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【発明の名称】 容量式圧力センサ
【発明者】 【氏名】吉川 康秀

【氏名】市原 純

【要約】 【課題】断線検出を確実に行うことにより信頼性を高めた圧力センサを提供する。

【構成】被測定媒体の物理量の変化に応じて互いの容量の相対的関係が変化する2つの容量を測定することで被測定媒体の物理量の変化を測定する容量式圧力センサにおいて、各容量の単独の値(CX、CY)をそれぞれ計測し、かつ各容量の値のうち少なくとも何れか一方の容量値が前記容量式圧力センサの通常の動作範囲で示す容量値(A)を下回った時に断線異常と判断する機能を備え、これにより、断線検出を確実に行うことにより信頼性を高めた圧力センサを提供する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被測定媒体の物理量の変化に応じて互いの容量の相対的関係が変化する2つの容量を測定することで被測定媒体の物理量の変化を測定する容量式圧力センサにおいて、
前記各容量の単独の値をそれぞれ計測し、かつ前記各容量の値のうち少なくとも何れか一方の容量値が前記容量式圧力センサの通常の動作範囲で示す容量値を下回った時に断線異常と判断する機能を備えたことを特徴とする容量式圧力センサ
【請求項2】
前記各2つの容量の一方が感圧容量で他方が参照容量であることを特徴とする、請求項1に記載の容量式圧力センサ。
【請求項3】
前記2つの容量が被測定媒体の物理量の変化に応じて互いに差動的に出力することを特徴とする、請求項1に記載の容量式圧力センサ。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、絶対圧やゲージ圧、差圧を測定するのに適した容量式圧力センサに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、半導体チップ製造プロセスにおいて、一部がダイアフラムでできた容量室内に容量検出部を備えた構造の圧力センサが広く用いられている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
このような半導体チップ製造プロセスやその他の真空装置の圧力を測定する真空圧力センサは、真空チャンバに設けられ、例えば素材としてのシリコンウェハや製品としての半導体チップを出し入れする際に真空チャンバ内がゲージ圧になったことを確認するゲージ圧センサと、CVD(Chemical Vapor Deposition)などのプロセス中において真空チャンバ内に流入する殆んど真空に近いプロセスガスの圧力を測定する真空圧センサの2つが個別に備わっている。
【0004】
なお、このような真空圧センサは一般に、センサダイアフラムの圧力に対する感度が大きい領域に感圧容量検出部を備えると共に、圧力に対する感度の小さい領域に参照容量検出部を備え、参照容量検出部は、圧力センサ周囲の温度変化等に伴う感圧容量検出部の出力ドリフトを補償するためだけに使われている。
【特許文献1】特開2002−111011号公報(4−7頁、図1)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
かかる特許文献1に記載の圧力式センサの検出精度を更に高めた例として特開2005−331328号公報に開示された圧力センサが提案されている。この圧力センサは、同公報の図1に示すように、酸化アルミニウム(Al)の単結晶体であるサファイアでできたベース部と、同じくサファイアでできたダイアフラムと、ベース部とダイアフラムとで形成される容量室に対向配置された感圧電極及び参照電極とを備えている。そして、ベース部にはドライエッチングによって凹み部が形成されており、当該凹み部のほぼ中央部に金(Au)又は白金(Pt)からなる例えば平面視で丸型の感圧容量検出用電極が形成されている。また、この電極の周囲を囲むように、この電極と離間して例えば平面視で環状の参照容量検出用電極が形成されている。また、これらのダイアフラム及びベース部に形成された電極はリード線及び電極パットを介してそれぞれセンサ外部に電気的に導出している。
【0006】
上述したタイプを含む容量式圧力センサにおいてダイアフラム上の電極とパッド間をつなぐ導体パターンが断線することがある。
【0007】
このような断線を検出する方法として、圧力センサとは技術分野が異なるが、例えば特開平5−281256号公報に記載された加速度センサの断線検出方法が知られている。
【0008】
この容量式加速度センサ6のブロック構成図を図10に示す。容量式加速度センサ6は、診断制御回路61、静電容量検出用信号発生器62、スイッチ63,64、静電容量65,66、抵抗器67,68、昇圧回路69、検出部70、静電容量検出器75、出力調整回路76、スイッチ77,78より構成され、加速度を測定する回路に断線診断機能を付加したものである。
【0009】
そして、この容量式加速度センサ6に開示されている断線検出は、診断制御回路61により制御され、リーク電流検査診断の終了後に信号ΦMRの立ち下がりと共に開始されるようになっている。具体的には、断線検査診断が開始すると信号ΦFをハイレベルにし、固定電極に印加される矩形波Vc1,Vc2を同相の信号にし、可動電極613と固定電極611,612との間の各容量CXとCYの和に比例した電圧Voを静電容量検出器75に出力させる。この出力電圧Voを診断制御回路61により基準電圧と比較し、この出力電圧Voが一定の範囲を越えた場合、即ち容量CXと容量CYの和が規定値から外れた場合には信号ΦOFFを診断信号がローレベルの期間中ローレベルに保持する。このように出力を一定電圧に保持することで、加速度センサが断線異常であることをこの加速度センサを使用するシステムに知らせている。
【0010】
しかしながら、かかる容量式加速度センサ6による断線検出においては、可動電極613と固定電極611,612との間の容量CXと容量CYの和が規定値より下回った場合にのみ断線異常と判断しているため、例えば容量CXと容量CYのどちらかが規定値をかなり超えて、かつ他方の容量に関する配線が断線している場合などは結果的に容量CXと容量CYの和が正常な範囲内となり、配線の断線を検出することができない。
【0011】
また、この容量式加速度センサ6の断線検出においては、固定電極に印加される矩形波Vc1,Vc2を特別に同相の信号にし、可動電極と固定電極間の容量CXと容量CYの和に比例した電圧Voを静電容量検出器75に出力させるようにするため、断線検出間の特別なルーチンを通常の加速度計測ルーチンに適宜組み入れなければならないという問題もある。
【0012】
本発明の目的は、断線検出を確実に行うことにより信頼性を高めた容量式圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
被測定媒体の物理量の変化に応じて互いの容量の相対的関係が変化する2つの容量を測定することで被測定媒体の物理量の変化を測定する容量式圧力センサにおいて、
前記各容量の単独の値をそれぞれ計測し、かつ前記各容量の値のうち少なくとも何れか一方の容量値が前記容量式圧力センサの通常の動作範囲で示す容量値を下回った時に断線異常と判断する機能を備えたことを特徴としている。
【0014】
容量式圧力センサがこのような構成を有することにより、ダイアフラム上に形成された電極及び電極とパッド間を接続する電極取出し用導体部の断線を確実に検出することができる。
【0015】
また、本発明の請求項2にかかる容量式圧力センサは、請求項1に記載の容量式圧力センサにおいて、
前記各2つの容量の一方が感圧容量で他方が参照容量であることを特徴としている。
【0016】
このような構成を有する容量式圧力センサの場合であっても、ダイアフラム上に形成された電極及び電極取出し導体部の断線を検出することができる。
【0017】
また、本発明の請求項3にかかる容量式圧力センサは、請求項1に記載の容量式圧力センサにおいて、
前記各2つの容量が被測定媒体の物理量の変化に応じて互いに差動的に出力することを特徴としている。
【0018】
このような構成を有する容量式圧力センサの場合であっても、ダイアフラム上に形成された電極及び電極取出し用導体部の断線を検出することができる。
【発明の効果】
【0019】
本発明によると、ダイアフラム上に形成された電極及び電極取出し導体部の断線検出を確実に行うことにより信頼性を高めた容量式圧力センサを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
以下、本発明の第1の実施形態にかかる容量式圧力センサ1について図面に基いて説明する。本発明の第1の実施形態にかかる容量式圧力センサ1は、例えば真空圧力センサのような被測定対象物の絶対圧を測定する容量式圧力センサであって、図1に示すように酸化アルミニウム(Al)の単結晶体であるサファイアでできたベース部11と、同じくサファイアでできたダイアフラム12と、ベース部11とダイアフラム12とで形成される容量室13に対向配置された感圧容量(感圧容量)検出用電極111,121及び参照容量(参照容量)検出用電極112,122とを備えている。そして、圧力センサ1は、図中二点鎖線で示すサファイアからなるカバープレート15及び金属の耐食材からなるメタルプレート16を介してハウジング17の内壁に支持されている。なお、図1においては説明の都合上、各構成要素の断面をハッチングせずに示している。
【0021】
ベース部11には容量室内部を真空に保つための導通孔11bが形成され、ハウジング17のチャンバ17a側に設けられたいわゆるゲッター(図示せず)と呼ばれる気体吸着物質を介して容量室内部の圧力を真空に保つようになっている。
【0022】
ベース部11には、ドライエッチングによって凹み部11aが形成されており、当該凹み部11aのほぼ中央部に金(Au)又は白金(Pt)からなる例えば平面視で丸型の感圧容量検出用電極111が形成されている。また、この感圧容量検出用電極111の周囲を囲むように、感圧容量検出用電極111と離間して例えば平面視で環状の参照容量検出用電極112が形成されている。
【0023】
一方、ダイアフラム12の容量室側平面にも、ベース部11の感圧容量検出用電極111と対向する位置にダイアフラム12の感圧容量検出用電極121が形成されると共に、ベース部11の参照容量検出用電極112と対向する位置にダイアフラム12の参照容量検出用電極122が形成されている。
【0024】
また、これらのダイアフラム12及びベース部11に形成された各電極111,112,121,122はリード線(図1においてはリード線131,132のみを代表的に図示)及び電極パット(図1においては電極パッド141,142のみを代表的に図示)を介してそれぞれセンサ外部に電気的に導出している。
【0025】
そして、圧力センサ1は、上述したカバープレート15とメタルプレート16からなる圧力隔壁を介して、ベース部外部をなす例えばステンレス鋼(SUS)やインコネルでできたハウジング17のチャンバ17aをなす容量室内部の真空である基準圧力領域と、測定すべき気体の圧力が加わるダイアフラム外部の圧力印加領域17bとに画定されている。なお、圧力センサ1の測定精度を必要とする使用範囲内ではダイアフラム12は着座しないようになっている。
【0026】
以上のように、感圧容量検出用電極111,121からなる感圧容量検出部101は、ダイアフラム12の圧力に対する感度の大きい領域に形成され、丸型の電極が対向したコンデンサからなり、感圧容量CXを有している。また、参照容量検出用電極112,122からなる参照容量検出部102は、感圧容量検出部101の外側であってダイアフラム12の圧力に対する感度の小さい領域に形成され、環状の電極が対向したコンデンサからなり、参照容量CYを有している。
【0027】
なお、圧力センサ1は、周囲の温度変化によるダイアフラム12の変形などによって圧力センサの電極間の静電容量が変化するが、このように1つの圧力センサに2つのコンデンサを形成して、特別な信号処理を行いながら感圧容量検出部101と参照容量検出部102の双方で圧力測定を行うことによって、測定精度の要求される微小圧力の測定において温度変化による出力の誤差をキャンセルすることができる。
【0028】
このような構成を有した絶対圧型の圧力センサ1は、例えば通常の半導体チップ製造プロセス中の真空チャンバ内に省スペースを保ちながら設置され、真空チャンバを閉じた状態における半導体プロセスガスの圧力、すなわち殆んど真空に近い範囲での圧力を測定すると共に、プロセスチャンバを開放してシリコンウェハを当該チャンバ内に入れたりシリコンチップを外に出したりするときなどのハンドリングに適したゲージ圧に当該チャンバ内があるかどうかを測定するようになっている。
【0029】
続いて、感圧容量検出部101と参照容量検出部102の出力から温度補正を行い、圧力を測定する方法について説明する。
【0030】
第1の実施形態にかかる絶対圧型の圧力センサ1は、上述の通り圧力により電極間が変化することを容量の変化として検出する圧力センサである。そして、上述したように圧力により変化する感圧容量検出部101がダイアフラム中央領域に配置されている。なお、感圧容量CXは温度変化による各電極の熱膨張に起因して誤差特性をもってしまう。そのため、上述の通り誤差を補正するために圧力により変化しない参照容量検出部102がダイアフラム周辺領域に配置されている。
【0031】
ここで、ダイアフラム12に加わる圧力により変化する感圧容量検出部101の電極間の隔間dの変化量をΔdとすると、それぞれの容量値は下式で表される。

【0032】
【数1】


【0033】
【数2】


ε:誘電率
d:電極間距離
S:電極面積
そして以下の計測を行うことにより、温度変化によるダイアフラム等のひずみの影響をキャンセルし、電極間距離の変化、すなわちこれらの影響をキャンセルした状態での圧力の変化に比例した絶対圧の正確な計測を可能とする。

【0034】
【数3】


なお、上述した第1の実施形態にかかる容量式圧力センサは絶対圧型の圧力センサとして説明したが、チャンバ17a内を大気圧としたゲージ圧型の容量式圧力センサにも適用可能であることは言うまでもない。
【0035】
続いて、本発明の第2の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサ2について説明する。なお、容量式圧力センサ2の各構成要素の材質については、第1の実施形態にかかる容量式圧力センサと同様である。
【0036】
本発明の第2の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサ2は、図2に示すように、厚みの厚いリング状に形成され内周面の略中央部に全周に亘って内方に向かう突出部210が形成されたベース部21と、リング状のベース部21の両開口部をそれぞれ覆うように形成され、かつ中心部が互いに連結部25で連結されたダイアフラム22,23と、ベース部21の突出部210と一方のダイアフラム23に互いに対向してそれぞれ形成された第1の電極213,233と、ベース部21の突出部210と他方のダイアフラム22に互いに対向してそれぞれ形成された第2の電極212,222を備えている。
【0037】
そして、一方のダイアフラム23と他方のダイアフラム22に互いに異なる圧力が加わり、一方のダイアフラム23にかかる圧力が他方のダイアフラム22にかかる圧力より小さい場合は、一方のダイアフラム23と他方のダイアフラム22が連結部25を介して図中上方向に略平行に移動するようになっている。これによって、第2の電極212,222間が狭まると共に、第1の電極213,233間が広がる。その結果、第1の電極213,233間に対応する第1の電極間容量CX(203)と第2の電極212,222間に対応する第2の電極間容量CY(202)とがそれぞれ異なって変化するようになっている。
【0038】
また、一方のダイアフラム23と他方のダイアフラム22に互いに異なる圧力が加わり、他方のダイアフラム22にかかる圧力が一方のダイアフラム23にかかる圧力より小さい場合は、一方のダイアフラム23と他方のダイアフラム22が連結部25を介して図中下方向に略平行に移動するようになっている。これによって、第1の電極213,233間が狭まると共に、第2の電極212,222間が広がり、その結果、第1の電極213,233間に対応する第1の電極間容量CXと第2の電極212,222間に対応する第2の電極間容量CYとがそれぞれ異なって変化するようになっている。
【0039】
この差圧型の容量式圧力センサ2において、例えば、図2に示すダイアフラム22,23が差圧によりそれぞれ下方に変移したときの各電極間の隔間の変化量をΔdとすると、第1の電極間容量CX、第2の電極間容量CYは下式で表される。

【0040】
【数4】


【0041】
【数5】


ε:誘電率
d:電極間距離
S:電極面積
そして以下の計測を行うことにより、温度変化によるダイアフラム等のひずみの影響をキャンセルした状態での電極間距離の変化、即ち圧力の変化に比例した正確な差圧の計測を可能とする。

【0042】
【数6】


続いて、上述した第1及び第2の実施形態にかかる容量式圧力センサの断線検出機能を備えた圧力検出回路の構成を説明する。
【0043】
かかる圧力検出回路は、上述した2つの実施形態に共通して適用可能な第1の圧力検出回路と第2の圧力検出回路からなる。最初に第1の圧力検出回路について説明する。
【0044】
第1の圧力検出回路は、図3に示すような構成を有している。ここでVsinはこの回路への入力信号(交流電流)を表し、CXは第1の実施形態における絶対圧(ゲージ圧)型の容量式圧力センサ1の感圧容量検出部101又は第2の実施形態における差圧型の容量式圧力センサ2の第1の電極間容量検出部203に対応するコンデンサ容量を示し、CYは第1の実施形態における絶対圧(ゲージ圧)型の容量式圧力センサ1の参照容量検出部102又は第2の実施形態における差圧型の容量式圧力センサ2の第2の電極間容量検出部202に対応するコンデンサ容量を示している。また、CFは回路上のコンデンサ容量を示し、RFは回路上の抵抗値であり、Detectorは半波整流又は全波整流回路を示している。また、LPFは整流された電圧を平均化するローパスフィルタである。
【0045】
そして、所定の交流電流Vsinを印加すると共に、検出回路のスイッチS1,S2の接点をそれぞれC1〜C3,C4〜C6に適宜切り替えることによって、図4のV1〜V8に示すような時分割された異なる出力信号を得ている。
【0046】
具体的には、スイッチS1の接点をC1〜C3端子、スイッチS2の接点をC4〜C6端子とする。スイッチS1及びスイッチS2端子のC3,C4端子は常にゼロ電位に保たれている。容量CXはスイッチS1に接続されておりスイッチS1の位置により3種類の電圧を選択して加える。同様に容量CYもスイッチS2に接続されておりスイッチS2の位置により3種類の電圧を選択して加える。これによって容量CXにはスイッチS1によりゼロ電位電圧と正、反の交流電圧を選択して加えることができる。又、容量CYにも同様にスイッチS2によりゼロ電位電圧と正、反の交流電圧を選択して加えることができる。そして、容量検出部の出力は図中右側の増幅器に導かれ検出信号は増幅される。増幅された交流信号はDetectorとLPFにより直流検出信号に変換され出力信号Voutとなる。
【0047】
以上のようにVsinで示される交流電流がスイッチS1,S2の切替によって、容量CXへの入力信号と容量CYへの異なる入力信号として時分割され、回路上のCFを経て電流が電圧に変換されて正弦波の電圧になる。そして、この交流電圧をDetectorによって全波整流又は半波整流することで直流の電圧とし、LPFでこの電圧を平均化する。そして、これらの信号処理によって各容量CX,CYに基づいた信号出力値V1〜V8を得るようになっている。
【0048】
即ち、図3に示した検出回路の場合、その回路構成上から信号出力値V1〜V8には各々、CX−CY,CX,−(CX−CY),−CX,(CX+CY),−(CX+CY),CY,−CYにそれぞれ比例した信号が出力され、絶対圧や大気圧を測定する際の正確な圧力測定値として利用可能になっている。
【0049】
そして、第1の実施形態にかかる絶対圧型又はゲージ圧型の容量式圧力センサ1の場合、下記のように演算し、測定すべき圧力に対応したΔd/dを求めることができる。
【0050】
なお、以下の各式については厳密な意味では各項が互いに比例した関係にあるが、説明の都合上、等価式として表わしている。

【0051】
【数7】


又は、より回路の誤差要因を排除するためには、下記のように演算し、より高精度な測定すべき圧力に対応したΔd/dを求めることができる。

【0052】
【数8】


一方、第2の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの場合、下記のように演算し、測定すべき差圧に対応したΔd/dを求めることができる。

【0053】
【数9】


又は、より回路の誤差要因を排除するためには、下記のように演算し、より高精度な測定すべき差圧に対応したΔd/dを求めることができる。

【0054】
【数10】


続いて、第2の圧力検出回路について説明する。第2の圧力検出回路は、図5に示す回路構成を有している。この第2の圧力検出回路は、V1〜V4に対応する4つの出力ポートを有し、図3に示した第1の圧力検出回路のように異なる出力値が時分割で得られるのではなく、各出力ポートであるV1,V2,V3,V4に各々、CX−CY,CX,CX+CY,CYに比例した信号が同時に出力されるようになっている。
【0055】
具体的には、容量CX,CYの信号は図5の上下の増幅器でそれぞれ増幅される。増幅された容量CXの信号はそのままDetectorとLPFにより検波整流されてV2出力とされるものと、増幅された容量CY出力と減算器により減算された後、DetectorとLPFにより検波整流されたV1信号になる。また、増幅された容量CY出力と加算器により加算された後、DetectorとLPFにより検波整流されたV3信号になる。また、容量CYから出力された信号はそのまま、DetectorとLPFにより検波整流されたV4信号となる。
【0056】
そして、第1の実施形態にかかる絶対圧型又はゲージ圧型の容量式圧力センサの場合、下記のように演算して、測定すべき圧力に対応したΔd/dを求めることができる。

【0057】
【数11】


また、第2の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの場合、下記のように演算して測定すべき圧力に対応したΔd/dを求めることができる。

【0058】
【数12】


続いて、上述の回路構成で得られた信号出力値を利用した本実施形態にかかる圧力センサの断線検出アルゴリズムについて、図6及び図7に基づいて説明する。
【0059】
なお、上述した第1の実施形態にかかる絶対圧(ゲージ圧)型の容量式圧力センサ及び第2の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの双方について、以下に説明する断線検出アルゴリズムは適用可能である。
【0060】
また、以下に示す容量CXは第1の実施形態においては感圧容量CXを表し、第2の実施形態においては第1の電極間容量CXを表す。同様に、容量CYは第1の実施形態においては参照容量CYを表し、第2の実施形態においては第2の電極間容量CYを表す。
【0061】
この断線検出にかかる第1のアルゴリズムの具体的内容は以下の通りである。この断線検出ルーチンでは、図3に示した第1の検出回路の場合、スイッチS1とスイッチS2の切り替えによって時分割で得られた図4に示すV1〜V8の信号出力のうち、容量CXに比例した出力信号V2と容量CYに比例した出力信号V7に基づいて容量CX,CYがそれぞれ所定の閾値A以上であるか否かを判断して、これらの値が所定の閾値A以上であれば、上述した(CX−CY)/CX又は(CX−CY)/(CX+CY)を求めている。
【0062】
即ち、図3に示すスイッチS1とスイッチS2を適宜切り替えることで図4に示すような出力信号を時分割で得ると同時に感圧容量検出部101の断線検出と参照容量検出部102の断線検出を合わせて行う。
【0063】
一方、図5に示す第2の検出回路を利用する場合は、図5の出力信号V1〜V4のうち、容量CXに比例する出力信号V2と容量CYに比例する出力信号V4を利用する。
【0064】
具体的には、最初に、容量CXを演算する(ステップS1)。そして、容量CXが圧力センサ又は差圧センサの通常の動作範囲内で出力される出力値の最低値である閾値A以上か否かを判断し(ステップS2)、この閾値Aを下回った場合は断線検出のアラームを出す(ステップS3)。また、この閾値A以上の場合であると判断した場合は(ステップS4)、容量CYを計測する(ステップS5)。そして、容量CYが圧力センサの通常の動作範囲内で出力される出力値の最低値である閾値Aを下回った場合は、断線検出のアラームを出す(ステップS6)。
【0065】
このように容量CX,CYの何れかが所定の閾値Aを下回ったら容量CXの検出部又は容量CYの検出部の少なくとも何れかの配線が断線していると判断してアラームを発生させる。
【0066】
そして、容量CX,CYの値の何れも所定の閾値Aを下回っていなければ(ステップS5)、第1の実施形態における絶対圧又はゲージ圧型の圧力センサの場合は、(CX−CY)/CXを演算し、第2の実施形態における差圧型の圧力センサの場合は(CX−CY)/(CX+CY)を演算することにより、絶対圧やゲージ圧、又は差圧を正確に表したΔd/dを出力する(ステップS7)。
【0067】
続いて、このような断線検出ルーチンの変形例である第2のアルゴリズムについて図7に基いて説明する。この断線検出ルーチンは図6に示した断線検出ルーチンの機能に加えて、第1の実施形態における感圧容量検出部101に関する配線の断線(又は第2の実施形態における第1の電極間容量検出部に関する配線の断線)のみが発生したのか、又は第1の実施形態における参照容量検出部102に関する配線の断線(又は第2の実施形態における第2の電極間容量検出部に関する配線の断線)のみが発生したのか、若しくはそれらの双方の容量検出部に関する配線の断線が発生したのかを特定できる機能を有している。以下にこの第2のアルゴリズムにかかる断線検出ルーチンについて説明する。
【0068】
なお、以下に示す容量CXは第1の実施形態における感圧容量CXを表し、第2の実施形態における第1の電極間容量CXを表す。同様に、容量CYは第1の実施形態における参照容量CYを表し、第2の実施形態における第2の電極間容量CYを表す。
【0069】
第1の検出回路においては時分割された出力信号V1〜V8のうち出力信号V2に基づいて容量CXを演算する(ステップS11)と共に、出力信号V7に基づいて容量CYを演算する(ステップS12)。
【0070】
また、第2の検出回路においては、同時に出力される出力信号V2に基づいて容量CXを演算する(ステップS11)と共に、出力信号V4に基づいて容量CYを演算する(ステップS12)。
【0071】
続いて、容量CXが所定の閾値B以上かつ容量CYが所定の閾値B以上であるか否かを判断する(ステップS13)。なお、ここでいう所定の閾値とは、上述した第1のアルゴリズムと同様に各容量CX,CYの信号出力値が容量式圧力センサの通常の動作範囲内で出力される出力値の最低値である。
【0072】
このステップS13の条件を満たす場合には例えば第1の実施形態にかかる絶対圧又はゲージ圧型の容量式圧力センサの場合、(CX−CY)/CXなどの所定の演算式を演算し、第2の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの場合、(CX−CY)/(CX+CY)を演算する(ステップS14)。
【0073】
続いて、温度補正を行い(ステップS15)、圧力値を算出する(ステップS16)。そして、計測が終了していないかを判断し(ステップS17)、計測が終了していない場合はステップS11〜ステップS16までのルーチンを計測が終了するまで繰り返す。そして、計測が終了したならば圧力測定ルーチンを終了させる。
【0074】
一方、ステップS13で容量CXか容量CYの少なくとも何れか一方が所定の閾値Bを下回った場合には容量検出部の配線に断線が生じたと判断し、断線検出ルーチンに移行する。まず、容量CXが所定の閾値Bより下回り、かつ容量CYが所定の閾値B以上であるかを判断する(ステップS21)。ステップS21の条件を満たした場合は、容量CXのみに関する配線が断線したと判断し、圧力(差圧)計測を強制終了し、容量CXに関する配線断線の異常発報を行う(ステップS22)。
【0075】
ステップS21の条件を満たさない場合は、容量CXが所定の閾値B以上であり、かつ容量CYが所定の閾値Bを下回っているかを判断する(ステップS31)。
【0076】
このステップS31の条件を満たす場合は、容量CYのみに関する配線が断線したと判断し、圧力(差圧)計測を強制終了し、容量CYに関する配線断線の異常発報を行う(ステップS32)。
【0077】
ステップS31の条件を満たさない場合は容量CX、容量CYの双方に関する配線が断線していると判断し、圧力(差圧)計測を強制終了し、容量CX、容量CYの双方に関する配線断線の異常発報を行う(ステップS41)。
【0078】
以上により、容量CXのみに関する配線の断線か、容量CYのみに関する配線の断線か、容量CX、容量CYの双方に関する配線の断線かを個別に判断でき、詳細な断線検出を行うことができる。
【0079】
最後に従来の加速度センサにおける断線検出と本発明の各実施形態にかかる容量式圧力センサについて上述した断線検出のアルゴリズムを実行した場合の作用効果の違いを比較して説明する。
【0080】
従来の加速度センサにおける断線検査方式では、図8の上表に示すように、断線検出に関する可動電極と固定電極間の容量CXと容量CYの和の閾値を180(pF)と設定すると、容量CXが100(pF)、容量CYが100(pF)の場合、容量CX+CY=200(pF)となり、設定した閾値180(pF)を超えるため、断線なしと判断する(パターン1−1参照)。
【0081】
しかしながら、例えば一方の容量CXが容量CX+CYの設定した閾値の180(pF)を超えていて230(pF)となり、かつ他方の容量CYに関する配線が断線している場合は、CX+CY=230(pF)+0(pF)=230(pF)となり、容量CYに関する配線が断線しているにもかかわらず、正常範囲と判断して通常通り加速度を計測してしまう(パターン1−7参照)。
【0082】
このように従来の加速度センサの場合、各電極間の容量CXと容量CYの和が規定値から外れた場合にのみ断線異常と判断しているため、例えば容量CXと容量CYの何れか一方の容量が規定値を超えていて何れか他方に関する配線が断線している場合には、一方の容量に関する配線に断線が生じているにもかかわらず断線発生を検出できない場合が生じる。
【0083】
一方、本発明の第1の実施形態にかかる絶対圧型の容量式圧力センサについて上述した断線検出方法のアルゴリズムを実行した場合、図8の下表に示すように容量CXの閾値を40(pF)、容量CYの閾値を40(pF)と設定すると、例えば、容量CXが100(pF)で、かつ容量CYが100(pF)の場合は容量CX、容量CYの各閾値を超えるため、断線発生せずとして(CX−CY)/CXの圧力を計測する(パターン1−1参照)。
【0084】
そして、容量CXが断線して0(pF)、容量CYが105(pF)の場合は、容量CYは閾値を超えているが、容量CXは閾値を下回っているため、第1の断線検出アルゴリズムによると何れかの容量に関する配線が断線していると判断でき、第2の断線検出アルゴリズムによると容量CXに関する配線が断線していると判断することができる(パターン1−4参照)。
【0085】
同様に容量CXが130(pF)、容量CYが断線して0(pF)の場合は、容量CXは閾値を超えているが、容量CYは閾値を下回っているため、第1の断線検出アルゴリズムによると何れかの容量に関する配線が断線していると判断でき、第2の断線検出アルゴリズムによると容量CYに関する配線が断線していると判断することができる(パターン1−6参照)。
【0086】
また、容量CXが230(pF)となり容量CYが断線して0(pF)となっている場合、容量CX+CYは230(pF)であるが、容量CYが閾値である40(pF)を下回っているので、第1の断線検出アルゴリズムによると何れかの容量に関する配線が断線していると判断でき、第2の断線検出アルゴリズムによると容量CYに関する配線が断線していると判断することができる(パターン1−7参照)。
【0087】
同様に、従来の加速度センサにおける断線検出と本発明の第2の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサについて上述した断線検出のアルゴリズムを実行した場合の作用効果の違いを比較して説明する。
【0088】
従来の加速度センサにおける断線検査方式では、図9の上表に示すように、断線検出に関する可動電極と固定電極間の容量CXと容量CYの和の閾値180(pF)と設定すると、容量CXが100(pF)、容量CYが100(pF)の場合、容量CX+CY=200(pF)となり、設定した閾値180(pF)を超えるため、断線なしと判断する(パターン2−1参照)。
【0089】
しかしながら、例えば一方の容量CYが容量CX+CYの設定した閾値の180(pF)を超えていて230(pF)となり、かつ他方の容量CXが断線して0(pF)の場合は、CX+CY=0(pF)+230(pF)=230(pF)となり、容量CXに関する配線が断線しているにもかかわらず、正常範囲と判断して通常通り加速度を計測してしまう(パターン2−7参照)。これは、例えば他方の容量CX=230(pF)となり、かつ一方の容量CYが断線して0(pF)となって容量CXとCYの和が閾値180(pF)を超えている場合も同様である(パターン2−9参照)。
【0090】
即ち、図9上側に示すパターン2の表からも明らかように、従来の加速度センサの場合、各電極間の容量CXと容量CYの和が規定値から外れた場合にのみ断線異常と判断しているため、例えば容量CXと容量CYの何れかの容量が規定値を超えていて他方の容量に関する配線が断線している場合には、一方の容量に関する配線に断線が生じているにもかかわらず断線発生を検出できない場合が生じる。
【0091】
一方、本発明の第2の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサに上述した断線検出方法のアルゴリズムを実行すると、図9の下表に示すように、容量CXの閾値を40(pF)、容量CYの閾値を40(pF)と設定すると、例えば、容量CXが100(pF)で、かつ容量CYが100(pF)の場合は容量CX、容量CYが各閾値を超えるため、断線発生せずとして(CX−CY)/CXの圧力を計測する(パターン2−1参照)。
【0092】
また、容量CYが230(pF)となり容量CXが断線して0(pF)となっている場合、容量CX+CYは230(pF)であるが、容量CXの出力値が閾値である40(pF)を下回っているので、第1の断線検出アルゴリズムによると何れかの容量に関する配線が断線していると判断でき、第2の断線検出アルゴリズムによると、容量CXに関する配線が断線していると判断することができる(パターン2−7参照)。
【0093】
また、容量CYが断線のために0(pF)で、容量CXが230(pF)の場合も同様に断線を検出することができる(パターン2−9参照)。
【0094】
このように本発明による断線検出の第1のアルゴリズムによると第1の実施形態における絶対圧型(ゲージ圧型)の容量式圧力センサのように(CX−CY)/CX又は第2の実施形態における差圧型の容量式圧力センサのように(CX−CY)/(CX+CY)の計測を行う前に容量CX、容量CYの単独の信号出力値の計測をそれぞれ常時行い、容量CXの信号出力値の閾値、容量CYの信号出力値の閾値をそれぞれ設けて、容量CX、容量CYの単独の信号出力値が何れかが所定の閾値を下回ったら断線していると判断し、断線発生をアラームで知らせることができる。
【0095】
また、本発明による断線検出にかかる第2のアルゴリズムの場合、例えば第1の実施形態にかかる絶対圧型の容量式圧力センサの場合、(CX−CY)/CXの計測を行う前、又は第2の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの場合、(CX−CY)/(CX+CY)の計測を行う前に容量CX、容量CYの単独の信号出力値の計測をそれぞれ計測し、容量CXの信号出力値の閾値、容量CYの信号出力値の閾値を設けて、容量CX、容量CYの単体の信号出力値が何れかが所定の閾値を下回ったら断線していると判断し、断線している配線を特定するアラームを発生させる。これによって断線の原因を速やかに特定できると共に計測を強制終了させることができ、断線検出に優れ信頼性の高い圧力測定を可能とする。
【0096】
なお、上述の絶対圧型の容量式圧力センサのように(CX−CY)/CXで絶対圧やゲージ圧を算出したり、差圧型の容量式圧力センサのように(CX−CY)/(CX+CY)で差圧を算出したりする代わりに、求める圧力又は差圧の形態によって適宜(CX−CY)/CY、又はCX−CY、又はCX/CYを計測するような回路構成としても、ダイアフラムの温度特性の影響による容量の変化をキャンセルして絶対圧やゲージ圧、又は差圧を正確に測定することが可能である。
【0097】
また、以上説明した容量式圧力センサを構成する材質は、サファイアに限定されず、シリコン等の他の半導体であっても変わらないことは言うまでもない。
【0098】
また、その他の構成要素に関する材質についても、上述した実施形態の材質に限定されるものでないことは言うまでもない。
【0099】
なお、上述したアルゴリズムは、一例として挙げたものであり、本発明の範囲に含まれるアルゴリズムであれば上述したアルゴリズムに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【0100】
【図1】本発明の第1の実施形態かかる容量式圧力センサの概略構成を、断面ハッチングを省略して示す断面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態かかる差圧型の容量式圧力センサの概略構成を、断面ハッチングを省略して示す断面図である。
【図3】本発明の第1の実施形態及び第2の実施形態にかかる容量式圧力センサの第1の回路構成図である。
【図4】図3の回路構成図によって時分割で得られる出力値を示す一覧表である。
【図5】本発明の第1の実施形態及び第2の実施形態にかかる容量式圧力センサの第2の回路構成図である。
【図6】本発明の第1の実施形態及び第2の実施形態にかかる容量式圧力センサの断線検出ルーチンを示す第1のアルゴリズムのフローチャートである。
【図7】図6の断線検出ルーチンの変形例である第2のアルゴリズムのフローチャートである。
【図8】従来の容量式加速度センサの断線検出と本発明の第1の実施形態にかかる絶対圧型の容量式圧力センサの断線検出の一例を示す表である。
【図9】従来の容量式加速度センサの断線検出と本発明の第2の実施形態にかかる差圧型の容量式圧力センサの断線検出の一例を示す表である。
【図10】従来の加速度センサの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【0101】
1 絶対圧(ゲージ圧)型の容量式圧力センサ
2 差圧型の容量式圧力センサ
6 容量式加速度センサ
11 ベース部
11a 凹み部
11b 導通孔
12 ダイアフラム
13 容量室
15 カバープレート
16 メタルプレート
17 ハウジング
17a チャンバ
17b 圧力印加領域
21 ベース部
22 一方のダイアフラム
23 他方のダイアフラム
25 連結部
61 診断制御回路
62 静電容量検出用信号発生器
63,64 スイッチ
65,66 静電容量
67,68 抵抗器
69 昇圧回路
70 検出部
75 静電容量検出器
76 出力調整回路
77,78 スイッチ
101 感圧容量検出部
102 参照容量検出部
111 感圧容量検出用電極
112 参照容量検出用電極
121 感圧容量検出用電極
122 参照容量検出用電極
131,132 リード線
141,142 電極パッド
202 第2の電極間容量検出部
203 第1の電極間容量検出部
210 突出部
212 第2の電極
213 第1の電極
222 第2の電極
233 第1の電極
611,612 固定電極
613 可動電極
A,B 閾値
C1〜C6 スイッチの接点
CF 回路上のコンデンサ容量
CX 容量
CY 容量
Detector 半波整流又は全波整流回路
LPF ローパスフィルタ
RF 回路上の抵抗値
S1,S2 スイッチ
c1,Vc2 矩形波
Vsin 回路への入力信号(交流電流)
Vo 出力電圧
Vout 出力信号
【出願人】 【識別番号】000006666
【氏名又は名称】株式会社山武
【出願日】 平成18年6月27日(2006.6.27)
【代理人】 【識別番号】100106378
【弁理士】
【氏名又は名称】宮川 宏一


【公開番号】 特開2008−8688(P2008−8688A)
【公開日】 平成20年1月17日(2008.1.17)
【出願番号】 特願2006−177359(P2006−177359)