DE2316973C3 - Verfahren und Meßelement zur Vakuummessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren /ur Vakuum messung und ein Meßelement gemäß den Oberbegrif fen der Ansprüche 1 und 2.

In der Vakuum-Meßtechnik unterscheidet man die Druckbereiche Grobvakuum (760 Torr-1 Torr), Feinvakuum (1 Torr-IO 'Torr), Hochvakuum (10 'Torr-10 ^bTorr) und Ultravakuum (10 "Torr-10 "Torr). Es steht zur Messung der verschiedenen Vakuumbereiche eine Reihe von Verfahren zur Verfügung, so z. B. Meßprinzipien mit federelastischen Elementen, variablen Flüssigkeitsniveaus, induktiven Meßwertwandlern, Änderung der Wärmeleitung und Verfahren der Gasionisation. Es ist ein Kennzeichen dieser Verfahren, daß sie jeweils nur einen Druckbereich erfassen, so daß es notwendig ist, für ve^rschiedene Druckbereiche eine Vielzahl von Meßprinzipien anzuwenden. Weiterhin ist bei vielen Verfahren das für die Prozeßtechnik günstige elektrische Ausgangssignal nicht vorhanden.

Die Verwendung von Halbleitermaterialien zur Druckmessung nach dem Prinzip der Wärmeleitfähigkeit ist bekannt. Verwendet werden ausschließlich Thermistoren; der obere Meßbereich ist hierbei auf einige Torr beschränkt (). Sc. Instr., Jahrgang 1966, Band 43, S. 948-949). Der untere Druckbereich der Thermistoren liegt bei 10-'Torr; vor allem wird diese Greme durch die geringe Fläche der Thermistoren bewirkt. Entsprechend der Kniidsen-Forincl läßt sich die durch Wärmeleitung in der Zeileinheit abgeführte Wärrilemenge dC?/d(durch folgenden Ausdruck beschreiben:

UQ At

= k-p· F-IT -T_n)-T₀

s Hierbei bedeuten k eine vom Gas und der Gestalt der Oberfläche abhängige Konstante, ρ den zu messenden Druck, F die Fläche des Meßelementes, T die Temperatur des Meßelementes und Tq die Umgebungstemperatur. Nach dieser Formel läßt sich eine

to wesentliche Steigerung der Empfindlichkeit durch eine Vergrößerung der Fläche erreichen. Da eine Vergrößerung der Thermistorfläche technologisch schwierig ist, werden häufig an Thermistoren zur Vergrößerung der Empfindlichkeit Metallfolien angebracht, die eine Flächenvergrößerung bewirken. Hierdurch wird der untere Meßbereich auf etwa 10 ^b Torr ausgedehnt (The Review of Scientific Instruments, Band 30, Ok'ober 1959, S. 891-895). Ein wesentliches Problem bei der Vakuummessung ist die Kompensation der Temperatur-

ic einflüsse. die sich häufig bei Druck- bzw. Umgebungstemperaturänderungen ergeben. Besonders bei den temperaturempfindlichen Thermistoren ist die Kompensation durch einen zweiten Thermistor unumgänglich. Dieser Kompensationsthennistor muß genau die

!■ gleichen Temperatureigenschaften besitzen wie das eigentliche Meßelemen·. Dies kann man nur durch ein aufwendiges Klassieren und Aussuchen geeigneter Elemente erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. HaIbleitermeßelemente zu entwickeln, die es erlauben, mit einem einzigen S>siem mehrere Druckbereiche, vom Grob- über das Fein· zum Hochvakuum, zu erfassen und bei denen zusätzlich in einfacher Weise eine Elimination der Temperatureffekte erreicht wird.

u Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen I und 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Meßclemenis sind in den Unteransprm hen 3 und 4 gekennzeichnet.

|o Die mit der Erfindung erzielten Varteile bestehen insbesondere dann, daß ein einziger Meßumformer für mehrere Druckbereiche anwendbar ist. ein elektrisches Ausgangssignal liefert und sich auf technologisch einfache Art und Weise der Temperatureinfluß weilge-

^s hend reduzieren läßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. I Druckmeßgerät mit Thermistoren;

so Fig. 2 .Schematische Anordnung des Halbleilerelementes eines Druckumformers mit 2 aktiven Widerständen und 2 Kompensationswiderständen; F i g. 3 Druckumformer mit Halbleiter-Meßelement; Fig.4 Linearität der Ausgangsspannung bei ver-

ss schiedenen Einbaubedingungen des Halbleitermeßelementes;

Fig. 5 Linearisierung durch parallele Plalten zum Meßelement.
In Fig. I ist die üblicherweise mit Thermistoren

fio verwendete Schaltung eines Vakuummeters dargestellt (Glas- und Hochvakuum-Technik, 2. Jhrg., H. 15/16, S. 302). Ein Thermistor I befindet sich in einer Meßröhre 2, während sich ein Kompetisationsthermislor 3 in einem abgeschlossenen Volumen 4 befindet. Widerstands de 5 und 6 etgänzen die Anordnung zu einer Wheatsloneschcn Brückenschallung. Die Brücke hat hierbei nur einen aktiven Widerstand, in diesem Fall den Meßlhermistor I, so daß das Ausgangssignal nicht

maximal ist. Ein doppelt so großes Ausgangssignal erhält man mit zwei aktiven Widerständen. Eine solche. Anordnung ist schematisch in Fig.2 dargestellt. Die beiden Meßwiderstände 7 und 8 befinden sich im zu messenden Unterdruck, während sich die beiden r> Kompensationswiderstände 9 und 10 in Normalatmosphäre befinden. Da bereits bei der in Fig. I dargestellten Anordnung das Aussuchen von geeigneten Thermistorpaaren Schwierigkeiten bereitet, ist es verständlich, daß diese Schwierigkeiten wegen der größeren Anzahl benötigter gleicher Elemente bei der Anordnung entsprechend Fig. 2 noch vergrößert werden. Diese Schwierigkeit entfällt, wenn man zur Gewährleistung maximaler Gleichheit alle 4 Widerstände im gleichen Arbeitsgang herstellt, wie dies z. B. durch is Eindiffundieren, Implantieren, epitaktisches Aufbringen von Widernandsbahnen auf einem Halbleitersubstrat oder durch Aufdampfen von halbleitenden Widerstandsbahnen auf einer Unterlage möglich ist. Vorteilhaft ist es hierbei, daß man gleichzeitig durch das in der Halbleitertechnologie übliche Aufdampfen von Metall bahnen die Verbindungen der einzelnen Widerstände in einfacher Weise herstellen kann.

Integrierte Schaltungen dieser Art sind unter Ausnutzung des piezoresistiven Widerstandseffektes (Widerstandsänderung bei mechanischer Beanspruchung) nach der Art von Dehnungsmeßstreifen bekannt (Electronics. 17. Okn. I%6, Seite 155). Ein im Prinzip gleiches Element kann nun unter Ausnutzung anderer physikalischer Effekte, nämlich der druckabhängigen Wärmeleitfähigkeit und Konvektion für die Vakuummessung benutzt werden. Ein solches Element zu benutzen, ist vom Meßeffekt her nicht vorgezeichnet. Die logische Weiterentwicklung bei der Vakuummeßtechnik ist der Übergang von den Glühfaden-Pirani-Manometern wegen des größeren Meßeffektes zu den Thermistoren und von dort wegen des größeren Meßbereiches zu großflächigen Thermistoren, wobei letztere nicht realisierbar sind. Der geringere Meßeffekt, beispielsweise des monokristallinen Siliziums (Temperaturkoeffizient maximal +0,7%Γ C bis + l.O^o/o/°C), wird beim vorliegenden Meßelement dem größeren Meßeffekt der Thermistoren (Temperaturkoeffizient -I⁰ZoI⁰C bis -4,50/0/⁰C) vorgezog n, weil wegen der technologisch leicht herstei'baren viroßflä- 4s chigkeit ein so großer Meßbereich überstrichen wird, daß mehrere hierfür notwenige Meßprinzipien ersetzt werden. Die GröQ>e des Meßeffektes ist nicht so entscheidend, da in beiden Fällen eine genügend große Ausgangsspannung erzeugt wird. Vorteilhaft neben der ί° Meßbereichsvergrößerung ist bei monokristallinen Halbleitern die wesentlich geringere Langzeitdrift gegenüber Thermistoren.

Das in Fig.2 dargestellte Schaltungsschema kann unmittelbar für den in F i g. 3 dargestellten Aufbau eines praktisch realisierten Druckumformers mit Halbleitermeßelement übernommen werden. Es sei hier ergänzend erwähnt, daß man vorteilhaft die Einzelwiderstände nicht als eine einzelne Leiterbahn, sondern mäanderförmig ausbildet. Auf einem Halbleitersubstrat 12 sind in integrierter Weise vier Widerstände 13,14,15, 16 beispielsweise eindiffundiert. Sie sind über die ebenfalls aufgebrachten Leiterbahnen 17 zu einer Brücke, im vorliegenden Fall eine Wheatstone-Brücke, verschaltet. Die beiden Meßwiderstände 13 und 14 stehen über ein perforiertes Gehäuse 18 mit dem zu messenden Druck des Umgebungsmediums in Verbindung, während die beiden Kompensationswiderstände 15 und 16 durch eine Trennwand 19 und ein geschlossenes Gehäuse 20 einem konsianten Umgebungsdruck ausgesetzt sind. An den Kontaktstellen 21 werden über Anschlüsse 22 und Durchführungen 23 die Versorgungsspannung zugeführt, bzw. die Meßsignale abgenommen. Ein Anschlußrohr 24 kann, wie dargestellt, mit einem GewindeanschluÖ versehen sein. Selbstverständlich kann die Anordnung auch aus nur je einem Meß- und einem Kompensationswiderstand bestehen.

Für die Linearisierung der Ausgangsspannung eines Druckumformers gemäß F i g. 3 ergibt sich eine einfache Möglichkeit.

Beeinflußt man die durch freie Koveknon verursachte Wärmeübertragung im Grobvakuumbcreith. so läßt sich — wie in Fig. 4 dargestellt — die Ausgangsgroße als Funktion des Druckes des Gebers linearisieren. Geeignete Maßnahmen hierzu sind einmal eine experimentell bestimmbare Größe und Form des in F i g. 3 mit 18 bezeichneten perforierten Gehäuses. Zum anderen ist es entsprechend F i g. 5 auch möglich, in dem Gehäuse 25 durch zusätzliches Anbringen von Flächen 26, dii beispielsweise aus Metall sind und parallel zum Halbleiterelement 27 liegen, die Ausgangsgröße zu linearisieren.

Insbesondere kann man ein günstiges Zeitve'halten erreichen, wenn man vorzugsweise bei der solchermaßen geteilten Meß- um' Kompensationswiderständen, z. B. durch unterschiedliche Absolutwerte der Widerstände dafür sorgt, daß nur der Meßwidersland vom Brü:kenstrom erwärmt wird, während die Eigenerwärmung des Kompensationswiderstandes im Gegen/weig der Brücke vernachlässigbar klein bleibt.

Hier/u } Hhilt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Vakuummessung nach dem Prinzip der Messung der von der druckabhängigen Konvektion und Wärmeleitfähigkeit hervorgerufenen Änderung des elektrischen Widerstandes eines für die Druckbereiche von Grob- bis Hochvakuum verwenbaren Halbleiters, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßelement ein monokrisiallines flächenhaft ausgebildetes Halbleitersubstrat mit eindiffundierten Widerslandsbahnen benutzt wird.

2. Meßelement zur Vakuummessung für die Diuckbereiche von Grob- bis Hochvakuum ruch dem Verfahren gemäß Anspruch I, bestehend aus einem monokristallinen, Nächenhafi ausgebildeten Halbleitersubstrat mit in integrierter Weise einJiffundierten W-'Jerstandsbahnen, wobei die Umgebungseinflüsse durch Kompensationswiderstandsbahnen eliminiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstands'wert der Meßwiderstandsbahn kleiner ist als der Widerstandswert der Kompensa iionswidersiandsbahn.

3. MeUelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel /ur Fläche des Halbleitersjbstrates weitere Flächen /ur Linearisierung der Ausgangsgröße als Funktion des Druckes angeordnet sind.

4. Meßelement nach Anspruch 2 und 3. dadurch gekennzeichnet, daß sich die Widerstandsbahnen zur Messung des Druckvs und ^ie zur Kompensa tion auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleiiersubstrates befinden.