DE19734914C1 - Vakuumsensor nach dem Penning-Prinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumsensor nach dem Penning-Prinzip, bestehend aus zwei im Betrieb auf unterschiedlichen Potentialen liegenden Elektroden, deren Zwischenraum dem zu messenden Druck ausgesetzt ist, und aus mindestens einem Permanentmagnet, dessen Feld in diesem Zwischenraum zu einer Ionisierung führt, wobei der Ionisie­ rungsstrom als Maß für den Druck ausgewertet wird.

Solche Vakuumsensoren sind beispielsweise aus den Druckschriften DE-AS-16 48 689 und EP 0 622 621 A2 bekannt. In dem Buch "Vakuumtechnik in der industriellen Praxis", Con­ takt und Studium, Bd 204, Herausgeber Prof. W. J. Bartz, Expertverlag Esslingen, Kapitel 3.2 wird ein Vakuumsensor nach dem Penningprinzip erwähnt, der im Druckbereich zwi­ schen 10^-2 und 10^-8 mbar (SI-Einheit hPa) brauchbare Ergeb­ nisse liefert. Ein solcher Drucksensor enthält eine unbe­ heizte, also kalte Kathode, eine auf Hochspannung liegende Anode und einen Magnet, der im Zwischenbereich der Elek­ troden die emittierten Elektronen auf eine Kreisbahn zwingt, wodurch eine Ionisation der Gasmoleküle bewirkt wird, die zu einem auswertbaren Ionenstrom führt.

Weiter beschreibt US 4 902 977 einen Vakuumsensor mit einer HF-Kavität zur Erhöhung des Ionisierungsgrads. Dadurch ergeben sich kleinere Abmessungen.

Die Druckschrift US 5 633 465 A beschreibt einen durch Photolithographie hergestellten Vakuumsensor nach dem Piraniprinzip.

Schließlich wird in der Zeitschrift THIN SOLID FILMS 281-282 (1996) Seiten 393 bis 396 eine dünne Palladium­ schicht beschrieben, die als Photokathode eines Vakuumsen­ sors dient. Der Emissionsstrom aufgrund einer UV-Bestrahlung hängt vom Vakuumwert ab.

Die meisten bisher bekannten Vakuumsensoren nach dem Penningprinzip haben folgende Nachteile:

Der Durchmesser der Vakuumverbindungsleitungen sollte möglichst groß gewählt werden, damit der durch den Ionisa­ tionsstrom bewirkte Pumpeffekt, besonders bei hohen Be­ schleunigungsspannungen, die Druckmessung nicht verfälscht. So liegen die inneren Abmessungen der bekannten Sensoren bei einem Durchmesser von zwischen 10 und 30 mm und bei einer Länge von 20 bis 70 mm. Andrerseits liegt der Druck, bei dem sich die Strömungsverhältnisse im Sensor von der Molekular­ strömung zur Knudsenströmung entwickeln, bei den erwähnten Abmessungen sehr niedrig, was den Meßbereich des Sensors, der nur im molekularen Strömungsbereich brauchbare Ergeb­ nisse liefert, in Richtung auf höhere Drücke begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es also, einen Drucksensor nach dem Penning-Prinzip der oben angegebenen Art so zu verbessern, daß der Meßbereich bis zu 1 mbar oder sogar darüber hinaus erweitert werden kann. Dies würde es ermögli­ chen, eine ausreichende Überlappung mit einem anderen Sen­ sor, z. B. nach dem piezoelektrischen Prinzip zu erzielen, dessen Meßbereich von Atmosphärendruck bis etwa 1 mbar reicht, sodaß mit dieser Kombination der gesamte Druckbe­ reich der klassischen Hochvakuumtechnik von 10^-8 mbar bis zum Atmosphärendruck erfaßt würde.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Zwischenraum zwischen den Elektroden Abmessungen von höchstens 200 µm aufweist und daß die Elektroden, die Perma­ nentmagnete und der Gesamtaufbau durch Dünnschichttechnolo­ gie herstellbar werden.

Durch die Verkleinerung der Abmessungen wird nicht nur der Meßbereich des Penning-Drucksensors um zwei bis drei Zehnerpotenzen zu größeren Drücken hin erweitert, sondern auch das Sensorvolumen deutlich verringert, was einerseits die Realisierung in Dünnschichttechnologie erlaubt und andrerseits wegen der geringen Elektrodenabstände eine deutlich verringerte Hochspannung im Betrieb zuläßt.

Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsbei­ spiele wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mithilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungs­ gemäßen Drucksensor.

Fig. 2 zeigt von oben eine Ansicht dieses Sensors, der mit einem Drucksensor für höhere Drücke bis zum Atmo­ sphärendruck, z. B. nach dem piezoelektrischen Prinzip, kombiniert ist, der in der gleichen Technologie realisiert werden kann.

Der in der Fig. 1 gezeigte Drucksensor ist erfin­ dungsgemäß wie ein Halbleiterchip durch Dünnschichttechnolo­ gie hergestellt. Er besitzt eine n-leitende Trägerschicht 1 aus dotiertem Silizium, auf die eine isolierende Dünnschicht 2 aus Al₂O₃ aufgedampft ist. Durch diese beiden Schichten verläuft ein Loch 3 von z. B. 500 µm Durchmesser. In die Wände dieses Lochs sind Permanentmagnete 4, 5, 6, 7 einge­ lassen, die paarweise einander gegenüberliegen. Die Form und die Polarität dieser Magnete ist so gewählt, daß die Feldli­ nien 15, 16 der beiden Magnete jedes Paars praktisch senk­ recht zur Achse 8 des Lochs verlaufen und diese schneiden. Die beiden Magnetpaare sind übereinander jeweils an Rand einer der großen Oberflächen der Trägerschicht 1 angeordnet und so polarisiert, daß die Feldlinien 15 des einen Paars 4, 5 den Feldlinien 16 des anderen Paars 6, 7 entgegengerichtet sind. Es handelt sich hier also um eine sogenannte Doppel­ plasmaanordnung, die an sich bekannt ist.

In das Loch ragt eine fingerartige Hochspannungselek­ trode 9 koaxial zur Achse 8 hinein. Ihre Abmessungen und die des Lochs 3 sind so gewählt, daß der Abstand zwischen der Elektrode 9 und der Wand des Lochs 3 höchstens 200 µm be­ trägt. Die Elektrode 9 wird von einer Scheibe 10 gehalten, die auf der isolierenden Schicht 2 dicht aufliegt und zum Anschluß einer Zuleitung 11 für die Hochspannung dient. Die Trägerschicht 1 ist die andere Elektrode und liegt im Be­ trieb auf Bezugspotential (Erde). Sie kann unmittelbar auf einen Flansch in einer Wand 12 eines Behälters aufgesetzt sein, dessen Druck gemessen werden soll.

Angesichts der außerordentlich geringen Abmessungen des Sensors kann man die Ionisationsrate im Meßbereich zwischen der Elektrode 9 und der Wand des Lochs 3 ohne Erhöhung der Betriebsspannung vergrößern, indem entweder auf die Wand des Lochs 3 oder auf die Oberfläche der Hochspan­ nungselektrode 9 ein Alphastrahler 13, z. B. Radium aufge­ bracht wird. Die hierfür erforderliche Menge strahlenden Materials ist so gering, daß keine Strahlungsbelastung für das Personal entsteht. Dies ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors gegenüber bekannten Penning-Senso­ ren, deren Abmessungen im cm-Bereich liegen und die gefähr­ lich große Mengen strahlenden Materials erforderlich machen würden.

Der erfindungsgemäße Drucksensor läßt sich voll­ ständig durch Verfahren herstellen, die für hochintegrierete Halbleiterchips entwickelt wurden und in den letzten Jahren weite Anwendungsgebiete erobert haben. So können insbesonde­ re auch die vier Magnete (oder nur zwei Magnete im Fall eines einfachen Penning-Sensors) durch gezielte Zerstäubung (Sputtering) von magnetischem Material in hierfür in der Trägerschicht vorgesehene Räume realisiert werden. Auch das Loch 3 und die Elektrode 10 können auf diese Weise herge­ stellt werden.

Dann bietet sich weiter an, auf demselben Chip, d. h. in der Trägerschicht 1 neben den Penning-Sensor, wie Fig. 2 zeigt, einen weiteren Drucksensor 14 anzubringen, dessen Druckmeßbereich sich mit dem des Penning-Sensors etwas überlappt und der bis zum Atmosphärendruck reicht. Hier handelt es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen oder kapazitiven Drucksensor oder um ein Pirani-Manometer.

Man könnte auch für die Speisung der Elektroden und die Auswertung des gemessenen Stroms erforderliche Elek­ tronikelemente wie Gleichrichter, Verstärker, A/D-Wandler auf dem Chip unterbringen und schon bei der Fertigung des Chips integrieren. Dies ergäbe erhebliche Kostenvorteile, falls große Stückzahlen erforderlich werden.

Schließlich ist es auch möglich, eine Lichtleitfaser bis in den Zwischenelektodenraum des Penning-Sensors zu bringen, um das ionisierte Gas im Bereich der Magnete zu beobachten und analysieren zu können. Dadurch läßt sich das Meßergebnis des Penning-Drucksensors, das an sich von der Art des vorliegenden Gases abhängt, genauer interpretieren.

Die Erfindung ist nicht auf das im einzelnen darge­ stellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es auch möglich, eine Dünnschichtstruktur anzugeben, bei der die Achse des Hohlraums, in dem die Entladung stattfindet, parallel zur Fläche der Trägerschicht verläuft, wobei dann der Ionisationsstrom senkrecht dazu fließt. Man kann auch statt der Gleichspannung eine Wechselspannung zur Speisung der Elektroden einsetzen, wodurch die Zündspannung des Ionisationsplasmas erniedrigt würde.

Claims (5)

1. Drucksensor nach dem Penning-Prinzip, bestehend aus zwei im Betrieb auf unterschiedlichen Potentialen lie­ genden Elektroden (1, 9), deren Zwischenraum dem zu messen­ den Druck ausgesetzt ist, und aus mindestens einem Perma­ nentmagneten (4, 5, 6, 7), dessen Feld in diesem Zwischen­ raum zu einer Ionisierung führt, wobei der durch die Elek­ troden fließende Strom als Maß für der Druck ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabstand höchstens 200 µm beträgt und daß die Elektroden, der Perma­ nentmagnet und der Gesamtaufbau mittels Dünnschicht-Techno­ logie hergestellt sind.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine die im Betrieb auf Bezugspotential liegende Elektrode bildende Trägerschicht ein durchgehendes zylin­ drisches Loch (3) besitzt, das dem zu messenden Druck ausge­ setzt ist und in das axial eine Hochspannungselektrode (9) hineinragt, und daß in die Wand des Lochs (3) zwei Perma­ nentmagnete (4, 5; 6, 7) so eingelassen sind, daß ihre Hauptfeldlinien (15; 16) senkrecht durch die Lochachse (8) verlaufen.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß in die Wand des Lochs (3) vier Permanentmagnete (4, 5; 6, 7) derart eingelassen sind, daß jeweils die Hauptfeld­ linien (15; 16) zwischen den einander gegenüberliegenden Polen eines Paars in unterschiedlichen Höhen der Hochspan­ nungselektrode (9) senkrecht durch die Lochachse (8) ver­ laufen und die Polarität der Feldlinien (15, 16) der beiden Paare einander entgegengerichtet ist.

4. Drucksensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (4, 6, 6, 7) in entsprechende Räume am Rand des Lochs und der Trägerschicht durch Zerstäubungstechnik (Sputtering) eingebracht sind.

5. Drucksensor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden (9) oberflächlich mit einer radioaktiven Substanz (13) zur Erhöhung der Ionisationsrate versehen ist.