CN101568817B - 皮拉尼真空计 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种皮拉尼真空计，其中改进了对急剧的压力升高的响应，并消除了对容器在待测量压力的腔室上的安装方向的限制。该皮拉尼真空计包括：金属丝制的热细丝和用于将热细丝支撑在容器中的支撑单元，其中，基于由与热细丝碰撞的气体分子从热细丝导离的热量来测量气压，其特征在于，除了延伸穿过容器的本体的第一圆筒形孔和第二圆筒形孔外，该本体填充有金属材料，热细丝被插入到第一圆筒形孔中，并且支撑单元被插入到第二圆筒形孔中。
Description
技术领域
本发明涉及一种皮拉尼真空计(Pirani vacuum gauge)，该真空计通过利用气体的热传导广泛用于低真空到高真空范围内的压力测量。
背景技术
如日本特许第3188752号公报所公开的，在传统的皮拉尼真空计中，在真空中悬挂和加热金属丝制的热细丝(heatfilament)。当温度比处于高温状态中的热细丝的温度低的气体分子与热细丝碰撞时，碰撞的气体分子将热量从热细丝导离。从而改变热细丝的温度。与导离的热量对应的温度变化被电气转换并且被检测为热细丝的电阻的变化，电阻的变化进一步被转换为压力值，以由此确定气压。在目前市场上可得到的普通的皮拉尼真空计中，通过控制电路来自动地控制施加的电力，以使热细丝的温度总是恒定。这种类型的皮拉尼真空计被称为恒温皮拉尼真空计，在这种恒温皮拉尼真空计中，通过不断地补偿由气体分子从热细丝导离的热量而测量热量的损失量。在这种情况下，测量使得热细丝的温度恒定的施加的电力并将其转换为气压值。
在传统的皮拉尼真空计中，存在这样的问题：测得的压力值根据安装姿态，即根据细丝在从约104Pa到大气压范围的气体中是竖直的还是水平的而大幅地变化。为了解决上述问题，已经提出一种真空计(国际公报2006/057148号)，该真空计通过用管来覆盖细丝的长度的80％以上的部分来减小由于姿态差异引起的测得的压力值的变化。
然而，国际公报2006/057148号中公开的皮拉尼真空计还存在下述问题。
一个问题是：在例如气体被导入到待测量压力的腔室中而导致气压从中真空度以下急剧地升高到低真空度的情况下，指示正常压力值要用几十秒到几分钟。此处，中真空度的压力大约为10Pa，而低真空度的压力为1000Pa以上。在皮拉尼真空计指示正常压力值之前，压力读数暂时地显示出高于正常压力值的压力值。当气压急剧地升高时，气体分子急剧地流动从而不仅与热细丝碰撞，还与容纳热细丝的容器(下文称为“容器”)的内壁面等碰撞。因而，气体分子也将热量从容器的内壁面等导离，所以容器的温度急剧地下降。
一般地，通过下面的方程来表达从热细丝7导离的热量Q：
Q＝Kc·P·(Tf-Tw)+KR·(Tf 4-Tw 4)+端部热量损失 (1)
Kc：由气体转移的热量的热传导系数
P：气压
Tf：细丝温度
Tw：细丝周围的壁面的温度
KR：热辐射系数
上述方程(1)的第一项表示由容器中的气体分子从热细丝导离的热传导损失。此处，由气体转移的热量的热传导系数Kc是常数。细丝温度Tf被控制电路控制为恒定的。细丝周围的壁面的温度Tw由皮拉尼真空计安装处的环境温度确定。
上述方程的第二项表示由从热细丝7向容器的内壁面的热辐射引起的损失。第三项表示通过用于支撑热细丝7的与热细丝7连接的构件和连接到该构件的导线传导到外部的热传导损失。
也就是，根据上述方程(1)，当热细丝周围的壁面的温度Tw降低时，从热细丝导离的热量Q增加，并且气压也被指示成与热量Q的数值成比例地更高。然而，容器的温度降低仅是暂时的，在气体分子的急剧流动收敛后的几十秒到几分钟内，该温度达到了与容器中的温度相同的温度。
发明内容
本发明的一个目的是解决前述问题。也就是，本发明的一个目的是提供一种皮拉尼真空计，其中消除了对在待测量压力的腔室上的安装方向的限制，并提高了对急剧的压力升高的响应性。
本发明的另一目的是提供一种可用性提高的皮拉尼真空计。
根据本发明的皮拉尼真空计包括：金属丝制的热细丝；用于支撑所述热细丝的支撑单元；以及细长容器，该容器用于在所述皮拉尼真空计被联接到待测量压力的腔室时限定气密封空间，并且用于在该气密封空间内收容所述热细丝和所述支撑单元；其中，所述容器的一端设置有联接端部，所述联接端部将所述皮拉尼真空计联接到所述待测量压力的腔室，所述容器的另一端设置有部件，所述部件将所述热细丝和所述支撑单元电连接到外部控制电路，同时将所述热细丝和所述支撑单元保持为对大气的气密封状态，所述热细丝和所述支撑单元在所述容器内沿长度方向从所述容器的一端延伸到所述容器的另一端，其中，所述容器的本体填充有金属材料，第一孔和第二孔沿长度方向延伸穿过所述金属材料，所述第一孔和所述第二孔分别收容所述热细丝和所述支撑单元，所述容器的联接到所述待测量压力的腔室的所述联接端部具有朝所述容器的内部凹进的凹状空间，所述热细丝的一端和所述支撑单元的一端在所述凹状空间中接合。
在本发明的第一实施例中，所述第一孔和所述第二孔呈圆筒形。
在本发明的第一实施例中，所述第一孔和所述第二孔通过沿长度方向的切口彼此连通，所述切口的厚度为2mm以下。
在本发明的另一个实施例中，所述皮拉尼真空计还包括包括温度传感器，所述温度传感器与设置于所述细长容器的外壁面的凹部接触。
根据本发明的第二方案的皮拉尼真空计包括：金属丝制的热细丝；用于支撑所述热细丝的支撑单元；以及细长容器，该容器在所述皮拉尼真空计被联接到待测量压力的腔室时限定气密封空间，并且在该气密封空间内收容所述热细丝和所述支撑单元；其中，所述真空计的一端设置有联接端部，所述联接端部将所述真空计联接到所述待测量压力的腔室，所述真空计的另一端设置有部件，所述部件将所述热细丝和所述支撑单元电连接到外部控制电路，同时将所述热细丝和所述支撑单元保持为对大气的气密封状态，所述热细丝和所述支撑单元在所述容器内沿长度方向从所述容器的一端延伸到所述容器的另一端。所述容器包括由金属材料制成的棒状体，其中，第一孔和第二孔沿长度方向延伸穿过所述棒状体，所述第一孔收容所述热细丝，所述第二孔收容所述支撑单元，所述第一孔的壁面与所述热细丝之间的距离在3mm以内，除了面对所述第二孔的部分外，所述第一孔周围的棒状体的厚度为2mm以上。
根据本发明的皮拉尼真空计，即使当气压从10Pa以下的中真空度急剧地升高到1000Pa以上的低真空度时，皮拉尼真空计也能够以良好的跟踪性(following property)响应该变化。另外，减小了对容器在待测量压力的腔室上的安装方向的限制，从而提高了可用性。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的压力计头的结构图；
图2是从沿线A-A’截取的剖面观察的根据本发明的第一实施例的压力计头的密封端子侧的图；
图3是从沿线B-B’截取的剖面观察的根据本发明的第一实施例的压力计头的密封端子侧的图；
图4是根据本发明的第二实施例的压力计头的结构图；
图5从沿线C-C’截取的剖面观察的根据本发明的第二实施例的压力计头的密封端子侧的图；
图6从沿线D-D’截取的剖面观察的根据本发明的第二实施例的压力计头的密封端子侧的图；
图7是根据本发明的第三实施例的压力计头的结构图；
图8是从沿线E-E’截取的剖面观察的根据本发明的第三实施例的压力计头的密封端子侧的图；
图9是从沿线F-F’截取的剖面观察的根据本发明的第三实施例的压力计头的密封端子侧的图；
图10是示出当通过将气体引入到根据本发明的第一实施例的皮拉尼真空计中的待测量压力的腔室和现有技术的皮拉尼真空计中的待测量压力的腔室中而使压力从高真空压力急剧地升高到大约1×104Pa的压力时，通过测量压力读数的稳定性而获得的数据的图；
图11是示出当通过将气体引入到根据本发明的第一实施例的皮拉尼真空计中的待测量压力的腔室和现有技术的皮拉尼真空计中的待测量压力的腔室中而使压力从高真空压力急剧地升高到大约3×104Pa的压力时，通过测量压力读数的稳定性而获得的数据的图；
图12是示出图10的测量中使用的比较例的皮拉尼真空计的结构的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细说明实施本发明的优选实施例。
图1至图3示出了本发明的第一实施例。更具体地说，图1至图3示出了待测量压力的腔室的一部分以及安装在该腔室上的皮拉尼真空计的主要部分的构造。
在图1至图3中，容器1的一端通过用于将真空计联接到待测量压力的腔室3的凸缘2连接到待测量压力的腔室3。在本实施例中，凸缘2的接合部利用O形环4被真空密封。容器1通过朝容器的内部凹进的凹状空间来在凸缘2侧开口。容器1在凸缘2侧被连接到待测量压力的腔室3。不锈钢烧结过滤器6被安装在容器的凹状空间5中以防止来自待测量压力的腔室3的污染物和反应产物附着到热细丝7上。待测量压力的腔室3中的气体分子穿过烧结过滤器6，并到达容器1的本体。热细丝7的一端和支撑单元9的一端在凹状空间中接合。容器的本体填充有金属材料。两个圆筒形孔延伸穿过容器1，其中，热细丝7被插入第一圆筒形孔8中而不接触孔表面，导电金属制成的支撑单元9被插入第二圆筒形孔10中而不接触孔表面。热细丝7的长度方向上的全长的80％以上的部分被收容在第一圆筒形孔8中。在本实施例中，第一圆筒形孔8的孔直径是4mm，第二圆筒形孔10的孔直径是1.6mm。第一圆筒形孔8的壁面和热细丝之间的距离优选在3mm以内。当距离在3mm以内时，能够抑制在热细丝的周围发生的气体对流的影响，并且能够消除对容器在待测量压力的腔室上的安装方向的限制。第一圆筒形孔的周围区域填充有金属材料，在本实施例中金属材料的厚度为3.4mm。该厚度优选为2mm以上，更优选为3mm以上。例如不锈钢、铝和铜等具有高热传导率的金属材料被用作容器1的材料。用于支撑热细丝7的支撑单元9被安装在位于容器开口5的相反侧的密封端子13上。密封端子13和容 器1被联接在一起并保持对大气的气密封。密封端子13的基板14由Fe/Ni合金制成。用于支撑由例如钨丝等金属丝制成的热细丝7的支撑单元9由科瓦合金(Kovar alloy)制成。支撑单元9不仅支撑热细丝，还用作从控制电路16供给电流的导线。支撑单元9被通过玻璃绝缘隔离件15与基板14绝缘地保持。支撑单元9还在大气侧被连接到用于将热细丝7控制在恒定温度的控制电路16。温度传感器17被设置在容器1的外壁面。温度传感器17检测热细丝的温度并将热细丝的温度提供给控制电路16。皮拉尼真空计作为通过测量供给热细丝7以将热细丝7的温度保持为恒定的电量(amount of power)来计算气压的恒温皮拉尼真空计。待测量压力的腔室3中的气体分子经由容器开口5穿过烧结过滤器6，并与热细丝7的表面碰撞。与热细丝7碰撞的气体分子将热量从热细丝7导离，并与容器1的第一圆筒形孔8的壁面碰撞以将热量传递到第一圆筒形孔8的壁面。当气体分子更多时，也就是，当气压更高时，与热细丝7碰撞的气体分子的数量增多，从而由于气体分子的碰撞而从热细丝7导离到第一圆筒形孔8的壁面的热量也增多。此处，通过与前述方程(1)相同的方程得到从热细丝7导离的热量Q。
通过设置供支撑单元9插入的第二圆筒形孔10，能够将热细丝7在中央插入第一圆筒形孔8中。另外，可以使热细丝7和第一圆筒形孔8的壁面之间的距离在3mm以内，通过这样能够消除对容器1在待测量压力的腔室上的安装方向的限制。同时，由于具有第一圆筒形孔8和第二圆筒形孔10的结构，能够提高气体分子的流动性，即传导率，并且通过对气压的急剧变化的良好响应能够使压力读数稳定。
图10和图11示出了当通过将气体导入到待测量压力的腔室中使压力从高真空压力急剧地升高到图10中的大约1×104Pa 的压力以及图11中的大约3×104Pa的压力时，通过测量压力读数的稳定性而得到的数据。在图10和图11中，比较了图12中所示的比较例的皮拉尼真空计(用O标记)和根据第一实施例的皮拉尼真空计(用●标记)。在图12中，为与图1中的组成部件相同的组成部件指定相同的附图标记。容器1为中空圆筒形状。在容器空间中，热细丝7和支撑单元9由圆筒状本体20覆盖。细丝7和圆筒状本体20的最靠近的壁面之间的距离在3mm以内，使得所测量的压力值不会依据细丝7是竖直的还是水平的而发生变化。圆筒状本体的厚度小于2mm。也就是，在图10中，例如，比较例的皮拉尼真空计在气体导入之后暂时地显示高压力，然后，压力读数在大约30～40秒后稳定下来。另一方面，在根据第一实施例的皮拉尼真空计中，通过不会暂时显示高压力的良好的跟踪性，压力读数在5秒内稳定下来。图11还示出压力读数在根据第一实施例的皮拉尼真空计中比在比较例的皮拉尼真空计中在更短的时间内稳定下来。
图4至图6示出了本发明的第二实施例。在图4至图6中，为与第一实施例中的组成部件相同的组成部件指定相同的附图标记。在本实施例中，供热细丝插入的第一圆筒形孔和供支撑单元插入的第二圆筒形孔以与第一实施例类似的方式设置。然而，两个圆筒形孔通过切口局部地彼此连通，在本实施例中切口的厚度小于第二圆筒形孔的孔直径。该厚度可以不必小于第二圆筒形孔的孔直径，但优选为2mm以下。也就是，垂直于热细丝的轴线的平面具有8字形的截面。根据第二实施例，能够将热细丝和支撑单元一体地安装在容器1中或者一体地从容器1中移除，从而提高了可维护性。另外，通过设置第二圆筒形孔，提高了传导率，并且提高了压力测量中的响应性。此处，第一圆筒形孔与第二圆筒形孔的重叠部分的长度优选地小于或等于第 一圆筒形孔的内周的八分之一。其它构造和操作都与第一实施例中的构造和操作相同。
图7至图9示出了本发明的第三实施例。在图7至图9中，为与第一实施例的组成部件相同的组成部件指定相同的附图标记。在本实施例中，除了容器1的外壁面的安装有温度传感器的部分具有凹状形状以将温度传感器17安装得靠近容器1的内壁面外，皮拉尼真空计的结构与第一实施例的结构相同。根据第三实施例，由于能够减小温度传感器和容器1的内壁面之间的热传导距离，所以提高了温度跟踪性。其它构造和操作与第一实施例中的构造和操作相同。尽管在第三实施例中温度传感器被安装在设置于容器1的外壁面上的凹部中，还可以将温度传感器埋设在容器1的外壁中。
圆筒形孔不限于具有正圆形横截面的孔，还可以采用具有椭圆形横截面、多边形横截面或自由形状横截面的孔。
可以将本发明用作用于测量传统的半导体制造装置、电子器件制造装置、热处理装置、表面处理装置等的腔室内的压力的装置，或用作测量排气管路和气体导入管路内的压力的装置。
Claims (9)
1.一种皮拉尼真空计，其包括：金属丝制的热细丝；用于支撑所述热细丝的支撑单元；以及细长容器，该容器用于在所述皮拉尼真空计被联接到待测量压力的腔室时限定气密封空间，并且用于在该气密封空间内收容所述热细丝和所述支撑单元；其中，所述容器的一端设置有联接端部，所述联接端部将所述皮拉尼真空计联接到所述待测量压力的腔室，所述容器的另一端设置有部件，所述部件将所述热细丝和所述支撑单元电连接到外部控制电路，同时将所述热细丝和所述支撑单元保持为对大气的气密封状态，所述热细丝和所述支撑单元在所述容器内沿长度方向从所述容器的一端延伸到所述容器的另一端，
其中，
所述容器的本体填充有金属材料，第一孔和第二孔沿长度方向延伸穿过所述金属材料，所述第一孔和所述第二孔分别收容所述热细丝和所述支撑单元，
所述容器的联接到所述待测量压力的腔室的所述联接端部具有朝所述容器的内部凹进的凹状空间，所述热细丝的一端和所述支撑单元的一端在所述凹状空间中接合。
2.根据权利要求1所述的皮拉尼真空计，其特征在于，除了面对所述第二孔的部分外，所述第一孔周围的金属材料本体的厚度为2mm以上。
3.根据权利要求1所述的皮拉尼真空计，其特征在于，所述第一孔和所述第二孔呈圆筒形。
4.根据权利要求1所述的皮拉尼真空计，其特征在于，所述第一孔和所述第二孔通过沿长度方向的切口彼此连通，所述切口的厚度为2mm以下。
5.根据权利要求1所述的皮拉尼真空计，其特征在于，所述第一孔的壁面与所述热细丝之间的距离在3mm以内。
6.根据权利要求1所述的皮拉尼真空计，其特征在于，所述热细丝的在长度方向上的全长的80％以上的部分被收容在所述第一孔内。
7.根据权利要求1所述的皮拉尼真空计，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器与设置于所述容器的外壁面的凹部接触。
8.一种皮拉尼真空计，其包括：金属丝制的热细丝；用于支撑所述热细丝的支撑单元；以及细长容器，该容器在所述皮拉尼真空计被联接到待测量压力的腔室时限定气密封空间，并且在该气密封空间内收容所述热细丝和所述支撑单元；其中，所述皮拉尼真空计的一端设置有联接端部，所述联接端部将所述皮拉尼真空计联接到所述待测量压力的腔室，所述皮拉尼真空计的另一端设置有部件，所述部件将所述热细丝和所述支撑单元电连接到外部控制电路，同时将所述热细丝和所述支撑单元保持为对大气的气密封状态，所述热细丝和所述支撑单元在所述容器内沿长度方向从所述容器的一端延伸到所述容器的另一端，
其中，
所述容器包括由金属材料制成的棒状体，其中，第一孔和第二孔沿长度方向延伸穿过所述棒状体，所述第一孔收容所述热细丝，所述第二孔收容所述支撑单元，
所述第一孔的壁面与所述热细丝之间的距离在3mm以内，
除了面对所述第二孔的部分外，所述第一孔周围的棒状体的厚度为2mm以上。
9.根据权利要求8所述的皮拉尼真空计，其特征在于，所述第一孔和所述第二孔通过沿长度方向的切口彼此连通，所述切口的厚度为2mm以下。
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