JPH11118650A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期間使用しても強酸性流体が保護ダイヤフ
ラムを浸透し難く、測定誤差を小さくできるようにす
る。 【解決手段】 導圧部１には外部へ連通する中空部５を
設ける。強酸性流体圧力の圧力変位に応じた電気信号を
出力する起歪体１３をその中空部５を塞ぐように配置す
る。この起歪体１３の中空部５側には、酸化アルミニウ
ム単結晶からなる保護ダイヤフラム１１を当接させる。
この保護ダイヤフラム１１を介して強酸性流体の圧力を
起歪体１３へ伝達させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧力センサに係り、
例えば強い酸性を有する流体（薬品）の圧力測定に好適
する圧力センサの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】強い酸性の流体を扱う装置として例えば
半導体製造装置がある。この半導体製造装置は、ふっ酸
を含む硝酸を主体としたエッチング液をポンプで循環さ
せて半導体基板をエッチングする、いわゆる湿式エッチ
ング方法を採用したもので、そのエッチング液の流圧を
圧力センサで測定しながら稼働させている。

【０００３】従来、このような半導体製造装置に用いら
れる圧力センサは、耐食性材料からなる円柱状の導圧部
にこれを貫通する中空部を設け、その中空部を塞ぐよう
に静電容量型感圧素子としての起歪体を導圧部に重ね、
この起歪体を導圧部へ押圧するようにして筒型ケース内
に導圧部とともに収納した構成が知られている。

【０００４】しかも、起歪体の受圧（接液）面における
エッチング液による腐食を防止する観点から、耐食性の
良好なふっ素樹脂からなる保護ダイヤフラムを重ね、こ
の保護ダイヤフラムを介してエッチング液に接液させる
二重構造とすることにより、経時的に正確な圧力測定を
確保している。そして、この圧力センサでは、中空部の
一端から流入させたエッチング液を保護ダイヤフラムに
接液させ、エッチング液の圧力に応じて起歪体を変位さ
せることによってその変位に応じた電気信号を出力させ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た圧力センサでは、起歪体の接液面側にふっ素樹脂から
なる保護ダイヤフラムを重ねた二重構造としても、次の
ような解決すべき課題がある。すなわち、ふっ素樹脂は
耐薬品性に優れた材料であるものの、例えばふっ酸や発
煙硝酸等薬液によっては、長期間の使用によって徐々に
薬液が保護ダイヤフラムを浸透して起歪体に到達し、起
歪体と保護ダイヤフラム間に薬液ガスとなって溜まって
その間に微小な圧力が負荷された状態を発生し、起歪体
の零点が変化して測定誤差が生じ易くなる難点がある。

【０００６】そして、この状態が続くと、薬液が起歪体
内部に拡散し、徐々に起歪体の電極や端子、これらに接
続されたケーブル等を腐食させて測定不能状態になる心
配もある。さらに、保護ダイヤフラムはふっ素樹脂を切
削加工して製作するのが一般的であるが、切削加工では
その表面の粗さと平面度の加工精度に限界があり、特に
平面度の凹凸がセンサの測定精度を低下させ易い。

【０００７】これを改善するためには、従来、保護ダイ
ヤフラムの起歪体との当接面にふっ素グリースを塗付し
て起歪体との密着状態を改善する手法も提案されている
が、圧力の伝達ロスやばらつきが生じたり製造コストが
アップする難点がある。さらにまた、ふっ素樹脂製の保
護ダイヤフラムは、繰り返しの負荷によって平面度が微
小に変化し、長期間の使用ではセンサ出力が徐々に変化
して、安定した精度を保持し難い。

【０００８】本発明はこのような従来の欠点を解決する
ためになされたもので、強酸性流体の圧力を長期間測定
しても経時的に正確な測定が可能で耐久性を確保できる
圧力センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明に係る第１の構成は、外部へ連通する中
空部を有する導圧部と、その中空部を塞ぐように固定さ
れ中空部内の流体圧力に基づく変位に応じた電気信号を
出力する起歪体とを有する圧力センサであり、その起歪
体の中空部側に、流体の圧力を起歪体側へ伝達する酸化
アルミニウム単結晶からなる保護ダイヤフラムを介在さ
せたものである。そして、この第１の構成において、上
記保護ダイヤフラムにおける流体の接液面に三フッ化塩
化エチレン樹脂からなるフィルムバリヤ層を形成すると
良い。

【００１０】また、本発明に係る第２の構成は、外部へ
連通する中空部を有する導圧部と、その中空部を塞ぐよ
うに固定され中空部内の流体圧力に基づく変位に応じた
電気信号を出力する起歪体とを有する圧力センサであ
り、その起歪体の中空部側に、流体の圧力を起歪体側へ
伝達する炭化シリコン層からなる保護ダイヤフラムを介
在させたものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の圧力センサに係る第
１の実施の形態を示す縦断面図である。図１において、
導圧部１は例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレ
ン）合成樹脂から円柱状に成形されるとともに外周に３
箇所段部を有してなり、一方の先端（図中下端）の最も
細い部分から順次太くなるとともに、最も細い部分と最
も太い部分外周にはねじ溝３ａ、３ｂが形成されてい
る。

【００１２】導圧部１には下端から途中で若干内径の広
がった中空部５が上端まで軸方向に沿って貫通形成さ
れ、上端面側でろうと状に拡開している。導圧部１の上
端面において、外周に近い部分には凹溝７が環状に形成
されており、この凹溝７内には弾性を有するＯリング９
がはめられ、これに保護ダイヤフラム１１が中空部５を
塞ぐように当接させて重ねられている。

【００１３】保護ダイヤフラム１１は、酸化アルミニウ
ム（Ａｌ₂Ｏ₃）単結晶、より具体的にはサファイヤ単結
晶によって偏平かつ円盤状に形成されている。保護ダイ
ヤフラム１１には、例えば静電容量型感圧素子（圧力エ
レメント）としての起歪体１３が密着するように重ねら
れている。

【００１４】起歪体１３は、保護ダイヤフラム１１と同
様な偏平な円盤状となって内部に対向電極間を有し、こ
れら対向する電極間の容量が保護ダイヤフラム１１から
の押圧変位によって変化する点を利用する静電容量型と
なっており、直流電圧の印加によってその変位に応じた
電気信号に変換してリード線１５から出力する公知のも
のである。これら起歪体１３、保護ダイヤフラム１１お
よび導圧部１には一端開放の筒型押えねじ１７が被せら
れている。符号１７ａは押えねじ１７の端面部、符号１
７ｂは端面部１７ａに設けたリード線１５の導出孔であ
る。

【００１５】この押えねじ１７の先端内側にはねじ溝
（図示せず）が形成され、このねじ溝が導圧部１のねじ
溝３ｂにねじ込まれており、押えねじ１７の端面部１７
ａによって起歪体１３が導圧部１方向に抑えつけられ、
起歪体１３、保護ダイヤフラム１１、Ｏリング９および
導圧部１の端面が強く圧接されている。そのため、導圧
部１の上端側では保護ダイヤフラム１１との間で密封構
造になって中空部５内に満たされた例えばエッチング液
が漏れないようになっている。

【００１６】これら導圧部１および押えねじ１７の外周
には図示しないキャップ等が被せられて製品化される。
このように構成された本発明の圧力センサは、導圧部１
のねじ溝３ａを例えば半導体製造装置（図示せず）にお
けるエッチング液の循環系にねじ込み連結すれば、中空
部５内がエッチング液で満たされるとともに保護ダイヤ
フラム１１に接液する。

【００１７】そして、エッチング液の圧力変位に応じた
保護ダイヤフラム１１の変位を介して起歪体１３が変位
し、その押圧変位に応じたレベルの電気信号がリード線
１５から出力される。しかも、サファイヤ単結晶板は、
ふっ酸や発煙硝酸等薬液に対して耐薬品性に優れるとと
もに浸透も殆どなく、これを用いた保護ダイヤフラム１
１にエッチング液が接液しても、エッチング液の起歪体
１３への浸透が抑えられ、保護ダイヤフラム１１と起歪
体１３間にガスが溜まることがなく、長期間にわたって
使用しても正確な測定および耐久性を確保できる。

【００１８】しかも、サファイヤ単結晶板は、平面度が
１０μｍ程度と極めて高く、従来のようにふっ素グリー
スを使用しなくても、保護ダイヤフラム１１と起歪体１
３間の面接触精度を高く維持できるので、この点からも
正確な測定が可能である。

【００１９】図２は、起歪体１３に厚み０．１ｍｍ程度
の保護ダイヤフラム１１を重ねた第１の構成において、
定格圧力を負荷したときのセンサの出力を示す特性図で
あり、これから分るように本発明の圧力センサでは負荷
圧力に対する出力精度が良好なことが分る。さらに、サ
ファイヤ単結晶板は繰り返し負荷による平面度の変化も
ないので、これを保護ダイヤフラム１１に用いることに
より、長期間安定した精度を保持することが可能とな
る。

【００２０】そして、上述した図１の構成による圧力セ
ンサにおいて、導圧部１と保護ダイヤフラム１１間の耐
圧シール性は９Ｋｇｆ／ｃｍ² 程度であるが、この導圧
部１と保護ダイヤフラム１１間の耐圧シール性を向上さ
せれば、より高いレンジの圧力測定が可能となる。

【００２１】ところで、サファイヤ単結晶板を保護ダイ
ヤフラム１１に使用した場合、上記のように耐薬品性、
薬液の浸透性防止、精度の安定性という観点で優れてい
るが、薬液に接液した部分から微小量の金属成分が溶出
する可能性が若干心配される。そこで、図３に示すよう
に、保護ダイヤフラム１１における導圧部１側、すなわ
ちエッチング液に接液する面に、三フッ化塩化エチレン
樹脂（ＰＣＴＦＥ）フィルムからなるコーティング層と
してのフィルムバリヤ層１９をＯリング９を介して導圧
部１に押し付けるとともにエッチング液に接液させると
良い。他の構成は図１と同様である。

【００２２】このような圧力センサでは、三フッ化塩化
エチレン樹脂（ＰＣＴＦＥ）が緻密で硬い材料であるこ
とから、保護ダイヤフラム１１に三フッ化塩化エチレン
樹脂（ＰＣＴＦＥ）フィルムからなるフィルムバリヤ層
１９を形成して三重保護ダイヤフラム構造にすることに
より、起歪体１３やエッチング液へ微小金属成分が溶出
するのを阻止することが可能になる。

【００２３】次に、図４は本発明に係る第２の構成を説
明する縦断面図であり、第１の構成に対してサファイヤ
単結晶板の代わりに、厚み０．２ｍｍ程度の炭化シリコ
ン（特に、β−ＳｉＣ）の膜を起歪体１３の片面に例え
ば熱ＣＶＤで成膜して保護ダイヤフラム２１を形成した
ものであり、他の構成は第１の構成と同様である。この
ように、炭化シリコン自体で形成した保護ダイヤフラム
２１を用いることにより、炭化シリコン（ＳｉＣ）が緻
密で硬い材料であることから、耐薬品性、薬液の浸透性
防止、精度の安定性等優れた特性を保持することが可能
となるし、保護ダイヤフラム２１から微小金属成分も溶
出しない。なお、上述した本発明の圧力センサは、強酸
性のエッチング液の圧力測定に限らず、強酸性の液体や
気体等の流体の流圧測定に好適する。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る第１の
構成は、外部へ連通する中空部を有する導圧部と、その
中空部を塞ぐように固定され中空部内の流体圧力に基づ
く変位に応じた電気信号を出力する起歪体とを有し、そ
の流体圧力を起歪体側へ伝達する酸化アルミニウム単結
晶からなる保護ダイヤフラムをその起歪体の中空部側に
介在させたから、耐薬品性に優れ、薬液の浸透も阻止で
きるうえ、繰り返しの負荷による平面度の変化もなく、
長期間に安定したセンサ精度を保持することが可能とな
る。そして、この第１の構成において、上記保護ダイヤ
フラムにおける流体の接液面に三フッ化塩化エチレン樹
脂からなるフィルムバリヤ層を形成すると、上述した効
果に加えて、薬液中への微小金属成分の溶出も抑えるこ
とが可能となる利点がある。さらに、本発明に係る第２
の構成は、起歪体に重ねて薬液に接液する保護ダイヤフ
ラム自体を炭化シリコンで形成したから、耐薬品性の向
上、薬液の浸透性防止、精度の安定性等優れた特性を保
持することが可能となるうえ、微小金属成分の溶出もな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の構成に係る圧力センサの実施の
形態を示す縦断面図である。

【図２】図１の第１の構成に係る圧力センサが示す特性
図である。

【図３】図１の第１の構成の変形例を示す縦断面図であ
る。

【図４】本発明の第２の構成に係る圧力センサの実施の
形態を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ 導圧部 ３ａ、３ｂ ねじ溝 ５ 中空部 ７ 凹溝 ９ Ｏリング １１、２１ 保護ダイヤフラム １３ 起歪体 １５ リード線 １７ 押えねじ １７ａ 端面部 １７ｂ 導出孔 １９ フィルムバリヤ層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部へ連通する中空部を有する導圧部
   と、前記中空部を塞ぐように固定され前記中空部内の流
   体圧力に基づく変位に応じた電気信号を出力する起歪体
   とを有する圧力センサにおいて、 前記起歪体の前記中空部側に、前記流体の圧力を前記起
   歪体側へ伝達する酸化アルミニウム単結晶からなる保護
   ダイヤフラムが介在されてなることを特徴とする圧力セ
   ンサ。
2. 【請求項２】 前記保護ダイヤフラムにおける前記流体
   の接液面に、三フッ化塩化エチレン樹脂からなるフィル
   ムバリヤ層が形成されてなる請求項１記載の圧力セン
   サ。
3. 【請求項３】 外部へ連通する中空部を有する導圧部
   と、前記中空部を塞ぐように固定され前記中空部内の流
   体圧力に基づく変位に応じた電気信号を出力する起歪体
   とを有する圧力センサにおいて、 前記起歪体の前記中空部側に、前記流体の圧力を前記起
   歪体側へ伝達する炭化シリコンからなる保護ダイヤフラ
   ムが介在されてなることを特徴とする圧力センサ。