(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板を第１ガラス基板と第２ガラス基板の間に配置し、前記シリコン基板と前記第１ガラス基板、前記シリコン基板と前記第２ガラス基板をそれぞれ接合して三層構造を形成し、
前記シリコン基板は電極部を備え、前記電極部と前記第１ガラス基板の間には気体導入口を通して外部と通じる第１内部空間が形成され、前記電極部と前記第２ガラス基板の間には高真空状態に保持される第２内部空間が形成され、前記電極部は前記気体導入口から前記第１内部空間に導入された気体の圧力を受け、
前記電極部は、前記気体の圧力を受けて変位する可動電極と、前記可動電極の周囲に前記可動電極を支持するように形成されかつ前記気体の圧力を受けても変位しない周囲電極とからなり、前記可動電極の前記第２内部空間側の面と前記周囲電極の前記第２内部空間側の面は同一面として形成され、
前記第２ガラス基板における前記第２内部空間側の面に、前記可動電極に対向する固定電極と、前記周囲電極に対向する参照電極を設け、
前記第１ガラス基板における前記第１内部空間側の面に、前記可動電極に接近して対向する凸状サーボ電極を設けた、
ことを特徴とするサーボ式静電容量型真空センサ。
【請求項２】
前記可動電極の前記第２内部空間側の面と前記周囲電極の前記第２内部空間側の面からなる前記同一面は、前記気体の圧力が加わっていないとき、前記固定電極および前記参照電極が設けられた前記第２ガラス基板における前記第２内部空間側の面に平行であることを特徴とする請求項１記載のサーボ式静電容量型真空センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はサーボ式静電容量型真空センサに関し、特に、絶対圧力値を静電容量の変化に基づき測定する真空センサの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年半導体製造プロセス技術により小型かつ測定範囲の広い圧力測定用センサが開発されてきた。例えばIEEE Electron Device Societyにおいて開催されたTRANSDUCER 97 の1997 International Conference on Solid-State Sensor and Actuators Chicago, June 16-19, 1997 講演予稿集 Volume 2, p.1457-p.1460などに発表されたサーボ式静電容量型真空センサ（以下「真空センサ」という）がある。この真空センサの構造を図６に示す。図６では真空センサの実際の構造に比較して厚みを誇張して示している。
【０００３】
図６において、真空センサは、シリコン基板１３１と、シリコン基板１３１の両側に接合されたパイレックス基板１３２，１３３で構成されている。中間のシリコン基板１３１にはダイアフラム状の電極部１３４が形成される。電極部１３４と上側のパイレックス基板１３２の間には内部空間１３９が形成され、電極部１３４と下側のパイレックス基板１３３との間には内部空間１４０が形成されている。内部空間１３９には導入口１４１を通して外部から測定対象である気体（以下「被測定気体」という）が導入される。内部空間１４０はゲッター材１５４が収容されたゲッター室１５３と通じており、内部空間１４０とゲッター室１５３はゲッター材１５４によって排気され、高真空状態に保持されている。電極部１３４は、内部空間１３９に導入された被測定気体の圧力を受ける。電極部１３４は、その中央部下側に肉厚部１３５を有し、肉厚部１３５の周囲に肉薄部１３６を有する。肉厚部１３５は下方に凸状となっている。電極部１３４は、肉厚部１３５と肉薄部１３６の全体が変位する可動電極である。電極部１３４では、被測定気体の圧力を受けると、下側の内部空間１４０が高真空状態に保持されているので、肉薄部１３６が下方向へ変形し、中央の肉厚部１３５が下方へ変位する。
【０００４】
上記構造を有する電極部１３４は、一定の厚みを有するシリコン基板１３１の両面を半導体製造プロセス技術を応用してエッチングすることにより形成される。また上記パイレックス基板１３２，１３３はパイレックスガラスで形成され、絶縁性と高剛性を有している。パイレックス基板１３２における内部空間１３９側の面にはサーボ電極１３７が設けられている。サーボ電極１３７はｐ＋＋シリコン層で形成される。サーボ電極１３７は電極部１３４に対向している。パイレックス基板１３３における内部空間１４０側の面には固定電極１３８が設けられている。固定電極１３８は肉厚部１３５に対向している。肉厚部１３５は固定電極１３８に対する電極として機能し、肉厚部１３５と固定電極１３８の間で間隔に応じた静電容量が決まる。
【０００５】
上側のパイレックス基板１３２には、導電性端子を形成するための３つの貫通孔が形成される。第１の貫通孔にはＡｌ（アルミニウム）電極１４２が設けられかつサーボ電極１３７に接続される導電性エポキシ樹脂１４３が充填されている。第２の貫通孔にはＡｌ電極１４４が設けられかつシリコン部１４５を介して電極部１３４に接続される導電性エポキシ樹脂１４６が充填されている。第３の貫通孔にはＡｌ電極１４７が設けられかつシリコン部１４８を介して固定電極１３８に接続される導電性エポキシ樹脂１４９が充填されている。各エポキシ樹脂１４３，１４６，１４９にはそれぞれリード線１５０，１５１，１５２が電気的に接続されている。リード線１５０，１５１，１５２はそれぞれ図示しない外部回路に接続される。詳しくは、リード線１５０は外部回路内のサーボ電圧出力部に接続され、リード線１５１は外部回路内の基準電位部に接続され、リード線１５２は外部回路内の検出部に接続される。サーボ電極１３７にはリード線１５０を通してサーボ電圧が印加される。
【０００６】
上記構成において、導入口１４１を通して被測定気体が内部空間１３９に導入されると、電極部１３４は被測定気体の圧力を受け、前述のごとく肉薄部１３６が下方向へ変形し、肉厚部１３５が内部空間１４０側へ変位する。その結果、電極部１３４の肉厚部１３５と固定電極１３８との間の間隔が変化し、肉厚部１３５と固定電極１３８の間の静電容量が変化する。この静電容量の変化は例えば交流ブリッジ回路からなる検出部によって検出される。検出部の検出作用に基づいて、電極部１３４に加わる圧力と釣り合うように、パイレックス基板１３２のサーボ電極１３７にサーボ電圧が印加される。電極部１３４においてサーボ電圧による静電引力と被測定気体による圧力との間に釣り合いが生じ、電極部１３４は中央位置に保たれる。印加されたサーボ電圧の２乗と上記圧力の間には比例関係があるため、サーボ電極１３７に与えられたサーボ電圧を測定することにより、上記真空センサに加わった被測定気体の圧力を測定することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の真空センサは次の問題を有する。
【０００８】
電極部１３４を変位させて静電容量の変化を検知する方式の真空センサで微小圧力の測定を高い精度で行えるようにするためには、電極部１３４の肉厚部１３５と固定電極１３８との間の静電容量を大きくすることが要求される。静電容量を大きくするためには、電極部１３４における肉厚部１３５の対向部の面積を大きくすること、あるいは肉厚部１３５と固定電極１３８の間のギャップを狭くすることが必要である。しかしながら、従来の真空センサで静電容量を大きくする場合、構造上、電極部１３４の中央に質量の大きな肉厚部１３５を設ける必要があり、このため、電極部１３４の肉厚部１３５が重りとして作用し、外部からの振動に感応しやすく、測定感度および測定精度に悪い影響を与えるという問題が起きる。
【０００９】
さらに従来の真空センサでは、被測定気体の圧力測定時、肉厚部１３５と固定電極１３８の間の静電容量が、被測定気体の圧力が加わっていないときの静電容量と同じになるように、サーボ電極１３７にサーボ電圧を印加する。圧力が加わっていないときの静電容量は、真空センサごとに主に電極部１３４の肉厚部１３５と固定電極１３８の間の間隔に依存してバラツキを有し、この間隔に起因する静電容量のバラツキは真空センサの製造バラツキおよび温度により変化する熱膨張に依存する。このため従来の真空センサによれば、真空センサに圧力が加わっていない状態での肉厚部１３５と固定電極１３８の間の静電容量を各真空センサごとに計測しなければならないという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記の問題を解決することにあり、構造的に振動に対する感応性を抑え、製造バラツキや温度による熱膨張の依存性を少なくし、真空センサごとの静電容量の計測を不要とし、微小圧力の測定精度を高め、小型で高感度かつ広範囲の圧力測定を行えるサーボ式静電容量型真空センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係るサーボ式静電容量型真空センサは、上記目的を達成するため、次のように構成される。
真空センサは、シリコン基板を第１ガラス基板と第２ガラス基板の間に配置し、シリコン基板と第１ガラス基板、シリコン基板と第２ガラス基板をそれぞれ接合して三層構造を有する。シリコン基板は電極部を備え、電極部と第１ガラス基板の間には例えば第１ガラス基板に形成された気体導入口を通して外部と通じる第１内部空間が形成され、電極部と第２ガラス基板の間には高真空状態に保持される第２内部空間が形成される。電極部は気体導入口から第１内部空間に導入された気体の圧力を受ける。電極部は、気体の圧力を受けて変位する可動電極と、可動電極の周囲に可動電極を支持するように形成されかつ気体の圧力を受けても変位しない周囲電極とからなる。可動電極の第２内部空間側の面と周囲電極の第２内部空間側の面は同一面として形成される。第２ガラス基板における第２内部空間側の面に、可動電極に対向する固定電極と、周囲電極に対向する参照電極が設けられる。第１ガラス基板における第１内部空間側の面には可動電極に接近して対向する凸状サーボ電極が設けられる。
真空センサでは、さらに好ましくは、可動電極の第２内部空間側の面と周囲電極の第２内部空間側の面からなる上記同一面が、被測定気体の圧力が加わっていないとき、固定電極および参照電極が設けられた第２ガラス基板における第２内部空間側の面に平行である。
上記真空センサの電極部では、被測定気体の圧力を受けて変位する肉薄の可動電極をほぼ中央に設け、その周りに被測定気体の圧力で変位しない肉厚の周囲電極を設け、可動電極を支持するようにした。ここで被測定気体は、例えば、粘性流、分子流、あるいはその中間領域の流れ特性を有する気体である。また真空センサで測定可能な圧力範囲は可動電極と周囲電極に関する上記変位特性を有する範囲である。電極部の一方の側には気体導入口を介して外部と通じる第１内部空間と、他方の側には高真空状態に保持された第２内部空間が形成されている。可動電極と周囲電極の第２内部空間側の面は同一面となっている。可動電極に圧力が加わっていないときに、上記同一面に対向して平行でかつ同一間隔で、可動電極に対して固定電極が設けられ、周囲電極に対して参照電極が設けられる。可動電極に被測定気体の圧力が加わると、可動電極は第２内部空間側に変位し可動電極と固定電極の間の間隔が狭くなるが、肉厚の周囲電極は変位せず、周囲電極と参照電極の間隔は一定に保持される。上記真空センサでは、電極部の中央に重り作用を有する肉厚部が存在しないので、振動や衝撃が真空センサに加わったときにも、電極部にノイズの原因となる不必要な振動が発生せず、測定の感度や精度に関する従来の問題が解消される。特に微小圧力の測定精度を向上できる。またサーボ電極に必要なサーボ電圧を印加することにより、可動電極に加わる被測定気体の圧力とサーボ電圧による静電引力とを釣り合わせるようにした。上記の真空センサによれば、サーボ電圧の値を決めるにあたって、可動電極と固定電極の間で決まる第１静電容量（Ｃ１）と、周囲電極と固定電極の間で決まる第２静電容量（Ｃｓ）とを利用することによって、各真空センサごとの製造バラツキを解消し、温度の依存性をなくすことが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１〜図５を参照して本発明に係るサーボ式静電容量型真空センサの代表的実施形態を説明する。図１の断面図は、説明の便宜上、実際の真空センサの構造に比較して厚みを誇張して示している。また図２は図１のＡ−Ａ線矢視断面、図３は図１のＢ−Ｂ線矢視断面、図４は図１のＣ−Ｃ線矢視断面をそれぞれ示している。図５は真空センサと外部回路の関係を示す構成図である。
【００１４】
図１に示すごとく真空センサ１１は三層の積層構造を有している。中央に位置する層はシリコン基板１２である。シリコン基板１２の上側および下側にはパイレックス基板１３，１４が設けられている。パイレックス基板１３，１４はパイレックスガラスで作られた板状部材であり、絶縁性を有しかつ高い剛性を有している。パイレックス基板１３，１４はシリコン基板１２に陽極接合されている。このシリコン基板１２には電極部２０が設けられる。電極部２０は、パイレックス基板１３，１４に挟まれかつシリコン基板１２の周囲の支持壁部３８で囲まれた空間（図３に示す）の中に形成されている。
【００１５】
電極部２０はシリコン基板を利用して形成される。電極部２０は、ほぼ中央に形成された肉薄の可動電極２１と、可動電極２１の周囲に位置し可動電極２１を支持するように形成された肉厚の周囲電極２２とから構成されている。可動電極２１は例えば５μｍ程度の厚みを有するシリコン薄膜である。可動電極２１は、後述するように、電極部２０が被測定気体の圧力を受けるときに変形して変位を生じる。可動電極２１の平面形状は図３に示すように例えば四角である。可動電極２１は、図１に示すごとく、後述する下側の固定電極２４および上側のサーボ電極１６に対向しており、例えば接地電位等の基準電位に保持され、かつ固定電極２４との間で静電容量を生じさせ、あるいはサーボ電極１６との間で静電引力を生じさせる。一方、周囲電極２２は例えば４００μｍ未満の厚みを有するシリコン厚膜である。周囲電極２２の平面形状は、例えば図３に示されるごとく四角のほぼ環状である。周囲電極２２のほぼ中央に可動電極２１が形成される。また周囲電極２２は、図１に示すごとく、後述する下側の参照電極２５に対向しており、参照電極２５との間で静電容量を生じさせる。電極部２０は全体として単体であり、可動電極２１と周囲電極２２は一体的に形成されている。電極部２０が被測定気体の圧力を受けて可動電極２１で変位が生じたとき、周囲電極２２は変位せず、可動電極２１を支持する。
【００１６】
上記構造を有する電極部２０は、例えば厚み４００μｍのシリコン基板を用意し、このシリコン基板の両面にエッチング等の半導体製造プロセスを応用して作られる。図１に示された電極部２０において、シリコン層２３は、エッチングの際にエッチングストップ層として残ることにより形成される。シリコン層２３の一部が上記可動電極２１になる。図１で、可動電極２１は、シリコン層２３の他の部分に対して作用が異なることから、断面の描き方を異ならせて示している。シリコン層２３における可動電極２１以外の他の部分は、周囲電極２２と重なっており、周囲電極と同等に作用する。半導体製造プロセスを応用して作られる電極部２０は、可動電極２１の下面と周囲電極２２の下面が同一面となるように形成されている。このことは、可動電極２１それ自体、および周囲電極２２の下面部が上記シリコン層２３で作られることから明らかである。エッチングによって電極部２０が上記形状に形成されることから可動電極２１の上側に凹所２２ａが形成される。
【００１７】
上記電極部２０が形成されたシリコン基板１２の両側にパイレックス基板１３，１４が陽極接合される。電極部２０は、その製造工程で、肉厚の周囲電極２２の縁部が下側のパイレックス基板１４に陽極接合される。電極部２０とパイレックス基板１３の間には内部空間Ｓ１が形成される。内部空間Ｓ１は、例えばパイレックス基板１３に形成された導入口１５を通して真空センサ１１の外部と通じており、外部から被測定気体が導入される。可動電極２１は凹所２２ａを通して内部空間Ｓ１に対し露出している。なお被測定気体を内部空間Ｓ１に導入するための導入口は、パイレックス基板１３以外の箇所にも形成することができる。また電極部２０とパイレックス基板１４の間には高真空状態に保持された内部空間Ｓ２が形成されている。内部空間Ｓ２は封止された空間である。
【００１８】
上側のパイレックス基板１３に形成された導入口１５は外部と内部空間Ｓ１を連通し、この導入口１５を通して外部から内部空間Ｓ１に被測定気体が導入される。ここで真空センサ１１の測定対象である気体は、例えば、粘性流、分子流、またはそれらの中間領域の流れ特性を有する気体である。また真空センサ１１の測定対象である圧力範囲は、可動電極２１の変位が生じかつ周囲電極２２に変位が生じないような範囲である。このような圧力範囲に含まれる対象であれば、上記気体以外の一般的な流体も真空センサ１１の測定対象に含まれる。パイレックス基板１３の内部空間Ｓ１側の面には、ほぼ中央部に、可動電極２１に対向するように突出した凸状のサーボ電極１６が形成されている。サーボ電極１６は、別に用意したシリコン基板に半導体製造プロセス技術を応用してｐ型（あるいはｎ型）のシリコン層１７を形成すると共にエッチングを行うことにより作られる。サーボ電極１６の凸部はパイレックス基板１３より下方に向かって突出している。サーボ電極１６の凸部の形状は、電極部２０の凹所２２ａの形状とほぼ一致している。サーボ電極１６にはシリコン層１７とＡｌ電極１８を通して外部からサーボ電圧が印加されるようになっている。Ａｌ電極１８は蒸着等の方法により形成され、シリコン層１７の端部はＡｌ電極１８に接続されている。サーボ電極１６は、Ａｌ電極１８を介して外部回路５０（例えば交流ブリッジ回路またはマイコンで構成される演算処理手段等を含む回路）に接続され、サーボ電圧が印加される。
【００１９】
図２に示すように、サーボ電極１６の凸部の先端面は例えば正方形の形状を有し、シリコン層１７の端部はＡｌ電極１８に接続されている。また導入口１５は例えば４か所に形成されている。なお図１と図２を比較すると、例えば導入口１５の位置や個数が正確に一致していないが、説明の便宜上理解しやすいように図示されている。
【００２０】
下側のパイレックス基板１４の内部空間Ｓ２側の面には、静電容量検出用固定電極２４（以下「固定電極２４」と簡略化する）と参照電極２５が設けられている。参照電極２５は固定電極２４の周囲に電気的絶縁状態で設けられる。固定電極２４は可動電極２１に対向して設けられ、参照電極２５は周囲電極２２に対向して設けられている。電極部２０に被測定気体の圧力が加わらない場合において、可動電極２１と周囲電極２２の各下面は、同一面となっており、固定電極２４と参照電極２５が設けられた面に対して平行になっている。このとき可動電極２１および固定電極２４の間隔と周囲電極２２および参照電極２５の間隔とは実質的に等しくなっている。固定電極２４と参照電極２５は例えばシリコン層で形成される。上記構造に基づき、可動電極２１と固定電極２４、周囲電極２２と参照電極２５の各々によって静電容量が検出される。参照電極２５は、後述する計算式に基づいて特定の値を求めるための静電容量を作り出す電極であり、製造バラツキをなくすゼロ点補償を行い、かつ温度依存性をなくす温度補償を行うために設けられた電極である。
【００２１】
上記に説明したように、電極部２０の可動電極２１の両側には内部空間Ｓ１，Ｓ２が形成される。導入口１５を通して外部から被測定気体が内部空間Ｓ１に導入されると、当該被測定気体の圧力が可動電極２１に加わり、内部空間Ｓ２が高真空に保たれているので、可動電極２１は内部空間Ｓ２側に変位する。可動電極２１の周囲を支持する周囲電極２２は、厚膜として形成されているので、変位しない。
【００２２】
一方、下側のパイレックス基板１４には電極ピン３１，３２，３３，３４が設けられる。各電極ピン３１〜３４は、それぞれ、パイレックス基板１４に形成された電極部用貫通孔、固定電極用貫通孔、参照電極用貫通孔、サーボ電極用貫通孔に接着剤としての導電性エポキシ樹脂３５で固定されている。電極ピン３１は電極部２０に接続され、電極ピン３２は固定電極２４に接続され、電極ピン３３は参照電極２５に接続されている。参照電極２５は、図４に示すごとく好ましくは固定電極２４の周囲にこれを囲むように配置される。電極ピン３１〜２４の各々にはＡｌ電極３６が設けられている。また電極ピン３４は、シリコンで作られた接続部３７を介して前述のＡｌ電極１８およびシリコン層１７に接続され、さらにサーボ電極１６に接続される。
【００２３】
なお図１〜図３で３８はシリコンで形成された支持壁部、図１で３９はシリコン層、４０は深い窪み、４１はゲッター材である。支持壁部３８は、図２および図３に示されるように、電極部２０の周囲を囲むように全周に形成されている。内部空間Ｓ２は、窪み４０に収納されたゲッター材４１で部材から発生するガスが吸着され、前述のごとく高真空に保持される。また図１と図４を比較すると、例えば４つの電極ピンの設置位置が正確に一致していないが、図１では４つの電極ピンの設置関係が明確になるように断面部を一部変更して図示している。
【００２４】
図１に示した構造では、シリコン基板１２に対しその両側に絶縁性かつ高剛性を有するパイレックス基板１３，１４を接合させた積層構造としたが、積層される両側の基板はパイレックスガラス（コーニング（株）社製）に限定されず、その代わりにシリコン基板の材料と同じあるいは非常に近い熱膨張係数を持つ材料、例えばＳＤガラス（ホウケイ酸ガラス；ホーヤ（株）社製）を用いることもできる。
【００２５】
シリコン基板１２は、ＥＰＷ（エチレンジアミンピロカテコール水溶液）やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）などのエッチング溶液によりウェットエッチングされ、その片面に、底部の少なくとも一部が平らな凹所を形成し、次にその凹所の表面に半導体拡散技術によって上記シリコン層２３が形成される。また凹所の端にはゲッター材４１を収納するための窪み４０が形成される。
【００２６】
シリコン基板１２とパイレックス基板１４は上記窪み４０にゲッター材４１を収納した後に真空中で接合され、内部空間Ｓ２が形成される。その後、シリコン基板１２を上記エッチング溶液により選択エッチングして、可動電極２１および周囲電極２２からなる電極部２０と支持壁部３８とが形成される。
【００２７】
電極部２０に被測定気体の圧力が加わらないとき、可動電極２１と周囲電極２２の各下面が形成する面と固定電極２４と参照電極２５が設けられた面との間隔は、例えば１０μｍ程度である。可動電極２１と固定電極２４の各々の面積は例えば□４ｍｍ（一辺が４ｍｍの正方形）である。また参照電極２５は同面積あるいは固定電極２４の面積に対して一定比率の面積となるように形成されている。可動電極２１と固定電極２４によって静電容量Ｃ１のコンデンサが構成され、周囲電極２２と参照電極２５によって静電容量Ｃｓのコンデンサが構成される。
【００２８】
凸状のサーボ電極１６は、電極部２０の周囲電極２２と接触しないように配置されている。サーボ電極１６と可動電極２１の間の間隔は例えば１０μｍ程度になるように設定されている。可動電極２１の周囲に位置する周囲電極２２の厚みは前述のごとく約４００μｍであるので、実際の構造では、サーボ電極１６の凸部は凹所２２ａの内部に入り込んだ状態で配置される。
【００２９】
図５は真空センサ１１と外部回路５０の関係を示す。固定電極２４はパイレックス基板１４の対応する貫通孔におけるＡｌ電極３６と導電性エポキシ樹脂３５と電極ピン３２を介して外部回路５０に接続され、参照電極２５はパイレックス基板１４の対応する貫通孔におけるＡｌ電極３６と導電性エポキシ樹脂３５と電極ピン３３を介して外部回路５０に接続されている。一方、電極部２０は、シリコン層２３と対応する貫通孔におけるＡｌ電極３６と導電性エポキシ樹脂３５と電極ピン３１を介して外部回路５０と接続されている。なお電極部２０は接地電位等の基準電位に保持される。さらにサーボ電極１６は、シリコン層１７、Ａｌ電極１８、接続部３７、シリコン層３９、パイレックス基板１４の対応する貫通孔におけるＡｌ電極３６および導電性エポキシ樹脂３５と電極ピン３４を介して外部回路５０に接続されている。外部回路５０では、電極ピン３１，３２，３３との接続関係に基づき上記の静電容量Ｃ１と静電容量Ｃｓが入力され、予め用意された下記の計算式に基づいて特定の値を計算する。そしてこの値がほぼ０になるように、電極ピン３４に対して印加するサーボ電圧を定め、電極ピン３４を通してサーボ電極１６にサーボ電圧を印加する。印加されたサーボ電圧による静電引力と被測定気体の圧力とが釣り合うと、可動電極２１での変位が０になり、上記特定の値も０になる。
【００３０】
真空センサ１１では、導入口１５から被測定気体が内部空間Ｓ１内に入ると、可動電極２１に対して内部空間Ｓ２側に変位させる圧力が加わる。このとき周囲電極２２は被測定気体の圧力によって内部空間Ｓ２側に変位しない。サーボ電極１６には、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃｓを利用して作られた計算式「Ｃ１−Ｃｓ×（固定電極２４の面積）／（参照電極２５の面積）」の値が０となるように、外部回路５０によりサーボ電圧が印加される。サーボ電圧によって可動電極２１に対して可動電極２１に加わった圧力と等しい静電引力が逆向きに加えられる。これにより可動電極２１は常に変位のない状態に保たれる。静電引力とサーボ電圧の２乗とは比例関係にあるので、印加したサーボ電圧を検出することにより、被測定気体により加わった圧力を求めることができる。そこで外部回路５０には当該関係に基づいて圧力値を算出する演算部が内蔵され、演算部で算出された圧力値が計測値として出力される。
【００３１】
真空センサ１１では可動電極２１と固定電極２４の間に形成されたギャップの間隔は１０μｍと狭く設定され、真空センサ１１でも真空センサごとに製造バラツキを有し、温度依存性を有する。しかし本実施形態による真空センサ１１によれば、構造上、各真空センサで圧力が加わっていない状態で可動電極２１および固定電極２４の間隔と周囲電極２２および参照電極２５の間隔とが等しいので、回路設計上、製造バラツキおよび温度依存性に拘らず、圧力が加わっていない場合の上記計算式「Ｃ１−Ｃｓ×（固定電極２４の面積）／（参照電極２５の面積）」の値は０になる。さらに被測定気体が導入口１５から入ってその圧力を検出する場合、「Ｃ１−Ｃｓ×（固定電極２４の面積）／（参照電極２５の面積）」が０となるように、すなわち静電引力と圧力が釣り合うように、サーボ電極１６にサーボ電圧を印加して可動電極２１の位置を常に変位のない状態に保つことができる。従って真空センサ１１による圧力検出は、構造上および制御の回路構成上、電極の間のギャップ間隔に関する真空センサごとの製造バラツキおよび温度依存性の影響を受けない。
【００３２】
本実施形態による真空センサ１１では、電極部２０のほぼ中央に圧力を受けて変位する肉薄の可動電極２１を形成し、周囲に変位しない肉厚の周囲電極２２を形成した。可動電極２１は質量が小さく、また周囲電極２２を一体化して電極部２０を作っているため、振動および衝撃により電極の位置関係は変化しにくく、真空センサの動作を安定化させることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００３４】
被測定気体の圧力に受けて変位する可動電極を電極部のほぼ中央に形成し、その周囲に肉厚の周囲電極を形成したため、従来の真空センサに比較して中央に重り部分がなく、振動および衝撃による影響を排除でき、安定した動作を行う真空センサを実現できる。さらに振動等の影響に強く安定して検出動作を行い、かつ可動電極と固定電極の間隔、周囲電極と参照電極の間隔を例えば１０μｍ程度に狭くし各々の間隔で決まる静電容量が大きくなるように構成したため、高い圧力の測定は勿論のこと、微小な圧力の測定に対しても高い測定感度を達成することができる。
【００３５】
さらに、電極部に圧力が加わっていない状態で、可動電極と周囲電極の各下面が同一面となり、かつ可動電極と固定電極の間隔、周囲電極と参照電極の間の間隔が等しくなる構造としたため、可動電極、周囲電極、固定電極、参照電極の各々を設計目的に応じて再現性良くかつ歩留まり良く作ることができ、圧力のない状態での可動電極と固定電極間の静電容量、周囲電極と参照電極間の静電容量の比を設計通りに歩留まり良く実現できる。また真空センサごとの電極間のギャップ間隔の製造バラツキも補償することができる。
【００３６】
また電極部に圧力が加わる状態でも、周囲電極・参照電極間の静電容量に固定電極面積を参照電極面積で割った値を掛け、この値を可動電極・固定電極間の静電容量の値から引くという操作を演算処理により実施し、差し引かれた値が実質的に０となるようにサーボ電圧を印加し、可動電極の変位を０に保つように構成したため、真空センサごとの電極間のギャップ間隔の製造バラツキを解消し、温度に依存しない正しい圧力指示値を得ることができる。
【００３７】
またサーボ式の構造を採用することにより肉薄の可動電極に機械的歪みが生じないようにしたため、真空センサに機械疲労が加わらず、真空センサの寿命を長くでき、長期に渡って信頼性の高い測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るサーボ式静電容量型真空センサの代表的実施形態を示す要部縦断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図４】図１におけるＣ−Ｃ線矢視断面図である。
【図５】真空センサと外部回路の関係を示す構成図である。
【図６】従来のサーボ式静電容量型真空センサの要部縦断面図である。
【符号の説明】
１１                  サーボ式静電容量型真空センサ
１２                  シリコン基板
１３，１４            パイレックス基板
１５                  導入口
１６                  サーボ電極
２０                  電極部
２１                  可動電極
２２                  周囲電極
２４                  静電容量検出用固定電極
２５                  参照電極
３１〜３４            電極ピン
３５                  エポキシ樹脂
【図１】
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【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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