CH707387B1 - Messzellenanordnung und Verfahren zur Vakuumdruckmessung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messzellenanordnung (100) enthaltend eine kapazitive Membrandruckmesszelle (20) zur Messung von Vakuumdruck mit einer Membran als Druckwandler, und eine Leiterplatte (10), die derart gegenüber der Membrandruckmesszelle (20) positioniert angeordnet wird, dass diejenige Komponente, die als Temperatursensor wirkt, den ersten Gehäusekörper über eine Wärmeübergangszone (13) thermisch kontaktiert. Eine weitere elektronische Komponente ist als Mikrochip (12) ausgebildet. Dieser enthält einen Digitalen Signal-Prozessor (DSP) mit einem Temperatur-zu-Digital-Converter (TDC) und einem Kapazitäts-zu-Digital-Converter (CDC), der nach dem Zeitmessverfahren arbeitet, welche die Temperatur (T x ) und die Kapazität (C x ) der Membrandruckmesszelle (20) ermitteln im Vergleich mit einem an der Leiterplatte angeordneten Referenzwiderstand (R ref ) für die Temperatur und einem Referenzkondensator (C ref ) für die Kapazität (C x ), welche das Mass bildet für den zu messenden Druck abhängig von der Deformation der Membran, wobei aus beiden gemessenen Signalen mit Korrelationsmitteln, welche vorgängig aus einem Kalibriervorgang ermittelt wurden, ein Temperatur-korrigiertes Drucksignal abgeleitet wird, welches als Drucksignal p = f(C x ,T eff ) am Signalausgang (16) ausgegeben wird zur weiteren Verarbeitung. Hierdurch wird eine rasche Druckmessung ermöglicht bei hoher Messgenauigkeit. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vakuumdruckmessung sowie eine Verwendung der Messzellenanordnung.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Messzellenanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf ein Verfahren zur Druckmessung gemäss Anspruch 4.

[0002] Es ist bekannt, Drücke bzw. Druckdifferenzen dadurch zu messen, indem eine dünne Membran druckbeaufschlagt wird und ihre daraus bewirkte Durchbiegung gemessen wird. Eine bekannte und geeignete Methode, die Durchbiegung solcher Membranen zu messen, besteht darin, dass die Membrananordnung als variable elektrische Kapazität ausgebildet wird, wobei über eine Messelektronik in bekannter Weise die Kapazitätsänderung ausgewertet wird, welche mit der Druckänderung korreliert. Die Kapazität wird ausgebildet, indem die dünne, biegsame Membranfläche in geringem Abstand gegenüber einer weiteren Fläche eines Körpers angeordnet ist und beide einander gegenüberliegenden Oberflächen elektrisch leitend ausgebildet sind. Wenn die Membran und der Körper aus nicht leitendem, dielektrischem Material besteht, werden dazu die Oberflächen beispielsweise mit einem elektrischen Belag beschichtet, wodurch die Kondensatorelektroden ausgebildet werden. Die Membran und/oder der Körper können auch selbst aus elektrisch leitendem Material gefertigt sein, wobei dann die Oberflächen wiederum die Kondensatorelektroden bilden. Bei Druckbeaufschlagung der Membran verändert sich durch die Durchbiegung der Abstand zwischen den beiden Elektroden, was zu einer auswertbaren Kapazitätsänderung der Anordnung führt. Sensoren dieser Art werden in grossen Stückzahlen beispielsweise aus Silizium hergestellt. Sowohl der flächige Grundkörper wie auch die Membran bestehen hierbei oft vollständig aus Silizium-Material. Es gibt auch Ausführungen mit kombinierter Materialzusammensetzung, z.B. Silizium mit Glasunterlage. Die Sensoren lassen sich dadurch kostengünstig herstellen. Drucksensoren dieser Art sind in der Regel nur für höhere Druckbereiche im Bereich von ca. 10<–><1>mbar bis einige bar einsetzbar. Hohe Auflösung bei tieferen Drücken ab etwa 10<–><1>mbar sind mit dem Werkstoff Silizium nicht mehr realisierbar. Für typische Vakuumanwendungen sind Sensoren dieser Art nicht geeignet. Für Messungen von Drücken im Vakuum wird oft zwischen Atmosphäre und 10<–6>mbar gemessen für die verschiedenen zu kontrollierenden Vakuumprozesse. Derartige Messungen erfordern eine hohe Empfindlichkeit mit hoher Auflösung und Reproduzierbarkeit der Vakuumdruckmessung, wozu nur speziell ausgebildete Messzellen in der Lage sind, die von der Bauweise der Hochdruckmesszellen völlig abweichen.

[0003] Für die Vakuumdruckmessung sind kapazitive Membrandruckmesszellen besonders geeignet, die aus korrosionsfesten Materialien wie Al2O3hergestellt sind. In dem EP 1 070 239 B1 (die integrierenden Bestandteil der vorliegenden Anmeldung bildet) wird eine kapazitive Vakuummesszelle, welche im Wesentlichen vollständig aus Keramik aufgebaut und somit in hohem Masse korrosionsfest ist, beschrieben. Um sehr tiefe Drücke bis 10<–6>mbar bei hoher Genauigkeit messen zu können, wird eine sehr dünne Keramikmembran von beispielsweise < 250 µm Dicke verwendet, welche spannungsfrei und symmetrisch in einem Keramikgehäuse angeordnet ist. Der Abstand der Kondensatorelektroden bzw. der Membranoberfläche von der Oberfläche des Gehäusekörpers liegt hierbei bevorzugt im Bereich von 2 bis 50 µm. Die Durchmesser derartiger Membrandruckmesszellen liegen bevorzugt im Bereich von 5 bis 80 mm. Die dadurch gebildeten und zu messenden Kapazitäten bei derartigen Membrandruckmesszellen liegen im Bereich von 10 pF bis 32 pF. Die gemessene Kapazität dient hierbei als Mass für den zu messenden Druck. Bei druckabhängiger Verbiegung der Membran verändert sich diese Kapazität entsprechend, wodurch der an der Membran anliegende Druck erfasst werden kann. Diese Kapazitätsmessung muss sehr präzise erfolgen und ist bei diesen kleinen Kapazitätswerten nicht ganz einfach. Nach dem heutigen Stand der Technik werden die kleinen störanfälligen Kapazitäten üblicherweise mit einem Sigma-Delta-Capacitance-to-Digital-Converter (CDC) digitalisiert. Die dazu notwendige Elektronik ist auf einer kleinen Leiterplatte hinter der Membrandruckmesszelle angeordnet und über eine Leitung mit den Kondensatorelektroden der Messzelle verbunden. Das digitalisierte Signal wird dann in einer weiteren Elektronik, die einen Mikroprozessor enthält und auf einer weiteren Leiterplatte angeordnet ist, aufbereitet und kalibriert. Eine derartige Messzellenanordnung zur Messung von Vakuum enthält folglich eine kapazitive Membrandruckmesszelle und eine daran angebaute Elektronik für die Signalaufbereitung. Diese Messzellenanordnung wird in üblicher Weise an die zu messenden Vakuumkomponenten angeschlossen, wie beispielsweise Vakuumbehälter oder Vakuumleitungen, welche die zu messenden gasförmigen Medien enthalten.

[0004] Die Messung von kleinen Kapazitäten wird vielfältig für die Auslesung der zu messenden Werte von Sensoren verwendet. Allerdings ist die präzise Messung derartig kleiner Kapazitäten nicht ganz einfach.

[0005] In dem Buch von Baxter (Larry K. Baxter, Capacitive Sensors, IEEE Press, NJ 1997) ist eine Vielzahl der möglichen Schaltungskonzepte dargestellt. Überwiegend waren diese Schaltungen so konzipiert, dass sich möglichst ein linearer Zusammenhang zur Messgrösse ergibt, so dass das Messsignal direkt analog weiterverarbeitet werden kann.

[0006] Die Schaltungskonzepte haben sich bis heute nicht grundsätzlich verändert, lediglich die Möglichkeit der Integration hat einige interessante ergänzende Lösungen hervorgebracht. So hat beispielsweise Analog Devices mit ihrer CDC-Reihe von integrierten Schaltungen eine Ladungswaage mit einem Delta-Sigma-Wandler kombiniert und einen sehr leistungsfähigen Mikrochip entwickelt, wie beispielsweise den Mikrochip mit der Bezeichnung AD7745. Ein grosser Vorteil dieser integrierten Lösung ist die Möglichkeit, Probleme mit der Temperaturkompensation weiter reduzieren zu können und eine bessere Abschirmung eines Grossteils der kritischen Elemente im Chipgehäuse zu ermöglichen.

[0007] Eine weitere Möglichkeit Kapazitäten zu messen, besteht darin, die Ladezeit eines Kondensators zu messen, was vom Prinzip her relativ einfach realisierbar ist. Hierbei wird üblicherweise der zu messende Kondensator mit einem Strom, beispielsweise über eine Konstantstromquelle oder über einen Ladewiderstand aufgeladen. Die Spannung, der Strom und die zur Aufladung benötigte Zeit wird gemessen und daraus die Kapazität bestimmt. Bei kleinen Kapazitäten ergeben sich hierbei Probleme mit der Messung der sehr kleinen Ströme und der sehr kurzen Messzeiten.

[0008] Kapazitäten können auch in einer Brückenschaltung in Anlehnung an Wheatstone gemessen werden. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Mess-Schaltung, bei welcher ein Diodenarray als Gleichrichter verwendet wird. In einem solchen Schaltungskonzept wird eine amplitudenstabilisierte Sinusquelle eingesetzt. Dies kann beispielsweise ein amplitudenstabilisierter Wien-Oszillator sein. Zusätzlich müssen hierbei die vergleichsweise grossen Temperaturkoeffizienten der Gleichrichter berücksichtigt werden. Ein derartiges Schaltungskonzept führt zu einer aufwendigen Schaltungstechnik.

[0009] Kapazitive Membrandruckmesszellen werden in Vakuumprozessen zur exakten Druckbestimmung eingesetzt. Derartige Vakuumprozesse umfassen verschiedenste Verfahren, wie beispielsweise Beschichtungsprozesse, Ätzprozesse, thermische Behandlung von Werkstücken etc. Diese Prozesse werden oft auch mit unterstützenden Gasen betrieben, die sowohl aktiv als Reaktivgas oder auch als Inertgas im Prozess benötigt werden. Die Gase werden hierzu dem Vakuumsystem über ein Druck- bzw. Flussregelsystem zugeführt. Eine kapazitive Membrandruckmesszelle kann, in diesem Fall, als Drucksensor für das Regelsystem dienen. Für eine präzise Prozessführung ist es notwendig, dass die Membrandruckmesszelle möglichst präzise misst, aber insbesondere auch schnell misst.

[0010] Eine weitere wichtige Anwendung derartiger Membrandruckmesszellen ist auch das Kalibrieren von Hochvakuumdruckmesszellen der verschiedensten Bauart, wie beispielsweise der Art Pirani, Penning, Membrandruckmesszellen etc. In diesem Fall kann eine Membrandruckmesszelle als Referenzdruckmesszelle dienen zur Abgleichung mit den zu kalibrierenden Messzellen, beispielsweise durch Vergleichsmessung. Eine wichtige bekannte Methode ist auch bekannt geworden als statisches Expansionsverfahren, welches genauer beschrieben ist in dem Buch «Wutz, Handbuch Vakuumtechnik» (10. Auflage, Karl Jousten (Hrsg.), Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0695-6).

[0011] Bei der Anwendung der kapazitiven Membrandruckmesszelle als Referenzdruckmesszelle in Kalibriereinrichtungen ist neben der Messpräzision insbesondere auch eine hohe Messgeschwindigkeit wichtig, um möglichst bei Druckänderungen die tatsächlich aktuellen Druckwerte auch mit hoher Genauigkeit erfassen zu können. Auch die Temperatureinflüsse auf die Messgenauigkeit der Referenzdruckmesszelle sind hierbei wichtig und müssen möglichst gut beherrscht werden. Die heute bekannten Membrandruckmesszellenanordnungen sind diesbezüglich langsam und liegen bei Messzeiten, die grösser sind als 8 ms oder sogar grösser als 30 ms. Auch ist die erzielbare Messgenauigkeit von 0.15% bis 0,4% vom Messwert oft ungenügend, vor allem über grössere Temperaturbereiche von 5 bis 220 °C. Der zu messende Messbereich bzw. die maximal messbare Kapazität der Membrandruckmesszelle ist beschränkt beim Einsatz von bekannten Mikrochips für die Messelektronik (z.B. 21 pF für AD7745). Dies schränkt den Herstellspielraum ein bzw. vermindert die entsprechende Ausbeute drastisch und erhöht somit die Herstellkosten.

[0012] Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Messgeschwindigkeit einer Membrandruckmesszellenanordnung wesentlich zu erhöhen. Die Messpräzision und die Reproduzierbarkeit sowie die Stabilität der Messzelle soll zusätzlich verbessert werden, dies insbesondere mit Blick auf das Temperaturverhalten der Membrandruckmesszellenanordnung. Ausserdem soll die Messzellenanordnung wirtschaftlich herstellbar sein.

[0013] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Messzellenanordnung nach Anspruch 1 gelöst sowie durch ein Verfahren zur Vakuumdruckmessung nach Anspruch 4. Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung.

[0014] Die erfindungsgemässe Messzellenanordnung enthält eine kapazitive Membrandruckmesszelle zur Messung von Vakuum mit einer Membran als Druckwandler, wobei auf der einen Seite der Membran beabstandet ein erster Gehäusekörper im Randbereich mit einem Verbindungsmittel dichtend angeordnet ist, derart, dass dazwischen ein Referenzvakuumraum ausgebildet ist, und dass auf der anderen Seite der Membran beabstandet ein zweiter Gehäusekörper im Randbereich mit einem Verbindungsmittel dichtend angeordnet ist, derart, dass dazwischen ein Messvakuumraum ausgebildet ist, und dass der zweite Gehäusekörper eine Öffnung aufweist, an der Anschlussmittel mit Verbindungsmittel dichtend angeordnet sind zur kommunizierenden Verbindung des Messvakuumraumes mit dem zu messenden Medium, wobei innerhalb des Referenzvakuumraumes zumindest ein Teil mindestens der Oberfläche der Membran und gegenüberliegend zumindest ein Teil mindestens der Oberfläche des ersten Gehäusekörpers je elektrisch leitend ausgebildet wird und Kondensatorelektroden bilden zur Ausbildung einer elektrischen Kapazität (Cx) und dass die Messzellenanordnung eine Leiterplatte (10) aufweist, die mit elektronischen Komponenten bestückt ist und mindestens eine davon als Temperatursensor wirkt, wobei die Leiterplatte mit den Kondensatorelektroden der Membrandruckmesszelle elektrisch verbunden ist, wobei die Leiterplatte derart gegenüber der Membrandruckmesszelle positioniert angeordnet wird, dass diejenige Komponente, die als Temperatursensor wirkt, den ersten Gehäusekörper über eine Wärmeübergangszone thermisch kontaktiert und dass eine weitere elektronische Komponente als Mikrochip ausgebildet ist und dieser einen Digitalen Signal-Prozessor (DSP) enthält mit einem Temperatur-zu-Digital-Converter (TDC) und einem Kapazitäts-zu-Digital-Converter (CDC), der nach dem Zeitmessverfahren arbeitet, welche die Temperatur (Tx) und die Kapazität (Cx) der Membrandruckmesszelle ermitteln im Vergleich mit einem an der Leiterplatte angeordneten Referenzwiderstand (Rref) für die Temperatur und einem Referenzkondensator (Cref) für die Kapazität (Cx), welche das Mass bildet für den zu messenden Druck abhängig von der Deformation der Membran, wobei aus beiden gemessenen Signalen mit Korrelationsmitteln, welche vorgängig aus einem Kalibriervorgang ermittelt wurden, ein Temperatur-korrigiertes Drucksignal abgeleitet wird, welches als Drucksignal p = f(Cx,Teff) am Signalausgang ausgegeben wird zur weiteren Verarbeitung.

[0015] Die durch die Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur und/oder für das Drucksignal können als Tabelle in einem Speicher abgelegt werden oder aber auch als mathematische Funktion Teff= f(Tx) und/oder Peff= f(Cx). Die Verwendung der mathematischen Funktion, insbesondere für das Drucksignal, ist bevorzugt. Wobei besonders vorteilhaft beides, die Werte für die Temperaturkorrektur wie auch für die Ermittlung des Drucksignales, je die mathematische Funktion verwendet wird. Bei diesem Kalibrierungsvorgang zur Bestimmung des effektiven Drucksignales werden die Korrekturwerte der ermittelten Temperaturabweichung zusätzlich dem Drucksignal derart überlagert, dass dieses über den zu messenden Druckbereich und jeweiligen Temperaturbereich, welchem die Membrandruckmesszelle ausgesetzt ist, korrigiert wird. Der Kalibriervorgang findet für jede einzelne Messzelle statt und die ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur und das angepasste Drucksignal werden im Speicher der der Membrandruckmesszelle zugehörigen Elektronik gespeichert. Diese Elektronik ist unmittelbar hinter der Membrandruckmesszelle angebracht und auf einer Leiterplatte angeordnet. Auf dieser Leiterplatte befindet sich ein Mikrochip, der die gesamte Signalbearbeitung inklusive Kapazitätsmessung ausführt. Ausserdem ist ein Referenzkondensator (Cref) darauf angeordnet und verbunden mit dem Mikrochip für die Kapazitätsmessung, sowie ein Referenzwiderstand (Rref) angeordnet und verbunden mit dem Mikrochip für die Temperaturmessung. Ein separater Temperatursensor kann vorgesehen werden zur Messung der Temperatur an der Membrandruckmesszelle. Dieser wird dann derart angeordnet, dass er die Membrandruckmesszelle thermisch kontaktiert. Es ist allerdings besonders vorteilhaft, wenn ohne diesen Temperatursensor gearbeitet wird und der Mikrochip, neben all seinen anderen Funktionen, selber als Temperatursensor verwendet wird und dann im Kontakt mit der Membrandruckmesszelle positioniert wird. Dies ermöglicht eine besonders präzise Temperaturerfassung.

[0016] Die Membran und der erste Gehäusekörper können ganz oder teilweise aus einem elektrisch leitenden Material wie einem Metall hergestellt werden. Es ist allerdings deutlich bevorzugt, diese mindestens zum Teil, vorzugsweise vollständig, aus einem dielektrischen Material zu fertigen. Dazu ist besonders die Verwendung von Aluminiumoxid geeignet. In diesem Fall werden die Elektroden als elektrisch leitende Schicht auf die Oberfläche der Membran und die Oberfläche des gegenüberliegenden ersten Gehäusekörpers aufgebracht. Es ist hierbei auch vorteilhaft, wenn der zweite Gehäusekörper ebenfalls aus dem gleichen Material gefertigt ist wie der erste Gehäusekörper und diese plattenförmig ausgebildet sind, beispielsweise scheibenförmig. Auch sollte die Membrandruckmesszelle möglichst symmetrisch aufgebaut werden.

[0017] Mit einem derartigen Verfahren zur Vakuumdruckmessung können nun wesentlich schnellere Messzeiten bzw. Zykluszeiten erzielt werden, die unter 8 ms liegen, bevorzugt unter 1 ms und sogar bis zu 500 µs reichen können. Der zu messbare Kapazitätsbereich wird wesentlich erweitert und liegt nun im Bereich von 0.1 pF bis 50 pF oder sogar bei 0.1 pF bis 1000 pF (1 nF) oder gar darüber. Die Verbesserung der Temperaturkompensation und Linearisierung kann verbessert werden derart, dass Fehler unter 0.1% F.S. (full scale) auch über einen grossen Temperaturbereich, wie –40 °C bis 450 °C ermöglicht werden. Die Anforderungen an die verwendete Messzellenanordnung werden bei der praktischen Anwendung bzw. bei der Handhabung in Bezug auf Druck und Temperatur hiermit auch wesentlich vereinfacht.

[0018] Eine schnelle Erfassung des Vakuumdruckes ist bei vielen Druckmessanwendungen sehr vorteilhaft und ermöglicht präzisere Verfahrensführungen.

[0019] Beispielsweise kann die Messzellenanordnung mit Vorteil als Referenzmessanordnung verwendet werden zur Kalibrierung von Vakuummesszellen, insbesondere nach dem Verfahren durch statische Expansion. Hierbei ist es wichtig, dass die Messung für die zu vergleichenden Druckwerte für den Kalibrierungsvorgang möglichst zeitgleich vorgenommen werden können, wodurch eine höhere Eichgenauigkeit erzielbar wird.

[0020] Ein besonders wichtiger Einsatzbereich ist die Druckmessung in Vakuumprozesssystemen. Dort werden Druckmesszellen zur Prozessüberwachung aber auch in Druckregelsystemen eingesetzt. Bei Druckregelsystemen ist die schnelle Druckerfassung des Prozessdruckes sehr wichtig, um präzise Ergebnisse im Prozess zu erreichen. Typische Prozesse sind hierbei Beschichtungsprozesse, Ätzprozesse, thermische Vakuumbehandlungen etc. Hierbei muss einerseits der Totaldruck des Vakuums erfasst werden und es werden zusätzlich oft geeignete Prozessgase eingesetzt bzw. zugeführt, die entsprechend in der Prozessführung Verwendung finden. Neben Inertgasen wie beispielsweise Argon werden in derartigen Prozessen oft auch Reaktivgase verwendet, die im Prozess umgesetzt werden. Dies insbesondere in Plasmaprozessen, aber auch in CVD-Prozessen (Chemical Vapor Deposition) und anderen. Hierbei werden die beteiligten Reaktivgase gewissermassen verzehrt und gar im Endprodukt, beispielsweise einer Beschichtung, eingebaut. Mit einer schnellen Erfassung des Gasdruckes der beteiligten Gase mit der Druckmesszelle, gemäss vorliegender Erfindung, können nun Gasregelsysteme für Vakuumprozesse realisiert werden, die es ermöglichen, wesentlich präzisere Ergebnisse zu erreichen, wie beispielsweise eine präzisere Zusammensetzung von abgeschiedenen Schichten, oder präzisere Ätzstrukturen. Dabei kann beispielsweise auch die Verschwendung von Gas reduziert werden und es können Kosten eingespart werden. Besonders wichtig ist diese Anwendung für die Halbleiterindustrie.

[0021] Die Erfindung wird nun anhand von Figuren schematisch und beispielsweise beschrieben.

[0022] Es zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>schematisch und im Querschnitt eine Messzellenanordnung mit einer kapazitiven Membrandruckmesszelle und mit einer elektronische Schaltungsanordnung zur Signalaufbereitung gemäss der Erfindung, <tb>Fig. 2a<SEP>schematisch und im Querschnitt die kapazitive Membrandruckmesszelle im Detail mit der Anordnung der Leiterplatte mit den daran angeordneten wichtigen elektronischen Bauelementen, wobei ein externer Temperatursensor daran angeordnet ist, der die Membrandruckmesszeile thermisch kontaktiert, <tb>Fig. 2b<SEP>schematisch und im Querschnitt die kapazitive Membrandruckmesszelle im Detail entsprechend der Fig. 2a , wobei der Mikrochip als Temperatursensor derart auf der Leiterplatte angeordnet ist, dass dieser die Membrandruckmesszelle thermisch kontaktiert und wobei der Referenzkondensator auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist, <tb>Fig. 2c<SEP>schematisch und im Querschnitt die kapazitive Membrandruckmesszelle im Detail entsprechend der Fig. 2a , wobei der Mikrochip als Temperatursensor derart auf der Leiterplatte angeordnet ist, dass dieser die Membrandruckmesszelle thermisch kontaktiert und wobei der Referenzkondensator auf der Oberseite der Leiterplatte angeordnet ist, <tb>Fig. 3<SEP>schematisch ein Schema für die Beschaltung von zwei Messzellenanordnungen zur Signalaufbereitung mit beispielsweise synchronisiertem Betrieb, <tb>Fig. 4<SEP>schematisch ein Schema für den Betrieb von zwei Messzellenanordnungen mit Signalaufbereitung entsprechend der Fig. 3 in der Anwendung bei der Druckbestimmung bzw. Kalibration nach dem Verfahren durch statische Expansion.

[0023] Der grundsätzliche Aufbau einer Messzellenanordnung 100, gemäss der vorliegenden Erfindung, zur schnellen Vakuumdruckmessung, die eine hohe Messgeschwindigkeit ermöglicht, ist schematisch in der Fig. 1 dargestellt.

[0024] Die Messzellenanordnung 100 enthält eine kapazitive Membrandruckmesszelle 20 mit allen notwendigen elektronischen Komponenten 12, 14 zur Aufbereitung des Drucksignales der Messzellenanordnung 100, welche gegenüber dieser in einer speziellen Konfiguration angeordnet ist und somit ermöglicht, an einer Schnittstelle 16 ein präzises, korrigiertes Drucksignal mit hoher Messgeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen. Diese Messzellenanordnung 100 ist in einem Gehäuse untergebracht und bildet eine Komponente, die in bekannter Weise an Vakuumleitungen und Vakuumkammern angebracht werden kann zur Messung von Vakuumdruck bzw. Gasdruck in Vakuumprozessen. Das aufbereitete Drucksignal, das nun hochpräzis dem tatsächlichen zu messenden Druck entspricht, wird an der Schnittstelle 16, beispielsweise über eine Steckerverbindung, die als Interface l/F ausgebildet ist, abgenommen. Dieses Signal kann dann beispielsweise einer Signalaufbereitungseinheit 200 zugeführt werden, die das Signal in eine weitere gewünschte verarbeitbare Form bringt abhängig der weiter zu bearbeitenden Prozesse, wie dies beispielsweise in der Fig. 3 dargestellt ist. Dieses weiter aufbereitete Signal kann schlussendlich einem übergeordneten Computersystem zur Datenverarbeitung 300 zugeführt werden.

[0025] Die Signalaufbereitungseinheit 200 ermöglicht bei asynchronem Betrieb, d.h. die Messzelleneinheiten liefern die Daten zu ihrer eigenen Zeit und Geschwindigkeit, die Aufbereitung der Daten so, dass sie einen gemeinsamen Zeitstempel, der von der Real Time Clock generiert wird, haben. Die in paralleler Weise eintreffenden Daten werden durch die Signalaufbereitungseinheit in ein geeignetes Datenfileformat gebracht, um sie dann in sequentieller Weise an das Datenverarbeitungssystem 300 zu übergeben, wo die Daten gespeichert und ausgewertet werden können. Bei synchronem Betrieb werden die Messzellenanordnungen von der Signalaufbereitungseinheit 200 getriggert, damit die Datenerfassung zeitgleich stattfinden kann. Die Signalaufbereitungseinheit sorgt im Weiteren für den geeigneten Datentransfer an den Computer, wo die Daten gespeichert werden können und auch analysiert oder ausgewertet werden können.

[0026] Es ist wichtig, dass die elektronischen Komponenten 12, 14, der Messzellenanordnung 100 möglichst nahe neben der Membrandruckmesszelle 20 angeordnet sind, vorzugsweise direkt dahinter, also gegenüber der Messöffnung 27. Die kurzen Verbindungswege ermöglichen geringe parasitäre Kapazitäten der Zuleitungen zur Elektronik und eine thermische Kopplung mit dem Gehäuse 1, 4 der Membrandruckmesszelle 20. Dadurch ist es möglich, die sehr kleinen Kapazitäten Cx und Kapazitätsänderungen der kapazitiven Membrandruckmesszelle 20, bei der hohen zu messenden Auflösung, erst präzise erfassen und auswerten zu können, wobei die thermische Kopplung das Temperaturverhalten der Anordnung erfassen lässt für weitere Korrekturmassnahmen, aber auch den Temperaturgleichlauf der beteiligten Komponenten in sich und mit der Messzeile gewährleistet.

[0027] Zumindest alle aktiven Komponenten werden hierzu auf einer einzigen kleinen Leiterplatte 10 angeordnet, welche unmittelbar neben oder vorzugsweise hinter der Membrandruckmesszelle angeordnet ist. Die Leiterplatte weist Anschlüsse 6, 6 ́ auf, welche die Kondensatorelektroden 7, 7 ́ der Membrandruckmesszelle 20 mit einem Mikrochip 12 auf der Leiterplatte 10 verbinden. An der Leiterplatte 10 kann ein Temperatursensor 14 vorgesehen werden zur Erfassung der Temperatur der Membrandruckmesszelle 20. Besonders geeignet für derartige Temperatursensoren 14 sind Platinwiderstände, wie beispielsweise der Art Pt1000 oder Pt100. In diesem Fall ist der Temperatursensor 14 mit der Leiterplatte 10 derart angeordnet, dass dieser die Membrandruckmesszelle 20 berührt und eine Wärmeübergangszone 13 gebildet wird für einen guten Wärmeübergang. In diesem Bereich der Wärmeübergangszone können auch zusätzliche Wärmeleitmittel, wie Wärmeleitpasten, Silikonpads etc. angeordnet werden. Anstelle des externen Temperatursensors 14 wird hingegen bevorzugt der Mikrochip 12 selbst zur Temperaturerfassung verwendet, wobei dann der Mikrochip 12 selber direkt im Kontakt mit der Membrandruckmesszelle 20 angeordnet wird zur Temperaturmessung. In diesem Fall wird der externe Temperatursensor 14 mit den Verbindungsleitungen auf der Leiterplatte 10 nicht benötigt, da Temperatur-empfindliche Komponenten innerhalb des Mikrochips 12 diese Aufgabe übernehmen durch entsprechende Programmierung der im Mikrochip abgelegten Software. Dadurch kann die Präzision der Temperaturmessung und somit des korrigierten Drucksignales weiter erhöht werden. Ausserdem wird die Anordnung weiter vereinfacht.

[0028] Der Mikrochip 12 enthält einen CDC (Capacitance-to-Digital-Converter), der die druckabhängige Kapazität Cxder Membrandruckmesszelle 20, nach dem Entladungs-Zeitmessverfahren, misst und präzise in ein digitales Signal konvertiert zur Weiterverarbeitung innerhalb des Mikrochips 12. Weiter enthält der Mikrochip 12 einen TDC (Temperature-to-Digital-Converter), der die gemessene Temperatur Txan der Membrandruckmesszelle 20 präzise in ein digitales Signal konvertiert zur Weiterverarbeitung innerhalb des Mikrochips 12, wobei die Temperaturerfassung über einen externen Temperatursensor 14 oder vorzugsweise über den Mikrochip 12 selbst, der dann als Temperatursensor dient, erfolgt. Auf dem Mikrochip ist auch ein DSP (Digitaler Signal-Prozessor) und ein Memory als Datenspeicher enthalten. Der DSP verarbeitet die gemessenen Temperatursignale und die Kapazitätssignale nach vorgegebenem Programm, wodurch diese Signale entsprechend den zuvor ermittelten Kalibrierdaten und mit zusätzlichen Korrekturalgorithmen zu einem präzisen Drucksignal aufgearbeitet werden. Es findet neben der Korrektur der Prinzip-eigenen Anpassung der Kapazitätsmessung eine überlagerte Korrektur statt entsprechend der spezifisch bei einem Kalibriervorgang ermittelten Werte für jede einzelne Membrandruckmesszelle 20, sowohl für Temperatur wie auch für die gemessene druckabhängige Kapazität. Auf dem Memory werden die Software für den Betrieb des DSP und die Kalibrierdaten der Membrandruckmesszelle 20 abgelegt. Über eine Input-Output-Schnittstelle I/O wird nach aussen kommuniziert. Es ist wichtig, dass all diese Elemente auf einem einzelnen Mikrochip 12 integriert angeordnet sind. Zusätzlich sind an der Leiterplatte 12 ein Referenzwiderstand Rrefund ein Referenzkondensator Crefangeordnet, welche mit dem Mikrochip möglichst direkt verbunden sind und dem Mikrochip 12 bei der Bestimmung der Temperaturwerte und der Kapazitätswerte der Membrandruckmesszelle 20 dienen. Diese beiden Bauteile müssen von hoher Qualität sein und sehr genaue Werte aufweisen und können nicht auf dem Mikrochip 12 selbst integriert sein. Diese müssen auch sorgfältig an der Leiterplatte montiert sein, um eine gute Langzeitstabilität gewährleisten zu können, was insbesondere für den Referenzkondensator Crefbesonders wichtig ist. Damit können die gewünschten schnellen Messzyklen erzielt werden, auch unter Berücksichtigung des komplizierten Temperaturverhaltens der Messzellenanordnung 100, insbesondere der kapazitiven Membrandruckmesszelle 20, womit gleichzeitig ein präzises Drucksignal über die weiten zu messenden Druckbereiche ermöglicht wird, welches entsprechend genau mit dem zu messenden Vakuumdruck korreliert.

[0029] In den Fig. 2a bis 2c ist beispielsweise, schematisch und im Querschnitt, eine bevorzugte Membrandruckmesszelle 20 etwas detaillierter dargestellt, wobei unterschiedliche Anordnungen der Leiterplatte mit den elektronischen Komponenten gezeigt werden.

[0030] Eine bevorzugte kapazitive Membrandruckmesszelle 20 ist im Wesentlichen vollständig um die Membran symmetrisch angeordnet aufgebaut. Der erste Gehäusekörper 1 ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet und in einem Abstand von 2 µm bis 50 µm gegenüber der Membran 2 im Randbereich dichtend verbunden angeordnet. Der hierbei gebildete Raum schliesst einen Referenzvakuumraum 25 ein. Der Abstand zwischen den beiden Flächen wird in der Regel direkt beim Montieren über das Dichtungsmaterial 3 oder durch einen stufenförmigen Rand, ausgebildet an einem oder an beiden Körpern, der zwischen dem Membranrand und dem Gehäuserand liegt, eingestellt. Auf die gleiche Art und Weise wird mit einem zweiten Gehäusekörper 4 auf der gegenüberliegenden Membranseite ein Messvakuumraum 26 ausgebildet, welcher über Anschlussmittel 5, 27 durch eine Messöffnung 27 im zweiten Gehäusekörper 4 für die zu messenden Medien erreichbar ist. Die Anschlussmittel können als Stutzen 5 mit einer Verbindungsleitung oder als Rohr, die eine Messzuleitung 27 ́ bilden, ausgebildet werden und sind mit Verbindungsmitteln dichtend mit dem zweiten Gehäusekörper 4 verbunden. Die beiden Gehäusekörper 1, 4 und die Membran 2 bestehen vorzugsweise aus Al2O3. Zur Aufrechterhaltung eines langzeitstabilen Vakuums hoher Qualität im Referenzvakuumraum 25 wird mit Vorteil am ersten Gehäusekörper 1 ein Getterraum 8 angeordnet, der einen Getter 8 ́ enthält und mit dem Referenzvakuumraum 25 in Verbindung steht.

[0031] Bei einer typischen Membrandruckmesszelle 20 als Beispiel mit einem Aussendurchmesser von 33 mm mit einem freien Membran-Innendurchmesser von 30 mm beträgt der Abstand 3 etwa 2 bis 50 µm, vorzugsweise 8 bis 37 µm. Hierbei ist beispielsweise der erste Gehäusekörper 1 5 mm dick und der zweite Gehäusekörper 4 5 mm dick. Der zweite Gehäusekörper 4 wird vorzugsweise im Innenbereich an der Peripherie mit einer ca. 0,5 mm tiefen Ausnehmung versehen zur Bildung einer Stufe, um den Messvakuumraum 26 zu vergrössern. Die Membran 2 und das Gehäuse 1 sind referenzvakuumraumseitig, zur Bildung einer kapazitiven Membrandruckmesszelle 20, mit je einer elektrisch leitenden Schicht 7, 7 ́ beschichtet. Die beiden Schichten stehen miteinander elektrisch nicht in Verbindung und bilden dadurch die Kondensatorelektroden 7, 7 ́ der Kondensatoranordnung mit der Kapazität Cx. Die elektrischen Anschlüsse der leitenden Schichten 7, 7 ́ erfolgen vorzugsweise mit vakuumdichten, elektrisch leitenden Durchführungen, vorzugsweise durch den Gehäusekörper 1, wo sie dann mit der Auswertelektronik, insbesondere dem Mikrochip 12 auf der Leiterplatte 10, verbunden werden können.

[0032] In der Fig. 2a ist beispielsweise eine Messzellenanordnung 100 dargestellt, bei der ein externer Temperatursensor 14 als einzelnes Bauteil verwendet wird zur Temperaturerfassung an der Membrandruckmesszelle 20. Hierbei ist der Temperatursensor 14 auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnet und steht im Kontakt mit der Membrandruckmesszeile 20. Im Kontaktbereich befindet sich die Wärmeübergangszone 13, wo der direkte Wärmeübergang stattfindet. Es ist von Vorteil, wenn der Temperatursensor 14 nahe zum Mikrochip 12 positioniert ist, vorzugsweise gegenüberliegend. Hier ist der Temperatursensor 14 beispielsweise unterhalb der Leiterplatte 10 positioniert und der Mikrochip 12 darüber.

[0033] Zusätzlich ist in der Fig. 2a dargestellt, wie der Referenzkondensator Crefmöglichst nahe beim Mikrochip 12 angeordnet ist. Um den Kapazitätswert dieses Referenzkondensators Crefmöglichst stabil und reproduzierbar halten zu können, auch über lange Betriebszeit, wird mit Vorteil unter diesem Bauteil, zwischen den beiden Anschlüssen, eine Öffnung 15 an der Leiterplatte 12 vorgesehen. Dadurch können dort Ablagerungen und allfällige Feuchtigkeitsschwankungen verringert werden, die einen ungünstigen Einfluss auf das hochempfindliche Bauelement ausüben können. Diese Montageanordnung ist in den Fig. 2a bis 2c dargestellt, wobei der Referenzkondensator Crefsowohl auf der Oberseite der Leiterplatte 12, wie in der Fig. 2a und 2c dargestellt, aber auch auf der Unterseite gemäss der Fig. 2b angeordnet werden kann.

[0034] Eine weitere Anordnung, wo der Mikrochip 12 gleichzeitig selber als Temperatursensor wirkt, ist in der Fig. 2b und 2c dargestellt, in diesem Fall wird der Mikrochip 12 auf der Unterseite der Leiterplatte 10 angeordnet und steht direkt in thermischem Kontakt mit der Membrandruckmesszelle 20. Wie bereits erwähnt ist dies eine bevorzugte Anwendung, da diese besonders gute Resultate liefert.

[0035] Ein Beispiel eines besonders bevorzugten Verfahrens für eine präzise und schnelle Vakuumdruckmessung beinhaltet eine Messzellenanordnung 100, enthaltend eine kapazitive Membrandruckmesszelle 20 zur Messung von Vakuum mit einer Membran 2 als Druckwandler, wobei auf der einen Seite der Membran 2 beabstandet ein erster Gehäusekörper 1 im Randbereich mit einem Verbindungsmittel 3 ́ dichtend angeordnet ist, derart, dass dazwischen ein Referenzvakuumraum 25 ausgebildet ist, und dass auf der anderen Seite der Membran 2 beabstandet ein zweiter Gehäusekörper 4 im Randbereich mit einem Verbindungsmittel 3 dichtend angeordnet ist, derart, dass dazwischen ein Messvakuumraum 26 ausgebildet ist, und dass der zweite Gehäusekörper 4 eine Öffnung 27 aufweist, an der Anschlussmittel 5 mit Verbindungsmittel 27 ́ dichtend angeordnet sind zur kommunizierenden Verbindung des Messvakuumraumes 26 mit dem zu messenden Medium, wobei innerhalb des Referenzvakuumraumes 25 zumindest ein Teil mindestens der Oberfläche der Membran 2 und gegenüberliegend zumindest ein Teil mindestens der Oberfläche des ersten Gehäusekörpers 1 je elektrisch leitend ausgebildet wird und Kondensatorelektroden 7, 7 ́ bilden zur Ausbildung einer elektrischen Kapazität (Cx), und dass die Messzellenanordnung 100 eine Leiterplatte 10 aufweist, die mit elektronischen Komponenten 12, 14, Rref, Crefbestückt ist und mindestens eine davon als Temperatursensor wirkt, wobei die Leiterplatte 10 mit den Kondensatorelektroden 7, 7 ́ der Membrandruckmesszelle 20 elektrisch verbunden ist. Hierbei wird die Leiterplatte 10 derart gegenüber der Membrandruckmesszelle 20 positioniert angeordnet, dass diejenige Komponente, die als Temperatursensor wirkt, den ersten Gehäusekörper über eine Wärmeübergangszone 13 thermisch kontaktiert und dass eine weitere elektronische Komponente als Mikrochip 12 ausgebildet ist und dieser einen Digitalen Signal-Prozessor (DSP) enthält mit einem Temperatur-zu-Digital-Converter (TDC) und einem Kapazitäts-zu-Digital-Converter (CDC), der nach dem Zeitmessverfahren arbeitet, welche die Temperatur Txund die Kapazität Cxder Membrandruckmesszeile 20 ermitteln im Vergleich mit einem an der Leiterplatte angeordneten Referenzwiderstand Rreffür die Temperatur und einem Referenzkondensator Creffür die Kapazität Cx, welche das Mass bildet für den zu messenden Druck abhängig von der Deformation der Membran 2, wobei aus beiden gemessenen Signalen mit Korrelationsmitteln, welche vorgängig aus einem Kalibriervorgang ermittelt wurden, ein Temperatur-korrigiertes Drucksignal abgeleitet wird, welches als Drucksignal p = f(Cx,Teff) am Signalausgang 16 ausgegeben wird zur weiteren Verarbeitung.

[0036] Für die Auswertung der für jede Membrandruckmesszelle 20 durch die Kalibrierung ermittelten Werte können folgende Kombinationen verwendet werden: Die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur und für das Drucksignal können als Tabelle in einem Speicher (Memory) innerhalb des Mikrochips 12 abgespeichert werden. Die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur und das Drucksignal können auch als mathematische Funktion Teff= f(Tx) und Peff= f(Cx) in einem Speicher (Memory) innerhalb des Mikrochips 12 abgespeichert werden.

[0037] Die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur können auch als Tabelle in einem Speicher (Memory) innerhalb des Mikrochips 12 abgespeichert werden und die durch Kalibrierung ermittelten Werte für das Drucksignal als mathematische Funktion Peff= f(Cx) in einem Speicher (Memory) innerhalb des Mikrochips 12 abgespeichert werden.

[0038] Die durch Kalibrierung ermittelten Werte für das Drucksignal können als Tabelle in einem Speiche (Memory) innerhalb des Mikrochips 12 abgespeichert werden und die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur können als mathematische Funktion Teff= f(Tx) in einem Speicher (Memory) innerhalb des Mikrochips 12 abgespeichert werden. Das Drucksignal, aus der, mit dem Kapazitäts-zu-Digital-Converter (CDC), gemessenen Kapazität Cxder Membrandruckmesszelle 20, und dem, mit dem Temperatur-zu-Digital-Converter (TDC), gemessenen Temperaturwert Txwird mit den Korrelationsmitteln innerhalb desselben Mikrochips 12 mit einem Digitalen Signal-Prozessor (DSP) verknüpft und als Druckwert am Signalausgang 16 ausgegeben. Für jede Membrandruckmesszelle 20 werden die Kalibrierwerte separat ermittelt für die Korrektur der gemessenen Temperaturwerte und für die Bestimmung des Drucksignals und werden in den Speicher (Memory) des Mikrochips 12 eingelesen. Der Messzyklus im Mikrochip 12 wird auf kleiner 8 ms eingestellt, vorzugsweise kleiner 1 ms.

[0039] Die Signalqualität der gemessenen Drucksignale an der Kapazität Cxder kapazitiven Membrandruckzelle 20 und/oder des Temperatursignales Txkönnen mit Vorteil weiter verbessert werden, indem diese Signale mit einem zusätzlichen Algorithmus bearbeitet werden. Besonders vorteilhaft wird hierbei das Signalrauschen behandelt. Um das Signalrauschen zu verkleinern, werden beispielsweise innerhalb eines Messzyklus mehrere Einzelmessungen durchgeführt und daraus der Mittelwert bestimmt. Der Mittelwert wird vom DSP berechnet. Es können auch andere Verfahren zur Rauschreduzierung als Mittelung verwendet werden. Aus diesem Mittelwert berechnet der DSP mittels einer geeigneten Rechenvorschrift den effektiven Druckmesswert. Diese Rechenvorschrift beschreibt den Zusammenhang zwischen dem gemessenen Kapazitätswert Cxund dem entsprechenden Druckwert. Dieser Zusammenhang ist, wie bereits zuvor erwähnt, auch temperaturabhängig. Für eine möglichst genaue Druckmessung muss also auch die Sensor-Temperatur gemessen und zur Korrektur des gemessenen Drucksignales berücksichtigt werden.

[0040] Die Temperaturmessung geschieht beispielsweise über einen geeigneten temperaturempfindlichen Sensor wie z.B. einen Pt1000-Widerstand oder einen anderen elektrischen Widerstand. Besonders bevorzugt wird hierbei die Verwendung der internen Komponenten des Mikrochips 12 selbst als Temperatursensor. Das gemessene Temperatursignal vom Temperatursensor 14 oder vom Mikrochip 12 wird von einem Temperature-to-digital-Converter (TDC) in ein digitales Signal gewandelt. Die Temperatur wird vorzugsweise in demselben Messzyklus gemessen wie die Kapazität. Da sich die Temperatur im Vergleich zum Druck weniger schnell ändert, kann das Temperatursignal aufwändiger behandelt werden, wie beispielsweise und bevorzugt stark gefiltert. Ein solcher Filter ist beispielsweise von der Form:

[0041] R_gefiltert (n + 1) = k * (R_gefiltert(n) + (1 – k) * Rx.

[0042] Mit k = 0.99 kann das Signalrauschen auf beispielsweise kleiner 10 ppm (entspricht 0.001 °C) reduziert werden, während die Ansprechzeit sogar unterhalb von 1 s bleibt bei einer Messzeit von 1 ms. Es kann auch ein anderer günstiger Filter verwendet werden. Die Filterung wird vom DSP nach vorgegebenem Algorithmus ausgeführt. Aus dieser gefilterten Temperatur berechnet der DSP mittels einer Rechenvorschrift die effektive Temperatur.

[0043] Bei Verwendung eines Pt1000-Temperatursensors lautet der Zusammenhang beispielsweise wie folgt: (1) T_berechnet [°C] = a3* R<3>+ a2* R<2>+ a1* R + a0mit T_berechnet die aus den Messwerten berechnete Temperatur, R der gemessene und gefilterte Widerstand und den Koeffizienten: a3= 0.719405 a2= 7.542922 a1= 238.618231 a0= –246.878394

[0044] Zur Messung der Rohdaten (1. Schritt der Kalibration) werden die obigen Parameter verwendet, d.h. bei mindestens drei verschiedenen Temperaturen T_tatsächlich (z.B. 15 °C, 30 °C und 45 °C) wird T_ berechnet bestimmt. Mittels einer geeigneten mathematischen Fit-Methode (Ausgleichungsrechnung), wie beispielsweise einem Least Square Fit, wird aus den berechneten Temperaturwerten (T_berechnet [°C] und tatsächliche Temperatur) eine Korrekturfunktion erster oder auch höherer Ordnung bestimmt. Diese beschreibt den Zusammenhang zwischen der tatsächlichen und der gemessenen Temperatur. Bei Verwendung von drei verschiedenen Kalibriertemperaturen ergibt sich eine Korrekturfunktion in der Form:

[0045] (2) T_tatsächlich = k1* T_berechnet + k0mit T_tatsächlich: gesuchte Temperatur [°C] k1: Resultat von Least Square Fit 1, Ordnung k0: Resultat von Least Square Fit 1. Ordnung k1entspricht dem «Gain» resp. Verstärkungs-Fehler der Messanordnung k0entspricht dem «Offset» resp. Versatz-Fehler der Messanordnung

[0046] (1) in (2) eingesetzt ergibt: T_tatsächlich = b3* R<3>+ b2* R<2>+ b1* R + b0mit b3= a3* k1 b2= a2* k1 b1= a1* k1 b0= a0* k1+ k0

[0047] Im letzten Schritt werden die Werte a3…a0durch die Werte b3…b0ersetzt und auf dem Sensor gespeichert.

[0048] Auf ähnliche Weise können Signalfilteralgorithmen auch für die Verbesserung der Signalqualität des Druckmesssignales eingesetzt werden. Das gemessene Drucksignal und/oder Temperatursignal wird mit mindestens einem weiteren Algorithmus innerhalb des Mikrochips 12 mit dem Digitalen Signal-Prozessor (DSP) bearbeitet zur Erhöhung der gemessenen Signalqualität und mit dem Drucksignal korreliert zur Erhöhung der Drucksignalqualität, die am Signalausgang 16 ausgegeben wird, wobei vorzugsweise mindestens einer der Algorithmen als Signalfilteralgorithmus ausgebildet ist. Die gefilterten Temperatursignale werden also mit dem gefilterten Druckmesssignal korreliert bzw. korrigiert, womit neben der Kalibrierung, die zusätzlich erfolgt, das Drucksignal am Ausgang 16 der Messzellenanordnung 100 eine weiter erhöhte Qualität aufweist bezüglich Präzision. Derartige Algorithmen können dank dem erfindungsgemässen Verfahren zusätzlich eingeführt werden, da die Anordnung der Komponenten in der Messzellenanordnung 100 zusammen mit dem definierten Aufbau des Mikrochips 12, gemäss der Erfindung, eine raschere Signalaufbereitung ermöglicht.

[0049] Ein Algorithmus für die Reduzierung des Signalrauschens ist besonders vorteilhaft, wie er beispielsweise zuvor beschrieben wurde. Signalrauschreduzierung bewirkt eine stabilere Signalausgabe, da die Daten z.B. gemittelt oder eben gefiltert werden. Sie ermöglicht, auch noch bei kleinem Signal zu Rauschabstand oder sogar noch bei S/N < 1 brauchbare Messwerte zu erhalten und damit den Messbereich zu erweitern. Es kann nicht nur das Temperatursignal, sondern mit Vorteil auch die Kapazitäts-Drucksignale gefiltert werden. Eine raschere Signalaufbereitung, wie sie die Messzellenanordnung 100 zusammen mit dem definierten Aufbau des Mikrochips 12 erlaubt, ermöglicht nun auch eine aufwändigere Filterung und damit einhergehend auch eine Ausweitung des Messbereichs oder eine bessere Datenqualität, sogar in industriellen Umgebungen, wo es mehr unerwünschte Störeinflüsse auf die Sensoren gibt.

[0050] In der Fig. 3 ist schematisch die Beschaltung von zwei Messzellenanordnungen 100 zur Signalaufbereitung mit beispielsweise möglichst zeitgleichem, synchronisiertem Betrieb der Erfassung der Druckmessung durch schnelle Erfassung der echten Druckverhältnisse im Vakuumprozess dargestellt. Die Messzellenanordnung 100 wird hierbei als Referenzmessanordnung verwendet zur Kalibrierung von Vakuummesszellen, insbesondere nach dem Verfahren durch statische Expansion. Die Drucksignale der beiden Messzellenanordnungen 100 werden von deren Signalausgängen 16, 16 ́ der Signalaufbereitungseinheit 200 zugeführt. Diese übernimmt die Drucksignale über die vorhandenen Interface 17, 17 ́ und werden mit einem FPGA (Field Programmable Array), das durch einen Real Time Clock getaktet wird und einem folgenden Processor verarbeitet und über das Interface 18 weitergegeben. Daran angeschlossen kann eine Einheit zur Datenverarbeitung 300 mit einem Interface 19 und einem Computer die weitere Auswertung der Daten (Data) vornehmen.

[0051] Die erfindungsgemässe Messzellenanordnung 100 ist gut geeignet für die Kalibrierung von anderen Vakuumdruckmesszellen, wegen der hohen Präzision der Messung, die erreicht werden kann und dies bei hoher Geschwindigkeit des Messvorganges. Besonders geeignet ist hierbei der Einsatz beim Kalibrierungsverfahren von Messzellen nach dem Verfahren durch statische Expansion. Bei dem Kalibrierungsverfahren von Messzellen nach dem Verfahren durch statische Expansion werden beispielsweise, entsprechend der Darstellung nach der Fig. 4 , zwei Vakuumkammern 30, 31 verwendet, wobei die zweite Vakuumkammer 31 mit einer Vakuumpumpe 32 evakuiert wird. Diese Vakuumkammern 30, 31 sind über eine zweite Leitung 37, mit einer dazwischen geschalteten Blende 34 und einem zweiten Ventil 36, miteinander verbunden. Die erste Vakuumkammer 30 ist über eine erste Leitung 33 mit einem ersten Ventil 35 mit der Gaszuführung bzw. Atmosphäre verbunden. An jeder der Vakuumkammern 30, 31 ist je eine Messzellenanordnung 20, 20 ́ als Referenzmessanordnung angeordnet, wobei diese vorzugsweise mit einer Signalaufbereitungseinheit 200 zeitsynchronisiert bzw. möglichst zeitsynchron wegen der nun möglichen schnellen Messzyklen betrieben werden können. Die zu prüfenden Messzellen können als Messzellenprüflinge 40, 41 je mit an den Vakuumkammern 30, 31 angeordnet werden.

[0052] Eine weitere besonders vorteilhafte Anwendung ist die Verwendung der erfindungsgemässen Messzellenanordnung 100 in einem Gasdruckregelsystem zur präzisen Regelung und Einstellung des Gasdruckes in einem Vakuumprozesssystem. Dies ermöglicht dank der schnellen und präzisen Messung eine sehr präzise Prozessführung der Vakuumprozesse.

Claims (20)

1. Messzellenanordnung (100) enthaltend mindestens eine kapazitive Membrandruckmesszelle (20) zur Messung von Vakuum mit einer Membran (2) als Druckwandler, wobei auf der einen Seite der Membran (2) beabstandet ein erster Gehäusekörper (1) im Randbereich mit einem Verbindungsmittel (3 ́) dichtend angeordnet ist, derart, dass dazwischen ein Referenzvakuumraum (25) ausgebildet ist, und dass auf der anderen Seite der Membran (2) beabstandet ein zweiter Gehäusekörper (4) im Randbereich mit einem Verbindungsmittel (3) dichtend angeordnet ist, derart, dass dazwischen ein Messvakuumraum (26) ausgebildet ist, und dass der zweite Gehäusekörper (4) eine Öffnung (27) aufweist, an der Anschlussmittel (5) mit Verbindungsmittel dichtend angeordnet sind zur kommunizierenden Verbindung des Messvakuumraumes (26) mit dem zu messenden Medium, wobei innerhalb des Referenzvakuumraumes (25) zumindest Teilbereiche der Oberfläche der Membran (2) und gegenüberliegend zumindest Teilbereiche der Oberfläche des ersten Gehäusekörpers (1) je elektrisch leitend ausgebildet sind und Kondensatorelektroden (7, 7 ́) bilden zur Ausbildung einer elektrischen Kapazität (Cx) und dass die Messzellenanordnung (100) eine Leiterplatte (10) aufweist, die mit elektronischen Komponenten (12,14, Rref, Cref) bestückt ist und mindestens eine davon als Temperatursensor wirkt, wobei die Leiterplatte (10) mit den Kondensatorelektroden (7, 7 ́) der Membrandruckmesszelle (20) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (10) derart gegenüber der Membrandruckmesszelle (20) positioniert angeordnet ist, dass diejenige Komponente, die als Temperatursensor wirkt, den ersten Gehäusekörper über eine Wärmeübergangszone (13) thermisch kontaktiert und dass eine weitere elektronische Komponente als Mikrochip (12) ausgebildet ist und dieser einen Digitalen Signal-Prozessor (DSP) enthält mit einem Temperatur-zu-Digital-Converter (TDC) und einem Kapazitäts-zu-Digital-Converter (CDC), der nach dem Zeitmessverfahren arbeitet, welche dazu ausgebildet sind, die Temperatur (Tx) und die Kapazität (Cx) der Membrandruckmesszelle (20) zu ermitteln im Vergleich mit einem an der Leiterplatte angeordnetem Referenzwiderstand (Rref) für die Temperatur und einem Referenzkondensator (Cref) für die Kapazität (Cx), welche das Mass bildet für den zu messenden Druck abhängig von der Deformation der Membran (2), wobei aus beiden gemessenen Signalen mit Korrelationsmitteln, welche vorgängig aus einem Kalibriervorgang ermittelbar sind, ein Temperatur-korrigiertes Drucksignal ableitbar ist, welches als Drucksignal p = f(Cx,Teff) am Signalausgang (16) ausgebbar ist zur weiteren Verarbeitung.

2. Messzellenanordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksignal, aus der, mit dem Kapazitäts-zu-Digital-Converter (CDC), gemessenen Kapazität (Cx) der Membrandruckmesszelle (20), und dem, mit dem Temperatur-zu-Digital-Converter (TDC), gemessenen Temperaturwert (Tx) mit den Korrelationsmitteln innerhalb desselben Mikrochips (12) mittels eines Digitalen Signal-Prozessors (DSP) verknüpfbar ist und als Druckwert am Signalausgang (16) ausgebbar ist.

3. Messzellenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Membrandruckmesszelle (20) die Kalibrierwerte separat ermittelbar sind für die Korrektur der gemessenen Temperaturwerte und für die Bestimmung des Drucksignals und in den Speicher (Memory) des Mikrochips (12) einlesbar sind.

4. Verfahren zur Vakuumdruckmessung mit einer Messzellenanordnung (100) nach Anspruch 1, – wobei aus einem Kalibriervorgang Korrelationsmittel ermittelt werden, – wobei die Temperatur (Tx) und die Kapazität (Cx) der Membrandruckmesszelle (20) im Vergleich mit einem an der Leiterplatte angeordneten Referenzwiderstand (Rref) für die Temperatur und einem Referenzkondensator (Cref) für die Kapazität (Cx), welche das Mass bildet für den zu messenden Druck abhängig von der Deformation der Membran (2), ermittelt werden und – wobei aus beiden gemessenen Signalen mit den Korrelationsmitteln ein Temperatur-korrigiertes Drucksignal abgeleitet wird, welches als Drucksignal p = f(Cx,Teff) am Signalausgang (16) ausgegeben wird zur weiteren Verarbeitung.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur und für das Drucksignal als Tabelle in einem Speicher (Memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur und das Drucksignal als mathematische Funktion Teff= f(Tx) und Peff= f(Cx) in einem Speicher (Memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur als Tabelle in einem Speicher (Memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden und die durch Kalibrierung ermittelten Werte für das Drucksignal als mathematische Funktion Peff= f(Cx) in einem Speicher (Memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Kalibrierung ermittelten Werte für das Drucksignal als Tabelle in einem Speicher (Memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden und die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur als mathemalische Funktion Teff= f(Tx) in einem Speicher (Memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksignal, aus der, mit dem Kapazitäts-zu-Digital-Converter (CDC), gemessenen Kapazität (Cx) der Membrandruckmesszelle (20), und dem, mit dem Temperatur-zu-Digital-Converter (TDC), gemessenen Temperaturwert (Tx) mit den Korrelationsmitteln innerhalb desselben Mikrochips (12) mittels eines Digitalen Signal-Prozessors (DSP) verknüpft wird und als Druckwert am Signalausgang (16) ausgegeben wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Membrandruckmesszelle (20) die Kalibrierwerte separat ermittelt werden für die Korrektur der gemessenen Temperaturwerte und für die Bestimmung des Drucksignals und in den Speicher (Memory) des Mikrochips (12) eingelesen werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Temperatursensor ein Widerstandselement verwendet ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für den Temperatursensor der Mikrochip selbst verwendet ist, der über die Wärmeübergangszone (13) die Membrandruckmesszelle (20) thermisch kontaktiert.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Leiterplatte eine Aussparung vorgesehen ist, über welcher der Referenzkondensator (Cref) montiert ist, derart, dass der Referenzkondensator (Cref) die Leiterplatte nur an deren Anschlussenden kontaktiert.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messzyklus im Mikrochip (12) auf kleiner 8 ms eingestellt wird, vorzugsweise kleiner 1 ms.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der erste Gehäusekörper (1) mindestens zum Teil und/oder die Membran (2) aus einem dielektrischen Material ausgebildet sind und an deren gegenüberliegenden Oberflächen diese mit Kondensatorelektroden (7, 7 ́) versehen sind, die aus einer elektrisch leitenden Schicht ausgebildet sind.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material als eine Aluminiumoxidkeramik ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der erste Gehäusekörper (1), die Membran (2) und der zweite Gehäusekörper (4) aus dieser Keramik ausgebildet sind und vorzugsweise die beiden Gehäusekörper (1, 4) plattenförmig ausgebildet sind.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das gemessene Drucksignal und/oder Temperatursignal mit mindestens einem weiteren Algorithmus innerhalb des Mikrochips (12) mit dem Digitalen Signal-Prozessor (DSP) bearbeitet wird zur Erhöhung der gemessenen Signalqualität und mit dem Drucksignal korreliert wird zur Erhöhung der Drucksignalqualität, die am Signalausgang (16) ausgegeben wird, wobei vorzugsweise mindestens einer der Algorithmen als Signalfilteralgorithmus ausgebildet ist.

18. Verwendung einer Messzellenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Referenzmessanordnung zur Kalibrierung von Vakuummesszellen, vorzugsweise nach dem Verfahren durch statische Expansion.

19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung von Messzellen zwei Vakuumkammern (30, 31) verwendet werden, welche über eine Leitung (37), mit einer dazwischen geschalteten Blende (34) und einem Ventil (36), miteinander verbunden sind, wobei an jeder Vakuumkammer (30, 31) je eine Messzellenanordnung (20) als Referenzmessanordnung verwendet wird, und diese vorzugsweise mit einer Signalaufbereitungseinheit (200) zeitsynchronisiert betrieben werden.

20. Verwendung der Messzellenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einem Gasdruckregelsystem zur Einstellung des Gasdruckes in einem Vakuumprozesssystem.