JP2006071501A - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、より高精度の温度補償が可能で、取り付け後の較正が容易な静電型圧力センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 所定圧力に設定された圧力基準室と圧力測定室とを隔てる第１のダイヤフラムに対向して測定電極が設けられ、第１のダイヤフラム及び測定電極間の第１の静電容量から圧力測定室の圧力を求める静電容量型圧力センサにおいて、環境温度変化に対する温度補償を行うための参照電極及びこれに対向する第２のダイヤフラムを設け、該第２のダイヤフラムを挟む参照電極側の第１の空間及び反対側の第２の空間の圧力を実質的に同一とし、前記第１の静電容量を前記参照電極と前記第２のダイヤフラム間の第２の静電容量により補正して前記圧力測定室の圧力を求める構成としたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電容量型圧力センサにかかり、特に、より高精度の温度補償が可能で、取り付け後の較正が容易な静電容量型圧力センサに関する。

静電容量型の圧力センサは、例えば、図８に示すように、測定電極１１を備えた第１ガラス基板１０、ダイヤフラム２１を備えたシリコン基板２０、及び通気口３１を備えた第２ガラス基板３０からなる三層構造を有し、シリコン基板２０には凹部が形成され、第１ガラス基板１０と接合されて圧力基準室１が形成される。この圧力基準室１内には、例えば、ガスを吸着除去する非蒸発型ゲッタ５が配置され、内部は高真空に維持されている。圧力測定室２と圧力基準室１間に圧力差が生じると、圧力差に応じてダイヤフラムは撓んで測定電極とダイヤフラム間の静電容量が変化する。従って、この圧力センサを例えば真空チャンバに取り付ければ、この静電容量の変動量から真空チャンバ内の圧力を求めることができる。

ここで、圧力センサを構成するシリコン基板とガラス基板は熱膨張係数に違いがあるため、温度変化よってダイヤフラムに歪みが生じ、静電容量その結果として圧力の測定値に誤差を生じることになる。即ち、静電容量は、圧力のみならず環境温度によっても変化する。そこで、圧力測定用の測定電極１１の他に、温度補償用の参照電極１２を測定電極の周りに設け、測定電極１１とダイヤフラム２１間の静電容量から参照電極１２とシリコン基板間の静電容量又はこれに比例する値を差し引き、その結果に基づいて圧力を求める構成としている。即ち、温度変動に伴う静電容量の変動値を参照電極側から求め、これを差し引いて圧力のみによる静電容量の変動値を求める構成としたものである。

温度補償用の参照電極を設けた静電型圧力センサの他の構成例を図９に示す。
図９は、温度変動に伴う静電容量変化を参照電極１２側と測定電極１１側とで略同一とすべく、参照電極の大きさを測定電極と同一として配置した圧力センサである。
特開２００１−２５５２２５ 特開平６−６６６５８

図８及び図９の静電容量型圧力センサは、参照電極を設けて温度変動に伴う静電容量変化を相殺し、これにより測定精度の向上を図ったものである。しかし、測定電極側と参照電極側では、温度変化に伴う静電容量の変動量は十分な比例関係にあるとは言えず、高度の温度補償が実際上困難であり、測定精度も低下せざるを得なかった。

さらに、これらの圧力センサには、特に取り付け後の較正が容易でないという問題があった。圧力センサは真空チャンバ等に取り付けた後、例えば次にようにして較正を行う。まず、ゼロ点補正として、真空チャンバを高真空まで排気して、そのときのセンサの出力電圧を０Ｖに調整する。続いて、センサのフルスケールにあわせて最大測定圧力のガスを導入して、スパン（フルスケール）の調整を行う。しかしながら、ゼロ点もスパン（フルスケール）も環境温度によって変動し、さらに、スパン調整とゼロ点調整は互いに干渉することから、これらの調整は複雑で熟練を要し、また非常に手間のかかるという問題があった。

そこで、本発明者は、より一層高精度の温度補償を可能とすべく、参照電極と測定電極とで温度変動に対する静電容量の変動比を同一にするためのセンサ構造の検討を行った。この中で、参照電極側にも測定電極側と同様にダイヤフラムを設けた構成とし、このダイヤフラムを挟む両空間をともに真空とすることにより、温度変動に伴う静電容量の変動量が参照電極側と測定電極側でほぼ同じになることを見出した。その結果、特に、ゼロ点調整はほとんど不要となり、較正作業が極めて容易になることが分かった。

本発明は、かかる知見を基にさらに検討を加えて完成に至ったものであり、より高精度の温度補償が可能で、取り付け後の較正が容易な静電型圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の静電容量型圧力センサは、所定圧力に設定された圧力基準室と圧力測定室とを隔てる第１のダイヤフラムに対向して測定電極が設けられ、第１のダイヤフラム及び測定電極間の第１の静電容量から圧力測定室の圧力を求める静電容量型圧力センサにおいて、環境温度変化に対する温度補償を行うための参照電極及びこれに対向する第２のダイヤフラムを設け、該第２のダイヤフラムを挟む参照電極側の第１の空間及び反対側の第２の空間の圧力を実質的に同一とし、前記第１の静電容量を前記参照電極と前記第２のダイヤフラム間の第２の静電容量により補正して前記圧力測定室の圧力を求める構成としたことを特徴とする。

また、前記測定電極が形成された絶縁性の第１の基板、前記第１のダイヤフラムが形成された第２の基板、及び通気口が形成された絶縁性の第３の基板からなり、前記測定電極及び前記第１のダイヤフラムが対向し、かつ前記圧力測定室と前記通気口が連通するように接合された静電容量型圧力センサであって、前記第１の基板及び前記第２の基板に、前記参照電極及び前記第２のダイヤフラムを設けて、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通させたことを特徴とする。
なお、前記圧力基準室と前記第１の空間、又は前記圧力測定室と前記第２の空間が連通する構成としても良い。

測定電極に対向する第１のダイヤフラムとは独立して、第２のダイヤフラムを参照電極に対向して配置し、さらに第２のダイヤフラムを挟む２つの空間の圧力を実質的に同一にする構成としたことから、第２の静電容量を測定することにより温度変動にのみ起因する静電容量の変動分を求めることが可能となり、第１の静電容量から温度変動の寄与分を容易に取り除くことが可能となる。その結果、圧力のみに相当する第１の静電容量が求められ、より高精度の圧力測定が可能となる。

さらに、センサ取り付け後の較正において、測定室圧力を圧力基準室の圧力まで排気してゼロ点調整を行う際、温度変動に伴う静電容量を容易に相殺できるため、繰り返しゼロ点調整を行う工程がほぼ不要となり、またたスパン調整も容易になることから、較正作業を容易に行うことができる。なお、このゼロ点は、温度によっても変動しないため、特に低圧力領域における微小容量を精度良く検出し、圧力を精度良く高感度で測定することができる。

また、前記第１及び第２のダイヤフラムは、同一の形状とするのが好ましく、温度変動に伴うダイヤフラム撓み量が、両方のダイヤフラムで同一となることから、計測回路をより簡略化することができる。

以下に実施例を挙げて本発明をより詳細に説明する。

本発明の第１の実施例を図１に示す。図１は、本発明の静電容量型圧力センサの一構成例を示す模式的断面図である。
図に示したように、圧力センサは、測定電極１１及び温度補償用の参照電極１２が形成された第１のガラス基板（例えばパイレックス（登録商標）ガラス）１０と、厚さ数μｍ〜数十μｍの第１及び第２のダイヤフラム（電極）２１，２２が形成されたシリコン基板２０と、通気孔３１が形成された第２のガラス基板３０と、が接合された構造をなしている。ここで、測定電極１１と参照電極１２、及び第１と第２のダイヤフラム２１，２２の大きさや厚さ等、形状は同一とし、それぞれ対称の位置に配置されている。
また、第２のガラス基板３０は、第１のガラス基板１０やシリコン基板２０よりも大きく、その周縁部が他の基板よりはみ出た構造になっている。

図１に示すように、第１のガラス基板１０と第１のダイヤフラム２１間には圧力基準室（真空室）１が形成され、内部は、残留ガスを吸着する非蒸発型ゲッタ５等により常に高真空に保たれている。圧力測定室２と圧力基準室１に圧力差があると、第１のダイヤフラム２１はその圧力差に応じて変形し、その結果、測定電極と第１のダイヤフラム電極２１との間の静電容量（第１の静電容量）が変化する。従って、この第１の静電容量を求めることにより、圧力と静電容量との関係から、圧力測定室２の圧力を求めることができる。一方、参照電極１２と第２のダイヤフラム２２間の第１の空間３及び第２のダイヤフラム２２と第２のガラス基板問の第２の空間４は、貫通口２３、ゲッタ載置空間６及び貫通路２４を介して連通している。また、本実施例では、圧力基準室１と第１の空間３とは分割されておらず、内部が１つの非蒸発型グッタ５により高真空に保たれている。

測定電極１１、参照電極１２及びダイヤフラム２１，２２は、第１のガラス基板１０を貫通してそれぞれの端子１３，１４，１５に取り出され、例えば、図２に示すダイオードブリッジ回路を含む電気回路に接続される。この電気回路によって、端子１３，１５間の静電容量と端子１４，１５間の静電容量の差分をとって、これを電圧に変換し、これをさらに外部より電圧を差し引きすることによりゼロ点調整を実施し、最後にこれを増幅して出力する。

この圧力センサは、図に示すように、センサ押さえ板４１によりアダプタ４０に押しつけられ、ねじ等の固定部材４３により固定され、これら全体が真空チャンバのゲージポート等に取り付けられる。アダプタ４０には、例えばＯ−リング装着用の溝４２が形成されており、この溝の大きさは、装填されるＯ−リング４４が第２のガラス基板３０の周辺部、即ち、第１のガラス基板１０やシリコン基板２０からはみ出た部分に接する大きさとされる。また、センサ押さえ板４１はその中心部に窓が形成され、センサを上から押さえたときにガラス基板１０とシリコン基板２０がその窓内に収まるようにする。

圧力センサは真空チャンバに取り付けた後、較正を行う。まず、真空チャンバ内を高真空に排気してゼロ点調整を行う。即ち、高真空時に電気回路より出力される電圧が０Ｖでない場合、これをゼロ点とするために外部から電圧を差し引きすることによって、最終的な出力が０Ｖとなるように外部電圧を調整する。続いて、真空チャンバ内にガスを導入してセンサのフルスケールにあわせて最大測定圧力に設定して、スパン（フルスケール）の調整を行う。この調整後に、圧力の測定が可能となる。

本実施例の圧力センサは、以上述べてきたように、圧力測定用の第１のダイヤフラム２１とは別に、温度補償用の第２のダイヤフラム２２を配置し、圧力基準室１、第２のダイヤフラムを挟む第１の空間３及び第２の空間４を高真空としたことから、任意の環境温度でのダイヤフラムの歪及び静電容量の変動量をより正確に求めることが可能となる。即ち、より高精度の温度補償が可能となって、圧力を精度良く高感度で測定することができる。また、一度校正してしまえばセンサの較正、特にゼロ点調整は、温度が変化しても第１及び第２のダイヤフラムとも同じ撓み量となるため、再度の校正はほとんど不要となり、さらにはスパン調整もやり易くなる。

次に、図１に示した圧力センサの製造方法を図３及び図４に基づいて説明する。まず、シリコン基板２０’を用意してその表面に熱酸化膜２５を形成した後、所定のパターニングを行う（図３Ａ）。次に、ボロンの熱拡散を行い、シリコンが露出した領域に、測定電極及び参照電極となるｐ^＋ボロン拡散層２６を形成する（図３Ｂ）。酸化膜を全て除去した後（図３Ｃ）、ＥＰＷ（エチレンジアミンピロカテコール水溶液）を用いて選択的エッチングを行い、ｐ^＋ボロン拡散領域以外の領域を掘り下げる（図３Ｄ）。このシリコン基板と予め電極端子用貫通孔１６を形成した第１のガラス基板１０とを接合し（図３Ｅ）、続いてＥＰＷにより、ｐ^＋ボロン拡散層以外を全て除去して、測定電極１１と参照電極１２を備えた第１のガラス基板１０を完成する（図３Ｆ）。

次に、ダイヤフラムを形成し、センサを完成するまでの手順を説明する。シリコン基板２０を用意してその表面に熱酸化膜２５を形成した後、圧力基準室（及び第１の空間）を形成するためのパターニングを行う（図４Ａ）。ＥＰＷを用いて所定の深さまでシリコン基板のエッチングを行った後、上面の熱酸化膜を全て除去する。続いて、ボロンの熱拡散を行い、ｐ^＋ボロン拡散層２６を形成する（図４Ｂ）。次いで、圧力測定室、第２の空間、ゲッタ載置空間及び貫通路を形成するために、底面側の熱酸化膜２５’をパターニングする（図４Ｃ）。この段階におけるシリコン基板の模式的底面図を図５に示す。なお、図４Ｃは、図５のＡ−Ａ’断面図に相当する。図に示すように、熱酸化膜２５’には、第１のダイヤフラム用の窓５１、第２のダイヤフラム用の窓５２、ゲッタ載置空間用の窓５３，及び貫通路２４用の窓５４が形成されている。

次に、図３Ｆに示した第１のガラス基板と図４Ｃのシリコン基板とを陽極接合法により接合する（図４Ｄ）。ここで、ＥＰＷによりシリコンのエッチングを行うと、ダイヤフラム部及びゲッタ載置空間部ではｐ^＋ボロン拡散層が現れるまでエッチングが進行し、一方、貫通路部ではＳｉ（１１１）面が現れた時点でエッチングが終了し、断面がＶ字形状の溝（２４）が形成される（図４Ｅ）。次に、底面の熱酸化膜２５’を全て除去した後に上面の電極端子用貫通孔１６に金属膜等を形成し、端子１３，１４，１５を形成する（図４Ｆ）。続いて、第１の空間３と第２の空間４とを連通させるために、ゲッタ載置空間６の上部のｐ^＋ボロン拡散層に貫通口２３を形成する。貫通口２３の形成は、例えばＹＡＧレーザーやフェムト秒レーザ等のレーザを用いたり、あるいは微小の針でつつく等機械的操作によって行うことができる。

最後に、ゲッタ載置空間６に非蒸発型ゲッタ５を収納させて、通気口３１を形成した第２のガラス基板３０とシリコン基板２０とを真空中で陽極接合法により接合して、センサを完成する（図４Ｇ）。
なお、各基板の接合方法は、例えば特開２００２−４３５８５号公報に記載された公知の方法を用いることができる。

本実施例では、第１及び第２の絶縁性基板や第２の基板には、ガラス及びシリコンを用いたがこれらに限定するものでなく、例えば第２の基板として、Ｆｅ−Ｎｉ等の金属を用いることができる。しかし、熱膨張係数が近い材料が好ましいことはいうまでもない。
また、第１と第２のダイヤフラムや測定電極と参照電極は、計測回路の簡略化のために、いずれも同じ形状（大きさ、厚さ）としたが、計測回路側で補正する構成とすれば、同じにする必要はない。本実施例では、電気回路として、ダイオードブリッジ回路を用いる構成としたが、２つの静電容量の差分をとる回路であれば、どのような回路構成であってもよい。さらには、アナログ回路に限らずデジタル回路であってもよい。
また、本実施例では圧力基準室にゲッタを配置して高真空とする構成としたが、圧力基準室からゲッタを取り除いて、所定の圧力のガスを封入したり、又は所定の圧力のガス容器に連通させる構成としても良い。

本発明の第２の実施例を図６の模式的断面図に示す。
本実施例の静電容量型圧力センサは、実施例１と同様に、参照電極１２と第２のダイヤフラム２２間の第１の空間３、及び第２のダイヤフラム２２と第２のガラス基板３０間の第２の空間４は、貫通口２３及び貫通路２４を介して連通しており、第２のダイヤフラム２２には圧力が加わらない状態に維持されている。一方、測定電極１１と第１ダイヤフラム２１間の圧力基準室１と、参照電極１２と第２のダイヤフラム問の第１の空間（及び第２の空間）とは分断された構造としたものである。このため、ゲッタ５，５’は第１のダイヤフラム側と第２のダイヤフラム側の両方に配置されている。

なお、ゲッタを取り除いて、圧力基準室や第１の空間（及び第２の空間）には、所定の圧力のガスを封入したり、又は所定の圧力のガス容器に連通させることも可能であり、圧力基準室と第１の空間とで圧力を変えることも可能である。

本発明の第３の実施例を図７の模式的断面図に示す。
本実施例の静電容量型圧力センサにおいても、参照電極と第２のダイヤフラム間の第１の空間３、及び第２のダイヤフラムと第２のガラス基板問の第２の空間４を貫通口２３及び貫通路２４を介して連通させ、第２のダイヤフラムには圧力が加わらない構造としたこと、及び測定電極と第１ダイヤフラム間の圧力基準室１及び参照電極と第２のダイヤフラム間の第１の空間３（及び第２の空間４）を分断する構造としたことは、実施例２と同様であるが、本実施例では、さらに、圧力測定室と第２の空間との間の壁に貫通路２７を設けて、第１及び第２の空間３，４を圧力測定室２に連通させる構成とした点が異なっている。
この場合は、第２のダイヤフラム側は常に測定する圧力に維持されることになる。ここで圧力基準室は、真空としたが、所定の圧力としても良いことは上述したとおりである。

以上は、主にマイクロマシーン技術を用いて作製する静電容量型圧力センサについて述べてきたが、本発明は、マイクロマシーン技術を用いず従来の方法で製造する圧力センサにも適用できるものである。

実施例１の静電容量型圧力センサを示す模式的断面図である。 静電容量型圧力センサの計測回路の一例を示す模式図である。 図１の静電容量型圧力センサの製造方法を示す模式的断面図である。 図１の静電容量型圧力センサの製造方法を示す模式的断面図である。 図４Ｃに対応する模式的底面図である。 実施例２の静電容量型圧力センサを示す模式的断面図である。 実施例３の静電容量型圧力センサを示す模式的断面図である。 従来の静電容量型センサの一例を示す模式的断面図である。 従来の静電容量型センサの他の例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 圧力基準室、
２ 圧力測定室、
３ 第１の空間、
４ 第２の空間、
５ ゲッタ、
６ ゲッタ載置空間、
１０ 第１のガラス基板、
１１ 測定電極、
１２ 参照電極、
１３，１４，１５ 端子、
１６ 電極端子用貫通孔、
２０、２０’ シリコン基板、
２１ 第１のダイヤフラム
２２ 第２のダイヤフラム、
２３ 貫通口、
２４、２７ 貫通路、
２５、２５’ 熱酸化膜、
２６ ｐ^＋ボロン拡散層、
３０ 第２のガラス基板、
３１ 通気孔、
４０ アダプタ、
４１ センサ押さえ板、
４２ Ｏ−リング用溝、
４３ 固定部材、
４４ Ｏ−リング、
５１ 第１のダイヤフラム用の窓、
５２ 第２のダイヤフラム用の窓
５３ ゲッタ載置用空間用の窓、
５４ 貫通路用の窓。

Claims (7)

1. 所定圧力に設定された圧力基準室と圧力測定室とを隔てる第１のダイヤフラムに対向して測定電極が設けられ、第１のダイヤフラムと測定電極間の第１の静電容量から圧力測定室の圧力を求める静電容量型圧力センサにおいて、環境温度変化に対する温度補償を行うための参照電極及びこれに対向する第２のダイヤフラムを設け、該第２のダイヤフラムを挟む参照電極側の第１の空間及び反対側の第２の空間の圧力を実質的に同一とし、前記第１の静電容量を前記参照電極と前記第２のダイヤフラム間の第２の静電容量により補正して前記圧力測定室の圧力を求める構成としたことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 前記測定電極が形成された絶縁性の第１の基板、前記第１のダイヤフラムが形成された第２の基板、及び通気口が形成された絶縁性の第３の基板からなり、前記測定電極及び前記第１のダイヤフラムが対向し、かつ前記圧力測定室と前記通気口が連通するように接合された静電容量型圧力センサであって、 前記第１の基板及び前記第２の基板に、それぞれ前記参照電極及び前記第２のダイヤフラムを設け、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通させたことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
3. 前記第１の基板及び第３の基板はガラスであり、前記第２の基板はシリコンであることを特徴とする請求項２に記載の静電容量型圧力センサ。
4. 前記圧力基準室と前記第１の空間とは連通していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電容量型圧力センサ。
5. 前記圧力測定室と前記第２の空間とは連通していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電容量型圧力センサ。
6. 前記第１及び第２のダイヤフラムは、同一の形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電容量型圧力センサ。
7. 前記測定電極と前記第１のダイヤフラム、及び前記参照電極と前記第２のダイヤフラムは、ダイオードブリッジ回路に接続され、該回路は前記第１の静電容量と前記第２の静電容量との差分を取り、これを電圧に変換して出力することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の静電容量型圧力センサ。

Images