在此，於本實施形態中，底環14係由在耐蝕性等卓越的鎳-鉬-鉻合金之一的赫史特合金(Hastelloy) C-22(Hastelloy為註冊商標)所形成。尚且，底環14係不謀求如隔膜11a般的變形，因此亦可使用不鏽鋼(例如，SUS316L等)來取代赫史特合金(Hastelloy) C-22而形成。此外，密封環13a或外周壁17係由在耐蝕性等卓越的沃斯田鐵系不鏽鋼即SUS316L或SUS304等所形成。
另一方面，含隔膜11a的感測器模組11係與基座構件(密封環13a及底環14)相異，由鎳-鈷合金即SPRON510(SPRON為註冊商標)所形成。此乃是，由於隔膜11a的材質會對壓力感測器10的零點下降有大的影響。如此一來，在壓力感測器10係，藉由分別適當地選擇各構成構件的材料，在確保密封性的同時，也合適於在高溫･高壓下的使用者。隔膜11a的厚度係設計成例如50μm~ 200μm。
以下，關於對壓力感測器10的零點下降現象之進一步的對策進行說明。
如圖4(a)所示般，在2個小時等比較長的期間，有對壓力感測器10予以例如約200kPa abs(絕對壓力)以上的壓力作為負荷的情形。此乃是，例如，作為氣體供給的前階段，下游側的停止閥28關閉而停止氣體供給的狀況發生。
當停止氣體供給時，控制閥22通常也是關閉著，然而有下述情況：從閥門的閥座有洩漏產生，且控制閥22之下游側的壓力(亦即上游壓力P1)也變得與氣化供給裝置30的氣體壓(亦即供給壓力P0)同樣地高壓。因此，當長時間在氣化供給裝置30與停止閥28之間的流路密封了氣體時，壓力感測器10所測定的上游壓力P1亦經過長時間而維持高壓力。
然後，在如此高溫下被維持在高壓的加壓密封狀態持續地延長的話，如圖4(b)中壓縮時間軸並擴大表示般，於其後，當打開停止閥28而開始流路內的真空排氣時，壓力感測器10的輸出(亦即上游壓力P1)會低於零而表示負數之值。此外，壓力感測器10的輸出係，在時間經過的同時，從負數之值往零回復，然而，為了回復也需要例如數小時以上的時間(在此為4.5小時)。
這樣的零點下降現象所產生的理由係考慮到，當予以隔膜11a的應力急劇大地變化時，產生因應了隔膜11a之材料的潛變現象(材料所產生的應變的時間變化)的緣故。潛變現象一般來說溫度愈高愈顯著的情形廣為人知。
更詳細來說，應變計係使產生於隔膜的應力作為電阻之變化而檢測的元件，因此，當流路被維持於真空壓時，亦藉由產生於隔膜11a的潛變，而變成輸出的時間產生變化。為此，特別是在高溫環境下，至應變消解為止，會考慮到即使作為壓力使低於零之值比較長時間的輸出者。尚且，作為真空排氣開始時的輸出低於零的理由係考慮到，在壓力變動時影響產生於隔膜11a的無意的應力(例如，往壓縮應變計之方向工作的應力)，應變計的電阻值變得比賦予對應於絕對壓力零的基準值還小。
圖5係表示因應於加壓密封時之壓力(以下，會稱為密封時壓力)的大小而使零點下降量變化的圖表。由圖5可得知，即使是在同時間(在此為20分鐘)的密封後，密封時壓力為50kPa的時候相比，100kPa的時候的零點下降量更大；比起100kPa的時候，150kPa的時候的零點下降量更大；比起150kPa的時候，200kPa的時候的零點下降量更大。如此一來，可觀察到，密封時壓力愈高，掉落時的零點下降量變得更大，此外，其回復所需時間也變得更長。
此外，圖6係表示周圍溫度與偏置電壓變動量(對應於零點下降量)之間的關係的圖表，且表示加壓密封時間在為2分鐘、20分鐘、120分鐘的各情況下，真空排氣一旦開始後的偏置電壓變動量。無論何種情況下，密封時壓力皆統一為200kPa abs.。偏置電壓變動量係，在絕對壓力零的時候(亦即應變計上未產生應變時)以輸出零的方式被校正過的壓力感測器為在真空排氣一旦開始後所示的輸出值，更具體而言，係被連接於應變計的惠斯登電橋回路所輸出的電壓訊號之值(平均值)。
由圖6可得知，偏置電壓變動量(亦即零點下降量)係，真空排氣前的加壓密封時間愈長，或是周圍溫度愈高溫，則有愈大的傾向。例如，在加壓密封時間為20分鐘以上且周圍溫度為200℃以上時，偏置電壓變動量變得比較大，而且當加壓密封時間為20分鐘以上且周圍溫度250℃時，或者是，在加壓密封時間為120分鐘且周圍溫度為200℃以上時，偏置電壓變動量變得相當大。
如此一來，可知隔膜11a在長時間被暴露於特別高溫･高負荷下之後，零點下降量變大。然後，零點下降現象係考慮到，由於為藉由隔膜11a所產生的潛變現象而生成者，因此，隔膜11a的機械性的性質的控制，用在潛變進一步係用在零點下降的控制上為重要。
本案發明者係根據以上真知灼見，進行選定可抑制零點下降量之隔膜11a的材料。其結果，發現除了使用具有如圖2所示般之構成的壓力感測器10外，隔膜11a並非由習知的赫史特合金而是由SPRON所形成者為佳。接著發現，特別是藉由恰當地熱處理SPRON製的隔膜11a，能夠更有效果的抑制零點下降的情形。
圖7係表示具有可使用作為隔膜11a的可能性的4種種類的金屬之組成(重量%)。如圖7所示般，習知屢屢被使用的赫史特合金係，含有50wt%以上Ni的另一方面Co的含有量小，且分別含有13wt% Mo、及22wt% Cr的鎳-鉬-鉻合金。
此外，英高鎳合金(Inconel)600 (Inconel為註冊商標)係，以鎳為主體，且含有鉻與鐵的鎳-鉻-鐵合金。另外，MAT21(註冊商標)係，含有未示於表上的Ta約1.8 wt%的與赫史特合金同樣的鎳-鉬-鉻合金。
另一方面，本實施形態中隔膜11a的材料即SPRON510係鈷-鎳合金(或者是鈷-鎳-鉻-鉬合金)。
於本說明書中，鈷-鎳合金係指Co與Ni合計為50wt%以上，並且，Co及Ni分別含有20wt%以上的合金之意。此外，本說明書中的鈷-鎳合金係指，一般為指Co的含有量較Cr的含有量及Mo的含有量多者。在上述之例中，赫史特合金、英高鎳合金l600、及MAT21係相當於非鈷-鎳合金，僅SPRON510為相當於鈷-鎳合金。
在本實施形態所使用的鈷-鎳合金即SPRON510係考慮到，具有比赫史特合金、英高鎳合金l600、MAT21更不易產生變形的機械性的性質者。確認到相對於赫史特合金在室溫下的0.2%耐力為343MPa、英高鎳合金為347MPa、MAT21為355MPa，進行了後述之熱處理後，SPRON510的0.2%耐力特別的大為1050MPa。
因此，隔膜11a由更不易產生變形(或是彈性變形的應力範圍廣)的鈷-鎳合金所形成，且可期待藉由使得即使在高溫下對應力也不易產生應變而抑制零點下降的情況。
圖8係表示當隔膜11a的材料由赫史特合金(非鎳-鈷合金)所形成時(試樣S0、S1)，與由SPRON510(鎳-鈷合金)所形成時(試樣S2、S3、S4)之間零點下降量(kPa)的差異的圖。於圖8所示之結果係，在示於圖1的高溫氣體供給系統100，裝入壓力感測器10，從加壓密封狀態打開停止閥28而開始了真空排氣時，從壓力感測器10的輸出所得到者。
作為零點下降量，係表示有當真空排氣前的加壓密封時間分別為2分鐘、20分鐘、120分鐘的情況下時的測定結果。無論何種情況下，密封時壓力皆共同為200kPa abs，且設定溫度(周圍溫度)皆共同為210℃。
此外，於圖8亦記載有：隔膜11a有無熱處理(〇為有、-為無)，有無後述之溝加工(〇為有、-為無)；以及根據按壓突緣19的感測器鎖緊力矩的差異(強或弱)，據此所造成零點下降量(kPa)的變化。
尚且，於表所示的改善(%)，係表示對於密封時間20分鐘時的試樣S0(成為基準的實施形態)之在試樣S1~S4的零點下降量的抑制率(下降量差分/S0下降量)。尚且，記載於表的零點下降量係為了四捨五入至小數點下兩位數，成為從記載於表的零點下降量所能計算的改善率，與作為改善(%)所示之值之間稍有出入者。
在其他的條件相同下，可知當材料以不同於赫史特合金C-22與SPRON510的試樣S1與試樣S2相比較時，使用了SPRON510的情況下(試樣S2)較能改善零點下降量。亦即，可知藉由隔膜11a由鈷-鎳合金所形成，而能夠抑制在高溫、高壓環境下的零點下降。
此外，如圖8的試樣S2及試樣S3所示般，可知即使同樣使用了SPRON510時，當進行過熱處理時，與未進行過熱處理時，係在密封時間為20分鐘以上的情況下，其進行過熱處理者的零點下降量的改善效果提升。
在此，熱處理係在真空下、於溫度525℃進行2個小時的加熱，其後，藉由時效處理進行慢冷卻。其結果，可確認硬度Hv與熱處理前相比，稍提升了20%。此外，張力強度係在進行熱處理前為約2400MPa，而在熱處理後則上提至2800MPa。此外，熱處理後的0.2%耐力係如上所述般成為1050MPa，相較於習知材料成為不易變形的材料。
上述的熱處理係在500℃以上的溫度下進行100分鐘以上者為佳。藉由使用由像這樣經熱處理過的鈷-鎳合金所形成的隔膜11a，相較於未進行熱處理的情況，可得到零點下降抑制之有意義的改善效果。
此外，如圖8的試樣S3與試樣S4相比較而得知，即使按壓突緣19藉由較弱的鎖緊力矩N例如50N･m以下等，亦能提升零點下降改善效果。此乃是，可考慮到在按壓突緣19強度鎖過頭的狀態下，對隔膜11a增加多餘的應力，產生於隔膜11a的應變增大了的緣故。
因此，為了使壓力感測器10的密封性增高，雖增加鎖緊力矩N為較佳，然而，藉由使用密封墊18來確保密封性，並且為了抑制零點下降，以盡可能小的鎖緊力矩N50N･m以下使壓力感測器10固定於主體5為佳。但是，鎖緊力矩N過小也會導致對感應器的固定程度或密封性的阻礙，因此，鎖緊力矩N為20N･m以上者為佳。
此外，在示於圖8的試樣S0以外的試樣S1~S4的壓力感測器，係於保持感測器模組11的底環14施予溝加工。溝加工係當使用按壓突緣19而安裝壓力感測器10時，設置有作為緩和傳達至隔膜11a的應力用的應力傳達緩和溝。比較試樣S0與試樣S1而得知，即使僅施予溝加工也能得到零點下降進一步的改善效果。
圖9(a)及(b)係表示施予了上述的溝加工的變形例之壓力感測器10A、10B。於圖9(a)及(b)所示之壓力感測器10A、10B中，在底環14係形成有各自分別的態樣的應力傳達緩和溝14G。
於圖9(a)所示的壓力感測器10A係，底環14中與密封墊安裝面相反側的面，亦即，藉由按壓突緣19所按壓之側的面，或者是，被固定有密封構件13之側的端面中，形成有與密封構件13或外周壁17同心狀之環狀的應力傳達緩和溝14G。
此應力傳達緩和溝14G係，具有與密封構件13之外周面連接的內側側面，且形成有作為具有從底環14之厚度一半到8成左右之深度的溝。藉由被這樣形成的應力傳達緩和溝14G，使應力的傳達緩和，且抑制當鎖緊按壓突緣19時產生於隔膜11a的應力。
尚且，上述應力傳達緩和溝14G係，只要能得到充分的應力傳達緩和之效果，就沒有必要非得繞一周而連續地形成，而是以其中一部分溝來中斷即可。在此，連續性的溝或是斷斷續續的溝中任一者皆稱為沿著圓周方向而被形成的溝。
此外，在示於圖9(b)的壓力感測器10B係，於底環14的感測器模組支持面(亦即，與感測器模組11的外周面對向的，底環14的內周面)中，形成有在半徑方向具有深度的環狀的應力傳達緩和溝14G。也藉由被這樣形成的應力傳達緩和溝14G，使應力的傳達緩和，且抑制當鎖緊按壓突緣19時產生於隔膜11a的應力。
尚且，於專利文獻4揭示有：於構成隔膜的隔膜基座設置有淺溝的壓力感測器之安裝構造。但是，此壓力感測器係並非如圖9(a)及(b)所示般，在與隔膜構成構件相異的底環設置溝者。
如以上般，即使僅於底環14設置應力傳達緩和溝14G，也能夠得到零點下降抑制的效果。這也就是說，藉由比較圖8的試樣S0與試樣S1來判斷。但是，如試樣S4般，由熱處理過隔膜的鈷-鎳合金形成，並且也施予應力傳達緩和的溝加工，且進一步藉由使感測器安裝的轉矩成為小者，與密封時時間的長短無關，能夠使零點下降改善率成為及大者。
藉由使用上述各種態樣的壓力感測器10，於如圖1所示般的氣化供給裝置30之下游側中在高溫環境下所使用的情況下，亦成為能使壓力式流量控制裝置20安定性地動作。在關於本發明之實施形態的壓力感測器10係，在流路及受壓室C1密封了流體之後當抽真空受壓室C1時，能夠使壓力檢測元件12所輸出的壓力低於零的量(絕對值)，成為密封壓力(例如，200kPa)的例如0.25%以下(例如，0.5kPa以下)。
更詳細而言，在設定溫度(流體溫度)為210℃、密封期間120分鐘、密封壓力200kPa abs.的條件下，由圖8的試樣S4可知，零點下降量係密封壓力達至200kPa的0.25%以下即0.5kPa以下能改善。
尚且，在成為基準的試樣S0係，雖然若與習知的壓力感測器相比的話，零點下降量被抑制，但是於20分鐘的密封時間中，要達成密封壓力(200kPa abs.)的0.25%以下即0.5kPa以下為困難。相對於此，在試樣S1~試樣S4係能夠在20分鐘的密封時間達成密封壓力0.25%以下。特別是，使用作為隔膜11a的材料進行過熱處理的鈷-鎳合金(SPRON510)，並且針對於底環14施予溝加工的試樣S3、S4，係即使在20分鐘的密封時間，也能夠達成密封壓力的0.15%以下(在此為0.3kPa)，可得知能夠得到充分的零點下降抑制效果。
[產業上的可利用性]
關於本發明之實施形態的壓力感測器係利用在例如，用於半導體製造裝置中供給氣體的壓力測定為佳。
5:主體
10:壓力感測器
11:感測器模組
11a:隔膜
12:壓力檢測元件
13:密封構件
13a:密封環
14:底環
14G:應力傳達緩和溝
15:蓋
17:外周壁
18:密封墊
19:按壓突緣
20:壓力式流量控制裝置
22:控制閥
24:節流部
26:流入壓力感測器
28:停止閥
30:氣化供給裝置
100:高溫氣體供給系統
[圖1]為表示使用關於本發明之實施形態的壓力感測器之氣體供給系統的圖。
[圖2]為表示關於本發明之實施形態的壓力感測器的圖，(a)係剖面圖、(b)係自上方觀察時的透視圖。
[圖3]為表示對主體的壓力感測器之安裝態樣的剖面圖。
[圖4]為表示在加壓密封後已真空排氣時的壓力感測器之零點下降的圖，(a)係表示全部工程的圖、(b)係在時間軸方向被壓縮的放大圖。
[圖5]為表示因密封時壓力而使零點下降量變動的圖。
[圖6]為表示因應周圍溫度而使零點下降量(偏置電壓變動量)變動的圖。
[圖7]為表示形成隔膜之各材料組成(重量比率)的圖。
[圖8]為表示根據隔膜的材質或有無溝等造成零點下降量的差異之圖。
[圖9]為表示在對主體安裝時設置於用以緩和產生於隔膜的應力之溝的變形例的壓力感測器之剖面圖，(a)與(b)係表示不同的態樣。
10:壓力感測器
11:感測器模組
11a:隔膜
11b:圓筒部
11c:開放側端部
12:壓力檢測元件
13:密封構件
13a:密封環
13b:低熔點玻璃材料
13c:導線
14:底環
15:蓋
17:外周壁
18:密封墊
C1:受壓室
C2:真空室
Claims (9)
- 一種壓力感測器，其是被固定於形成有流路的主體，該壓力感測器之特徵為，具備：有底筒狀的感測器模組，其在內側具有與前述流路連通的受壓室，且該感測器模組於遠離與前述主體連接之部分之側，在底部含有連接於前述受壓室的隔膜；壓力檢測元件，其被固定於前述隔膜，且將前述隔膜的應變作為壓力而輸出；底環，其被固定於前述感測器模組的與前述底部為相反側之開放側端部之外緣，且配置於前述感測器模組的外周側，以保持前述感測器模組；密封構件，其在遠離前述感測器模組與前述主體連接之部分之側，被固定於前述底環，用以形成隔著前述隔膜並與前述受壓室相對向的密封真空室；密封墊，其被夾持於前述底環與前述主體之間；以及按壓突緣，其是經由前述密封墊將前述底環對前述主體按壓。
- 如請求項1所記載之壓力感測器，其中，前述隔膜係由鈷-鎳合金所形成。
- 如請求項2所記載之壓力感測器，其中，前述隔膜係由在溫度500℃以上經100分鐘以上熱處理的鈷-鎳合金所形成。
- 如請求項1至3中任一項所記載之壓力感測器，其中，在前述底環形成有溝，該溝是用以在使用前 述按壓突緣對於前述主體固定時，緩和傳遞至前述隔膜的應力，前述溝係在前述密封構件所被固定之側的前述底環之端面中，沿著圓周方向形成。
- 如請求項1至3中任一項所記載之壓力感測器，其中，在前述底環形成有溝，該溝是用以在使用前述按壓突緣對於前述主體固定時，緩和傳遞至前述隔膜的應力，前述溝係在與前述感測器模組面向的前述底環之內周面中，沿著圓周方向形成。
- 如請求項1至3中任一項所記載之壓力感測器，其中，更具備在設有前述密封構件之側固定於前述底環之筒狀之外周壁，該外周壁係具有與前述底環之最大外徑相同之外徑，且具有比前述密封構件之最大外徑更大之內徑；在前述外周壁之內側空出間隙而配置有前述密封構件。
- 如請求項1至3中任一項所記載之壓力感測器，其中，前述密封構件包含：被固定於前述底環的密封環；以及密封前述密封環的蓋，其是在遠離前述感測器模組與前述主體連接之部分之側以與前述隔膜空出間隙而覆蓋該密封環的方式配置。
- 如請求項1至3中任一項所記載之壓力感測器，其中，當對前述流路及前述受壓室密封了流體之後將前述流路及前述受壓室抽真空時，在已密封之前述流體的溫度為210℃、密封期間120分鐘、密封壓力200kPa abs.的條件下，使在前述抽真空時前述壓力檢測元件所輸出的 壓力低於零的量為前述密封壓力的0.25%以下。
- 如請求項1至3中任一項所記載之壓力感測器，其中，朝前述主體的前述按壓突緣之鎖緊力矩為50N．m以下。
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