(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量性圧力センサによって測定された圧力の関数として信号を発生する処理回路であって、
第１のキャパシタンスに接続する第１のインターフェースと、
第２のキャパシタンスに接続する第２のインターフェースと、
前記第１及び第２のキャパシタンスのそれぞれに励起を与え、保護接点を駆動して漂遊キャパシタンスを減少させる発振器を含む、励起回路と、
前記第１及び第２のキャパシタンスに結合されており、前記第１及び第２のキャパシタンスのそれぞれの励起に応答して電流を導通させる誘導手段であって、前記電流は、前記圧力の関数であると共に前記第１及び第２のキャパシタンスの間の差の関数である、誘導手段と、
前記信号を前記電流の関数として発生する検出器手段と、
を備えていることを特徴とする処理回路。
【請求項２】
請求項１記載の処理回路において、前記励起に応答して第２の電流を導通させる第２の誘導手段を更に備えており、前記第２の電流は、前記第１及び第２のキャパシタンスの間の差の関数であることを特徴とする処理回路。
【請求項３】
請求項１記載の処理回路において、前記第１及び第２のキャパシタンスの間に電気的に結合されたダイオードのアレイを更に備えていることを特徴とする処理回路。
【請求項４】
請求項１記載の処理回路において、この処理回路をゼロ圧力条件に較正するゼロ調整回路を更に備えていることを特徴とする処理回路。
【請求項５】
請求項１記載の処理回路において、この処理回路をフルスケール圧力条件に較正するスケール調整回路を更に備えていることを特徴とする処理回路。
【請求項６】
請求項１記載の処理回路において、前記圧力の関数としての信号を調整した非線形性を補償する線形化回路を更に備えていることを特徴とする処理回路。
【請求項７】
請求項６記載の処理回路において、前記線形化回路は、前記圧力の関数としての信号に二次補正信号を提供することを特徴とする処理回路。
【請求項８】
請求項７記載の処理回路において、前記線形化回路は、前記圧力の関数としての信号に三次補正信号を提供することを特徴とする処理回路。
【請求項９】
請求項６記載の処理回路において、前記線形化回路は、前記圧力の関数としての信号に三次補正信号を提供することを特徴とする処理回路。
【請求項１０】
請求項１記載の処理回路において、
前記励起は、交流（AC）信号であることを特徴とする処理回路。
【請求項１１】
請求項１記載の処理回路において、前記発振器は、前記AC信号のレベルを制御する自動ゲイン制御（AGC）回路を含むことを特徴とする処理回路。
【請求項１２】
請求項11記載の処理回路において、前記AGC回路は、AC信号の振幅と周波数との積を制御することを特徴とする処理回路。
【請求項１３】
容量性圧力センサであって、
チャンバと、
前記チャンバに結合されており、前記チャンバ内の圧力と共に変動する第１及び第２のキャパシタンスと、
処理回路であって、
前記第１及び第２のキャパシタンスのそれぞれに励起を与える励起回路であって、保護接点を駆動して漂遊キャパシタンスを減少させる発振器を含む、励起回路と、
前記第１及び第２のキャパシタンスに結合されており、前記第１及び第２のキャパシタンスのそれぞれの励起に応答して電流を導通させる誘導手段であって、前記電流は、前記圧力の関数であると共に前記第１及び第２のキャパシタンスの間の差の関数である、誘導手段と、
前記電流を検出し、信号を前記圧力の関数として発生する検出器手段と、
を備えている処理回路と、
を備えていることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項１４】
請求項13記載の容量性圧力センサにおいて、
前記チャンバに結合された導電性で可撓性のダイアフラムであって、前記チャンバ内の圧力をこのダイアフラムの表面に加えると変形するように構成された導電性で可撓性のダイアフラムと、
前記ダイアフラムの近傍に位置する第１の電極であって、この第１の電極と前記ダイアフラムとは前記第１のキャパシタンスを形成し、前記第１のキャパシタンスは前記ダイアフラムの変形により可変である、第１の電極と、
前記ダイアフラムの近傍に位置する第２の電極であって、この第２の電極と前記ダイアフラムとは前記第２のキャパシタンスを形成し、前記第２のキャパシタンスは前記ダイアフラムの変形により可変である、第２の電極と、
を更に備えていることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項１５】
請求項14記載の容量性圧力センサにおいて、前記第１及び第２の電極は、非導電性基板上に配置された導電性材料で構成されていることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項１６】
請求項15記載の容量性圧力センサにおいて、前記非導電性基板は、セラミック材料で構成されていることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項１７】
請求項14記載の容量性圧力センサにおいて、前記第１及び第２の電極の一方は前記導電性材料の円形パッチで構成され、前記第１及び第２の電極の他方は前記導電性材料の環状リングで構成されていることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項１８】
請求項17記載の容量性圧力センサにおいて、前記第１及び第２の電極の前記一方は、前記第１及び第２の電極の前記他方によって包囲されていることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項１９】
請求項13記載の容量性圧力センサにおいて、前記処理回路は、励起に応答して第２の電流を導通させる第２の誘導手段を更に備えており、前記第２の電流は、前記第１及び第２のキャパシタンスの間の差の関数であることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項２０】
請求項13記載の容量性圧力センサにおいて、前記処理回路は、前記第１及び第２のキャパシタンスの間に電気的に結合されたダイオードのアレイを更に備えていることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項２１】
請求項13記載の容量性圧力センサにおいて、前記処理回路は、前記処理回路をゼロ圧力条件に較正するゼロ調整回路を更に備えていることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項２２】
請求項13記載の容量性圧力センサにおいて、前記処理回路は、前記処理回路をフルスケール圧力条件に較正するスケール調整回路を更に備えていることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項２３】
請求項13記載の容量性圧力センサにおいて、前記処理回路は、前記圧力の関数としての信号を調整して非線形性を補償する線形化回路を更に備えていることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項２４】
請求項23記載の容量性圧力センサにおいて、前記線形化回路は、前記圧力の関数としての信号に二次補正信号を提供することを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項２５】
請求項24記載の容量性圧力センサにおいて、前記線形化回路は、前記圧力の関数としての信号に三次補正信号を提供することを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項２６】
請求項23記載の容量性圧力センサにおいて、前記線形化回路は、前記圧力の関数としての信号に三次補正信号を提供することを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項２７】
請求項13記載の容量性圧力センサにおいて、
前記励起は、交流（AC）信号であることを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項２８】
請求項13記載の容量性圧力センサにおいて、前記発振器は、前記AC信号のレベルを制御する自動ゲイン制御（AGC）回路を含むことを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項２９】
請求項28記載の容量性圧力センサにおいて、前記AGC回路は、AC信号の振幅と周波数との積を制御することを特徴とする容量性圧力センサ。
【請求項３０】
チャンバ内の圧力を測定する方法であって、
第１及び第２のキャパシタンスを前記チャンバに結合し、前記第１及び第２のキャパシタンスの間の差が前記チャンバ内の圧力の関数となるようにするステップと、
前記第１及び第２のキャパシタンスを、誘電要素に結合するステップと、
励起を前記第１及び第２のキャパシタンスに与え、電流が、前記第１及び第２のキャパシタンスの間の差の関数として前記誘電要素を流れるようにするステップと、
発振器を用いて保護接点を駆動し、漂遊キャパシタンスを減少させるステップと、
前記誘電要素を流れる電流を検出するステップと、
前記電流と前記チャンバ内の圧力との関数である信号を発生するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項30記載の方法において、
導電性のダイアフラムを前記チャンバに結合させるステップであって、前記ダイアフラムは、前記チャンバ内の圧力を前記ダイアフラムの表面に加えると変形するように構成されている、ステップと、
前記ダイアフラムの近傍に第１の電極を提供して第１のキャパシタンスを形成するステップであって、前記第１のキャパシタンスは前記ダイアフラムの変形により可変である、ステップと、
前記ダイアフラムの近傍に第２の電極を提供して第２のキャパシタンスを形成するステップであって、前記第２のキャパシタンスは前記ダイアフラムの変形により可変である、ステップと、
を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項31記載の方法において、前記第１及び第２の電極を提供するステップは、非導電性基板上に導電性材料を配置するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項31記載の方法において、
前記第１及び第２の電極の一方を提供するステップは、導電性材料のパッチを非導電性基板上に形成するステップを含み、
前記第１及び第２の電極の他方を提供するステップは、前記導電性材料の環状リングを前記非導電性基板上に形成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項33記載の方法において、前記非導電性基板は、セラミック材料で構成されていることを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項33記載の方法において、前記第１及び第２の電極の前記一方は、前記第１及び第２の電極の前記他方によって包囲されていることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項30記載の方法において、前記第１及び第２のキャパシタンスを第２の誘導要素に結合させるステップを更に含み、前記第２の誘導手段を流れる第２の電流は、前記第１及び第２のキャパシタンスの間の差の関数であることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項30記載の方法において、前記第１及び第２のキャパシタンスをダイオードのアレイに結合させるステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項30記載の方法において、ゼロ圧力条件を設定するゼロ調整較正回路を提供するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項30記載の方法において、フルスケール圧力条件を設定するスケール調整較正回路を提供するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項30記載の方法において、非線形性を補償する線形化回路を提供するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項40記載の方法において、前記線形化回路は、前記圧力の関数としての信号に二次補正信号を提供することを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項41記載の方法において、前記線形化回路は、前記圧力の関数としての信号に三次補正信号を提供することを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項40記載の方法において、前記線形化回路は、前記圧力の関数としての信号に三次補正信号を提供することを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項30記載の方法において、前記発振器は前記励起を与え、前記励起は交流（AC）信号であることを特徴とする方法。
【請求項４５】
請求項30記載の方法において、前記発振器に、前記AC信号のレベルを制御する自動ゲイン制御（AGC）回路を提供するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項45記載の方法において、前記AC信号の振幅と周波数との積を制御するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、広くは圧力トランスデューサに関し、より詳しくは、キャパシタンスを感知して圧力を決定する容量性圧力トランスデューサに関する。
発明の背景
容量性トランスデューサは、圧力を検出する多くの装置において用いられる。典型的には、センサは、圧力が測定されている領域に接続されたポートを含む。このセンサ・ポートは、センサ内のチャンバに結合されている。チャンバの内部には、導電性で可撓性のダイアフラムが配置されているのが典型であり、このダイアフラムは、表面に圧力が加えられると変形する。１又は複数の導電性の電極を、可撓性のダイアフラムの近傍に配置することにより、これらの電極とダイアフラムとの間に１又は複数のキャパシタンスを形成することができる。チャンバの圧力が変化すると、ダイアフラムが変形し、キャパシタンスの変化が生じる。処理又は検出回路が、典型的には、キャパシタンスの変化を検出するように接続されており、キャパシタンスの変化は、チャンバ内の圧力に関係している。
従来技術によるシステムでは、処理回路は、４つのダイオードから構成されたアレイ又は「ブリッジ」を含む。これは、「ダイオード・クオッド・ブリッジ」（diode quad bridge）と称される。このようなシステムは、例えば、H.R.Dean and J.Dimeff,“A diode−Quad Bridge Circuit for Use with Capacitance Transducers,"Rev.Sic.Instrum.,vol.44,no.10,October,1973に記載されている。この処理回路では、センサ・キャパシタンスは、ダイオード・ブリッジの対向するノードに接続されている。発振器が、交流励起信号をダイオードの両端に与え、結果として生じる交流信号が、キャパシタンスの両端に与えられる。センサ・キャパシタンスを示している出力電圧が、ダイオード・ブリッジの残りの２つの対向するノードの両端で測定される。このようなシステムは、典型的には、10kHz程度の周波数で動作されるのが典型的であり、低いレベルの出力信号を生じる。追加的な増幅回路が必要となるのが一般的であり、高い信号対雑音比（SNR）を得るのは困難である。
別の従来型のアプローチでは、変圧器を用いて、交流励起をセンサ・キャパシタンスに結合する。変圧器の２次側の中心がタップされ、そのタップにおける信号がモニタされる。キャパシタンスが平衡しているときには、中心のタップには交流信号は存在しない。しかし、キャパシタンスが不均衡であると、交流信号が中心タップに生じる。交流信号の解析には、同期式の整流及び検出方式が用いられる。信号の振幅は、コンデンサの間のキャパシタンスの差を示すのに用いられ、このキャパシタンスの差が、測定されている圧力と関係する。
この変圧器によるアプローチでは、変圧器の応答が遅いため、低周波の駆動信号が用いられる。低周波であることにより、より大きな素子が必要となる。そのために、サイズが小さいことが望ましい回路の有用性が制限される。
発明の目的
本発明の一般的な目的は、従来技術における問題点を実質的に克服する又は減少させる改良型の容量性圧力トランスデューサを提供することである。
本発明の別のより特定的な目的は、SN比が改良されている圧力センサを提供することである。
本発明の別の目的は、従来技術によるトランスデューサの場合よりも全体的なパフォーマンスが改善され、サイズが小さく、コストも低い圧力センサを提供することである。
本発明の別の目的は、従来のシステムよりも高い周波数で動作し、従って、感度、SN比及び全体的なパフォーマンスが優れている容量性の圧力センサのための処理回路を提供することである。
本発明の更に別の目的は、改良型の線形化方法を実現する容量性圧力センサのための処理回路を提供することである。
発明の概要
上述の及びそれ以外の目的は、本発明による圧力感知装置及び方法によって実現される。本発明による容量性圧力センサは、第１及び第２のキャパシタンスが結合されており内部の圧力が変動するとキャパシタンスを変動させるチャンバを含んでいる。キャパシタンスは、励起をこれらのキャパシタンスに与える励起回路を含む処理回路に結合されている。処理回路は、また、キャパシタンスに結合されたインダクタなどの誘導要素を含んでおり、励起がキャパシタンスに与えられるとインダクタに電流が流れ、この電流は、第１及び第２のキャパシタンスの間の差を示している。そして、キャパシタンスの差は、チャンバ内の圧力を示す。処理回路における検出器は、インダクタを流れる電流を検出し、チャンバ内の圧力を示す信号を発生する。
ある実施例では、本発明による容量性圧力センサは、チャンバに結合されており、チャンバ内の圧力の変動に応答して変形する導電性で可撓性のダイアフラムを含む。キャパシタンスは、電極を導電性のダイアフラムの近傍に配置することによって形成することができる。ある実施例では、相互に絶縁されている２つの電極が、ダイアフラムの近傍に配置される。第１のキャパシタンスは、電極の一方とダイアフラムとによって形成され、第２のキャパシタンスは、第２の電極とダイアフラムとによって形成される。このように、２つのキャパシタンスは、その電極の一方として、ダイアフラムを共有することになる。チャンバ内の圧力が変動すると、ダイアフラムが変形し、両方のコンデンサのキャパシタンスを変化させる。
コンデンサは、駆動信号を提供する処理回路と、圧力と共に変化するキャパシタンスを検出する検出回路とに結合されている。２つのコンデンサの間のキャパシタンスの差は、変形量に関係し、従って、チャンバ内の圧力に関係している。
ある実施例では、コンデンサにおいて用いられている電極は、非導電性の平坦な基板上に配置された導電性材料から形成され、この基板は、可撓性のダイアフラムに近接する静止した位置に保持される。圧実施例では、基板は、セラミック材料から作られている。電極の一方は、基板上に配置された導電性材料の円形パッチとして形成することができる。第２の電極は、第１の電極を包囲するように配置された導電性材料の環状リングとして形成することができる。
処理回路は、また、やはりセンサ・コンデンサに結合された第２の誘導要素を含むこともありうる。励起がコンデンサに与えられると、電流が第２の誘導要素を流れる。この電流もまた、第１及び第２のキャパシタンスの間の差を示している。この第２の電流を検出することにより、チャンバ内の圧力を決定することができる。
ある実施例では、励起回路は、交流信号をキャパシタンスに与える発振器を含む。この発振器は、センサにおける漂遊（stray）キャパシタンスを減少させ電極間のキャパシタンスの効果を減少させるように接続されたガード・コンタクト（保護接点、guard contact）を駆動するのに用いることができる。発振器回路は、交流信号のレベルを制御する自動ゲイン制御（AGC）回路を含みうる。ある実施例では、AGC回路は、信号の周波数と振幅との積（frequency−amplitude product）を制御する。処理回路は、測定の較正（calibration）及び線形化のための様々な調整を含みうる。ある実施例では、処理回路は、回路出力をゼロ圧力条件に較正するゼロ調整回路を含む。処理回路は、圧力スケールの極端な値（extreme ends）における回路信号出力の極端な値を調整するスケール調整回路を含む。すなわち、この回路は、ゼロ圧力条件とフル・スケール圧力条件とにおける処理回路の出力を調整する。処理回路は、また、線形化信号をこの回路の信号出力と合成する線形化回路を含むことがある。ある実施例では、二次の項（quadratic term）の信号と三次の項（cubic term）の信号が発生され、出力と合成される。
【図面の簡単な説明】
本発明の以上の及びそれ以外の目的、特徴並びに効果は、以下で行う本発明の好適実施例の詳細な説明から明らかになるであろう。好適実施例は、添付の図面において図解されているが、異なる図面においても、同じ構成要素には、同じ参照番号が付されている。図面は、必ずしも寸法に応じたものではなく、本発明の原理が強調されるようになっている。
図1Aは、本発明による容量性圧力センサの概略図である。
図1Bは、本発明の１つの実施例における電極の構成の概略的な平面図である。
図２は、本発明による処理回路の概略的な機能ブロック図である。
図3Aないし3Cは、本発明による処理回路の詳細な回路図を含む。
図４は、本発明の較正及び線形化プロセスの流れを図解する流れ図である。
図面の詳細な説明
図1Aは、図1Aは、本発明による容量性圧力センサ10を図解する概略的な機能図である。センサは、圧力を決定すべき領域14と接続されているチャンバ12を含む。領域14は、パイプ又はコンジット16などの手段によって、センサ・チャンバに結合することができる。
チャンバ12の一方の境界は、センサ本体20の壁部に固定されている導電性で可撓性のダイアフラム18によって与えられている。センサ10は、また、やはりセンサの本体20の壁部に固定されている基板22を含む。基板22の上には、１対の電極24及び26が形成されている。図1Bは、基板22と電流24及び26との平面図である。この図に示されているように、電極26は、基板22の上に形成された円形のパッチの形状でありうる。第２の電極24は、第１の電極26を包囲する導電性材料の環状リングとして形成することができる。これらの電極は、アルミニウムなどの導電性材料をセラミック基板上にスパッタリングすることによって形成される。それ以外の手段を用いて、又は、それ以外の材料を用いて形成することも可能である。
再び図1Aを参照すると、それぞれの電極は、ダイアフラム18と共にキャパシタンスを形成する。概略が示されているように、電極24とダイアフラムとによってキャパシタンス28が形成され、電極26とダイアフラムとによってキャパシタンス30が形成されている。電極24及び26は、それぞれワイヤ32及び34によって、センサの壁部20を介して、端子36及び38に接続され、電気的接続へのアクセスを提供している。圧力の測定を実行する際には、端子26及び38は、それぞれ、ワイヤ40及び42によって、本発明の処理回路44に接続される。
それぞれのキャパシタンス28及び30の値は、可変であり、ダイアフラム18と電極24及び26との間の距離に依存する。ダイアフラム18は、可撓性を有しているので、チャンバ12内の圧力が増加すると、ダイアフラムは電極24及び26の方向に撓み、キャパシタンス28及び30を増加させる。キャパシタンス28及び30の間の差が、変形量を示し、変形量は、チャンバ12内の圧力と関係している。処理回路44は、電極24及び26と接続されており、キャパシタンス28及び30の間の差を、従って、チャンバ12内の圧力を決定するのに用いられる。
ダイアフラム18の背後、すなわち、反対側にあるチャンバ41は、典型的には、圧力が測定される応用例に応じた基準圧力に設定されている。例えば、半導体処理の応用例などのように、領域14が低圧力である場合には、チャンバ41は、例えば、10-6Torr程度の比較的低い圧力まで、部分的に真空化される。このチャンバ41の評価は、適切な真空ポンプを、弁43を介してチャンバに取り付けることによって達成される。大気圧程度又は大気圧よりも高い圧力が測定されるような別の応用例では、弁43は開いたままに放置され、それによって、チャンバ41は、大気圧になる。
図２は、処理回路44の概略的なブロック図である。既に述べたように、処理回路44は、センサ20内の２つのキャパシタンス28及び30に結合されている。キャパシタンス28及び30は、検出器／駆動回路46に接続されている。発振器48などの励起回路が、ライン50上を介して、交流信号を検出器／駆動回路46に提供し、検出器／駆動回路46が、コンデンサ28及び30に、発振器48によって提供された信号から導かれる交流信号を与える。後で詳しく説明されるように、検出器／駆動回路46は、ライン58上に、２つのキャパシタンス28及び30の間のキャパシタンスの差を示す信号を出力する。やはり後で詳しく説明されるように、検出器／駆動回路46は、センサ20における漂遊キャパシタンスが表すガード・キャパシタンス29にも接続されている。
様々な非線形性が、本発明の圧力測定に影響する。例えば、チャンバ内の圧力とダイアフラムの変形との間の関係は、完全に線形とはいえない。また、ダイアフラムの変形とダイアフラムとできとの間の距離との関係も、変形したダイアフラムの丸くなった形状のために、また、変形の際のダイアフラムの伸びやそれ以外の変形の影響のために、線形ではない。非線形性の最も大きな原因は、コンデンサのキャパシタンスと電極間の距離との関係が非線形であることに起因する。キャパシタンスは、距離の逆数と共に変動する。
これらの効果を補償するために、本発明の処理回路は、検出器／駆動回路46からのライン58上の出力信号に、線形化のための項すなわち信号を加える。出力信号58は、線形化回路60に与えられる。線形化回路60は、この信号から、いくらかオーダーの高い信号を発生し、これが、加算増幅器62において元の信号58と加算される。結果として生じる線形化された信号は、処理回路44から出力信号ライン68上に出力される。
線形化回路60は、好ましくは、複数の乗算回路を含む。この乗算回路については、後で詳しく説明する。この乗算回路は、ライン63を介して入力される信号を乗算してオーダーのより高い信号を生じる。ある実施例では、線形化回路は、二次項の信号と三次項の信号とを発生し、これらの信号は、それぞれライン64及び66を介して、加算増幅器62に提供される。二次及び三次信号は、元の検出器出力信号58に加算され、線形化された出力信号68を生じる。ある実施例では、ライン58における検出器の出力信号は、直流信号であり、そのレベルは、キャパシタンス28及び30の間の差を示している。
ある実施例では、信号58は、直流の０ボルトから10ボルトまでの範囲を有する。多くのセンサ・パラメータはセンサごとに変動するので、本発明は、好ましくは、ゼロ圧力条件では回路はゼロ電圧出力を与えることを保証する較正回路52を提供する。本発明は、ライン54を介して、ゼロ調整信号を検出器回路46に提供する。検出器回路46は、出力信号を調整して、圧力ゼロの際には、ゼロの出力を提供する。較正回路52は、また、スケール調整出力56を検出器回路46に提供し、所望の電圧の境界値（extreme）である10ボルトが圧力の境界値において得られることを保証する。
次に、図２においてブロック形式で示されている回路のそれぞれを詳しく説明する。
図3Aは、本発明の発振器回路48の詳細な回路図である。トランジスタQ1と、インダクタL3とコンデンサC22及びC23とを含むLC回路とが、ライン70上に出力交流信号を発生する発振器回路を形成している。交流信号は、図3Bに示されており後で説明される検出器／駆動回路46に接続されている。抵抗R11とコンデンサC25とが、直流バイアス電圧Ｖ＋を、発振器回路に結合している。残りの回路は、この発振器のための自動ゲイン制御（AGC）ループを形成するピーク・ピーク検出器及び積分器として機能する。発振器の出力信号に対する振幅と周波数との積は、フィードバック・ループによって一定のレベルに維持される。振幅と周波数との積の変化によって生じるエラー信号は、ライン72を介して発振器にフィードバックされ、ドリフトを補正する。図3Bは、本発明による検出器／駆動回路46の詳細な回路図である。発振器の出力信号は、ライン70を介して、発振器48から受け取られる。この信号は、コンデンサC9及びC10によって回路46に結合され、４ダイオード・アレイD3の両側に与えられる。ノード74及び76は、センサ・キャパシタンス30及び28（図２を参照）に接続されている。この励起の結果、インダクタL1及びL2を流れる交流が生じる。これらのインダクタ電流のレベルは、センサ・キャパシタンス28及び30の間のキャパシタンスの差によって決定される。インダクタL1は、コンデンサC8と共に、信号の高周波成分を除去するrfフィルタを形成する。
検出器／駆動回路46における残りの回路は、インダクタL1及びL2を流れる電流を検出してセンサ・キャパシタンスを決定するのに用いられる。電流は、増幅器U3と、コンデンサC5及びC8と抵抗R7、R20、R30、R31と調整可能な抵抗R2及びR3とを含むそれに関連する回路とによって検出される。これらはすべて、交互コンダクタンス増幅器又は電流・電圧コンバータとして機能する。ライン78における増幅器の出力は、インダクタを流れるディスプレイの平均値を、従って、キャパシタンス28及び30の間の差を示す直流電圧である。
ある実施例では、ライン78における直流電圧は、チャンバ内の圧力に応じて、０ボルトから−10ボルトまでの範囲の値をとる。本発明による回路は、較正のための機構を備えており、チャンバ内の圧力の範囲を示す正確な電圧の範囲を与えることができる。可変抵抗R1と抵抗32とが、ノード80に電流を与え、増幅器のためのゼロ圧力条件を調整する。この実施例では＋10及び−10ボルトである正及び負の直流が、可変抵抗R1の両端に与えられる。ある既知のゼロ圧力条件では、可変抵抗R1は、ライン78上の出力を０ボルトに設定するように調整される。可変抵抗R2と抵抗R30、R31、R20とは、細かなゼロ調整を提供し、コンデンサC5は、フィルタリングを提供する。これによって、本発明は、ユニットごとのセンサ・キャパシタンスの変動を、更に、ダイアフラムの変位に影響するセンサの様々な向きを、補償することが可能となる。
可変抵抗R3は、本発明によるスケール調整回路の一部として、システムに対するフル・スケール圧力値を、ライン68上で所望の＋10ボルトのレベルに調整するのに用いられる。フル・スケール圧力条件では、抵抗R3は、ライン78上の出力が直流−10ボルトとなるように、調整される。
ライン78上の出力信号は、線形化回路60と加算増幅器62とに結合され、測定及び計算における非線形性の補償を可能にする。図3Cを参照すると、加算増幅器62では、検出器／駆動回路46からの出力は、抵抗R15、R18及びR19と増幅器U4とを介して、線形化回路60によって提供されるよりオーダーの高い線形化信号と加算される。線形化された出力は、ライン68上に与えられる。
この実施例では、線形化回路は、２つのよりオーダーの高い信号を提供する。示されているように、線形化回路60は、ライン80の上に二次のオーダーの補正信号（quadratic order correction signal）を提供し、ライン82の上に三次のオーダーの補正信号を提供する。線形化回路60は、これらの補正信号を、１対の乗算器回路U5及びU6を用いて発生する。それぞれの乗算器では、出力は、次の式で与えられる。
OUT＝（X1−X2）（Y1−Y2）/10
検出器／駆動回路46からのライン78上の出力は乗算器U5のX1及びY1入力に接続され、X2入力はグランドに接続され、Y2入力は−10ボルトの基準電圧に接続される。ライン84上に提供される乗算器U5の出力は、調整可能な抵抗R5を介して、加算増幅器62に結合される。抵抗R5は、加算増幅器に結合される二次補正信号のレベルを調整するのに用いられる。ライン84上の二次出力は、また、第２の乗算器U6のY1入力に結合される。第２の乗算器U6のX1入力は、検出器／駆動回路46からの出力によって与えられる。U6のX2入力は、−５ボルトの基準電圧に接続され、U6のY2入力は、接地される。U6は、検出器／駆動出力信号78の３乗である三次出力を、ライン86上に与える。調整可能な抵抗R6は、加算増幅器回路62に結合された三次補正信号（cubic correction signal）のレベルを設定する。
ライン68において結果的に生じる出力は、較正され線形化された信号であり、この信号は、先に論じられた非線形性に関して補正がなされたセンサ・コンデンサ28及び30の間のキャパシタンスの差を正確に示している。この信号は、ダイアフラムの変形量を、従って、チャンバ12内の圧力を決定するのに用いられる。
図４は、本発明において用いられる較正及び線形化プロセスを図解している概略的な流れ図である。最初のステップ99では、二次及び三次の可変抵抗R5及びR6が、それぞれ、ライン80及び82において、ゼロ出力信号を提供するように、最初に調整される。ステップ100では、センサに対するゼロ圧力条件が設定される。次に、ステップ101では、上述のゼロ調整回路が、ライン68における検出器／駆動回路46の出力を０ボルトに設定するのに用いられる。次に、ステップ102及び103では、スケール調整プロセスが実行される。ステップ102では、フル・スケール圧力条件が設定される。ステップ103では、上述したスケール調整回路が、ライン68における電圧出力を、例えば＋10ボルトであるフル・スケール・レベルに設定するように調整される。
ゼロ調整及びスケール調整の手順により、理想的なレベルにおける圧力・電圧応答のエンド・ポイントが、例えば、０及び10ボルトに設定される。しかし、これらのエンド・ポイントの間の応答を線形化するという課題が残っている。これを達成するには、二次及び三次補正信号が導入される。最初に、ステップ104において、システムの圧力が、中間的なスケール・レベルに設定される。次に、ステップ106において、上述の二次補正回路が、図3Cに示されているライン68における電圧出力を、例えば＋５ボルトの中間的なスケール・レベルに設定するように調整される。次に、ステップ108及び110において、三次補正項が、中間点における一方の側の応答を設定するように調整される。例えば、ステップ108に示されているように、システムの圧力は、４分の１のスケール・レベルに設定することも可能である。このレベルでは、電圧出力は、線形性のために、所望のレベルに設定される。例えば、ステップ110に示されているように、電圧は、例えば2.5ボルトである４分の１のスケールに設定することもできる。
線形化プロセスは、測定ループの外側で実行されることに注意すべきである。すなわち、二次及び三次調整信号は、信号の増幅の後に出力において合成される。従って、線形化信号は、ゼロ調整及びスケール調整の較正には影響しない。これらの２つの信号の設定は別個であるから、較正し次に線形化する手順は、従来のシステムと比較して、はるかに効率的である。線形化プロセスはゼロ及びスケール調整に影響しないので、線形化が行われた後では、再び戻って、ゼロ及びスケール調整の較正を反復するという必要がない。こうして、かなりの設定時間が不要となる。
本発明による圧力センサは、従来型のアプローチと比較して、多くの利点を有している。例えば、本発明による検出器／駆動回路は、例えば１ないし10MHZ程度の高い周波数で動作させて、より大きなコンデンサ及びインダクタ電流を生じさせることが可能である。本発明によればインダクタを流れる大きな電流が検出されるので、システムの感度が上昇し、システムのSN比も向上する。また、本発明は高周波での動作が可能であるから、より小型の素子を用いることができ、それによって、小型であることが重要であるような場面で本発明を応用することができるようになる。
本発明による較正及び線形化プロセスは、また、従来の装置よりも正確なトランスデューサを提供する。本発明のセンサは電圧と圧力との関係を調整するように較正されているので、トランスデューサ・ダイアフラムの変形に起因する非線形性が補正される。また、線形化が、開ループで、すなわち、フィードバックなしで実行されるので、広帯域（wideband）での線形化が達成される。更に、線形化がメイン・システムのフィードバック・ループの外で実行されるので、反復的な較正及び線形化が回避される。
以上では、本発明を、好適実施例を参照しながら示したが、この分野の当業者であれば、次に揚げる請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲とから逸脱することなく、形式や詳細における様々な変更をなし得ることを理解するはずである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図４】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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