DE10162126A1 - Gasdurchlass mit selektiv wirkenden Gasdurchtrittsflächen - Google Patents
Gasdurchlass mit selektiv wirkenden GasdurchtrittsflächenInfo
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Abstract
Die Erfindung besteht aus einem Gasdurchlass (1) mit selektiv wirkenden Gasdurchtrittsflächen (4), umfassend eine mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (2) ausgerüstete Trägerscheibe (3) aus einem Halbleiterwerkstoff, eine die Öffnungen (2) in der Trägerscheibe (3) abdeckende Membran (5), die die selektiv wirkenden Gasdurchtrittsflächen (4) bildet, sowie Mittel zur Temperierung der Membran (5); zur Vereinfachung vorbekannter Temperiermittel wird vorgeschlagen, dass die Trägerscheibe (3) selbst als Mittel zur Temperierung der Membran (5) dient.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasdurchlass mit selektiv wirkenden Gasdurchtrittsflächen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
- Ein Gasdurchlass dieser Art wird bei Mess- oder Analysegeräten eingesetzt. Es soll beispielsweise erreicht werden, dass leichte Gase bevorzugt, schwerere Gase weniger bevorzugt in ein Mess- oder Analysegerät eintreten. Es ist bekannt, dass die Durchlässigkeit der Membran für leichte Gase temperaturabhängig ist. Um davon - z. B. zur Steuerung der Durchlässigkeit - Gebrauch zu machen, muss die Membran mit einer Heizung ausgerüstet sein.
- Aus der WO 96/41 677 ist ein Gasdurchlass der hier betroffenen Art bekannt. Um die Gasdurchtrittsflächen zu beheizen, ist jede der Vielzahl der Durchtrittsflächen mit einer Heizwendel ausgerüstet. Die Aufbringung der Heizwendeln erfolgt mittels dünnschichttechnischer Verfahren (z. B. Vakuumbeschichtungs- oder Aufdampfverfahren, Fotolithographie, Ätzen). Darüber hinaus müssen die Heizwendeln elektrisch kontaktiert werden, damit sie in einen Stromkreis einschaltbar sind. Auch die zu jeder der Heizwendeln führenden Stromleitungen müssen durch die genannten Beschichtungsverfahren auf die Membran aufgebracht werden. Insgesamt ist die Ausrüstung der Gasdurchlässe mit Heizmitteln nach dem Stand der Technik überaus aufwendig. Schließlich haben die Heizwendeln den Nachteil, dass sie relativ große Bereiche der aktiven Gasdurchtrittsflächen bedecken.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Gasdurchlass der hier betroffenen Art in Bezug auf seine Ausrüstung mit Mitteln zur Temperierung seiner Gasdurchtrittsflächen wesentlich einfacher zu gestalten.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Trägerscheibe selbst als Mittel zur Temperierung der Membran dient. Durch die Erfindung wird es möglich, auf die zusätzlichen Fertigungsschritte, die beim Stand der Technik für die Ausrüstung der Gasdurchlässe mit Temperiermitteln erforderlich sind, zu verzichten. Außerdem sind die Durchtrittsflächen frei von den Durchlass der Gase beeinträchtigenden Heizwendeln.
- Als Trägerscheibe dient zweckmäßig ein handelsüblicher Siliziumwafer. Trägerscheiben aus anderen Materialien, die die Eigenschaften eines Halbleiters haben (z. B. Germanium, Diamant usw.) können ebenfalls eingesetzt werden.
- Die Membran besteht zweckmäßig aus Quarz, Quarzglas oder ähnlichen Materialien, z. B. Pyrex-Glas. Einsetzbar sind aber auch Membranen mit selektiv wirkenden Eigenschaften aus einem Polymer, z. B. FEP, wie es aus der DE-A-43 26 267 bekannt ist.
- Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand von in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen
- Fig. 1a, 1b einen Gasdurchlass nach der Erfindung
- Fig. 2 und 3 schematisch dargestellte Geräte mit jeweils einem Gasdurchlass nach der Erfindung.
- In den Figuren sind der Gasdurchlass mit 1, die mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 2 (Fig. 1b) ausgerüstete Trägerscheibe mit 3 und die die Durchtrittsöffnungen in der Trägerscheibe 2 abdeckende, die Durchtrittsflächen 4 bildende Membran mit 5 (Fig. 1b) bezeichnet.
- Bestandteil der Fig. 1a ist eine Teilvergrößerung des Gasdurchlasses 1, teilweise im Schnitt, teilweise in Ansicht. Nur diese Darstellung lässt die vorzugsweise durch Ätzen hergestellten Durchtrittsöffnungen 2, die Membran 5 sowie zwei der Gasdurchtrittsflächen 4 erkennen. Die Dicke der Trägerscheibe 3 liegt in der Größenordnung von 0,6 mm; die Dicke der Membran 5 beträgt etwa 6 µm.
- Nach der erfindungsgemäßen Idee wird die Trägerscheibe 3 selbst als Widerstandsheizung eingesetzt. Sie ist dazu im Bereich gegenüberliegender Seiten mit metallischen Elektroden 6, 7 ausgerüstet, die zweckmäßig aufgedampft werden. An diese Elektroden wird die zur Erzeugung des Heizstromes erforderliche Spannung angelegt. Elektroden dieser Art sind nicht unbedingt erforderlich; bei einfacheren Lösungen können auch Kontaktklemmen eingesetzt werden.
- Bei Raumtemperatur beträgt der Leitungswiderstand von Standard-Siliziumscheiben etwa 20 MOhm.cm. Mit einer Spannung von 1 kV wird in einer Scheibe mit den Maßen 1 cm × 1 cm × 625 µm ein Heizstrom von etwa 3 µA erzeugt, was einer elektrischen Heizleistung von 3 mW entspricht. Mit dieser Leistung wird der Wafer geringfügig erwärmt, so dass der Leitungswiderstand des Halbleitermaterials abnimmt und somit der Heizstrom bzw. die Heizleistung bei gleicher Spannung steigt. Bei einer Temperatur von T = 380°C beträgt der Leitungswiderstand etwa 3,8 Ohm.cm. Der Leitungswiderstand nimmt also um sieben Zehnerpotenzen bei der Temperaturerhöhung um 360°C ab. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Temperatur präzise über den elektrischen Strom regeln zu können.
- Als Beispiel für ein Gerät, bei dem der erfindungsgemäße Gasdurchlass 1 eingesetzt wird, ist in Fig. 2 ein Leckgasdetektor 8 dargestellt. Ein Leckgasdetektor dieser Art ist aus der DE-A-43 26 265 an sich bekannt. Durch den Gasdurchlass 1 eintretendes Leckgas, z. B. Helium, wird im sich hinter dem Gasdurchlass 1 -befindlichen abgeschlossenen Raum 9 über den Druckanstieg nachgewiesen. Die Trägerscheibe 2 dient erfindungsgemäß als Widerstandsheizung für die Membran 5, deren Durchlässigkeit für leichte Gase mit steigender Temperatur zunimmt. Nach der Bildung eines Signals kann die Heizung z. B. abgeschaltet werden, um zu vermeiden, dass unnötig viel Helium in das Detektorsystem gelangt. Praktisch handelt es sich bei dem dargestellten Detektor 8 um ein Druckmessgerät, was durch das dargestellte Symbol zum Ausdruck kommt.
- Fig. 3 zeigt ein regelbares Testleck 10 mit einem Aufbau wie er bereits in der deutschen Patentanmeldung 101 22 733.7 beschrieben wurde. Es besteht im Wesentlichen aus einem Testgasspeicher 12, einem Sockel 14 mit einem Testgasauslass 16 und einer Steuervorrichtung 18.
- Der Testgasspeicher 12 wird von einem gasdichten topfförmigen Speicherbehälter 20 gebildet, der mit seiner nach unten weisenden Öffnung gasdicht in das obere Ende des Sockels 14 eingesetzt ist.
- Der Metall-Sockelkörper des Sockels 14 weist einen axial vertikal verlaufenden Auslasskanal 17 auf, der den Testgasauslass 16 bildet. Am speicherbehälterseitigen Ende des Auslasskanals 17 ist ein ringförmiger stufenartiger Absatz 26 in den Sockelkörper 15 eingelassen, in dem auf einem ringförmigen Isolationskörper 28 der Gasdurchlass 1 lagert.
- Im axial mittleren Bereich des Auslasskanales 17 ist als mechanischer Schutz eine Filterscheibe 43 mit einem Sicherungsring 44 angeordnet, die das Eindringen von Partikeln in das empfindliche nachfolgende Analysegerät vermeidet.
- Am auslassseitigen Ende des Sockels 14 ist ein Befestigungsflansch 46 vorgesehen, der der einfachen Montierbarkeit der Testleckvorrichtung 10 an ein nachfolgendes Element dient.
- Der Isolationskörper 28 besteht aus einem gut wärmeisolierenden Hitze - und gasbeständigem Material - und isoliert den Gasdurchlass 1 thermisch gegenüber dem Sockelkörper 15. Hierdurch wird die Wärmeabfuhr in den Sockel 14 auf ein Minimum reduziert, so dass auch die zum Halten einer bestimmten Temperatur erforderliche Heizenergie so gering wie möglich gehalten wird. Zur Realisierung hoher Modulationsfrequenzen kann der Isolationskörper 28 jedoch auch aus gut wärmeleitendem Material bestehen.
- Mit der beschriebenen Testleckvorrichtung lassen sich Leckraten von 10-11 bis 10-4 mbar.l.s-1 realisieren.
- Die beschriebene Testleckvorrichtung 10 stellt zum einen eine über einen weiten Leckratenbereich genau einstellbare und steuerbare Testgasquelle dar und ist gleichzeitig sehr zuverlässig, da Verstopfungen des Auslasskanales 17 oder des Gasdurchlasses 1 praktisch ausgeschlossen sind.
Claims (9)
1. Gasdurchlass (1) mit selektiv wirkenden
Gasdurchtrittsflächen (4), umfassend eine mit einer
Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (2) ausgerüsteten
Trägerscheibe (3) aus einem Halbleiterwerkstoff,
eine die Öffnungen (2) in der Trägerscheibe (3)
abdeckende Membran (5), die die selektiv wirkenden
Gasdurchtrittsflächen (4) bildet, sowie Mittel zur
Temperierung der Membran (5), dadurch
gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (3) selbst als Mittel
zur Temperierung der Membran (5) dient.
2. Gasdurchlass nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (3) zumindest
überwiegend aus Silizium besteht.
3. Gasdurchlass nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Membran (5) aus Quarz,
Quarzglas oder ähnlichen Materialien, z. B. Pyrex-
Glas, besteht.
4. Gasdurchlass nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Membran (5) aus einem
Polymer besteht.
5. Gasdurchlass nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (3) in
einander im wesentlichen gegenüber liegenden Bereichen
mit Elektroden (6, 7) ausgerüstet ist und selbst
als Widerstandsheizung dient.
6. Gasdurchlass nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil
eines Helium-Leckgasdetektors (8) ist.
7. Gasdurchlass nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass dass er Bestandteil
eines regelbaren Helium-Testlecks (10) ist.
8. Leckgasdetektor (8), bei dem das Leckgas
(vorzugsweise Helium) über den Druckanstieg nachgewiesen
wird, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem
Gasdurchlass (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5
ausgerüstet ist.
9. Regelbares Testleck (10), vorzugsweise für Helium,
bei dem die Leckrate mit Hilfe einer selektiv
durchlässigen Membran einstellbar ist, dadurch
gekennzeichnet, dass es mit einem Gasdurchlass (1)
nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgerüstet ist.
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