(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体の圧力に対応した電気信号を出力する圧力計と、該圧力計の出力に対して所定の換算式を適用して前記気体の圧力を算出する演算部とを備えた圧力測定装置であって、
前記圧力計は、２つの開口部を有する空洞が配された筐体と、前記空洞の長手方向の途中に配され、前記気体と熱交換を行う電気抵抗体とを少なくとも有し、
前記筐体は、前記電気抵抗体がメンブレンとなる電気絶縁膜と密着層を介して表面に形成された基板と、前記空洞を構成する溝が形成されて前記基板の表面を覆うカバー部材と、前記基板の裏面を覆う裏面カバーとを備え、
前記基板における前記電気抵抗体が配された位置には、前記電気抵抗体の周縁を取り巻くスリット状に前記電気絶縁膜から前記裏面カバーまで開口面積が漸増するテーパ状として前記基板を貫通する貫通孔が形成され、
前記電気抵抗体がメアンダ形状にパターニングした細線として形成され、
前記空洞の最も長い距離が１ｍｍ以下とされ、かつ該空洞の使用する際の重力方向に沿った長さが１ｍｍ以下であり、
前記演算部は、前記圧力計の測定可能な圧力範囲のうち、低圧側である第一圧力範囲において第一換算式を適用して圧力を算出し、前記第一圧力範囲よりも高い高圧側である第二圧力範囲において第二換算式を適用して圧力を算出することを特徴とする圧力測定装置。
【請求項２】
前記第一圧力範囲は、１０−３Ｐａ以上１０Ｐａ未満であり、前記第二圧力範囲は、１０Ｐａ以上１０５Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１記載の圧力測定装置。
【請求項３】
前記圧力計の出力Ｖ、前記気体の圧力Ｐ、ａ，ｂおよびｃを定数としたときに、前記第一換算式は下記の数式１で、また、前記第二換算式は下記の数式２で、それぞれ表されることを特徴とする請求項１または２記載の圧力測定装置。
【数１】
0005248218.tif 000006
【数２】
0005248218.tif 000007
【請求項４】
前記空洞は、その経路の途中に屈曲部を備えていることを特徴とする請求項１ないし３記載の圧力測定装置。
【請求項５】
前記電気抵抗体の近傍には、第一加熱手段と、第二加熱手段が更に配されていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の圧力測定装置。
【請求項６】
前記電気抵抗体は、Ｐｔ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｗ，Ｗ−Ｍｏ合金，Ｔａのうち、少なくとも１種以上からなるとともに、膜厚が２００〜４００ｎｍ、線幅が１０〜２０μｍ、抵抗値が１００〜１５０Ωに形成されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の圧力測定装置。
【請求項７】
前記カバー部材は、例えば、Ｓｉ，Ｓｉ０２，ＧａＮ，サファイア，Ａｌ２Ｏ３，硼珪酸ガラス，Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，ＳｉＡｌＯＮのうち、少なくとも１種以上からなることを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載の圧力測定装置。
【請求項８】
前記電気絶縁膜は、Ｓｉ０２，サファイア，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，ＳｉＡｌＯＮのうち、少なくとも１種以上からなることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の圧力測定装置。
【請求項９】
前記密着層が、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｔａ２Ｏ５のうち、少なくとも１種以上からなることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の圧力測定装置。
【請求項１０】
前記空洞の前記電気抵抗体が形成された領域における内壁面は、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌのうち、少なくとも１種以上からなる薄膜で覆われていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の圧力測定装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０いずれか１項記載の圧力測定装置を用いて、圧力を測定することを特徴とする圧力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力測定装置および圧力測定方法に関し、詳しくは、電気抵抗体と気体との熱交換により生じる熱損失量に基づいて、気体の圧力を測定する圧力測定装置および圧力測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気体の圧力を測定する圧力測定装置の一例として、ピラニ真空計（熱伝導型真空計）が知られている。このピラニ真空計は、例えば、細い金属線からなるフィラメント（電気抵抗体）を備え、このフィラメントと気体との熱交換によって、フィラメントの熱損失量に基づいて気体の圧力を測定するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
こうしたピラニ真空計は、気体の圧力に応じてフィラメントから出力される電圧値に基づいて圧力値を得るために、例えば、圧力測定装置を構成する演算部で、予め作成された出力電圧値と圧力値との対応テーブルを参照して、気体の圧力値を得るようになっている
【０００４】
また、出力電圧値と圧力値との関係を示す１つの数式に、フィラメントから出力される電圧値を当てはめて、気体の圧力値を算出する圧力測定装置も知られている。
【特許文献１】特開２００５−１１４５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような、フィラメントの出力電圧値と圧力値との対照表を参照する方式では、圧力測定装置ごとに予め対照表を作成して記憶させておかなければならず、コストがかかるという課題があった。また、経時変化により対照表の出力電圧値と圧力値とのズレが生じた場合、新たに補正された参照表を作成して記憶させなければならないなど、メンテナンスにも手間がかかるという課題もあった。
【０００６】
一方、出力値−圧力値の関係を示す単一の数式を用いて圧力値を得る方式では、圧力測定範囲が広い場合、単一の数式に出力値を適用するだけでは実際の圧力との誤差が大きくなり、特に低真空〜常圧以上の圧力領域では、その誤差が無視できないほど大きくなるという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、常圧から高真空までの広い圧力範囲で圧力を正確に検出可能であり、かつ、低コストで生産が可能で、経時変化によるメンテナンス性にも優れた圧力測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、広い圧力範囲に渡って正確に圧力を検出することが可能な圧力測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は次のような圧力測定装置を提供した。
すなわち、本発明の圧力測定装置は、気体の圧力に対応した電気信号を出力する圧力計と、該圧力計の出力に対して所定の換算式を適用して前記気体の圧力を算出する演算部とを備えた圧力測定装置であって、
前記圧力計は、２つの開口部を有する空洞が配された筐体と、前記空洞の長手方向の途中に配され、前記気体と熱交換を行う電気抵抗体とを少なくとも有し、
前記筐体は、前記電気抵抗体がメンブレンとなる電気絶縁膜と密着層を介して表面に形成された基板と、前記空洞を構成する溝が形成されて前記基板の表面を覆うカバー部材と、前記基板の裏面を覆う裏面カバーとを備え、
前記基板における前記電気抵抗体が配された位置には、前記電気抵抗体の周縁を取り巻くスリット状に前記電気絶縁膜から前記裏面カバーまで開口面積が漸増するテーパ状として前記基板を貫通する貫通孔が形成され、
前記電気抵抗体がメアンダ形状にパターニングした細線として形成され、
前記空洞の最も長い距離が１ｍｍ以下とされ、かつ該空洞の使用する際の重力方向に沿った長さが１ｍｍ以下であり、
前記演算部は、前記圧力計の測定可能な圧力範囲のうち、低圧側である第一圧力範囲において第一換算式を適用して圧力を算出し、前記第一圧力範囲よりも高い高圧側である第二圧力範囲において第二換算式を適用して圧力を算出することを特徴とする。
【００１０】
前記第一圧力範囲は、１０−３Ｐａ以上１０Ｐａ未満であり、前記第二圧力範囲は、１０Ｐａ以上１０５Ｐａ以下であればよい。
【００１１】
前記圧力計の出力Ｖ、前記気体の圧力Ｐ、ａ，ｂおよびｃを定数としたときに、前記第一換算式は下記の数式１で、また、前記第二換算式は下記の数式２で、それぞれ表されればよい。
【数１】
0005248218.tif 000002
【数２】
0005248218.tif 000003
【００１２】
前記空洞は、その経路の途中に屈曲部を備えていればよい。前記電気抵抗体の近傍には、第一加熱手段と、第二加熱手段が更に配されていればよい。前記第一加熱手段は、前記圧力計の測定可能な圧力範囲の全域に渡って、前記電気抵抗体の温度補償を行い、前記第二加熱手段は、前記圧力計の測定可能な圧力範囲のうち、圧力が１０Ｐａ以上の領域で更に温度補償を行えばよい。
【００１３】
前記電気抵抗体は、Ｐｔ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｗ，Ｗ−Ｍｏ合金，Ｔａのうち、少なくとも１種以上から形成されればよい。前記電気抵抗体は、一面に電気絶縁膜を形成した基板に形成され、該基板は、Ｓｉ，Ｓｉ０２，シリコンナイトライド，サファイア，Ａｌ２Ｏ３，硼珪酸ガラス，Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，ＳｉＡｌＯＮのうち、少なくとも１種以上から形成されればよい。前記電気絶縁膜は、Ｓｉ０２，サファイア，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，ＳｉＡｌＯＮのうち、少なくとも１種以上から形成されればよい。
【００１４】
本発明の圧力測定装置は、前記電気抵抗体は、Ｐｔ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｗ，Ｗ−Ｍｏ合金，Ｔａのうち、少なくとも１種以上からなるとともに、膜厚が２００〜４００ｎｍ、線幅が１０〜２０μｍ、抵抗値が１００〜１５０Ωに形成されていることができる。
本発明の圧力測定装置は、前記カバー部材は、例えば、Ｓｉ，Ｓｉ０２，ＧａＮ，サファイア，Ａｌ２Ｏ３，硼珪酸ガラス，Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，ＳｉＡｌＯＮのうち、少なくとも１種以上からなることができる。
本発明の圧力測定装置は、前記電気絶縁膜は、Ｓｉ０２，サファイア，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，ＳｉＡｌＯＮのうち、少なくとも１種以上からなることができる。
本発明の圧力測定装置は、前記密着層が、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｔａ２Ｏ５のうち、少なくとも１種以上からなることができる。
本発明の圧力測定装置は、前記空洞の前記電気抵抗体が形成された領域における内壁面は、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌのうち、少なくとも１種以上からなる薄膜で覆われていることができる。
また、本発明の圧力測定方法は、上記の圧力測定装置を用いて、圧力を測定することを
特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
従来、圧力範囲が１０Ｐａ以上の中間流領域〜粘性流領域では、圧力範囲が１０Ｐａ未満の自由分子流領域に比べて、圧力値と出力電圧値が直線状に比例しておらず、出力電圧値に対する実際の圧力値との対応を示した参照表に基づいて、圧力を出力していた。しかし、本発明の圧力測定装置によれば、１０Ｐａ未満の圧力領域では数式１を用い、１０Ｐａ以上の圧力領域では数式２を用いて圧力を算出する事によって、圧力値と出力電圧値との誤差を最小限にとどめ、１０Ｐａ以上の圧力領域においても、高精度に圧力値を出力できる。
【００１６】
また、圧力値と出力電圧値との対応を示す参照表を用いずに、高真空領域と、低真空領域〜常圧とで異なる２種類の数式を用いる事により、例えば、経時変化により出力電圧値と圧力値との対照にズレが生じた場合でも、新たに補正された参照表を記憶させるなどの手間がかからず、数式１，２の定数を変えるだけで良いので、メンテナンス性に優れた圧力測定装置を実現できる。
【００１７】
また、本発明の圧力測定方法によれば、１０Ｐａ未満の圧力領域では数式１を用い、１０Ｐａ以上の圧力領域では数式２を用いて圧力を算出する事によって、圧力値と出力電圧値との誤差を最小限にとどめ、特に、１０Ｐａ以上の圧力領域においても、高精度に圧力値を測定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る圧力測定装置の最良の形態について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１９】
図１は、本発明の圧力測定装置の概要を示すブロック図である。本発明の圧力測定装置１は、ドライバ３、演算部４、インターフェース５からなる制御部２と、この制御部２の各部に駆動用の電力を供給する電源部６とを備えている。演算部４には、後述する複数の数式のデータを記憶するメモリ７が形成されている。また、圧力測定装置１は、圧力計１０、第一加熱手段５０、第二加熱手段５１からなるセンサ部２０を備えている。
【００２０】
ドライバ３は、センサ部２０と演算部４との間で信号の変換、例えばＡ／Ｄ，Ｄ／Ａコンバータなどの役割を果たし、センサ部２０を制御する。演算部４は、センサ部２０から入力される、気体の圧力に応じた電圧値に基づいて、後述する数式３または数式４を用いて圧力を算出する。インターフェース５は、演算部４から出力された圧力値の信号を外部機器、例えばディスプレイや各種製造機器に向けて出力する。
【００２１】
図２に示すように、センサ部２０は、例えば、真空チャンバの壁面１０２の開口部１０２ａに配置して使用される。壁面１０２の開口部１０２ａを外側から塞ぐように、Ｏリング１０３を介してフランジ１０４が配されている。このフランジ１０４の内面中央部にセンサ部２０が装着され、フランジ１０４の周縁部に複数の貫通電極１０６が立設されている。
【００２２】
圧力計（熱伝導型真空計：以下、ピラニ真空計と称する）１０は、フィラメントに相当する電気抵抗体４０と、基板２２の表面を覆うカバー部材１２と、基板２２の裏面を覆う裏面カバー１８とを備えている。基板２２には、電気抵抗体４０に通電するための電極４２が形成されている。この電極４２は、ワイヤ１０７により貫通電極１０６の内側端部と接続されている。その貫通電極１０６の外側端部は、後述するブリッジ回路に接続されている。
なお、こうしたピラニ真空計１０は、例えば、半導体集積回路作製技術を用いて作製されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems） デバイスとして形成することができる
【００２３】
図３は、圧力測定装置を構成するセンサ部の分解斜視図である。また、図４（ａ）は図３におけるＡ−Ａ線での断面図であり、図４（ｂ）は図３におけるＢ−Ｂ線での断面図である。ピラニ真空計１０は、筐体１１を備えている。筐体１１は、電気抵抗体４０が形成された基板２２と、基板２２の表面を覆うカバー部材１２と、基板２２の裏面を覆う裏面カバー１８とを備えている。これら基板２２、カバー部材１２、および裏面カバー１８は、互いに重ねられた状態で接合される。
【００２４】
基板２２の一面２２ａには、電気絶縁膜３０が形成されている。電気絶縁膜３０の表面には、電気抵抗体４０と、電気抵抗体４０に通電するための電極４２（４２ａ，４２ｂ）とが形成されている。そして、基板２２における電気抵抗体４０が配された位置には、基板２２を貫通する貫通孔２４が形成されている。この貫通孔２４の一部は、電気抵抗体４０の周縁を取り巻くように、スリット状に電気絶縁膜３０まで貫通する。これにより、電気抵抗体４０は、電気絶縁膜３０の一部である架橋状の浮膜（メンブレン）３２によって、基板２２に接しない状態で支持される。
【００２５】
カバー部材１２には、後述する空洞２１の一部を構成する溝１６が形成されている。溝１６は、カバー部材１２が基板２２と対向する面から所定の形状で掘られた有底の溝であり、長手方向に対して直角な断面が、例えば凹状に形成されていればよい。こうした溝１６によって、センサ部２０の中央付近に形成された電気抵抗体４０の周囲に、所定の広がりを持つ空間が形成されつつ、電気抵抗体４０がカバー部材１２によって覆われる。
【００２６】
裏面カバー１８は、センサ部２０の裏面に形成された封止膜（不図示）に接合され、センサ部２０に固定されている。これにより、基板２２に形成された貫通孔２４が、裏面カバー１８によって覆われる。
【００２７】
センサ部２０を構成する基板２２は、例えば、Ｓｉ，Ｓｉ０２，シリコンナイトライド，サファイア，Ａｌ２Ｏ３，硼珪酸ガラス，Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，ＳｉＡｌＯＮのうち、少なくとも１種以上の材料から構成されるのが好ましい。基板２２は、例えば、正方形状、ないし長方形状とされ、その一辺は例えば５ｍｍ程度に形成されている。基板２２の厚みは、例えば５００±２５μｍ程度に形成されていればよい。
【００２８】
貫通孔２４は、基板２２の一面２２ａから他面２２ｂに向けてその開口面積が漸増するように、テーパ状に形成されていればよい。あるいは、開口面積が変わらない直胴状に形成されていてもよい。
【００２９】
基板２２の一面２２ａに形成される電気絶縁膜３０は、例えば、Ｓｉ０２，サファイア，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，ＳｉＡｌＯＮのうち、少なくとも１種以上から形成されていればよい。電気絶縁膜３０の厚みは、例えば１〜２μｍ程度に形成されていればよい。
【００３０】
電気抵抗体４０は、通電によりジュール熱を発生する金属材料により、細線状に形成されていればよい。電気抵抗体４０は、例えば、Ｐｔ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｗ，Ｗ−Ｍｏ合金，Ｔａのうち、少なくとも１種以上から形成されていればよい。こうした温度係数（単位温度あたりの電気抵抗値の変化量）の高い材料を電気抵抗体４０として用いることによって、ピラニ真空計１０の測定精度を向上させることができる。
【００３１】
電気抵抗体４０は、例えば膜厚が２００〜４００ｎｍ、線幅が１０〜２０μｍ、抵抗値が１００〜１５０Ωに形成されている。なお電気抵抗体４０と浮膜３２との密着性を確保するため、両者間に密着層を形成することが望ましい。密着層は、例えば、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｔａ２Ｏ５のうち、少なくとも１種以上から形成されていればよい。
【００３２】
電気抵抗体４０は、上述した金属材料からなる細線を、例えばメアンダ形状（つづら折り形状）にパターニングして形成されている。メアンダ形状とすることにより、小さな占有面積で細線の長さを長く取ることができるので、圧力を測定する気体との熱交換を行う際の表面積を多くすることが可能になる。なお、こうした電気抵抗体４０の形成形状は、メアンダ形状以外にも、任意の形状とすることができる。
【００３３】
電気抵抗体４０の両端部には、連結配線４４が形成されている。連結配線４４は、電気絶縁膜３０の端部に形成された電極４２（４２ａ，４２ｂ）に引き出されている。この電極４２から、連結配線４４を介して、電気抵抗体４０に通電しうるようになっている。
【００３４】
電気抵抗体４０に気体（圧力を測定するガス）が接触すると、気体と電気抵抗体４０との間で熱交換が行われる。この時、気体が電気抵抗体４０から奪う熱量Ｑｇは、数式（５）で表される。
Ｑｇ＝Ｋｃ（Ｔｆ−Ｔｗ）Ｐ＝Ｉ２Ｒ  ・・・  （５）
ただし、Ｋｃは被測定ガスにより輸送される熱量の熱伝導係数、Ｔｆは電気抵抗体４０の温度、Ｔｗは電気抵抗体４０の周辺温度（室温）、Ｐは被測定ガスの圧力、Ｉは電気抵抗体４０を流れる電流、Ｒは電気抵抗体４０の抵抗値である。
【００３５】
数式（５）によれば、気体が電気抵抗体４０から奪う熱量Ｑｇは、気体の圧力Ｐに比例することがわかる。また電気抵抗体４０の抵抗値Ｒは、電気抵抗体４０の温度Ｔｆに略比例するので、Ｔｆが一定となるように電流Ｉを制御すれば、抵抗値Ｒも一定となる。その結果、電流Ｉから気体の圧力Ｐを算出することができる。
【００３６】
ところで、数式（５）において電気抵抗体の周辺温度Ｔｗが変化すると、電流Ｉから気体の圧力Ｐを算出することが困難になる。そこで、電気抵抗体の周辺温度Ｔｗの変化を補償するため、第一温度補償体（第一加熱手段）５０を設けるのが好ましい。第一温度補償体５０は、ある圧力ポイントにおいて、ピラニ真空計１０の温度変化による影響を０になるように補償するものである。
【００３７】
図３に示すように、第一温度補償体５０は、電気抵抗体４０に隣接して電気絶縁膜３０の表面に形成されている。第一温度補償体５０は、例えば、電気抵抗体４０と同じ材料で細線状に形成されている。第一温度補償体５０は、例えばメアンダ形状（つづら折り形状）に形成される。
【００３８】
第一温度補償体５０の一端は、電気絶縁膜３０の周縁に形成された電極５２に接続されている。また第一温度補償体５０の他端は、電気抵抗体４０の一方の電極４２ａに接続されている。これにより電極４２ｂは、電気抵抗体４０および第一温度補償体５０の共通電極として機能する。
【００３９】
一方、１０４Ｐａ以上の圧力環境においては、温度が高くなると、ピラニ真空計１０の出力が実際の圧力よりもが高くなるという現象がある。これは、気体の熱伝導率が温度依存性を示すことによるものである。即ち、温度が高くなり気体の熱伝導率が高まるために、ピラニ真空計１０の出力が実際の圧力に対応した値よりも高くなるのである。このため、大気圧以上での温度補償を目的として、第二温度補償体５１が第一温度補償体５０に隣接して電気絶縁膜３０の表面に形成されている。
【００４０】
第二温度補償体５１の一端は、電気絶縁膜３０の周縁に形成された電極５３に接続されている。また第一温度補償体５０の他端は、電気絶縁膜３０の周縁に形成された電極５４に接続されている。これら電極５３と電極５４との間には、電源回路（図示せず）が接続されていればよい。
【００４１】
図５は、ピラニ真空計の電気的な接続を示す回路図である。ピラニ真空計１０はブリッジ回路を構成し、電気抵抗体４０および第一温度補償体５０は並列接続されている。そして、それぞれの電極４２ａ，５２間の電位差Ｖが０となるように、電気抵抗体４０を流れる電流Ｉを制御する。第一温度補償体５０の抵抗値は電気抵抗体４０より非常に高く設定されているので、第一温度補償体５０を流れる電流は微小になり、第一温度補償体５０の温度および抵抗値はほとんど変化しない。ここで電位差Ｖを０とするためには、電気抵抗体４０の周辺温度Ｔｗの変化量に合わせて、温度Ｔｆを変化させることになる。したがって、Ｔｆ−Ｔｗが一定となり、周辺温度の変化が補償されるようになっている。
【００４２】
また、１０４Ｐａ以上の圧力測定時には、第二温度補償体５１に対して定電流を印加し、ピラニ真空計１０の出力が実際の圧力よりも高くなる差分を補正するように温度補償体を行う。
【００４３】
一方、上述したような原理によって気体の圧力を測定する際に、電気抵抗体が気体と接する領域において、重力方向に沿って気体の対流が生じると、この対流の作用によって電気抵抗体から熱が奪われ、電気抵抗体の出力電流値が実際の圧力値に対応した出力電流値よりも過剰に上昇することが知られている。図６は、一般的なピラニ真空計において、電気抵抗体の周囲で重力方向に沿った対流が生じた場合と、対流が生じない場合とで、電気抵抗体の出力電流値と実際の圧力との関係を示したグラフである。なお、図５のグラフにおいて、◆で示す測定点が対流を生じさせた場合、○で示す測定点は対流を生じさせない場合を示している。
【００４４】
このグラフによれば、特に、圧力が１０４Ｐａ以上の低真空領域においては、気体が多く存在するため、電気抵抗体が配された領域で気体の対流が生じると、気体の対流によって電気抵抗体から過剰に熱が奪われ、出力電流値が実際の圧力に対応した値よりも高くなってしまうことがわかる。
【００４５】
こうした気体の対流による電気抵抗体の出力変動を抑制するため、本発明の圧力測定装置１では、筐体１１に、２つの開口部４８ａ，４８ｂを有する空洞２１が形成されている。そして、電気抵抗体４０は、この空洞２１の長手方向の途中に、空洞２１の内部空間に露出されるように配されている。
【００４６】
こうした空洞２１を形成するために、カバー部材１２には、基板２２と対向する面から所定の形状で溝１６が形成される。カバー部材１２は、例えば、Ｓｉ，Ｓｉ０２，ＧａＮ，サファイア，Ａｌ２Ｏ３，硼珪酸ガラス，Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，ＳｉＡｌＯＮのうち、少なくとも１種以上からなる部材によって形成されていればよい。
【００４７】
空洞２１は、カバー部材１２に形成された溝１６と、基板２２の電気絶縁膜３０とからなり、断面が矩形を成すトンネル状の空間を形成する。空洞２１は、２つの開口部４８ａ，４８ｂの間の経路の途中に２つの屈曲部４９ａ，４９ｂを持つ。電気抵抗体４０は、この２つの屈曲部４９ａ，４９ｂの間に位置するように配されている。
【００４８】
空洞２１は、２つの屈曲部４９ａ，４９ｂの間の電気抵抗体４０が配された領域Ｓにおいて、ピラニ真空計１０を使用する際に重力方向Ｗに沿った方向となる長さＬを、対流が生じない長さ、即ち１ｍｍ以下となるように形成される。
【００４９】
一般的に、熱はレイリー数がある限界値（臨界レイリー数）以下においては、気体の熱伝導により伝達される。一方、この限界値以上では対流によって熱が伝達される.この時の臨界レイリー数は約１７００である。例えば、熱源と気体との温度差が１００℃あると想定して計算すると、臨界レイリー数を与える代表的な距離は約５ｍｍとなる。つまり、ピラニ真空計の場合、電気抵抗体と、この電気抵抗体を囲む空間を形成する壁面との距離が５ｍｍ以下であれば、理論上は対流が生じないことになる
【００５０】
しかしながら、上述した対流が生じない距離は、単純化された形状での理論上の数値であり、これをそのままピラニ真空計に適用するには誤差が大きすぎる。そのため、本発明の圧力測定装置１を構成するピラニ真空計１０では、図７の模式図に示すように、電気抵抗体４０が配された空洞２１において、使用する際の重力方向Ｗに沿った方向の空洞２１の長さＬを１ｍｍ以下とするものである。この重力方向Ｗに沿った長さＬを１ｍｍ以下とすることで、空洞２１の内部空間で対流の発生を確実に防止できる。
【００５１】
例えば、図３、図４（ａ）において、空洞２１の長手方向に沿った方向が重力方向Ｗ１となるようにピラニ真空計１０を設置する場合、空洞２１における電気抵抗体４０が配された領域Ｓで、２つの屈曲部４９ａ，４９ｂの間の長さＬ１が１ｍｍ以下になるように、空洞２１が形成される。
【００５２】
また、例えば、図４（ｂ）において、空洞２１の厚みに沿った方向が重力方向Ｗ２となるようにピラニ真空計１０を設置する場合、空洞２１における電気抵抗体４０が配された領域Ｓで、電気抵抗体４０と、この電気抵抗体４０に対向する空洞２１の内壁面２１ａとの長さＬ２がが１ｍｍ以下になるように、空洞２１が形成される。
【００５３】
このように、空洞２１の電気抵抗体４０が配された領域Ｓにおいて、使用する際の重力方向Ｗに沿った方向の長さＬを１ｍｍ以下とすることによって、空洞２１の内部空間で対流の発生を確実に防止できる。これにより、電気抵抗体４０から出力される電流値が、対流の影響で変動することがなく、実際の圧力値に対応した値を出力することができる。特に、対流の影響を大きく受ける１０４Ｐａ以上の圧力環境においても、本発明の圧力測定装置１によって、正確な圧力値を測定することが可能になる。
【００５４】
そして、空洞２１の電気抵抗体４０が配された領域Ｓにおいて、空洞２１の最も長い距離を１ｍｍ以下にすれば、このピラニ真空計１０を含むセンサ部２０をどのような方向に向けて設置しても、電気抵抗体４０に対して気体の対流が生じる事の無い圧力測定装置１を実現することが可能になる。例えば、図２に示す圧力測定装置１の場合、空洞２１の電気抵抗体４０が配された領域Ｓにおいて、空洞２１の長手方向に沿った長さＬ１（図３（ａ）参照）を１ｍｍ以下にすることによって、センサ部２０の設置方向によらず、常に圧力を誤差なく測定することが可能になる。
【００５５】
以上のように、本発明の圧力測定装置１によれば、１０４Ｐａ以上の圧力環境であっても、取り付け方向によって測定圧力値が変動することがなく、重力方向に対してどのような方向に向けて設置しても、正確に圧力を測定することが可能となる。
【００５６】
なお、こうした空洞２１の、少なくとも電気抵抗体４０が形成された領域Ｓにおける内壁面２１ａは、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌのうち、少なくとも１種以上からなる薄膜で覆われているのが好ましい。こうした部材で内壁面２１ａを覆うことによって、熱輻射を防止して、熱伝導による電気抵抗体４０への影響を低減することが可能になる。
【００５７】
上述したようなピラニ真空計１０を備えたセンサ部２０を、例えば、Ｂ−Ａゲージ（電離真空計）に併設する事も好ましい。ピラニ真空計１０をＢ−Ａゲージの一部に設ける事により、例えば、１０４Ｐａ以下の高真空領域はＢ−Ａゲージによって測定し、１０４Ｐａ以上の低真空領域は本発明のピラニ真空計によって測定する構成にすれば、例えば、常圧から高真空領域まで極めて幅広い範囲の圧力値を正確に検出することが可能になる。
【００５８】
次に、センサ部２０のピラニ真空計１０から出力された、気体の圧力に対応した電圧値から、気体の圧力を演算して出力する構成を述べる。ピラニ真空計１０から出力された、気体の圧力に対応した電圧値Ｖ（出力）は、ドライバ２を介して演算部４に入力される。演算部４では、予め設定された閾値を参照し、入力された電圧値Ｖが閾値よりも低い場合は、メモリー７に記憶された以下の数式３を用いて圧力Ｐを算出する。また、入力された電圧値Ｖが閾値よりも高い場合は、メモリー７に記憶された以下の数式４を用いて圧力Ｐを算出する。
【００５９】
【数３】
0005248218.tif 000004
【００６０】
【数４】
0005248218.tif 000005
【００６１】
なお、上記の数式３，数式４において、ａ，ｂ，ｃは定数であり、定数ａは熱伝導パラメータ（温度依存定数）を示す数値であり、定数ｂは熱伝導が１００％の時を１とした時の、熱伝導の確立を示す数値である。
【００６２】
上記の数式３と数式４との適用圧力範囲を決める閾値は、例えば、１０Ｐａの圧力に相当する電圧値であればよい。即ち、ピラニ真空計１０の測定可能な圧力範囲を、例えば１０−３Ｐａ〜１０５Ｐａとした場合、圧力範囲が１０−３Ｐａ以上１０Ｐａ未満の時には、ピラニ真空計１０で得られた電圧値Ｖを数式３に当てはめて圧力Ｐを算出する。一方、圧力範囲が１０Ｐａ以上１０５Ｐａ以下の時には、ピラニ真空計１０で得られた電圧値Ｖを数式４に当てはめて圧力Ｐを算出する。
【００６３】
従来、圧力範囲が１０Ｐａ以上の中間流領域〜粘性流領域では、圧力範囲が１０Ｐａ未満の自由分子流領域に比べて、圧力値と出力電圧値が直線状に比例しておらず、出力電圧値に対する実際の圧力値との対応を示した参照表に基づいて、圧力を出力していた。しかし、１０Ｐａ未満の圧力領域では上記の数式３を用い、１０Ｐａ以上の圧力領域では上記の数式４を用いて圧力を算出する事によって、圧力値と出力電圧値との誤差を最小限にとどめ、１０Ｐａ以上の圧力領域においても、高精度に圧力値を出力できる。
【００６４】
また、圧力値と出力電圧値との対応を示す参照表を用いずに、高真空領域と、低真空領域〜常圧とで異なる２種類の数式を用いる事により、例えば、経時変化により出力電圧値と圧力値との対照にズレが生じた場合でも、新たに補正された参照表を記憶させるなどの手間がかからず、数式３，４の定数を変えるだけで良いので、メンテナンス性に優れた圧力測定装置１を実現できる。また、こうした経時変化による補正は、圧力測定装置を使用するユーザー側でも容易に行うことができるので、メンテナンスのために圧力測定装置が長時間使用できなくなったり、メンテナンスのための要員を派遣するなどの不都合や手間を解消することができる。
【００６５】
以上のような構成の圧力測定装置に関して、センサ部の製造工程を図８〜図１２を用いて簡単に説明する。ピラニ真空計１０が形成されたセンサ部２０は、素子の数μｍレベルの微細化に有利な電気機械システム（Micro Electro Mechanical System：ＭＥＭＳ）技術を用いて形成する事ができる。ＭＥＭＳ技術とは、金属の蒸着やスパッタリング法などを用いる成膜技術や、基板上に数μｍレベルのパターンを作製することができるリソグラフィ技術、さらには金属や半導体、酸化物などの膜を酸性やアルカリ性の薬液や、気体の放電現象により発生するイオンの化学反応を用いて、部分的に取り除くエッチング技術などを用いて、３次元構造の素子を基板上に多数作製するものである。
【００６６】
まず図８（ａ）に示すように、基板２２の表面に電気絶縁膜３０を形成するとともに、基板２２の裏面にも電気絶縁膜６０を形成する。例えば、ＳｉＯ２からなる電気絶縁膜３０，６０は、シリコン基板２２を熱酸化することによって形成することが可能である。また、例えば、ＳｉＮからなる電気絶縁膜３０，６０は、蒸着法やＣＶＤ法等によって形成することが可能である。
【００６７】
次に、電気絶縁膜３０の表面全体にレジスト７０を形成する。さらにフォトリソグラフィ技術（露光および現像）により、電気抵抗体、第一温度補償体、第二温度補償体およびそれらの電極の形成領域に存在するレジスト７０を除去して、凹部７１を形成する。
【００６８】
次に図８（ｂ）に示すように、基板２２の表面全体にＰｔ／Ｃｒ膜４０ａを形成する。
Ｐｔ／Ｃｒ膜４０ａは、密着層となる下層のＣｒ層と、電気抵抗体となる上層のＰｔ層で構成される。Ｐｔ／Ｃｒ膜４０ａは、スパッタ法等を用いて、凹部７１の内部およびレジスト７０の表面全体に形成する。
【００６９】
次に図８（ｃ）に示すように、レジスト７０を剥離する。レジスト７０の剥離は、プラズマアッシング装置等を用いたドライプロセスまたはレジスト剥離液等を用いたウエットプロセスによって行うことが可能である。このレジスト７０の剥離とともに、レジスト７０に積層されたＰｔ／Ｃｒ膜４０ａを除去する（いわゆるリフトオフ）。これにより、凹部７１の内部に形成されたＰｔ／Ｃｒ膜４０ａが電気絶縁膜３０の表面に残り、電気抵抗体４０が形成される。なお電気抵抗体４０と同時に、第一温度補償体、第二温度補償体および各電極（いずれも不図示）が形成される。
【００７０】
次に図８（ｄ）に示すように、電気絶縁膜３０の表面全体にレジスト７４を形成する。さらにフォトリソグラフィ技術により、封止膜の形成領域に存在するレジスト７４を除去して、凹部７５を形成する。
次に図９（ａ）に示すように、凹部７５の内部およびレジスト７４の表面全体に、スパッタ法等によりＡｕ膜２８ａを形成する。
次に図９（ｂ）に示すように、レジスト７４を剥離するとともに、レジスト７４に積層されたＡｕ膜２８ａを除去する。これにより、凹部７５の内部に形成されたＡｕ膜２８ａが電気絶縁膜３０の表面に残り、封止膜２８が形成される。
【００７１】
次に図９（ｃ）に示すように、基板２２の表面にレジスト７８を形成する。ここでは、基板２２の裏面にもレジスト７８を形成しておく。次に、基板２２の表面に形成されたレジスト７８を露光および現像して、浮膜を囲むスリットおよび溝部の形成領域に凹部７９を形成する。次に、このレジスト７８をマスクとして、電気絶縁膜３０のエッチングを行う。このエッチング処理は、ＣＦ４等のフルオロカーボンガスをエッチャントとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等により行うことが可能である。これにより、図９（ｄ）に示すように、浮膜３２が形成される。その後、レジスト７８を剥離する。
【００７２】
次に図１０（ａ）に示すように、基板２２の表面および裏面にレジスト８０を形成する。
次に、基板２２の裏面に形成したレジスト８０を露光および現像して、基板２２の貫通孔の形成領域に凹部８１を形成する。次に、このレジスト８０をマスクとして、電気絶縁膜６０のエッチング処理を行う。
これにより、図１０（ｂ）に示すように、基板２２の貫通孔の形成領域に存在する電気絶縁膜６０が除去されて、凹部６１が形成される。その後、基板２２の表面のレジスト８０を残して、裏面のレジスト８０のみを剥離する。
【００７３】
次に図１０（ｃ）に示すように、基板２２の裏側における電気絶縁膜６０の凹部６１の内部に、レジスト８４を充填する。なお基板２２の裏面全体にレジスト８４を形成しておき、フォトリソグラフィ技術を用いて、電気絶縁膜６０の表面に存在するレジストのみを除去してもよい。
【００７４】
次に図１１（ａ）に示すように、基板２２の裏面全体に、スパッタ法等によりＡｕ膜２９ａを形成する。
次に図１１（ｂ）に示すように、レジスト８４を剥離するとともに、レジスト８４に積層されたＡｕ膜２９ａを除去する。これにより、電気絶縁膜６０の表面のみにＡｕ膜２９ａが残り、封止膜２９が形成される。
【００７５】
次に図１１（ｃ）に示すように、封止膜２９をマスクとして、基板２２をウエットエッチングする。なお電気絶縁膜６０をＳｉＯ２で構成した場合には、基板２２のエッチング液としてＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）を採用し、電気絶縁膜６０をＳｉＮで構成した場合には、エッチング液としてＫＯＨを採用することが望ましい。    
【００７６】
これにより、シリコン基板２２と電気絶縁膜６０とのエッチング選択比を確保することが可能になり、電気絶縁膜６０をエッチングすることなく基板２２のみをエッチングすることができる。基板２２のエッチングは、基板２２を構成するシリコンの結晶方位に従って斜めに進行する。これにより貫通孔２４は、基板２２の裏面から表面にかけて開口面積が小さくなるように、テーパ状に形成される。
【００７７】
次に、図１２（ａ）に示すように、カバー部材を形成するための構成材９０を用意する。この構成材９０は、例えば、Ｓｉ，Ｓｉ０２，ＧａＮ，サファイア，Ａｌ２Ｏ３，硼珪酸ガラス，Ｓｉ３Ｎ４，ＡｌＮ，ＳｉＡｌＯＮのうち、少なくとも１種以上からなる部材であればよい。そして、この構成材９０の一面にレジスト９１を形成しておき、フォトリソグラフィ技術を用いて、所定の形状、即ち空洞の一部を構成する溝の表面形状を象った形状に形成すれば良い。
【００７８】
次に、図１２（ｂ）に示すように、レジスト９１をマスクとして構成材９０をウエットエッチング、またはドライエッチングする。これにより、例えば図３に示すような形状の溝１６を備えたカバー部材１２が形成される。なお、この後、溝１６の内壁面に、例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌのうち、少なくとも１種以上からなる薄膜を形成し、熱輻射を抑制する構成にしても良い。
【００７９】
次に、図１２（ｃ）に示すように、裏面カバー１８を用意して、センサ部２０に対してカバー部材１２および裏面カバー１８を接合、固定する。接合に封止膜を用いた場合は、例えば、大気中にて基板を１８０〜２００℃に加熱し、２〜３ｋｇｆ／ｍｍ２の圧力で各基板を押圧しつつ、３〜５分程度保持することによって行う。以上により、ピラニ真空計１０、第一温度補償体、第二温度補償体を備えたセンサ部２０が形成される。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の圧力測定装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の圧力測定装置を備えた真空装置の一例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の圧力測定装置を構成するセンサ部の一例を示す分解斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線での断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ線での断面図である。
【図６】ピラニ真空計の気体の対流による影響を示すグラフである。
【図７】気体の対流を生じさせない構造を示す模式図である。
【図８】本発明の圧力測定装置の製造工程の一例を示す断面図である。
【図９】本発明の圧力測定装置の製造工程の一例を示す断面図である。
【図１０】本発明の圧力測定装置の製造工程の一例を示す断面図である。
【図１１】本発明の圧力測定装置の製造工程の一例を示す断面図である。
【図１２】本発明の圧力測定装置の製造工程の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  圧力測定装置
４  演算部
１０  ピラニ真空計（圧力計：熱伝導型真空計）
１１  筐体
２０  センサ部
２１  空洞
４０  電気抵抗体
４８ａ，４８ｂ  開口部
４９ａ，４９ｂ  屈曲部
５０  第一温度補償体
５１  第二温度補償体  
【図１】
0005248218.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005248218.tif 000015
【図９】
0005248218.tif 000016
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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