JP2022176610A - 隔膜真空計 - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサを設けることなくセンサチップの温度を計測する。
【解決手段】隔膜真空計は、ダイアフラムの変位に応じて第１、第２の電極の間隔が変化するセンサチップと、駆動信号を第２の電極に印加する信号発生器１２０と、駆動信号と位相がずれた信号を出力する信号発生器１２１と、第１の電極から出力される電流を電圧に変換する増幅器１２２と、増幅器１２２の出力から駆動信号に同期した信号を復調する同期検波部１２８と、増幅器１２２の出力から信号発生器１２１の出力信号に同期した信号を復調する同期検波部１２９と、同期検波部１２８，１２９の出力から第１、第２の電極の直列抵抗に比例した値を算出し、この直列抵抗に比例した値からセンサチップの温度に比例した値をセンサチップ温度として求める温度算出部１２７を備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、隔膜真空計に関するものである。

隔膜真空計は、ダイアフラムの変位を容量の変化で検出することにより、圧力を計測している。隔膜真空計は、半導体のプロセスチャンバーの圧力計測のために使用される。近年の半導体プロセスは、高度化しており、正確な圧力の計測が求められる。しかし、隔膜真空計では、圧力で容量が変化するのみでなく、温度によっても容量が変化してしまうため、温度を検出して容量を補正することにより正確な圧力を計測している。

温度の検出のためには温度センサの設置が必要であるが、センサチップ内に温度センサを設置すると、圧力検出のための電極を小さくしなければならないという課題があった。また、センサチップへの温度センサの取り付けと温度センサの信号を取り出すための配線が必要になるので、センサチップが大きくなるという課題があった。そのため、従来の隔膜真空計では、センサチップの外側に温度センサを取り付けるようにしていた（特許文献１参照）。

しかしながら、従来の隔膜真空計のように温度センサをセンサチップの外側に取りつけると、センサチップの正確な温度が計測できないため、温度変化が発生したときの温度検出の追従性の遅れ等々により、容量の補正に誤差が発生し、圧力の計測誤差が発生するという課題があった。

特開２０１９－７９０６号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、センサチップの外側に温度センサを設けることなく、センサチップの温度を正確に計測することができる隔膜真空計を提供することを目的とする。

本発明の隔膜真空計（第１の実施例）は、台座に形成された第１の電極と、前記台座とギャップを隔てて配置されたダイアフラムに前記第１の電極と対向するように形成された第２の電極とを備え、被測定媒体の圧力による前記ダイアフラムの変位に応じて前記第１、第２の電極の間隔が変化するように構成されたセンサチップと、センサ駆動信号を前記第２の電極に印加するように構成された第１の信号発生器と、前記センサ駆動信号と位相がずれた信号を出力するように構成された第２の信号発生器と、前記第１の電極から出力される電流を電圧に変換して増幅するように構成された増幅器と、前記増幅器の出力信号から前記センサ駆動信号に同期した信号を復調するように構成された第１の同期検波部と、前記増幅器の出力信号から前記第２の信号発生器の出力信号に同期した信号を復調するように構成された第２の同期検波部と、前記第１、第２の同期検波部の出力信号から前記第１、第２の電極間の静電容量に比例した値を静電容量値として算出するように構成された容量算出部と、前記第１、第２の同期検波部の出力信号から前記第１、第２の電極の直列抵抗に比例した値を算出し、この直列抵抗に比例した値から前記センサチップの温度に比例した値をセンサチップ温度として求めるように構成された温度算出部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の隔膜真空計の１構成例（第１の実施例）は、算出された前記静電容量値を前記センサチップの温度によって補正して計測圧力値に変換するように構成された圧力計測部をさらに備えることを特徴とするものである。

また、本発明の隔膜真空計（第２の実施例）は、台座に形成された第１の電極と、前記台座とギャップを隔てて配置されたダイアフラムに前記第１の電極と対向するように形成された第２の電極と、前記第１の電極の外側の前記台座に形成された第３の電極と、前記第２の電極の外側の前記ダイアフラムに前記第３の電極と対向するように形成された第４の電極とを備え、被測定媒体の圧力による前記ダイアフラムの変位に応じて前記第１、第２の電極の間隔が変化するように構成されたセンサチップと、センサ駆動信号を前記第２、第４の電極に印加するように構成された第１の信号発生器と、前記センサ駆動信号と位相がずれた信号を出力するように構成された第２の信号発生器と、前記第１の電極から出力される電流を電圧に変換して増幅するように構成された第１の増幅器と、前記第３の電極から出力される電流を電圧に変換して増幅するように構成された第２の増幅器と、前記第１の増幅器の出力信号から前記第２の増幅器の出力信号を減算するように構成された減算器と、前記第１の増幅器の出力信号から前記センサ駆動信号に同期した信号を復調するように構成された第１の同期検波部と、前記減算器の出力信号から前記センサ駆動信号に同期した信号を復調するように構成された第２の同期検波部と、前記第１の増幅器の出力信号から前記第２の信号発生器の出力信号に同期した信号を復調するように構成された第３の同期検波部と、前記第１、第３の同期検波部の出力信号から前記第１、第２の電極間の静電容量に比例した値を第１の静電容量値として算出するように構成された第１の容量算出部と、前記第２の同期検波部の出力信号から前記第３、第４の電極間の静電容量に比例した値を第２の静電容量値として算出するように構成された第２の容量算出部と、前記第１、第３の同期検波部の出力信号から前記第１、第２の電極の直列抵抗に比例した値を算出し、この直列抵抗に比例した値から前記センサチップの温度に比例した値をセンサチップ温度として求めるように構成された温度算出部と、前記第２の静電容量値により前記第１の静電容量値を補正するように構成された容量補正部とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の隔膜真空計（第３の実施例）は、台座に形成された第１の電極と、前記台座とギャップを隔てて配置されたダイアフラムに前記第１の電極と対向するように形成された第２の電極と、前記第１の電極の外側の前記台座に形成された第３の電極と、前記第２の電極の外側の前記ダイアフラムに前記第３の電極と対向するように形成された第４の電極とを備え、被測定媒体の圧力による前記ダイアフラムの変位に応じて前記第１、第２の電極の間隔が変化するように構成されたセンサチップと、センサ駆動信号を前記第２、第４の電極に印加するように構成された第１の信号発生器と、前記センサ駆動信号と位相がずれた信号を出力するように構成された第２の信号発生器と、前記第１の電極から出力される電流を電圧に変換して増幅するように構成された第１の増幅器と、前記第３の電極から出力される電流を電圧に変換して増幅するように構成された第２の増幅器と、前記第１の増幅器の出力信号から前記第２の増幅器の出力信号を減算するように構成された減算器と、前記第１の増幅器の出力信号から前記センサ駆動信号に同期した信号を復調するように構成された第１の同期検波部と、前記減算器の出力信号から前記センサ駆動信号に同期した信号を復調するように構成された第２の同期検波部と、前記減算器の出力信号から前記第２の信号発生器の出力信号に同期した信号を復調するように構成された第３の同期検波部と、前記第１の同期検波部の出力信号から前記第１、第２の電極間の静電容量に比例した値を第１の静電容量値として算出するように構成された第１の容量算出部と、前記第２、第３の同期検波部の出力信号から前記第３、第４の電極間の静電容量に比例した値を第２の静電容量値として算出するように構成された第２の容量算出部と、前記第２、第３の同期検波部の出力信号から前記第３、第４の電極の直列抵抗に比例した値を算出し、この直列抵抗に比例した値から前記センサチップの温度に比例した値をセンサチップ温度として求めるように構成された温度算出部と、前記第２の静電容量値により前記第１の静電容量値を補正するように構成された容量補正部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の隔膜真空計の１構成例（第２、第３の実施例）において、前記第２の電極と前記第４の電極とは、電気的に接続されて単一の電極として形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の隔膜真空計の１構成例（第２、第３の実施例）は、前記補正された第１の静電容量値を前記センサチップ温度によって補正して計測圧力値に変換するように構成された圧力計測部をさらに備えることを特徴とするものである。

また、本発明の隔膜真空計の１構成例（第１～第３の実施例）において、前記第２の信号発生器は、前記センサ駆動信号に対して位相が９０度ずれた信号を出力することを特徴とするものである。
また、本発明の隔膜真空計の１構成例（第１～第３の実施例）は、前記センサチップ温度をユーザーに通知するように構成された温度通知部をさらに備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、第１、第２の信号発生器と増幅器と第１、第２の同期検波部と容量算出部と温度算出部とを設けることにより、第１の電極と第２の電極の直列抵抗が温度によって変化することを利用してセンサチップの温度を計測することができ、１つのセンサチップで圧力計測と温度計測を実現することができる。本発明では、センサチップの正確な温度を計測することができるため、センサチップの外側に温度センサを設ける従来の構成と比較して、補正の誤差を抑えることができ、圧力の計測誤差を抑えることができる。また、本発明では、センサチップへの温度センサの取り付けと温度センサの信号を取り出すための配線が不要となるので、センサチップに温度センサを取り付ける場合と比較してセンサチップの小型化が可能となる。

また、本発明では、第１、第２の信号発生器と第１、第２の増幅器と減算器と第１～第３の同期検波部と第１、第２の容量算出部と温度算出部と容量補正部とを設け、センサ駆動信号をセンサチップの第２、第４の電極に印加することにより、センサチップの第１の電極と第２の電極とを用いて圧力計測のための容量計測と温度計測とを実施し、センサチップの第３の電極と第４の電極とを用いて容量補正のための容量計測を実施することができ、１つのセンサチップで圧力計測と温度計測と容量補正を実現することができる。

また、本発明では、第１、第２の信号発生器と第１、第２の増幅器と減算器と第１～第３の同期検波部と第１、第２の容量算出部と温度算出部と容量補正部とを設け、センサ駆動信号をセンサチップの第２、第４の電極に印加することにより、センサチップの第１の電極と第２の電極とを用いて圧力計測のための容量計測を実施し、センサチップの第３の電極と第４の電極とを用いて容量補正のための容量計測と温度計測とを実施することができ、１つのセンサチップで圧力計測と温度計測と容量補正を実現することができる。

また、本発明では、温度通知部を設けることにより、センサチップの温度のユーザーに通知することができる。

図１は、本発明の第１の実施例に係る隔膜真空計の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係る隔膜真空計のセンサチップの要部の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の第１の実施例に係る隔膜真空計の圧力・温度計測動作を説明するフローチャートである。 図４は、本発明の第１の実施例に係る隔膜真空計の容量・温度検出部の構成を示すブロック図である。 図５は、本発明の第１の実施例に係る隔膜真空計の圧力・温度計測時の増幅器の出力の波形を示す図である。 図６は、本発明の第１の実施例に係る隔膜真空計の圧力・温度計測時の同期検波部の出力の波形を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施例に係る隔膜真空計の圧力・温度計測時の同期検波部の出力の波形を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施例に係る隔膜真空計の構成を示すブロック図である。 図９は、本発明の第２の実施例に係る隔膜真空計のセンサチップの要部の構成を示す断面図である。 図１０は、本発明の第２の実施例に係る隔膜真空計の圧力・温度計測動作を説明するフローチャートである。 図１１は、本発明の第２の実施例に係る隔膜真空計の容量・温度検出部の構成を示すブロック図である。 図１２は、本発明の第３の実施例に係る隔膜真空計の構成を示すブロック図である。 図１３は、本発明の第３の実施例に係る隔膜真空計の容量・温度検出部の構成を示すブロック図である。 図１４は、本発明の第１～第３の実施例に係る隔膜真空計の回路部を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

［第１の実施例］
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る隔膜真空計の構成を示すブロック図、図２は隔膜真空計に用いられるセンサチップの要部の構成を示す断面図である。

隔膜真空計は、被測定媒体（例えばプロセスガス）の圧力によるダイアフラム（隔膜）の変位に応じて静電容量が変化する受圧部１０と、受圧部１０の静電容量の変化を計測圧力値に変換する回路部１１とを備えている。

受圧部１０のセンサチップ１の台座１０１の中央部には凹部が形成されている。この凹部が形成された台座１０１の面には、被測定媒体（例えばプロセスガス）の圧力Ｐに応じて変形可能に構成されたダイアフラム１０２が接合されている。台座１０１の凹部は、ダイアフラム１０２と共に基準真空室１０４を形成する。

センサチップ１において、台座１０１の基準真空室１０４側の面には固定電極１０５が形成され、ダイアフラム１０２の基準真空室１０４側の面には固定電極１０５と対向するように可動電極１０６が形成されている。こうして、固定電極１０５と可動電極１０６とがギャップを隔てて対向するように配置されている。ダイアフラム１０２が被測定媒体の圧力Ｐを受けて撓むと、可動電極１０６と固定電極１０５との間の間隔が変化し、可動電極１０６と固定電極１０５との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化からダイアフラム１０２が受けた被測定媒体の圧力Ｐを検出することができる。ダイアフラム構成部材１００と台座１０１とは、例えばサファイアなどの絶縁体から構成されている。

図１に示した隔膜真空計は、このように構成されたセンサチップ１と、センサチップ１を収容したハウジング２と、センサチップ１のダイアフラム１０２に被測定媒体の圧力Ｐを導く圧力導入管３と、ハウジング２を覆うセンサケース４とを備えている。

ハウジング２の内部には隔壁７が設けられている。隔壁７は、台座板７ａと支持板７ｂとから構成されており、ハウジング２の内部空間を第１の空間２ａと第２の空間２ｂとに分離する。支持板７ｂは、外周がハウジング２に固定されており、台座板７ａをハウジング２の内部空間内に浮上させた状態で支持する。台座板７ａの第２の空間２ｂ側にセンサチップ１が固定されている。また、台座板７ａには、第１の空間２ａ内の圧力をセンサチップ１のダイアフラム１０２に導く圧力導入孔７ｃが形成されている。第２の空間２ｂは、センサチップ１の基準真空室１０４と連通しており、真空状態とされている。

圧力導入管３は、ハウジング２の第１の空間２ａ側に接続されている。圧力導入管３とハウジング２との間にはバッフル８が設けられている。圧力導入管３より導入される被測定媒体は、バッフル８の板面に当たり、バッフル８の周囲の隙間を通して、ハウジング２の第１の空間２ａ内に流入する。

隔膜真空計の回路部１１は、可動電極１０６と固定電極１０５との間の静電容量に比例した値を静電容量値として算出するとともにセンサチップ１の温度に比例した値を算出する容量・温度検出部１２と、算出された静電容量値を計測圧力値に変換する圧力計測部１３と、算出されたセンサチップ１の温度をユーザーに通知する温度通知部１４とから構成される。

図３は本実施例の隔膜真空計の圧力・温度計測動作を説明するフローチャート、図４は容量・温度検出部１２の構成を示すブロック図である。
容量・温度検出部１２は、センサ駆動信号を出力する信号発生器１２０と、センサ駆動信号と位相がずれた信号を出力する信号発生器１２１と、容量ＣｆとオペアンプＡ１とからなる増幅器１２２と、差動入力型のローパスフィルタ１２３－１，１２３－２と、増幅器１２２とローパスフィルタ１２３－１との間に設けられたスイッチ１２４と、増幅器１２２とローパスフィルタ１２３－２との間に設けられたスイッチ１２５と、可動電極１０６と固定電極１０５との間の静電容量値を算出する容量算出部１２６と、センサチップ１の温度を算出する温度算出部１２７とから構成される。

図４では、センサチップ１の可動電極１０６と固定電極１０５との間の静電容量をＣｘで表している。また、可動電極１０６と固定電極１０５の直列抵抗の成分をＲｘで表している。

信号発生器１２０は、圧力・温度計測時に正弦波状のセンサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）をセンサチップ１の第２の電極（例えば可動電極１０６）とスイッチ１２４とに印加する（図３ステップＳ１００）。Ｅは振幅、ｆは周波数、ｔは時間である。
信号発生器１２１は、圧力・温度計測時にセンサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）と９０度位相がずれた信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）をスイッチ１２５に印加する（図３ステップＳ１０１）。

増幅器１２２は、センサチップ１の第１の電極（例えば固定電極１０５）から出力される電流を電圧に変換して増幅し、静電容量Ｃｘに比例した振幅の信号を出力する。

スイッチ１２４とローパスフィルタ１２３－１とは、同期検波部１２８を構成している。ローパスフィルタ１２３－１は、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）を通過させるようにカットオフ周波数が設定されている。同期検波部１２８は、増幅器１２２の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）に同期した信号を復調する。

具体的には、スイッチ１２４は、圧力・温度計測時に信号発生器１２０から出力されるセンサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）が正のとき、増幅器１２２の出力端子とローパスフィルタ１２３－１の非反転入力端子とを接続する。また、スイッチ１２４は、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）が負のとき、増幅器１２２の出力端子とローパスフィルタ１２３－１の反転入力端子とを接続する。これにより、増幅器１２２の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）に同期した信号を復調することができる。

一方、スイッチ１２５とローパスフィルタ１２３－２とは、同期検波部１２９を構成している。ローパスフィルタ１２３－２は、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）を通過させるようにカットオフ周波数が設定されている。同期検波部１２９は、増幅器１２２の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）と９０度位相がずれた信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）に同期した信号を復調する。

具体的には、スイッチ１２５は、圧力・温度計測時に信号発生器１２１から出力される信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）が正のとき、増幅器１２２の出力端子とローパスフィルタ１２３－２の非反転入力端子とを接続する。また、スイッチ１２５は、信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）が負のとき、増幅器１２２の出力端子とローパスフィルタ１２３－２の反転入力端子とを接続する。これにより、増幅器１２２の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）と９０度位相がずれた信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）に同期した信号を復調することができる。

図５は、圧力・温度計測時の増幅器１２２の出力Ａの波形を示す図である。増幅器１２２の出力Ａは、下記の式のように表すことができる。

図６は、圧力・温度計測時の同期検波部１２８の出力ｖｃの波形を示す図である。同期検波部１２８の出力ｖｃは、下記の式のように表すことができる。このｖｃは、主に静電容量Ｃｘに依存するが、直列抵抗Ｒｘの値にも影響される。

図７は、圧力・温度計測時の同期検波部１２９の出力ｖｔの波形を示す図である。同期検波部１２９の出力ｖｔは、下記の式のように表すことができる。このｖｔは、直列抵抗Ｒｘの値に依存するが、静電容量Ｃｘの値にも影響される。

同期検波部１２８の出力ｖｃと同期検波部１２９の出力ｖｔとから下式の演算をすると、静電容量Ｃｘのみに比例した値が得られる。

また、同期検波部１２８の出力ｖｃと同期検波部１２９の出力ｖｔとから下式の演算をすると、直列抵抗Ｒｘのみに比例した値が得られる。

式（４）、式（５）におけるα，βは静電容量Ｃｘ、直列抵抗Ｒｘに依存しない回路常数のＣｆ，ｆ，Ｅによる定数である。

容量算出部１２６は、同期検波部１２８の出力ｖｃと同期検波部１２９の出力ｖｔとから式（４）により静電容量Ｃｘの値を算出する（図３ステップＳ１０２）。

温度算出部１２７は、同期検波部１２８の出力ｖｃと同期検波部１２９の出力ｖｔとから式（５）により直列抵抗Ｒｘの値を算出する（図３ステップＳ１０３）。そして、温度算出部１２７は、直列抵抗Ｒｘの値からセンサチップ１の温度を導出する（図３ステップＳ１０４）。直列抵抗Ｒｘと温度との関係は予め温度算出部１２７に記憶されている。温度算出部１２７は、予め設定された式により直列抵抗Ｒｘの値から温度を算出してもよいし、予め設定されたテーブルから直列抵抗Ｒｘの値に対応する温度の値を取得するようにしてもよい。

圧力計測部１３は、容量・温度検出部１２によって算出された静電容量Ｃｘを容量・温度検出部１２によって算出されたセンサチップ１の温度によって補正して計測圧力値ＭＰに変換して出力する（図３ステップＳ１０５）。静電容量Ｃｘをセンサチップ１の温度によって補正する方法は、例えば下記の式（６）を用いて行う。

式（６）において、Ｖｏは容量・温度検出部１２によって算出された静電容量Ｃｘ、Ｖｔは容量・温度検出部１２によって算出されたセンサチップ１の温度、ａ_ijは補正係数、ｉ，ｊは多項式の次数である。

温度通知部１４は、容量・温度検出部１２によって算出されたセンサチップ１の温度をユーザーに通知する（図３ステップＳ１０６）。通知方法の例としては、例えば温度の算出結果の表示、温度の算出結果の外部への送信などがある。

容量・温度検出部１２と圧力計測部１３と温度通知部１４とは、例えばユーザーの指示によって圧力・温度計測動作が終了するまで（図３ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、ステップＳ１００～Ｓ１０６の処理を計測周期毎に行う。

本実施例では、可動電極１０６と固定電極１０５の直列抵抗Ｒｘが温度によって変化することを利用してセンサチップ１の温度を計測することができ、１つのセンサチップ１で圧力計測と温度計測を実現することができる。本実施例では、センサチップ１の正確な温度を計測することができるため、センサチップの外側に温度センサを設ける従来の構成と比較して、補正の誤差を抑えることができ、圧力の計測誤差を抑えることができる。また、本実施例では、センサチップ１への温度センサの取り付けと温度センサの信号を取り出すための配線が不要となるので、センサチップに温度センサを取り付ける場合と比較してセンサチップ１の小型化が可能となる。

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図８は本発明の第２の実施例に係る隔膜真空計の構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例の隔膜真空計は、受圧部１０ａと、回路部１１ａとを備えている。

図９は本実施例のセンサチップ１ａの要部の構成を示す断面図である。センサチップ１ａにおいて、固定電極１０５の外側の台座１０１の基準真空室１０４側の面には、固定電極１０７が形成されている。可動電極１０６の外側のダイアフラム１０２の基準真空室１０４側の面には、固定電極１０７と対向するように可動電極１０８が形成されている。センサチップ１ａのその他の構成はセンサチップ１と同じである。

固定電極１０７と可動電極１０８とはダイアフラム１０２の縁部に形成されている。ダイアフラム１０２が被測定媒体の圧力Ｐを受けて撓むんだとしても、ダイアフラム１０２の縁部は殆ど変形しないため、可動電極１０８と固定電極１０７との間の静電容量は変化し難い。この静電容量は、センサ内外の温度変化および基準真空室１０４内の湿度変化等に基づく測定誤差を除去するために設けられたものである。

回路部１１ａは、容量・温度検出部１２ａと、圧力計測部１３ａと、温度通知部１４とから構成される。

図１０は本実施例の隔膜真空計の圧力・温度計測動作を説明するフローチャート、図１１は容量・温度検出部１２ａの構成を示すブロック図である。
容量・温度検出部１２ａは、センサ駆動信号を出力する信号発生器１３０と、センサ駆動信号と位相がずれた信号を出力する信号発生器１３１と、増幅器１３２，１３３と、減算器１３４と、差動入力型のローパスフィルタ１３５～１３７と、増幅器１３２とローパスフィルタ１３５との間に設けられたスイッチ１３８と、減算器１３４とローパスフィルタ１３６との間に設けられたスイッチ１３９と、増幅器１３２とローパスフィルタ１３７との間に設けられたスイッチ１４０と、容量算出部１４１と、参照容量算出部１４２と、温度算出部１４３と、容量補正部１４４とから構成される。

図１１では、センサチップ１ａの可動電極１０８と固定電極１０７との間の静電容量をＣｒで表している。また、可動電極１０８と固定電極１０７の直列抵抗の成分をＲｒで表している。

信号発生器１３０は、圧力・温度計測時にセンサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）をセンサチップ１ａの第２の電極（例えば可動電極１０６）と第４の電極（例えば可動電極１０８）とスイッチ１３８，１３９とに印加する（図１０ステップＳ２００）。

信号発生器１３１は、圧力・温度計測時にセンサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）と９０度位相がずれた信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）をスイッチ１４０に印加する（図１０ステップＳ２０１）。

増幅器１３２は、センサチップ１ａの第１の電極（例えば固定電極１０５）から出力される電流を電圧に変換して増幅し、静電容量Ｃｘに比例した振幅の信号を出力する。増幅器１３３は、センサチップ１ａの第３の電極（例えば固定電極１０７）から出力される電流を電圧に変換して増幅し、静電容量Ｃｒに比例した振幅の信号を出力する。
減算器１３４は、増幅器１３２の出力信号Ａから増幅器１３３の出力信号Ｂを減算する。

スイッチ１３８とローパスフィルタ１３５とは、同期検波部１４５を構成している。ローパスフィルタ１３５は、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）を通過させるようにカットオフ周波数が設定されている。同期検波部１４５は、増幅器１３２の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）に同期した信号を復調する。

具体的には、スイッチ１３８は、圧力・温度計測時に信号発生器１３０から出力されるセンサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）が正のとき、増幅器１３２の出力端子とローパスフィルタ１３５の非反転入力端子とを接続する。また、スイッチ１３８は、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）が負のとき、増幅器１３２の出力端子とローパスフィルタ１３５の反転入力端子とを接続する。これにより、増幅器１３２の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）に同期した信号を復調することができる。

一方、スイッチ１３９とローパスフィルタ１３６とは、同期検波部１４６を構成している。ローパスフィルタ１３６は、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）を通過させるようにカットオフ周波数が設定されている。同期検波部１４６は、減算器１３４の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）に同期した信号を復調する。

具体的には、スイッチ１３９は、圧力・温度計測時に信号発生器１３０から出力されるセンサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）が正のとき、減算器１３４の出力端子とローパスフィルタ１３６の非反転入力端子とを接続する。また、スイッチ１３９は、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）が負のとき、減算器１３４の出力端子とローパスフィルタ１３６の反転入力端子とを接続する。これにより、減算器１３４の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）に同期した信号を復調することができる。

スイッチ１４０とローパスフィルタ１３７とは、同期検波部１４７を構成している。ローパスフィルタ１３７は、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）を通過させるようにカットオフ周波数が設定されている。同期検波部１４７は、増幅器１３２の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）と９０度位相がずれた信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）に同期した信号を復調する。

具体的には、スイッチ１４０は、圧力・温度計測時に信号発生器１３１から出力される信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）が正のとき、増幅器１３２の出力端子とローパスフィルタ１３７の非反転入力端子とを接続する。また、スイッチ１４０は、信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）が負のとき、増幅器１３２の出力端子とローパスフィルタ１３７の反転入力端子とを接続する。これにより、増幅器１３２の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）と９０度位相がずれた信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）に同期した信号を復調することができる。

容量算出部１４１は、同期検波部１４５の出力ｖｃと同期検波部１４７の出力ｖｔとから式（４）により静電容量Ｃｘの値を算出する（図１０ステップＳ２０２）。
参照容量算出部１４２は、同期検波部１４６の出力ｖｒの振幅から静電容量（参照容量）Ｃｒの値を算出する（図１０ステップＳ２０３）。

容量補正部１４４は、参照容量Ｃｒにより静電容量Ｃｘを補正した値（Ｃｘ－Ｃｒ）／Ｃｘを算出する（図１０ステップＳ２０４）。
第１の実施例と同様に、温度算出部１４３は、同期検波部１４５の出力ｖｃと同期検波部１４７の出力ｖｔとから式（５）により直列抵抗Ｒｘの値を算出し（図１０ステップＳ２０５）、直列抵抗Ｒｘの値からセンサチップ１ａの温度を導出する（図１０ステップＳ２０６）。

圧力計測部１３ａは、容量・温度検出部１２ａによって算出された静電容量（Ｃｘ－Ｃｒ）／Ｃｘを容量・温度検出部１２ａによって算出されたセンサチップ１ａの温度によって補正して計測圧力値ＭＰに変換して出力する（図１０ステップＳ２０７）。静電容量（Ｃｘ－Ｃｒ）／Ｃｘをセンサチップ１ａの温度によって補正する方法は、下記式（７）を用いて行う。

式（７）において、Ｖｘは容量算出部１４１によって算出された静電容量Ｃｘ、Ｖｔは温度算出部１４３によって算出されたセンサチップ１ａの温度、Ｖｒは参照容量算出部１４２によって算出された静電容量Ｃｒ、ａ_ijkは補正係数、ｉ，ｊ，ｋは多項式の次数である。なお、式（７）の例では、容量補正部１４４の算出結果を使用せずに、容量算出部１４１，１４３の算出結果を使用することで、参照容量Ｃｒにより静電容量Ｃｘを補正している。

第１の実施例と同様に、温度通知部１４は、容量・温度検出部１２ａによって算出されたセンサチップ１ａの温度をユーザーに通知する（図１０ステップＳ２０８）。

容量・温度検出部１２ａと圧力計測部１３ａと温度通知部１４とは、例えばユーザーの指示によって圧力計測動作が終了するまで（図１０ステップＳ２０９においてＹＥＳ）、ステップＳ２００～Ｓ２０８の処理を計測周期毎に行う。

こうして、本実施例では、センサチップ１ａの固定電極１０５と可動電極１０６とを用いて圧力計測のための容量計測と温度計測とを実施し、センサチップ１ａの固定電極１０７と可動電極１０８とを用いて容量補正のための参照容量計測を実施することができ、１つのセンサチップ１ａで圧力計測と温度計測と容量補正を実現することができる。

［第３の実施例］
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図１２は本発明の第３の実施例に係る隔膜真空計の構成を示すブロック図であり、図１、図８と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例の隔膜真空計は、受圧部１０ａと、回路部１１ｂとを備えている。受圧部１０ａの構成は第２の実施例で説明したとおりである。
回路部１１ｂは、容量・温度検出部１２ｂと、圧力計測部１３ｂと、温度通知部１４とから構成される。

図１３は本実施例の容量・温度検出部１２ｂの構成を示すブロック図である。容量・温度検出部１２ｂは、信号発生器１３０，１３１ｂと、増幅器１３２，１３３と、減算器１３４と、ローパスフィルタ１３５，１３６と、スイッチ１３８，１３９と、容量算出部１４１ｂと、参照容量算出部１４２ｂと、温度算出部１４３ｂと、容量補正部１４４と、差動入力型のローパスフィルタ１４８と、減算器１３４とローパスフィルタ１４８との間に設けられたスイッチ１４９とから構成される。

本実施例の隔膜真空計の圧力・温度計測動作の処理の流れは第２の実施例と同様であるので、図１０の符号を用いて説明する。
信号発生器１３０は、圧力・温度計測時にセンサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）をセンサチップ１ａの第２の電極（例えば可動電極１０６）と第４の電極（例えば可動電極１０８）とスイッチ１３８，１３９とに印加する（図１０ステップＳ２００）。

信号発生器１３１ｂは、圧力・温度計測時にセンサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）と９０度位相がずれた信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）をスイッチ１４９に印加する（図１０ステップＳ２０１）。

第２の実施例と同様に、同期検波部１４５は、増幅器１３２の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）に同期した信号を復調する。同期検波部１４６は、減算器１３４の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）に同期した信号を復調する。

スイッチ１４９とローパスフィルタ１４８とは、同期検波部１５０を構成している。ローパスフィルタ１４８は、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）を通過させるようにカットオフ周波数が設定されている。同期検波部１５０は、減算器１３４の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）と９０度位相がずれた信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）に同期した信号を復調する。

具体的には、スイッチ１４９は、圧力・温度計測時に信号発生器１３１ｂから出力される信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）が正のとき、減算器１３４の出力端子とローパスフィルタ１４８の非反転入力端子とを接続する。また、スイッチ１４９は、信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）が負のとき、減算器１３４の出力端子とローパスフィルタ１４８の反転入力端子とを接続する。これにより、減算器１３４の出力から、センサ駆動信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ）と９０度位相がずれた信号Ｅｓｉｎ（２πｆｔ＋π／２）に同期した信号を復調することができる。

容量算出部１４１ｂは、同期検波部１４５の出力ｖｃの振幅から静電容量Ｃｘの値を算出する（図１０ステップＳ２０２）。
参照容量算出部１４２ｂは、同期検波部１４６の出力ｖｒと同期検波部１５０の出力ｖｔとから静電容量（参照容量）Ｃｒの値を算出する（図１０ステップＳ２０３）。この参照容量Ｃｒは、式（４）において、ＣｘをＣｒに置き換え、ｖｃをｖｒに置き換えた式により算出することができる。

容量補正部１４４は、参照容量Ｃｒにより静電容量Ｃｘを補正した値（Ｃｘ－Ｃｒ）／Ｃｘを算出する（図１０ステップＳ２０４）。
温度算出部１４３ｂは、同期検波部１４６の出力ｖｒと同期検波部１５０の出力ｖｔとから直列抵抗Ｒｒの値を算出し（図１０ステップＳ２０５）、直列抵抗Ｒｒの値からセンサチップ１ａの温度を導出する（図１０ステップＳ２０６）。

直列抵抗Ｒｒは、式（５）において、ＲｘをＲｒに置き換え、ｖｃをｖｒに置き換えた式により算出することができる。直列抵抗Ｒｒと温度との関係は予め温度算出部１４３ｂに記憶されている。温度算出部１４３ｂは、予め設定された式により直列抵抗Ｒｒの値から温度を算出してもよいし、予め設定されたテーブルから直列抵抗Ｒｒの値に対応する温度の値を取得するようにしてもよい。

第２の実施例と同様に、圧力計測部１３ｂは、容量・温度検出部１２ｂによって算出された静電容量（Ｃｘ－Ｃｒ）／Ｃｘを容量・温度検出部１２ｂによって算出されたセンサチップ１ａの温度によって補正して計測圧力値ＭＰに変換して出力する（図１０ステップＳ２０７）。

第２の実施例と同様に、温度通知部１４は、容量・温度検出部１２ｂによって算出されたセンサチップ１ａの温度をユーザーに通知する（図１０ステップＳ２０８）。

容量・温度検出部１２ｂと圧力計測部１３ｂと温度通知部１４とは、例えばユーザーの指示によって圧力・温度計測動作が終了するまで（図１０ステップＳ２０９においてＹＥＳ）、ステップＳ２００～Ｓ２０８の処理を計測周期毎に行う。

こうして、本実施例では、センサチップ１ａの固定電極１０５と可動電極１０６とを用いて圧力計測のための容量計測を実施し、センサチップ１ａの固定電極１０７と可動電極１０８とを用いて容量補正のための参照容量計測と温度計測とを実施することができ、１つのセンサチップ１ａで圧力計測と温度計測と容量補正を実現することができる。

なお、本実施例の説明中で圧力計測、および、温度計測の過程で、第１の容量算出部で算出される第１の静電容量値は第１、第２の電極間の静電容量に比例した値であればよく、同様に第２の容量算出部で算出される第２の静電容量値は第３、第４の電極間の静電容量に比例した値であればよい。また、温度算出部で算出されるセンサチップ温度はセンサチップの温度に比例した値であればよい。
更に、第２～第３実施例において、第２の電極と第４の電極を別々の電極とせずに、電気的に接続されて単一の電極として形成してもよい。

第１～第３の実施例で説明した回路部１１，１１ａ，１１ｂは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図１４に示す。

コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、容量・温度検出部１２，１２ａ，１２ｂのハードウェアなどが接続される。このようなコンピュータにおいて、本発明の方法を実現させるためのプログラムは記憶装置２０１に格納される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って第１～第３の実施例で説明した処理を実行する。

本発明は、隔膜真空計に適用することができる。

１，１ａ…センサチップ、１０，１０ａ…受圧部、１１，１１ａ，１１ｂ…回路部、１２，１２ａ，１２ｂ…容量・温度検出部、１３，１３ａ，１３ｂ…圧力計測部、１４…温度通知部、１０２…ダイアフラム、１０５，１０７…固定電極、１０６，１０８…可動電極、１２０，１２１，１３０，１３１，１３１ｂ…信号発生器、１２２，１３２，１３３…増幅器、１２３－１，１２３－２，１３５～１３７，１４８…ローパスフィルタ、１２４，１２５，１３８～１４０，１４９…スイッチ、１２６，１４１，１４１ｂ…容量算出部、１２７，１４３，１４３ｂ…温度算出部、１２８，１２９，１４５～１４７，１５０…同期検波部、１３４…減算器、１４２，１４２ｂ…参照容量算出部、１４４…容量補正部。

Claims (8)

1. 台座に形成された第１の電極と、前記台座とギャップを隔てて配置されたダイアフラムに前記第１の電極と対向するように形成された第２の電極とを備え、被測定媒体の圧力による前記ダイアフラムの変位に応じて前記第１、第２の電極の間隔が変化するように構成されたセンサチップと、
   センサ駆動信号を前記第２の電極に印加するように構成された第１の信号発生器と、
   前記センサ駆動信号と位相がずれた信号を出力するように構成された第２の信号発生器と、
   前記第１の電極から出力される電流を電圧に変換して増幅するように構成された増幅器と、
   前記増幅器の出力信号から前記センサ駆動信号に同期した信号を復調するように構成された第１の同期検波部と、
   前記増幅器の出力信号から前記第２の信号発生器の出力信号に同期した信号を復調するように構成された第２の同期検波部と、
   前記第１、第２の同期検波部の出力信号から前記第１、第２の電極間の静電容量に比例した値を静電容量値として算出するように構成された容量算出部と、
   前記第１、第２の同期検波部の出力信号から前記第１、第２の電極の直列抵抗に比例した値を算出し、この直列抵抗に比例した値から前記センサチップの温度に比例した値をセンサチップ温度として求めるように構成された温度算出部とを備えることを特徴とする隔膜真空計。
2. 請求項１記載の隔膜真空計において、
   算出された前記静電容量値を前記センサチップの温度によって補正して計測圧力値に変換するように構成された圧力計測部をさらに備えることを特徴とする隔膜真空計。
3. 台座に形成された第１の電極と、前記台座とギャップを隔てて配置されたダイアフラムに前記第１の電極と対向するように形成された第２の電極と、前記第１の電極の外側の前記台座に形成された第３の電極と、前記第２の電極の外側の前記ダイアフラムに前記第３の電極と対向するように形成された第４の電極とを備え、被測定媒体の圧力による前記ダイアフラムの変位に応じて前記第１、第２の電極の間隔が変化するように構成されたセンサチップと、
   センサ駆動信号を前記第２、第４の電極に印加するように構成された第１の信号発生器と、
   前記センサ駆動信号と位相がずれた信号を出力するように構成された第２の信号発生器と、
   前記第１の電極から出力される電流を電圧に変換して増幅するように構成された第１の増幅器と、
   前記第３の電極から出力される電流を電圧に変換して増幅するように構成された第２の増幅器と、
   前記第１の増幅器の出力信号から前記第２の増幅器の出力信号を減算するように構成された減算器と、
   前記第１の増幅器の出力信号から前記センサ駆動信号に同期した信号を復調するように構成された第１の同期検波部と、
   前記減算器の出力信号から前記センサ駆動信号に同期した信号を復調するように構成された第２の同期検波部と、
   前記第１の増幅器の出力信号から前記第２の信号発生器の出力信号に同期した信号を復調するように構成された第３の同期検波部と、
   前記第１、第３の同期検波部の出力信号から前記第１、第２の電極間の静電容量に比例した値を第１の静電容量値として算出するように構成された第１の容量算出部と、
   前記第２の同期検波部の出力信号から前記第３、第４の電極間の静電容量に比例した値を第２の静電容量値として算出するように構成された第２の容量算出部と、
   前記第１、第３の同期検波部の出力信号から前記第１、第２の電極の直列抵抗に比例した値を算出し、この直列抵抗に比例した値から前記センサチップの温度に比例した値をセンサチップ温度として求めるように構成された温度算出部と、
   前記第２の静電容量値により前記第１の静電容量値を補正するように構成された容量補正部とを備えることを特徴とする隔膜真空計。
4. 台座に形成された第１の電極と、前記台座とギャップを隔てて配置されたダイアフラムに前記第１の電極と対向するように形成された第２の電極と、前記第１の電極の外側の前記台座に形成された第３の電極と、前記第２の電極の外側の前記ダイアフラムに前記第３の電極と対向するように形成された第４の電極とを備え、被測定媒体の圧力による前記ダイアフラムの変位に応じて前記第１、第２の電極の間隔が変化するように構成されたセンサチップと、
   センサ駆動信号を前記第２、第４の電極に印加するように構成された第１の信号発生器と、
   前記センサ駆動信号と位相がずれた信号を出力するように構成された第２の信号発生器と、
   前記第１の電極から出力される電流を電圧に変換して増幅するように構成された第１の増幅器と、
   前記第３の電極から出力される電流を電圧に変換して増幅するように構成された第２の増幅器と、
   前記第１の増幅器の出力信号から前記第２の増幅器の出力信号を減算するように構成された減算器と、
   前記第１の増幅器の出力信号から前記センサ駆動信号に同期した信号を復調するように構成された第１の同期検波部と、
   前記減算器の出力信号から前記センサ駆動信号に同期した信号を復調するように構成された第２の同期検波部と、
   前記減算器の出力信号から前記第２の信号発生器の出力信号に同期した信号を復調するように構成された第３の同期検波部と、
   前記第１の同期検波部の出力信号から前記第１、第２の電極間の静電容量に比例した値を第１の静電容量値として算出するように構成された第１の容量算出部と、
   前記第２、第３の同期検波部の出力信号から前記第３、第４の電極間の静電容量に比例した値を第２の静電容量値として算出するように構成された第２の容量算出部と、
   前記第２、第３の同期検波部の出力信号から前記第３、第４の電極の直列抵抗に比例した値を算出し、この直列抵抗に比例した値から前記センサチップの温度に比例した値をセンサチップ温度として求めるように構成された温度算出部と、
   前記第２の静電容量値により前記第１の静電容量値を補正するように構成された容量補正部とを備えることを特徴とする隔膜真空計。
5. 請求項３または４記載の隔膜真空計において、
   前記第２の電極と前記第４の電極とは、電気的に接続されて単一の電極として形成されることを特徴とする隔膜真空計。
6. 請求項３乃至５のいずれか１項に記載の隔膜真空計において、
   前記補正された第１の静電容量値を前記センサチップ温度によって補正して計測圧力値に変換するように構成された圧力計測部をさらに備えることを特徴とする隔膜真空計。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の隔膜真空計において、
   前記第２の信号発生器は、前記センサ駆動信号に対して位相が９０度ずれた信号を出力することを特徴とする隔膜真空計。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の隔膜真空計において、
   前記センサチップ温度をユーザーに通知するように構成された温度通知部をさらに備えることを特徴とする隔膜真空計。

Images