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公開番号2025027269
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-27
出願番号2023131936
出願日2023-08-14
発明の名称静電容量型センサおよび圧力センサ
出願人アズビル株式会社
代理人個人
主分類G01L 9/00 20060101AFI20250219BHJP(測定;試験)
要約【課題】静電容量の不連続性を改善する。
【解決手段】静電容量型センサは、物理量に応じて静電容量が変化するセンサチップと、センサチップの出力を電気信号に変換する容量検出部12と、容量検出部12の2つの出力信号が時分割でADコンバータ15に入力されるように切り替えを行うマルチプレクサ13と、ADコンバータ15によってAD変換された容量検出部12の第1、第2の出力信号に基づいて第1、第2の静電容量の値を算出する第1、第2の容量算出部160,162と、第1、第2の静電容量のうちADコンバータ15のサンプリング周期が長い方の第1の静電容量が第1の容量算出部160によって算出されてから、次に第1の静電容量が算出されるまでの間のADコンバータ15のサンプリングタイミングにおける第1の静電容量の値を算出するフィルタ部161とを備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
計測対象の物理量に応じて静電容量が変化するように構成されたセンサチップと、
前記センサチップの出力を電気信号に変換するように構成された容量検出部と、
前記容量検出部の出力信号をＡＤ変換するように構成されたＡＤコンバータと、
前記容量検出部の異なる２つの出力信号が時分割で前記ＡＤコンバータに入力されるように切り替えを行うように構成されたマルチプレクサと、
前記ＡＤコンバータによってＡＤ変換された前記容量検出部の第１の出力信号に基づいて第１の静電容量の値を算出するように構成された第１の容量算出部と、
前記ＡＤコンバータによってＡＤ変換された前記容量検出部の第２の出力信号に基づいて第２の静電容量の値を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２の静電容量のうち前記ＡＤコンバータのサンプリング周期が長い方の前記第１の静電容量が前記第１の容量算出部によって算出されてから、次に前記第１の静電容量が算出されるまでの間の前記ＡＤコンバータのサンプリングタイミングにおける前記第１の静電容量の値を算出するように構成された補間部と、
前記補間部の算出結果と前記第２の容量算出部の算出結果とを、前記物理量を算出するための物理量算出式に代入して算出値を求める物理量算出部と、
前記算出値を対応する前記物理量に変換するように構成された計測部とを備えることを特徴とする静電容量型センサ。
続きを表示（約 2,300 文字）【請求項２】
請求項１記載の静電容量型センサにおいて、
前記補間部は、前記第１の静電容量の値に対してフィルタ処理を施すものであり、前記ＡＤコンバータによる前記第１の出力信号のサンプリングタイミングの他に、前記第２の出力信号を含む他の信号のサンプリングタイミングにおいても、前記第１の静電容量の値に対してフィルタ演算を行うことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項３】
請求項１記載の静電容量型センサにおいて、
前記補間部は、前記第１の容量算出部によって算出された最新の前記第１の静電容量の値と１回前に算出された前記第１の静電容量の値から、次に前記第１の容量算出部が算出する前記第１の静電容量の予測値を算出し、最新の前記第１の静電容量の値と前記予測値とに基づいて、前記第１の容量算出部によって次の前記第１の静電容量が算出されるまでの間の前記ＡＤコンバータのサンプリングタイミングにおける前記第１の静電容量の値を当配分で算出することを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項４】
計測対象の物理量に応じて静電容量が変化するように構成されたセンサチップと、
前記センサチップの出力を電気信号に変換するように構成された容量検出部と、
前記容量検出部の第１の出力信号をＡＤ変換するように構成された第１のＡＤコンバータと、
前記容量検出部の第２の出力信号をＡＤ変換するように構成された第２のＡＤコンバータと、
前記第２の出力信号以外の信号と前記第１の出力信号とが時分割で前記第１のＡＤコンバータに入力されるように切り替えを行うように構成されたマルチプレクサと、
前記第１のＡＤコンバータによってＡＤ変換された前記第１の出力信号に基づいて第１の静電容量の値を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ＡＤコンバータによってＡＤ変換された前記第２の出力信号に基づいて第２の静電容量の値を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の静電容量が前記第１の容量算出部によって算出されてから、次に前記第１の静電容量が算出されるまでの間の前記第１のＡＤコンバータのサンプリングタイミングにおける前記第１の静電容量の値を算出するように構成された補間部と、
前記補間部の算出結果と前記第２の容量算出部の算出結果とを、前記物理量を算出するための物理量算出式に代入して算出値を求める物理量算出部と、
前記算出値を対応する前記物理量に変換するように構成された計測部とを備えることを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項５】
請求項４記載の静電容量型センサにおいて、
前記補間部は、前記第１の静電容量の値に対してフィルタ処理を施すものであり、前記第１のＡＤコンバータによる前記第１の出力信号のサンプリングタイミングの他に、前記第１のＡＤコンバータによる他の信号のサンプリングタイミングにおいても、前記第１の静電容量の値に対してフィルタ演算を行うことを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項６】
請求項４記載の静電容量型センサにおいて、
前記補間部は、前記第１の容量算出部によって算出された最新の前記第１の静電容量の値と１回前に算出された前記第１の静電容量の値から、次に前記第１の容量算出部が算出する前記第１の静電容量の予測値を算出し、最新の前記第１の静電容量の値と前記予測値とに基づいて、前記第１の容量算出部によって次の前記第１の静電容量が算出されるまでの間の前記第１のＡＤコンバータのサンプリングタイミングにおける前記第１の静電容量の値を当配分で算出することを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の静電容量型センサにおいて、
前記センサチップは、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、前記物理量に応じた前記ダイアフラムの変位によって前記第１、第２の電極の間隔が変化するように構成され、
前記容量検出部は、前記第１、第２の電極間の静電容量に比例した前記第１の出力信号と、前記第３、第４の電極間の静電容量に比例した前記第２の出力信号とを出力し、
前記第１の容量算出部は、前記第１、第２の電極間の静電容量ＣＸを前記第１の静電容量として算出し、
前記第２の容量算出部は、前記第１、第２の電極間の静電容量ＣＸと前記第３、第４の電極間の静電容量ＣＲとの容量差ＣＸ－ＣＲを前記第２の静電容量として算出し、
前記物理量算出部は、前記算出値として、（ＣＸ－ＣＲ）／ＣＸを算出することを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項８】
請求項７記載の静電容量型センサにおいて、
前記第１の電極と前記第３の電極が一体形成されていることを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項９】
請求項７記載の静電容量型センサにおいて、
前記第２の電極と前記第４の電極が一体形成されていることを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれか１項に記載の静電容量型センサを含み、
前記計測部は、前記算出値を前記物理量である圧力値に変換することを特徴とする圧力センサ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、隔膜真空計等に使用される静電容量型センサに関するものである。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
半導体製造設備等において使用される真空計などの圧力センサは、要求される圧力範囲に応じて種々の計測原理を用いたタイプの製品が利用される。例えばその中の１つである静電容量式の隔膜真空計は、可動ダイアフラム（隔膜）が圧力を受け、そのたわみ量を静電容量値として検出するものである（特許文献１～４参照）。
【０００３】
このような隔膜真空計では、センサ内外の温度変化および基準真空室内の湿度変化等に基づく測定誤差が発生する。そこで、特許文献１～４には、センサの温度特性を補正する方法が開示されている。
【０００４】
図１２は特許文献１～４に開示された従来の隔膜真空計のセンサチップの要部の構成を示す断面図、図１３は従来の隔膜真空計の容量検出部の構成を示すブロック図である。
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。
【０００５】
図１２のセンサチップ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１０２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。
【０００６】
さらに、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。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。
【０００７】
図１３に示すように、容量検出部は、信号発生器２００と、容量ＣｆとオペアンプＡ１とからなる増幅器２０１，２０２と、減算器２０３と、差動入力型のローパスフィルタ２０４，２０５と、増幅器２０１とローパスフィルタ２０４との間に設けられたスイッチ２０６と、減算器２０３とローパスフィルタ２０５との間に設けられたスイッチ２０７とから構成される。図１３では、可動電極１０６と固定電極１０５との間の静電容量（感圧容量）をＣＸで表し、可動電極１０８と固定電極１０７との間の静電容量（参照容量）をＣＲで表している。
【０００８】
信号発生器２００は、圧力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１の電極（例えば固定電極１０５）と第３の電極（例えば固定電極１０７）とスイッチ２０６，２０７とに印加する。Ｅは振幅、ｆは周波数、ｔは時間である。
【０００９】
増幅器２０１は、センサチップ１の第２の電極（例えば可動電極１０６）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２０２は、センサチップ１の第４の電極（例えば可動電極１０８）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２０３は、増幅器２０１の出力信号から増幅器２０２の出力信号を減算する。なお、第１の電極と第３の電極とが一体形成されるように構成すること、または、第２の電極と第４の電極とが一体形成されるように構成することも可能である。
【００１０】
スイッチ２０６とローパスフィルタ２０４とは、同期検波部２０８を構成している。ローパスフィルタ２０４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２０８は、増幅器２０１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。
（【００１１】以降は省略されています）

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