(57)【要約】【課題】  より信頼性が高い測定が可能な圧力測定装置及び圧力測定方法を提供する。【解決手段】  第１抵抗素子１３を有し、気体の圧力に対応した電気信号を出力する第１検知部４と、前記第１検知部４に近接配置され、前記第１抵抗素子１３より表面積が小さい第２抵抗素子１４を有し、前記気体の圧力に対応した電気信号を出力する第２検知部５と、前記第１検知部４の出力値から前記第２検知部５の出力値を差し引いて前記気体の圧力を算出する演算部８とを有することを特徴としている。【選択図】  図１
2012078184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１抵抗素子を有し、気体の圧力に対応した電気信号を出力する第１検知部と、
前記第１検知部に近接配置され、前記第１抵抗素子より表面積が小さい第２抵抗素子を有し、前記気体の圧力に対応した電気信号を出力する第２検知部と、
前記第１検知部の出力値から前記第２検知部の出力値を差し引いて前記気体の圧力を算出する演算部と、
を有することを特徴とする圧力測定装置。
【請求項２】
更に、前記第１検知部に近接配置され、前記第１検知部の温度補償をおこなう第１温度補償部と、前記第２検知部に近接配置され、前記第２検知部の温度補償をおこなう第２温度補償部のうち、少なくとも１つを有す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】
請求項１又は請求項２に記載の圧力測定装置を用いた圧力測定方法であり、
前記第１検知部と前記第２検知部により前記気体の圧力を測定する工程と、
前記演算部で、前記第１検知部の出力値から前記第２検知部の出力値を差し引いて前記気体の圧力を算出する工程と、
を有することを特徴とする圧力測定方法。
【請求項４】
更に、前記第１温度補償部により前記第１検知部の温度補償をおこなう工程と、前記第２温度補償部により前記第２検知部の温度補償をおこなう工程のうち少なくとも１つを有することを特徴とする請求項３記載の圧力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱損失量に基づいて圧力を測定する圧力測定装置及び圧力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、気体の圧力を測定する圧力測定装置の検出部として、ピラニ真空計を用いることが知られている。ピラニ真空計は、基板等の上に設けられている細い金属線からなる抵抗素子を備えたデバイスであり、一般に定温駆動と呼ばれる方法で駆動を行う。定温駆動時は抵抗素子に電圧を印加し、ジュール発熱により素子温度を周囲気体より高い設定値に保つ。このとき、周囲気体の圧力に応じて気体が抵抗素子から奪う熱量が変化するため、抵抗素子の温度を保つために必要な電圧が変化する。このときの電圧値から圧力の測定を行うことができる。
【０００３】
また、抵抗素子から出力される電圧値に基づく圧力値を得るために、図５に示す圧力測定装置１０１では、図示しない抵抗素子が設けられているピラニ真空計１０２と温度補償部１０３から得られた電圧値をドライバ１０４を介して信号変換して演算部１０５に入力し、演算部１０５内に設けられているメモリー１０６に記憶された数式を用いて圧力値を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１１４５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の圧力測定装置１０１では、高真空領域において抵抗素子から周囲気体への放熱量よりも、圧力測定に寄与しない固体伝導熱量（配線基板へ伝導する熱量）の影響が支配的になるため、抵抗素子の環境温度や発熱による物性変化や基板配線との接続抵抗の変化により抵抗素子の初期抵抗値が変化した場合、駆動時の抵抗素子の温度設定値など駆動条件が変化することにより固体伝導熱量が変化し、圧力測定精度を悪化させる。そのため高真空領域において信頼性の高い圧力測定結果を求めることが困難であった。
【０００６】
そこで本発明では、より信頼性が高い測定が可能な圧力測定装置及び圧力測定方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、実施形態の圧力測定装置は、第１抵抗素子を有し、気体の圧力に対応した電気信号を出力する第１検知部と、第１検知部に近接配置され、第１抵抗素子より表面積が小さい第２抵抗素子を有し、気体の圧力に対応した電気信号を出力する第２検知部と、第１検知部の出力値から第２検知部の出力値を差し引いて気体の圧力を算出する演算部とを有することを特徴としている。
【０００８】
また、実施形態の圧力測定方法は、請求項１又は請求項２に記載の圧力測定装置を用いた圧力測定方法であり、第１検知部と第２検知部により気体の圧力を測定する工程と、演算部で、第１検知部の出力値から第２検知部の出力値を差し引いて気体の圧力を算出する工程とを有することを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力測定装置の概略図。
【図２】本発明の実施形態に係る圧力測定装置の検出部と温度補償部の上面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う圧力測定装置の検出部と温度補償部の断面図。
【図４】本発明の実施形態に係る圧力測定方法を示すフローチャート。
【図５】従来の配線基板を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係るより信頼性が高い測定が可能な圧力測定装置及び圧力測定方法を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
まず、本発明の実施形態に係る圧力測定装置について、図１乃至図３を参照して説明する。
【００１２】
図１は圧力測定装置の概略図を示したものであり、本実施形態の圧力測定装置１は、電源部２と、第１、第２検知部４，５と第１、第２温度補償部６，７とで構成されるセンシング部３と、演算部８と、表示部９とから構成されている。
【００１３】
電源部２は、第１、第２検知部４，５と、第１、第２温度補償部６，７を備えた定温駆動回路であるセンシング部３に電力を供給する役割を果たしている。
【００１４】
そして、センシング部３の第１、第２検知部４，５は、気体の圧力に対応した電気信号を演算部８へと出力する役割を果たしており、ピラニ真空計を使用している。また、
第１、第２検知部４，５は、後述する第１、第２抵抗素子１３，１４の表面積が異なるものが設けられている。
【００１５】
また、センシング部３の第１、第２温度補償部６，７は、環境温度の変化と同じだけ第１、第２抵抗素子１３，１４の駆動温度を変化させ、環境温度と抵抗素子の温度差を一定に保つことで温度補償を行っている。なお、本実施形態では第１、第２温度補償部６，７を用いているが、温度管理されている環境であれば用いなくてもよい。
【００１６】
本実施形態の第１、第２検知部４，５と第１、第２温度補償部６，７について、より詳しく説明する。図２は本実施形態の上面図であり、図３はその断面図である。第１検知部４と第１温度補償部６は並列して設けられ、また、第２検知部５と第２温度補償部７も並列して設けられている。そして、第１温度補償部６と第２検知部５が並設されている。なお、本実施形態では第１、第２検知部４，５および第１、第２温度補償部６，７を並列して設け、第１温度補償部６と第２検知部６が並設しているが、これに限られることはなく、同じ環境温度となる位置であればどのような位置であってもよい。
【００１７】
次に、第１、第２検知部４，５の構成を説明する。第１、第２検知部４，５は、配線基板１０と、第１、第２支持体１１，１２と、第１、第２抵抗素子１３，１４と、第１、第２保護層１５，１６とで構成されている。
【００１８】
配線基板１０は、Ｓｉから形成されている基板１７上にＳｉＯから構成される絶縁層１８が設けられ、更にその上にＡｌの配線１９を積層しているものを用いている。なお、本実施形態で使用する配線基板１０、基板１７、配線１９の材質に限られることはなく、どの様なものを用いてもよい。
【００１９】
そして、第１、第２支持体１１，１２は、１μｍの厚さで、ＳｉＮにより形成されている。また、第１、第２支持体１１，１２は、第１、第２抵抗素子１３，１４を配線基板１０から一定の間隔、例えば本実施形態では１μｍの間隔を設けて支持するため、それぞれ６つの柱Ｈを設けてブリッジを形成し、第１、第２抵抗素子１３，１４を支持している。６つの柱Ｈのうち２つの柱Ｈは、配線基板１０の配線１９に接するように形成されており、これは、第１、第２支持体１１，１２上に形成する第１、第２抵抗素子１３，１４に配線１９を介して電流を供給するためである。残りの４つの柱Ｈは、絶縁層１８に接するように第１、第２支持体１１，１２が形成されている。なお、本実施形態では第１、第２支持体１１，１２としてＳｉＮを使用しているが、これに限られることはなく、絶縁体で強度があり、熱抵抗が高いものであればどの様な材質のものを使用しても良い。
【００２０】
第１、第２抵抗素子１３，１４は、Ｔｉであり、第１、第２支持体１１，１２上にミアンダ状に配置され、配線基板１０の配線１９に接続する２つの柱Ｈを通じて電気的に接触している。また、第１抵抗素子１３は、厚さが約０．３μｍ、幅が約５μｍ、長さが約３２００μｍの配線を２本並列に配置することで後述する第２抵抗素子と同じ電気抵抗値になるように設計している。また、第１支持体１１の縦幅Ｌ１は約３５０μｍ、柱Ｈを除いた横幅Ｓ１は約３５０μｍとなるように設けられている。そして、第２抵抗素子１４では、厚さ０．３μｍ、幅５μｍ、長さは１８００μｍの配線を用いており、第２支持体１２の縦幅Ｌ２が約２６０μｍ、柱Ｈを除いた横幅Ｓ２が約９０μｍとなるように設けられている。なお、本実施形態では第１、第２抵抗素子１３，１４としてＴｉを用いているが、これに限られることはなく、導電性であり、電気抵抗値の温度係数が大きいものであればどのような材質の物を用いても良い。また、第１、第２抵抗素子１３，１４の厚み、幅、長さ等もこれに限られることはなく、第１抵抗素子１３の表面積が第２抵抗素子１４の表面積より大きく、電気抵抗値が等しければよい。
【００２１】
第１、第２保護層１５，１６は、第１、第２抵抗素子１３，１４の発熱による酸化膜の成長を防ぐために第１、第２抵抗素子１３，１４を覆うように設けられており、厚さ０．５μｍのＳｉＮを成膜している。なお、本実施形態では第１、第２保護層１５，１６としてＳｉＮを用いているが、これに限られることはなく、絶縁体で熱抵抗が高いものであればどの様な材質のものを使用しても良い。また、厚さもこれに限られることはなく、適宜決めてよい。
【００２２】
次に、第１、第２温度補償部６，７の構成を説明する。第１、第２温度補償部６，７は、第１、第２検知部４，５と同じ配線基板１０上に、第３、第４支持体２０，２１、第３、第４抵抗素子２２，２３と、第３、第４保護層２４，２５の順に積層して構成されている。
【００２３】
第３、第４支持体２０，２１は、第１、第２検知部４，５の柱Ｈが設けられている配線１９を第３、第４支持体２０，２１の一部が共有するように形成されている。また、第１、第２支持体１１，１２と同様に１μｍの厚さで、ＳｉＮにより形成されている。なお、本実施形態では第１、第２検知部４，５の柱Ｈが設けられている配線１９を第３、第４支持体２０，２１の一部が共有するように形成されているが、これに限られることはなく、共有していなくてもよい。
【００２４】
そして、第３、第４抵抗素子２２，２３は、第１、第２抵抗素子１３，１４と同様に、Ｔｉ配線で、ミアンダ状にそれぞれ形成されており、配線基板１０の配線１９に電気的に接触するように設けられている。また、第３抵抗素子２２は、厚さが約０．３μｍ、幅が約５μｍ、長さが約３２００μｍの配線を２本並列に配置しており、第３支持体２０の縦幅が約３５０μｍ、横幅が約３５０μｍとなるように設けられており、第４抵抗素子２３では、厚さ３００ｎｍ、幅５ｎｍ、長さが１８００μｍであり、第４支持体２１の縦幅が約２６０μｍ、横幅が約９０μｍとなるように設けられている。
【００２５】
第３、第４保護層２４，２５もまた第１、第２保護層１５，１６と同様に、第３、第４抵抗素子２２，２３の発熱による酸化膜の成長を防ぐため、第３、第４抵抗素子２２，２３を覆うように設けられており、厚さ０．５μｍのＳｉＮから形成されている。
【００２６】
図１に戻り、次に演算部８の説明をする。演算部８は、第１温度補償部６により温度補償された第１検知部４と、第２温度補償部７により温度補償された第２検知部５から出力される気体の圧力に応じた電圧値が入力され第１検知部４より入力された電圧値から第２検知部５より入力された電圧値を差し引いて気体の圧力を算出し、算出結果を表示部９に出力している。
【００２７】
より詳しく説明すると、演算部８ではまず、第１温度補償部６により温度補償され、第１検知部４から出力された電圧値Ｖｐ１と、第２温度補償部７により温度補償され、第２検知部５から出力された電圧値Ｖｐ２を用いて（Ｖｐ１2−Ｖｐ２2）を算出する。これは、第１、第２ジュール熱量Ｑｔ１  ，Ｑｔ２の多くを占めている固体伝導熱量Ｑｓｏｌ（配線基板へ伝導する熱量）の影響をキャンセルさせることで、より正確な気体の圧力を求めるためである。
【００２８】
すなわち、第１抵抗素子１３から発生させるジュール熱量をＱｔ１、気体への放熱量をＱｇ１、輻射熱量をＱｒ１とし、第２抵抗素子１４から発生させるジュール熱量をＱｔ２、輻射熱量をＱｒ２とし、第１、第２抵抗素子１３，１４を支持している第１，第２支持体１１，１２の材料および柱Hの形状が同じであることから固体伝導熱量をともにＱｓｏｌとし、第１、第２抵抗素子１３，１４の抵抗値は同一の設計値なのでＲとすると、第１抵抗素子１３のジュール熱量Ｑｔ１は次式（１）、第２抵抗素子１４のジュール熱量Ｑｔ２は次式（２）のようになる。
【００２９】
Ｑｔ１＝Ｖｐ１２／Ｒ＝Ｑｇ１＋Ｑｒ１＋Ｑｓｏｌ・・・（１）
Ｑｔ２＝Ｖｐ２２／Ｒ＝Ｑｇ２＋Ｑｒ２＋Ｑｓｏｌ・・・（２）
そして、第１抵抗素子１３のジュール熱量Ｑｔ１から第２抵抗素子１４のジュール熱量Ｑｔ２を差し引くと、次式（３）のようになる。また、輻射熱量は固体伝導熱量に比べて桁違いに小さく、影響が無視出来ることから、次式（４）とすることができる。
【００３０】
Ｑｔ１−Ｑｔ２＝（Ｖｐ１２−Ｖｐ２２）／Ｒ＝（Ｑｇ１−Ｑｇ２）＋（Ｑｒ１−Ｑｒ２）・・・（３）
Ｑｔ１−Ｑｔ２＝（Ｖｐ１２−Ｖｐ２２）／Ｒ＝（Ｑｇ１−Ｑｇ２）・・・（４）
このことから、固体伝導熱量Ｑｓｏｌをキャンセルする事が出来るため、より正確な気体への放熱量が分かり、気体の圧力を導き出すことが可能となる。
【００３１】
その後、電圧値（Ｖｐ１２−Ｖｐ２２）を算出した結果と、予め演算部８に入力されている圧力値との対応テーブルから気体の圧力を算出し、圧力の算出結果を表示部９へと出力している。
【００３２】
表示部９は、演算部８から出力された気体の圧力の算出結果を、例えばディスプレイなどに出力して表示している。
【００３３】
次に、圧力測定方法について図４を参照して説明する。
【００３４】
まず、電源部２からセンシング部３に電力を供給する（ステップＳ１）。
【００３５】
次に、第１温度補償部６により温度補償される第１検知部４と、第２温度補償部７により温度補償される第２検知部５から出力される、温度補償後の第１検知部４の電圧値Ｖｐ１と、温度補償後の第２検知部５の電圧値Ｖｐ２を演算部８に入力する（ステップＳ２）。
【００３６】
その後、演算部８により、温度補正後の第１検知部４の電圧値Ｖｐ１から、温度補正後の第２検知部５の電圧値Ｖｐ２を引いた電圧値（Ｖｐ１２−Ｖｐ２２）を算出する（ステップＳ３）。
【００３７】
次に、予め演算部８に入力されている第１検知部４のサンプル電圧値Ｖｓｐ１から第２検知部５のサンプル電圧値Ｖｓｐ２を差し引いた電圧値（Ｖｓｐ１２−Ｖｓｐ２２）と圧力値の対応テーブルを参照して気体の圧力を算出する（ステップＳ４）。そして、気体の圧力の算出結果を表示部９へと出力し、表示部９により表示する（ステップＳ５）。
【００３８】
以上、本実施形態によれば、センシング部３を構成する第１、第２検知部４，５と、第１、第２温度補償部６，７から出力される気体の圧力に応じた電気信号を演算部８に入力し、第１温度補償部６により温度補正された第１検知部４の電圧値Ｖｐ１と、第２温度補償部７により温度補償された第２検知部５の電圧値Ｖｐ２から（Ｖｐ１2−Ｖｐ２2）を算出し、予め演算部８に入力されている圧力値と電圧値（Ｖｓｐ１2−Ｖｓｐ２2）の対応テーブルを参照することで気体の圧力を算出している。これにより、第１、第２検知部４，５の第１、第２抵抗素子１３，１４の環境温度や発熱による物性変化等の影響を低減させ、より正確な気体の圧力を導き出すことが可能となる。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１，１０１…圧力測定装置
２…電源部
３…センシング部
４…第１検知部
５…第２検知部
６…第１温度補償部
７…第２温度補償部
８，１０５…演算部
９…表示部
１０…配線基板
１１…第１支持体
１２…第２支持体
１３…第１抵抗素子
１４…第２抵抗素子
１５…第１保護層
１６…第２保護層
１７…基板
１８…絶縁層
１９…配線
２０…第３支持体
２１…第４支持体
２２…第３抵抗素子
２３…第４抵抗素子
２４…第３保護層
２５…第４保護層
Ｈ…柱
Ｌ１，Ｌ２…縦幅
Ｓ１，Ｓ２…横幅
１０２…ピラニ真空計
１０３…温度補償部
１０４…ドライバ
１０６…メモリー
【図１】
2012078184.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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