(57)【要約】【課題】  全体が小型化しかつ信頼性に優れた容量式圧力センサを提供する。【解決手段】  少なくとも一部がダイアフラムからなる容量室内の対向する領域に形成されたキャパシタンス検出部であってダイアフラムの圧力に対する感度の大きい領域に形成された感圧キャパシタンス検出部１０１とダイアフラムの圧力に対する感度の小さい領域に形成されたリファレンスキャパシタンス検出部１０２とを備えた容量式圧力センサ１において、リファレンスキャパシタンス検出部１０２の信号出力値を独立して検出する。【選択図】  図３
2005331328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部がダイアフラムからなる容量室内の対向する領域に形成されたキャパシタンス検出部であってダイアフラムの圧力に対する感度の大きい領域に形成された感圧キャパシタンス検出部とダイアフラムの圧力に対する感度の小さい領域に形成されたリファレンスキャパシタンス検出部とを備えた容量式圧力センサにおいて、
前記リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値を独立して検出することを特徴とする容量式圧力センサ。
【請求項２】
前記リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値が一定の範囲内において前記感圧キャパシタンス検出部の信号出力値とリファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値とに基づいて圧力に対応した外部出力値を出力するとともに、前記リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値が一定の範囲を超えたときは所定の外部出力値を出力することを特徴とする、請求項１に記載の容量式圧力センサ。
【請求項３】
前記リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値が一定の範囲を超えたとき、アラームを出すことを特徴とする、請求項２に記載の容量式圧力センサ。
【請求項４】
前記リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値を外部出力値として出力することを特徴とする、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の容量式圧力センサ。
【請求項５】
前記リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値が一定の範囲内において前記感圧キャパシタンス検出部の信号出力値とリファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値とに基づいて圧力に対応した外部出力値を得るとともに、前記リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値が一定の範囲を超えたときは、請求項２に記載の所定の外部出力値を出力することに代えてリファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値を外部出力値として出力することを特徴とする、請求項２に記載の容量式圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容量式圧力センサに関するものであり、特に異なる圧力測定領域の圧力を測定するのに優れた容量式圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体チップ製造プロセスにおいて、特許文献１に記載したような一部がダイアフラムでできた容量室内にキャパシタンス検出部を備えた構造の圧力センサが広く用いられている。
【０００３】
このような半導体チップ製造プロセスやその他の真空装置の圧力を測定する真空圧力センサは、真空チャンバに設けられ、例えば素材としてのシリコンウェハや製品としての半導体チップを出し入れする際に真空チャンバ内が大気圧になったことを確認する大気圧センサと、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)などのプロセス中において真空チャンバ内に流入する殆んど真空に近いプロセスガスの圧力を測定する真空圧センサの２つが個別に備わっている。
【０００４】
なお、このような真空圧センサは一般に、センサダイアフラムの圧力に対する感度が大きい領域に感圧キャパシタンス検出部を備えるとともに、圧力に対する感度の小さい領域にリファレンスキャパシタンス検出部を備え、リファレンスキャパシタンス検出部は、圧力センサ周囲の温度変化に伴う感圧キャパシタンス検出部の出力ドリフトを補償するためだけに使われている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１１１０１１（４−７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
今までの圧力センサはそれぞれ、測定できる圧力の範囲が限定されていた。そのため、圧力を広範囲にわたって検出するためには各圧力センサの測定範囲を補完するように複数の圧力センサを設ける必要があった。そして、複数の圧力センサを別個に設けると、設置スペースをその分占有する問題が生じていた。
【０００７】
なお、上述の問題は真空に近い圧力を測定する場合だけの問題ではなく、例えばタイヤ製造装置の加硫機において大気圧近傍の圧力を厳密に測定するとともに加硫機作動中における機械内部の非常に高い圧力をも測定するような異なる２つの圧力測定領域を有するアプリケーションに一般に起こり得る問題である。
【０００８】
本発明の目的は、全体が小型化しかつ異なる圧力測定領域を有した容量式圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明にかかる容量式圧力センサは、少なくとも一部がダイアフラムからなる容量室内の対向する領域に形成されたキャパシタンス検出部であってダイアフラムの圧力に対する感度の大きい領域に形成された感圧キャパシタンス検出部とダイアフラムの圧力に対する感度の小さい領域に形成されたリファレンスキャパシタンス検出部とを備えた容量式圧力センサにおいて、リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値を独立して検出することを特徴としている。
【００１０】
リファレンスキャパシタンス検出部の出力を信号出力値として独立して検出することで、この信号出力値を圧力センサの限定された狭い圧力測定域における正確な圧力測定に利用したり広い圧力測定領域における大まかな圧力測定に利用できる。
【００１１】
また、本発明の請求項２にかかる容量式圧力センサは、請求項１に記載の容量式圧力センサにおいて、リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値が一定の範囲内において感圧キャパシタンス検出部の信号出力値とリファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値とに基づいて圧力に対応した外部出力値を出力するとともに、リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値が一定の範囲を超えたときは所定の外部出力値を出力することを特徴としている。
【００１２】
リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値を感圧キャパシタンス検出部の通常の圧力測定範囲外であるか否かの判断に用いることで、感圧キャパシタンス検出部が形成されたダイアフラムの一部領域が着座する瞬間に感圧キャパシタンス検出部が発生する誤信号をキャンセルすることができ、正確な圧力測定を可能とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３にかかる容量式圧力センサは、請求項２に記載の容量式圧力センサにおいて、前記リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値が一定の範囲を超えたとき、アラームを出すことを特徴としている。
【００１４】
リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値に基づいて感圧キャパシタンス検出部が通常の圧力測定範囲外であることをアラームで知らせることによって、通常圧力測定範囲内の測定値のみを正しい測定値として利用することができる。
【００１５】
また、本発明の請求項４にかかる容量式圧力センサは、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の容量式圧力センサにおいて、リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値を外部出力値として出力することを特徴としている。
【００１６】
従来、感圧キャパシタンス検出部の温度補償用にだけ用いていたリファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値を外部出力値として利用することで、１つの圧力センサで圧力測定精度を必要とする狭い範囲の圧力のみを測定するだけでなく、圧力測定精度を必要としない広い範囲の圧力をも測定することができ、圧力センサの小型化が図れる。
【００１７】
また、本発明の請求項５にかかる容量式圧力センサは、請求項２に記載の容量式圧力センサにおいて、リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値が一定の範囲内において感圧キャパシタンス検出部の信号出力値とリファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値とに基づいて圧力に対応した外部出力値を得るとともに、リファレンスキャパシタンス検出部の出力が一定の範囲を超えたときは、請求項２に記載の所定の外部出力値を出力することに代えてリファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値を外部出力値として出力することを特徴としている。
【００１８】
測定精度を必要とする狭い圧力の外部出力値と測定精度を必要としない広い圧力範囲の外部出力値とを択一的に自動で切り換えるので、圧力センサの外部出力値をユーザーが一義的に利用することができ、通常の測定範囲を超えて出力された別々の外部出力値をユーザーが迷いながら選択することがなくなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、全体が小型化しかつ信頼性に優れた容量式圧力センサであって、異なる圧力測定領域を測定可能な信頼性のある容量式圧力センサを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態にかかる容量式圧力センサ１（以下、「圧力センサ１」とする）について説明する。本発明の一実施形態にかかる圧力センサ１は、図１に示すように酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶体であるサファイアでできたベース部１１と、同じくサファイアでできたダイアフラム１２と、ベース部１１とダイアフラム１２とで形成される容量室１３に対向配置された感圧電極１１１，１２１及びリファレンス電極１１２，１２２とを備えている。そして、圧力センサ１は図中二点鎖線で示すサファイアからなるカバープレート１５及び金属の耐食材からなるメタルプレート１６を介して支持されている。
【００２１】
また、ベース部１１とダイアフラム１２との間は上述した特許文献１に記載のように直接接合がなされている。
【００２２】
ベース部１１には容量室内部を真空に保つための導通孔１１ｂが形成され、ベース部外部に設けられたいわゆるゲッター（図示せず）と呼ばれる気体吸着物質を介して容量室内部の圧力を真空に保つようになっている。
【００２３】
ベース部１１には、ドライエッチングによって凹み部１１ａが形成されており、当該凹み部１１ａのほぼ中央部に金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）からなる例えば平面視で丸型の感圧キャパシタンス検出用電極１１１が形成されている。また、この電極１１１の周囲を囲むように、この電極１１１と離間して例えば平面視で環状のリファレンスキャパシタンス検出用電極１１２が形成されている。
【００２４】
一方、ダイアフラム１２の容量室側平面にも、ベース部１１の感圧キャパシタンス検出用電極１１１と対向する位置にダイアフラム１２の感圧キャパシタンス検出用電極１２１が形成されるとともに、ベース部１１のリファレンスキャパシタンス検出用電極１１２と対向する位置にダイアフラム１２のリファレンスキャパシタンス検出用電極１２２が形成されている。
【００２５】
また、これらのダイアフラム１２及びベース部１１に形成された電極１１１，１１２，１２１，１２２は図示しないリード線及び電極パットを介してそれぞれセンサ外部に電気的に導出している。
【００２６】
そして、圧力センサ１は、上述したカバープレート１５とメタルプレート１６からなる圧力隔壁を介して、ベース部外部及び容量室内部の真空である基準圧力領域と、測定すべき気体の圧力が加わるダイアフラム外部の圧力印加領域とに画定されている。なお、圧力センサ１の測定精度を必要とする使用範囲内ではダイアフラム１２のリファレンスキャパシタンス検出部１０２が形成された領域は着座しないようになっている。
【００２７】
以上のように、感圧キャパシタンス検出部１０１は、ダイアフラム１２の圧力に対する感度の大きい領域に形成され、丸型の電極が対向したコンデンサからなり、感圧キャパシタンス（静電容量）ＣＸを有している。また、リファレンスキャパシタンス検出部１０２は、上述のコンデンサの外側であってダイアフラム１２の圧力に対する感度の小さい領域に形成され、環状の電極が対向したコンデンサからなり、リファレンスキャパシタンス（静電容量）ＣＹを有している。
【００２８】
なお、圧力センサ１がサファイア等どのような材料でできていても周囲の温度によって膨張したり収縮したりするため、圧力センサの電極間の静電容量が変化するが、このように１つのダイアフラムに２つのコンデンサを形成して、特別な信号処理を行いながら感圧キャパシタンス検出部１０１とリファレンスキャパシタンス検出部１０２の両方で圧力測定を行うことによって、測定精度の要求される微小圧力の測定において温度変化による出力の誤差をキャンセルすることができる。なお、この具体的な出力誤差のキャンセル方法については後述する。
【００２９】
このような構成を有した圧力センサ１は、通常の半導体チップ製造プロセス中の真空チャンバ内に省スペースを保ちながら設置され、真空チャンバを閉じた状態における半導体プロセスガスの圧力、すなわち殆んど真空に近い範囲での圧力を測定するとともに、プロセスチャンバを開放してシリコンウェハを当該チャンバ内に入れたりシリコンチップを外に出したりするときなどのハンドリングに適した大気圧に当該チャンバ内があるかどうかを測定するようになっている。
【００３０】
なお、図１（ａ）は、プロセスチャンバを閉じた状態において例えば１００Ｐａ程度の微少圧力が圧力センサに加わった状態を示している。また、図１（ｂ）は、かかる圧力センサ１のダイアフラムに例えば２,０００Ｐａ程度の圧力が加わったときのダイアフラムの着底状態を示している。また、図１（ｃ）は、図１（ｂ）の状態に更に高い圧力が加わった状態を示している。
【００３１】
このように過大圧力が印加されたときに、ダイアフラム１２が対向するベース部１１に着底することにより、破壊耐圧を高めている構造になっている。
【００３２】
続いて、感圧キャパシタンス検出部１０１とリファレンスキャパシタンス検出部１０２とから温度補正を行い、圧力を測定するのに必要な信号出力値Ｖ１，Ｖ２を得る検出回路の一例について説明する。かかる検出回路は、図２に示すような構成となっている。ここでＶＳｉｎはこの回路への入力信号（交流電流）を表し、ＣＸは感圧キャパシタンス検出部１０１で構成されるコンデンサ容量を示し、ＣＹはリファレンスキャパシタンス検出部１０２で構成されるコンデンサ容量を示している。また、ＣＦは回路上のコンデンサ容量を示し、Ｄｅｔｅｃｔｏｒは半波整流又は全波整流回路を示している。また、ＬＰＦは整流された電圧を平均化するローパスフィルタである。
【００３３】
そして、この検出回路に所定の交流電流を流す。この交流電流が回路上のコンデンサＣＦを経て電流が電圧に変換されて正弦波の電圧になる。そして、この交流電圧をＤｅｔｅｃｔｏｒによって全波整流又は半波整流することで直流の電圧とし、ＬＰＦでこの電圧を平均化する。そして、これらの信号処理によって各キャパシタンスＣＸ、ＣＹに基づいた信号出力値Ｖ１，Ｖ２を得るようになっている。なお、ここでいう信号出力値とは、圧力センサ１の圧力計測にあたって内部的に使用する出力値である。
【００３４】
なお、図２に示した検出回路の場合、その回路構成上から信号出力値Ｖ１，Ｖ２には各々、ＣＸ−ＣＹ、ＣＸに比例した信号が出力される。このように得られたＶ１，Ｖ２は下記の演算により、Ｖ１／Ｖ２とされ、微少圧力における正確な圧力測定値（外部出力値）として利用可能になっている。なお、ここでいう外部出力値とは、圧力センサ１の圧力計測にあたって外部に出力する出力値である。
【００３５】
【数１】
2005331328.tif 000003
以下、Ｖ１／Ｖ２を微少圧力における正確な圧力測定値（外部出力値）として利用できる理由について説明する。
【００３６】
本実施形態にかかる圧力センサ１は、上述のとおり圧力により電極間が変化することを容量の変化として検出する圧力センサである。そして、上述したように圧力により変化する感圧キャパシタンス検出部１０１（感圧キャパシタンスＣＸ）がダイアフラム中央領域に配置されている。なお、感圧キャパシタンスＣＸは電極間の誘電率の変化や温度変化による材料の熱膨張係数に起因して誤差特性をもってしまう。そのため、上述のとおり誤差を補正するために圧力により変化しないリファレンスキャパシタンス検出部１０２（リファレンスキャパシタンスＣＹ）がダイアフラム周辺領域に配置されている。
【００３７】
ここで、圧力により変化するこれら電極間の隔間の変化量をΔｄとすると、それぞれの容量値は下式で表される。
【００３８】
【数２】
2005331328.tif 000004
【００３９】
【数３】
2005331328.tif 000005
ε：誘電率
ｄ：電極間距離
Ｓ：電極面積
そして以下の計測を行うことにより、誘電率や温度特性等の影響をキャンセルし、電極間距離の変化、すなわちこれらの影響をキャンセルした状態での圧力の変化に比例した正確な計測を可能とする。
【００４０】
【数４】
2005331328.tif 000006
すなわち、上述の回路から得られた信号出力値Ｖ１，Ｖ２の比であるＶ１／Ｖ２はΔｄ／ｄと等価であり、圧力により変化する電極間の隔間の狭まり具合を表し、微少圧力測定時の正確な圧力を検出できるようになる。
【００４１】
なお、上述のように（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸのみで微少圧力値を表す代わりに、（ＣＸ−ＣＹ）／（ＣＸ＋ＣＹ）、又は（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＹ、又はＣＸ−ＣＹ、又はＣＸ／ＣＹを計測するような回路構成としても、誘電率や温度特性の影響をキャンセルして微少圧力を正確に測定することができる。
【００４２】
続いて、上述の回路構成で得られた外部出力値を利用した本実施形態にかかる圧力センサの圧力検出アルゴリズムについて、図３乃至図６に基づいて説明する。
【００４３】
なお、かかるアルゴリズムを実施するにあたって、リファレンスキャパシタンス検出部１０２の信号出力値を得る必要があるため、図２に示す回路構成に加えて出力Ｖ３を得ることのできる回路を加えた図３に示す回路構成を本実施形態では用いる。この検出回路ではその回路構成上から信号出力値Ｖ３としてリファレンスキャパシタンスＣＹのみに比例した信号出力値が計測できる。このＣＹにのみ比例した信号出力値Ｖ３の用い方については以下のアルゴリズムにおいて説明する。
【００４４】
以下に検出アルゴリズムの第１のアルゴリズム乃至第４のアルゴリズムを順々に説明する。第１のアルゴリズムとしては、上述した検出回路による（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸの計測と同時にリファレンスキャパシタンスＣＹの単独の信号出力値の計測も常時行う。そして、リファレンスキャパシタンスＣＹの信号出力値が後述するように図４に示すＡ点を超えた場合、感圧キャパシタンスＣＸの信号出力値が通常の計測値の値であるにもかかわらず、強制的に感圧キャパシタンスＣＸの信号出力値を上限値（所定値）に固定して外部出力値として使用することにより、誤出力をなくすようになっている。なお、その判断はマイクロプロセッサ等を使用してプログラムで実施しても良いし、アナログ的にコンパレータの出力でスイッチを駆動して実施しても良い。
【００４５】
かかる第１のアルゴリズム（感圧キャパシタンス検出部のダイアフラム着底に伴う異常出力防止アルゴリズム）の具体的内容は以下のとおりである。
【００４６】
まず、リファレンスキャパシタンスＣＹの信号出力値を図３に示す回路のＶ３として計測し、必要ならば補正演算をする。
【００４７】
この信号出力値がＡ以下であれば、上述した検出回路によって（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸ＝Δｄ／ｄを計測し、必要ならば補正演算をしながら出力する。すなわち、このΔｄ／ｄを微少圧力の測定値として出力する。
【００４８】
また、この信号出力値がＡ以上であれば、感圧キャパシタンスＣＸの出力を上限値に固定し、この上限値を外部出力値として出力する。
【００４９】
図４は、このような圧力センサ１の感圧キャパシタンス検出部１０１から得られるセンサ出力とリファレンスキャパシタンス検出部１０２から得られるセンサ出力とを圧力センサ１に加わる圧力の大きさに応じて示した図である。
【００５０】
図４の実線に示すように、圧力が０Ｐａ〜１５０Ｐａまでの範囲においては感圧キャパシタンス検出部１０１の信号出力値が圧力センサ１に作用するプロセスガスの圧力に応じて上昇するが、それ以上の圧力においては感圧キャパシタンス検出部１０１の信号出力値が上限値に固定されたまま外部出力値として出力される（図４中の実線参照）。
【００５１】
なお、感圧キャパシタンス検出部１２１が形成されたダイアフラム１２の一部領域は本実施形態の場合２,０００Ｐａ程度で着底するようになっているが、この際、従来の感圧キャパシタンス検出部の出力のようにこの着底付近で出力が一時的に低下するような（図４中の二点鎖線参照）不具合は生じず、実線で示したように外部出力値が上限値に固定されたままとなってダイアフラム着底時の誤った外部出力値の発生を防止している。
【００５２】
このように、リファレンスキャパシタンス検出部１０２の信号出力値を感圧キャパシタンス検出部１０１の通常の圧力測定範囲外であるか否かの判断に用いることで、感圧キャパシタンス検出部１０１が形成されたダイアフラム１２の一部領域が着座する瞬間に感圧キャパシタンス検出部１０１が発生する誤信号をキャンセルすることができ、正確な圧力測定を可能とする。
【００５３】
また、第２のアルゴリズムとして第１のアルゴリズムのように感圧キャパシタンスＣＸの信号出力値を外部出力値として上限値に固定することに加えて、これと同時にアラーム信号を出力しても良い。これによって、ユーザーは感圧キャパシタンス検出部１０１が通常の測定範囲外にあることを瞬時に判断できる。
【００５４】
かかる第２のアルゴリズム（感圧キャパシタンス検出部１０１のダイアフラム着底に伴う異常出力防止＋アラーム発報アルゴリズム）の具体的内容は以下の通りである。
【００５５】
まず、リファレンスキャパシタンスＣＹの信号出力値を計測し、必要ならば補正演算をする。ここで、この信号出力値がＡ以下であれば、上述した検出回路によって（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸ＝Δｄ／ｄを計測し、必要ならば補正演算をしながらこれを外部出力値として出力する。すなわち、このΔｄ／ｄを微少圧力の測定値として利用する。また、この信号出力値がＡ以上であれば感圧キャパシタンスＣＸの外部出力値として上限値を出力するとともに、アラーム信号を出力する。
【００５６】
この第２のアルゴリズムにおいては、図４に示す出力特性を有する点で第１のアルゴリズムと同様である。すなわち、圧力センサ１の感圧キャパシタンス検出部１０１から得られる信号出力値とリファレンスキャパシタンス検出部１０２から得られる信号出力値から温度による影響をキャンセルした信号処理を行っている点、及びダイアフラム１２の感圧キャパシタンス検出部着底時の誤った外部出力値の計測を防止している点では第１のアルゴリズムと同様である。しかしながら、０Ｐａ〜１５０Ｐａ以上の圧力においては感圧キャパシタンス検出部１０１の信号出力値が外部出力値として上限値に固定されることに加えてアラームが発報するようになっている点で第１のアルゴリズムと異なっている。
【００５７】
このように、リファレンスキャパシタンス検出部１０２の信号出力値に基づいて感圧キャパシタンス検出部１０１が通常の圧力測定範囲外であることをアラームで知らせることによって、通常圧力測定範囲内の外部出力値のみを正しい測定値として利用することができる。
【００５８】
続いて、第３のアルゴリズムについて説明する。第３のアルゴリズムとしては、リファレンスキャパシタンスＣＹの信号出力値がＡ点を超えて計測することにより、そのリファレンスキャパシタンスＣＹの信号出力値がＡ点を超える前までに計測したリファレンスキャパシタンスＣＹの信号出力値をそのまま外部出力値として出力するようになっている。
【００５９】
かかる第３のアルゴリズム（感圧キャパシタンスＣＸのダイアフラム着底に伴う異常防止＋リファレンスキャパシタンスＣＹの出力アルゴリズム）の具体的内容は以下の通りである。
【００６０】
まず、リファレンスキャパシタンスＣＹ値を計測し、必要なら補正演算をする。そして、この信号出力値がＡ以下であれば、上述した検出回路によって（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸ＝Δｄ／ｄを計測し、必要なら補正演算を行ってこれを外部出力値として出力する。そして、このΔｄ／ｄを微少圧力の測定値として出力する。
【００６１】
また、上述した信号出力値がＡ以上であれば、感圧キャパシタンス検出部１０１の外部出力値として上限値を出力するとともにリファレンスキャパシタンス検出部１０２の信号出力値を外部出力値として出力する。
【００６２】
図５は、このような圧力センサ１の感圧キャパシタンス検出部１０１から得られるセンサ出力とリファレンスキャパシタンス検出部１０２から得られるセンサ出力とを圧力センサ１に加わる圧力の大きさに応じて示した図である。
【００６３】
図５の実線に示すように、圧力が０Ｐａ〜１５０Ｐａまでの範囲においては感圧キャパシタンス検出部１０１の信号出力値が圧力センサ１に作用するプロセスガスの圧力に応じて上昇するが、それ以上の圧力においては感圧キャパシタンス検出部１０１の信号出力値が上限値に固定されたまま外部出力値として出力されるようになっている。
【００６４】
なお、感圧キャパシタンス検出部１２１の形成されたダイアフラム１２の一部領域が２,０００Ｐａ程度で着底するようになっているが、この場合においても従来の感圧キャパシタンス検出部のように着底付近でセンサ出力が一時的に低下するような（図中二点鎖線参照）不具合は生じず、実線で示したように外部出力値が上限値に固定されたままとなって、ダイアフラム着底時の誤った外部出力値の発生を防止している。
【００６５】
一方、リファレンスキャパシタンス検出部１０２の信号出力値は大気圧１００,０００Ｐａを超える範囲まで圧力センサ１に作用するプロセスガスの圧力に応じてその信号出力値が上昇するようになっており、これをそのまま外部出力値として出力する。なお、圧力センサ１の通常の使用範囲外である大気圧を超えた範囲において、リファレンスキャパシタンス検出部１０２が形成されたダイアフラム１２の一部領域が着底するようになっている。
【００６６】
これにより広い圧力の範囲を計測することができ、１つのセンサで仮想的に２台のセンサの役割を果たすことができ、圧力センサの小型化を実現する。
【００６７】
なお、上述の実施形態でリファレンスキャパシタンスＣＹの測定精度を高めるためには、マイクロプロセッサ等で温度補正や直線性補正をすれば良い。
【００６８】
一方、第４のアルゴリズムとしてリファレンスキャパシタンス検出部の計測値がＡ点を超えたときに、通常の計測値をリファレンスキャパシタンス検出部１０２の計測で求められた外部出力値にマイクロプロセッサ等で自動的に切り替えるような方式にしても良い。
【００６９】
かかる第４のアルゴリズム（感圧キャパシタンス検出部のダイアフラム着底に伴う異常防止＋リファレンスキャパシタンス検出部の出力自動切換えアルゴリズム）の具体的内容は以下の通りである。
【００７０】
まず、リファレンスキャパシタンスＣＹを計測し、必要なら補正演算をする。ここで、この信号出力値がＡ以下であれば、上述した検出回路によって（ＣＸ−ＣＹ）／ＣＸ＝Δｄ／ｄを計測し、必要ならば補正演算を行ってこれを外部出力値として出力する。すなわち、このΔｄ／ｄを微少圧力の測定値とする。
【００７１】
また、リファレンスキャパシタンスＣＹの信号出力値がＡ以上であれば、リファレンスキャパシタンスＣＹの信号出力値のみを圧力センサ１の外部出力値として出力する。
【００７２】
図６は、このような圧力センサ１の感圧キャパシタンス検出部１０１から得られるセンサ出力とリファレンスキャパシタンス検出部１０２から得られるセンサ出力とを圧力センサ１に加わる圧力の大きさに応じて示した図である。
【００７３】
図６の実線に示すように、圧力が０Ｐａ〜１５０Ｐａまでの範囲においては感圧キャパシタンス検出部１０１の信号出力値が圧力センサ１に作用するプロセスガスの圧力に応じて上昇するが、それ以上の圧力においては感圧キャパシタンス検出部１０１の信号出力値が上限値に固定されたままとなり、図中点線で示すように外部出力値としては出力されないようになっている。
【００７４】
一方、リファレンスキャパシタンス検出部１０２の信号出力値は大気圧１００,０００Ｐａを超える範囲まで圧力センサ１に作用するプロセスガスの圧力に応じて上昇するようになっており、圧力センサ１の通常の使用範囲外である０Ｐａ〜１５０Ｐａを超えた範囲において、感圧キャパシタンス検出部１０１から外部出力値を出力しない代わりに、リファレンスキャパシタンス検出部１０２の信号出力値Ｖ３がそのまま外部出力値として出力されるようになっている。
【００７５】
これにより、微少圧力の範囲の計測に関しては精度良く計測でき、かつ幅広い圧力の範囲にわたって計測を可能とする。また、リファレンスキャパシタンス検出部１０２の信号出力値Ａを閾値として外部出力値の自動的な切り替えにより、一義的な外部出力値が得られるようになり、ユーザーが外部出力値の選択に迷うことがなくなる。
【００７６】
なお、上述の実施形態において説明した検出回路は、その回路構成に限定されるものではなく、以下の変形例のような回路構成としても、上述の第１のアルゴリズム乃至第４のアルゴリズムを実現可能である。
【００７７】
続いて、上述した実施形態の検出回路に関する変形例について説明する。この変形例に関する検出回路は、図７に示す回路構成を有している。なお、この検出回路の各構成要素の名称は、上述した検出回路と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００７８】
図７の動作方法としては、以下のような入力信号を感圧キャパシタンス検出部とリファレンスキャパシタンス検出部に時分割で入力して計測を行なうことにより、各入力信号に対する各々の計測値を求める。
【００７９】
【表１】
2005331328.tif 000007
そして、以下の感圧キャパシタンス検出部の信号出力値Ｖ１とリファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値Ｖ２との比、すなわち微少圧力における圧力を正確に表したΔｄ／ｄを外部出力値として出力する。
【００８０】
【数５】
2005331328.tif 000008
または、より回路の誤差要因を排除するためには、下記のように計測し高精度な計測値を求めても良い。
【００８１】
【数６】
2005331328.tif 000009
このように、本変形例の検出回路において時分割で得られた信号出力値Ｖ１〜Ｖ４を上述のように演算することで、式１（数１）に示すように外部出力値Δｄ／ｄを求めることができ、圧力の正確な測定を可能とする。
【００８２】
これに加えて、上述した第１から第４のアルゴリズムを実施するために上述した時分割で計測する信号に以下の信号を加え、リファリンスキャパシタンスＣＹ単独の計測を実施する。これによって、上述した第１のアルゴリズムから第４のアルゴリズムにこのリファレンスキャパシタンスＣＹ単独の信号出力値Ｖ７を外部出力値として利用することができる。
【００８３】
【表２】
2005331328.tif 000010
このような検出回路の変形例を用いても上述した第１のアルゴリズム乃至第４のアルゴリズムに基づき圧力測定を行うことができる。
【００８４】
以上説明したように、従来の計測方式では、過大圧がかかってダイアフラムが着底すると、センサの破壊は防止できるが当然ながら計測はできなくなる。
また、ダイアフラムの変形の仕方によっては、着底時の機械的な動作要因で容量値が異常な値となり、圧力が印加されているのに、圧力がかかっていないという誤信号を出力してしまう可能性がある。
【００８５】
すなわち、ダイアフラムの感圧リファレンス検出部が形成された領域の着底により互いに離間して対向した電極の容量で測っていたものが急に抵抗値になるが、ダイアフラムが着底する瞬間は抵抗値であるか容量値であるか分からない不適切な出力信号が出る。これによって実際の圧力に対して低い圧力と誤判断するおそれがある。それを対策するために、センサの構造で誤信号が発生しないように工夫を施す必要があるが、コストアップの要因につながる。
【００８６】
しかしながら、本実施形態のような検出回路又はその変形例を用いて上述した第１のアルゴリズムから第４のアルゴリズムに基づいて圧力センサの出力を管理することで、ダイアフラムの感圧リファレンス検出部の形成領域が着底することに起因する誤信号をキャンセルできる。
【００８７】
すなわち、本実施形態では、ダイアフラムの感圧キャパシタンス検出部の形成領域が着底しても周辺部に配置されているリファレンスキャパシタンス検出部の形成領域は着底せず、かつ感圧キャパシタンス検出部に比べると変位は小さいがリファレンスキャパシタンス検出部は広い圧力範囲に感度があることを利用しており、従来の計測に加えてリファレンスキャパシタンスＣＹ単独の計測も同時に実施することに特徴を有している。
【００８８】
それにより、通常の計測レンジよりもはるかに広い計測範囲（例えば、通常の計測範囲に対して１００倍等の圧力範囲）を、誤差は多少大きくなるが１つの圧力センサで提供することができ、従来のように別々の圧力センサを設ける必要がなくなる。
【００８９】
また、着底時の異常な動きがあったとしても、誤信号を出力しないような信頼性の高い圧力センサを提供できる。
【００９０】
なお、上述した実施形態においては、サファイアでできた圧力センサについて説明したが、必ずしもこれに限定されず、例えば石英でできた圧力センサやセラミックでできた圧力センサ、シリコンでできた圧力センサにも本発明を適用可能である。
【００９１】
また、上述の実施形態においてはリファレンスキャパシタンス検出部１０２の信号出力値がＡ以上になると、感圧キャパシタンス検出部１０１の外部出力値が上限値に固定されるようになっていたが、感圧キャンパス検出部の信号出力値が圧力の上昇に伴って小さくなる場合は、リファレンスキャパシタンス検出部の信号出力値がＡ以上になると感圧キャパシタンス検出部の信号出力値が下限値に固定するようにしても本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明にかかる容量式圧力センサは、その実施形態として半導体プロセスの真空チャンバに取付けられる容量式圧力センサについて説明したが、この容量式圧力センサの取付け対象としてはこのような真空チャンバに限定されず、例えばタイヤ製造プロセスに設置される加硫機のように大気圧近傍の圧力を精度良く測定するとともに、装置作動中の装置内の高い圧力を広い圧力レンジにわたって大まかに測定する場合や食品加工プラントのように食品の出し入れ時において圧力が大気圧近傍にあることを正確に測定するとともに、食品加工時にプラント間が高圧にあることを大まかに測定する必要がある場合などのアプリケーションに広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる容量式圧力センサの概略構成を示した断面図であり、通常測定範囲内の状態を示した断面図（図１（ａ））、センサダイアフラムが着底した瞬間の状態を示した断面図（図１（ｂ））、及びセンサダイアフラムが着底した後の状態を示した断面図（図１（ｃ））である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる容量式圧力センサの圧力測定時における温度補償を行うための検出回路を示した図である。
【図３】本実施形態の検出回路を示した図である。
【図４】本実施形態の第１のアルゴリズム及び第２のアルゴリズムにおいてセンサダイアフラムに加わる圧力と感圧キャパシタンス検出部及びリファレンスキャパシタンス検出部の出力との関係をそれぞれ示した図である。
【図５】本実施形態の第３のアルゴリズムにおいてセンサダイアフラムに加わる圧力と感圧キャパシタンス検出部及びリファレンスキャパシタンス検出部の出力との関係をそれぞれ示した図である。
【図６】本実施形態の第４のアルゴリズムにおいてセンサダイアフラムに加わる圧力と感圧キャパシタンス検出部及びリファレンスキャパシタンス検出部の出力との関係をそれぞれ示した図である。
【図７】本実施形態にかかる容量式圧力センサの検出回路の変形例を示した図である。
【符号の説明】
【００９４】
１    圧力センサ
１１    ベース部
１１ａ    凹み部
１２    ダイアフラム
１３    容量室
１５    カバープレート
１６    メタルプレート
１０１    感圧キャパシタンス検出部
１０２    リファレンスキャパシタンス検出部
１１１，１２１    感圧キャパシタンス検出用電極
１１２，１２２    リファレンスキャパシタンス検出用電極
ＣＸ    感圧キャパシタンス
ＣＹ    リファレンスキャパシタンス
【図１】
2005331328.tif 000011
【図２】
2005331328.tif 000012
【図３】
2005331328.tif 000013
【図４】
2005331328.tif 000014
【図５】
2005331328.tif 000015
【図６】
2005331328.tif 000016
【図７】
2005331328.tif 000017