CN112005089B - 热传导测量仪 - Google Patents

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Abstract

热传导测量仪对腔室内的气压进行测量。传感器线和电阻器形成联接在功率输入端与地之间的电路，其中，传感器线延伸进入腔室中并且经由端子连接至电阻器。控制器根据端子处的电压和功率输入端处的电压来调节功率输入，以使传感器线达到目标温度。基于调节后的功率输入，控制器可以确定腔室内的气压的度量值。

Description

热传导测量仪
相关申请
本申请是于2018年4月17日提交的美国申请No.15/955,266的继续申请。上述申请的全部教导通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种热传导测量仪。
背景技术
由于通过气体的热传递速率是气压的函数，因此在某些条件下，可以使用经过适当校准的从加热的传感元件到气体的热传递速率的测量结果来确定气压。该原理用于公知的皮拉尼测量仪(Pirani gauge)中，在该皮拉尼测量仪中，热损耗是利用惠斯通电桥网络测量的，该惠斯通电桥网络既可以用于对传感元件进行加热，也可以用于测量其电阻。在皮拉尼测量仪中，温度敏感电阻作为惠斯通电桥的一个臂连接。温度敏感电阻暴露于要测量压力的真空环境中。
针对多种已知压力对常规的皮拉尼测量仪进行校准，以确定气压与气体的功率损耗或电桥电压之间的关系。然后，假定端部损耗和辐射损耗保持恒定，可以通过气体损失的功率直接确定未知气压，或者未知气压与电桥平衡时的电桥电压有关。
发明内容
示例实施方式包括一种用于测量气压的热传导测量仪。所述测量仪可以包括传感器线、电阻器以及控制器。所述传感器线可以位于腔室内并且联接至端子和地。所述电阻器可以联接在所述端子与功率输入端之间。所述控制器可以被配置为向所述电阻器施加功率输入，并且根据所述端子处的电压和所述功率输入端处的电压来调节所述功率输入，以使所述传感器线达到目标温度。所述控制器还可以基于调节后的功率输入来确定所述腔室内的气压的度量值(measure)。
在另外的实施方式中，所述电阻器和所述传感器线可以在所述目标温度下具有等效电阻。所述传感器线可以联接至包围所述腔室的容积的接地的外壳(envelope)。所述传感器线可以经由延伸穿过所述腔室的所述容积的护罩(shield)联接至所述外壳。所述控制器还可以被配置为：1)基于所述腔室外部的外壳温度来确定补偿因子，以及2)根据所述补偿因子来确定气压的所述度量值。所述电阻器可以是第一电阻器，并且第二电阻器和开关可以与所述第一电阻器并联连接，其中，所述控制器选择性地启用所述开关。
在又一些另外的实施方式中，所述测量仪可以实现为与所述腔室内的电离测量仪(ion gauge)(例如，热阴极测量仪或冷阴极测量仪)组合。所述测量仪和所述电离测量仪的馈通部(feedthrough)延伸穿过共同馈通凸缘。所述测量仪占用所述馈通凸缘的单个馈通部，其中，所述端子是所述单个馈通部。所述控制器可以响应于检测到气压的来自所述热传导测量仪的所述度量值低于目标阈值而选择性地启用所述电离测量仪。所述控制器还可以被配置为基于由所述电离测量仪生成的热量来确定补偿因子，所述控制器根据所述补偿因子来确定气压的所述度量值。所述控制器可以响应于检测到气压的来自所述热传导测量仪的所述度量值高于目标阈值而选择性地禁用所述电离测量仪。
在又一些另外的实施方式中，所述传感器线被支撑在可移除的壳体内，所述可移除的壳体在所述端子与所述地之间延伸。
另外的实施方式可以包括一种测量气压的方法。可以施加功率输入通过串联连接的电阻器和传感器线，其中，所述传感器线在腔室内联接至端子和地，并且所述电阻器联接在所述端子与功率输入端之间。可以根据所述端子处的电压和所述功率输入端处的电压来调节所述功率输入，以使所述传感器线达到目标温度。然后可以基于调节后的功率输入来确定所述腔室内的气压的度量值。
又一些另外的实施方式可以包括一种用于测量气压的热传导测量仪，所述热传导测量仪包括电路和控制器。所述电路包括串联联接的传感器线和电阻器，所述传感器线位于腔室内。所述控制器可以被配置为：1)向所述电路施加功率输入；2)根据所述传感器线和所述电阻器中的一者的两端的电压来调节所述功率输入，以使所述传感器线达到目标温度；以及3)基于调节后的功率输入来确定所述腔室内的气压的度量值。
附图说明
如附图中所例示的，根据下面对示例实施方式的更具体的描述，前述内容将变得显而易见，在附图中，贯穿不同视图，相同的附图标记指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在例示实施方式上。
图1A是现有技术的皮拉尼测量仪的电路图。
图1B是例示了图1A的皮拉尼测量仪的响应的曲线图。
图2A至图2B例示了包括补偿线的现有技术的皮拉尼测量仪。
图3例示了在腔室内实现的图2A至图2B的现有技术的皮拉尼测量仪。
图4例示了示例实施方式中的热传导测量仪的传感器。
图5A更详细地例示了图4的传感器。
图5B是例示了图4的传感器的响应的曲线图。
图6是示例实施方式中的热传导测量仪的图。
图7A至图7C是例示了热传导测量仪在不同外壳温度下的响应的曲线图。
图8A至图8D是例示了实现温度补偿的测量仪的响应的曲线图。
图9A是另一实施方式中的热传导测量仪的图。
图9B是又一实施方式中的热传导测量仪的图。
图10A至图10B例示了具有和不具有基线校正的热传导测量仪的响应。
图11例示了包括与热阴极电离测量仪组合实现的热传导测量仪的组件。
图12是例示了由图11的组件实现的馈通部的图。
图13A至图13C例示了支撑用于热传导测量仪的传感器线的壳体。
具体实施方式
以下是示例实施方式的描述。
具有恒定传感器线温度的皮拉尼传感器已用于执行1E-4至1000Torr之间的压力测量。在工作期间提供恒定传感器线温度的典型皮拉尼测量仪依赖于与传感器线连接的惠斯通电桥。将线保持在恒定温度所需的电功率用于提供压力的测量。期望在传感器线处维持恒定温度，因为这允许无需等待温度变化就可以更快地对压力步骤做出响应。而且，具有恒定线温度提供了与压力无关的信号基线偏移量，可以从实际信号中减去该信号基线偏移量，以独自提供信号的纯压力相关部分。
在典型的恒定线温度皮拉尼测量仪中，通过使压力相关的电加热功率流过线来将该线的温度保持在恒定温度。由于将线保持在恒定温度所需的电功率的量取决于压力，因此可以使用简单的功率测量来提供压力测量。该设计依赖于惠斯通电桥通过在工作期间维持其温度相关电阻来调节线温度。
图1A是现有技术的皮拉尼测量仪100的电路图。压力传感器包括作为惠斯通电桥110的一个臂连接的温度敏感电阻RS。R3通常是被设计为具有由于电流i3引起的可忽略不计的温度升高的温度敏感电阻。R2和R1通常是固定电阻。传感器线RS和通常的R3暴露于要测量压力的环境。该环境被包围在外壳中，传感器线RS经由一对馈通部延伸穿过该外壳。另选地，R3也可以经由另外的一个或更多个馈通部而被包括在外壳内。
电阻器R1、R2和R3的电阻值被选择成使得在将压力相关电压VBridge施加到电桥的顶部(在该顶部处，Vleft＝Vright)时，传感器线RS的电阻是固定的并且等于(R1*R3)/R2。电压VBridge由运算放大器自动控制，以将Vleft与Vright之间的电压差维持在零伏。在从Vleft到Vright的电位降是零时，电桥被认为是平衡的。在电桥平衡时，存在以下条件：
is＝i3， (1)
i1＝i2 (2)
isRS＝i1R1， (3)
i2R2＝i3R3 (4)
用式3除以式4并且使用式1和式2，得到下式：
RS＝βR3 (5)，其中β＝R1 R2 (6)
因此，在电桥平衡时，RS是R3的常数分量B倍。
为了在任何给定压力下实现RS的稳态条件，下面的式7必须满足：
RS的电功率输入＝RS辐射的功率+RS的端部的功率损耗+RS的气体功率损耗(7)
因为将传感器电阻器RS保持在恒定温度和恒定电阻所需的电功率的量随压力而增加，所以电压Vbridge也取决于压力。图1B例示了这种关系，图1B是电压Vbridge在由RS占用的腔室内的压力范围内的示例曲线图。如图所示，电压Vbridge在压力范围内表现出S曲线。针对多个已知压力对常规皮拉尼测量仪进行校准，以确定未知压力Px与气体的功率损耗之间的关系，或者更方便地确定电桥电压。然后，假定端部损耗和辐射损耗保持恒定，则未知气压Px可以直接由气体功率损耗来确定，或者与电桥平衡时的电桥电压有关。
皮拉尼测量仪100提供了一种用于测量压力的简单构造，并允许以简单的方式调节传感器线电阻。可以使用简单的运算放大器电路来使电桥为零位(Vleft＝Vright)，从而允许以低成本构建该电路。然而，为了提供对腔室外部不同环境温度的补偿，必须在校准期间将高特定值的电阻器添加到测量仪头，以提供期望的信号响应(即，Vbridge相对于压力)和适当的温度依赖性。
图2A至图2B例示了包括补偿线Rc的现有技术的皮拉尼测量仪200。测量仪200可以与上述皮拉尼测量仪100相当，但是补偿线Rc的添加允许测量仪200补偿压力读数以抵抗环境温度波动。这样的环境温度波动改变了传感器线RS与包围要测量压力的腔室的外壳壁(未示出)之间的温度差。如图2B所示，补偿线电阻器RC在腔室内缠绕在一小部分外壳周围，并允许达到与室温具有热平衡的温度T2。然后调节电桥中的电阻(R3和R4)以及补偿线Rc中的电阻，使得随着T2改变，并且在惠斯通电桥保持平衡的同时，温度差T1-T2(其中，T1是传感器RS的线温度)保持恒定。由于传感器线RS耗散至气体的功率取决于该温度差，因此该功率耗散的测量结果表明与环境温度无关的压力测量结果。
实际上，补偿线RC在不同测量仪间表现出可变性。因此，必须通过在测试和校准期间调节电阻值来单独调节测量仪200的各个实现方案，以提供随环境温度变化保持恒定的温度差(T1-T2)。此外，补偿线RC的缠绕可能是昂贵的并且难以完成。为了提供快速响应，补偿线RC也可以在薄壁外壳内在内部缠绕至测量仪，并暴露在气体环境中。
图3在如在腔室290(未按比例示出)中实现的另外的视图中例示了上述现有技术的皮拉尼测量仪200。测量仪200的包括传感器线RS和补偿线RC的部分经由馈通凸缘220延伸到腔室290中，而惠斯通电桥的其余部分保持在腔室290外部。补偿线RC在薄壁罐(thin-walled can)240上被安装在压力传感器容积内部，这有助于在室温变化时稳定补偿线RC。测量仪200最少需要穿过馈通凸缘的四个馈通部210：两个馈通部连接传感器线RS，而另外两个馈通部连接补偿线RC。
皮拉尼测量仪200表现出了多个缺点。具体地，测量仪200的组装和校准可能是困难且费力的。为了组装和操作测量仪200，必须将补偿线RC缠绕并在馈通凸缘220处附接至电连接器。一旦被组装，则测量仪200必须经过校准以进行适当的温度补偿，包括选择适当的电阻值并确保无论室温如何，值T1-T2都保持恒定。惠斯通电桥需要微调以进行温度补偿。如果正确地执行了校准过程，则可以实现保持值T1-T2，但不允许使用标称电阻器值。而是，各个测量仪必须被手动调节，并被配置有特定的电阻器，这些电阻器是高精度部件。
此外，测量仪200的包括传感器线RS和罐240的传感器是庞大且笨重的。为了在高压下实现对流，罐240必须具有大的容积以允许在压力超过约100torr时进行对流。该要求的一个原因是传感器线RS没有被缠绕或盘绕，并且罐240具有大的内径。
皮拉尼测量仪可能对用于控制电离测量仪(未示出)的启用和禁用的传感器有用。然而，由于测量仪200的尺寸和使用了多个馈通部，所以测量仪200可能不适合与电离测量仪组合使用。电离测量仪占用了多个馈通部并且占用了馈通凸缘附近的相当大的容积，从而为皮拉尼测量仪留下了很小的空间和很少的馈通部。此外，通常需要温度补偿以在电离测量仪的外壳内部运行皮拉尼测量仪。在电离测量仪启动时，电离测量仪外壳的壁会变热，从而使得由于增大的T2而导致T1与T2之差变化，因此有必要添加温度补偿。内部补偿线的使用需要馈通部，而外部补偿线的添加则增加了设计的复杂性。
由于基于惠斯通电桥的温度控制的严格实现，因此测量仪200不允许在工作期间改变传感器线的工作温度(或电阻)，而是提供单个工作温度。
即使在压力与将传感器线RS保持在恒定温度所需的功率之间存在线性关系，测量仪200也基于电桥电压Vbridge的测量结果来指示压力，如图1A所示，该电桥电压Vbridge与压力不成线性关系。大的基线偏移量(例如，由于辐射损耗和端部损耗)与Vbridge对压力的非线性响应的组合导致了S形曲线，该S形曲线使得在对测量结果进行插值时很难进行校准且不太准确。
图4例示了示例实施方式中的热传导测量仪400，其中，关注该测量仪的传感器部分。测量仪400包括经由线安装部406固定在腔室490内的传感器线RS 405(也称为丝)。线405经由通过单个馈通部410延伸进入腔室490中的端子412连接至测量仪电路450(在下面进一步详细描述)。线405的相反节点可以连接至地(诸如，包围腔室490的外壳480)。温度传感器470(例如，热敏电阻)可以定位在外壳480处或定位在外壳480附近，以测量外壳480的温度和/或腔室490外部的环境温度。
与上文参照图2至图3描述的测量仪200相比，测量仪400提供了具有更简单的构造的传感器。测量仪400仅需要单个馈通部410便可进入腔室490。此外，由于可以使用温度传感器470组合测量仪电路450来提供温度补偿，因此可以从测量仪400中省略补偿线。因此，测量仪200使传感器能够具有需要较少的劳动力来进行组装的更简单、更紧凑的结构。
测量仪电路450提供了优于测量仪200的另外的优点。下面参照图5至图6描述了测量仪电路450的工作原理。
图5A更详细地例示了测量仪400的一部分。这里，传感器配置有可选择添加的护罩415。传感器线405可以连接在端子412(体现为馈通部引脚)与护罩415之间。护罩415提供了接地的导电路径，也围绕传感器线405的至少一部分，从而保护传感器线405免受来自处理环境的污染物的物理损坏并为传感器线405提供热边界条件。护罩415在与热阴极测量仪组合使用时也可以用来保护传感器线免受热丝的辐射。在没有护罩415的这种构造中，传感器线可能经历大的基线辐射偏移量变化。绝缘体411可以在馈通部410处围绕端子412，以确保腔室490内的密封。端子412还连接至测量仪电路450。
传感器线405可以是具有小直径(例如，0.001英寸或0.002英寸)并且被缠绕成线圈(例如，直径为0.010英寸的线圈)的丝。传感器线405的工作温度T1可以被选择成具有比室温高20℃或更高的目标，以提供针对压力变化的足够灵敏度。传感器线405的温度可以在工作期间保持在恒定值，这可以提高对压力变化的响应速度。可以通过在端子412处施加受控的功率输入(被指定为PW以与压力P区分开)以使传感器线405达到目标电阻值来实现该恒定温度T1。可以基于相同线类型的先前测量结果来针对传感器线405确定传感器线405的电阻与温度之间的关系。该关系可以用于校准测量仪400。如图5B所示，所需的功率输入PW也根据腔室490的压力而变化。该函数表现出线性区域，在该线性区域中，可以最准确地测量压力。
图6是关注测量仪电路405的测量仪400的图。考虑到传感器线405的电阻与温度之间的关系，测量仪电路450可以在工作期间将传感器线405维持在温度T1。为此，针对所选择的工作线温度T1，可以基于线类型的已知校准曲线来计算对应的线电阻。因此，传感器线405在所选择的温度下的电阻为RS(T1)。
为了在不同压力下对传感器线405的电阻进行控制，测量仪电路450可以包括与传感器线405串联连接的电阻器R1。为了简化分析，可以将R1的电阻选择成等于RS在所选择的温度T1下的电阻：
R1＝RS(T1) (8)
可以将可变电压源Vh与端子412相反地连接至电阻器R1，并且可以将端子处的电压Vt与电压源Vh进行比较，以确定对电压源Vh的调节。在一个实施方式中，测量仪电路450可以利用放大器452、比较器460和电压控制器465来提供这种比较和调节。比较器460比较2*Vt(由放大器452提供)和Vh的值，并且将比较结果输出至电压控制器465。然后，电压控制器465调节Vh，直到2*Vt等于Vh：
Vh＝2*Vt (9)
当满足上述条件时，传感器线405的电阻与R1的电阻匹配，并且线处于温度T1下。将传感器线加热到温度T1所需的电功率PW则是Vh和R1的函数，如下所示：
PW＝Vh2/R1或者PW＝4Vt2/R2 (10)
在该状态下的值PW可以用于基于压力与加热功率之间的观察到的关系来计算压力。在示例实施方式中，这种关系在延伸到约1 Torr的压力范围内可以是线性的，如图7A至图7B所示，如下所述。因此，在电阻器R1与传感器线405RS具有根据式(8)选择的电阻值的情况下，测量仪电路450可以将电压输入Vh施加至电阻器R1，并且根据电阻R1两端的电压(即，Vh和Vt)来调节功率输入PW，以满足式(9)。在这样做时，使传感器线405达到目标线温度T1。可以通过式(10)来确定功率输入PW在该状态下的度量值。将调节后的功率输入PW与已知的功率/压力相关性进行比较，因此可以确定腔室490内的气压的度量值。
测量仪电路450呈现了一种用于将线温度调节至T1的解决方案，这确保了传感器线405的电阻与电阻器R1的电阻匹配，而不管暴露于线的气压如何。比较器460和电压控制器465提供反馈回路，以测量Vh与2*Vt之差并且调节Vh，直到该差为零和R1-Rs(T1)。比较器460、放大器452和电压控制器465或提供相当操作的其它电路可以在模拟电路和/或数字电路中实现。
图7A例示了在诸如测量仪400的热传导测量仪中实现的示例直径为0.001英寸的传感器线的响应。重对数坐标图(log-logplot)示出了根据容纳腔室的外壳的温度针对腔室内的压力的功率响应的变化。该曲线图包括四条曲线，其中各条曲线对应于相同的线温度(100℃)但不同的外壳温度。如图所示，四条曲线共享共同的压力范围(约1E-3Torr至1Torr)，其中功率输入与压力之间的相关性大致是线性的。
图7B更详细地例示了直径为0.001英寸的传感器线的响应。这里，分开地示出了最低外壳温度(22℃)和最高外壳温度(54℃)的线性范围。该曲线图说明了外壳温度如何影响曲线的线性范围，其中较高的外壳温度对应于给定压力下的较低功率输入。如图所示，两个曲线图都可以与线性趋势估计紧密匹配。因此，将传感器线405加热到温度T1所需的功率输入PW是温度差T1-T2的函数。
图7C例示了示例直径为0.002英寸的传感器线的响应。与上述直径为0.001英寸的线不同，直径为0.002英寸的线表现出更高的功率耗散，因此需要更高的功率输入。然而，较粗的线还提供了可用于确定压力的响应，并且可能由于其较高的耐用性而在安装和工作期间赋予优势。基于测量仪的应用和工作环境，传感器线可以由一种或更多种不同材料组成。例如，由镍制成的传感器线对于反应性环境中的使用可能是有利的，钨传感器线可以具有更高的耐用性，并且在期望较低的辐射系数时，铂传感器线可能是合适的。
图7A至图7C所示的结果可以用于提供热传导测量仪中的压力测量结果的外壳温度补偿。例如，参照图4，传感器线405表现出与图7A至图7C所示的响应相当的响应。可以基于测量传感器线本身来确定响应，或者可以根据线类型来限定响应。可以收集与该响应相对应的数据集，并且将该数据集编译成交叉引用功率输入、压力和外壳温度的查找表。当测量仪400如上所述工作时，所得的功率输入PW以及由热传感器470检测到的外壳温度的度量值可以被应用于查找表，以确定腔室490的压力。另选地，线响应可以用于得出与功率输入、压力和外壳温度有关的公式(诸如，针对图7B所示的线性趋势估计的表达式)。因此，通过应用不同外壳温度下的功率输入与压力的数据(诸如，图7A至图7C所示的数据)，可以使用测量仪处的功率输入的度量值以补偿外壳的不同温度的方式确定腔室压力。与上述需要控制环境温度与传感器温度之间的温度差的测量仪200相比，测量仪400独立地(例如，经由热传感器470)测量环境温度或外壳温度T2，并使用该温度数据来解释在确定压力时的功率测量结果。
图8A例示了具有和不具有温度补偿的热传导测量仪的响应。类似于图7A至图7B的曲线图，示出了给定传感器线在两个不同外壳温度(25℃和54℃)下的功率响应。另外，示出了功率响应的经温度补偿的版本，该版本呈现了几乎相同的曲线。因此，作为温度补偿的结果，施加到传感器线的功率输入可以用于在一系列不同外壳温度范围内准确地确定压力。
一种用于计算经温度补偿的功率值的方法如下：
如图8B所示的(例如，基于直接的传感器信号响应)功率输入和压力的未经补偿的曲线图可以分为三个部分：1)高真空下的基线(在左侧)，2)线性响应(Log，Log)(在中间)，以及3)对流响应(约10torr到ATM)(在右侧)。基线响应由在整个压力范围内恒定的两个损耗机制组成：1)RL，辐射损耗，以及2)CL，对流端部损耗。因此，总基线损耗可以表示为：
总基线损耗＝RL+CL，其中
a)辐射损耗RL＝εσ(T4 wire-T4 case)，其中ε＝辐射系数(emissivity)，σ＝玻耳兹曼常数(Boltzmann′s constant)
b)对流损耗CL＝Gπr2(Twire-Tcase)/L，其中G＝线的热导率，r＝线的半径，L＝线的长度
在线性响应区域中，LR＝KP(Log LR＝logK+P)，这几乎与温度无关(T/sqrt(T))。
在对流区域中，气体的热护套(hot sheath)抑制了热传递，并且响应变平。然而，响应也具有ΔT和类似ΔT4依赖性，并且可以被建模。基线损耗区域的温度系数可以用公式校正，该公式具有德尔塔T(delta T)和德尔塔T的四次方：
德尔塔T功率基线＝(c+dΔT+eΔT4)；其中c、d和e可以根据热循环和拟合群体来确定。
可以将整个S形响应函数建模为对数型(logistics-type)S形函数，从而使得设备能够利用区域的已知物理特性进行温度补偿：
a)对数S形函数＝1/(1+e-x)，将e-x项替换为设备的物理特性。
b)线性区域＝KP，K＝常数，P＝压力
c)边界条件：
i.a＝大气功率水平
ii.b＝基线偏移功率水平
d)计算出的
Figure GDA0003390292760000101
将大气功率水平和基线功率水平表示为温度的函数提供以下内容：
a)a(T)＝a(Tnominal)+(c+dΔT+eΔT4)
b)b(T)＝b(Tnominal)+(f+gΔT+hΔT4)
c)经温度补偿的计算出的
Figure GDA0003390292760000111
基于上式，用于根据测量的功率计算压力的公式可以表示如下：
压力(T)＝(a(T)/K)/(1/(功率-b(T))-1)
为了对测量仪进行校准以提供上式中的准确参数，可以在大气压力和基线在标称压力下测量功率。图8A示出了利用上式的示例经温度补偿的功率曲线的曲线图。这里，针对相同温度(25℃和54℃)，将一对经温度补偿的功率曲线与一对未经补偿的功率曲线进行比较。图8C例示了高压对流区域内的、经温度补偿的单个功率曲线和未经温度补偿的单个功率曲线之间的比较。类似地，图8D例示了高真空基线区域内的、经温度补偿的单个功率曲线和未经温度补偿的单个功率曲线之间的比较。
图9A是另一实施方式中的热传导测量仪900的图。测量仪900可以合并有上述测量仪400的一个或更多个特征。电路902包括串联连接在电压源Vp与地之间的晶体管910、电阻器R1和传感器线905(RS)。电路902部分地延伸到腔室990中，其中，传感器线905可以被如上文参照图4所描述的那样配置。热传感器970(例如，热敏电阻)检测包围腔室980的外壳980的温度T2。
控制器950可以被配置为接收在电阻器R1相对侧的电压VH和VT的度量值，以及来自热传感器970的温度T2的指示，并输出控制信号VC以控制通过晶体管910的电流。控制器950可以合并有上述测量仪电路450的特征，并且可以以模拟电路和/或数字电路实现。例如，控制器950可以包括用于将VH、VT和T2转换为数字值的模数转换器(ADC)；用于基于数字值确定控制电压VC的比例积分微分控制器(PID)控制器；以及用于生成对晶体管910的控制电压VC的数模转换器(DAC)。
在工作之前，可以将测量仪900配置为与上述测量仪400类似。此外，可以基于传感器线905的室温电阻来选择电阻器R1的电阻值，其中，可以使用室温电阻来计算维持传感器线的工作温度T1所需的R1的电阻，其中“tempco”是指示电阻随温度变化的温度系数：
R1＝RS(室温)+T1*tempco*RS(室温)(或者R1＝RS(室温)(1+T1*tempco) (11)
在工作中，控制器950可以通过调节控制电压VC来将传感器线905维持在温度T1，从而控制电阻器R1处的输入功率。控制器950可以通过与上文参照图6描述的用于确定电压Vh的过程相当的过程来确定对控制电压VC的调节。具体地，可以将电压VT和VH进行比较，以确定由晶体管910提供的电压源的调节。控制器950对VC进行调节，直到2*VT等于VH。当满足该条件时，传感器线905的电阻与R1的电阻匹配，并且线处于温度T1。如上文在式(10)中所描述的，将传感器线加热到温度T1所需的电功率PW则是VH和R1的函数。该状态下的功率输入PW可以用于基于如图7A至图7B以及图8所示的压力与加热功率之间的观察到的关系来计算压力。因此，在电阻器R1和传感器线905RS具有根据式(8)选择的电阻值的情况下，控制器950可以将功率输入PW施加至电阻器R1，并且根据电阻R1两端的电压(即，Vh和Vt)调节功率输入PW，以满足式(9)。在这样做时，使传感器线405达到目标线温度T1。可以通过式(10)来确定在该状态下的功率输入PW的度量值。将调节后的功率输入PW与已知的功率/压力相关性进行比较，因此可以确定腔室990内的气压的度量值。控制器950可以输出PW的指示以启用该确定，或者可以被配置为经由查找表或另外的计算来确定压力，从而输出压力值。在这样做时，控制器950也可以使用外壳温度T2来确定如上所述的经温度补偿的压力值。
控制器950提供了数字控制回路，该数字控制回路使得测量仪900能够被配置为在可能的温度范围内以期望的线温度工作。通过改变Vt与Vh之间的倍乘因子，可以如下选择目标线温度：
Vh＝xVt其中x是倍乘因子
为获得x：
在Tnominal(室温)下，R1＝Rs(R1与传感器线Rs串联连接)。在任何其它温度下，线的温度系数可以用于计算Rs(T)：
Rs(T)＝(1+α*(Tset-Tnominal))Rs，(其中，α是要使用的线类型的温度系数)
Vh与Vt之间的关系可以表示为简单的电阻分压器公式：
Vt＝[R1/(R1+Rs(T))]Vh
插入Rs(T)：
Vt＝[R1/(R1+(1+α*(Tset-Tnominal))Rs)]Vh(使用R1＝Rs)
Vt＝[R1/(R1+(1+α*(Tset-Tnominal))R1)]Vh
Vt＝[R1/(R1*(1+(1+α*(Tset-Tnominal)))]Vh
Vt＝[1/((1+(1+α*(Tset-Tnominal)))]Vh
Vt＝[1/((2+α*(Tset-Tnominal))]Vh
Vh＝(2+α*(Tset-Tnominal))*Vt
Vh＝x*Vt
x＝(2+α*(Tset-Tnominal))
(2+α*(Tset-Tnominal))是数字回路中的倍乘因子(x)，可以根据客户的要求和过程来应用该倍乘因子(x)，以改变线的温度。
可以在以上计算中实现的示例值如下：
α＝0.0048(针对钨的TC)
Tset＝100，Tnominal＝75
Vh＝2.36*Vt；x＝2.36
Tset＝125 Tnominal＝25
Vh＝2.48*Vt；x＝2.48
因此，使用计算出的倍乘因子x，可以在不改变电阻器R1或RS的值的情况下，针对测量仪900的给定应用来配置线温度。
图9B是另一实施方式中的热传导测量仪901的图。测量仪901可以包括图9A的测量仪900的特征，其中，添加了电阻器R2，该电阻器R2可以经由开关934与电阻器R1选择性地并联连接。该开关可以由控制器950控制或者可以手动配置。在另选实施方式中，一个或更多个附加电阻器可以选择性地与电阻器R1串联连接或并联连接。电阻器R1也可以用可变电阻器代替。
此外，可以通过使用可变的倍乘因子来调节线的温度。例如，可以在环境温度下设置R1＝Rs。当线处于期望温度下(Vh＝2*Vt)时，可以使用倍乘因子x来调节温度，以使Vh＝x*Vt，其中x＝(2+tempco*(Ttarget-Tambient)。在这样的实现下，仅传感器(Rs)的环境电阻必须与R1匹配。
在一些应用中，由测量仪901提供的可调电阻可能是有利的。例如，测量仪901可以用于需要传感器线905的不同工作温度的多个设置中。图10A例示了一个这样的应用，其中，针对传感器线905的两个不同工作温度T1(100℃和120℃)示出了传感器线905在压力下的功率响应。传感器线905在100℃下的功率响应比在120℃下的功率响应低。为了校正该差异，例如如图10B所示，可以将电阻器R1和R2的值选择成使得(1)当T1处于第一工作温度(例如，100℃)时，电阻器R1(不存在R2)表现出来自传感器线905的目标响应；以及(2)当T1处于第二工作温度(例如，120℃)时，并联连接的R1和R2的总电阻表现出来自传感器线905的相当的响应。结果，测量仪901可以提供在不同的T1值下的操作，同时获得用于确定压力的相当的响应。
图11例示了组件1100，该组件1100包括与电离测量仪1130组合实现的热传导测量仪1120。电离测量仪1130包括电子源1105、阳极1120和离子集电极1110。电子源1105(例如，热阴极)位于电离空间或阳极容积外部。阳极结构包括围绕柱112和114的圆柱形线栅120，从而限定了电离空间，在该电离空间中，电子1125撞击气体分子和气体原子。离子集电极1110被设置在阳极容积内。电子从电子源1105行进到阳极并穿过阳极、来回循环通过阳极1120，并因此被保留在阳极1120内或阳极1120附近。另外的实施方式可以利用具有冷阴极电子源的电离测量仪。
在电子1125的行进中，电子1125与构成期望测量其压力的大气的气体的分子和原子碰撞。电子与气体之间的这种接触产生离子。离子被吸引到离子集电极1110，该离子集电极1110连接至安培计1135，以检测来自电极1110的电流。基于安培计1135的测量，可以根据离子电流和电子电流通过公式P＝(1/S)(Iion/Ielectron)来计算大气内的气体的压力，其中，S是单位为1/Torr的系数，并且是特定测量仪几何形状、电气参数和压力范围的特性。
测量仪1120可以如上文参照图4至图10所描述的那样配置。由于典型的电离测量仪的工作压力低，因此组件1100受益于热传导测量仪1120，该热传导测量仪1120可以测量比电离测量仪1130高的压力。此外，热传导测量仪1120可以经由控制器1150对电离测量仪1130的开关进行控制，从而使得在测量的压力降至给定阈值以下时启用电离测量仪1130(例如，在电源1113、1114处)，并且在测量压力升至给定阈值以上时禁用电离测量仪1130。结果，可以防止电离测量仪1130在可能对其造成损坏的压力下工作。相反，控制器1150可以接收来自电离测量仪1130(例如，来自安培计1135)的输入，从而使得在压力升至阈值以上时启用测量仪1120，并且在压力降至阈值以下时禁用测量仪1120。
响应于电离测量仪1130在工作期间生成的热量，热传导测量仪1120还可以被配置为补偿由该热量引起的温度波动。例如，就电离测量仪1120使外壳的温度升高而言，热传导测量仪1120可以补偿该温度变化，如上面参照图7A至图7C以及图8所描述的。还可以将这种方法应用于在相对于电离测量仪1130的其它点处测量的温度变化。例如，可以在电离测量仪1130处实现热传感器以测量温度，并且该测量的温度可以与热传导测量仪1120的功率响应相关联，以基于由电离测量仪生成的热量来确定补偿因子，从而使得测量仪1120能够根据补偿因子来确定气压的度量值。
当组合地实现时，热传导测量仪1120和电离测量仪1130可以被组装成使得各个测量仪的馈通部延伸穿过共同馈通凸缘1145。示例馈通凸缘1145在图12中以俯视图进行了例示。电离测量仪1130使用凸缘1145的多个馈通部。相比之下，如上所述配置的热传导测量仪1120仅需要单个馈通部1160。该单个馈通部1160容纳馈通部引脚，并且传感器线RS连接在馈通部引脚与地(例如，外壳或柱)之间。因为测量仪1120仅需要凸缘1145的单个馈通部，并且电离测量仪可能会在现有组件中留下至少一个未使用的馈通部，所以测量仪1120可以提供另外的益处，因为测量仪1120可以在对组件的改动最小的情况下改装到这种现有组件中。
图13A至图13C例示了支撑传感器线1305的壳体1300，该传感器线1305用于诸如上述测量仪400、900的热传导测量仪中。图13A例示了壳体1300的侧剖视图，并且图13B是壳体1300的立体图。壳体1300可以包括导电端盖1320，传感器线1305可以连接至该导电端盖1320。传感器线可以通过被压缩在端盖与管1350之间而保持在各个端部处，从而进行电连接。管1350可以是非导电材料(例如，玻璃或陶瓷)，并且连接端盖1320。取决于传感器线1305与腔室之间的期望的热传递水平，管1350可以是封闭的或开槽的。
图13C例示了定位在腔室内的壳体1330的俯视图。壳体1300提供了许多优点。例如，管1350的刚性结构在安装和工作期间保护线免受损坏。此外，端盖1320可以容纳腔室内的支架或柱，从而允许壳体1300被快速且容易地安装、移除和更换。
尽管已经具体示出和描述了示例实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所涵盖的实施方式的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (23)

1.一种用于测量气压的热传导测量仪，所述热传导测量仪包括：
传感器线，所述传感器线位于腔室内，所述传感器线联接至端子和地；
电阻器，所述电阻器联接在所述端子与功率输入端之间；
控制器，所述控制器被配置为：1)向所述电阻器施加功率输入；2)根据所述端子处的电压和所述功率输入端处的电压来调节所述功率输入，以使所述传感器线达到目标温度；以及3)基于调节后的功率输入来确定所述腔室内的气压的度量值。
2.根据权利要求1所述的热传导测量仪，其中，所述电阻器和所述传感器线在所述目标温度下具有等效电阻。
3.根据权利要求1所述的热传导测量仪，其中，所述传感器线联接至包围所述腔室的容积的接地的外壳。
4.根据权利要求3所述的热传导测量仪，其中，所述传感器线经由延伸穿过所述腔室的所述容积的护罩联接至所述外壳。
5.根据权利要求1所述的热传导测量仪，其中，所述控制器还被配置为：1)基于所述腔室外部的外壳温度来确定补偿因子，以及2)根据所述补偿因子来确定气压的所述度量值。
6.根据权利要求1所述的热传导测量仪，其中，所述电阻器是第一电阻器，并且所述测量仪还包括与所述第一电阻器并联连接的第二电阻器和开关，所述控制器选择性地启用所述开关。
7.根据权利要求1所述的热传导测量仪，所述热传导测量仪与所述腔室内的电离测量仪组合。
8.根据权利要求7所述的热传导测量仪，其中，所述热传导测量仪和所述电离测量仪的馈通部延伸穿过共同馈通凸缘。
9.根据权利要求8所述的热传导测量仪，其中，所述热传导测量仪占用所述馈通凸缘的单个馈通部，所述端子是所述单个馈通部。
10.根据权利要求7所述的热传导测量仪，其中，所述控制器响应于检测到气压的来自所述热传导测量仪的所述度量值低于目标阈值而选择性地启用所述电离测量仪。
11.根据权利要求7所述的热传导测量仪，其中，所述控制器还被配置为基于由所述电离测量仪生成的热量来确定补偿因子，所述控制器根据所述补偿因子来确定气压的所述度量值。
12.根据权利要求7所述的热传导测量仪，其中，所述控制器响应于检测到气压的来自所述热传导测量仪的所述度量值高于目标阈值而选择性地禁用所述电离测量仪。
13.根据权利要求1所述的热传导测量仪，其中，所述传感器线被支撑在可移除的壳体内，所述可移除的壳体在所述端子与所述地之间延伸。
14.一种测量气压的方法，所述方法包括：
施加功率输入通过串联连接的电阻器和传感器线，所述传感器线在腔室内联接至端子和地，所述电阻器联接在所述端子与功率输入端之间；
根据所述端子处的电压和所述功率输入端处的电压来调节所述功率输入，以使所述传感器线达到目标温度；以及
基于调节后的功率输入来确定所述腔室内的气压的度量值。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电阻器和所述传感器线在所述目标温度下具有等效电阻。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述传感器线联接至包围所述腔室的容积的接地的外壳。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述传感器线经由延伸穿过所述腔室的所述容积的护罩联接至所述外壳。
18.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：1)基于所述腔室外部的外壳温度来确定补偿因子，以及2)根据所述补偿因子来确定气压的所述度量值。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电阻器是第一电阻器，并且所述方法还包括基于所述端子处的电压来选择性地将第二电阻器与所述第一电阻器并联连接。
20.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：响应于检测到气压的所述度量值低于目标阈值而选择性地启用电离测量仪。
21.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：基于由电离测量仪生成的热量来确定补偿因子，气压的所述度量值是根据所述补偿因子确定的。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述传感器线被支撑在可移除的壳体内，所述可移除的壳体在所述端子与所述地之间延伸。
23.一种用于测量气压的热传导测量仪，所述热传导测量仪包括：
电路，所述电路包括串联联接的传感器线和电阻器，所述传感器线位于腔室内；以及
控制器，所述控制器被配置为：1)向所述电路施加功率输入；2)根据所述传感器线和所述电阻器中的一者的两端的电压来调节所述功率输入，以使所述传感器线达到目标温度；以及3)基于调节后的功率输入来确定所述腔室内的气压的度量值。
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