特開 2023-55532 圧力センサ素子および圧力センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023055532

(43)【公開日】2023-04-18

(54)【発明の名称】圧力センサ素子および圧力センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 19/06 20060101AFI20230411BHJP

   G01L 9/12 20060101ALI20230411BHJP

【ＦＩ】

G01L19/06 Z

G01L9/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021164987

(22)【出願日】2021-10-06

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】添田 将

(72)【発明者】

【氏名】石原 卓也

(72)【発明者】

【氏名】関根 正志

(72)【発明者】

【氏名】松儀 泰明

(72)【発明者】

【氏名】新村 悠祐

【テーマコード（参考）】

2F055

【Ｆターム（参考）】

2F055AA40

2F055BB01

2F055CC02

2F055DD01

2F055EE25

2F055FF11

2F055FF38

2F055GG12

2F055HH11

(57)【要約】

【課題】圧力変動に対する応答性を確保しつつ、ダイアフラムに堆積する物質によってもたらされるセンサ出力のゼロ点シフトを低減する。
【解決手段】圧力センサ素子は、受圧面２Ａａに加わる圧力と測定面２Ａｂに加わる圧力との差によって変形するダイアフラム２Ａと、受圧面２Ａａに配設された、複数の粒子１０ａの集合体からなる粒子層１０と、測定面２Ａｂに配設されて、ダイアフラム２Ａの変形を電気的に検出するセンサ電極部４と、を備える。各粒子１０ａは、球形状を有する。隣合う粒子１０ａ同士、及び、粒子層１０（最下層の粒子１０ａ）とダイアフラム２Ａとは、イオン結合又は共有結合といった強固な結合ではなく、静電気による力、ファンデルワールス力、分子間力などの比較的弱い力により点接触で付着している。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の面に加わる圧力と第２の面に加わる圧力との差によって変形するダイアフラムと、
前記第１の面に配設された、複数の粒子の集合体からなる粒子層と、
前記第２の面に配設されて、前記ダイアフラムの変形を電気的に検出するセンサ部と、
を備える圧力センサ素子。

【請求項2】

請求項１に記載の圧力センサ素子において、
前記複数の粒子のそれぞれは、他の粒子と１００Ｐａ以下の付着力で付着している、
圧力センサ素子。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の圧力センサ素子において、
前記粒子層は、前記第１の面に１００Ｐａ以下の付着力で付着している、
圧力センサ素子。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ素子において、
前記複数の粒子のそれぞれは、前記ダイアフラム以上の耐熱性及び前記ダイアフラム以上の耐食性のうちの少なくとも一方を有する材料から形成されている、
圧力センサ素子。

【請求項5】

請求項４に記載の圧力センサ素子において、
前記複数の粒子のそれぞれの主成分は、サファイア、ニッケル基合金、又は、フッ素樹脂である、
圧力センサ素子。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれか１つに記載の圧力センサ素子において、
前記複数の粒子は、劈開面を持たない、
圧力センサ素子。

【請求項7】

請求項１ないし６のいずれか１つに記載の圧力センサ素子において、
前記複数の粒子は、球形状の複数の粒子を含む、
圧力センサ素子。

【請求項8】

請求項１ないし６のいずれか１つに記載の圧力センサ素子において、
前記複数の粒子は、折り重なった針形状の複数の粒子を含む、
圧力センサ素子。

【請求項9】

請求項１ないし６のいずれか１つに記載の圧力センサ素子において、
前記複数の粒子は、折り重なった板形状の複数の粒子を含む、
圧力センサ素子。

【請求項10】

請求項１ないし９のいずれか１つに記載の圧力センサ素子を備える圧力センサであり、
前記圧力センサ素子は、静電容量式の圧力センサ素子である、
圧力センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧力センサ素子およびこれを用いた圧力センサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、流体の圧力を測定するためのセンサとして、ダイアフラムを備えた圧力センサ素子およびこれを用いた圧力センサが広く使用されている。この圧力センサ素子およびこれを用いた圧力センサにおいては、圧力測定の対象となっている流体（以下、「被測定流体」と称する。）の圧力変化をダイアフラムの変形といった機械的変位の形で捉え、さらにこの機械的変位を電圧等の電気信号として検出したのち、この電気信号から被測定流体の圧力を測定するように構成されている。例えば、静電容量式の圧力センサ素子およびこれを用いた圧力センサにおいては、ダイアフラムの変形を一対の電極間の静電容量の変化として検出し、この静電容量の変化に基づいて、被測定流体の圧力を測定するように構成されている。ここで、上記ダイアフラムは、互いに非連通の状態で隔離された２つの空間に面するように配設されており、これら２つの空間の一方に被測定流体が流出入することで生じる圧力差によって、上記変形がもたらされる構造となっている。

【0003】

上記構成の圧力センサ素子およびこれを用いた圧力センサにおいては、被測定流体の圧力を受けるダイアフラムの受圧面と被測定流体とが接触することになる。このため、上記圧力センサ素子およびこれを用いた圧力センサが、例えば、半導体デバイス等を製造する装置の成膜・エッチングプロセスにおいて使用されている場合、被測定流体に含まれる成膜物質などがダイアフラムの受圧面に付着することになる。このとき、成膜物質などは、連続的な化学反応をともないながら膜を形成するとともに、比較的強い力でダイアフラムの受圧面に凝着する。このような化学反応をともなう成膜過程においては、分子間または結晶格子間で作用する力、いわゆる膜の内部応力が発生する。この内部応力は、ダイアフラムを変形させる。この内部応力に起因したダイアフラムの変形は、センサ出力のゼロ点をシフトさせ、測定精度を低下させるといった問題をもたらす。このため、当該問題を解決するための技術が、従来より提案されている。

【0004】

上記技術として、例えば、特許文献１に記載の先行技術がある。この先行技術は、上記問題を解決するために、被測定流体がダイアフラムの受圧面に到達する前の上流域にバッフルを配設し、このバッフル内の経路を通過する被測定流体の流れが分子流となるように、例えば、上記経路の代表的長さを流体分子の平均自由工程よりも小さくしたことを特徴とする。

【0005】

また、その他の上記技術として、特許文献２に記載の先行技術がある。この先行技術は、上記問題を解決するために、ダイアフラムの受圧面にテーブル型、逆テーパ型または方形波状の構造物を立設して、当該受圧面を非平滑面として形成したことを特徴とする。

【0006】

また、その他の上記技術として、特許文献３に記載の先行技術がある。この先行技術は、上記問題を解決するために、ダイアフラムの形状を、例えば、中央部から周縁部に向かって連続的に剛性が低下するように形成することを特徴とする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１１－１４９９４６号公報

【特許文献2】特表２００９－５２４０２４号公報

【特許文献3】特開２０１０－２３６９４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述した特許文献１に記載の先行技術においては、被測定流体の流れの抵抗を増大させる（コンダクタンスを悪化させる）ことから、圧力変動に対する応答性が悪化するといった課題がある。応答性悪化の課題は、特に、高い応答性が求められるＡＬＤ（atomic layer deposition；原子層堆積）において顕著となる。

【0009】

また、上述した特許文献２および３に記載の先行技術においても、応答性が確保されている構造であるか否かの十分な検証が必要となる。

【0010】

本発明は、圧力変動に対する応答性を確保しつつ、ダイアフラムに堆積する物質によってもたらされるセンサ出力のゼロ点シフトを低減することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するための本発明に係る圧力センサ素子は、第１の面に加わる圧力と第２の面に加わる圧力との差によって変形するダイアフラムと、前記第１の面に配設された、複数の粒子の集合体からなる粒子層と、前記第２の面に配設されて、前記ダイアフラムの変形を電気的に検出するセンサ部と、を備える。

【0012】

前記複数の粒子のそれぞれは、他の粒子と１００Ｐａ以下の付着力で付着していてもよい。

【0013】

前記粒子層は、前記第１の面に１００Ｐａ以下の付着力で付着していてもよい。

【0014】

前記複数の粒子のそれぞれは、前記ダイアフラム以上の耐熱性及び前記ダイアフラム以上の耐食性のうちの少なくとも一方を有する材料から形成されていてもよい。

【0015】

前記複数の粒子のそれぞれの主成分は、サファイア、ニッケル基合金、又は、フッ素樹脂であってもよい。

【0016】

前記複数の粒子は、劈開面を持たなくてもよい。

【0017】

前記複数の粒子は、球形状の複数の粒子を含んでもよい。

【0018】

前記複数の粒子は、折り重なった針形状の複数の粒子を含んでもよい。

【0019】

前記複数の粒子は、折り重なった板形状の複数の粒子を含んでもよい。

【0020】

上記課題を解決するための本発明に係る圧力センサは、上記圧力センサ素子を備える圧力センサであり、前記圧力センサ素子は、静電容量式の圧力センサ素子である。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、圧力変動に対する応答性を確保しつつ、ダイアフラムに堆積する物質によってもたらされるセンサ出力のゼロ点シフトを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ素子の縦断面図である。

【図2】図２は、図１のＸ部分の切断部端面図である。

【図3】図３は、図１の粒子層の一部の平面図である。

【図4】図４は、図１の圧力センサ素子を備えた静電容量式の圧力センサの縦断面図である。

【図5】図５は、堆積物質が堆積した様子を示す図である。

【図6】図６は、堆積物質が堆積した様子を示す図である。

【図7】図７は、堆積物質が堆積した様子を示す図である。

【図8】図８は、他の例の粒子層の一部の平面図である。

【図9】図９は、他の例の粒子層の一部の平面図である。

【図10】図１０は、図９の切断部端面図である。

【図11】図１１は、他の例の粒子層の一部の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明の好ましい実施の形態の１つである静電容量式の圧力センサ素子１およびこれを用いた静電容量式の圧力センサ１００を、第１の実施の形態として図１ないし図７に基づいて説明する。ここで、説明文中の前後方向、上下方向および左右方向は、図１に示された圧力センサ素子１および図４に示された圧力センサ１００の紙面に対する奥行き方向、上下方向および左右方向としてそれぞれ定義する。また、各図は概念図であって、図示された内容は、必ずしも実際の圧力センサ素子および圧力センサと一致するものではない。また、断面図では、奥に見えるものが省略されている（例えば図４）。

【0024】

〔圧力センサ素子１の構成〕
はじめに、圧力センサ１００に組み込まれて使用される圧力センサ素子１の構成を、縦断面図である図１に基づいて説明する。

【0025】

圧力センサ素子１は、圧力センサ１００（図４）内に導入される被測定流体Ｌの圧力変化を機械的変位として捉え、さらにこの機械的変位を電気信号（例えば、電圧信号）として検出する要素である。圧力センサ素子１は、例えば、平面視において１ｃｍ角の正方形状を呈した薄板形状を有する。圧力センサ素子１は、ダイアフラム２Ａと、ダイアフラム２Ａを支持する支持部２Ｂと、ダイアフラム２Ａ及び支持部２Ｂとともに容量室Ｃ１を形成する台座３と、容量室Ｃ１の内部に収容されたセンサ電極部４と、圧力センサ１００の構成要素である後述の２つの電極リードピン５１（図４）に電気的にそれぞれ接続されるコンタクトパッド５ａ及び５ｂとから主に構成されている。圧力センサ素子１は、さらに、ダイアフラム２Ａに配設された（所定の配置で設けられた）、複数の粒子１０ａの集合体（図２参照）からなる全体として薄膜状の粒子層１０が設けられている。

【0026】

[ダイアフラム２Ａ]
ダイアフラム２Ａは、真空圧に維持された基準室としての容量室Ｃ１と、後述する導入部２０Ｖと連通することで被測定流体Ｌが流出入する空間Ｃ２とを隔離する境界壁を形成し、かつ被測定流体Ｌの圧力変化に応じて変形する機械的要素である。ダイアフラム２Ａは、支持部２Ｂととも一体的に形成されており、例えば、酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイア、多結晶アルミナまたはニッケル基合金のいずれか１つを主成分とした材料から形成されている。

【0027】

ダイアフラム２Ａは、平坦なシート状、ここでは、薄い円盤状を呈し、その軸心が、圧力センサ素子１の軸心（この軸心は（後述する圧力センサ１００の軸心と同軸である）と一致するように配設されている。ダイアフラム２Ａは、空間Ｃ２側（図１では上方）に向いた、被測定流体Ｌの圧力を受ける受圧面２Ａａと、受圧面２Ａａとは反対の、台座３とともに容量室Ｃ１を画成する測定面２Ａｂとを備える。ダイアフラム２Ａは、受圧面２Ａａに加わる被測定流体Ｌの圧力と測定面２Ａｂに加わる容量室Ｃ１の圧力つまり基準圧力との差によって変形する。受圧面２Ａａに粒子層１０が形成されている。また、測定面２Ａｂの中央には、センサ電極部４を構成する後述の可動電極４ａが形成されている。

【0028】

[支持部２Ｂ]
支持部２Ｂは、環状形状であり、その外側壁が平面視１ｃｍ角の四角柱の側壁をなしている。支持部２Ｂの中央は貫通しており、その内周壁には、ダイアフラム２Ａが接続されている。この内周壁は、ダイアフラム２Ａよりも上側の部分が下側の部分よりも外周側に凹んだ円筒形状を有する。支持部２Ｂとダイアフラム２Ａとの接続部分は、ダイアフラム２Ａの変形時に固定端として機能する。

【0029】

[台座３]
台座３は、ダイアフラム２Ａを支持しつつ、上述したように、ダイアフラム２Ａとともに、センサ電極部４が収容される容量室Ｃ１を画成する。台座３は、平面視１ｃｍ角の薄板部材からなる。容量室Ｃ１を介してダイアフラム２Ａの測定面２Ａｂに対向する台座３の固定面３ａの可動電極４ａに対向する位置には、センサ電極部４を構成する後述の固定電極４ｂが形成されている。

【0030】

[センサ電極部４]
センサ電極部４は、ダイアフラム２Ａの変形を電気的に検出する電気素子であって、ダイアフラム２Ａの測定面２Ａｂに配設された、互いに対向する一対の電極からなる。この一対の電極のうちの一方は、測定面２Ａｂに形成され、ダイアフラム２Ａの変形により移動する可動電極４ａであり、他方は、台座３の固定面３ａに形成された固定電極４ｂである。これら可動電極４ａと固定電極４ｂとは、所定の静電容量をもつコンデンサを構成している。つまり、圧力センサ素子１は、静電容量式の圧力センサ素子である。

【0031】

[コンタクトパッド５]
コンタクトパッド５は、センサ電極部４との間で電気的に接続する部位であって、台座３の固定面３ａと反対側に位置する面上に配設された一対のコンタクトパッド５ａ、５ｂから構成されている。これら一対のコンタクトパッド５ａ、５ｂは、例えば、金又は白金から形成されている。コンタクトパッド５ａ、５ｂは、所定の配線（図示せず）を通じて、容量室Ｃ１内に配設された可動電極４ａおよび固定電極４ｂとそれぞれ電気的に接続している。

【0032】

[粒子層１０]
ダイアフラム２Ａの受圧面２Ａａに配設された粒子層１０は、図２及び図３に示すように、長球形状の複数の粒子１０ａ（例えば、粉体）の集合体からなる。各粒子１０ａは、ダイアフラム２Ａと同等の耐熱性および耐食性を備えていることが望ましい。本実施の形態における粒子１０ａは、その主成分がダイアフラム２Ａの主成分と同一の材料、すなわち、サファイア、多結晶アルミナまたはニッケル基合金のいずれか１つから形成されている。粒子１０ａの主成分は、ダイアフラム２Ａの主成分と同一の材料でなくてもよく、フッ素樹脂であってもよい。

【0033】

粒子層１０では、例えば、上下方向に複数の粒子１０ａが重なっている。つまり、粒子１０ａを前後左右の２次元状に配列した粒子１０ａの層（上下方向における粒子１０ａ）を１層とすると、粒子層１０は、複数の層を含む。図２では、粒子１０ａは、２層分、積み重ねられている。粒子層１０は、１層であってもよい。隣合う粒子１０ａ同士、及び、粒子層１０（より具体的には、最下層の粒子１０ａ）とダイアフラム２Ａとは、イオン結合又は共有結合といった強固な結合ではなく、静電気による力、ファンデルワールス力、分子間力などの比較的弱い力により点接触で付着している。この付着力の詳細についは後述する。

【0034】

粒子層１０の形成方法としては、乾式および湿式がある。乾式の形成方法としては、例えばエアロゾルデポジション（ＡＤ）法、スプレードライ法、噴霧熱分解法などがある。湿式の形成方法としては、コロイドプロセス、沈殿法、水熱分解法、ゾルゲル法などがある。湿式の形成方法では、ボトムアップで粒子の配列およびパターニングが可能で、所望の領域に所望の厚さで粒子を整列させることが可能となる。

【0035】

粒子層１０の形成では、粒子１０ａを熱処理して焼結するとよいが、焼結により粒子１０ａ同士の付着が強くなってしまう。本実施の形態では、弱い付着を目指すため、熱処理を行う場合でも通常の焼結温度より低い温度での処理にとどめるとよい。粒子１０ａ自体の形成プロセスにおいても、粒子１０ａが溶解して強固に付着しない様に、投入エネルギーを低くするなど、形成条件の最適化を行うとよい。

【0036】

粒子１０ａの大きさ、例えば、長手方向の長さは、数百ｎｍサイズであってもよい。粒子１０ａの大きさは、粒成長を長くすることでμｍサイズとしてもよいし、逆に粒成長を抑制することで１００ｎｍ未満としてもよい。例えば、アルミナゾルを用いたゾルゲル法の場合では、数～４００ｎｍサイズの粒子１０ａを作製可能である。

【0037】

粒子層１０は、被測定流体Ｌの圧力をダイアフラム２Ａとともに受けるので、ダイアフラム２Ａの変形を阻害しないよう、ダイアフラム２Ａとともに変形可能に形成される。この変形可能な粒子層１０の厚さの上限は、ダイアフラム２Ａの厚さ、粒子１０ａの充填率、及びMackenzieの理論などから近似的に換算される。前記の充填率は、粒子１０ａの密度であり、粒子層１０を立方体又は円柱体などの空間範囲に近似したときのその空間範囲で配置可能な粒子１０ａの最大数を１００％とした率とする。特に限定するものではないが、前記の充填率が７０％だとすると、粒子層１０の厚みは、例えば、ダイアフラム２Ａの厚みの約０．８７％以下が好ましい。前記の充填率が１００％だとすると、粒子層１０の厚みは、例えば、ダイアフラム２Ａの厚みの約０．３４％以下が好ましい。粒子１０ａの充填率が更に低くなれば、粒子層１０をさらに厚くしてもダイアフラム２Ａの変形つまり圧力センサ素子１のセンサ精度には影響しない。粒子層１０の好ましい厚さは、粒子１０ａの充填率に依る。

【0038】

〔圧力センサ１００の構成〕
次に、圧力センサ素子１が組み込まれた静電容量式の圧力センサ１００の構成を、縦断面図である図４に基づいて説明する。

【0039】

圧力センサ１００は、圧力センサ素子１と、ケーシング２０と、ケーシング２０内に収容された台座プレート３０と、この台座プレート３０に接合しかつケーシング２０に固定された支持ダイアフラム４０と、ケーシング２０内外を導通接続する電極リード部５０とを備える。

【0040】

[ケーシング２０]
ケーシング２０は、圧力センサ１００の外枠（筐体）を形成するとともに、後述する台座プレート３０および支持ダイアフラム４０を介して圧力センサ素子１を支持し、また、被測定流体Ｌが流出入する導入部２０Ｖを画成する。ケーシング２０は、例えば、アッパーハウジング２１、ロアハウジング２２及びカバー２３を含む。これらは、当該順序で積み重なるようにして構成されている。アッパーハウジング２１、ロアハウジング２２及びカバー２３は、例えば、耐食性の金属であるインコネルからなり、溶接により接合されている。

【0041】

アッパーハウジング２１は、径の大きな大径円筒部２１ａと径の小さな小径円筒部２１ｂとから形成され、かつこれら２つの部分が同軸となるように連結されたロート形状の部位である。大径円筒部２１ａの下部開口端には、支持ダイアフラム４０を介してロアハウジング２２の上部開口端が接続する。また、アッパーハウジング２１の内周壁は、被測定流体Ｌが流入する導入部２０Ｖを画成する。

【0042】

ロアハウジング２２は、アッパーハウジング２１とカバー２３との間に介在する円筒体形状を呈した部位であり、その下部開口端は、カバー２３と接続する。また、ロアハウジング２２は、カバー２３、支持ダイアフラム４０、台座プレート３０及び圧力センサ素子１とともにケーシング２０内に独立した真空の基準真空室２０Ｗを画成する。なお、基準真空室２０Ｗには、所望の真空度を維持するために、いわゆるゲッター（図示せず）と呼ばれる気体吸着物質が配置されている。基準真空室２０Ｗは、圧力センサ素子１の容量室Ｃ１と台座３に設けられた不図示の貫通孔と介して連通してもよい。これにより、容量室Ｃ１が基準真空室２０Ｗと同じ真空度に保たれる。

【0043】

カバー２３は、略円盤状のプレートからなり、カバー２３の所定位置には電極リード挿通孔２３ａが形成されている。電極リード挿通孔２３ａには、シール性確保のためのハーメチックシール６０を介して電極リード部５０が挿入及び固定されている。

【0044】

[台座プレート３０及び支持ダイアフラム４０]
台座プレート３０は、圧力センサ素子１を支持する部位であって、第１の台座プレート３１と第２の台座プレート３２とから構成されている。

【0045】

第１の台座プレート３１および第２の台座プレート３２は、例えば、酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアからなる。第１の台座プレート３１および第２の台座プレート３２は、いずれもケーシング２０の内面から離間した位置にあって、前者は支持ダイアフラム４０の上面に接合され、後者は支持ダイアフラム４０の下面に接合されている。

【0046】

支持ダイアフラム４０は、上面に第１の台座プレート３１が接合され下面に第２の台座プレート３２が接合された状態で、その外周部（周囲縁部）がアッパーハウジング２１の下部開口端およびロアハウジング２２の上部開口端に挟まれながら溶接等により接合されている。これにより、支持ダイアフラム４０は、台座プレート３０をケーシング２０の内面から離した状態で支持する。

【0047】

台座プレート３０及び支持ダイアフラム４０からなるユニットの中央には、ダイアフラム２Ａの受圧面２Ａａに向く空間Ｃ２と被測定流体Ｌが流入する導入部２０Ｖとを連通させるための導入孔２０Ｘが開口している。

【0048】

[電極リード部５０]
電極リード部５０は、電極リードピン５１と金属製のシールド５２とを備え、電極リードピン５１は金属製のシールド５２にガラスなどの絶縁性材料からなるハーメチックシール５３によってその中央部分が埋設されている。そして、電極リードピン５１の一端はケーシング２０の外部に露出しており、図示しない配線によって圧力センサ１００の出力を、外部の信号処理部に伝達するように構成されている。また、電極リードピン５１の他方の端部には導電性を有するコンタクトバネ５５が接続されている。

【0049】

〔圧力センサ１００の動作態様〕
次に、圧力センサ素子１が組み込まれた圧力センサ１００の動作態様について説明する。なお、以下の説明では、圧力センサ１００は、蒸着又はＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）（ＡＬＤを含む）などを用いた成膜装置内の所定の場所に取付けられた真空計であるものとする。圧力センサ１００は、使用時、被測定流体Ｌが冷えないように不図示のヒータにより加熱される。

【0050】

上記構成からなる圧力センサ素子１（図１～図３）およびこれが組み込まれた圧力センサ１００（図４）においては、所定の圧力を有する被測定流体Ｌが、圧力センサ１００の導入部２０Ｖに流入したのち、空間Ｃ２を通じてダイアフラム２Ａの受圧面２Ａａに到達する。これにより、受圧面２Ａａと真空圧が維持された容量室Ｃ１に面した測定面２Ａｂとの間に圧力差が生じ、この圧力差によりダイアフラム２Ａが変形する。ダイアフラム２Ａが変形すると、測定面２Ａｂに配設された可動電極４ａは、台座３の固定面３ａに配設された固定電極４ｂに向けて変位し、これら２つの電極間の距離が縮まる。この結果、可動電極４ａと固定電極４ｂとから構成されたセンサ電極部４の静電容量が変化する。このセンサ電極部４の静電容量の変化に対応した電気信号（例えば、電圧信号）は、電極リード部５０を通じて圧力センサ１００の外部に設けられた信号処理部へと伝達され、この信号処理部において、既存の方法によって被測定流体Ｌの圧力が算出（計測）される。

【0051】

ここで、被測定流体Ｌには、被測定流体Ｌの圧力を受圧するダイアフラム２Ａの受圧面２Ａａ及び粒子層１０に堆積する堆積物質Ｓ（図５～図７参照）が含まれる。堆積物質Ｓには、例えば、ウェハ等の基板上に所定の成分からなる膜を生成するための成膜物質（主生成物）が含まれる。また、成膜プロセスがＡＬＤなどを含むＣＶＤの場合、堆積物質Ｓには、反応副生成物が含まれることもある。堆積物質Ｓの大部分は、受圧面２Ａａ上の粒子層１０に堆積するが、一部は、粒子層１０を構成する複数の粒子１０ａの隙間を通り受圧面２Ａａにも堆積する。ここで、粒子層１０が無い場合、堆積物質Ｓは受圧面２Ａａに堆積し、堆積した堆積物質Ｓは受圧面２Ａａに凝着して膜を形成する。この膜の形成時、内部応力が発生し、この内部応力により膜は収縮又は膨張する。このとき、膜は、膜の凝着先である受圧面２Ａａととも収縮又は膨張しようとするが、ダイアフラム２Ａ自体は当該膜ほど伸縮しないので、膜の収縮又は膨張の力は、ダイアフラム２Ａを断面弓なりに変形させる。この実施の形態では、粒子層１０により、この変形を抑制する。以下、この低減のメカニズムについて以下説明する。なお、以下の説明では、堆積した堆積物質Ｓを、以下では堆積物ＳＡともいう。

【0052】

成膜装置で行われる成膜の方法が蒸着などの場合、堆積物質Ｓの直進性が高くなる。この場合、堆積物質Ｓは、図５に示すように、粒子層１０の粒子１０ａの影となる部分には堆積しない。従って、堆積物ＳＡは、不連続な小堆積物ＳＢの集合から構成されることになる。なお、図５では図示していないが、粒子層１０を構成する複数の粒子１０ａの隙間を通ってダイアフラム２Ａの受圧面２Ａａに到達する堆積物質Ｓもあるため、小堆積物ＳＢは、ダイアフラム２Ａにも形成される。この場合、堆積物ＳＡを構成する各小堆積物ＳＢは小さいので、各小堆積物ＳＢの凝着時に発生する内部応力は、堆積物ＳＡそれぞれで小さく、ダイアフラム２Ａへの影響は限定的となる。従って、ダイアフラム２Ａの変形が抑制される。

【0053】

堆積物質Ｓの堆積が多い場合、図６に示すように堆積物ＳＡは連続的な膜状に形成される。このような場合、小堆積物ＳＢの内部応力ないしこの内部応力による堆積物ＳＡの収縮又は膨張の力が大きくなり、この大きな力が粒子１０ａに作用する。しかし、粒子１０ａ同士の付着力が上述のように弱いため、前記の収縮又は膨張の力は、粒子１０ａを前記付着力に抗して移動させる。例えば、図６の矢印Ａに示すように、堆積物ＳＡが収縮する場合、この収縮に伴って粒子１０ａが矢印Ｂのように移動する。さらに、前記の収縮又は膨張の力は、粒子１１ａを個別に変形させ得るが、上述のように付着力が弱いことで、粒子１０ａ同士が離れやすく、粒子１０ａの変形も起きやすい。これらのようにして、前記の収縮又は膨張の力は、粒子１０ａの変形及び移動に変換されることで吸収される。さらに、粒子１０ａのダイアフラム２Ａに対する付着力も弱いため、前記の収縮又は膨張の力は、ダイアフラム２Ａに付着した粒子１０ａの移動（図６の矢印Ｃ参照）つまり粒子層１０の剥離に変換されることで吸収される。これらにより、内部応力による前記の収縮又は膨張の力は、ダイアフラム２Ａに伝達され難く、これにより、ダイアフラム２Ａの変形が抑制される。なお、堆積物ＳＡは、収縮又は全体として断面弓なりに反るように変形することもある。この場合、断面弓なりに反る方向に応じて、堆積物ＳＡの中央又は周縁部の粒子１０ａがダイアフラム２Ａから離れるように移動する（図６の矢印Ｄ参照）。これによりダイアフラム２Ａの変形が抑制されてもよい。

【0054】

成膜装置で行われる成膜の方法がＣＶＤ法などの場合、堆積物質Ｓの直進性が低く、堆積物質Ｓの回り込み度が大きい。この場合、堆積物質Ｓは、図７に示すように、粒子層１０の粒子１０ａの影となる部分にも堆積する。このような場合であっても、粒子層１０を設けない場合の堆積物質Ｓによる膜よりも内部応力は小さくなり、ダイアフラム２Ａの変形はある程度抑制される。また、堆積物質Ｓの堆積量が多い場合であっても、上記と同様に粒子１０ａの変形及び又は移動（粒子層１０の剥離を含む）により、堆積物ＳＡの収縮又は膨張は吸収され、ダイアフラム２Ａの変形が抑制される。

【0055】

粒子１０ａ同士の付着力、及び又は、粒子１０ａとダイアフラム２Ａとの付着力は、粒子層１０に作用する力、具体的には、堆積物質Ｓからなる堆積物ＳＡの内部応力に起因する力（上記収縮又は膨張による力）よりも小さく、その他の力、例えば、被測定流体Ｌが空間Ｃ２に流出入する際に作用する力よりも大きいとよい。これにより、前者の力が作用すると粒子１０ａは移動又は粒子層１０がダイアフラム２Ａから剥離するが、後者の力によっては粒子１０ａ同士が離れるないし粒子層１０がダイアフラム２Ａから剥離することが防止される。このような付着力の上限値は、例えば、１００Ｐａ（Ｎ／ｍ^２）である。また、粒子層１０がダイアフラム２Ａよりも地面側に位置する姿勢で圧力センサ素子１ないし圧力センサ１００が設置された場合に粒子層１０が自重によって脱落しない付着力が好ましい。さらに、圧力センサ素子１ないし圧力センサ１００の搬送があっても、かつ、真空引きがあっても、粒子１０ａ同士の付着及び粒子１０ａのダイアフラム２Ａへの付着が解除されない付着力が好ましい。

【0056】

〔効果など〕
本実施の形態によれば、ダイアフラム２Ａの受圧面２Ａａに複数の粒子１０ａの集合体からなる粒子層１０を設けたので、当該粒子１０ａにより、堆積物質Ｓが堆積した堆積物ＳＡを不連続の細切れとすることができる。これにより、上記で説明したように、堆積物質Ｓの凝着時の内部応力に起因するダイアフラム２Ａの変形が抑制される。さらに、本実施形態では、被測定流体Ｌの流れの抵抗を増大させる要因となるバッフルなどの部材ではなく、ダイアフラム２Ａに直接形成した粒子層１０により、ダイアフラム２Ａの変形を抑制しているため、被測定流体Ｌの圧力変動に対する応答性が確保される。このように、本実施の形態に係る圧力センサ素子１及び圧力センサ１００では、被測定流体Ｌの圧力変動に対する応答性が確保されるとともに、ダイアフラム２Ａの受圧面２Ａａに堆積する物質によってもたらされるセンサ出力のゼロ点シフトが低減される。

【0057】

さらに、本実施形態では、堆積物質Ｓの凝着時の内部応力による堆積物ＳＡの圧縮又は膨張の力が、粒子１０ａの変形、及び又は、粒子１０ａの移動に変換されることで吸収されるので、ダイアフラム２Ａの変形がより抑制され、前記のゼロ点シフトがより低減される。

【0058】

さらに、本実施形態では、堆積物質Ｓの凝着時の内部応力による堆積物ＳＡの圧縮又は膨張の力が、粒子１０ａをダイアフラム２Ａから離れる方向に移動させる力、換言すると粒子層１０をダイアフラム２Ａから剥離に変換されることで吸収されるので、ダイアフラム２Ａの変形がより抑制され、前記のゼロ点シフトがより低減される。

【0059】

さらに、本実施形態では、粒子層１０を設けるだけで、ゼロ点シフトが低減されるので、比較的安価に、ゼロ点シフトの低減が可能となる。また、粒子層１０は、事後的に交換できる。このため、例えば、堆積物質Ｓの堆積量が多くなってきたときに粒子層１０を交換することで、圧力センサ素子１を長く使用することができる。

【0060】

粒子層１０を構成する複数の粒子１０ａのそれぞれは、ダイアフラム２Ａ以上の耐熱性及びダイアフラム２Ａ以上の耐食性のうちの少なくとも一方を有する材料から形成されているとよい。このような構成により、圧力センサ素子１及び圧力センサ１００の使用可能な条件（圧力センサ１００の使用時の加熱温度及び被測定流体Ｌの種類）が粒子層１０により狭まってしまうことが抑制される。なお、粒子層１０は、ダイアフラム２Ａと同等の熱膨張係数を有するとよい。これにより、圧力センサ１００の使用時の加熱により、ダイアフラム２Ａと粒子層１０との熱膨張率の差によりダイアフラム２Ａが変形してしまうことが抑制される。以上のような条件を満たす粒子１０ａの主成分としては、サファイア、ニッケル基合金、又は、フッ素樹脂が挙げられる。他の例として、各粒子１０ａとダイアフラム２Ａとの両者の主成分を、サファイア、多結晶アルミナ、又は、ニッケル合金とするとよい。これにより、耐熱性、耐食性、及び、熱膨張係数を両者で同等とすることができる。

【0061】

この実施の形態における各粒子１０ａは、上述のように長球形状であるため、劈開面を持たない。粒子１０ａに劈開面があると、この劈開面により粒子１０ａ同士又は粒子１０ａとダイアフラム２Ａとが、粒子層１０の形成過程における熱処理などで互いに強固に固定されてしまうおそれがある。粒子１０ａが劈開面を持たないことにより、この不都合が抑制される。粒子１０ａは、例えば磨砕されることで、劈開面を有さない形状となる。各粒子１０ａの形状は任意であり（詳細は後述）、粒子１０ａは、劈開面を有さない形状として、真球形状（後述の変形例参照）などの長球形状以外の他の球形状、及び、平坦な面を有さない形状などであってもよい。

【0062】

〔変形例など〕
上記実施の形態の構成は適宜変更可能である。例えば、上記で説明した各部材などの構成要素の形状などは適宜変更可能である。例えば、粒子１０ａ同士の付着力及び又は粒子１０ａとダイアフラム２Ａとの付着力は、比較的強い力であってもよい。粒子１０ａ同士の付着力及び又は粒子１０ａとダイアフラム２Ａとの付着は、上記実施の形態では接着剤などの介在物を介在させない態様であるが、当該付着は、弱い力と強い力とのいずれかにかかわらず、接着剤又は融着などにより実現されてもよい。

【0063】

複数の粒子１０ａは、例えば、球形状の複数の粒子を含むものであればよい。上記実施の形態では、複数の粒子１０ａのそれぞれが前記球形状の一例である長球形状であるが、複数の粒子１０ａのそれぞれが真球形状であってもよい。複数の粒子１０ａの一部が球形状で、残りが他の形状（例えば、後述の針形状又は板形状）であってもよい。また、複数の粒子１０ａは、上記実施の形態では規則的に整列しているが、不規則に配置されてもよい。図８に、複数の粒子１０ａのそれぞれを真球形状として不規則に配置した例を示す。このように不規則に配置されても、上記と同様の効果が得られる。また、不規則な整列を採用すれば、粒子１０ａを規則的に整列させる手間が省けるので、製造コストが抑えられる。

【0064】

粒子層１０を、図９及び図１０に示すような、複数の粒子１１ａの集合体からなる粒子層１１に変更してもよい。複数の粒子１１ａは、折り重なった針形状（ウィンスカー形状を含む）の複数の粒子１１ａを含むものであればよい。粒子層１２を構成する全粒子１１ａの一部は、針形状以外の形状であってもよい。図９及び図１０では、粒子層１１を構成する粒子１１ａ全てが針形状となっている。針形状の粒子１１ａの配列は、不規則となっている。折り重なった針形状の複数の粒子１１ａにより、堆積物質Ｓの堆積物を上記実施の形態のように分断できるので、ダイアフラム２Ａの変形が抑制される。さらに、折り重なった針形状の複数の粒子１１ａによれば、球形状の粒子１０ａよりも粒子１１ａの周囲の空間が大きくなりやすく、従って、上記堆積物の収縮などにより粒子１１ａが移動する及び又は粒子１１ａが個別に変形する際、その移動距離及び又は変形量を大きくできる。さらに、粒子１１ａ同士の接触面積が減り、粒子１０ａ同士の強固な固着も抑制されることもある。これらにより、上記収縮などの力がよりダイアフラム２Ａに伝わり難く、従って、ダイアフラム２Ａが変形し難い。

【0065】

粒子層１０を、図１１に示すような、複数の粒子１２ａの集合体からなる粒子層１２に変更してもよい。複数の粒子１２ａは、折り重なった板形状の複数の粒子１２ａを含むものであればよい。粒子層１２を構成する全粒子１２ａの一部は、板形状以外の形状であってもよい。図１１では、粒子層１２を構成する粒子１２ａ全てが板形状となっている。板形状の粒子１１ａの配列は、不規則となっている。折り重なった板形状の複数の粒子１１ａにより、堆積物質Ｓの堆積物を上記実施の形態のように分断できるので、ダイアフラム２Ａの変形が抑制される。さらに、板形状の複数の粒子１２ａが折り重なるつまり不規則に重なることにより、球形状の粒子１０ａよりも粒子１２ａの周囲の空間が大きくなりやすく、従って、上記堆積物の収縮などにより粒子１２ａが移動する及び又は粒子１１ａが個別に変形する際、その変形量及び又は移動距離を大きくできる。さらに、粒子１１ａ同士の接触面積が減り、粒子１０ａ同士の強固な固着も抑制されることもある。これらにより、上記収縮などの力がよりダイアフラム２Ａに伝わり難く、従って、ダイアフラム２Ａが変形し難い。

【0066】

粒子層１１などを構成する複数の粒子は円柱形状であってもよく、また、複数の粒子それぞれは、各粒子間で同じ形状を有さない不定形であってもよい。粒子同士又は粒子とダイアフラム２Ａとは点接触ではなく、線接触あるいは面接触してもよい。

【0067】

粒子１０ａのサイズ（例えば、長手方向の長さ。真球の場合は、直径など）及び粒子層１１の厚みは任意であり、例えば、被測定流体Ｌの圧力を測定するためのダイアフラム２Ａの変形を阻害せず、かつ、堆積物質Ｓの堆積によるダイアフラム２Ａの変形を抑制するサイズ及び厚みが採用される。粒子１０ａのサイズとしては、例えば、１ｎｍ～５００μｍ、より詳細には５０ｎｍ～３００μｍの範囲内の任意のサイズが採用される。なお、粒子層１０は、例えば、６００個以上、１万個以上、１０００万個以上の数（数千万もあり得る）の粒子１０ａの集合体からなる。粒子１０ａの充填率も任意である。

【0068】

粒子層１０～１２は、ダイアフラム２Ａの受圧面２Ａａの全領域に形成されてもよいし、一部領域のみに形成されてもよい。一部領域にのみ粒子層１０～１２を形成する場合に、粒子層１０～１２は、ダイアフラム２Ａにおける堆積物質Ｓの堆積物の影響により変形しやすい箇所に形成されるとよい。

【0069】

圧力センサ素子１および圧力センサ１００は、いずれもセンシング方式が静電容量式であるが、本発明は、当該センシング方式のそれに限定されるわけではない。例えば、抵抗ゲージを貼り付け又はスパッタ等により成膜した歪ゲージ式や半導体ピエゾ抵抗式等、ダイアフラムの変形を電気信号として検出するセンシング方式を備えた全ての圧力センサ素子及びこれを用いた圧力センサに対して適用され得る。圧力センサ素子及びこれを用いた圧力センサの使用先の成膜装置以外の各種装置となり得る。

【0070】

〔発明の範囲〕
以上、実施の形態及び変形例を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、本発明には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る、上記の実施の形態及び変形例に対する様々な変更が含まれる。上記実施の形態及び変形例に挙げた各構成は、矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることができる。

【符号の説明】

【0071】

１…圧力センサ素子、２Ａ…ダイアフラム、２Ａａ…受圧面、２Ａｂ…測定面、２Ｂ…支持部、３…台座、３ａ…固定面、４…センサ電極部、４ａ…可動電極、４ｂ…固定電極、５…コンタクトパッド、５ａ…コンタクトパッド、５ｂ…コンタクトパッド、１０～１２…粒子層、１０ａ～１２ａ…粒子、２０…ケーシング、３０…台座プレート、４０…支持ダイアフラム、５０…電極リード部、５１…電極リードピン、５２…シールド、５３…ハーメチックシール、５５…コンタクトバネ、６０…ハーメチックシール、１００…圧力センサ、Ｃ１…容量室、Ｃ２…空間。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】