WO2018225853A1 - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

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正志 関根
卓也 石原
将 添田
偉伸 栃木
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アズビル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a capacitance type pressure sensor including a sensor chip having a diaphragm structure for detecting capacitance according to the pressure of a medium to be measured.
  • Pressure sensors such as vacuum gauges used in semiconductor manufacturing facilities and the like often employ a sensor element having a small diaphragm formed by using so-called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • This sensor element has a main detection principle of receiving a pressure medium with a diaphragm and converting a displacement generated thereby into a certain signal.
  • a capacitance type pressure sensor that detects a displacement of a diaphragm (diaphragm) that is bent by receiving pressure of a medium to be measured as a change in capacitance is widely known.
  • this capacitance type pressure sensor is less dependent on gas type, it is often used in industrial applications such as semiconductor equipment. For example, it is used for measuring a pressure during a manufacturing process in a semiconductor manufacturing apparatus or the like.
  • a capacitance type pressure sensor for measuring this pressure is called a diaphragm vacuum gauge.
  • the diaphragm which bends in response to the pressure of the medium to be measured is called a pressure-sensitive diaphragm or a sensor diaphragm.
  • This diaphragm vacuum gauge includes a sensor chip that detects displacement of a diaphragm that is bent under the pressure of a medium to be measured as a change in capacitance, a housing that houses the sensor chip, a diaphragm that is connected to the housing and covers the diaphragm of the sensor chip.
  • a pressure introducing pipe for guiding the pressure of the measurement medium and a sensor case covering the housing are provided.
  • This diaphragm vacuum gauge basically deposits the same material as the thin film to be processed and its by-products on the diaphragm (sensor diaphragm).
  • this deposited substance is called a contaminant.
  • this pollutant accumulates on the diaphragm, the stress caused by them causes the diaphragm to bend, resulting in a shift (zero drift) in the output signal of the sensor.
  • the diaphragm is apparently thick due to the accumulated contaminants, the diaphragm is difficult to bend, and the change width (span) of the output signal due to the pressure application is also smaller than the change width of the original output signal.
  • the diaphragm vacuum gauge is provided with a baffle between the pressure introducing tube and the housing.
  • the baffle is disposed so that its plate surface is orthogonal to the passing direction of the medium to be measured, and prevents the contaminants contained in the medium to be measured from accumulating on the diaphragm.
  • a heater is provided so as to surround the outer peripheral surface of the sensor case, and the inside of the sensor case is heated by this heater so that the temperature around the diaphragm is kept at a high temperature at which no contaminants are deposited. (For example, refer to Patent Documents 1 and 2).
  • an abnormality such as peeling (peeling from the outer peripheral surface of the sensor case) may occur in the heater provided so as to surround the outer peripheral surface of the sensor case.
  • peeling peeling from the outer peripheral surface of the sensor case
  • the temperature around the diaphragm cannot be maintained at a high temperature, which may cause a zero point or a span change due to accumulation of contaminants on the diaphragm.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a capacitance type pressure sensor capable of detecting an abnormality of a heater at an early stage.
  • the present invention provides a sensor having a diaphragm that bends under the pressure of a medium to be measured, and an electrode configured to convert the displacement of the diaphragm into a change in capacitance.
  • a chip a housing that houses the sensor chip, a pressure introduction pipe that is connected to the housing and guides the pressure of the medium to be measured, a sensor case that covers the housing, and a heater that is provided so as to surround the outer peripheral surface of the sensor case
  • a first temperature sensor that measures the temperature inside the sensor case, a second temperature sensor that measures the temperature of the heater, and the temperature inside the sensor case measured by the first temperature sensor is a predetermined set temperature.
  • a heater control unit configured to control the supply current to the heater so as to be, and a temperature in the sensor case measured by the first temperature sensor.
  • a temperature difference calculation unit configured to obtain a temperature difference between the temperature of the heater measured by the second temperature sensor and the presence or absence of a heater abnormality based on the temperature difference obtained by the temperature difference calculation unit
  • an abnormality determination unit configured to do the above.
  • the temperature difference between the temperature in the sensor case measured by the first temperature sensor and the temperature of the heater measured by the second temperature sensor is obtained, and the abnormality of the heater is determined based on the temperature difference. Since the presence or absence is determined, it is possible to detect an abnormality of the heater at an early stage.
  • FIG. 1 is a diagram showing a main part of the diaphragm vacuum gauge according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective sectional view showing a main part of a sensor chip used in the diaphragm vacuum gauge shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a sensor temperature when the diaphragm vacuum gauge shown in FIG. 1 is continuously used and the heater starts to peel off at a certain time and the peeling proceeds with time (inside the sensor case). It is a graph which shows simply the change of temperature and heater temperature.
  • FIG. 4 is a diagram showing a main part of the diaphragm vacuum gauge according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a main part of the diaphragm vacuum gauge according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing changes in the sensor case temperature and the heater temperature due to changes in the temperature in the thermostatic chamber.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the temperature in the thermostatic chamber and the heater temperature.
  • FIG. 7 is a diagram showing a main part of the diaphragm vacuum gauge according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing changes in sensor case temperature, heater temperature, and circuit temperature due to changes in the temperature in the thermostatic chamber.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the temperature in the thermostatic chamber and the circuit temperature.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between circuit temperature and heater temperature.
  • the heater of the diaphragm vacuum gauge (heater for self-heating) is arranged around the diaphragm in order to heat the diaphragm vacuum gauge around as uniformly as possible.
  • the temperature sensor for control for temperature control is arrange
  • the diaphragm vacuum gauge includes a temperature sensor (heater monitoring temperature sensor) separate from the temperature control for the purpose of monitoring the operation of the heater such as overheating prevention. Since the heater is arranged around the diaphragm, when an abnormality such as peeling occurs, the heat is transmitted not to the diaphragm side but to the outside of the diaphragm vacuum gauge. As a result, the amount of current supplied to the heater increases, and the heater temperature measured by the heater monitoring temperature sensor increases.
  • the inventor pays attention to this point, and if the temperature difference between the temperature measured by the control temperature sensor and the temperature measured by the heater monitoring temperature sensor is used, an abnormality such as peeling of the heater around the diaphragm is observed. I was able to detect the signs of the.
  • the presence or absence of a heater abnormality is determined. For example, when the temperature difference between the temperature in the sensor case measured by the control temperature sensor and the heater temperature measured by the heater monitoring temperature sensor starts to increase, it is determined that an abnormality sign has appeared in the heater. Thereby, it becomes possible to detect the abnormality of the heater at an early stage.
  • FIG. 1 is a diagram showing a main part of the diaphragm vacuum gauge according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective sectional view showing a main part of a sensor chip used in the diaphragm vacuum gauge shown in FIG.
  • the sensor chip 1 includes a diaphragm constituent member 1a and a pedestal 1c.
  • the diaphragm constituent member 1a is formed so as to be deformable in accordance with the pressure of the medium to be measured (sensor diaphragm) 1a1, and is thicker than the diaphragm 1a1, and supports the peripheral portion of the diaphragm 1a1 so as not to be displaced.
  • a diaphragm support 1a2 is provided.
  • the pedestal 1c is joined to the diaphragm support 1a2 and forms a reference vacuum chamber (cavity) 1b together with the diaphragm 1a1.
  • a fixed electrode 1d is formed on the surface of the base 1c on the side of the reference vacuum chamber 1b.
  • a movable electrode 1e is formed on the surface of the diaphragm 1a1 on the side of the reference vacuum chamber 1b so as to face the fixed electrode 1d.
  • the fixed electrode 1d includes a first fixed electrode (pressure-sensitive fixed electrode) 1d1 positioned at the center and a second fixed electrode (reference fixed) positioned around the first fixed electrode 1d1. Electrode) 1d2.
  • the diaphragm structural member 1a (diaphragm 1a1 + diaphragm support part 1a2) and the base 1c are comprised from insulators, such as sapphire, for example.
  • a capacitance (first capacitance) is formed by the movable electrode 1e and the pressure-sensitive fixed electrode 1d1.
  • first capacitance first capacitance
  • the diaphragm 1a1 is bent by receiving the pressure P of the medium to be measured, the distance between the movable electrode 1e and the pressure-sensitive fixed electrode 1d1 changes, and the capacitance between the movable electrode 1e and the pressure-sensitive fixed electrode 1d1 is changed. Change. That is, the displacement of the diaphragm 1a1 is converted into a change in capacitance.
  • the pressure P of the measured medium received by the diaphragm 1a1 can be detected from the change in capacitance between the movable electrode 1e and the pressure-sensitive fixed electrode 1d1.
  • a capacitance (second capacitance) is also formed between the movable electrode 1e and the reference fixed electrode 1d2.
  • the portion of the movable electrode 1e that faces the reference fixed electrode 1d2 is located near the diaphragm support portion 1a2.
  • the amount of displacement due to the deflection of the diaphragm 1a1 is smaller than the central portion of the movable electrode 1e. Accordingly, the amount of displacement of the diaphragm 1a1 is determined by capturing the change in the capacitance between the movable electrode 1e and the pressure-sensitive fixed electrode 1d1 based on the change in the capacitance between the movable electrode 1e and the reference fixed electrode 1d2.
  • a diaphragm vacuum gauge 100 shown in FIG. 1 has a sensor chip 1 configured as described above, a housing 2 that houses the sensor chip 1, and a pressure of the medium to be measured applied to the diaphragm 1 a 1 of the sensor chip 1 connected to the housing 2.
  • a pressure introducing pipe 3 to be guided, a sensor case 4 covering the housing 2, and a heater (a self-heating heater) 5 provided so as to surround the outer peripheral surface of the sensor case 4 are provided.
  • the housing 2 and the sensor case 4 are formed in a cylindrical shape, for example.
  • the sensor case 4 provided with the heater 5 is covered with a heat insulating material 6.
  • a partition wall 7 is provided inside the housing 2.
  • the partition wall 7 includes a pedestal plate 7a and a support plate 7b, and separates the internal space of the housing 2 into a first space 2a and a second space 2b.
  • the support plate 7 b has an outer peripheral edge fixed to the housing 2, and supports the pedestal plate 7 a in a state of floating in the internal space of the housing 2.
  • the sensor chip 1 is fixed (joined) to the second space 2b side of the base plate 7a.
  • the base plate 7a is formed with a pressure introduction hole 7c that guides the pressure in the first space 2a to the diaphragm 1a1 of the sensor chip 1.
  • the second space 2b communicates with the reference vacuum chamber 1b of the sensor chip 1 and is in a vacuum state.
  • the pressure introducing pipe 3 is connected to the first space 2 a side of the housing 2.
  • the pressure P of the medium to be measured is guided to the diaphragm 1a1 of the sensor chip 1 through the pressure introducing pipe 3.
  • a baffle 8 is provided between the pressure introducing pipe 3 and the housing 2.
  • the baffle 8 is disposed so that the plate surface thereof is orthogonal to the passing direction of the medium to be measured, and prevents the contamination contained in the medium to be measured from being deposited on the diaphragm 1a1.
  • the medium to be measured introduced from the pressure introduction pipe 3 hits the plate surface of the baffle 8 and flows into the first space 2 a of the housing 2 through the gap around the baffle 8.
  • a control temperature sensor (first temperature sensor) 9 is provided on the outer wall surface of the housing 2, and a heater monitoring temperature sensor (second temperature sensor) is provided on the outer wall surface of the heater 5.
  • a temperature sensor 10 is provided.
  • the control temperature sensor 9 measures the temperature in the sensor case 4 (temperature in the sensor case) t1
  • the heater monitoring temperature sensor 10 measures the temperature of the heater 5 (heater temperature) t2.
  • the configuration containing the above-described sensor chip 1 is referred to as a main body 101.
  • the diaphragm vacuum gauge 100 is further provided with a circuit portion 102 with respect to the main body portion 101.
  • the circuit unit 102 includes a pressure value output unit 11, a heater control unit (heater controller) 12, a heater monitoring unit (heater monitor) 13, a temperature difference calculation unit 14, an abnormality determination unit 15, and an abnormality determination threshold value storage. Section (threshold memory for abnormality determination) 16.
  • Each unit can be realized by hardware including a processor (CPU) and a storage device (memory), and a program that realizes various functions in cooperation with these hardware.
  • the diaphragm vacuum gauge 100 is installed in a thermostatic chamber 200, and each part in the circuit unit 102 is mounted on the circuit board 17.
  • the pressure value output unit 11 receives a signal indicating a change in capacitance due to the displacement of the diaphragm 1a1 in the sensor chip 1, and converts the signal into a pressure value and outputs the pressure value.
  • t1sp 150 ° C.
  • the heater monitoring unit 13 receives the heater temperature t2 measured by the heater monitoring temperature sensor 10 and, when the heater temperature t2 exceeds a predetermined temperature t2th, issues an alarm that an excessive temperature rise has occurred. To emit.
  • the abnormality determination unit 15 receives the temperature difference ⁇ t obtained by the temperature difference calculation unit 14 and determines whether the heater 5 is abnormal based on the temperature difference ⁇ t. More specifically, when the temperature difference ⁇ t exceeds the abnormality determination threshold value ⁇ tth stored in the abnormality determination threshold value storage unit 16, the abnormality determination unit 15 determines that a sign of abnormality has appeared in the heater 5. An alarm to that effect is output.
  • FIG. 3 shows a state in which the diaphragm vacuum gauge 100 is continuously used and the heater 5 starts to peel off in a certain time, and the peeling proceeds with time (sensor case temperature t1, A change in the heater temperature t2) is simply shown.
  • the heater control unit 12 controls the supply current I to the heater 5 so that the temperature in the sensor case 4 becomes the set temperature t1sp.
  • the temperature in the sensor case 4 is maintained at the set temperature t1sp, but the heating amount by the heater 5 increases and the temperature of the heater 5 increases. That is, when the heater 5 is peeled off, the temperature difference ⁇ t between the sensor case temperature t1 measured by the control temperature sensor 9 and the heater temperature t2 measured by the heater monitoring temperature sensor 10 increases.
  • the abnormality determination unit 15 compares the temperature difference ⁇ t with the abnormality determination threshold value ⁇ tth stored in the abnormality determination threshold value storage unit 16, and whether or not an abnormality sign appears in the heater 5 based on the comparison result. Determine whether. Specifically, when the temperature difference ⁇ t exceeds the abnormality determination threshold value ⁇ tth, it is determined that the temperature difference ⁇ t has started to increase, and it is determined that a sign of abnormality has appeared in the heater 5.
  • the threshold value ⁇ tth for abnormality determination may be determined as a constant value instead of from the temperature difference ⁇ t at the time of adjustment before shipment.
  • the temperature difference ⁇ t between the sensor case temperature t1 measured by the control temperature sensor 9 and the heater temperature t2 measured by the heater monitoring temperature sensor 10 is compared with the abnormality determination threshold value ⁇ tth. It was.
  • the heater temperature t2 measured by the heater monitoring temperature sensor 10 varies depending on the ambient temperature and the like. For this reason, in Embodiment 1, there is a possibility that an increase in the temperature difference ⁇ t due to a change in the ambient temperature or the like is erroneously determined that an abnormality sign has appeared.
  • a temperature sensor (temperature chamber temperature) that measures the temperature (temperature in the temperature chamber) t3 in the thermostat 200 as the ambient temperature where the diaphragm vacuum gauge 100 is placed.
  • Sensor (third temperature sensor) 18 is provided, and a temperature difference correction unit 19 is provided between the temperature difference calculation unit 14 and the abnormality determination unit 15, and the temperature difference correction unit 19 performs measurement using the thermostatic chamber temperature sensor 18.
  • the temperature difference ⁇ t determined by the temperature difference calculation unit 14 is corrected based on the temperature in the thermostatic chamber t3.
  • FIG. 5 shows changes in the sensor case temperature t1 and the heater temperature t2 due to changes in the temperature chamber temperature t3.
  • the heater temperature t2 decreases when the temperature chamber temperature t3 increases, and the heater temperature t2 increases when the temperature chamber temperature t3 decreases. (See FIG. 6). From this, it can be seen that when the temperature t3 in the thermostatic chamber decreases, the temperature difference ⁇ t between the sensor case temperature t1 and the heater temperature t2 increases.
  • the temperature difference correction unit 19 corrects the temperature difference ⁇ t so that the temperature difference ⁇ t increases in accordance with the amount of increase in the constant temperature chamber temperature t3 when the constant temperature chamber temperature t3 increases.
  • the temperature difference ⁇ t is corrected so that the temperature difference ⁇ t is reduced according to the amount of decrease in the temperature in the thermostatic chamber t3.
  • the temperature difference correction unit 19 may add a variable that increases in accordance with the increase amount of the constant temperature chamber temperature t3 and decreases in accordance with the decrease amount of the constant temperature chamber temperature t3 to the temperature difference ⁇ t. That is, the temperature difference ⁇ t from the temperature difference calculation unit 14 is corrected so that the temperature difference ⁇ t does not change due to the change in the constant temperature chamber temperature t3.
  • the abnormality determination unit 15 receives the temperature difference ⁇ t ′ corrected by the temperature difference correction unit 19 and determines whether the heater 5 is abnormal based on the temperature difference ⁇ t ′. More specifically, when the corrected temperature difference ⁇ t ′ exceeds the abnormality determination threshold value ⁇ tth stored in the abnormality determination threshold value storage unit 16, the abnormality determination unit 15 shows an abnormality sign in the heater 5. Judge.
  • a temperature sensor circuit temperature sensor (third temperature) that measures the temperature (circuit temperature) t4 around the circuit board 17 as the ambient temperature where the diaphragm vacuum gauge 100 is placed. Temperature sensor)) 20 and a temperature difference correction unit 19 is provided between the temperature difference calculation unit 14 and the abnormality determination unit 15, and the circuit temperature t4 measured by the circuit temperature sensor 20 in the temperature difference correction unit 19 is provided. Based on the above, the temperature difference ⁇ t obtained by the temperature difference calculation unit 14 is corrected.
  • FIG. 8 shows changes in the sensor case temperature t1, the heater temperature t2, and the circuit temperature t4 due to changes in the temperature chamber temperature t3.
  • the circuit temperature t4 also rises when the temperature t3 in the thermostat rises, and the circuit temperature t4 also falls when the temperature t3 in the thermostat falls (see FIG. 9).
  • the heater temperature t2 decreases when the circuit temperature t4 increases, and the heater temperature t2 increases when the circuit temperature t4 decreases (see FIG. 10). From this, it is understood that when the circuit temperature t4 decreases, the temperature difference ⁇ t between the sensor case internal temperature t1 and the heater temperature t2 increases.
  • the temperature difference correction unit 19 corrects the temperature difference ⁇ t so that the temperature difference ⁇ t increases according to the increase amount of the circuit temperature t4, and the circuit temperature t4. Is decreased, the temperature difference ⁇ t is corrected so that the temperature difference ⁇ t becomes smaller in accordance with the amount of decrease in the circuit temperature t4.
  • the temperature difference correction unit 19 may add a variable that increases with the increase amount of the circuit temperature t4 and decreases with the decrease amount of the circuit temperature t4 to the temperature difference ⁇ t. That is, the temperature difference ⁇ t from the temperature difference calculation unit 14 is corrected so that the temperature difference ⁇ t does not change due to the change in the circuit temperature t4.
  • the abnormality determination unit 15 receives the temperature difference ⁇ t ′ corrected by the temperature difference correction unit 19 and determines whether the heater 5 is abnormal based on the temperature difference ⁇ t ′. More specifically, when the corrected temperature difference ⁇ t ′ exceeds the abnormality determination threshold value ⁇ tth stored in the abnormality determination threshold value storage unit 16, the abnormality determination unit 15 shows an abnormality sign in the heater 5. Judge.
  • the abnormality determination unit 15 determines whether there is an abnormality in the heater 5 as the presence / absence of the abnormality in the heater 5, but the abnormality determination threshold storage unit 16
  • the abnormality determination ⁇ tth to be stored may be further increased to determine whether or not an abnormality (life) that requires replacement of the heater 5 has occurred. Moreover, you may make it combine the determination whether the abnormality sign appeared in the heater 5, and the determination whether the abnormality (life) which requires replacement
  • the temperature in the thermostatic chamber t3 or the circuit temperature t4 is used as a parameter for correcting the temperature difference ⁇ t.
  • other parameters may be used. Good.
  • the heater temperature t2 varies depending on the pipe temperature
  • the temperature around the pressure introduction pipe 3 is measured, and the temperature difference ⁇ t is corrected using the measured temperature around the pressure introduction pipe 3 as a parameter. Good.
  • SYMBOLS 1 Sensor chip, 1a1 ... Diaphragm, 1d ... Fixed electrode, 1e ... Movable electrode, 2 ... Housing, 3 ... Pressure introduction pipe, 4 ... Sensor case, 5 ... Heater, 9 ... Temperature sensor for control, 10 ... For heater monitoring Temperature sensor, 11 ... Pressure value output unit, 12 ... Heater control unit, 13 ... Heater monitoring unit, 14 ... Temperature difference calculation unit, 15 ... Abnormality determination unit, 16 ... Abnormality determination threshold storage unit, 17 ... Circuit board, 18 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Constant temperature bath temperature sensor, 19 ... Temperature difference correction part, 20 ... Circuit temperature sensor, 100 ... Diaphragm vacuum gauge, 101 ... Main-body part, 102 ... Circuit part, 200 ... Constant temperature bath.

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Abstract

隔膜真空計(100)は、温度差算出部(14)と異常判定部(15)とを備えている。温度差算出部(14)は、制御用温度センサ(9)によって測定されるセンサケース(4)内の温度t1とヒータ監視用温度センサ(10)によって測定されるヒータ(5)の温度t2との温度差Δtを求める。異常判定部(15)は、温度差算出部(14)によって求められた温度差Δtが異常判定用閾値記憶部(16)に記憶されている異常判定用の閾値Δtthを超えた場合に、ヒータ(5)に異常の兆候が現れたと判定する。これにより、ヒータ(5)の異常を早期に発見することができる。

Description

静電容量型圧力センサ
 本発明は、被測定媒体の圧力に応じた静電容量を検出するダイアフラム構造のセンサチップを備えた静電容量型圧力センサに関するものである。
 半導体製造設備等において使用される真空計を始めとする圧力センサにおいては、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて形成された小型のダイアフラムを有するセンサ素子を採用することが多い。このセンサ素子は、ダイアフラムで圧力媒体を受圧し、これにより生じた変位を何らかの信号へ変換することをその主な検出原理としている。
 例えば、この種のセンサ素子を用いた圧力センサとして、被測定媒体の圧力を受けて撓むダイアフラム(隔膜)の変位を静電容量の変化として検出する静電容量型圧力センサが広く知られている。この静電容量型圧力センサは、ガス種依存性が少ないことから、半導体設備を始め工業用途でよく使用されている。例えば、半導体製造装置などにおける製造プロセス中の圧力を計測するために利用されている。この圧力を計測するための静電容量型圧力センサを隔膜真空計と呼んでいる。また、被測定媒体の圧力を受けて撓むダイアフラムは、感圧ダイアフラムと呼ばれたり、センサダイアフラムと呼ばれたりしている。
 この隔膜真空計は、被測定媒体の圧力を受けて撓むダイアフラムの変位を静電容量の変化として検出するセンサチップと、センサチップを収容したハウジングと、ハウジングに接続されセンサチップのダイアフラムに被測定媒体の圧力を導く圧力導入管と、ハウジングを覆うセンサケースとを備えている。
 この隔膜真空計は、基本的に、ダイアフラム(センサダイアフラム)にプロセス対象の薄膜と同じ物質やその副生成物等が堆積する。以下、この堆積する物質を汚染物質と呼ぶ。この汚染物質がダイアフラムに堆積すると、それらによる応力によりダイアフラムの撓みが生じて、センサの出力信号にシフト(零点ドリフト)を生じる。また、堆積した汚染物質により見かけ上ダイアフラムが厚くなるので、ダイアフラムが撓みにくくなり、圧力印加に伴う出力信号の変化幅(スパン)も本来の出力信号の変化幅よりも小さくなってしまう。
 そこで、隔膜真空計には、圧力導入管とハウジングとの間に、バッフルが設けられている。このバッフルは、被測定媒体の通過方向にその板面が直交するように配置され、被測定媒体に含まれる汚染物質のダイアフラムへの堆積を防止する。また、センサケースの外周面を取り囲むようにしてヒータを設け、このヒータによってセンサケース内を加熱することにより、ダイアフラムの周辺の温度を汚染物質が析出することのない高温度に保つようにしている(例えば、特許文献1,2参照)。
 しかしながら、このような隔膜真空計では、センサケースの外周面を取り囲むようにして設けられたヒータに剥離(センサケースの外周面からの剥がれ)のような異常が発生することがある。この場合、センサチップが持つ温度特性(温度変化による静電容量の変化)により、正確な圧力計測が行えなくなってしまう虞があった。また、ダイアフラムの周辺の温度を高温度に保てなくなり、ダイアフラムへの汚染物質の堆積によるゼロ点やスパン変化等を引き起こす虞があった。
 プロセス中に正確な圧力計測ができなくなってしまうことは、装置側での仕掛品の全損に繋がる可能性もある。そのような事態を避けるために定期的な隔膜真空計の交換を実施すると、装置停止による生産性の低下に繋がってしまう。
特開平5-281073号公報 特開2007-002986号公報
 本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ヒータの異常を早期に発見することが可能な静電容量型圧力センサを提供することにある。
 このような目的を達成するために、本発明は、被測定媒体の圧力を受けて撓むダイアフラムと、このダイアフラムの変位を静電容量の変化に変換するように構成された電極とを有するセンサチップと、センサチップを収容したハウジングと、ハウジングに接続されダイアフラムに被測定媒体の圧力を導く圧力導入管と、ハウジングを覆うセンサケースと、センサケースの外周面を取り囲むようにして設けられたヒータと、センサケース内の温度を測定する第1の温度センサと、ヒータの温度を測定する第2の温度センサと、第1の温度センサによって測定されるセンサケース内の温度が所定の設定温度となるようにヒータへの供給電流を制御するように構成されたヒータ制御部と、第1の温度センサによって測定されるセンサケース内の温度と第2の温度センサによって測定されるヒータの温度との温度差を求めるように構成された温度差算出部と、温度差算出部によって求められた温度差に基づいてヒータの異常の有無を判定するように構成された異常判定部とを備えることを特徴とする。
 本発明によれば、第1の温度センサによって測定されるセンサケース内の温度と第2の温度センサによって測定されるヒータの温度との温度差を求め、この温度差に基づいてヒータの異常の有無を判定するようにしたので、ヒータの異常を早期に発見することが可能となる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る隔膜真空計の要部を示す図である。 図2は、図1に示した隔膜真空計に用いられるセンサチップの要部を示す斜視断面図である。 図3は、図1に示した隔膜真空計を連続使用していて、ある時間でヒータが剥離し始めるような状態が発生し、時間とともにその剥離が進んで行く場合のセンサ温度(センサケース内温度,ヒータ温度)の変化を簡易的に示すグラフである。 図4は、本発明の実施の形態2に係る隔膜真空計の要部を示す図である。 図5は、恒温槽内温度の変化によるセンサケース内温度およびヒータ温度の変化を示すグラフである。 図6は、恒温槽内温度とヒータ温度との関係を示すグラフである。 図7は、本発明の実施の形態3に係る隔膜真空計の要部を示す図である。 図8は、恒温槽内温度の変化によるセンサケース内温度、ヒータ温度および回路温度の変化を示すグラフである。 図9は、恒温槽内温度と回路温度との関係を示すグラフである。 図10は、回路温度とヒータ温度との関係を示すグラフである。
 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、本発明の静電容量型圧力センサを隔膜真空計に適用した場合について説明する。
〔発明の原理〕
 先ず、実施の形態の説明に入る前に、本発明の原理(技術思想)について説明する。
 隔膜真空計のヒータ(自己加熱用ヒータ)は、隔膜真空計のダイアフラム周辺をなるべく均一に加熱するために、ダイアフラム周辺を回るように配置されている。一方、温度制御するための制御用温度センサは、ダイアフラム周辺の特定の一点の温度を測定するように配置される。温度はフィードバック制御されているので、制御用温度センサによって測定される温度は変わらない。したがって、制御用温度センサによって測定される温度を見ても、剥離のようなヒータの異常を検出することはできない。
 隔膜真空計は、過熱防止などヒータの動作を監視することを目的として、温度制御用とは別の温度センサ(ヒータ監視用温度センサ)を備えている。ヒータがダイアフラム周辺を回る配置であるため、剥離のような異常が発生すると、熱の伝わり方が、ダイアフラム側ではなく隔膜真空計の外部側に向かうことになる。その結果、ヒータへの電流の供給量が増大し、ヒータ監視用温度センサが測定するヒータの温度が高くなる。
 発明者は、この点に着眼し、制御用温度センサで測定される温度とヒータ監視用温度センサで測定される温度との温度差を利用すれば、ダイアフラム周辺でのヒータの剥離のような異常の兆候を検出することができることに想到した。
 本発明では、制御用温度センサによって測定されるセンサケース内の温度とヒータ監視用温度センサによって測定されるヒータの温度との温度差に基づいて、ヒータの異常の有無を判定する。例えば、制御用温度センサが測定するセンサケース内の温度とヒータ監視用温度センサが測定するヒータの温度との温度差が大きくなり始めたような場合、ヒータに異常の兆候が現れたと判定する。これにより、ヒータの異常を早期に発見することが可能となる。
〔実施の形態1〕
 図1は、本発明の実施の形態1に係る隔膜真空計の要部を示す図である。図2は、図1に示した隔膜真空計に用いられるセンサチップの要部を示す斜視断面図である。
 隔膜真空計100において、センサチップ1は、ダイアフラム構成部材1aと、台座1cとを備えている。ダイアフラム構成部材1aは、被測定媒体の圧力に応じて変形可能に構成されたダイアフラム(センサダイアフラム)1a1と、このダイアフラム1a1よりも肉厚に形成されてダイアフラム1a1の周縁部を変位不能に支持するダイアフラム支持部1a2とを備えている。台座1cは、ダイアフラム支持部1a2に接合され、ダイアフラム1a1と共に基準真空室(キャビティ)1bを形成する。
 このセンサチップ1において、台座1cの基準真空室1b側の面には、固定電極1dが形成されている。ダイアフラム1a1の基準真空室1b側の面には、固定電極1dと対向するように可動電極1eが形成されている。
 なお、この例において、固定電極1dは、中央部に位置する第1の固定電極(感圧固定電極)1d1と、この第1の固定電極1d1の周囲に位置する第2の固定電極(参照固定電極)1d2とから構成されている。また、ダイアフラム構成部材1a(ダイアフラム1a1+ダイアフラム支持部1a2)と台座1cは、例えばサファイアなどの絶縁体から構成されている。
 このセンサチップ1では、可動電極1eと感圧固定電極1d1とで静電容量(第1の静電容量)が形成される。ダイアフラム1a1が被測定媒体の圧力Pを受けて撓むと、可動電極1eと感圧固定電極1d1との間の間隔が変化し、可動電極1eと感圧固定電極1d1との間の静電容量が変化する。すなわち、ダイアフラム1a1の変位が静電容量の変化に変換される。この可動電極1eと感圧固定電極1d1との間の静電容量の変化からダイアフラム1a1が受けた被測定媒体の圧力Pを検出することができる。
 また、このセンサチップ1では、可動電極1eと参照固定電極1d2との間にも静電容量(第2の静電容量)が形成される。ただし、可動電極1eの参照固定電極1d2と対向する部分は、ダイアフラム支持部1a2に近いところに位置している。このため、ダイアフラム1a1の撓みによる変位量は、可動電極1eの中央部分より小さい。従って、可動電極1eと参照固定電極1d2との間の静電容量の変化を基準として可動電極1eと感圧固定電極1d1との間の静電容量の変化を捉えることで、ダイアフラム1a1の変位量のばらつきを抑制して検出することができるようになる。
 図1に示した隔膜真空計100は、このように構成されたセンサチップ1と、センサチップ1を収容したハウジング2と、ハウジング2に接続されセンサチップ1のダイアフラム1a1に被測定媒体の圧力を導く圧力導入管3と、ハウジング2を覆うセンサケース4と、センサケース4の外周面を取り囲むようにして設けられたヒータ(自己加熱用ヒータ)5とを備えている。なお、ハウジング2およびセンサケース4は、例えば円筒状に形成されている。また、ヒータ5が設けられたセンサケース4は断熱材6によって覆われている。
 この隔膜真空計100において、ハウジング2の内部には隔壁7が設けられている。隔壁7は、台座板7aと支持板7bとから構成されており、ハウジング2の内部空間を第1の空間2aと第2の空間2bとに分離する。支持板7bは、その外周の縁面がハウジング2に固定されており、台座板7aをハウジング2の内部空間内に浮上させた状態で支持する。この台座板7aの第2の空間2b側にセンサチップ1が固定(接合)されている。また、台座板7aには、第1の空間2a内の圧力をセンサチップ1のダイアフラム1a1に導く圧力導入孔7cが形成されている。第2の空間2bは、センサチップ1の基準真空室1bと連通しており、真空状態とされている。
 圧力導入管3はハウジング2の第1の空間2a側に接続されている。この圧力導入管3を介してセンサチップ1のダイアフラム1a1に被測定媒体の圧力Pが導かれる。圧力導入管3とハウジング2との間にはバッフル8が設けられている。このバッフル8は、被測定媒体の通過方向にその板面が直交するように配置され、被測定媒体に含まれる汚染物質のダイアフラム1a1への堆積を防止する。圧力導入管3より導入される被測定媒体は、バッフル8の板面に当たり、バッフル8の周囲の隙間を通して、ハウジング2の第1の空間2a内に流入する。
 また、この隔膜真空計100において、ハウジング2の外壁面には制御用温度センサ(第1の温度センサ)9が設けられており、ヒータ5の外壁面にはヒータ監視用温度センサ(第2の温度センサ)10が設けられている。制御用温度センサ9は、センサケース4内の温度(センサケース内温度)t1を測定し、ヒータ監視用温度センサ10は、ヒータ5の温度(ヒータ温度)t2を測定する。
 上述したセンサチップ1を収容した構成を本体部101と呼ぶ。この隔膜真空計100には、この本体部101に対して回路部102がさらに設けられている。回路部102は、圧力値出力部11と、ヒータ制御部(ヒータコントローラ)12と、ヒータ監視部(ヒータモニタ)13と、温度差算出部14と、異常判定部15と、異常判定用閾値記憶部(異常判定用閾値メモリ)16とを備えている。各部は、プロセッサ(CPU)や記憶装置(メモリ)からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現されうる。また、この隔膜真空計100は恒温槽200内に設置されており、回路部102における各部は回路基板17に搭載されている。
 回路部102において、圧力値出力部11は、センサチップ1におけるダイアフラム1a1の変位による静電容量の変化を示す信号を入力とし、この信号を圧力値に変換して出力する。
 ヒータ制御部12は、制御用温度センサ9によって測定されるセンサケース内温度t1を入力とし、このセンサケース内温度t1が所定の設定温度t1sp(例えば、t1sp=150℃)となるように、すなわちハウジング2に収容されているセンサチップ1のダイアフラム1a1の周辺の温度が汚染物質が析出することのない高温度に保たれるように、ヒータ5への供給電流Iを制御する。
 ヒータ監視部13は、ヒータ監視用温度センサ10によって測定されるヒータ温度t2を入力とし、このヒータ温度t2が予め定められている温度t2thを超えた場合、過昇温が発生した旨の警報を発する。
 温度差算出部14は、制御用温度センサ9によって測定されるセンサケース内温度t1とヒータ監視用温度センサ10によって測定されるヒータ温度t2との温度差Δt(Δt=t2-t1)を求める。
 異常判定部15は、温度差算出部14によって求められる温度差Δtを入力とし、この温度差Δtに基づいてヒータ5の異常の有無を判定する。より詳しくは、異常判定部15は、温度差Δtが異常判定用閾値記憶部16に記憶されている異常判定用の閾値Δtthを超えた場合に、ヒータ5に異常の兆候が現れたと判定し、その旨のアラームを出力する。
 図3に、隔膜真空計100を連続使用していて、ある時間でヒータ5が剥離し始めるような状態が発生し、時間とともにその剥離が進んで行く場合のセンサ温度(センサケース内温度t1,ヒータ温度t2)の変化を簡易的に示す。
 センサケース4の外周面を取り囲むようにして設けられたヒータ5に剥離のような異常が発生すると、熱の伝わり方が、センサケース4の内部ではなくセンサケース4の外部に向かうことになる。一方、ヒータ制御部12は、センサケース4内の温度が設定温度t1spとなるようにヒータ5への供給電流Iを制御する。
 このため、センサケース4内の温度は設定温度t1spに保たれるが、ヒータ5による加熱量が増大し、ヒータ5の温度が高くなる。すなわち、ヒータ5の剥離が生じると、制御用温度センサ9によって測定されるセンサケース内温度t1とヒータ監視用温度センサ10によって測定されるヒータ温度t2との温度差Δtが大きくなる。
 異常判定部15は、この温度差Δtと異常判定用閾値記憶部16に記憶されている異常判定用の閾値Δtthとを比較し、この比較結果に基づいてヒータ5に異常の兆候が現れたか否かを判定する。具体的には、温度差Δtが異常判定用の閾値Δtthを超えた場合に、温度差Δtが大きくなり始めたと判断し、ヒータ5に異常の兆候が現れたと判定する。
 ここで、異常判定用閾値記憶部16に記憶させる異常判定用の閾値Δtthは、例えば、出荷前調整時の温度差Δt(Δt=t2-t1)を求め、この求めた温度差Δtに所定値αを加算した値(Δtth=Δt+α)として定める。なお、出荷前調整時の温度差Δtからではなく、一定値として異常判定用の閾値Δtthを定めるようにしてもよい。
〔実施の形態2〕
 実施の形態1では、制御用温度センサ9によって測定されるセンサケース内温度t1とヒータ監視用温度センサ10によって測定されるヒータ温度t2との温度差Δtを異常判定用の閾値Δtthと比較するものとした。
 しかし、実際には、ヒータ監視用温度センサ10によって測定されるヒータ温度t2は周囲温度などによって変わる。このため、実施の形態1では、周囲温度などの変化による温度差Δtの増大を異常の兆候が現れたと誤判定してしまう虞がある。
 そこで、実施の形態2では、図4に示すように、恒温槽200内の温度(恒温槽内温度)t3を隔膜真空計100が置かれている周囲の温度として測定する温度センサ(恒温槽温度センサ(第3の温度センサ))18を設け、また温度差算出部14と異常判定部15との間に温度差補正部19を設け、温度差補正部19において、恒温槽温度センサ18によって測定される恒温槽内温度t3に基づいて、温度差算出部14によって求められた温度差Δtを補正するようにする。
 図5に、恒温槽内温度t3の変化によるセンサケース内温度t1およびヒータ温度t2の変化を示す。この図からも分かるように、センサケース内温度t1は一定であるのに対し、恒温槽内温度t3が上昇するとヒータ温度t2が低下し、恒温槽内温度t3が下降するとヒータ温度t2が上昇する(図6参照)。このようなことから、恒温槽内温度t3が下降すると、センサケース内温度t1とヒータ温度t2との温度差Δtが増大することが分かる。
 この実施の形態2において、温度差補正部19は、恒温槽内温度t3が上昇した場合、この恒温槽内温度t3の上昇量に応じて温度差Δtが大きくなるように温度差Δtを補正し、恒温槽内温度t3が下降した場合、この恒温槽内温度t3の下降量に応じて温度差Δtが小さくなるように温度差Δtを補正する。例えば、温度差補正部19は、恒温槽内温度t3の上昇量に応じて大きくなりかつ恒温槽内温度t3の下降量に応じて小さくなる変数を温度差Δtに加算するようにしてもよい。すなわち、恒温槽内温度t3の変化によって温度差Δtが変化しないように、温度差算出部14からの温度差Δtを補正する。
 異常判定部15は、この温度差補正部19によって補正された温度差Δt’を入力とし、この温度差Δt’に基づいてヒータ5の異常の有無を判定する。より詳しくは、異常判定部15は、補正された温度差Δt’が異常判定用閾値記憶部16に記憶されている異常判定用の閾値Δtthを超えた場合に、ヒータ5に異常の兆候が現れた判定する。
 これにより、異常判定部15において、隔膜真空計100が置かれている周囲の温度の変化による温度差Δtの増大を異常の兆候が現れたと誤判定してしまう虞がなくなる。
〔実施の形態3〕
 実施の形態3では、図7に示すように、回路基板17の周辺の温度(回路温度)t4を隔膜真空計100が置かれている周囲の温度として測定する温度センサ(回路温度センサ(第3の温度センサ))20を設け、また温度差算出部14と異常判定部15との間に温度差補正部19を設け、温度差補正部19において、回路温度センサ20によって測定される回路温度t4に基づいて、温度差算出部14によって求められた温度差Δtを補正するようにする。
 図8に、恒温槽内温度t3の変化によるセンサケース内温度t1、ヒータ温度t2および回路温度t4の変化を示す。この図からも分かるように、恒温槽内温度t3が上昇すると回路温度t4も上昇し、恒温槽内温度t3が下降すると回路温度t4も下降する(図9参照)。また、センサケース内温度t1は一定であるのに対し、回路温度t4が上昇するとヒータ温度t2が低下し、回路温度t4が下降するとヒータ温度t2が上昇する(図10参照)。このようなことから、回路温度t4が下降すると、センサケース内温度t1とヒータ温度t2との温度差Δtが増大することが分かる。
 この実施の形態3において、温度差補正部19は、回路温度t4が上昇した場合、この回路温度t4の上昇量に応じて温度差Δtが大きくなるように温度差Δtを補正し、回路温度t4が下降した場合、この回路温度t4の下降量に応じて温度差Δtが小さくなるように温度差Δtを補正する。例えば、温度差補正部19は、回路温度t4の上昇量に応じて大きくなりかつ回路温度t4の下降量に応じて小さくなる変数を温度差Δtに加算するようにしてもよい。すなわち、回路温度t4の変化によって温度差Δtが変化しないように、温度差算出部14からの温度差Δtを補正する。
 異常判定部15は、この温度差補正部19によって補正された温度差Δt’を入力とし、この温度差Δt’に基づいてヒータ5の異常の有無を判定する。より詳しくは、異常判定部15は、補正された温度差Δt’が異常判定用閾値記憶部16に記憶されている異常判定用の閾値Δtthを超えた場合に、ヒータ5に異常の兆候が現れた判定する。
 これにより、異常判定部15において、隔膜真空計100が置かれている周囲の温度の変化による温度差Δtの増大を異常の兆候が現れたと誤判定してしまう虞がなくなる。
 なお、上述した実施の形態では、異常判定部15でのヒータ5の異常の有無として、ヒータ5に異常の兆候が現れたか否かを判定するようにしたが、異常判定用閾値記憶部16に記憶させる異常判定用のΔtthをさらに大きくし、ヒータ5に交換を要する異常(寿命)が生じたか否かを判定するようにしてもよい。また、ヒータ5に異常の兆候が現れたか否かの判定と、ヒータ5に交換を要する異常(寿命)が生じたか否かの判定とを組み合わせるようにしてもよい。
 また、上述した実施の形態では、温度差Δtを補正する際のパラメータとして、恒温槽内温度t3を使用したり、回路温度t4を使用したりしたが、他のパラメータを使用するようにしてもよい。例えば、ヒータ温度t2は配管温度によっても変わるので、圧力導入管3の周辺の温度を測定し、この測定した圧力導入管3の周辺の温度をパラメータとして、温度差Δtを補正するようにしてもよい。
〔実施の形態の拡張〕
 本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
 1…センサチップ、1a1…ダイアフラム、1d…固定電極、1e…可動電極、2…ハウジング、3…圧力導入管、4…センサケース、5…ヒータ、9…制御用温度センサ、10…ヒータ監視用温度センサ、11…圧力値出力部、12…ヒータ制御部、13…ヒータ監視部、14…温度差算出部、15…異常判定部、16…異常判定用閾値記憶部、17…回路基板、18…恒温槽温度センサ、19…温度差補正部、20…回路温度センサ、100…隔膜真空計、101…本体部、102…回路部、200…恒温槽。

Claims (7)

  1.  被測定媒体の圧力を受けて撓むダイアフラムと、前記ダイアフラムの変位を静電容量の変化に変換するように構成された電極とを有するセンサチップと、
     前記センサチップを収容したハウジングと、
     前記ハウジングに接続され前記ダイアフラムに前記被測定媒体の圧力を導く圧力導入管と、
     前記ハウジングを覆うセンサケースと、
     前記センサケースの外周面を取り囲むようにして設けられたヒータと、
     前記センサケース内の温度を測定する第1の温度センサと、
     前記ヒータの温度を測定する第2の温度センサと、
     前記第1の温度センサによって測定される前記センサケース内の温度が所定の設定温度となるように前記ヒータへの供給電流を制御するように構成されたヒータ制御部と、
     前記第1の温度センサによって測定される前記センサケース内の温度と前記第2の温度センサによって測定される前記ヒータの温度との温度差を求めるように構成された温度差算出部と、
     前記温度差算出部によって求められた温度差に基づいて前記ヒータの異常の有無を判定するように構成された異常判定部と
     を備えることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
  2.  請求項1に記載された静電容量型圧力センサにおいて、
     前記静電容量型圧力センサの周囲の温度を測定する第3の温度センサと、
     前記第3の温度センサによって測定される周囲の温度に基づいて、前記温度差算出部によって求められた温度差を補正するように構成された温度差補正部とをさらに備え、
     前記異常判定部は、
     前記温度差補正部によって補正された温度差に基づいて前記ヒータの異常の有無を判定するように構成されている
     ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
  3.  請求項2に記載された静電容量型圧力センサにおいて、
     前記第3の温度センサは、
     前記静電容量型圧力センサが置かれている恒温槽内の温度を前記周囲の温度として測定するように構成されている
     ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
  4.  請求項2に記載された静電容量型圧力センサにおいて、
     前記第3の温度センサは、
     前記ヒータ制御部、前記温度差算出部および前記異常判定部が搭載されている回路基板の周辺の温度を前記周囲の温度として測定するように構成されている
     ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
  5.  請求項1~4の何れか1項に記載された静電容量型圧力センサにおいて、
     前記異常判定部は、
     前記ヒータの異常の有無として、前記ヒータに異常の兆候が現れたか否かを判定するように構成されている
     ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
  6.  請求項1~4の何れか1項に記載された静電容量型圧力センサにおいて、
     前記異常判定部は、
     前記ヒータの異常の有無として、前記ヒータに交換を要する異常が生じたか否かを判定するように構成されている
     ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
  7.  請求項1に記載された静電容量型圧力センサにおいて、
     前記異常判定部は、
     前記ヒータの異常と判定したときに、アラームを出力するように構成されている
     ことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
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