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Die Erfindung betrifft eine Druckmesszellenanordnung mit einer optischen Membrandruckmesszelle gemäss den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Druckmesszellenanordnung gemäss den Merkmalen des Patentanspruches 24.
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Es ist bekannt, Drücke bzw. Druckdifferenzen dadurch zu messen, indem eine dünne Membran druckbeaufschlagt wird und ihre druckabhängige Durchbiegung gemessen wird. Eine bekannte und geeignete Methode, die Durchbiegung solcher Membranen zu messen, besteht darin, dass die Membrananordnung als variable elektrische Kapazität ausgebildet wird, wobei über eine Messelektronik in bekannter Weise die Kapazitätsänderung ausgewertet wird, welche mit der Druckänderung korreliert. Bei entsprechender Dimensionierung können derartige Membrandruckmesszellen für hohe Drücke über Atmosphäre bis beispielsweise 1000 bar realisiert werden, aber auch für tiefe Drücke unter Atmosphäre, also für Vakuumanwendungen. Es können mit derartigen Messzellen bei geeigneter Ausbildung sehr hohe Auflösungen auch bei tieferen Drücken, beispielsweise im mbar-Bereich oder auch bei wesentlich tiefer Vakuumdrucken erzielt werden.
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Für hochauflösende Druckmessanwendungen bei hoher Korrosionsfestigkeit gegenüber den zu messenden Medien, wie insbesondere Gasen, wurde eine Membrandruckmesszelle geschaffen, vorzugsweise für Vakuumanwendungen, die vollständig aus korrosionsfesten Materialien wie Metalloxiden besteht, wie insbesondere einem Al
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3, die heute kommerziell sehr erfolgreich eingesetzt wird. Eine bekannte Anordnung dieser Art wurde veröffentlicht in
USP 6,591,687 , welche in ihrer Gesamtheit integrierender Bestandteil der nachfolgend beschriebenen Erfindung ist. Die dort vorgestellte Kapazitive Vakuummesszelle (CDG) ist beispielsweise vollständig aus einer Keramik, wie insbesondere Al
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3, hergestellt. Dadurch werden sehr hohe Korrosionsbeständigkeit und langlebige Reproduzierbarkeit erreicht. Nur in Bereichen, wo gedichtet werden muss oder wo Durchführungen vorgesehen sind, werden in geringen Mengen andere Materialien als Al
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3 vorgesehen, sofern nicht das Al
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3 ohne Fremdmaterialzugabe verschweisst wird. Die Zelle besteht aus einem ersten plattenförmigen Gehäusekörper, über welchem eine Membran im Randbereich dichtend angeordnet ist, sodass diese einen Referenzvakuumraum einschliesst. Auf der dem Referenzvakuumraum abgewandten Seite ist ein zweiter Gehäusekörper ebenfalls im Randbereich dichtend schliessend beabstandet angeordnet, sodass dort ein Messvakuumraum ausgebildet wird. Dieser Messvakuumraum ist mit einem Anschluss für die Zuleitung des zu messenden Mediums versehen. Die Oberflächen des ersten Gehäusekörpers und der Membrane, welche den Referenzvakuumraum ausbilden, sind elektrisch leitend beschichtet, beispielsweise mit Gold, und bilden die Elektroden der Kapazitätsmesszelle. Die Elektroden wiederum sind herausgeführt, beispielsweise durch den ersten Gehäusekörper oder durch den Abdichtungsbereich in der Randzone. Die im Wesentlichen parallel angeordneten Elektrodenflächen weisen einen Abstand im Bereich von 2 µm bis 50 µm auf. Die Abdichtung der Membran im Randbereich gegenüber den beiden Gehäusen erfolgt vorzugsweise durch Verschweissung, beispielsweise durch Laserschweissen. Sehr geeignet und einfach in der Anwendung ist aber auch ein Glaslot, welches ebenfalls recht gut korrosionsbeständig ist. Eine weitere Möglichkeit der dichtenden Verbindung besteht auch darin, Gehäuseteile diffusiv zu verbinden, beispielsweise im Grünkörperstadium, wenn es darum geht, Al
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3-fremdes Material vollständig zu vermeiden.
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Diese Anordnung der Messzelle ermöglicht im Wesentlichen einen symmetrischen Aufbau, der jegliche Verspannungen im Gehäuse vermeidet. Dies ist besonders wichtig, um eine hohe Messempfindlichkeit zu erreichen und tiefe Messdrücke bei hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu realisieren. Dadurch wird ausserdem ermöglicht, eine sehr dünne Membran aus Keramik zu verwenden, welche zwingend ist, wenn die Messzelle tiefere Vakuumdrücke als 100 mbar, und vor allem tiefer als 10 mbar, zuverlässig mit kapazitiven vollkeramischen Messzellen erfassen soll. Hierzu sind Membrandicken von 10 µm bis 1000 µm notwendig, wobei Membrandicken von 30 µm bis 120 µm bevorzugt werden, um eine sehr gute Auflösung zu erreichen.
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Ein weiterer Ansatz zum Auslesen einer derartig aufgebauten Membrandruckmesszelle ist die Verwendung einer optischen Auslesetechnologie für die Messung der Membranauslenkung anstelle des kapazitiven Prinzips, wie dies entsprechend in US Pat.
7,305,888 B2 (Wälchli et al.) beschrieben ist, welche in ihrer Gesamtheit integrierender Bestandteil der nachfolgend beschriebenen Erfindung ist. Das Konzept einer optischen Membranmesszelle (ODG, Optical Diaphragm Gauge) beseitigt einige Nachteile des CDG-Konzepts. Die Druck abhängige Auslenkung der Membrane wird hierbei im Sensor mithilfe eines optischen Systems gemessen, wobei das gemessene Signal mit einer optischen Faser zur optischen Signalaufbereitungseinheit transportiert wird, welche in der Folge das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses optische Signal kann über grosse Distanzen (sogar Kilometer) transportiert werden ohne Abschwächung und ohne Verfälschungen durch umgebende Störungen, wie hauptsächlich elektromagnetische Störungen, Vibrationen und Veränderungen der Umgebungstemperatur.
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Eine derartige Vakuummesszelle hat einen ersten Gehäusekörper und eine Membran, jeweils aus Al2O3. Keramik oder Saphir. Die Membran ist planar mit einem Aussenrand, der durch eine erste Dichtung mit dem ersten Gehäusekörper verbunden wird, um eine Referenzvakuumkammer zu bilden. Ein Stutzen verbindet die Vakuummesszelle mit einem zu messenden Medium. Mindestens im zentralen Bereich des ersten Gehäusekörpers ist ein transparentes optisches Fenster ausgebildet mit einer ersten teilreflektierenden Oberfläche auf der inneren, der Membran zugewandten Seite, und mindestens der zentrale Abschnitt der Membran hat eine zweite reflektierende optische Oberfläche, die der ersten reflektierenden Oberfläche gegenüber liegend positioniert ist. Ausserhalb der Referenzvakuumkammer ist gegenüber dem Fenster und davon beabstandet eine optische Faser abgeordnet, um Licht auf die Membranoberfläche bzw. davon weg zu- bzw. abzuführen. Ein Druckunterschied zwischen den beiden unterschiedlichen Seiten der elastischen Membran verursacht die Biegung der Membran, wodurch sich die Länge des optischen Hohlraums entsprechend ändert. Licht wird durch das Saphirgehäuse bzw. durch das Fenster auf die semireflektierende Membranoberfläche fokussiert, von wo es nach dem Durchlaufen des Interferenzphänomens über mehrere Reflexionen zwischen den beiden Spiegeln unter Verwendung von einem aus mehreren verfügbaren Verfahren gesammelt und analysiert wird (z. B. Fizeau Interferometer (FISO Inc.), Weisslichtpolarisations-Interferometer (OPSENS Inc.), Michelson Interferometer, Spektrometer, ...), wobei die Länge des optischen Hohlraums und damit die Druckdifferenz über der Membran ermittelt wird. Die Messzellenanordnung ist somit Teil einer Fabry-Perot-Interferometer-Erkennungs- oder Analyseanordnung. Die Dicke der Membran zusammen mit ihrem freien Durchmesser und der erwünschten maximalen Biegung definieren den zu verwendenden Druckbereich. Der Membrandurchmesser kann beispielsweise 11 mm sein, und seine Dicke kann 300 µm betragen. Bevorzugte Bereiche für den Membrandurchmesser liegen bei 5,0 mm bis 80 mm, vorzugsweise bei 5,0 mm bis 40 mm, und die Membrandicke ist im Bereich von 10 µm bis 10 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 10 µm bis 1.0 mm, insbesondere für Vakuumanwendungen, und vorzugsweise in einem Bereich von 600 µm bis 9 mm für Hochdruckanwendungen.
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Die bevorzugte vorstehend beschriebene Sensorzelle hat ein einkristallines Saphirfenster oder einen einkristallinen Saphirkörper mit einer Saphirmembran, um das externe optische Auslesen z. B. mittels einer Kugellinse zu ermöglichen. Eine optische Faser kann anschliessend verwendet werden, um das Signal vom Standort zu einer Ausleseeinheit zu übertragen. Ein Nachteil der Verwendung von reinem Saphir in der Sensorzelle ist sein Preis - bearbeiteter einkristalliner Saphir ist sehr kostspielig. Zweitens führt die Kombination aus Saphir und Keramik-Al2O3 eine geringe Unstimmigkeit des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) ein, was beispielsweise zu Problemen beim Temperaturdriftverhalten führen kann. Zur Reduzierung dieses Effekts ist eine korrekte Kristallausrichtung erforderlich, also ein kostspieliger und zeitaufwendiger Prozess. Falls drittens ein mit einem Keramikkörper verbundenes Kristallfenster verwendet wird, erhöhen sich die mechanischen Toleranzanforderungen für den Parallelismus des optischen Hohlraums.
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Bei Implementierungen nach dem bisherigen Stand der Technik werden externe Optikeinrichtungen wie z. B. Kugellinsen verwendet, um das Licht auf der Membran zu fokussieren. Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien besteht die Möglichkeit der Verschiebung des Messpunkts auf der Membran oder der Beugung des Lichtstrahls. Demzufolge kann das System ein instabiles Verhalten zeigen. Zusätzlich ist eine grosse Anzahl von Komponenten erforderlich, wodurch die Herstellung einer derartigen Sensorzelle kostspielig wird.
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Eine weitere Ausbildung einer optischen Membrandruckmesszelle ist in der Patentanmeldung
US 12/163,303 beschrieben, bei welcher eine Lichtleitfaser zur Lichtein- und Auskopplung auf die Membrane in einem Gehäusekörper der Druckmesszelle integriert ist. Hier ist die optische Membrandruckmesszelle, der Sensor (ODG-Sensor), überwiegend aus Keramikmaterialien hergestellt, und eine Lichtleitfaser ist direkt mit dem Gehäusekörper verbunden. Die Verbindung der Faser mit Keramik, die Keramik-Keramik-Bindung und die Ausbildung eines geeigneten Fabry-Perot-Hohlraums erfolgen über spezielle Adhäsionsdichtprozesse. Bei der sich ergebenden Messzelle wird die Bewegung einer den Druck angebenden Membran durch Weisslicht- bzw. Kurzkohärenz-Interferometrie (WLI) ermittelt.
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Eine derartige Druckmesszelle hat einen ersten Gehäusekörper und eine in der Nähe des Gehäusekörpers angeordnete Membran, die beide aus Keramik sind. Die Membran hat einen mit dem ersten Gehäusekörper verbundenen Aussenrand, um eine Referenzdruckkammer zu erzeugen. Ein zweiter aus Keramikmaterial hergestellter Gehäusekörper liegt der Membran gegenüber und ist mit dem Aussenrand der Membran verbunden, wobei der zweite Gehäusekörper zusammen mit der Membran eine Druckmesskammer bildet. Der zweite Gehäusekörper hat einen Stutzen zur Verbindung der Druckmesszelle mit einem zu messenden Medium. Der erste Gehäusekörper, der zweite Gehäusekörper und die Membran sind am Aussenrand der Membran dichtend miteinander verbunden, und in einem zentralen Bereich des ersten Gehäusekörpers ist ein Loch ausgebildet, das durch den ersten Gehäusekörper und mindestens bis in den zentralen Bereich der Membran reicht und dem Loch gegenüberliegend ist eine Oberfläche der Membran als erste optisch reflektierende Fläche ausgebildet. Eine Lichtleitfaser ist im Loch angeordnet und dichtend befestigt, um Licht auf die Oberfläche der Membran zu führen. Das Ende der Faser reicht mindestens bis zur Oberfläche des ersten Gehäusekörpers und ist als zweite optische reflektierende Fläche ausgebildet, die die Oberfläche so verbindet, dass zwischen dem Faserende und der Reflexionsfläche ein optischer Hohlraum vorliegt, der einen Messabschnitt zur Bestimmung des Ausmasses der Verformung der Membran bildet und der Teil eines Fabry-Perot-Interferometers ist.
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Bei diesen bekannten Membrandruckmesszellen bildet diese Messzelle zusammen mit der Ausleseeinheit eine kompakte Einheit, eine Membrandruckmesszellenanordnung.
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Bei der Kapazitiven Messzelle (CDG) wird direkt hinter dem ersten Gehäusekörper das elektrische Signal abgenommen und auf kürzestem Weg dort elektronisch aufgearbeitet. Die Wege müssen hierbei kurz sein wegen den geringen zu verarbeitenden Signalpegeln, um äussere Störeinflüsse genügend gering zu halten bei den geforderten hohen Signalauflösungen. Diese Seite der Messzelle befindet sich zusammen mit der Auswertelektronik auf atmosphärischer Seite. Auf der Messseite, gegenüber der Membrane positioniert ist ein Stutzen angeordnet, der die Messzelle mit dem zu messenden Medium verbindet. Die Messzellenanordnung bildet als ganzes eine Baueinheit, welche über den Stutzen an einer Prozesskammerwand mit dem Prozessraum kommunizierend verbunden ist.
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Bei einer optischen Membrandruckmesszelle (ODG) wird direkt hinter dem ersten Gehäusekörper das optische Signal abgenommen und dann mit einer Lichtleitfaser zu einem Signalauswertegerät weitergeleitet. Zwischen Lichtleitfaser und dem Signalauswertegerät sind hier längere Distanzen möglich. Allerdings erfolgt die Ankopplung der Lichtleitfaser präzise direkt hinter der Messzelle und diese Auskoppelanordnung ist fester Bestandteil der gesamten Messzellenanordnung ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen Kapazitiven Ausführung. Die Messzellenanordnung bildet als ganzes eine Baueinheit, welche wie bei der Kapazitiven Anordnung über den Stutzen an einer Prozesskammerwand mit dem Prozessraum kommunizierend verbunden ist.
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Auch die seit langem bekannten übrigen Vakuumdruckmesszellen, wie beispielsweise Pirani, Penning, Bayard Alpert, Inverted Magnetron und Massenspektrometer, welche nicht auf einer Membrananordnung beruhen sind, wie zuvor beschrieben als kompakte Baueinheiten ausgebildet. Eine derartige ganze Baueinheit wird ebenfalls oft über einen Stutzen mit Flansch an der Prozesskammerwand angeordnet.
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Insbesondere bei Vakuumprozessen, wie Plasmaprozessen, können innerhalb einer Prozesskammer partiell unterschiedliche Drücke der beteiligten Gase bzw. Gasmischungen auftreten. Prozessbedingt werden beispielsweise derartige Druckunterschiede innerhalb derselben Kammer unterschiedlich, oder gar als Gradient, in erwünschtem Masse erzeugt für spezielle Prozessführungen. Vor allem bei Plasmaprozessen ist dies oft der Fall, da dort auch unterschiedliche Plasmadichteverteilungen innerhalb der Kammer entstehen oder gezielt erzeugt werden. Das Hauptgeschehen, bei derartig komplizierten Prozessumgebungen, kann sich dann beispielsweise innerhalb der Prozesskammer örtlich in nur einem speziellen Bereich oder mehreren Bereichen abspielen. Die bisher übliche Druckmessung im Bereich der Kammerwand mit einer angeflanschten Druckmesszelle ermöglicht dann nicht die Ermittlung des Druckes unmittelbar am Ort innerhalb der Kammer wo bei den vorerwähnten Fällen sich die wesentliche Prozessvorgänge abspielen. Eine derartige übliche Druckmessung ist in diesen Fällen indirekt oder sogar integral, was zu einer ungenauen Prozessführung führt oder eine solche in bestimmten Fällen, insbesondere bei sehr hohen Präzisionsanforderungen, gar nicht mehr ermöglicht.
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Aus
FR 2677448 ist eine Druckdose bestehend aus dünnen Glasscheiben und einer mittleren ringförmigen Platte bekannt. Die Innenflächen der Platten sind so behandelt, dass sie halbreflektierend sind. Die Kapsel wird in einer Kammer angeordnet und mit einem weißen Lichtstrahl beleuchtet, wobei Dickenschwankungen der Kapsel durch eine optische Auswertvorrichtung gemessen werden.
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WO 2008/058406 A1 beschreibt eine Vakuummembranmesszelle und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Messzelle. Auf der einen Seite der Membran ist beabstandet eine erste Gehäuseplatte im Randbereich mit einem Verbindungsmittel dichtend angeordnet. Auf der anderen Seite der Membran ist beabstandet eine zweite Gehäuseplatte im Randbereich mit einem Verbindungsmittel dichtend angeordnet. Die zweite Gehäuseplatte weist eine Öffnung auf, an der ein Anschlussmittel mit Verbindungsmittel dichtend angeordnet ist zur Verbindung der Messzelle mit dem zu messenden Medium. Die Membran und die beiden Gehäuseplatten bestehen aus einem Metalloxid. Die Messzelle wird in einer Vakuumkammer mit einem ALD-Verfahren beschichtet derart, dass die Innenwandung des Messvakuumraums und die Öffnung mit dem Anschlussmittel mit einer Schutzschicht bedeckt wird, derart dass mindestens das Verbindungsmittel für die Membran korrosionsschiitzend abgedeckt wird.
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Eine weitere kapazitive Vakuummesszelle mit einem ersten Gehäusekörper und einer Membran, beide aus AL
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3-Keramik oder Saphir, ist in
US 2007/0089524 A1 beschrieben. Die Membran ist eben und weist einen peripheren Rand auf, der durch eine erste Dichtung mit dem ersten Gehäusekörper verbunden ist, um einen Referenzvakuumraum zu bilden. Ein zweiter Gehäusekörper aus AL
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3-Keramik oder Saphir gegenüber der Membran wird mit dem peripheren Rand der Membran durch eine zweite Dichtung verbunden, um einen Messvakuumraum zu bilden. Ein Anschluss verbindet die Vakuummesszelle mit einem zu messenden Medium. Mindestens im mittigen Bereich des ersten Gehäusekörpers ist ein optisch transparentes Fenster ausgebildet und mindestens der mittige Bereich der Membran weist eine optisch reflektierende Oberfläche auf. Außerhalb des Referenzvakuumraums entgegengesetzt zu und beabstandet von dem Fenster ist eine optische Faser zum Einspeisen und Entnehmen von Licht von der Oberfläche der Membran angeordnet.
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US 2003/0117630 A1 beschreibt einen Drucksensor, der auf einem Substrat ausgebildet ist, wobei die Oberfläche des Substrats mit einer P-N-Verbindung und einer Schale mit einem Strahl im Inneren des Gehäuses über die P-N-Verbindung gebildet ist. Der Strahl und die Schale sowie die P-N-Verbindungsoberfläche bilden optische Fabry-Perot-Aussparungen. Eine optische Faser ist in einer Bohrung angeordnet, die in der Unterseite des Substrats unterhalb der P-N-Verbindung angeordnet ist. Licht von der Faser lädt die P-N-Verbindung und treibt sie in einen Vibrationsmodus. Druckververänderungen verändern die Spannung in der Membran, um die Frequenz in Abhängigkeit von Druckveränderungen zu variieren, sodass Druck erfasst werden kann.
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Eine Vorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe ist ebenso in
US 5,675,415 A beschrieben. Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen werden durch eine optische Faser auf eine Membran gestrahlt und das auf der Membran reflektierte Licht sowie das auf einer Referenzoberfläche entgegengesetzt der Membran reflektierte Licht werden zu der optischen Faser zurückgeschickt, sodass der Abstand zwischen der Referenzoberfläche und der Membran, die verformt ist, und somit eine Druckdifferenz, durch die Vorrichtung gemessen werden kann. Die Größe des Versatzes der Membran wird optisch durch Verwenden von Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen gemessen, sodass es möglich ist, die Messung sehr genau durchzuführen und in einem großen Bereich zu messen.
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US 6,341,526 B1 beschreibt einen verbesserten optischen Drucksensor, der den Druck des zu überwachenden Fluids mittels Durchbiegung einer Membran in der Druckkammer des Sensors erfasst. Die Durchbiegung der Membran wird bestimmt mittels Überwachen der Interferenz von Diodenlicht, das von der Membran reflektiert wurde sowie einer Siliziumgitterstruktur, die über die Membran gelegt wurde.
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Schließlich wird eine Vorrichtung zum optischen Messen einer Druckdifferenz in
EP 0 460 357 A2 beschrieben. Die Vorrichtung weist eine transparente planparallele Platte mit einem ersten Spiegel und einen auf einer Messmembran angeordneten zweiten Spiegel auf, der senkrecht zur Spiegelebene in der optischen Achse bewegbar ist, wobei die Druckdifferenz über der Messmembran einen Membranhub bewirkt. Um mechanische Restspannungen in der Messmembran zu vermeiden, wird die Trägerplatte im Bereich der Messmembran auf eine vorbestimmte Dicke verringert. Das Material der Trägerplatte geht ringsum nahtlos in das Material der von der Trägerplatte aufgespannten Messmembran über.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erwähnten Nachteile einer Druckmesszellenanordnung mit einer optischen interferometrischen Membrandruckmesszelle nach dem bisherigen Stand der Technik zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anordnung entsprechend den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst, sowie nach dem Verfahren zur Herstellung einer Druckmesszellenanordnung nach Anspruch 24. Die Abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen.
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Die Druckmesszellenanordnung entsprechend der Erfindung umfasst eine optischen Membrandruckmesszelle, die einen Gehäusekörper aus Metalloxid mit einer davon in geringem Abstand angeordneten, im Randbereich dichtend angeordneten Membrane enthält, derart dass dazwischen ein Referenzdruckraum ausgebildet ist, und dass diese Membrane einem Prozessraum mit dem zu messenden gasförmigen Medium ausgesetzt ist, wobei der Gehäusekörper mindestens im Zentrumsbereich ein optisch transparentes Fenster aufweist, dessen Oberfläche auf der Seite zum Referenzdruckraum hin teilreflektierend ausgebildet ist und die, diesem zugewandte Oberfläche der Membrane mindestens im Zentrumsbereich optisch reflektierend ausgebildet ist, und dass ausserhalb des Referenzdruckraumes, gegenüber und beabstandet von diesem Fenster einen optischen Pfad bildend, eine Signalaufnahmeeinheit mit einer Lichtleitfaser zur Ein- und Auskopplung von Licht auf die Oberfläche der Membrane vorgesehen ist, derart dass dadurch eine Messstrecke ausgebildet ist zur Erfassung von Auslenkungen der Membrane mit einer Signalauswerteeinheit, wodurch eine Fabry-Perot-Interferometeranordnung ausgebildet ist. Hierbei ist der Prozessraum von einer Kammerwand gegen die Atmosphäre abschliessend umgeben, und der Prozessraum ist mit einem Trennmittel mindestens in Teilbereichen begrenzt, derart dass zwischen dem Trennmittel und der davon beabstandeten Kammerwand ein Klimaraum ausgebildet ist, wobei die Signalaufnahmeeinheit an der Kammerwand optisch hindurchführend angeordnet ist und das Trennmittel mindestens im Bereich des optischen Pfades optisch transparente Mittel aufweist, derart dass zwischen der Membrandruckmesszelle und der Signalaufnahmeeinheit eine optische Verbindung besteht.
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Die Druckmesszellenanordnung bildet dadurch nicht mehr eine kompakte Messzelleneinheit, wie eine Bauteilkomponente, wie dies bis anhin üblich war. Die Messzellenanordnung wird gemäss der vorliegenden Erfindung aufgeteilt in einen optischen Membrandruckwandler mit einer davon beabstandeten zugeordneten optische Signalaufnahmeeinheit welche an den vorgesehenen und geeigneten Stellen in und an einer Prozesskammer positioniert werden können. Der Membrandruckwandler kann nun innerhalb der Prozesskammer direkt dort positioniert werden, wo die interessierenden relevanten zu messenden Prozessbedingungen auftreten. Die Signalaufnahmeeinheit hingegen wird an der Wand der Prozesskammer angeordnet und steht mit dem Membrandruckwandler optisch in Verbindung und führt das Signal vom Prozessraum heraus auf die Atmosphärenseite zur weiteren Verarbeitung mit einer Signalauswerteeinheit. Die Anordnung bildet eine Fabry-Perot-Interferometer Messeinrichtung. Zwischen dem Membrandruckwandler und der Signalaufnahmeeinheit werden mindesten in Teilbereichen Trennmittel vorgesehen, wodurch zwischen der Kammerwand und dem Trennmittel dadurch ein weiterer Raum gebildet wird, ein Klimaraum zur Entkopplung des Prozessraumes. Trennmittel können Sieb artige flächige Elemente sein oder auch geschlossene Wände, wobei im Bereich des Lichtpfades ein Fenster zu dessen Durchtritt vorgesehen ist. Dieses Fenster kann, je nach Erfordernis und Dimensionierung der Anordnung, aus einer einfachen Lochöffnung oder aus einem transparenten Material bestehen. Dieser Klimaraum kann nur einen Teilbereich abdecken oder den ganzen Prozessraum, wie eine weitere Kammer umschliessen. Im Klimaraum wird vorzugsweise ein anders Klima als im Prozessraum hergestellt zur wirkungsvollen Entkopplung. Beispielsweise werden dort andere Gase und/oder Drucke eingestellt, beispielsweise mit zusätzlichem abpumpen. Auch kann dies nur in Teilbereichen erfolgen, beispielsweise über generierte Druckstufen oder partielles Pumpen.
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Der Membrandruckwandler kann auf diese Art, von der Signalaufnahmeeinheit beabstandet, fernbetrieben werden, ohne dass dieser zusätzlich mit Medien, wie elektrischer Speisung oder elektronischer Signalverarbeitung, versorgt werden muss, was bei den oft schwierigen Prozessverhältnissen wichtig ist bzw. gar nicht mehr realisierbar wäre. Derartige Prozesse werden beispielsweise oft auch mit sehr aggressiven, korrosiven Gasen betrieben. Auch können hohe Temperaturen auftreten. Es können auch starke elektrische oder elektromagnetische Felder vorhanden sein, die entsprechende Störungen verursachen können. Auch starke Schwankungen dieser Bedingungen können Probleme verursachen. Die optische Auslesung des Signals des Membrandruckwandlers wird durch derartig rauhe Bedingungen nicht beeinträchtigt und der Membrandruckwandler kann nahe an den gewünschten wichtigen Prozesskern hingeführt werden. Dadurch und mit Hilfe des zusätzlichen Klimaraumes können sehr genaue und hochauflösende Druckmessungen auch in kritischen Bereichen des Prozesses realisiert werden.
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Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Figuren und beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. la Im Querschnitt ein Membrandruckwandler mit optisch transparentem Fenster als Einsatz im Gehäusekörper;
- 1b Im Querschnitt ein Membrandruckwandler mit Gehäusekörper aus optisch transparentem Material, der gleichzeitig auch Fenster für den Lichtstrahl bildet;
- 1c Im Querschnitt ein Membrandruckwandler bei dem der Gehäusekörper und die Membran aus optisch transparentem Material gebildet ist;
- 1d Eine schematische Darstellung der Lichtreflexion im Membrandruckwandler zur Darstellung des Interferenzprinzips;
- 2a Im Querschnitt eine Druckmesszellenanordnung gemäss der Erfindung mit siebartigem Trennmittel zur Bildung eines getrennten Klimaraumes;
- 2b Im Querschnitt eine Druckmesszellenanordnung gemäss der Erfindung mit einer Wand als Trennmittel und mit eingebautem Fenster zur Bildung eines Klimaraumes;
- 3 Im Schnitt ein bevorzugtes Beispiel einer bevorzugten Vakuumprozessanlage mit einer Anlagenkammer und einer darin angeordneten weiteren Kammer welche den Prozessraum abtrennt und zwischen den beiden Kammern einen trennenden Klimaraum ausbildet wobei, entsprechend der Erfindung ein optischer Membrandruckwandler an der Kammerwand des Prozessraums dem Prozess gegenüber exponiert angeordnet ist und dieser mit einer an der Anlagenkammer angeordneten Signalaufnahmeeinheit optisch kommunizierend in Verbindung steht;
- 4 Im Schnitt, eine Anlagenanordnung ähnlich der Darstellung in 3 mit mehreren ineinander verschachtelten Kammern, die Prozessräume umschliesse und mit einem aussen liegenden Klimaraum und den Prozessräumen zugeordneten Membrandruckwandlern mit den dazu zugeordneten Signalaufnahmeeinheiten angeordnet an der Anlagekammer.
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Eine Druckmesszellenanordnung gemäss der Erfindung weist einen optischen Membrandruckwandler 23 auf der mit seiner Membran beim Prozessort platziert ist und dadurch dem interessierenden Prozessbereich unmittelbar ausgesetzt ist und der optisch mit einer Signalaufnahmeeinheit 32 in kommunizierender Verbindung steht, welche in der Anlagenkammerwand 30 angeordnet ist, welche die Atmosphäre abschliesst, wie dies in den 1 bis 4 schematisch und beispielsweise dargestellt ist.
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Eine derartige Druckmesszellenanordnung umfasst im einzelnen einen optischen Membrandruckwandler 23, der einen Gehäusekörper 1 enthaltend mindestens eines der Materialien eines Metalloxid, SiO2 oder SiC und mit einer davon in geringem Abstand angeordneten, im Randbereich dichtend angeordneten Membrane 5, derart dass dazwischen ein Referenzdruckraum 8 ausgebildet ist, und dass diese Membrane 5 einem Prozessraum 12, 34 mit dem zu messenden gasförmigen Medium ausgesetzt ist, wobei der Gehäusekörper 1 mindestens im Zentrumsbereich ein optisch transparentes Fenster 3 aufweist, dessen Oberfläche auf der Seite zum Referenzdruckraum 8 hin als teilreflektierender Spiegel 4 ausgebildet ist und die, diesem zugewandte Oberfläche der Membrane 5 mindestens im Zentrumsbereich optisch reflektierend ausgebildet ist, und dass ausserhalb des Referenzdruckraumes 8, gegenüber und beabstandet von diesem Fenster 3 einen optischen Pfad 9 bildend, eine Signalaufnahmeeinheit 32 mit einer Lichtleitfaser 22 zur Ein- und Auskopplung von Licht auf die Oberfläche der Membrane 5 vorgesehen ist, derart dass dadurch eine Messstrecke ausgebildet ist zur Erfassung von Auslenkungen der Membrane 5 mit einer Signalauswerteeinheit 24, wodurch eine Fabry-Perot-Interferometeranordnung ausgebildet wird. Hierbei ist der Prozessraum 12, 34 von einer Kammerwand 30 gegen die Atmosphäre 10 hin abschliessend umgeben, und der Prozessraum 12, 34 ist mit einem Trennmittel 25, 31 mindestens in Teilbereichen begrenzt, derart dass zwischen dem Trennmittel 25, 31 und der davon beabstandeten Kammerwand 30 ein Klimaraum 11, 33 ausgebildet ist, und die Signalaufnahmeeinheit 32 ist an der Kammerwand 30 optisch hindurchführend angeordnet und das Trennmittel 25, 31 weist mindestens im Bereich des optischen Pfades 9 optisch transparente Mittel 25a auf, derart dass zwischen dem Membrandruckwandler 23 und der Signalaufnahmeeinheit 32 eine optische Verbindung besteht zur Übermittlung des optischen Drucksignals.
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Eine derartige Druckmesszellenanordnung mit einem optischen Membrandruckwandler 23 ist besonders geeignet zum Messen von Gasmedien mit hohem Druck und insbesondere für Vakuum.
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Beispiele für den bevorzugten Aufbau des Membrandruckwandlers 23 mit den verschiedenen Varianten ist im Querschnitt schematisch und detaillierter in den 1a bis 1c dargestellt. Der Gehäusekörper 1 ist vorzugsweise rund und plattenförmig. Diese ist entlang ihrer Ränder mit einer Membran 5 dichtend verbunden und ist von dem Gehäusekörper 1 beabstandet positioniert, derart dass dazwischen eine Referenzdruckraum 8 gebildet ist, welcher vorzugsweise eine Vakuumkammer ist. Der Abstand zwischen den beiden Flächen wird normalerweise direkt während des Zusammensetzens mittels des Dichtmaterials 2 eingestellt, das zwischen dem Membranrand und dem Gehäusekörperrand angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine vollständig plane Gehäuseplatte 1 verwendet werden und die Membrane kann sich abhängig vom aussen angelegten Druck auslenken bzw. bewegen.
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Der Gehäusekörper enthält oder besteht aus einem Metalloxid, SiO2, SiC, oder Glas oder auch Mischungen davon. Bevorzugt besteht der Gehäusekörper aus einem Metalloxid, insbesondere aus Aluminiumoxid (Al2O3). Besonders geeignet ist Al2O3 der kristallinen Form Saphir hoher Reinheit. Der Gehäusekörper 1 kann folglich als Keramikplatte ausgebildet sein.
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Die Membrane 5 enthält oder besteht aus einem der Materialien, wie SiC, SiO2 oder vorzugsweise einem Metalloxid oder Mischungen davon. Es ist vorteilhaft wenn das Metalloxid ein Aluminiumoxid ist, vorzugsweise der kristallinen Form Saphir hoher Reinheit.
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Auf die gleiche Art kann ein zweiter plattenförmiger Gehäusekörper auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 5 beabstandet von dieser und an der Randperipherie fixiert angeordnet werden, wodurch Messdruckkammer ausgebildet wird (in den Figuren nicht dargestellt). Diese Messdruckkammer weist dann eine Öffnung auf welche mit dem zu messenden Medium des Prozesses kommuniziert. Mit dieser Ausbildung können, sofern notwendig, unerwünschte Störeinflüsse, wie beispielsweise Ladungsträgerbeschuss aus einem Plasmaprozess, abgeschirmt werden. Es können Membranseitig dafür auch andere oder zusätzliche Massnahmen anstelle dieser zweiten Gehäuseplatte vorgesehen werden wie beispielsweise siebartige Anordnungen, Hauben, Stutzen, Abdeckungen, Baffles etc.
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Die Dichtung 2, allenfalls an beiden Seiten der Membran, definiert entsprechend der vorstehenden Beschreibung den Abstand des oder der Gehäusekörper 1 gegenüber der Membran 5. Diese Dichtung 2 ist beispielsweise und bevorzugt ein Glaslot, welches einfach handhabbar ist und beispielsweise durch Siebdruck aufgebracht werden kann. Die Schmelz- oder Sintertemperatur dieser Glaspaste liegt vorzugsweise im Bereich von 630 °C bis 800 °C. In einem bevorzugten Membrandruckwandler mit einem Aussendurchmesser von 38 mm (bevorzugter Bereich 5-80 mm, besonders bevorzugt 5-40 mm) und einem freien Membran-Innendurchmesser von 30 (bevorzugter Bereich 4-75) mm liegt der Abstand der Membran 5 zum Gehäusekörper 1, im Bereich von 2 µm bis 200 µm, vorzugsweise 2 µm bis 50 µm, und besonders bevorzugt wird ein Bereich von 12 µm bis 35 µm. Bei diesem bevorzugten Beispiel hat der Gehäusekörper 1 eine Dicke von 2 mm bis 10 mm dick. Ein allfälliger zweiter Gehäusekörper liegt beispielsweise im gleichen Dickenbereich.
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Die Membrane 5 weist eine Dicke auf im Bereich von 10 µm bis 1000 µm, vorzugsweise von 30 µm bis 800 µm. Die flächige Unebenheit der Membrane 5 mit Vorteil nicht mehr als 10 µm, vorzugsweise nicht mehr als 5 µm betragen.
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Der Gehäusekörper 1 weist mindestens im Zentrumsbereich ein optisch transparentes Fenster 3 auf, dessen Oberfläche auf der Seite zum Referenzdruckraum 8 hin als teilreflektierender erster Spiegel 4 ausgebildet ist und die, diesem zugewandte Oberfläche der Membrane 5 mindestens im Zentrumsbereich gegenüberliegend an der Oberfläche der Membran 5 eine zweite optisch reflektierende Fläche 6 ausgebildet ist, und zwar vorzugsweise mindestens im zentralen Bereich der Membran 5. Diese Spiegelflächen 4, 6 können als Beschichtung mit einem reflektierenden Film ausgebildet sein, der eine Spiegelschicht 4, 6 bildet. Statt einer Beschichtung kann vorzugsweise, auf der Membranfläche der zweite Spiegel 6 mit einem Glaslotpunkt gebildet werden, der bei hoher Temperatur, beispielsweise in einem Bereich von 700 °C bis 800 °C, aufgebrannt wird, um eine glasierte Fläche als reflektierende Fläche zu erzeugen, die den erwünschten Spiegel hoher Qualität bildet. Dieses Konzept der Bildung eines Spiegels durch einen Glaspunkt ist besonders vorteilhaft, da der Spiegel einfach zu erzeugen ist und ohne eine Verschlechterung der bei der derart ausgebildeten Spiegelfläche benötigten hohen Reflexionsqualität hohen Temperaturen widersteht. Der erste Spiegel 4, als teilreflektierend ausgebildet, kann je nach dem verwendeten Material des Gehäusekörpers 1 auch ohne jegliche Beschichtung erzeugt werden, sofern dieses Material im Bereich des Spiegels 4 und des Fensters 3 eine geeignete optische Oberflächengüte ermöglicht, beispielsweise durch geeignetes Bearbeiten, wie polieren und / oder läppen. Besonders geeignet sind hier Materialien wie, Glas, Quarz (SiO2), insbesondere aber Saphir.
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Die Membrane 5 für den mindestens teilreflektierenden Bereich weist beispielsweise eine Beschichtung auf, vorzugsweise eine möglichst gut reflektierende Beschichtung. Die innen liegende Oberfläche des zumindest teilweise transparenten Gehäuseteils 1 oder des Fensters 3 ist beispielsweise mit einer teiltransparenten Beschichtung versehen, vorzugsweise mit einer halbtransparenten Beschichtung.
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Die Ausbildung des Referenzdruckraumes 8, der Kavität, mit den einander gegenüber liegenden optisch wirksamen Flächen müssen bestimmten Qualitätsanforderungen für das Auslesen des Signals nach dem Interferenzprinzip genügen, um gute Signalwerte zu erzielen. Die optisch wirksamen Oberflächen sollen möglichst parallel ausgebildet sein. Die Summe |α+β+γ| der Winkelabweichung α der beiden Oberflächen des Fensters 3 und die Winkelabweichung β der Membranoberfläche und die Winkelabweichung γ der teilreflektierenden Bereichs der Membranoberfläche sollten den Gesamtwert von 0.05 rad nicht überschreiten.
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Der Gehäusekörper 1 kann mindestens teilweise aus einem Aluminiumoxid bestehen, vorzugsweise der Form Saphir und dieser Teil sollte bevorzugt im Zentrumsbereich liegen zur Ausbildung eines optisch durchlässigen Fensters 3. Ein optisch transparentes Fenster 3 kann auch als transparenter Einsatzkörper innerhalb des Gehäusekörpers 1 angeordnet werden, wenn beispielsweise das Material des Gehäusekörper 1 selbst nicht genügend transparent ist, wie dies in der 1a dargestellt ist. In diesem Fall besteht das Fenster 3 aus geeigneten transparenten Materialien, wie vorzugsweise Glas, Quarz oder Saphir. Das Fenster 3 als separates Einsatzteil ist Vakuum dichtend im Zentrumsbereich des Gehäuseteil 1 mit einer Dichtung verbunden.
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Besteht der Gehäusekörper 1 selbst aus geeignetem optisch transparentem Material, bildet dieser gleichzeitig auch das Fenster 3 für den einzukoppelnden Lichtstrahl 9 welcher über den optischen Pfad 9a zugeführt wird und ein separates Fensterteil 3 ist dann nicht notwendig, wie dies in der 1b gezeigt ist.
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Sowohl die Membran 5, wie auch der Gehäusekörper 1 können aus optisch transparenten oder nicht transparenten Materialien der vorerwähnten Materialgruppe bestehen. In der 1c ist beispielsweise eine bevorzugte Ausbildung für einen Membrandruckwandler 23 gezeigt, bei dem sowohl die Membran 5 wie auch der Gehäusekörper 1 aus optisch transparentem Material bestehen, wie beispielsweise und vorzugsweise aus Saphir.
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Der Referenzdruckraum 8 wird mit einem entsprechend geeigneten Referenzdruck versehen abhängig von den zu messenden Drücken. Bei Vakuummessanordnungen ist dort ein Vakuum vorgesehen und bei hohen Drucken über 1 bar können entsprechend angepasste höhere Referenzdrucke vorgesehen werden. Der Druck im Referenzdruckraum 8 wird folglich entsprechend definiert eingestellt über eine Zuleitung im Gehäusekörper 1, welche dann wieder mit einem Deckel 7 geschlossen wird.
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Besonders bei Verwendung des Konzepts mit dem Membrandruckwandlers 23 als Vakuummessanordnung ist es vorteilhaft, im oder am Gehäusekörper 1 zusätzlich eine Getter-Kammer vorzusehen, die mit der Referenzvakuumkammer 8 kommuniziert, um eine gute, konstante Vakuumqualität über eine lange Einsatzdauer der Messzelle sicherzustellen (in den Figuren nicht dargestellt).
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Der optische Membrandruckwandler 23 bildet Teil einer Fabry-Perot-Messanordnung und kann nun gemäss der Erfindung mit grossem Freiheitsgrad am gewünschten Messort des Prozesses positioniert werden.
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Von ausserhalb der Referenzdruckkammer 8 wird Licht 9 über den optischen Pfad 9a durch das Fenster 3 auf die Membranoberfläche zu- bzw. davon weg geführt, wie dies in der Figur ld schematisch dargestellt ist. Ein Druckunterschied zwischen den beiden unterschiedlichen Seiten der elastischen Membran 5 verursacht eine Auslenkung der Membran 5, wodurch sich die optische Pfadlänge innerhalb des optischen Hohlraums 8 (Kavität) entsprechend ändert, Licht 9 wird durch das Saphirgehäuse 1 bzw. durch das Fenster 3 mit der semireflektierende Oberfläche 4 auf Spiegelfläche 6 der Membranoberfläche fokussiert, von wo es nach dem Durchlaufen des Interferenzphänomens über mehrere Reflexionen R und Transmissionen T zwischen den beiden Spiegeln 4, 6 unter Verwendung von einem aus mehreren verfügbaren Verfahren, gesammelt und analysiert wird (z. B. Fizeau Interferometer (FISO Inc.), Weisslichtpolarisations-Interferometer (OPSENS Inc.), Michelson Interferometer, Spektrometer, ...), wobei die Länge des optischen Hohlraums und damit die Druckdifferenz über der Membran ermittelt wird. Die Zellanordnung ist somit Teil einer Fabry-Perot-Interferometer-Erkennungs- oder Analyseanordnung. Der Lichtstrahl 9 wird an der Anlagenkammerwand 30 über eine dort angeordnete Signalaufnahmeeinheit 32 von atmosphärenseite zum Prozessbereich über den Lichtpfad 9a zum Membrandruckwandler 23 hin und zurück geleitet. Von der Signalaufnahmeeinheit 32 wird das Lichtsignal über eine Lichtleitfaser 22, ausserhalb der Anlagenkammer 30, zu Fabry-Perot-Signalauswerteeinheit 24 geführt welche dort das vorerwähnte Druckmesssignal ermittelt und verfügbar macht, wie dies in den 2 bis 4 dargestellt ist.
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Die Dicke der Membran zusammen mit ihrem freien Durchmesser und der erwünschten maximalen Biegung definieren somit den zu verwendenden Druckbereich.
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In der 2a ist beispielsweise die Druckmesszellenanordnung gezeigt mit der Signalaufnahmeeinheit 32 und dem Membrandruckwandler 23, wie dies in einer Prozessanlage, gemäss der Erfindung, vorgesehen ist bei entsprechender Abtrennung 25 der Prozessraumes 12, 34 gegenüber der Anlagenkammer 30. In der Anlagenkammer 30 mit der Kammerwand 30, wird wie üblich ein Prozess durchgeführt, vorzugsweise ein Vakuumprozess. Die Anlagenkammer 30 bildet die generelle Trennung zwischen Prozessatmosphäre 12 und Umgebungsatmosphäre 10 entsprechend der Normalatmosphäre (ambient). Diese zwei Bereiche können auch als unterschiedliche Klimaräume bezeichnet werden, da im Prozessraum 12 ein anderes Klima bzw. unterschiedliche Bedingungen herrschen, wie beispielsweise Druck, Gasarten, Prozesse, Ladungsträger etc.
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Wie bereits erwähnt erlaubt es die vorliegende Erfindung gezielt Drucke zu messen an gewünscht definierten Orten, insbesondere innerhalb von Prozessräumen 34 durch nahes positionieren des Membrandruckwandlers 23 unmittelbar an diesem Ort. Dazu besteht zwischen diesem Ort und der Anlagenkammerwand 30 entweder ein natürlicher Trennbereich 25, gebildet durch Trennmittel 25, durch die Ausbildung der Prozesskonfiguration selbst oder speziell angeordneten Trennmitteln 25.
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Zwischen dem Trennmittel 25 und der Anlagenkammerwand 30 bildet sich dadurch ein separater Klimaraum 11, 33 aus, der trennend bzw. entkoppelnd wirkt. Dadurch wird der Messort gezielt entkoppelt von übrigen Einflüssen. Trennmittel 25 können Massnahmen sein, die beispielsweise einfach Druckstufen (Druckgradienten) bilden, wie bekannt und üblich in der Vakuumtechnik, magnetische und/oder elektrische Felder wie beispielsweise für Prozesse mit Ladungsträgern und/oder mechanische Mittel. In der 2a ist ein Trennmittel 25 gezeigt, das mechanisch und siebartig ausgebildet ist. Wenn der Membrandruckwandler innerhalb und eintauchend in den Prozessraum positioniert verwendet wird ist ein Trennfenster 25a an den Trennmitteln 25 vorzusehen für den Durchtritt des Lichtstrahles 9 zur kommunikativen Verbindung zwischen dem Membrandruckwandler 23 und der Signalaufnahmeeinheit 32. Im Falle des in der 2a dargestellten Siebstruktur als Trennmittel 25 ist das Trennfenster 25a einfach ein Loch 25a des Siebes. In der 2b ist das Trennmittel 25 als Wandung 25, 31 dargestellt und in diesem Fall muss für dem Durchtritt des Lichtstrahles 9 im Lichtpfadbereich 9a ein optisches Trennfenster 25a, allenfalls dichtend verbunden mit der Wandung vorgesehen werden für den Lichtdurchtritt. Die Wandung kann je nach Bedarf Teil eines Bauteiles der Prozessanordnung sein und/oder als separates Bauteil ausgebildet sein und jegliche Form aufweisen. Geeignet sind aber insbesondere entsprechend geformte Blechteile oder selbst weitere Wandungen von Kammern. Der Membrandruckwandler 23 ist in den Beispielen der 2a und 2b eintauchend in die Prozessatmosphäre dargestellt. Er kann aber auch unmittelbar selbst Teil eines solchen Trennmittels 25 sein und darin mindestens teilweise dichtend eingebaut sein, wie dies beispielsweise in den 3 und 4 dargestellt ist. In diesem Fall ist kein zusätzliches Trennfenster 25a im zugeordneten Trennmittel 25 notwendig. Die Trennmittel 25, 31 können mit partieller Ausdehnung gebildet sein oder den inneren Raum, insbesondere den Prozessraum 12, 34 auch vollständig umschliessen. Die Trennwand 25, 31 kann auch mindestens teilweise Öffnungen aufweisen, vorzugsweise weist sie aber keine Öffnungen auf und ist Gas dicht.
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Wie in den beiden 2a und 2b dargestellt ist, ist die Signalaufnahmeeinheit 32 dichtend in der Anlagenkammerwand 30 angeordnet welche die Peripherie zur Atmosphäre 10 bildet. Diese wiederum ist auf Atmosphärenseite 10 über eine Lichtführung, einer Lichtleitfaser 22, mit einer Signalauswerteeinheit 24 verbunden. Die Signalauswerteeinheit 32 kann beispielsweise als Anbauteil mit einem Flansch 20 an der Anlagenkammerwand 30 positioniert und dort dichtend befestigt werden. Auch ist daran beispielsweise eine Haltevorrichtung 21 vorgesehen, welche die Lichtleitfaser 22 bzw. die Lichtzuführanordnung exakt fixiert und ausrichtet.
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Es ist vorteilhaft wenn mindestens eine der Signalaufnahmeeinheiten 32-32" Licht fokussierende Mittel enthält, um den Lichtstrahl 9 exakter und definierter auf den zugeordneten Membrandruckwandler 23, insbesondere dessen Fenster 3 und die Membran 5, ausrichten und fokussieren zu können. Dazu können Kugel-Linsen oder andere Linsen oder Linsensysteme vorgesehen werden, die am Ende der Lichtleitfaser 22, in Richtung des Membrandruckwandlers 23 im Lichtpfad 9a angeordnet sind.
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Der Abstand zwischen der Oberfläche des Gehäusekörpers 1 des Membrandruckwandlers 23 im Bereich des optischen Fensters 3 und der Signalaufnahmeeinheit 32 kann im Bereich von 0.1 mm bis 50 Zentimeter liegen, vorzugsweise im Bereich von 1.0 mm bis 100.0 mm.
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Es ist darauf zu achten, dass der Gehäusekörper 1 und die Signalaufnahmeeinheit 32 entsprechend genau und nicht verkippt aufeinander ausgerichtet angeordnet sind, derart dass der optische Pfad 9a mit dem Lichtstrahl 9 an der Oberfläche des Fensters 3 am Gehäusekörper unter einem Winkel von 90° auftrifft bei einer maximalen Abweichung von ± 100 mrad.
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In der 3 ist beispielsweise eine Prozessanlage dargestellt mit einer Anlagenkammer 30, die eine Prozesskammer 31 vollständig umschliesst und dadurch zwischen beiden Kammern einen vom Prozess separierten Klimaraum 33, 11 bildet. In diesem Beispiel wird dieser Klimaraum 33, 11 mit einer Vakuumpumpe 35 evakuiert und es wird über ein Ventil 37 das Prozessgas von der Prozessgasquelle 36 in den Prozessraum 34 in die Prozesskammer 31 eingelassen, beispielsweise für einen Plasmaprozess. Auch kann beispielsweise an der Kammerwand 31 oder an anderen Positionen der Prozess mit einer Heizanordnung 38 geheizt betrieben werden. Bei diesem Beispiel ist der Membrandruckwandler 23 in die Wand 31 der Prozesskammer integriert angeordnet. Dieser kann aber auch in die Prozesskammer 31 weiter eingetaucht positioniert werden wobei dann, wie zuvor erwähnt, in der Prozesskammerwand 31 im Bereich des Lichtpfades 9a ein Trennfenster 25a vorzusehen ist, welches die optische Verbindung des Membrandruckwandlers 23 mit der an der äusseren Kammerwand 30 angeordneten Signalaufnahmeeinheit ermöglicht. Es ist auch möglich in der Zwischenkammer, dem Klimaraum entsprechende Membrandruckwandler 23 vorzusehen und dort gar weitere separate Prozesse zu betreiben und zu führen.
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In der 4 ist beispielsweise eine Prozessanlage dargestellt mit einer Anlagenkammer 30, die mehrere ineinander geschachtelte Prozesskammern 31-31" vollständig umschliesst. Im dargestellten Beispiel sind drei ineinander angeordnete Prozesskammern 31-31" mit ihren Prozessräumen 34-34" gezeigt, die auch die Trennmittel 25 darstellen zur Ausbildung verschiedener Klimaräume 33, 34. Prozesskammern können aber auch nebeneinander oder in gemischter Anordnung innerhalb der Anlagenkammer 30 angeordnet bzw. werden. In jeder der Kammerwand sind Membrandruckwandler 23-23" angeordnet. Diese können aber wie schon zuvor erwähnt auch wahlweise innerhalb einer der Prozessräume 34-34" angeordnet werden. Die Membrandruckwandler 23-23" sind über die optischen Pfade 9-9" kommunizierend mit den zugeordneten, an der aussen liegenden Wand der Anlagenkammer 30 angeordneten, Signalauswerteeinheiten 32-32" verbunden. Dort wo sich Wände mit den optischen Pfaden schneiden müssen entsprechende Trennfenster 25a vorgesehen sein, um den Lichtdurchtritt zu ermöglichen. Zwischen der ersten Prozesskammerummantelung 31 und der Aussenwand der Anlagenkammer 30 wird wiederum ein Klimaraum 33 gebildet. Bei der vorliegenden Anordnung mit mehreren verschachtelten Prozesskammern 34-34" bilden diese mit ihren Wandungen 31-31" selbst auch unterschiedliche Klimaräume, da in jeder Kammer unterschiedliche Bedingungen vorliegen die mit den Trennmitteln 25, 31 abgetrennt werden sollen. Diese Kammern können nach bedarf unterschiedlich betrieben werden.
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In einer bevorzugten Anordnung werden mindestens zwei Prozessräume 12, 34, 34' vorgesehen und in mindestens einem dieser Prozessräume mindestens ein Membrandruckwandler 23, wobei für jede Messzelle 23 eine zugehörige zueinander ausgerichtete Signalaufnahmeeinheit 32, 32' an der Kammerwand 30 zugeordnet ist, die jeweils über einen optischen Pfad 9, 9' miteinander in Wirkverbindung stehen.
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Weiter bevorzugt ist, dass mindestens zwei Prozessräume 12, 34, 34' ineinander verschachtelt und über Trennmittel 25, 31, 31' getrennt innerhalb des alle umgebenden Klimaraumes 33 angeordnet sind, wobei die Trennmittel 25, 31, 31' vorzugsweise als Wandungen ausgebildet sind, die Prozessräume umgeben und voneinander trennen.
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Weiter bevorzugt ist, dass mindestens der Klimaraum 11, 33 mit einer Pumpe 35 verbunden ist, vorzugsweise mit einer Vakuumpumpe 35.
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Weiter bevorzugt ist, dass mindestens einer der Klimaräume 11, 33 und/oder der Prozessräume 12, 34, 34' mit einer Prozessgasquelle 36 verbunden ist.
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Die Herstellung einer Druckmesszellenanordnung der vorerwähnten Art umfasst folgende Schritte:
- - Herstellung eines optischen Membrandruckwandlers 23, der einen Gehäusekörper 1 enthaltend mindestens eines der Materialien eines Metalloxids, SiO2 oder SiC aus Metalloxid mit einer davon in geringem Abstand angeordneten, im Randbereich dichtend angeordneten Membrane 5 enthält, derart dass dazwischen ein Referenzdruckraum 8 ausgebildet wird, und dass diese Membrane 5 einem Prozessraum 12, 34 mit dem zu messenden gasförmigen Medium ausgesetzt wird, wobei am Gehäusekörper 1 mindestens im Zentrumsbereich ein optisch transparentes Fenster 3 vorgesehen wird, dessen Oberfläche auf der Seite zum Referenzdruckraum 8 hin teilreflektierend ausgebildet wird und die, diesem zugewandte Oberfläche der Membrane 5 mindestens im Zentrumsbereich optisch reflektierend ausgebildet wird,
- - Anordnung einer Signalaufnahmeeinheit 32 mit einer Lichtleitfaser 22 zur Ein- und Auskopplung von Licht auf die Oberfläche der Membrane 5 ausserhalb des Referenzdruckraumes 8, gegenüber und beabstandet von dem Fenster 3 wodurch dazwischen ein optischer Pfad 9 gebildet wird, derart dass dadurch eine Messstrecke ausgebildet wird zur Erfassung von Auslenkungen der Membrane 5 mit einer Signalauswerteeinheit 24, wodurch eine Fabry-Perot-Interferometeranordnung ausgebildet wird,
- - Umschliessung des Prozessraums 12, 34 mit einer Kammerwand 30 diesen gegen die Atmosphäre 10 abschliessend,
- - Begrenzung des Prozessraums 12, 34 mit einem Trennmittel 25, 31 mindestens in Teilbereichen, derart dass zwischen dem Trennmittel 25, 31 und der davon beabstandeten Kammerwand 30 ein Klimaraum 11, 33 ausgebildet wird,
- - Anordnung der Signalaufnahmeeinheit 32 an der Kammerwand 30 zur optischen Hindurchführung des Lichtes durch diese Kammerwand, wobei an dem Trennmittel (25, 31) mindestens im Bereich des optischen Pfades (9) optisch transparente Mittel (25a) angeordnet werden, derart dass zwischen dem Membrandruckwandler 23 und der Signalaufnahmeeinheit 32 eine optische Verbindung hergestellt wird.
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Die vorgestellte Druckmesszellenanordnung und das Verfahren zur Herstellung einer solchen ist besonders geeignet für die Anwendung als Vakuumprozessanordnung.
