CN114424039A

CN114424039A - 确定压力的方法和压力传感器

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Publication number: CN114424039A
Application number: CN201980100546.5A
Authority: CN
Inventors: C·斯特里策尔; U·瓦奇利; S·凯瑟尔; C·里施; B·安德烈奥斯; M·维德尔
Original assignee: 英福康有限公司
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: EP4031845A1; JP2024059852A; KR102703191B1; KR20220062647A; WO2021052599A1; TW202119006A; JP2022549223A; US12085467B2; JP7493033B2; US20220334016A1; CN114424039B

Abstract

一种用于确定真空系统中的压力的方法，其中所述方法包括以下步骤：a）在样品室中产生（101）等离子体，所述样品室与所述真空系统流体动态连接并且与第一电极和第二电极电接触；b）测量（102）在所述第一电极和所述第二电极之间流过所述等离子体的电流的电流强度；c）测量（103）从所述等离子体发射的第一波长范围的电磁辐射的第一辐射强度，其中所述第一波长范围包含第一化学元素的第一等离子体物质的至少一个第一发射线；d）测量（104）从所述等离子体发射的第二波长范围的电磁辐射的第二辐射强度，其中所述第二波长范围包含所述第一化学元素的第一等离子体物质的第二发射线或所述第一化学元素的第二等离子体物质的第二发射线，以及其中所述第二发射线位于所述第一波长范围外；以及e）根据所测量的电流强度、所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度确定（105）所述真空系统中的压力。

Description

确定压力的方法和压力传感器

技术领域

本发明涉及一种用于确定真空系统中的压力的方法、一种真空压力传感器、一种用于执行所述方法的装置、所述方法的应用以及所述压力传感器的用途。

背景技术

可以用于确定明显低于正常压力的压力的真空压力传感器或真空计是已知的。在已知的真空压力传感器中，所谓的电离真空计具有特别宽的测量范围。电离真空计通过气体电离的绕道来测量压力。首先，确定残余气体的可电离性，由此确定真空系统中的气体密度。气体电离所需的电子通过热阴极（热阴极电离真空计）产生或在冷电极之间的独立气体放电（冷阴极真空计）中产生。由于冷电极之间的独立气体放电在大约10^-3mbar（毫巴）的压力下熄灭，根据F. M. PENNING的专利说明书DE 716 712的布置通过使用显著延长独立气体放电中的电子路径并因此增加离子产量的磁场，将冷阴极电离压力计的测量范围扩展到高真空范围内的压力。这些Penning真空计被广泛使用，并且多年来在技术上进一步得到了改进。

今天常用的是由HOBSON和REDHEAD提出的倒置磁控管形式的配置（Redhead，P. A.（1959），The magnetron gauge, a cold cathode vacuum gauge, Can. J. Phys. 37，1260-1271）。该倒置磁控管能够覆盖从约10^-3mbar到超高真空范围的压力范围。Penning真空计和基于磁控管布置或倒置磁控管布置的冷阴极真空计的共同点是电场基本上垂直于磁场。

已知配置的主要问题之一是将压力范围限制于高压。由于放电中占主导成分的变化，电流测量中产生了模糊性。其原因是电子和离子都对所测量的电流有贡献。所产生的等离子体的性质根据压力而变化。冷阴极真空计的典型压力-电流校准曲线针对低于约10^-3mbar的压力具有以下范围，在该范围中电流随着压力的增加而单调增加。这是可用测量范围，在该可用测量范围内可以从所测量的电流中明确地确定压力。带电子的环电流在该范围中占主导地位。压力-电流校准曲线典型地具有约10^-2mbar的电流强度最大值。在高于该最大值的压力下，电流随着压力的增加而减小。在这个压力范围内，等离子体占主导地位，即电子和带正电离子的混合物。通常，所述可用测量范围不能超出所述电流强度最大值。

发明内容

本发明的任务在于找到与现有技术相比改进的用于确定真空压力的方法。本发明的任务还在于提供一种替代的真空压力传感器，特别是具有扩大的可用测量范围。

根据本发明，该任务通过根据权利要求1的方法来解决。

根据本发明的方法是一种用于确定真空系统中的压力的方法。该方法包括以下步骤：

a）在样品室中产生等离子体，所述样品室与真空系统流体动态连接，并且其中所述等离子体与第一电极和第二电极电接触；

b）测量在所述第一电极和所述第二电极之间流过所述等离子体的电流的电流强度；

c）测量从所述等离子体发射的第一波长范围的电磁辐射的第一辐射强度，其中所述第一波长范围包含第一化学元素的第一等离子体物质的至少一个第一发射线；

d）测量从所述等离子体发射的第二波长范围的电磁辐射的第二辐射强度，其中所述第二波长范围包含所述第一化学元素的第一等离子体物质的第二发射线或所述第一化学元素的第二等离子体物质的第二发射线，以及其中所述第二发射线位于所述第一波长范围外；以及

e）根据所测量的电流强度、所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度确定所述真空系统中的压力。

利用产生的等离子体产生电磁辐射和带电粒子。可以基于在等离子体中产生的带电粒子来确定样品室中的粒子密度，其方式是借助于电流强度测量设备测量在等离子体中流动的电流。可以从样品室中的粒子密度推断出样品室中的压力。样品室与真空系统流体动态连接，从而出现真空系统与样品室之间的压力平衡，并且样品室中确定的压力与真空系统中的压力一致。样品室在相互绝缘的电极之间延伸，使得在样品室中产生的等离子体可以与第一电极和第二电极都接触。电流强度测量设备可以是任何电荷率测量计，例如安培计或电子计数器。各种等离子体源用于产生等离子体。电子回旋共振离子源（electroncyclotron resonance，ECR，ion sources）、Penning放电、电感耦合等离子体（inductivelycoupling plasma，ICP）或辉光放电源（glow discharge source）等适用于根据本发明的方法。Penning布置、磁控管布置和倒置磁控管布置适用于产生等离子体，因为这些布置可以构建得非常紧凑并且即使在低压下，特别是在低至10^-8mbar的压力下也足够确保离子产量。最后提到的三个等离子源被总结为统称ExB源。

发明人已经认识到，通过测量从等离子体发出的电磁辐射、特别是光学范围内的电磁辐射的两个不同的、巧妙选择的波长范围内的强度，可以获得关于样品室中压力的附加信息，借助于所述附加信息可以解决在将压力分配给电流测量的测量结果时的模糊性。

所测量的电磁辐射强度例如涉及光学范围内的辐射强度，即可见光、紫外辐射或红外辐射的辐射强度，特别是来自近红外范围的辐射强度。等离子体中的原子和离子在该波长范围内发射对相应的化学元素显示出特征性发射线的辐射。这些特征性发射线的波长由原子发射光谱法（英语：Atomic Emission Spectroscopy，缩写为AES）的专业领域公开，并且可以针对待测量的气体查找。根据应用情况，待测量的气体可以是例如氮气、氧气、氩气或氦气。

根据本发明，测量第一波长范围的电磁辐射的第一辐射强度并且测量第二波长范围的电磁辐射的第二辐射强度。第一和第二波长范围被选择为使得在第一波长范围中包含第一发射线，但第二发射线被排除在外。相反，在第二波长范围内可以观察到第二发射线。第一和第二波长范围可以选择得非常窄，即例如仅略大于第一或第二发射线的自然线宽，从而基本上只有第一发射线或第二发射线位于相应的波长范围内。第二波长范围可以被选择得如此大，使得第一发射线也位于第二波长范围内。第一和第二发射线是来自相同化学元素的等离子体物质的发射线，这里将该化学元素称为第一化学元素。它可以是相同第一等离子体物质的第一和第二发射线。替代地，第二发射线可以是与第一等离子体物质不同但为相同第一化学元素的等离子体物质的第二等离子体物质的发射线。我们将等离子体物质理解为气态原子和化合物，它们以化学结构式、它们的电荷状态（例如，中性、单电离、双电离）以及必要时它们的激发态为特征。一种元素的等离子体物质在其结构式中包含该元素。例如，中性氮分子N₂、中性氮原子NI、单电离氮原子NII和双电离氮原子NIII是化学元素氮的四种不同等离子体物质。作为另外的示例，中性氩原子Ar和氩离子Ar⁺是化学元素氩的两种不同的等离子体物质。由于根据本发明观察到相同化学元素的一种或两种等离子体物质的两个不同发射线，除了电流强度之外，还可以确定另外的与压力相关的参数。如果用多于两个原子观察到具有结构式的等离子体物质的发射线，则有利的是，这些发射线属于不仅具有共同化学元素而且尽可能大部分的结构式相同的等离子体物质。通过这种方式，所测量的第一和第二强度的强度比主要取决于等离子体中的粒子密度，即取决于压力。从而减少了对残余气体的组成的依赖性。优选地，第一和第二发射线是相同气体的发射线，即相同原子或分子在气态或等离子体状态下的发射线。

作为该方法的最后一个步骤，根据所测量的电流强度、所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度来确定真空系统中的压力。在这种情况下，例如可以将第一和第二辐射强度计算为辐射强度的比例，然后可以根据所测量的电流强度和计算出的辐射强度的比例来确定压力。

电流强度、第一和第二辐射强度的测量可以同时或在时间上相互错开地进行。如果等离子体一次性产生，则上述测量可以例如周期性地重复或连续地执行，以便周期性地或连续地监视真空系统的压力变化。为此，必须通过输送能量来维持等离子体。在每次测量之前产生等离子体的方法的变型也是可以想到的。

该方法的变型由从属权利要求2和3的特征得出。

在该方法的一个变型中，在基于所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度确定真空系统中的压力的步骤e）中确定所述压力的估计值。压力-电流强度校准曲线的定义范围被限制于包含所述估计值并且其中所述压力-电流强度校准曲线单调的压力范围。基于受限的定义范围中的压力-电流强度校准曲线并且基于所测量的电流强度，确定真空系统中的压力。

该方法的这种变型允许在大的测量范围内确定压力，即使压力-电流强度校准曲线在整个测量范围内具有单调增加和单调减少的部分。不需要从两个测量的辐射强度中确定精确的压力。可以确定所述压力的估计值就足够了，知道该估计值就可以将所讨论的压力值足够确定地限制于压力-电流强度校准曲线的单调区域。然后，压力向所测量的电流强度的分配变得明确，并且可以使用对电流强度测量典型的高精度来确定所述压力。

在该方法的变型中，基于公式log（p0）=a（I_1/I_2）+b来确定压力的估计值p0的对数。在此，a和b是预先确定的系数，这些系数取决于发射线的选择、用于产生等离子体的布置和所述对数的底。

该方法的这种变型使得能够基于第一和第二辐射强度的强度比例的线性函数来非常简单和鲁棒地估计压力的数量级。然后可以将围绕该估计值的压力范围用作所述压力的受限的定义范围。例如，如果估计值p0以

的误差容限估计真实压力，则该压力的受限的定义范围例如可以从

到

中选择。

系数a和b可以通过在已知压力下的校准测量来加以确定。随着对数底的改变（例如，以e为底的对数，或以10为底的对数），系数a和b改变相同的倍数。

此外，所述任务通过根据权利要求4所述的真空压力传感器来解决。

根据本发明的真空压力传感器包括：

-样品室，在所述样品室中可以产生等离子体，其中所述样品室与第一电极和第二电极电接触，

-电流测量设备，其与所述第一电极和所述第二电极电连接并且与所述样品室串联连接，

-波长选择元件，以及

-用于测量电磁辐射的辐射强度的第一和第二探测器元件。

波长选择元件、第一探测器元件和第二探测器元件布置为，使得只有从样品室发出的第一波长范围的电磁辐射可以到达第一探测器元件，并且只有从样品室发出的第二波长范围的电磁辐射可以到达第二探测器元件。第一化学元素的第一等离子体物质的至少一个第一发射线位于第一波长范围内。第一化学元素的第一等离子体物质的第二发射线或第一化学元素的第二等离子体物质的第二发射线位于第二波长范围内。第二发射线位于第一波长范围之外。

根据本发明的真空压力传感器适用于根据本发明方法的步骤b）、c）和d）来执行测量。在这种情况下，波长选择元件以及第一和第二探测器元件使得能够测量来自第一和/或第二波长范围的辐射强度，其中这两个波长范围被选择为如上面结合本发明的方法所讨论的那样。

波长选择元件例如可以是具有窄带特性、宽带特性或带通特性的光学滤波器。这种光学滤波器可以例如直接安装在探测器元件之一的前面，使得来自等离子体的到达对应探测器元件的电磁辐射必须穿过所述光学滤波器。这种滤波器可以是例如干涉滤波器，其在特定波长范围内反射并且在其他波长范围内对辐射可透过。该滤波器可以是在所选择的波长范围内具有大于95％的透射率的滤色器。因此，在该滤波器下游的光路中尤其是仍然存在具有滤波器允许通过的波长的辐射。波长选择元件例如也可以是光栅或棱镜，从而电磁辐射根据波长在不同方向上衍射或折射。于是可以将探测器元件定位在对应的方向上。

真空压力传感器例如可以具有连接开口，例如作为测量室的连接开口。样品体积可以通过这种连接开口与真空系统流体动态地连接。在这种情况下，可以独立于真空系统制造和维护真空压力传感器。例如，可以用标准真空法兰包围所述连接开口。替代地，真空压力传感器也可以安装到真空系统中。

样品室可以例如被测量室包围。第一和第二电极中的至少一个电极可以部分地或完全地构造为真空压力传感器的测量室的壁。

所述真空压力传感器的实施方式从权利要求5至12的特征得出。

所述真空压力传感器的一种实施方式包括包围所述样品室的测量室。所述测量室在测量室的壁中具有窗口或该窗口作为测量室的壁。所述窗口在光学波长范围内是透明的。定义了连续的第一辐射路径，该第一辐射路径从所述样品室开始穿过所述窗口并在第一探测器元件中结束。定义了连续的第二辐射路径，该第二辐射路径从所述样品室开始穿过所述窗口并在第二探测器元件中结束。

在该实施方式中，样品室和两个探测器元件位于所述窗口的不同侧。所述窗口例如可以由蓝宝石或石英玻璃制成。由蓝宝石或石英玻璃制成的窗口实际上对整个光学波长范围内都是透明的，具有化学惰性，即所述窗口既不被等离子体也不被可能的工艺气体侵蚀，具有高机械强度并且与真空兼容。蓝宝石特别是在250-1000纳米的波长范围内具有非常高的透射率。使用由蓝宝石或石英玻璃制成的窗口，光学探测器元件可以与真空和/或样品体积中的等离子体分离，和/或也可以与可能的工艺气体分离，而不必经受来自样品体积的可探测辐射强度的损失。从样品体积来看，光学探测器元件可以直接安装在窗口后面，这一方面可以对来自样品体积的辐射强度具有高灵敏度，另一方面可以实现整个压力传感器的非常紧凑的设计。

在具有窗口的实施方式中，第一和第二探测器元件可以布置在测量室之外。在这种情况下，第一和第二探测器元件不必满足与真空适用性有关的要求。

所述窗口可以具有例如两个平坦的相互平行的边界面，其中第一边界面面向真空侧并且第二边界面面向探测器侧。附加地，所述窗口还可以具有电通路、特别是高压通路的功能，特别是用于将中央阳极导通到样品室中。此外，所述窗口的一个或多个边界面可以被实施为弯曲的，因此对电磁辐射路径具有聚焦效果。特别地，所述边界面的几何形状可以被设计为使得从等离子体发出的辐射路径聚焦到至少一个探测器元件上。使用所述实施方式的该变型可以实现第一和/或第二探测器元件上的辐射强度的增加以及因此实现对光谱线的更准确的评估。通过这种方式，例如可以将所述窗口视为具有透镜效应的电光通路。

在所述真空压力传感器的一种实施方式中，所述第一探测器元件和/或所述第二探测器元件是光电二极管、光电晶体管、电荷耦合器件（缩写为CCD）、多通道板（缩写为MCR）或通道电子倍增器（缩写为CEM）。

使用光电二极管或光电晶体管可以良好地覆盖与评估待测量气体的发射线相关的光学波长范围，即红外线、可见光范围和紫外线。使用基于硅的光电二极管或光电晶体管，例如可以覆盖大约190-1100纳米波长的灵敏度范围。使用基于锗的光电二极管或光电晶体管，例如可以覆盖大约400-1700纳米波长的灵敏度范围。使用各个光电二极管的优点是它们可以覆盖相对较大的入口面积，从而获得非常大的灵敏度，例如与使用光谱仪相比。光电二极管或光电晶体管是相对便宜的探测器元件。与其他探测器元件相比，光电二极管或光电晶体管需要很小的空间，因此允许真空压力传感器具有紧凑的设计。

在一种实施方式中，所述真空压力传感器包括具有探测器阵列的微型光谱仪，并且所述第一探测器元件和所述第二探测器元件是所述探测器阵列的元件。

例如，微型光谱仪可以具有狭缝或孔，第一辐射路径在所述狭缝或孔处进入所述微型光谱仪。光栅或棱镜确保入射辐射朝着不同方向衍射和/或偏转并且落在探测器阵列的不同元件上。通过这种方式，可以确定从样品体积发射的辐射的强度谱。几何尺寸的数量级为20mm x 10mm x 10mm的微型光谱仪是市售的。因此真空压力传感器可以具有紧凑的设计。探测器阵列例如可以实施为光电二极管阵列或光电晶体管阵列。探测器阵列例如可以实施为CCD元件阵列。第一和第二波长范围均可以由探测器的单个元件覆盖。也可以将多个（例如多个相邻的）元素的测量强度相加为所测量的第一和/或第二辐射强度。

在一种实施方式中，所述真空压力传感器包括用于在样品室中产生磁场的装置。

用于在样本体积中产生磁场的装置例如可以是线圈。用于在样品体积中产生磁场的装置例如也可以是永磁体装置。附加地，铁磁元件也可用于引导用所述装置产生的磁场，以在样品体积中达到期望的磁场分布。在该实施方式中，由第一和第二电极产生的电场以及由用于在样品体积中产生磁场的装置产生的磁场被布置为，使得非常有效地产生等离子体。所述电场将电子加速到大于电离势的能量，而所述磁场一方面延长了轨迹，这使得与另一个粒子发生碰撞的概率更高，另一方面使电子保持在具有大约数百电子伏特的轨道上，在所述轨道上最大有效横截面跟随分子和原子。

在具有用于在样品室中产生磁场的装置的真空压力传感器的一种实施方式中，第一电极、第二电极和用于在样品室中产生磁场的装置的布置被设计为使得通过向这些电极施加电压可以产生电场，所述电场在样品室中基本上垂直于磁场取向。在该实施方式中，第一电极、第二电极和用于产生磁场的装置的布置特别是可以设计为磁控管布置、倒置磁控管布置或Penning布置，即可以是所谓的ExB等离子体源。

在ExB等离子体源中，用于在样品体积中产生磁场的装置被布置为，使得磁场和电场的场线在样品体积中基本上以直角交叉。

发明人已经认识到：磁控管布置、倒置磁控管布置和Penning布置被证明是特别有效的。在本文中，“有效”意味着具有最大光子发射的样品体积区域在大压力范围内（例如在压力的多个十次幂内）是位置稳定的。例如使用倒置磁控管布置可以实现的是，具有最大光子发射的样品体积区域在超过10个十次幂的压力上是位置稳定的。无论放电是在10^-9mbar还是在10 mbar时点燃，具有最大发射的体积总是大部分位于相同的位置，和/或位于具有总是相同直径的环形区域中。此外，在提到的电极布置中，易于接近该空间区域以进行观察。这使得可以使用非常简单的探测器元件，即安装带有滤色器（可能还有小聚焦透镜）的光电二极管，例如直接与中央阳极周围的窗口邻接。代替二极管，还可以例如将微型光谱仪直接与窗户邻接地安装。

在一种实施方式中，所述真空压力传感器包括用于向样品室中的等离子体输送能量的能量源。

为了维持等离子体需要能量源，该能量源原则上也可以与根据本发明的真空压力传感器无关地提供，但是可以对样品室产生影响。在所讨论的实施方式中，所述能量源是所述真空压力传感器的一部分，这导致特别易于处理和紧凑的布置。能量从能量源向等离子体的输送例如可以通过导电接触、电容、感应或通过辐射（例如激光辐射或微波辐射）进行。

在具有用于向样品室中的等离子体输送能量的能量源的真空压力传感器的一种实施方式中，所述能量源包括与第一和第二电极导电连接并且与电流测量设备串联连接的高压源。

在具有用于向样品室中的等离子体输送能量的能量源的真空压力传感器的一种实施方式中，所述能量源包括交流电源和感应线圈，其中所述感应线圈与所述交流电源电连接并且被设计为当交流电流流过所述感应线圈时在样品室中产生交变磁场。

所述真空压力传感器的实施方式的特征可以任意组合，只要它们不相互矛盾。

此外，本发明涉及根据权利要求13所述的装置。这是用于执行根据本发明的方法的装置。该装置包括根据本发明的真空压力传感器和处理单元。所述真空压力传感器可以具有所提到的实施方式之一的特征。所述处理单元与电流强度测量设备、电磁辐射的第一和第二探测器元件作用连接，以传输所测量的电流强度、所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度。所述处理单元被设计为，根据所测量的电流、所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度来确定真空系统中的压力。

所述处理单元可以包括数字计算机、模拟计算机或对应的电子电路。例如，合适的电子电路可以包括两个具有对数响应函数的放大器，每个放大器都连接在运算放大器的输入端的上游。利用这种电子电路，如果将第一和第二探测器元件的输出信号分别输送到两个放大器之一的输入端，则例如可以形成第一和第二辐射强度的对数比。所述处理单元特别是可以包括微处理器或数字信号处理器。所述处理单元特别是可以被编程为，使得当所测量的电流强度、所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度作为输入值可用时，执行来自本发明方法或本发明方法的变型的方法步骤e）。这些输入值可以作为模拟信号或数字信号通过电线路或无线地传输到所述处理单元。所述处理单元可以安装到真空压力传感器的壳体中。所述处理单元可以包括存储装置，用于存储根据该方法的变型的校准数据，特别是压力-电流强度校准数据或根据该方法的变型的系数a和b。

此外，本发明涉及根据权利要求14的应用。

这是根据本发明的方法用于扩展真空压力传感器的压力测量范围的应用，所述真空压力传感器基于测量通过等离子体的电流强度。这特别可以是基于冷阴极真空计的功能原理的真空压力传感器。在这种情况下，将压力测量范围扩展到既包括低于所述真空压力传感器的压力-电流强度特性曲线的极值的压力又包括高于所述真空压力传感器的压力-电流强度特性曲线的极值的压力的压力测量范围。

如果基于测量通过等离子体的电流强度的真空压力传感器的压力-电流强度特性曲线具有极值，即最小值或最大值，则所测量的电流强度向压力的分配不是明确的。通常必须限制于只包括低于出现极值时的压力的压力或只包括高于出现极值时的压力的压力的压力测量范围。通过应用本发明的方法，可以消除模糊性，并且可以使用所述真空压力传感器覆盖极值两侧的经过扩展的压力测量范围。

因此，根据本发明的方法的应用能够实现例如宽范围的冷阴极真空计。

此外，根据权利要求15的用途在本发明的范围内。

根据本发明的用途是根据本发明的真空压力传感器在根据本发明的方法中的用途。在这种情况下，所述真空压力传感器的实施方式可以与所述方法的变型任意组合，只要不相互矛盾。

附图说明

下面基于附图更详细地解释本发明的实施例。

图1示出了根据本发明的方法的流程图；

图2示出了根据本发明的真空压力传感器的示意图；

图3示出了在真空压力传感器的实施方式中的压力和电流强度之间的关系和/或压力和辐射强度比之间的关系的图形表示；

图4示出了通过真空压力传感器的实施方式的一部分的示意性横截面；

图5示出了具有第一和第二波长范围的示例的示意性氮发射谱；

图6示出了真空压力传感器的实施方式的细节的示意性横截面；

图7示出了真空压力传感器的实施方式的示意性横截面；

图8示出了借助于波长选择元件设定第一和第二波长范围的示例，在子图8.a）和8.b）中分别示出了作为波长的函数的效率曲线。

具体实施方式

图1将用于确定真空系统中的压力的方法100的步骤作为流程图中的块示出。该方法开始于在样品室20中产生101等离子体的步骤，该样品室20与真空系统流体动态地连接并且与第一电极和第二电极电接触。

三个测量过程102、103、104是并行执行的或在时间上移位地执行的，这通过流程图中稍微错开的块来表示。所有三个测量过程都与对先前产生的等离子体的测量有关。它们是步骤：

-测量102在第一电极与第二电极之间流过等离子体的电流的电流强度C_plasma，

-测量103从等离子体发射的第一波长范围的电磁辐射的第一辐射强度I_1，

-测量104从等离子体发射的第二波长范围的电磁辐射的第二辐射强度I_2。

在此，如上文针对根据本发明的方法所描述的那样定义第一和第二波长范围。

作为最后一个步骤，基于测量过程的测量结果C_plasma、I_1和I_2，根据所测量的电流强度C_plasma、所测量的第一辐射强度I_1和所测量的第二辐射强度I_2确定105真空系统中的压力p。这种关系通过公式

表达，其中f表示数学函数或数学过程，其在所述方法的变型中除了三个测量值之外还可以处理另外的输入值，例如校准系数、校准曲线或校准面积。

图2示意性地、高度简化地和部分以横截面示出了根据本发明的真空压力传感器10。样品室20位于中心。在该样品室中可以产生由点表示的等离子体。第一电极1和第二电极2与样品室中的等离子体电接触。电流测量设备42与第一和第二电极导电连接并与样品室串联。波长选择元件51安装在第一探测器元件31的前面，使得第一发射线的辐射21（用带有短划线的虚线箭头显示）可以到达探测器元件31，但第二发射线的辐射22（用带有长划线的虚线箭头显示）将被阻挡。第一和第二发射线的辐射21、22到达第二探测器元件32。这些箭头各自代表从等离子体到探测器元件31、32的可能辐射路径。

图3在上图中示出了根据真空压力传感器的样品室中的压力p流过等离子体的电流强度C_plasa的典型校准曲线，以安培为单位。下图示出了根据同一真空压力传感器中的压力p的比例I_1/I_2的典型校准曲线，即所测量的第一辐射强度I_1与所测量的第二辐射强度I_2的比例。在这种情况下，这是实施为冷阴极真空计的真空压力传感器的实施方式的校准曲线。以托为单位的压力p的水平轴适用于两条曲线。所述压力以对数刻度绘制，从而可以读取在从10^-8托到10⁰托的8个数量级上的压力依赖性。电流强度C_plasma也以对数刻度绘制，其范围达到从10^-8安培到10^-3安培的5个数量级。

电流强度C_plasma在接近10^-2托的压力时具有最大值。对于介于大约2*10^-6安培和大约3*10^-4安培之间范围内的电流强度C_plasma，存在两个压力值p可以导致该电流强度。比例I_l/I_2以线性刻度绘制。对于所示的比例I_l/I_2，不设定零点和斜率。可以看出，在压力的对数与I_l/I_2之间存在线性关系，该线性关系可以通过斜率a和常数项b来描述。如果知道比例I_1/I_2，则可以解决电流强度C_plasma和压力p之间分配的模糊性。

图4中示出了压力传感器的实施方式的一部分的横截面。第二电极被构造为测量室3的壁并且具有基本上中空圆柱体的形状。在这种布置中，第二电极可以例如作为阴极运行。杆形式的第一电极1位于中空圆柱体的轴线上。在这种布置中，第一电极可以例如作为阳极运行。所示实施方式包括用于在样品体积中产生磁场的装置8，该装置被构造为永磁体。“N”和“S”分别表示永磁环的南极和北极的位置。磁性元件9形成用于由装置8产生的磁场的磁导。在可以产生等离子体的样品体积20中存在中心区域20'，当产生等离子体时样品体积中的最大辉光出现在该中心区域20'。从等离子体发射的辐射可以从该区域20'分别沿着第一辐射路径21和沿着第二辐射路径22穿过窗口5到达第一探测器元件31和第二探测器元件32。滤波器51形式的波长选择元件在朝向样品室20的方向上布置在第一探测器元件31的上游。滤波器51允许第一发射线的波长范围内的辐射通过并且至少阻挡第二发射线的波长范围。窗口5的材料被选择为使得来自第一和第二发射线的波长范围的辐射被允许通过。所述窗口例如可以由蓝宝石板或石英玻璃板形成。在所示实施方式中，探测器元件布置在承载探测器元件的电路板43上。用于以高压供应电压的与第一电极邻接的另一电路板44布置在电路板43下方。箭头指示用于连接到真空系统的可选连接开口4的可能位置。在该图中未示出连接开口和真空系统。在所示的实施方式中，窗口5还形成用于第一电极1的真空密封的电通路。第一电极例如可以通过用焊料玻璃环上釉而被上釉到所述窗口中，并且因此可以与所述窗口以真空密封的方式连接。在所示实施方式中，所述窗口朝向真空侧和朝向具有探测器元件31和32的侧由平坦的边界面界定。窗口5在其外周以真空密封方式与第二电极2连接。这种连接也可以例如通过用焊料玻璃环上釉来实施。

图5.a）示出了元素氮的等离子体物质的发射谱的示意图。绘制了以任意单位（arbitrary units，a.u.）表示的强度I对以纳米（nm）为单位的波长

。300-400 nm范围内的发射线组一部分属于分子氮N2和原子氮NI。600-800 nm范围内的发射线组一部分属于单电离氮和双电离氮（NIII）。确切地说，N2、NI、NII和NIII的线在频率范围内出现混合。氮是真空系统中重要的残余气体。根据本发明的方法例如可以涉及化学元素氮的等离子体物质。在图5.b）、图5.c）和图5.d）中示出了用于设定第一和第二波长范围的三种可能性，其中每个波长范围都与图5.a）中的波长轴线有关。

如图5.b）所示，第一波长范围W1包括例如300-400 nm的范围并且尤其是包括N2和NI的等离子物质的多个发射线。在这种情况下，第二波长范围W2包括600-800 nm的范围，因此仅包含未包含在第一波长范围中的发射线。图5.c）示出了具有窄选择的第一波长范围W1'和第二波长范围W2'的示例，每个波长范围包括来自组N2和N的等离子体物质的单个发射线。图5.d）示出了另一个示例，其中第二波长范围W2''完全与第一波长范围W1''重叠并且附加地覆盖包括等离子体物质N2和N的多个发射线的较大波长范围。

图6以横截面示出了一种实施方式的细节，其中微型光谱仪30与窗口5直接邻接地安装。第一辐射路径21穿过窗口5通过微型光谱仪壳体中的狭缝53通向光栅54。由此产生扇形辐射路径，其中每个扇形辐射路径对应于特定波长。各个波长的辐射强度由具有大量探测器元件的探测器阵列39测量。扇形辐射路径之一是在第一探测器元件31中结束的第一辐射路径21。第二探测器元件32布置在第二辐射路径22的末端。

图7示出了基于真空压力传感器的实施方式的横截面，该真空压力传感器详细描述在出版物CH 707 685 A1中。该真空压力传感器包括用于在样品室中产生磁场的永磁体装置9，其中在很大程度上向外部屏蔽了该磁场。所示出的实施方式具有高压通路5，其在光学范围内是透明的并且因此具有窗口5的功能。用其电路符号代表的两个光电二极管D1和D1被安装为，使得可以观察到穿过高压通路的光（这里用两个箭头表示）。滤波器51作为波长选择元件布置在高压通路与光电二极管D2之间。从样品室穿过高压通路落到光电二极管D1上的光保持未经滤波。因此，光电二极管D2具有第一探测器元件31的功能，而光电二极管D1具有第二探测器元件32的功能，使用第二探测器元件可以至少观察到来自未被滤除的波长范围的第二发射线。滤波器51的滤波器特性和光电二极管的灵敏度可以在所示出的实施方式中例如被选择为如下文针对图8所解释的。为了实现所获得信号的稳定性，有利的是使用相同类型的光电二极管。替代地，两个光电二极管也可以都配备滤波器，每个滤波器分别适配于待测量的第一和第二波长范围。该图中右侧可以看到标准真空法兰，使用该标准真空法兰可以将真空压力传感器连接到真空系统，从而将样品室20与真空系统流体动态地连接。

图8.a）示出了对于绘制在水平轴线上的从400 nm到1000 nm的波长范围而言光电二极管D1的灵敏度81、滤波器51的透过特性82和组合的灵敏度曲线83，该灵敏度曲线83是针对与光电二极管D1相同的具有上游滤波器51的光电二极管D2得出的。在所示出的示例中，滤波器的阻挡范围是低于600 nm的极限波长。

图8.b）示出了与图8.b）相同波长范围的灵敏度分布84，该灵敏度分布84通过形成未滤波的灵敏度与用上游滤波器达到的灵敏度之差来得出。通过以这种方式产生的第一灵敏度分布83可以选择大约600-900 nm的第一波长范围，并且通过第二灵敏度分布84可以选择大约400-600 nm的第一波长范围。因此，第一辐射强度可以作为光电二极管D2上的电压来测量，并且第二辐射强度可以作为光电二极管D1上的电压来测量。因此利用这里描述的配置，在氮等离子体的情况下，在等离子体物质的多个发射线上积分式地测量第一和第二辐射强度。

附图标记列表

1 第一电极

2 第二电极

3 测量室

4 连接开口

5 窗口

5' 窗口面（面向样品室）

6 测量室的壁

7 电连接端

8 永磁体装置

9 磁性元件

10 压力传感器

20 样品室

20' 样品室中的最大发光区域

21 第一波长范围的电磁辐射

22 第二波长范围的电磁辐射

30 微型光谱仪

31 第一探测器元件

32 第二探测器元件

33、34、35、36、37、38 另外的探测器元件

39 探测器阵列

41 高压源

42 电流强度测量设备

43 电路板（承载探测器元件）

44 电路板（承载电压源）

51 滤波器

52 透镜

53 狭缝

54 光栅

81 光电二极管的灵敏度

82 滤波器的透过特性

83 第一灵敏度分布

84 第二灵敏度分布

100 用于确定压力的方法

101 产生等离子体的方法步骤

102 测量电流强度的方法步骤

103 测量第一辐射强度的方法步骤

104 测量第二辐射强度的方法步骤

105 确定压力的方法步骤

N、S 永磁体装置的北极/南极

I 强度

I_1 第一辐射强度

I_2 第二辐射强度

C_plasma 通过等离子体的电流强度

N2、NI、NII、NIII 氮的等离子体物质

p 压力

p0 压力的估计值

W1、W1'、W1'' 第一波长范围

W2、W2'、W2'' 第二波长范围

波长

开始方法的起点

结束方法的终点。

Claims

1.一种用于确定真空系统中的压力的方法，其中所述方法包括以下步骤：

a）在样品室（20）中产生（101）等离子体，所述样品室与所述真空系统流体动态连接，并且其中所述等离子体与第一电极和第二电极电接触；

b）测量（102）在所述第一电极和所述第二电极之间流过所述等离子体的电流的电流强度（C_plasma）；

c）测量（103）从所述等离子体发射的第一波长范围的电磁辐射的第一辐射强度（I_1），其中所述第一波长范围包含第一化学元素的第一等离子体物质的至少一个第一发射线；

d）测量（104）从所述等离子体发射的第二波长范围的电磁辐射的第二辐射强度（I_2），其中所述第二波长范围包含所述第一化学元素的第一等离子体物质的第二发射线或所述第一化学元素的第二等离子体物质的第二发射线，以及其中所述第二发射线位于所述第一波长范围外；以及

e）根据所测量的电流强度（C_plasma）、所测量的第一辐射强度（I_1）和所测量的第二辐射强度（I_2）确定（105）所述真空系统中的压力（p）。

2.根据权利要求1所述的方法（100），其中，在基于所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度确定（105）所述真空系统中的压力的步骤e）中确定所述压力的估计值（p0），其中压力-电流强度校准曲线的定义范围被限制于包含所述估计值并且其中所述压力-电流强度校准曲线单调的压力范围，以及其中基于受限的定义范围中的压力-电流强度校准曲线并且基于所测量的电流强度，确定所述真空系统中的压力。

3.根据权利要求2所述的方法（100），其中，基于公式log（p0）=a（I_1/I_2）+b来确定所述压力的估计值（p0）的对数，其中a和b是预先确定的系数，所述系数取决于发射线的选择、用于产生等离子体的布置和所述对数的底。

4.一种真空压力传感器（10），包括：

-样品室（20），在所述样品室中能够产生等离子体，其中所述样品室与第一电极（1）和第二电极（2）电接触，

-电流测量设备（42），其与所述第一电极和所述第二电极电连接并且与所述样品室串联连接，

-波长选择元件（51、54），以及

-用于测量电磁辐射的辐射强度的第一探测器元件（31）和第二探测器元件（32），

其中所述波长选择元件、所述第一探测器元件和所述第二探测器元件布置为，使得只有从所述样品室发出的第一波长范围的电磁辐射能够到达所述第一探测器元件，并且只有从所述样品室发出的第二波长范围的电磁辐射能够到达所述第二探测器元件，

其中第一化学元素的第一等离子体物质的至少一个第一发射线位于所述第一波长范围内，其中所述第一化学元素的第一等离子体物质的第二发射线或所述第一化学元素的第二等离子体物质的第二发射线位于所述第二波长范围内，

以及其中所述第二发射线位于所述第一波长范围之外。

5.根据权利要求4所述的真空压力传感器（10），包括包围所述样品室的测量室（3），所述测量室在壁中具有窗口（5）或该窗口作为所述测量室的壁，其中所述窗口在光学波长范围内是透明的，其中定义了连续的第一辐射路径，所述第一辐射路径从所述样品室开始穿过所述窗口并在所述第一探测器元件中结束，以及其中定义了连续的第二辐射路径，所述第二辐射路径从所述样品室开始穿过所述窗口并在所述第二探测器元件中结束。

6.根据权利要求4或5中任一项所述的真空压力传感器（10），其中，所述第一探测器元件（31）和/或所述第二探测器元件（32）是光电二极管、光电晶体管、电荷耦合器件、多通道板或通道电子倍增器。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的真空压力传感器（10），其中，所述真空压力传感器包括具有探测器阵列（39）的微型光谱仪（30），并且所述第一探测器元件（31）和所述第二探测器元件（32）是所述探测器阵列的元件。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的真空压力传感器（10），其中，所述真空压力传感器包括用于在所述样品室（20）中产生磁场的装置（8）。

9.根据权利要求8所述的真空压力传感器（10），其中，第一电极（1）、第二电极（2）和用于在所述样品室中产生磁场的装置的布置被设计为使得通过向所述电极施加电压能够产生电场，所述电场在所述样品室中基本上垂直于磁场地取向，特别是其中所述布置被设计为磁控管布置、倒置磁控管布置或Penning布置。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的真空压力传感器（10），还包括用于将能量输送给所述样品室中的等离子体的能量源。

11.根据权利要求10所述的真空压力传感器（10），其中，所述能量源包括与第一和第二电极导电连接并且与所述电流测量设备串联连接的高压源（41）。

12.根据权利要求10所述的真空压力传感器（10），其中，所述能量源包括交流电源和感应线圈，其中所述感应线圈与所述交流电源电连接并且被设计为当交流电流流过所述感应线圈时在所述样品室中产生交变磁场。

13.一种用于执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法的装置，包括：

根据权利要求4至12中任一项所述的真空压力传感器和处理单元，

其中所述处理单元与电流强度测量设备（42）、电磁辐射的第一探测器元件（31）和第二探测器元件（32）作用连接，以传输所测量的电流强度（C_plasma）、所测量的第一辐射强度（I_1）和所测量的第二辐射强度（I_2），并且所述处理单元被设计为，根据所测量的电流、所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度来确定真空系统中的压力（p）。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的方法用于扩展真空压力传感器的压力测量范围的应用，所述真空压力传感器基于测量通过等离子体的电流强度，特别是基于冷阴极真空计的功能原理的真空压力传感器，该应用将所述压力测量范围扩展到既包括低于所述真空压力传感器的压力-电流强度特性曲线的极值的压力又包括高于所述真空压力传感器的压力-电流强度特性曲线的极值的压力的压力测量范围。

15.根据权利要求4至12中任一项所述的真空压力传感器（10）在根据权利要求1至3中任一项所述的方法中的用途。