DE102004034381A1

DE102004034381A1 - Gassensor und Verfahren zum Betreiben einer Getterpumpe

Info

Publication number: DE102004034381A1
Application number: DE102004034381A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dr. Wetzig
Original assignee: Inficon GmbH Deutschland
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-02-16
Also published as: CN1985159A; EP1769226A1; US20080202211A1; WO2006008253A1; JP2008506936A

Abstract

Der Gassensor weist eine Pumpenkammer (11) auf, die mit einer Getterpumpe (30) über einen Drosselkanal (20) verbunden ist. Die Detektionskammer (11) ist durch eine Wand (12, 13), die selektiv nur für Wasserstoff durchlässig ist, abgeschlossen. Die Getterpumpe (30) saugt Wasserstoff aus der Detektionskammer (11) ab. Wenn durch die Wand (12, 13) Wasserstoff in die Pumpenkammer (11) diffundiert, wird dies durch einen hochempfindlichen Drucksensor (14) detektiert. Der Gassensor ist von einfachem Aufbau. Er benötigt kein Massenspektrometer.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor zur Ermittlung der Anwesenheit eines Spurengases sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Getterpumpe zum Absaugen von Wasserstoff zur Erzeugung eines Hochvakuums.
Bei Lecksuchgeräten ist es bekannt, das Auftreten eines Spurengases zu detektieren, welches aus einem Leck an einem im Übrigen geschlossenen Gehäuse austritt. In der Regel wird als Spurengas Helium oder Wasserstoff benutzt. In beiden Fällen erfolgt der Nachweis der Anwesenheit des Spurengases durch Einsatz eines Massenspektrometers. Massenspektrometer sind sehr aufwändig und teuer. Außerdem bieten sie nicht die Möglichkeit, D₂ von Helium zu unterscheiden.

In DE 100 31 882 A1 (Leybold Vakuum GmbH) ist ein Sensor für Helium oder Wasserstoff beschrieben, der ein vakuumdichtes Gehäuse aufweist, welches einen selektiv wirkenden Durchlass für das festzustellende Gas aufweist. Das Gehäuse besteht aus Glas und der selektiv wirkende Durchlass ist eine Membran aus einem Siliziumwerkstoff, auf der eine mit Durchbrechungen versehene Siliziumscheibe sowie eine Heizung angeordnet sind. In dem Gehäuse befindet sich ein Gasdrucksensor, der auf den Totaldruck des in das Gehäuse eingedrungenen Gases reagiert. Auf diese Weise kann ein relativ einfacher Gasdrucksensor anstelle eines Massenspektrometers verwendet werden.

EP 0 831 964 B1 (Leybold Vakuum GmbH) beschreibt die Herstellung einer selektiv wirkenden Durchtrittsmembran für Testgasdetektoren von Lecksuchern. Ein Durchlass weist eine aus Silizium bestehende Scheibe auf, welche zahlreiche Gasdurchtrittsflächen bildet. Der Durchlass führt in eine Vakuumkammer hinein, die mit einem Vakuummessgerät verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor zur Ermittlung der Anwesenheit eines Spurengases zu schaffen, der von einfachem Aufbau ist und eine hohe Empfindlichkeit und Selektivität für das Spurengas bietet.

Der erfindungsgemäße Gassensor ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Er weist eine Detektionskammer auf, die eine für das Spurengas selektiv durchlässige Wand hat, und eine Pumpenkammer, die eine das Spurengas aufnehmende Getterpumpe enthält. Die Detektionskammer ist mit der Pumpenkammer durch einen Drosselkanal verbunden. Ein in der Detektionskammer enthaltener Drucksensor stellt einen durch Eindringen des Spurengases verursachten Druckanstieg fest.

Die Erfindung sieht vor, dass von der Getterpumpe in der Detektionskammer ein Hochvakuum erzeugt wird. Die Getterpumpe ist jedoch außerhalb der Detektionskammer in einer Pumpenkammer enthalten. Sobald durch die selektiv nur für das Spurengas durchlässige Wand Spurengas in die Detektionskammer eintritt, erfolgt ein Druckanstieg, der durch die strömungshemmende Wirkung des Drosselkanals nicht sofort von der Getterpumpe abgebaut werden kann. Dieser Druckanstieg wird von dem Drucksensor detektiert und kann als Anzeichen für die Erkennung von Spurengas bewertet werden. Der erhöhte Druck in der Detektionskammer wird unter Berücksichtigung der durch den Drosselkanal hervorgerufenen Zeitkonstanten verzögert abgebaut, so dass der Gassensor anschließend wieder funktionsbereit ist.

Vorzugsweise ist der Gassensor so ausgebildet, dass er die Anwesenheit von Wasserstoff detektiert. Der in der Detektionskammer enthaltene Drucksensor liefert einen Strom, der von dem Gasdruck abhängig ist. Als Drucksensor eignet sich ein nach dem Prinzip der Penning-Entladung arbeitender Sensor, der einen von dem Gasdruck abhängigen Strom liefert. Ein Penning-Drucksensor enthält zwei Plattenelektroden als Katoden und einen dazwischen angeordneten Anodenring. Wenn sich in dem Raum zwischen Anode und Katode Gasionen befinden, erzeugen diese einen detektierbaren Strom. Auf diese Weise sind sehr geringe Gasdrücke von weniger als 10^–12 mbar messbar, wobei allerdings sehr kleine Messströme in der Größenordnung von 10^–13 A auftreten. Auf diese Weise lässt sich eine hohe Empfindlichkeit der Spurengaserkennung realisieren. Penning-Messzellen sind bei der Firma Inficon unter der Bezeichnung "Penning Gauge PEG 100" erhältlich.

Dadurch, dass die Detektionskammer durch eine selektiv nur für das Spurengas durchlässige Wand begrenzt ist, kann ausschließlich das Spurengas von außen her in die Detektionskammer eintreten. Das Auftreten einer Druckänderung in der Detektionskammer dient zur Erkennung des Einbringens von Spurengas und der erfindungsgemäße Gassensor eignet sich für die Erkennung kleinster Spurengasmengen, weil mit der Getterpumpe ein Hochvakuum in der Größenordnung von 10^–12 mbar erzeugt werden kann. Der zur Gasdruckdetektion eingesetzte Drucksensor ist erheblich einfacher als ein Massenspektrometer. Er braucht nicht selektiv auf ein bestimmtes Gas zu reagieren. Vielmehr reicht es aus, wenn der Totaldruck in der Detektionskammer ermittelt wird. Dabei ist auch keine Absolutwert-Ermittlung erforderlich, sondern es reicht aus, Druckänderungen festzustellen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht die Wand, die für das Spurengas selektiv durchlässig ist, andere Gase aber zurückhält, aus einer Membran, die auf einem Träger, z.B. aus Silizium, angeordnet ist. Vorzugsweise ist die selektiv durchlässige Wand beheizbar, um die Durchlässigkeit zu erhöhen. Hierzu kann beispielsweise die Membran selbst als Heizwiderstand eingesetzt werden.

Die Erfindung schafft einen einfach aufgebauten Gassensor, der selbst kleinste Partialdrücke des Probengases mit einfachen Mitteln feststellen kann. Der Gassensor eignet sich besonders für die Anwendung bei der Lecksuche, wobei das Austreten des Spurengases aus einem Behälter detektiert wird.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Getterpumpe zum Absaugen von Wasserstoff, gemäß dem Patentanspruch 7. Bei diesem Verfahren wird ein den Wasserstoff adsorbierendes Gettermaterial in einem evakuierbaren Gefäß, das eine für Wasserstoff selektiv durchlässige Wand aufweist, zum Regenerieren aufgeheizt, so dass der Wasserstoff aus dem Gettermaterial durch die genannte Wand in die Atmosphäre entweicht.

Bei diesem Verfahren bildet das Gettermaterial eine regenerierbare Wasserstoffpumpe. Das Verfahren nutzt den Umstand aus, dass bei einer Erhitzung des Getters Wasserstoff, der zuvor adsorbiert worden war, zur Oberfläche des Gettermaterials wandert, so dass der Wasserstoff nach außen ausgast. Die sonstigen Gase hingegen diffundieren bei Erwärmung in das Gettermaterial hinein. Im Gettermaterial stellt sich ein Gleichgewicht ein zwischen der Aufnahme und der Abgabe von H₂-Molekülen. Die Aufnahme ist abhängig vom Außendruck (Partialdruck). Die Abgabe ist abhängig von der Temperatur. Bei einer Erwärmung des Gettermaterials gast Wasserstoff aus diesem Material aus und füllt den Raum des Gefäßes. Dadurch erhöht sich der Partialdruck des Wasserstoffs im Gefäß über den Partialdruck in der umgebenden Atmosphäre. Wasserstoff tritt also aus dem Gefäß in die Atmosphäre. Dies bedeutet eine Regenerierung des Gettermaterials, das auf diese Weise vom Wasserstoff befreit wird. Das Gettermaterial ist dann aufnahmefähig für abzupumpenden neuen Wasserstoff.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sind nicht so zu verstehen, dass sie den Schutzbereich der Erfindung einschränken. Dieser wird vielmehr durch die Patentansprüche bestimmt.

Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Gassensors zur Ermittlung der Anwesenheit eines Probengases und
2 eine regenerierbare Getter- Vakuumpumpe zum Pumpen von Wasserstoff.
1 zeigt einen Gassensor für eine totaldruck-unabhängige Wasserstoffpartialdruckmessung. Der Gassensor weist ein geschlossenes Gehäuse 10 aus Glas auf, das eine Detektionskammer 11 enthält. Eine Wand 12 des Gehäuses besteht auch aus einem Träger aus porösem Silizium, das an das Glas des Gehäuses angebondet ist. Dieser Träger ist mit einer dünnen Membran 13 aus Palladium bedeckt. Palladium hat die Wirkung, dass es nur für Wasserstoff und dessen Isotope (H₂, D₂, T₂, HD, HT und DT) permeabel ist. Für alle anderen Elemente ist die Permeabilität vernachlässigbar klein.
In der Detektionskammer 11 befindet sich ein Drucksensor 14 in Form eines Penning-Drucksensors. Der Drucksensor 14 weist zwei parallele Katodenplatten 15 auf, die mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind, und von denen in 1 nur eine sichtbar ist. Zwischen den Katodenplatten 15 befindet sich ein Anodenring 16, dessen Achse orthogonal zur Plattenebene verläuft. Eine Spannungsquelle 17 liefert die Gleichspannung, die zwischen die Katodenplatten und den Anodenring gelegt wird. In dem Stromkreis befindet sich ein Strommessgerät 18 zur Messung des Katoden- oder Anodenstroms. Das zur Penningentladung notwendige Magnetfeld wird von einem außerhalb des geschlossenen Gehäuses 10 angebrachten Permanentmagneten erzeugt.
Die Katodenplatten 15 des Drucksensors 14 sind aus einem Material gefertigt, das eine möglichst geringe Saugwirkung für Wasserstoff aufweist, z.B. Aluminium. So ist gewährleistet, dass während des Betriebs die Katodenoberfläche nicht mit Wasserstoff angereichert wird. Damit ist eine Konstanz des Saugvermögens gegeben, welches nahezu ausschließlich von der Getterpumpe 30 bestimmt wird.
An die Detektionskammer 11 ist über einen Drosselkanal 20 eine Getterpumpe 30 angeschlossen, die in der Detektionskammer 11 ein Hochvakuum erzeugt. Die Getterpumpe 30 weist in einem aus Glas bestehenden dichten Gefäß 31 eine Kammer 32 auf, die ein Gettermaterial 33 enthält. Das Gettermaterial besteht beispielsweise aus dem Getter ST707 des Herstellers SEAS-Getters. Es hat eine große Adsorptionswirkung auf Wasserstoff. Der Wasserstoff wird daher aus der Detektionskammer durch den Drosselkanal 20 gepumpt.
Beim Betrieb des Gassensors wird zunächst die Detektionskammer 11 über einen Ansaugstutzen 35 evakuiert, und dann verschlossen, so dass in der Detektionskammer ein Vakuum von beispielsweise 10^–8 bis 10^–7 mbar herrscht. Dann wird das Gettermaterial der Getterpumpe 30 auf die Aktivierungstemperatur von z.B. 500°C aufgeheizt, so dass die Getterpumpe 30 Wasserstoff aus der Detektionskammer 11 ansaugt und den Wasserstoff-Partialdruck auf Drücke kleiner als 10^–12 mbar verringert. Tritt dann durch die für Wasserstoff selektiv durchlässige beheizte Wand 12 Wasserstoff aus der Atmosphäre in die Detektionskammer 11 ein, erhöht sich der Druck in der Detektionskammer 11, weil der Wasserstoff durch den Drosselkanal 20 hindurch nur mit einer Verzögerung abgesaugt werden kann. Dieser Druckanstieg wird durch den Drucksensor 14 erkannt und als Eindringen von Wasserstoff bewertet.
Mit einer 10 μm dicken Membran 13 aus Palladium, die eine Gesamtfläche von 1 cm² hat, ergibt sich bei einer Temperatur von 300°C ein Leitwert durch die Membran von L_H2 = 1,3 × 10^–4 l/s für Wasserstoff. Das Saugvermögen der Getterpumpe 30 wird mit dem Drosselkanal 20 auf S_H2 = 0,2 l/s begrenzt. Eine Erhöhung des Wasserstoffdrucks in der Umgebung des Sensors, also in der Atmosphäre, auf p = 10^–6 mbar bewirkt im Sensor einen Anstieg des Entladungsstroms um 3 × 10^–10 A mit einer Sensorzeitkonstanten von t = 100 ms. Hierbei wurde die typische Empfindlichkeit von I = 1 A/mbar für die Kaltkatodenentladung und ein Sensorvolumen von 20 cm³ angenommen.
2 zeigt eine Getterpumpe 50, die im Prinzip in gleicher Weise ausgebildet ist wie die Getterpumpe 30 von 1. In einem geschlossenen Gefäß 50 aus Glas befindet sich das Gettermaterial 52 in Form zahlreicher Getterpillen 53, die von einem Gitter gehalten sind. Das Gettermaterial ist ein nichtverdampfbares NEG-Material (non evaporatable getter). Dies sind Materialien, deren Pumpwirkung durch Erhitzen gestartet wird. Gase haften an der Oberfläche des Getters und diffundieren während des Erhitzens in das Innere der einzelnen Getterpartikel, so dass anschließend die reaktiven Oberflächen der Getterpartikel weitere Moleküle aufnehmen können. Dieser Vorgang ist wiederholbar, bis das Festkörpermaterial die Sättigungsgrenze erreicht hat. Nur für Edelgase und Wasserstoff ist dieser Prozess anders. NEGs zeigen für Edelgase, bedingt durch das inerte Verhalten der Edelgase, keine Pumpwirkung.
Wasserstoff wird vom Getter schwächer gebunden als andere reaktive Gase. Für Wasserstoff existiert ein Gleichgewichtsdruck zur Umgebung, der von der Gettertemperatur und der vom Getter aufgenommenen Wasserstoffmenge abhängt. Nach Aufnahme von großen Wasserstoffmengen kann die Saugwirkung durch Erhitzen nicht wieder erneuert werden, ohne dass während des Heizens der ausgasende Wasserstoff abgeführt wird.
Als Gettermaterial dient im vorliegenden Fall der Getter ST707 des Herstellers SEAS-Getters. Es können auch andere NEG-Materialien verwendet werden.
Gemäß 2 ist das Gefäß 51 an einer Seite durch eine dünne heizbare Membran 54 aus Palladium abgeschlossen. Palladium weist eine hohe Permeabilität ausschließlich für Wasserstoff und dessen Isotope auf. Die Getterpumpe 50 wirkt für Wasserstoff durch die Membran 54 hindurch.
Das Gefäß 51 wird zunächst einmalig auf Vorvakuumdruck evakuiert und anschließend verschlossen. In diesem Zustand wird der Getter auf z.B. 500°C erhitzt, so dass die Getterwirkung gestartet wird. Im aktiven Zustand des Gettermaterials haften alle reaktiven Gase an der Oberfläche. In das geschlossene Gefäß 51 kann ausschließlich Wasserstoff durch die Palladiummembran 54 strömen. Entsprechend wird aus der Umgebung des Gefäßes 51 nur Wasserstoff von der Wasserstoffpumpe gepumpt. Die Pumpe wirkt unabhängig von den Partialdrücken anderer Gase in der Umgebung nur für Wasserstoff.
Während der Fertigung der Wasserstoffpumpe wird das Volumen einmalig evakuiert auf p < 10^–4 mbar und anschließend endgültig durch Zuglasen verschlossen. Anschließend wird der Getter durch Erhitzen aktiviert, so dass im geschlossenen Volumen vorhandene atmosphärische Gase gepumpt werden und auch Wasserstoff am Gettermaterial adsorbiert. In diesem Zustand wird aus der Umgebung der Pumpe nur Wasserstoff gepumpt, weil nur dieser durch die Palladiummembran in das Pumpvolumen hineinströmen kann. Dies ist der normale Betriebszustand.
Nach der Aufnahme einer Gasmenge von 1000 Torr l pro Gramm Gettermaterial sollte eine Regeneration der Pumpe durchgeführt werden. Nach der aufgenommenen Wasserstoffmenge von 1000 Torr l/g beträgt der H₂-Gleichgewichtsdruck bei der Temperatur von 50°C etwa 7 × 10^–9 mbar. Wird in diesem Zustand das Material auf 500°C aufgeheizt, steigt der Druck auf 80 mbar an. Zur Regeneration muss bei dieser Temperatur das Wasserstoffgas entfernt werden. Der Wasserstoff wird während der Regeneration durch die Palladiummembran nach außen gepumpt. Ist bei T = 500°C der Druck auf 0,5 Torr abgesunken, so entspricht die verbliebene aufgenommene Wasserstoffmenge 25 Torr l/g. Der Gleichgewichtsdruck für diese noch verbliebene Wasserstoffmenge bei T = 50°C beträgt p < 10^–12 mbar.
Aus 2 ergeben sich die Druckverhältnisse während der Regeneration des Gettermaterials. Im Innern des Gefäßes 51 beträgt der Partialdruck für Wasserstoff P_H2 = 80 mbar, und dies ist zugleich auch der Gesamtdruck im Behälter. In der umgebenden Atmosphäre herrscht dagegen Atmosphärendruck von 1000 mbar, wobei der Partialdruck des Wasserstoffs P_H2 wesentlich kleiner als 80 mbar ist. Daher entweicht der Wasserstoff durch die Membran 54 aus dem Gefäß 51. Es muss gewährleistet sein, dass das das Gefäß umgebende Gas frei von Wasserstoff ist. Der Regenerationszyklus ist beliebig oft wiederholbar. Bei einem leicht realisierbaren Leitwert für Wasserstoff durch die Palladiummembran von etwa 1 × 10^–3 l/s, wird für den Durchsatz einer Wasserstoffmenge von 200 mbar l etwa eine Stunde benötigt.

Claims

Gassensor zur Ermittlung der Anwesenheit eines Spurengases, mit einer Detektionskammer (11), die eine für das Spurengas selektiv durchlässige Wand (12) aufweist, einer Pumpenkammer (32), die eine das Spurengas aufnehmende Getterpumpe (30) enthält, und einem die Detektionskammer (11) mit der Pumpenkammer (32) verbindenden Drosselkanal (20), wobei ein in der Detektionskammer (11) enthaltener Drucksensor (14) einen durch Eindringen des Spurengases verursachten Druckanstieg feststellt.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (14) nach dem Prinzip der Penning-Entladung einen von dem Gasdruck abhängigen Strom liefert.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die selektiv durchlässige Wand (12, 13) für Wasserstoff und dessen Isotope durchlässig ist.
Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (12) eine Membran (13), die Palladium enthält, aufweist.
Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (13) auf einem Träger aus Silizium angeordnet ist, der mit der aus Glas bestehenden Detektionskammer verbondet ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die selektiv durchlässige Wand beheizbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Getterpumpe (30; 50) zum Absaugen von Wasserstoff, bei welchem ein den Wasserstoff absorbierendes Gettermaterial (33; 53) in einem Gefäß (31; 51) das eine für Wasserstoff selektiv durchlässige Wand (12; 54) aufweist, zum Regenerieren aufgeheizt wird, so dass der Wasserstoff aus dem Gettermaterial durch die genannte Wand in die Atmosphäre entweicht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (12, 13; 54) beheizt wird.