CN101084433A - 选择性气敏传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种选择性气敏传感器，该选择性气敏传感器用于检测是否存在例如氦气的测试气体，包括由选择性透气膜(22)密封的真空壳体(10)。该膜(22)是观察窗的一部分，其中窗玻璃(20)上设有孔，该孔由硅材料制成的膜(22)密封。膜壁(14)的框架(15)通过高真空的软金属密封件(16)连接于壳体(10)。壳体(10)也构成气压传感器(31)的电极之一。

Description

选择性气敏传感器
技术领域
本发明涉及一种选择性气敏传感器，包括由选择性透气膜密封的真空壳体，还包括带有至少两个电极的气压传感器。
背景技术
EP 0 831 964 B1(Leybold Vakuum GmbH)介绍了一种包括由膜密封的真空壳体的选择性气敏传感器。该膜是由布置在硅片上硅材料制成，所述硅材料例如为石英、石英玻璃、派列克斯耐热玻璃、二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、或碳化硅。该硅片具有窗形凹陷，其中在膜上设置了加热壁。这种膜可以选择性地渗透例如氦气或氢气的轻气体，而对其它气体不可渗透。通过让气体穿透膜，而使初始状态为高度真空的壳体内压力升高。壳体除了膜以外的其它壁都是真空密闭的。
DE 100 31 882 A1(Leybold Vakuum GmbH)公开了一种利用选择性透气膜的原理的用于氦气或氢气的传感器。该传感器壳体用玻璃制成，选择性通道是一种硅材料的膜，其具有带通孔的硅圆盘，和加热器。在该壳体内容纳有Penning装置或磁控管形式的气体压力传感器，其对进入壳体的气体总压力作出响应。因此，采用一种相对简单的气体压力传感器来替代质谱仪。该气体压力传感器具有至少两个布置在壳体内的电极，另外，磁体设置在壳体外且产生穿透该壳体的磁场。该玻璃壳体对冲击敏感且很脆弱。硼硅玻璃的壳体和硅膜具有大约相同的热膨胀系数，从而二者可以通过阳极接合或扩散焊接相连接。因为壳体内为高真空，所以该壳体必须不包括任何可能会引起漏气从而损坏检测范围的密封件或粘结剂。
发明内容
本发明目的是提供一种具有牢固壳体且机械不敏感的选择性气敏传感器。
本发明的气敏传感器在权利要求1中进行了限定。其中壳体由金属制成，并且具有带金属框架的膜壁，窗玻璃结合到金属框架上，该窗玻璃具有由膜密封的孔。
该气敏传感器一般使用经常用于真空技术中的观察窗。该玻璃窗进行了改进，使得它具有通过激光或水喷射技术切割而成孔，其中由石英窗圆片制成的选择性透气膜阳极接合到该玻璃上。支撑该窗玻璃的金属框架能够不用弹性密封件而以适于UHV应用的方式紧固到壳体上，其中UHV表示超高真空。
设在壳体内的气压传感器是包括至少两个电极的冷阴极测量单元，优选是如DE 100 13 882 A1所述的皮宁(Penning)测量单元或磁电管。由于根据本发明的壳体由金属制成，所以适于构成测量单元的电极之一。因此，金属壳体允许省略至少一个电极，否则电极要设置在壳体内。优选地，该壳体由非磁性的材料制成，使得位于壳体外侧的磁结构所产生的磁场可以穿透到壳体内。非磁性不锈钢是一种适合的壳体材料。
本发明的一个优选实施方式设置，至少一个布置在壳体内的电极连接于壳体上的TRIAX套管。由于壳体由导电材料制成，所以需要绝缘电流套管，其优选具有屏蔽装置。
本发明的一个特别优点是，通常任何类型的适于UHV应用的观察窗都可以用作膜壁。该观察窗仅仅必须以如下的方式改进，即该窗玻璃设有孔，在该孔的边缘上结合有硅材料的膜。
附图说明
下面参考附图对本发明的实施例进行详细介绍。在附图中：
图1是具有第一实施方式膜壁的气敏传感器的纵向剖面图，以及
图2是膜壁的另一可选实施方式。
具体实施方式
图1中所示的气敏传感器包括圆柱形壳体10，该壳体在一端具有法兰11，在另一端上形成底部12，在该底部上布置有在下文中说明的电流套管13。壳体10由非磁性不锈钢制成。
壳体的敞开端通过膜壁14密封。该膜壁具有框架或法兰15，该法兰在中间插入铜的软金属密封件16的情况下与壳体10的法兰11相连。该连接通过穿过相应孔17并随后被拧紧的螺钉实现。
框架15也由不锈钢制成。该框架具有中央通孔18，该通孔在远离壳体10的端部通过由硼硅酸盐制成的窗玻璃20密封。该窗玻璃20具有中央孔21，该中央孔由硅材料制成的选择性透气膜22盖住。
为了适应在框架15和窗玻璃20之间的不同的膨胀系数，通道18的壁上衬有KOVAR——一种铁镍合金——的环23。环23的外端具有径向法兰24，该法兰安放在框架15的凹部25处并且盖住凹部的底部。窗玻璃20陷入凹部25内，该窗玻璃的边缘邻接于法兰24。环23同时与框架15和窗玻璃20以热的方法粘结。
在窗玻璃20上通过激光或水喷射切割技术来切出孔21。然后抛光孔周围的外表面，直到它获得光学反射性质。然后，作为具有可透过氦气窗口的硅圆片的膜22——例如EP 0 831 964 B1中所述——通过阳极接合以高真空紧固方式连接到玻璃表面上。为此，窗玻璃20和膜22被加热到200到400摄氏度之间。然后，在框架15和套管23上施加一个DC电压，从而在膜22和窗玻璃20之间交换电荷载体并形成化学键接。因此，在玻璃和膜之间的连接可以完全省略掉弹性材料的密封。窗玻璃20上的孔21的形状与膜22的形状相适应，然而，膜22比孔大，使得膜的边缘可以搁置在窗玻璃20上。
壳体10封闭真空室30，在该真空室内为高真空状态。该壳体是气压传感器的一部分，该传感器提供相应于室30内的气压的电信号。该气压传感器31构成了冷阴极测量系统，即在这种情况下为磁电管。该阴极由壳体10的壁32构成，阳极33与其同轴布置在壳体10内且从电流套管13中伸出。在壳体10周围外侧设置有磁结构34，该磁结构在室30内产生如虚线所示的永久磁场。
在壳体10的底部12上设有用于容纳电流套管13的圆柱形套筒40。后者具有与阳极33同轴布置的屏蔽环41。在阳极33和屏蔽环41之间设有环形的陶瓷壁42。与上述陶瓷壁同轴的另一个陶瓷壁43设置在屏蔽环41和圆柱形套筒40之间。该电流套管指的是TRIAX套管。屏蔽环41连接于外壳电位。该系统能够测量非常小的放电电流而不会向测量外壳泄漏电流。
图1中的装置的测量系统通常对应于DE 100 31 882 A1中介绍的磁电管测量系统，但是壳体壁32构成阴极。或者，可以将测量系统设计成一种Penning测量系统，同样在DE 100 31 882 A1中进行了介绍，其中片状阴极中至少一个由壳体构成。在这种情况下，壳体可以是平行六面体形状。还可以将壳体制成两个相互绝缘的半部分，并将各半部分设计成阴极。
图2示出了膜壁14的一个可选实施方式。钢制护套45位于框架15内，框架15构成了适于设在壳体上的法兰，护套焊接到框架15上。护套45的外端在46处成斜角，从而形成环形点。窗玻璃20热粘结在环形点上。这里，窗玻璃20也具有孔21，该孔通过由硅材料制成的用于选择性可透过氦气的膜22盖住。在这种情况下，不在需要第一实施方式中的用于热适应的环23。
膜22由粘合到窗玻璃20上的多孔硅的基材制成。基材上覆盖有一薄层，该薄层只能选择性透过例如氦气的测试气体。硅膜的热膨胀系数与同样是硅的窗玻璃20的玻璃膨胀系数相适应。

Claims (8)

1.一种选择性气敏传感器，具有由选择性透气膜(22)密封的真空壳体(10)，并且包括具有至少两个电极的气压传感器(31)，
其特征在于，
所述壳体(10)是金属的，并且具有带金属框架(15)的膜壁(14)，窗玻璃(20)结合在所述金属框架(15)上，所述窗玻璃(20)具有由所述膜(22)密封的孔(21)。
2.如权利要求1所述的气敏传感器，其特征在于，所述壳体(10)构成至少一个电极。
3.如权利要求1或2所述的气敏传感器，其特征在于，所述窗玻璃(20)通过铁/镍合金的金属片(23)结合到所述金属框架(15)上。
4.如权利要求1至3中任一项所述的气敏传感器，其特征在于，所述框架(15)是法兰，所述法兰连接到所述壳体(10)的法兰(11)上，其间设有软金属密封件(16)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的气敏传感器，其特征在于，至少一个布置在壳体(10)内的电极(33)连接于设在壳体上的TRAIX套管(13)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的气敏传感器，其特征在于，所述窗玻璃(20)直接与金属框架(15)的斜角缘(46)阳极接合。
7.如权利要求1至6中任一项所述的气敏传感器，其特征在于，所述气压传感器包括皮宁测量单元。
8.如权利要求1至6中任一项所述的气敏传感器，其特征在于，所述气压传感器(31)包括磁电管。
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