JP6130765B2 - 静電容量型圧力センサ - Google Patents

Description

この発明は、被測定流体の圧力を受けて撓むダイアフラム(隔膜)の変化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に関するものである。

従来より、被測定流体の圧力を受けて撓むダイアフラムの変化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は広く知られている。例えば、半導体製造装置などにおける薄膜形成プロセス中の真空状態の圧力を計測するために静電容量型圧力センサが利用されており、この真空状態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。

この隔膜真空計は、被測定流体の導入部を有するハウジングと、このハウジングの導入部を通して導かれてくる被測定流体の圧力を受けて撓むダイアフラムの変化を静電容量の変化として検出するセンサチップと、センサチップを内部に収容したハウジングの本体を覆うセンサケースとを有している。

この隔膜真空計は、基本的に、その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、導入部とダイアフラムとの間に、被測定流体の通過方向にその板面を直交させて、被測定流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バッフルが設けられている。また、ヒータによって加熱することにより、センサケース内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１参照）。なお、特許文献１ではセンサケース内にヒータを設けているが、例えば特許文献２に示されているように、センサケースの外周壁にヒータを巻き付けるように構成することが考えられる。

特開２００７−１５５５００号公報 特開平５−２８１０７３号公報 特開２００２−１１１０１１号公報

しかしながら、例えば、シースタイプのヒータ（シースヒータ）をセンサケースの外周壁にコイル状に巻き付けるように構成した場合、シースヒータ自身が発熱により熱膨張を生じ、シースヒータの接触面積が不十分になる。

シースヒータの接触面積が不十分になると、センサケースへの伝熱量に大きな変化が生じ、センサケース内の温度が汚染物質が析出することのない温度の下限値（下限温度（例えば、３００℃））を下回ってしまい、ダイアフラムに汚染物質が堆積してしまう虞が生じる。なお、シースヒータは、金属パイプの中央にスパイラル発熱体を熱伝導の良い高絶縁粉末で充填した電気ヒータである。

これに対し、ボルト・ナット等の締結部材により、シースヒータに締付力を加えることが考えられるが、締付力が過剰であると、シースヒータの加熱制御時に、シースヒータの温度が過大となった場合（例えば、３５０℃以上となった場合）、シースヒータの熱膨張に伴う変形が締付力で抑えられ、ヒータ自身を傷め、ヒータ寿命を短くしてしまう虞が生じる。

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、ヒータの熱膨張による接触面積の減少を抑えるとともに、ヒータの温度が過大になった場合の熱膨張に伴う変形を吸収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、被測定流体の導入部を有するハウジングと、導入部を通して導かれてくる被測定流体の圧力を受けて撓むダイアフラムの変化を静電容量の変化として検出するセンサチップと、センサチップを内部に収容したハウジングの本体を覆うセンサケースと、センサケースの外周壁に巻き付けられたヒータとを備えた静電容量型圧力センサにおいて、センサケースに固定され、ヒータの外表面の一方側を当該一方側の外表面にその内周面を接触させて覆う第１の金属ブロックと、センサケースを挟んで第１の金属ブロックと対向し、ヒータの外表面の他方側を当該他方側の外表面にその内周面を接触させて覆う第２の金属ブロックと、第１の金属ブロックと第２の金属ブロックとを締結する締結部材とを備え、締結部材は、ボルトとナットと形状記憶合金からなる皿バネ座金との組み合わせあるいは、ボルトとナットとバイメタルからなるワッシャとの組み合わせとされ、ヒータの所定の温度以上の領域での熱膨張に伴う変形に対してのみ可撓性を有することを特徴とする。

本発明において、締結部材は、ヒータの所定の温度以上の領域での熱膨張に伴う変形に対してのみ可撓性を有する。すなわち、本発明において、所定の温度を例えば３５０℃とした場合、締結部材は、３５０℃以上の領域でのヒータの熱膨張に伴う変形に対してのみ可撓性を有し、３５０℃未満の領域でのヒータの熱膨張に伴う変形に対しては可撓性を有さない。これにより、３５０℃未満の領域では、締結部材の締付力によってヒータの熱膨張による接触面積の減少が抑えられる一方、３５０℃以上の領域では、締結部材の可撓性によってヒータの熱膨張に伴う変形が吸収される。

本発明によれば、ヒータの外表面の一方側を当該一方側の外表面にその内周面を接触させて第１の金属ブロックで覆い、ヒータの外表面の他方側を当該他方側の外表面にその内周面を接触させて第２の金属ブロックで覆い、第１の金属ブロックと第２の金属ブロックとを所定の温度以上の領域でのヒータの熱膨張に伴う変形に対してのみ可撓性を有する締結部材で締結するようにしたので、所定の温度未満の領域では、締結部材の締結力によってヒータの熱膨張による接触面積の減少が抑えられ、所定の温度以上の領域では、締結部材の可撓性によってヒータの熱膨張に伴う変形が吸収されるようになり、ヒータの加熱制御時に、ヒータの温度が過大になった場合、ヒータ自身を傷めないようにして、ヒータ寿命が短くなる虞をなくすことが可能になる。

本発明に係る静電容量型圧力センサの一実施の形態（隔膜真空計）の要部を示す縦断面図である。 この隔膜真空計に用いるバッフルの平面図である。 この隔膜真空計の側面図である。 この隔膜真空計の第２の金属ブロックを取り付ける前の正面図である。 この隔膜真空計の第２の金属ブロックを取り付けた後の正面図である。 この隔膜真空計に用いる形状記憶合金製の皿バネ座金の可撓性を有さない状態および可撓性を有する状態を示す側面図および断面図である。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る静電容量型圧力センサの一実施の形態の要部を示す縦断面図である。

この静電容量型圧力センサ（隔膜真空計）１は、ハウジング１０と、ハウジング１０内に収容された台座プレート２０と、同じくハウジング１０内に収容され台座プレート２０に接合されたセンサチップ３０と、ハウジング１０に直接取付けられハウジング１０内外を導通接続する電極リード部４０とを備えている。

また、台座プレート２０は、第１の台座プレート２１と第２の台座プレート２２とから構成され、ハウジング１０に対して隔間しており、支持ダイアフラム５０のみを介してハウジング１０に支持されている。

ハウジング１０は、ロアハウジング１１、アッパハウジング１２、及びカバー１３から構成されている。なお、ロアハウジング１１、アッパハウジング１２、及びカバー１３は、耐食性の金属であるインコネルからなり、それぞれ溶接により接合されている。

ロアウジング１１は、径の異なる円筒体を連結した形状を備え、その大径部１１ａは支持ダイアフラム５０との接合部を有し、その小径部１１ｂは被測定流体が流入する導入部１０Ａをなしている。

アッパハウジング１２は略円筒体形状を有し、カバー１３、支持ダイアフラム５０、台座プレート２０、及びセンサチップ３０を介してハウジング１０内に独立した真空の基準真空室１０Ｂを形成している。なお、基準真空室１０Ｂにはいわゆるゲッター（図示せず）と呼ばれる気体吸着物質が備わり、真空度を維持している。

また、カバー１３は円形のプレートからなり、カバー１３の所定位置には電極リード挿通孔１３ａが形成されており、ハーメチックシール６０を介して電極リード部４０が埋め込まれ、この部分のシール性が確保されている。

一方、支持ダイアフラム５０はハウジング１０の形状に合わせた外形形状を有するインコネルの薄板からなり、第１の台座プレート２１と第２の台座プレート２２との間に挟まれた状態で、その外周部（周囲縁部）が上述したロアハウジング１１とアッパハウジング１２の縁部に挟まれて溶接等により接合されている。

なお、支持ダイアフラム５０の厚さは、例えば本実施形態の場合数十ミクロンであって、各台座プレート２１，２２より充分薄い厚さとなっている。また、支持ダイアフラム５０の中央部には、第１の台座プレート２１と第２の台座プレート２２との間にスリット状の空間（キャビティ）２０Ａを作る大径の孔５０ａが形成されている。

第１の台座プレート２１および第２の台座プレート２２は、酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアからなり、第１の台座プレート２１はハウジング１０の内面から離間させた状態で支持ダイアフラム５０の上面に接合され、第２の台座プレート２２はハウジング１０の内面から離間させた状態で支持ダイアフラム５０の下面に接合されている。

また、第１の台座プレート２１には、スリット状の空間（キャビティ）２０Ａに連通する被測定流体の導入孔２１ａがその中央部に形成されており、第２の台座プレート２２には、スリット状の空間（キャビティ）２０Ａに連通するとともにセンサチップ３０のセンサダイアフラム３２への導出孔２２ａが複数（この例では、４つ）形成されている。

なお、各台座プレート２１，２２は、支持ダイアフラム５０の厚さに対して上述の通り十分に厚くなっており、かつ支持ダイアフラム５０を両台座プレート２１，２２でいわゆるサンドイッチ状に挟み込む構造を有している。これによって、支持ダイアフラム５０と台座プレート２０の熱膨張率の違いによって発生する熱応力でこの部分が反るのを防止している。

また、第２の台座プレート２２には酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアでできた上面視矩形状のセンサチップ３０が酸化アルミニウムベースの接合材を介して接合されている。なお、このセンサチップ３０の接合方法については、特許文献３に詳しく記載されているのでここでの説明は省略する。

センサチップ３０は上面視で１ｃｍ角以下の大きさを有し、四角角型の薄板からなるスペーサ３１と、スペーサ３１に接合されかつ圧力の印加に応じてひずみが生じるセンサダイアフラム３２と、センサダイアフラム３２に接合して真空の容量室（リファレンス室）３０Ａを形成するセンサ台座３３を有している。また、真空の容量室３０Ａと基準真空室１０Ｂとはセンサ台座３２の適所に穿設された図示しない連通孔を介して共に同一の真空度を保っている。

なお、スペーサ３１、センサダイアフラム３２、及びセンサ台座３３はいわゆる直接接合によって互いに接合され、一体化したセンサチップ３０を構成している。このセンサチップ３０の構成要素とされるセンサダイアフラム３２が本発明でいうダイアフラムに相当する。

また、センサチップ３０の容量室３０Ａには、センサ台座３３の内面に金又は白金等の導体でできた固定電極（図示せず）が形成されているとともに、これと対向するセンサダイアフラム３２の内面（裏面）上に金又は白金等の導体でできた可動電極（図示せず）が形成されている。また、センサチップ３０の上面には金又は白金からなるコンタクトパッド３５，３６が形成され、容量室３０Ａ内の固定電極や可動電極はコンタクトパッド３５，３６と図示しない配線によって接続されている。

一方、電極リード部４０は電極リードピン４１と金属製のシールド４２とを備え、電極リードピン４１は金属製のシールド４２にガラスなどの絶縁性材料からなるハーメチックシール４３によってその中央部分が埋設され、電極リードピン４１の両端部間で気密状態を保っている。そして、電極リードピン４１の一端はハウジング１０の外部に露出して図示しない配線によって隔膜真空計１の出力を外部の信号処理部に伝達するようになっている。なお、シールド４２とカバー１３との間にも上述の通りハーメチックシール６０が介在している。また、電極リードピン４１の他方の端部には導電性を有するコンタクトバネ４５，４６が接続されている。

コンタクトバネ４５，４６は、導入部１０Ａから被測定流体が急に流れ込むことで発生する急激な圧力上昇により支持ダイアフラム５０が若干変移しても、コンタクトバネ４５，４６の付勢力がセンサチップ３０の測定精度に影響を与えない程度の十分な柔らかさを有している。

この隔膜真空計１において、センサチップ３０のセンサダイアフラム３２と導入部１０Ａとの間には、導入部１０Ａからの被測定流体の出口に、被測定流体の通過方向Ｆにその板面を直交させて、インコネルからなるバッフル７０が配置されている。図２にバッフル７０の平面図を示す。バッフル７０には、その外周部に所定の角度間隔でタブ７０ａが形成されており、このタブ７０ａ間の隙間７０ｂを被測定流体が通過して、センサダイアフラム３２へと送られる。

また、この隔膜真空計１において、ハウジング１０は、その被測定流体の導入部（導圧管）１０Ａを外部（下方）に引き出すようにして、円筒状のセンサケース８０の内部に設けられている。センサケース８０の上部は、このセンサケース８０の一部をなす蓋８０ａで塞がれており、すなわちセンサチップ３０を内部に収容したハウジング１０の本体がセンサケース８０によって覆われており、このセンサケース８０の蓋８０ａに設けられた導出孔（図示せず）を通して、電極リードピン４１に接続された配線が外部の信号処理部に導かれている。

また、この隔膜真空計１において、センサケース８０の外周壁には、シースヒータ９０がコイル状に巻き付けられている。また、シースヒータ９０に対しては、このシースヒータ９０の外表面の一方側（図１において背面側）を覆うように、このシースヒータ９０の一方側の外表面にその内周面を接触させて、半円筒状の第１の金属ブロック１００が設けられている。この第１の金属ブロック１００は、その両側に鍔部１００ａ，１００ａを有し、その下端面がボルト２０１，２０１によってセンサケース８０の底面に固定されている。鍔部１００ａ，１００ａには貫通孔１００ｂが各３箇所設けられている。

図３にこの隔膜真空計１の側面図を示す。シースヒータ９０に対しては、このシースヒータ９０の外表面の他方側（図１において前面側）を覆うように、このシースヒータ９０の他方側の外表面にその内周面を接触させて、半円筒状の第２の金属ブロック１０１が設けられている。すなわち、センサケース８０を挟んで第１の金属ブロック１００と対向させて、半円筒状の第２の金属ブロック１０１を設けている。第２の金属ブロック１０１も第１の金属ブロック１００と同様に、その両側に鍔部１０１ａ，１０１ａを有している。鍔部１０１ａ，１０１ａにも貫通孔１０１ｂが各３箇所設けられている。

図４に第２の金属ブロック１０１を取り付ける前の隔膜真空計１の正面図を示す。第２の金属ブロック１０１を取り付ける前の状態では、図４に示されるように、シースヒータ９０の外表面の他方側（前面側）は露出している。この状態から、第１の金属ブロック１００の鍔部１００ａ，１００ａと第２の金属ブロック１０１の鍔部１０１ａ，１０１ａとを合わせるようにして、シースヒータ９０の外表面の他方側（前面側）に第２の金属ブロック１０１を被せるようにして配置する。

そして、第１の金属ブロック１００の鍔部１００ａ，１００ａと第２の金属ブロック１０１の鍔部１０１ａ，１０１ａとを合わせた状態で、ボルト３０１とナット３０２と皿バネ座金３０３とを締結部材として、第１の金属ブロック１００と第２の金属ブロック１０１とを締結する。

すなわち、第１の金属ブロック１００の鍔部１００ａ，１００ａの各３箇所の貫通孔１００ｂと第２の金属ブロック１０１の鍔部１０１ａ，１０１ａの各３箇所の貫通孔１０１ｂとを合わせ、この合わせた合計６箇所の貫通孔１００ｂと１０１ｂに、皿バネ座金３０３を通したボルト３０１を挿入し、このボルト３０１の先端にナット３０２を締め付けることによって、第１の金属ブロック１００と第２の金属ブロック１０１とを締結する。図５に第２の金属ブロック１０１を取り付けた後の隔膜真空計１の正面図を示す。

この第１の金属ブロック１００と第２の金属ブロック１０１とを締結する締結部材において、すなわちボルト３０１とナット３０２と皿バネ座金３０３との組み合わせにおいて、皿バネ座金３０３は、シースヒータ９０の所定の温度以上の領域での熱膨張に伴う変形に対してのみ可撓性を有する。

本実施の形態では、皿バネ座金３０３を形状記憶合金製の皿バネ座金とし、３５０℃以上の領域でのシースヒータ９０の熱膨張に伴う変形に対してのみ可撓性を有し、３５０℃未満の領域でのシースヒータ９０の熱膨張に伴う変形に対しては可撓性を有さないものとしている。

なお、第１の金属ブロック１００をセンサケース８０に固定しているボルト２０１の間にも、皿バネ座金３０３と同様の形状記憶合金製の皿バネ座金２０２を設けている。

一方、この隔膜真空計１には、汚染物質が析出することのない温度の下限値（下限温度）を３００℃と想定し、センサケース８０内の温度が３００℃を下回らないように、シースヒータ９０を加熱制御する加熱制御回路４００が設けられている。加熱制御回路４００は、センサケース８０内の温度の計測値（計測温度）Ｔｐｖと、予め定められた下限温度Ｔｓｐ（Ｔｓｐ＝３００℃）とを入力とし、計測温度Ｔｐｖが下限温度Ｔｓｐを下回らないように、シースヒータ９０への電流を制御する。

なお、この例では、センサチップ３０に温度センサ（図示せず）が設けられており、この温度センサが検出するセンサ部の温度がセンサケース８０内の計測温度Ｔｐｖとして、電極リード部４０を通して加熱制御回路４００に送られてくるものとされている。

この隔膜真空計１では、加熱制御回路４００によって、センサケース８０内の温度が３００℃を下回らないように制御される。この制御に際して、センサケース８０内の温度は、３００℃以上の領域で上下動する。センサケース８０内の温度とシースヒータ９０の温度がほゞ同じであるものとすれば、シースヒータ９０の温度も３００℃以上の領域で上下動する。

この場合、第１の金属ブロック１００と第２の金属ブロック１０１とを締結する締結部材において、すなわちボルト３０１とナット３０２と皿バネ座金３０３との組み合わせにおいて、皿バネ座金３０３は、３５０℃未満の領域でのシースヒータ９０の熱膨張に伴う変形に対しては可撓性を有さない。

これにより、３５０℃未満の領域では、締結部材の締付力によって、シースヒータ９０がセンサケース８０に押し付けられ、シースヒータ９０の熱膨張による接触面積の減少が抑えられる、このため、センサケース８０への伝熱量に大きな変化が生じず、センサケース８０内の温度の低下による汚染物質の析出の虞がなくなる。

一方、皿バネ座金３０３は、３５０℃以上の領域でのシースヒータ９０の熱膨張に伴う変形に対しては可撓性を有する。すなわち、皿バネ座金３０３は、その形状記憶効果により、図６（ａ）の側面図に示すような可撓性を有さない（厚みが維持された）状態から、図６（ｂ）の断面図および矢印で示すような可撓性を有する（厚みが減少し得る）状態に変化する。

これにより、シースヒータ９０の加熱制御時に、シースヒータ９０の温度が３５０℃以上となった場合には、締結部材の可撓性によって、シースヒータ９０の熱膨張に伴う変形が吸収されるようになる。このため、ヒータ自身を傷めることがなく、ヒータ寿命が短くなることが避けられる。

なお、本実施の形態では、汚染物質が析出することのない温度の下限値（下限温度）を３００℃と想定したが、この下限温度は汚染物質によって異なるものであり、汚染物質によっては低くなることもあるし、逆に高くなることもある。下限温度が多少異なっていても、１種類の皿バネ座金３０３の形状記憶効果で対応することが可能であるが、汚染物質に合わせて皿バネ座金３０３の可撓性を有するようになる温度を変えるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、締結部材をボルト３０１とナット３０２と皿バネ座金３０３との組み合わせとしたが、締結部材はボルト３０１とナット３０２と皿バネ座金３０３との組み合わせに限られるものではない。例えば、形状記憶合金製の皿バネ座金３０３の代わりに、バイメタル式のワッシャなどを用いるようにしてもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、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…隔膜真空計（静電容量型圧力センサ）、１０…ハウジング、１０Ａ…導入部、１１…ロアハウジング、１２…アッパハウジング、１３…カバー、２０…台座プレート、２１…第１の台座プレート、２２…第２の台座プレート、３０…センサチップ、３１…センサプレート、３２…センサダイアフラム、３３…センサ台座、５０…支持ダイアフラム、７０…バッフル、８０…センサケース、９０…シースヒータ、１００…第１の金属ブロック、１０１…第２の金属ブロック、１００ａ，１０１ａ…鍔部、１００ｂ，１０１ｂ…貫通孔、２０１…ボルト、２０２…皿バネ座金、３０１…ボルト、３０２…ナット、３０２…皿バネ座金。

Claims (2)

1. 被測定流体の導入部を有するハウジングと、
   前記導入部を通して導かれてくる被測定流体の圧力を受けて撓むダイアフラムの変化を静電容量の変化として検出するセンサチップと、
   前記センサチップを内部に収容した前記ハウジングの本体を覆うセンサケースと、
   前記センサケースの外周壁に巻き付けられたヒータとを備えた静電容量型圧力センサにおいて、
   前記センサケースに固定され、前記ヒータの外表面の一方側を当該一方側の外表面にその内周面を接触させて覆う第１の金属ブロックと、
   前記センサケースを挟んで前記第１の金属ブロックと対向し、前記ヒータの外表面の他方側を当該他方側の外表面にその内周面を接触させて覆う第２の金属ブロックと、
   前記第１の金属ブロックと前記第２の金属ブロックとを締結する締結部材とを備え、
   前記締結部材は、
   ボルトとナットと形状記憶合金からなる皿バネ座金との組み合わせあるいは、ボルトとナットとバイメタルからなるワッシャとの組み合わせとされ、
   前記ヒータの所定の温度以上の領域での熱膨張に伴う変形に対してのみ可撓性を有する
   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、
   前記センサケース内の温度が予め定められた下限温度を下回らないように前記ヒータを加熱制御する加熱制御手段
   を備えることを特徴とする静電容量型圧力センサ。

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