EP2691755A1 - Gasdruckmesszellenanordnung - Google Patents

Gasdruckmesszellenanordnung

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Publication number
EP2691755A1
EP2691755A1 EP12704649.8A EP12704649A EP2691755A1 EP 2691755 A1 EP2691755 A1 EP 2691755A1 EP 12704649 A EP12704649 A EP 12704649A EP 2691755 A1 EP2691755 A1 EP 2691755A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
arrangement according
measurement
thread
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12704649.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Urs Wälchli
Bruno Berger
Daniel Vogel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inficon Holding AG
Original Assignee
Inficon GmbH Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inficon GmbH Switzerland filed Critical Inficon GmbH Switzerland
Publication of EP2691755A1 publication Critical patent/EP2691755A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L21/00—Vacuum gauges
    • G01L21/10—Vacuum gauges by measuring variations in the heat conductivity of the medium, the pressure of which is to be measured
    • G01L21/12—Vacuum gauges by measuring variations in the heat conductivity of the medium, the pressure of which is to be measured measuring changes in electric resistance of measuring members, e.g. of filaments; Vacuum gauges of the Pirani type

Definitions

  • the invention relates to a gas pressure measuring cell arrangement according to the preamble of patent claim 1.
  • gas pressure measuring cells which are designed as banks effetivesszelle eg Pirani.
  • a heating element usually a measuring thread or measuring wire is electrically heated and determined from the heating power on the pressure-dependent heat conductivity of the gas pressure.
  • the pressure can be measured in a range between about 10 "4 mbar and a few 100 mbar, but above a few 10 mbar the convective heat transfer predominates, so that the measurement of gas flow is influenced there and is strongly dependent on the position
  • the evaluation of the measuring signal with a measuring electronics is relatively expensive if precise results are to be achieved over a wide range, in particular against the higher pressures starting at 10 mbar, because there the curve heating power to gas pressure flattens out at constant This is also because, as mentioned above, the influence of the flow regime of the gas increases in this pressure range
  • the regulation of the measurement Filament temperature and evaluation of the output from the bridge signal voltage is carried out with a measuring electronics, usually in analog circuit technology, which contains in a known manner, for example, operational amplifiers and / or comparators.
  • a Pirani measuring cell In order to expand the pressure range to be measured, it has also been proposed to combine such a Pirani measuring cell with at least one further, different measuring principle. In this way, the pressure range to be measured can be expanded both downwards and upwards, so that it is possible, for example, to realize a combination measuring cell which can measure pressures in the range from 10 -8 mbar to a few bar in EP 0 658 755 B1
  • a combination measuring cell which combines a Pirani sensor with an ionization sensor on a common measuring head, and also describes how the overlapping regions can be handled by signal technology in order to ensure a gapless and linear transition during signal evaluation.
  • piezo-resistive pressure sensors on semiconductor basis for detecting pressures, in particular in the range of 1.0 mbar to 1.0 bar or even a few bar to about 3.0 bar.
  • Such pressure sensors are suitable for the higher pressure range.
  • Such a sensor is described, for example, in M. Wutz et al. "Theory and Practice of Vacuum Technology", F. Vieweg & Sohn, Braunschweig, 2010, 10th Edition, pages 513 to 514.
  • low-resistance interconnects doped on a semiconductor membrane are applied, forming resistors.
  • the resistors are connected in such a way that they form a bridge.
  • the bridge connections are reading out the signal to the outside.
  • the change of the gas pressure at the membrane causes a deformation of the semiconductor membrane and from the resistance change thereby a detuning of the bridge.
  • silicon is particularly suitable because it is very flexible.
  • semiconductor resistors causes a change in pressure in the material a change in resistance, which is evaluated as Druckmass.
  • Semiconductor materials are particularly suitable since not only does the resistance change as a result of the change in the geometric dimension, but in addition also its specific resistance, as a result of which the piezo-resistive effect is additionally enhanced.
  • the, usually four, resistors can be arranged on the membrane in such a way that all effect a signal change in the membrane deflection occurring in the desired direction. This leads to good signal levels. This arrangement also makes it possible, as desired, to directly integrate further active components, such as amplifiers or digital elements.
  • Suitable piezoresistive silicon-based pressure sensors are sold, for example, by the company: Measurement Specialties, 1000 Lucas Way Hampton, VA 23666, USA.
  • the present invention has the object, the To simplify construction of a Pirani - Gas horrmesszellenan instrument significantly and at the same time to achieve a smaller size while increasing the efficiency of the production. This should be achieved without reducing the measurement quality compared to known measuring cells. This should preferably also be further improved. An additional task is that it should be possible to expand the measuring range of the Pirani measuring cell without much extra effort.
  • the gas pressure measuring cell arrangement comprises a heat conduction vacuum measuring cell according to Pirani, comprising a measuring chamber housing, which encloses a measuring chamber and conducts a measuring connection which directs the gas pressure to be measured into the measuring chamber.
  • a heatable measuring thread is arranged, which is connected to a measuring electronics, wherein the measuring electronics in thermal contact on one side of an insulating support plate, preferably made of ceramic, and this support plate is on the opposite side of the measuring chamber housing.
  • the measuring thread is fed directly into feedback from the measuring electronics in series with a measuring resistor and the measuring electronics determine the resistance of the measuring thread directly.
  • these are supplied to an analog-digital converter ADC and processed by a digital processor for processing according to a predetermined algorithm.
  • the processor in turn carries out necessary signals via a digital-to-analog converter DAC for controlling and heating the measuring thread of the piranian order, whereby the control loop is closed.
  • the processed signal is led out by the processor via an I / O interface for further use.
  • These cuts Location is preferably designed as a serial interface. If there is a desire to provide other types of signals, such as parallel or even analog, this is easily possible with additional electronics integrated on the carrier plate.
  • a piezo-resistive semiconductor pressure sensor which is thereby coupled directly thermally to the carrier plate.
  • the present construction also makes it possible in a simple way to connect the piezo-resistive pressure sensor directly via a small opening in the carrier plate to the measuring chamber in which the measuring thread is also arranged.
  • Such a piezo-resistive pressure sensor can advantageously be used not only for pressure measurement alone, but also simultaneously for temperature measurement.
  • the processor-based electronics also bring the important advantage that you can work with smaller total voltages, because there is no bridge circuit more.
  • the measuring resistor does not have to be selected in the same dimension as the measuring thread.
  • the supply voltage can now be selected in the low range of about 2.0 to 5.0 volts and it can even be operated pulse-free.
  • the temperature of the measuring thread can now be selected within wide limits and also adjusted in a pressure-dependent manner in order, for example, to circumvent or, for example, better control regions which are sensitive to soiling.
  • This combined gas pressure measuring cell arrangement is very simple and inexpensive to realize with high measuring accuracy and service life.
  • the thus possible and advantageously realizable to be swept range goes from vacuum to atmosphere, from 10 "4 mbar to 3,000 bar, preferably from 10 " 3 mbar to 2,000 bar, with a resolution of better 30%, preferably better 15%, in particular better than 5.0%, of the measured value measured in each case.
  • FIG. 1b schematically and in cross-section an enlarged detail A of a part of the measuring cell according to FIG. 1a;
  • FIG. 1b schematically and in cross-section an enlarged detail A of a part of the measuring cell according to FIG. 1a;
  • FIG. 2 shows the electrical circuit in principle for a Pirani measuring cell, as shown for example in FIGS. 1a and 1b;
  • FIG. 2 shows the electrical circuit in principle for a Pirani measuring cell, as shown for example in FIGS. 1a and 1b;
  • FIG. 4 shows the basic electrical circuit diagram of the piezoresistive pressure sensor according to the embodiment of FIG. 3;
  • FIG. 5 shows schematically and in cross section a gas pressure measuring cell arrangement according to the present invention
  • FIG. 6 shows in cross section a detailed view of the figure 5 with representation of the measuring chamber and arranged thereon carrier plate. 7 schematically and in cross-section a development of the gas pressure measuring cell arrangement according to the present invention additionally in combination with a piezoresistive pressure sensor; 8 shows a circuit arrangement with a Pirani measuring cell according to the present invention;
  • FIG. 9 shows a circuit arrangement with Pirani measuring cell according to FIG. 8, additionally in combination with a piezoresistive pressure sensor according to the present invention
  • FIG. 10 shows a circuit arrangement according to FIG. 9 with reference temperature measurement via the piezoresistive pressure sensor
  • FIG. 11 circuit arrangement according to Figure 9 with reference temperature measurement via the internal diode of the piezoresistive pressure sensor.
  • a known measuring cell arrangement of the type banks istsvakumummesszelle to Pirani is shown schematically and in cross section in Fig. 1a.
  • a measuring chamber 2 includes a measuring thread 1, which is electrically isolated via a bushing 6, 5 and hosed tight vacuum technology.
  • the measuring thread 1 is held, for example, by two support pins 5, 5 ', which pass electrically through the insulating body of the bushing 6 to the measuring electronics arranged outside the measuring chamber 2.
  • the electronic circuit of the measuring electronics is arranged in a known manner on a PCB PCB.
  • the measuring chamber 2 is enclosed by the measuring chamber housing 3 and forms the chamber wall.
  • the measuring chamber 2 is openly accessible and can be connected as desired to the vacuum volume and the vacuum pressure P to be measured, for example via a flange-shaped part of the measuring chamber housing 3, which thus forms the measuring port 4 with the measuring port 4 ' ,
  • a housing 30 encloses the measuring electronics PCB which is connected via electrical connections, such as a cable or a plug 31 with the peripheral evaluation units and / or controls.
  • Such a gas pressure measuring cell arrangement thus forms a modular measuring cell.
  • the Pirani measuring principle is operated with the measuring electronics arranged on the printed circuit board PCB.
  • the measuring thread 1 as part of a Wheatstone bridge R- 1 ', R 2 ⁇ PTC, kept at a constant temperature, as shown schematically in Figure 2 in a circuit diagram.
  • the power that must be applied to keep the temperature constant is then a measure of the sample gas pressure P surrounding the filament.
  • the measurement voltage is tapped by an operational amplifier or comparator OP on a diagonal of the Wheatstone bridge and the output signal is fed back as bridge operating voltage, for example via T1, placed on the second bridge diagonal.
  • a similar circuit is described, for example, in M. Wutz et al. "Theory and Practice of Vacuum Technology", F. Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1982, 2nd edition, described on page 369.
  • a temperature sensor is installed in a known manner, for example a PTC or NTC, in order to detect and reference the ambient temperature.
  • the measurement setup is very temperature sensitive and changing ambient temperatures affect the measurement and would generate measurement errors if this were not compensated. Good temperature measurement and compensation is therefore very important for the Pirani heat conduction measuring cells.
  • the temperature sensor must therefore also be placed in a suitable location in order to capture the relevant temperature changes as well as possible. A practical arrangement of such a temperature sensor 32 is shown in FIG. 1b, which shows an enlarged detail A of FIG. 1a.
  • the temperature sensor 32 for example a PTC resistor, is pressed on the wall thereof with a spring element 33 at the upper end region of the measuring chamber housing 3, in the vicinity of the bushing 6, such that there, between the measuring chamber housing 3 and the temperature sensor 32 , a good thermal contact is achieved.
  • the spring element may, for example, be formed from the PCB material itself if this printed circuit board PCB itself is designed as a flexprint material.
  • the connection is detachable and electrically isolated by the Flexprint.
  • the temperature sensor 32 with the spring element 33 is in the example shown between the pushed-over protective housing 30 and the measuring chamber arranged housing 3, so that when removing the protective housing, the connection is easily solved. This type of contacting is relatively complex because it must be electrically insulating and in the best case, for example, for a sensor replacement, be solvable.
  • a sensor For the measurement of higher gas pressures in the vacuum range of about 1.0 mbar to 1.0 bar and measuring sensors 20 have become known, which operate on the piezoelectric principle, as has already been explained above.
  • a sensor is shown schematically, for example, in cross-section in FIG. From a semiconductor wafer 23, preferably silicon, a depression is worked out at a zone which is thin enough and thereby forms a membrane which can bend in accordance with the applied pressure P to be measured. On this membrane doped, low-resistance tracks are attached, which form the measuring resistors whose values change when bent.
  • the electrical connections 28 of these measuring resistors R1 to R4 enable signal processing by measuring electronics.
  • a cover plate 25 is arranged with a cavity over the membrane 24 for protection.
  • the base plate 21 and the cover plate 25 are made, preferably made of glass.
  • the electrical circuit diagram is shown.
  • the measuring resistors R1 to R4 are connected in bridge and their connections b to e led out. It is also shown that the internal diode D1, which forms the semiconductor by the doping, can be led out electrically separately at the connection a.
  • a gas pressure measuring cell arrangement with a Pirani heat conduction vacuum measuring cell is shown schematically and cross section in FIG.
  • the measuring chamber housing 3 encloses a measuring chamber 2 and has a measuring port 4 with an opening 4 ', which leads the gas pressure P to be measured into the measuring chamber 2.
  • a heatable measuring thread 1 preferably consisting of a metal, such as tungsten, arranged, which is connected to a measuring electronics 11.
  • the measuring electronics 11 is arranged in thermal contact on one side of a ceramic support plate 10.
  • the carrier plate 10 forms part of the measuring chamber housing 3. The carrier plate 10 thus closes off the measuring chamber 2 in a vacuum-tight manner.
  • the measuring thread 1 is connected in series with a measuring resistor Rm and is powered by the measuring electronics directly in feedback, preferably within a control loop, the measuring electronics 11 determines the resistance of the measuring thread 1 directly and directly.
  • the carrier plate 10 is made of an insulating material such as ceramic, preferably of an alumina ceramic. This ceramic has a higher thermal conductivity than eg glass. This is important in order to be able to master the temperature behavior of the arrangement well. For example, a typical lead-through glass has a thermal conductivity of only about 1 W / (mK), whereas, on the other hand, the cited aluminum oxide ceramic has about 25 W / (mK).
  • the temperature measurement for the determination of the reference temperature can now take place directly on the carrier plate 10 itself or is part of the electronic circuit which is applied to the carrier plate 10.
  • separate temperature sensors such as semiconductor sensors or other types, can be provided on the carrier plate within the electronic circuit, or even suitable circuit elements of the measuring electronics themselves can be used for this purpose.
  • the support plate 10 can be advantageously formed as a separate component and with a seal 15, 15 'vacuum-tight on the measuring chamber housing 3 are mounted.
  • This seal may for example be an elastomeric seal and be formed as an O-ring 15 or as a flat gasket 15 ', or it may also be formed as a metal gasket.
  • the support plate 10 is simply glued to the measuring chamber housing 3 in a vacuum-tight manner.
  • the present novel construction according to the invention now makes it possible to use hard, low-emission adhesives, since the parts involved now have similar temperature coefficients, as a result of which stress micro-cracks no longer arise.
  • the support plate 10 is advantageously disk-shaped. Due to the mentioned arrangement, the feedthrough and the sensor holder (measuring thread) are now combined in a single element and at the same time the measuring electronics are integrated.
  • the measuring thread 1 has at both ends supporting pin-like filament connections 5, 5 '.
  • this type of through-hole must withstand higher temperatures and be vacuum-compatible and therefore leakproof. This requires a sintering process in the production.
  • the arrangement can be made very compact. It is advantageous if the measuring thread is arranged approximately parallel to the surface of the support plate 10, as shown in the example of Figures 5 and 6.
  • the measuring chamber housing 3 which forms the measuring chamber 2 for receiving the measuring thread 1.
  • the measuring chamber housing 3 is advantageously made of a metal, such as in particular Inox.
  • the area of the carrier plate 10 with the measuring electronics 11 can be protected with a protective housing 30 and, as usual, cables 31 and / or plugs can be provided for the electrical connection of the measuring cell.
  • the measuring electronics is applied directly to the insulating support plate 10.
  • the conductor tracks are in direct contact with the surface of the carrier plate 10 to which the electronic components 13 are integrated and / or arranged.
  • the arrangement of the tracks 12 with the electronic components 13 is carried out with known per se techniques such as those for printed circuit boards (PCB -), thin-film circuits or thick-film circuits are used.
  • the thick-film circuit technology is particularly suitable here. This is also well compatible with the preferred ceramic as a support plate 10. It is also advantageous if the surface roughness of the support plate is less than 0.6 ⁇ .
  • the conductor tracks 12 and any insulation layers applied by screen printing and then baked or sintered. Subsequently, the electronic components are mounted, for example by soldering or bonding.
  • the circuit may also be formed in a known manner as a hybrid circuit.
  • resistors are formed as part of the conductor 12 and further components 13, such as active component, mounted on the conductor tracks 12.
  • the components 13 mounted on the strip conductors 12 are preferably and at least partially implemented in SMD (Surface Mounted Device) technology.
  • the support plate 10 may have a thickness in the range of 0.5 to 5.0 mm, preferably in the range of 0.6 to 2.0 mm. This is particularly advantageous with alumina ceramic as the carrier material.
  • the diameter of the carrier plate 10 is in this case within 10.0 mm to 50.0 mm, preferably within 15 mm to 35 mm.
  • the measuring thread 1 is designed as a metal spiral, preferably made of tungsten or nickel, and has a thread length, from pin 5 to pin 5 ', within the range of 10.0 mm to 40.0 mm, preferably within the range of 12.0 mm to 25 mm.
  • the entire measuring cell can thus be built very small and has a diameter in the range of only 14 mm to 54 mm, preferably 19 mm to 39 mm, the height, without cable outlet, in the range of 15 mm to 40 mm.
  • the connection flange can be designed, for example, as a thread, for example with a 1/8 "thread
  • the measuring electronics comprise a processor ( ⁇ ) for the digital processing of the measured signals and control of the measuring thread 1, as shown in the circuit diagram of FIG
  • the measurement thread 1 of the Pirani measuring cell Pi is fed in a controlled manner analogously to the converter (DAC1), with a driver being provided for the power matching, for example a transistor T1 or an integrated circuit.
  • the measuring resistor Rm is connected in series with the measuring thread 1 and is arranged between the driver T1 and the measuring thread 1.
  • the stood Rm and the measuring thread 1 signal applied is tapped and each supplied via an analog to digital converter (ADC1, 2) to the processor ( ⁇ ) for further processing.
  • ADC1, 2 analog to digital converter
  • the feedback circuit is formed by means of which the heating power is controlled and / or regulated in accordance with the programmed specifications.
  • the gas pressure to be measured is determined with the processor and passed on to the I / O interface for further evaluation or processing to the periphery.
  • a temperature sensor Tr which is arranged in the circuit arrangement on the support plate 10, there the reference temperature is determined and its signal also via an analog to digital converter (ADC3) supplied to the processor, so that the programmed processor determine the appropriate correction measures and can involve.
  • ADC3 analog to digital converter
  • the above concept can easily be populated with other additional electronic components if necessary and desired.
  • a further electronic component namely a semiconductor-based piezo-resistive pressure sensor 20, as shown schematically and in cross-section in FIG.
  • This type of pressure sensor has a very small size, for example from about 1.0 to 2.0 mm 2 , whereby it can be easily integrated in the present concept of the circuit arrangement on the support plate 10, similar to an SMD component. As a result, the geometric dimension of the measuring cell arrangement is hardly affected.
  • the piezo-resistive pressure sensor 20 is advantageously arranged by vacuum-tight adhesion to the carrier plate 10 on the conductor track side and its electrical connections 28 (ad) are electrically connected there to the associated conductor tracks.
  • the adhesive is advantageously a silicone adhesive.
  • the piezo-resistive semiconductor pressure sensor 20 preferably has a silicon membrane 24.
  • a connecting line 26 is provided, which connects the measuring chamber 2 communicating with the piezoresistive pressure sensor 20.
  • the piezoresistive pressure sensor 20 is thus aligned with the carrier plate in such a way that its access opening 22 as a measuring opening is connected in a manner communicating directly with the connecting line 26 located in the carrier plate 10, thereby establishing the connection to the measuring chamber 2 in which also the measuring thread 1 is arranged.
  • the signal output of the piezoresistive pressure sensor 20 is connected via a further ADC (ADC4) to the processor for its direct signal evaluation, as shown in the circuit diagrams in Figures 9 to 11.
  • connections c and e on the piezo-resistive pressure sensor pick up the pressure signal Ud of the piezo-resistive bridge and this is passed through an ADC (ADC4) to the processor and via the terminals b and d it is electrically fed via V + and Gnd.
  • ADC ADC4
  • V " the supply voltage is indicated in each case in a known manner, and with Gnd the" ground “or the ground connection is indicated in Figure 9.
  • a temperature sensor is also shown, which is part of the circuit arrangement on Carrier plate 10 may be to detect the reference temperature and the processor as a signal via an ADC (ADC3) supply.
  • Another advantageous possibility to detect the reference temperature is to measure the temperature coefficient of the piezo-resistive pressure sensor 20 directly and to detect, for example via a resistor R5, which is connected between terminal d of the bridge and Gnd, as shown in Figure 10, for example .
  • the tapped at the resistor R5 temperature signal is then again passed through an ADC (ADC4) to the processor and processed there.
  • ADC4 ADC4
  • Tr can be dispensed with in this case.
  • Another even more advantageous possibility of reference temperature measurement is to use the temperature coefficient of the internal diode D1 of the semiconductor junction of the piezoresistive pressure sensor 20.
  • the terminal of the diode D1 is led out at the point a and connected to Gnd via a resistor R6, as shown for example in FIG. That at the R6 tapped temperature signal is then again passed through an ADC (ADC4) to the processor and processed there.
  • ADC ADC4
  • Tr can also be dispensed with in this case.
  • This type of temperature measurement is particularly simple and accurate.
  • the measuring sort is located directly in the semiconductor material of the piezoresistive pressure sensor 20.
  • the two measuring principles a Pirani thermal conduction pressure gauge and a piezo-resistive pressure sensor
  • the measuring ranges of the two measuring principles overlap and with the presented electronic signal analysis, a large pressure range for gas pressure can be covered completely and with high measuring precision.
  • the Pirani arrangement Pi may preferably cover a range from 10 -3 mbar to a few 100 mbar and the piezoresistive pressure sensor 20 a range from 1 mbar to 2.0 bar
  • the total preferably over-reachable measuring range at gas pressures in the range of 10 "3rd mbar up to 2.0 bar with sufficiently high accuracy.
  • piezoresistive pressure sensors which further extend the range to about three bars.
  • a range of vacuum can be covered up to an overpressure of a few bars.
  • Another advantage of the presented gas pressure measuring cell arrangement lies in the calibration. Both types of sensor must be calibrated and this is easier in the present arrangement, since the temperature behavior in the present arrangement has high synchronous characteristics of the parts involved and the arrangement is compact. For this reason, it is now also possible to realize a permanent field calibration, for example by detecting pressure-temperature value sets, which can then be compared automatically.

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Abstract

Eine Gasdruckmesszellenanordnung umfasst eine Wärmeleitungsvakuummesszelle nach Pirani (Pi), enthaltend ein Messkammergehäuse (3), welches eine Messkammer (2) umschliesst und mit einem Messanschluss (4) der den zu messenden Gasdruck (P) in die Messkammer (2) leitet. In der Messkammer (2) ist ein beheizbarer Messfaden (1) angeordnet, welcher mit einer Messelektronik (11) verbunden ist, wobei diese in thermischem Kontakt auf einer Seite einer keramischen Trägerplatte (10) angeordnet ist und diese Trägerplatte (10) auf der gegenüberliegenden Seite Teil des Messkammergehäuse (3) bildet. Der Messfaden (1) wird in Serie mit einem Messwiderstand (Rm) von der Messelektronik (11) direkt in Rückkoppelung gespiesen und die Messelektronik ermittelt den Widerstand des Messfadens (1) direkt.

Description

Gasdruckmesszellenanordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasdruckmesszellenanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es ist bekannt Gasdruckmesszellen einzusetzen, die als Wärmeleitungsmesszelle z.B. nach Pirani ausgebildet sind. Bei derartigen Messzellen wird ein Heizelement, üblicherweise ein Messfaden oder Messdraht elektrisch geheizt und aus der Heizleistung über die druckabhängige Wärmeleitfähigkeit des Gases der Druck bestimmt. Auf diese Weise kann der Druck in einem Bereich zwischen etwa 10"4 mbar und einigen 100 mbar gemessen werden. Oberhalb von einigen 10 mbar überwiegt jedoch die konvektive Wärmeübertragung, so dass dort die Messung von Gasströmung beeinflusst wird und stark lageabhängig ist. Ausserdem ist die Messung nach dieser Methode gasartabhängig. Die Auswertung des Messignales mit einer Messelektronik ist relativ aufwendig wenn präzise Resultate über einen weiten Bereich erzielt werden sollen. Insbesondere auch gegen die höheren Drücke hin ab ca. 10 mbar, da dort die Messkurve Heizleistung zu Gasdruck abflacht bei konstant gehaltener Heizfadentemperatur. Dies u.a. auch, weil in diesem Druckbereich, wie zuvor erwähnt, der Einfluss des Strömungsregimes des Gases zunimmt. Die dazu verwendeten Messschaltungen werden in bekannter Weise mit einer Wheatstone - Brückenanordnung realisiert, bei welcher einer der vier Brük- kenwiderstände durch den Messfaden bestimmt ist. Die Regelung der Messfadentemperatur und Auswertung der von der Brücke abgegebenen Signalspannung wird mit einer Messelektronik vorgenommen, üblicherweise in analoger Schal- tungstechnik, die in bekannter Weise, beispielsweise Operationsverstärker und / oder Komperatoren enthält. Zusätzlich muss, wegen der hohen Temperaturempfindlichkeit der Messanordnung, die Temperatur der Messanordnung als Referenz erfasst und mit der Messelektronik berücksichtigt werden. Derartige Pirani - Gasdruckmesszellen sind empfindlich und deshalb relativ aufwendig in der Realisati- on, sind aber heute in der Praxis weit verbreitet. Ein Überblick über diese Messtechnik ist beispielsweise beschrieben in M. Wutz et al. "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik", F. Vieweg & Sohn , Braunschweig , 1982, 2. Auflage, Seite 366 bis 373.
Ein derartiges Produkt wird seit vielen Jahren sehr erfolgreich weltweit vertrieben von der Firma INFICON GmbH, FL-9496 Balzers, Liechtenstein unter der Pro- duktebezeichnung PSG 50X - Serie.
Um den zu messenden Druckbereich zu erweitern, wurde auch vorgeschlagen eine derartige Pirani-Messzelle mit mindestens einem weiteren, anderen Messprinzip zu kombinieren. Hierdurch kann der zu messende Druckbereich sowohl nach unten, wie nach oben erweitert werden, so dass es beispielsweise möglich ist, eine Kombinationsmesszelle zu realisieren, die Drücke messen kann im Bereich von 10"8 mbar bis einige bar. In der EP 0 658 755 B1 wird beispielsweise eine derartige Kombinationsmesszelle beschrieben, welche auf einem gemeinsamen Messkopf einen Pirani-Sensor mit einem lonisations-Sensor vereint. Es wird dort auch beschrieben, wie die überlappenden Bereiche signaltechnisch gehandhabt werden können, um einen lückenlosen und linearen Übergang bei der Signalauswertung zu gewährleisten.
In der EP 1 097 361 B1 wird eine weitere Kombinationsmesszelle beschrieben, bei welcher ein Pirani-Sensor mit einem Kapazitiven Membran-Sensor (CDG) kombi- niert wird. Auch werden dort Hinweise gegeben wie, die dem Pirani Messprinzip stets inhärenten Probleme der Temperaturbeherrschung durch Massnahmen am Sensorkopf verbessert werden können.
Bekannt ist auch der Einsatz von Piezo-resistiven Drucksensoren auf Halbleiter- basis zur Erfassung von Drücken, insbesondere im Bereich von 1.0 mbar bis 1.0 bar oder gar einige bar bis etwa 3.0 bar. Derartige Drucksensoren sind geeignet für den höheren Druckbereich. Ein derartiger Sensor wird beispielsweise beschrieben in M. Wutz et al. "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik", F. Vieweg & Sohn , Braunschweig , 2010, 10. Auflage, Seite 513 bis 514. Bei derartigen Sen- soren werden beispielsweise auf eine Halbleitermembran dotierte, niederohmige Leiterbahnen aufgebracht, die Widerstände bilden. Die Widerstände werden derart beschaltet, dass sie eine Brücke bilden. Die Brückenanschlüsse werden zur Aus- lesung des Signals nach aussen geführt. Die Änderung des Gasdruckes an der Membrane bewirkt eine Verformung der Halbleitermembran und aus der dadurch erfolgten Widerstandsänderung eine Verstimmung der Brücke. Als Halbleitermaterial ist Silizium besonders geeignet, da dieses sehr biegsam ist. Bei derartigen Halbleiterwiderständen bewirkt eine Druckänderung im Material eine Widerstandsänderung, die als Druckmass ausgewertet wird. Halbleitermaterialien sind besonders geeignet, da bei diesen sich nicht nur der Widerstand durch die Veränderung der geometrischen Abmessung ändert, sondern zusätzlich auch dessen spezifischer Widerstand, wodurch zusätzlich auch der piezo-resistive Effekt verstärkt ist. Zusätzlich können die, üblicherweise vier, Widerstände derart an der Membrane angeordnet werden, dass alle eine in die gewünschte Richtung erfolgende Signaländerung bei der Membrandurchbiegung bewirken. Dies führt zu guten Signalpegeln. Diese Anordnung ermöglicht auch zusätzlich, nach Wunsch, direkt weitere aktive Bauteile, wie Verstärker oder digitale Elemente, zu integrieren. Geeignete Piezoresistive Drucksensoren auf Siliziumbasis werden beispielsweise von der Firma: Measurement Specialities, 1000 Lucas Way Hampton, VA 23666, USA vertrieben.
Die Nachteile des bisherigen Stands der Technik in Bezug auf eine Pirani- Messzelle und von Kombinationsmesszellen liegen bei der praktischen Realisierung in der Komplexität der Anordnung mit den vielen notwendigen Teilen. Eine derartige Messzelle benötigt eine Vakuumdurchführung, die das Vakuum mit dem Sensor sauber und langzeitig mit hoher Qualität bei unterschiedlichen Einsätzen und Temperaturverhältnissen gegenüber Atmosphäre zur Messelektronik hin trennt. Derartige Vakuumdurchführungen stellen stets eine Temperaturbarriere dar, welche die notwendigen Massnahmen für Temperaturmessung und Temperaturkompensationen behindern und somit kompliziert machen. Hierdurch wird auch die Baugrösse ungünstig beeinflusst und kleinere Messzellen sind nur noch bedingt realisierbar und die Herstellkosten können nicht weiter reduziert werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, den Aufbau einer Pirani - Gasdruckmesszellenanordnung wesentlich zu vereinfachen und gleichzeitig eine geringere Baugrösse zu erzielen bei Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Herstellung. Dies soll erreicht werden ohne die Messqualität gegenüber bekannten Messzellen zu verringern. Diese soll vorzugsweise auch wei- ter verbessert werden. Eine zusätzliche Aufgabe besteht darin, dass es ohne grossen Zusatzaufwand ermöglicht werden soll, den Messbereich der Pirani - Messzelle zu erweitern.
Die Aufgabe wird bei der gattungsgemässen Gasdruckmesszellenanordnung gemäss den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 gelöst. Die ab- hängigen Patentansprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemässe Gasdruckmesszellenanordnung umfasst eine Wärmelei- tungsvakuummesszelle nach Pirani, enthaltend ein Messkammergehäuse, welches eine Messkammer umschliesst und mit einem Messanschluss der den zu messenden Gasdruck in die Messkammer leitet. In der Messkammer ist ein beheizbarer Messfaden angeordnet, welcher mit einer Messelektronik verbunden ist, wobei die Messelektronik in thermischem Kontakt auf einer Seite einer isolierenden Trägerplatte, vorzugsweise aus Keramik, angeordnet ist und diese Trägerplatte auf der gegenüberliegenden Seite Teil des Messkammergehäuses ist. Der Messfaden wird in Serie mit einem Messwiderstand von der Messelektronik direkt in Rückkoppelung gespiesen und die Messelektronik ermittelt den Widerstand des Messfadens direkt.
Für die Messung der dazu notwendigen Spannungen werden diese einem Analog Digital Konverter ADC zugeführt und einem digitalen Prozessor zur Verarbeitung nach vorgegebenem Algorithmus verarbeitet. Der Prozessor wiederum führt notwendige Signale heraus über einen Digital Analog Konverter DAC zur Ansteue- rung und Heizung des Messfadens der Piranianordnung, wodurch der Regelkreis geschlossen ist. Ausserdem wird das aufgearbeitete Signal vom Prozessor über eine I/O - Schnittstelle herausgeführt zur weiteren Verwendung. Diese Schnitt- stelle ist bevorzugt als serielle Schnittstelle ausgeführt. Sofern der Wunsch besteht andere Arten von Signalen zur Verfügung zu stellen, wie parallel oder gar analog, ist dies einfach möglich mit zusätzlicher Elektronik integriert auf der Trägerplatte. Das Weglassen der konventionellen Durchführung und der Einsatz der Vorerwähnten isolierenden Trägerplatte, vorzugsweise aus Keramik, als Substrat bringt überraschende Vorteile im Gesamttemperaturverhalten der Gasdruckmess- zellenanordnung und auch überraschend neue Montagemöglichkeiten für weitere Bauteile.
Zur Erweiterung des messbaren Druckbereiches ist es nun besonders vorteilhaft, unmittelbar in die Messelektronik auf der Trägerplatte, einen piezo-resistiven Halbleiter-Drucksensor einzubinden, der dadurch auch direkt thermisch mit der Trägerplatte gekoppelt ist. Die vorliegende Bauweise ermöglicht es auch auf einfache Art den Piezo-resistiven Drucksensor direkt über eine kleine Öffnung in der Trägerplatte mit der Messkammer kommunizierend zu verbinden in welcher auch der Messfaden angeordnet ist. Ein solcher piezo-resistiver Drucksensor kann vorteilhaft nicht nur zur Druckmessung alleine herangezogen werden, sondern auch gleichzeitig zur Temperaturmessung.
Die prozessorbasierte Elektronik bringt auch den wichtigen Vorteil mit, dass mit kleineren Gesamtspannungen gearbeitet werden kann, weil es keine Brücken- Schaltung mehr geben muss. Der Messwiderstand muss auch nicht in der gleichen Dimension gewählt werden wie der Messfaden. Die Speisespannung kann nun im tiefen Bereich von etwa 2.0 bis 5.0 Volt gewählt werden und es kann sogar pulsfrei gearbeitet werden. Die Temperatur des Messfadens kann in diesem Falle nun in weiten Bereichen gewählt werden und auch Druckabhängig verändert eingestellt sein, um beispielsweise verschmutzungsempfindliche Regionen gezielt zu umgehen, bzw. besser zu beherrschen. Diese kombinierte Gasdruckmesszellenanord- nung ist sehr einfach und kostengünstig realisierbar bei hoher Messgenauigkeit und Lebensdauer. Der damit mögliche und vorteilhaft realisierbare zu überstreichende Messbereich geht von Vakuum bis Atmosphäre, von 10"4 mbar bis 3.000 bar, vorzugsweise von 10"3 mbar bis 2.000 bar, bei einer Auflösung von besser 30%, vorzugsweise besser 15%, wie insbesondere besser 5.0 %, des jeweils gemessenen Messwertes.
Die Erfindung wird nun anhand von Figuren schematisch und beispielsweise beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1a schematisch und im Querschnitt eine Gasdruckmesszellenanordnung vom Typ Wärmeleitungsvakuummeter nach Pirani gemäss Stand der Technik;
Fig. 1b schematisch und im Querschnitt ein vergrösserter Ausschnitt A eines Teils der Messzelle nach Figur 1a;
Fig. 2 die elektrische Schaltung im Prinzip für eine Pirani - Messzelle wie sie beispielsweise in den Figuren 1a und 1b gezeigt ist;
Fig. 3 schematisch und im Querschnitt ein Beispiel für einen piezoresistiven Halbleiter - Drucksensor;
Fig. 4 das prinzipielle elektrische Schaltbild des piezoresistiven Drucksensors gemäss der Ausführung nach Figur 3;
Fig. 5 schematisch und im Querschnitt eine Gasdruckmesszellenanordnung entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 im Querschnitt eine Detaildarstellung aus der Figur 5 mit Darstellung der Messkammer und daran angeordneter Trägerplatte; Fig. 7 schematisch und im Querschnitt eine Weiterbildung der Gasdruckmesszellenanordnung entsprechend der Vorliegenden Erfindung zusätzlich in Kombination mit einem piezoresistiven Drucksensor; Fig. 8 Schaltungsanordnung mit Pirani - Messzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 Schaltungsanordnung mit Pirani - Messzelle gemäss Figur 8, zusätzlich in Kombination mit einem piezoresistiven Drucksensor entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 Schaltungsanordnung gemäss Figur 9 mit Referenztemperaturmessung über den piezoresistiven Drucksensor;
Fig. 11 Schaltungsanordnung gemäss Figur 9 mit Referenztemperaturmessung über die interne Diode des piezoresistiven Drucksensors.
Eine bekannte Messzellenanordnung vom Typ Wärmeleitungsvakuummesszelle nach Pirani ist schematisch und im Querschnitt in Fig. 1a dargestellt. Eine Messkammer 2 beinhaltet einen Messfaden 1 , der über eine Durchführung 6, 5 elektrisch isoliert und vakuumtechnisch dicht aufgehängt ist. Der Messfaden 1 wird beispielsweise von zwei Tragstiften 5, 5' gehalten, welche durch den isolierenden Körper der Durchführung 6 elektrisch hindurch führen zur, ausserhalb der Mess- kammer 2 angeordneten, Messelektronik. Die elektronische Schaltung der Messelektronik ist in bekannter Weise auf einer Platine PCB angeordnet. Die Messkammer 2 wird vom Messkammergehäuse 3 umschlossen und bildet die Kammerwand. Auf der einen Seite ist die Messkammer 2 offen zugänglich und kann nach Wunsch mit dem Vakuumvolumen und dem dort zu messenden Vakuum- druck P verbunden werden, beispielsweise über einen flanschartig ausgebildeten Teil des Messkammergehäuse 3, der somit den Messanschluss 4 mit der Messöffnung 4' bildet. Ein Gehäuse 30 umschliesst die Messelektronik PCB welche über elektrische Anschlüsse, wie ein Kabel oder einen Stecker 31 mit den peripheren Auswerteeinheiten und / oder Steuerungen verbunden ist. Eine derartige Gas- druckmesszellenanordnung bildet somit eine modular einsetzbare Messzelle.
Mit der auf der gedruckten Schaltung PCB angeordneten Messelektronik wird das Pirani - Messprinzip betrieben. In diesem Falle wird der Messfaden 1 als Teil einer Wheatstone - Brücke R-ι', R2\ PTC, auf einer konstanten Temperatur gehalten, wie dies in der Figur 2 schematisch in einem Schaltschema dargestellt ist. Die Leistung, die für das Konstanthalten der Temperatur aufgebracht werden muss, ist dann ein Mass für den, den Faden umgebenden, Messgasdruck P. Die Mess- Spannung wird durch einen Operationsverstärker oder Komperator OP an einer Diagonalen der Wheatstone - Brücke abgegriffen und das Ausgangssignal ist als Brückenbetriebsspannung rückgekoppelt, beispielsweise über T1 , an die zweite Brückendiagonale gelegt. Eine ähnliche Schaltung ist beispielsweise in M. Wutz et al. "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik", F. Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1982, 2. Auflage, auf Seite 369 beschrieben. Es kann, je nach Ausbildung der Schaltung, in bekannter Weise mit konstanter Drahttemperatur des Messfaden 1 oder mit konstanter Heizleistung gearbeitet werden.
In einem Zweig der Wheatstone - Brücke ist in bekannter Weise ein Temperatur- sensor eingebaut, wie beispielsweise ein PTC oder NTC, um die Umgebungstem- peratur zu erfassen und zu referenzieren. Die Messanordnung ist sehr temperaturempfindlich und sich ändernde Umgebungstemperaturen beeinflussen die Messung und würden Messfehler erzeugen, wenn dies nicht kompensiert würde. Eine gute Temperaturmessung und Kompensation ist deshalb bei den Pirani - Wär- meleitungsmesszellen sehr wichtig. Der Temperatursensor muss deshalb auch an einem geeigneten Ort untergebracht werden, um die massgebenden Temperaturänderungen möglichst gut erfassen zu können. Eine praktische Anordnung eines derartigen Temperatursensors 32 ist in der Figur 1b gezeigt, welche einen vergrö- sserten Ausschnitt A der Figur 1a dargestellt. Der Temperatursensor 32, beispielsweise ein PTC - Widerstand, wird hier am oberen Endbereich des Mess- kammergehäuse 3, in der Nähe der Durchführung 6, von aussen an dessen Wandung mit einem Federelement 33 angedrückt, derart dass dort, zwischen Messkammergehäuse 3 und dem Temperatursensor 32, ein guter Wärmekontakt erzielt wird. Das Federelement kann beispielsweise aus dem PCB - Material selbst gebildet sein, wenn diese gedruckte Schaltung PCB selbst als Flexprintmaterial aus- gebildet ist. Damit ist die Verbindung lösbar und durch den Flexprint elektrisch isoliert. Der Temperatursensor 32 mit dem Federelement 33 ist bei dem gezeigten Beispiel zwischen dem übergestülpten Schutzgehäuse 30 und dem Messkammer- gehäuse 3 angeordnet, derart dass beim Abziehen des Schutzgehäuses die Verbindung einfach gelöst wird. Diese Art der Kontaktierung ist relativ aufwändig, weil sie elektrisch isolierend und im günstigsten Fall, beispielsweise für einen Sensortausch, lösbar sein muss.
Für die Messung von höheren Gasdrücken im Vakuumbereich von ca. 1.0 mbar bis 1.0 bar sind auch Messsensoren 20 bekannt geworden, die nach dem piezo- resistiven Prinzip arbeiten, wie dies zuvor schon erläutert worden ist. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise schematisch und im Querschnitt in der Figur 3 dar- gestellt. Aus einem Halbleiterwafer 23, vorzugsweise Silizium, ist an einer Zone eine Vertiefung herausgearbeitet, die dünn genug ist und dadurch eine Membrane bildet, welche sich entsprechend dem angelegten und zu messenden Druck P verbiegen kann. An dieser Membrane sind dotierte, niederohmige Leiterbahnen angebracht, welche die Messwiderstände bilden, deren Werte sich bei Verbiegen verändern. Die elektrischen Anschlüsse 28 dieser Messwiderstände R1 bis R4 ermöglichen die Signalverarbeitung durch eine Messelektronik. Dieses Siliziumteil 23 bildet zusammen mit der Membrane 24 den Siliziumdrucksensor 23, 24 und ist auf einer Grundplatte 21 als Träger montiert, welcher eine Zugangsöffnung 22 aufweist, die den zu messenden Messgasdruck P an die Membrane 24 führt. Auf der Rückseite des Siliziumdrucksensors 23, 24 ist zum Schutz eine Deckplatte 25 mit einem Hohlraum über der Membrane 24 angeordnet. Die Grundplatte 21 und die Deckplatte 25 bestehen, vorzugsweise aus Glas. In der Figur 4 ist prinzipiell das elektrische Schaltschema dargestellt. Die Messwiderstände R1 bis R4 sind in Brücke geschaltet und deren Anschlüsse b bis e herausgeführt. Es ist auch darge- stellt, dass die interne Diode D1 , welche der Halbleiter durch die Dotierung bildet separat elektrisch herausgeführt werden kann beim Anschluss a.
Eine Gasdruckmesszellenanordnung mit einer Wärmeleitungsvakuummesszelle nach Pirani ist gemäss der vorliegenden Erfindung schematisch und Querschnitt in der Figur 5 dargestellt. Das Messkammergehäuse 3, umschliesst eine Messkammer 2 und weist einen Messanschluss 4 mit einer Öffnung 4' auf, die den zu messenden Gasdruck P in die Messkammer 2 führt. Innerhalb der Messkammer 2 ist ein beheizbarer Messfaden 1 , vorzugsweise bestehend aus einem Metall, wie Wolfram, angeordnet, welcher mit einer Messelektronik 11 verbunden ist. Die Messelektronik 11 ist in thermischem Kontakt auf einer Seite einer keramischen Trägerplatte 10 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite der Messelektronik 11 bildet die Trägerplatte 10 Teil des Messkammergehäuse 3. Die Trägerplatte 10 schliesst somit die Messkammer 2 vakuumdicht ab. Der Messfaden 1 ist in Serie mit einem Messwiderstand Rm geschaltet und wird von der Messelektronik direkt in Rückkoppelung, vorzugsweise innerhalb eines Regelkreises, gespiesen, wobei die Messelektronik 11 den Widerstand des Messfadens 1 unmittelbar und direkt ermittelt. Die Trägerplatte 10 besteht aus einem isolierenden Material wie Keramik, vorzugsweise aus einer Aluminiumoxid - Keramik. Diese Keramik weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als z.B. Glas. Dies ist wichtig, um das Temperaturverhalten der Anordnung gut beherrschen zu können. Ein typisches Durchführungsglas weist beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von nur ca. 1 W/(mK) auf, wo hingegen die erwähnte Aluminiumoxidkeramik ca. 25 W/(mK) aufweist. Die Temperaturmessung für die Ermittlung der Referenztemperatur kann nun direkt an der Trägerplatte 10 selbst erfolgen bzw. ist Teil der elektronischen Schaltung, die auf die Trägerplatte 10 aufgebracht ist. Es können dazu separate Temperatursensoren, wie Halbleitersensoren oder andere Arten, an der Trägerplatte innerhalb der elektronischen Schaltung vorgesehen werden oder gar geeignete Schaltungselemente der Messelektronik selbst dazu verwendet werden. Die Trägerplatte 10 kann mit Vorteil als separates Bauteil ausgebildet werden und mit einer Dichtung 15, 15' vakuumdicht am Messkammergehäuse 3 montiert werden. Diese Dichtung kann beispielsweise eine Elastomerdichtung sein und als O-Ring 15 oder als Flachdichtung 15' ausgebildet sein, oder sie kann auch als Metalldichtung ausgebildet sein. Sie kann aber in gewissen Fällen auch fest an das Messkammergehäuse 3 montiert sein, beispielsweise durch sintern, löten etc. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Trägerplatte 10 einfach vakuumdicht an das Messkammergehäuse 3 geklebt wird. Die vorliegende neue Konstruktion gemäss der Erfin- dung ermöglicht nun die Verwendung von harten ausgasungsarmen Klebern, da die beteiligten Teile nun ähnliche Temperaturkoeffizienten aufweisen, wodurch keine Spannungsmikrorisse mehr entstehen. Die Trägerplatte 10 ist mit Vorteil scheibenförmig ausgebildet. Durch die erwähnte, Anordnung wird nun die Durchführung und die Sensorhalterung (Messfaden) in einem einzigen Element zusammengefasst und gleichzeitig die Messelektronik mit integriert.
Der Messfaden 1 weist an beiden Enden tragstiftartige Filamentanschlüsse 5, 5' auf. An der Trägerplatte sind zwei Zuleitungsöffnungen 14, 14' vorgesehen, welche die Tragstifte 5, 5' aufnehmen und mit der elektronischen Schaltung 11 , auf der anderen Seite der Trägerplatte 10, verbunden sind. Dazu sind die Zuleitungsöffnungen 14, 14' mit Vorteil durchkontaktiert, ähnlich wie dies bei Leiter- platten bekannt ist. Allerdings muss diese Art Durchkontaktierung auch höheren Temperaturen widerstehen und vakuumtauglich und somit dicht sein. Dies erfordert einen Sinterprozess bei der Herstellung. Die Anordnung kann sehr kompakt aufgebaut werden. Hierbei ist es günstig, wenn der Messfaden etwa parallel zur Oberfläche der Trägerplatte 10 angeordnet ist, wie dies im Beispiel der Figuren 5 und 6 gezeigt ist. Bei dieser Anordnung genügt es beispielsweise, wenn im Messkammergehäuse 3 eine einfache rinnenförmige Ausnehmung ausgebildet ist, die die Messkammer 2 bildet zur Aufnahme des Messfaden 1. Das Messkammergehäuse 3 besteht mit Vorteil aus einem Metall, wie insbesondere aus Inox. Der Bereich der Trägerplatte 10 mit der Messelektronik 11 kann mit einem Schutzgehäu- se 30 geschützt werden und es können zum elektrischen Anschluss der Messzelle, wie üblich Kabel 31 und / oder Stecker vorgesehen werden.
Die Messelektronik ist unmittelbar auf der isolierenden Trägerplatte 10 aufgebracht. Die Leiterbahnen sind in direktem Kontakt mit der Oberfläche der Träger- platte 10 woran auch die elektronischen Komponenten 13 integriert und / oder angeordnet sind. Die Anordnung der Leiterbahnen 12 mit den elektronischen Komponenten 13 erfolgt mit an sich bekannten Techniken wie diese beispielsweise für gedruckte Schaltungen (PCB - Printed Circuit Board), Dünnfilmschaltungen oder Dickfilmschaltungen eingesetzt werden. Hierbei ist die Dickfilmschaltungs - Tech- nik besonders geeignet. Diese ist auch gut kompatibel mit dem bevorzugten Keramik als Trägerplatte 10. Es ist auch von Vorteil, wenn die Oberflächenrauheit der Trägerplatte kleiner 0.6 μΐη ist. Bei der Dickfilm - Technik werden beispielsweise die Leiterbahnen 12 und allfällige Isolationsschichten mit Siebdruck aufgebracht und anschliessend eingebrannt bzw. gesintert. Anschliessend werden die elektronischen Bauteile montiert, beispielsweise mit löten oder bonden. Die Schaltung kann auch in bekannter Art als Hybridschaltung ausgebildet sein. Bei derartigen Schaltungen werden beispielsweise Widerstände als Teil der Leiterbahn 12 ausgebildet und weitere Bauelemente 13, wie aktive Bauelement, an den Leiterbahnen 12 montiert. Die an den Leiterbahnen 12 montierten Bauelemente 13 sind vorzugsweise und mindestens zum Teil in SMD - Technik (Surface Mounted Device) ausgeführt.
Die Trägerplatte 10 kann eine Dicke aufweisen im Bereich von 0.5 bis 5.0 mm, vorzugsweise im Bereich von 0.6 bis 2.0 mm. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Aluminiumoxid - Keramik als Trägermaterial. Der Durchmesser der Trägerplatte 10 liegt hierbei innerhalb von 10.0 mm bis 50.0 mm, vorzugsweise innerhalb von 15 mm bis 35 mm. Der Messfaden 1 ist als Metallwendel ausgebildet, vorzugsweise aus Wolfram oder Nickel und weist eine Fadenlänge, von Stift 5 zu Stift 5', innerhalb des Bereiches von 10.0 mm bis 40.0 mm, vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 12.0 mm bis 25 mm auf.
Die gesamte Messzelle kann somit sehr klein gebaut werden und hat einen Durchmesser im Bereich von nur 14 mm bis 54 mm, vorzugsweise 19 mm bis 39 mm, wobei die Höhe, ohne Kabelabgang, im Bereich liegt von 15 mm bis 40 mm. Der Anschlussflansch kann beispielsweise als Gewinde ausgeführt werden, wie beispielsweise mit 1/8" Gewinde. Die Messelektronik enthält einen Prozessor (μθ) zur digitalen Verarbeitung der gemessenen Signale und Steuerung des Messfadens 1 wie dies im Schaltschema der Figur 8 dargestellt ist. Über einen Digital Analog Konverter (DAC1) wird der Messfaden 1 der Pirani - Messzelle Pi gesteuert gespeist, wobei für die Leistungsanpassung beispielsweise ein Treiber vorgesehen wird, wie beispielsweise ein Transistor T1 oder eine integrierte Schaltung.
Der Messwiderstand Rm ist mit dem Messfaden 1 in Serie geschaltet und ist zwischen dem Treiber T1 und dem Messfaden 1 angeordnet. Das am Messwider- stand Rm und am Messfaden 1 anliegende Signal wird abgegriffen und über je einem Analog Digital Konverter (ADC1 , 2) dem Prozessor (μθ) zugeführt zur weiteren Verarbeitung. Hierdurch wird der Rückkoppelungskreis gebildet über den die Heizleistung entsprechend den programmierten Vorgaben gesteuert und / oder geregelt wird. Nach den programmierten vorgegebenen Algorithmen wird mit dem Prozessor der zu messende Gasdruck bestimmt und der I/O Schnittstelle zur weiteren Auswertung oder Verarbeitung an die Peripherie weiter gegeben. Zusätzlich wird mit einem Temperatursensor Tr, der in der Schaltungsanordnung auf der Trägerplatte 10 angeordnet ist, dort die Referenztemperatur ermittelt und dessen Signal ebenfalls über einen Analog Digital Konverter (ADC3) dem Prozessor zugeführt, so dass der programmierte Prozessor die geeigneten Korrekturmassnah- men bestimmen und einbeziehen kann. Die Anordnung mit der direkten Messung und Regelung über einen Prozessor ermöglicht auch, dass die Temperatur des Messfadens 1 als Funktion der gemessenen Zustände nun frei wählbar und ein- stellbar ist.
Das vorstehende Konzept kann ohne weiteres mit weiteren zusätzlichen elektronischen Komponenten bestückt werden, sofern dies erforderlich und gewünscht ist. Beispielsweise ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schaltungsanordnung auf der Trägerplatte um eine weitere Elektronikkomponente ergänzt wird, nämlich um einen piezo-resistiven Drucksensor 20 auf Halbleiterbasis, wie dies in der Figur 7 schematisch und im Querschnitt dargestellt ist. Diese Art Drucksensor weist eine sehr kleine Baugrösse auf, beispielsweise von etwa 1.0 bis 2.0 mm2, wodurch dieser einfach im vorliegenden Konzept der Schaltungsanordnung auf der Träger- platte 10 eingebunden werden kann, ähnlich wie ein SMD - Bauteil. Dadurch wird auch die geometrische Abmessung der Messzellenanordnung kaum beeinflusst. Der piezo-resistive Drucksensor 20 wird mit Vorteil durch vakuumdichtes Kleben an der Trägerplatte 10 auf der Leiterbahnseite angeordnet und dessen Elektrischen Anschlüsse 28 (a - d) dort elektrisch mit den zugeordneten Leiterbahnen verbunden. Der Klebstoff ist mit Vorteil ein Silikonklebstoff.
Der piezo-resistive Halbleiter - Drucksensor 20 weist vorzugsweise eine Silizum- membrane 24 auf. In der Trägerplatte 10 ist eine Öffnung als Verbindungsleitung 26 vorgesehen, die die Messkammer 2 mit dem piezoresistiven Drucksensor 20 kommunizierend verbindet. Der piezo-resistive- Drucksensor 20 ist folglich derart an der Trägerplatte ausgerichtet, dass dessen Zugangsöffnung 22 als Messöffnung direkt mit der Verbindungsleitung 26, die in der Trägerplatte 10 liegt, kom- munizierend verbunden ist und dadurch die Verbindung zur Messkammer 2 hergestellt ist in welcher auch der Messfaden 1 angeordnet ist. Der Signalausgang des piezoresistiven Drucksensors 20 ist über einen weiteren ADC (ADC4) mit dem Prozessor verbunden zu dessen direkten Signalauswertung, wie dies in den Schaltschemas in den Figuren 9 bis 11 gezeigt ist. Die Anschlüsse c und e am piezo-resistiven Drucksensor greifen das Drucksignal Ud des piezo-resistiven Brücke ab und dieses wird über einen ADC (ADC4) zum Prozessor geführt und über die Anschlüsse b und d wird diese elektrisch gespiesen über V+ und Gnd. Mit V" ist jeweils, in bekannter Weise, die Speisespannung angegeben und mit Gnd der "Ground" bzw. der Masseanschluss. In der Figur 9 ist, wie in Figur 8 darge- stellt, ebenfalls ein Temperatursensor gezeigt, der Teil der Schaltungsanordnung auf der Trägerplatte 10 sein kann, um die Referenztemperatur zu erfassen und dem Prozessor als Signal über einen ADC (ADC3) zuzuführen.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit die Referenztemperatur zu erfassen besteht darin den Temperaturkoeffizient des piezo-resistiven Drucksensors 20 direkt zu messen und beispielsweise über einen Widerstand R5 zu erfassen, der zwischen Anschluss d der Brücke und Gnd geschaltet ist, wie dies in der Figur 10 beispielsweise dargestellt ist. Das am Widerstand R5 abgegriffene Temperatursignal wird dann wiederum über einen ADC (ADC4) zum Prozessor geführt und dort verar- beitet. Auf einen separaten Temperatursensor Tr kann in diesem Fall verzichtet werden.
Eine weitere noch vorteilhaftere Möglichkeit der Referenztemperaturmessung besteht darin, den Temperaturkoeffizienten der internen Diode D1 des Halbleiter- Überganges des piezo-resistiven Drucksensors 20 zu verwenden. Der Anschluss der Diode D1 ist am Punkt a herausgeführt und über einen Widerstand R6 mit Gnd verbunden wie dies beispielsweise in der Figur 11 dargestellt ist. Das am Wider- stand R6 abgegriffene Temperatursignal wird dann wiederum über einen ADC (ADC4) zum Prozessor geführt und dort verarbeitet. Auf einen separaten Temperatursensor Tr kann in diesem Fall ebenfalls verzichtet werden. Diese Art der Temperaturmessung ist besonders einfach und genau. Ausserdem liegt der Mes- sort direkt im Halbleitermaterial des piezo-resistiven Drucksensors 20.
Mit der vorgestellten kombinierten Gasdruckmesszellenanordnung, gemäss vorliegender Erfindung, werden nun die zwei Messprinzipen, ein Pirani - Wärmeleitungsmanometer und ein piezo-resistiver Drucksensor, optimal miteinander kom- biniert. Die Messbereiche der beiden Messprinzipien überlappen sich und es kann mit der vorgestellten elektronischen Signalauswertung ein grosser zu messender Druckbereich für Gasdrucke lückenlos und bei hoher Messpräzision überstrichen werden. Die Pirani - Anordnung Pi kann vorzugsweise einen Bereich von 10"3 mbar bis einige 100 mbar abdecken und der piezo-resistive Drucksensor 20 einen Bereich von 1 mbar bis 2.0 bar. Somit liegt der gesamte bevorzugt überstreichbare Messbereich bei Gasdrücken im Bereich von 10"3 mbar bis 2.0 bar bei hinreichend hoher Genauigkeit. In gewissen Fällen ist es auch möglich piezo-resistive Drucksensoren zu verwenden die den Bereich weiter erweiterten bis etwa drei bar. In einem solchen Fall kann mit einer einzelnen Gasdruckmesszellenanordnung ein Bereich von Vakuum bis zu einem Überdruck von einigen Bar abgedeckt werden. Ein weiterer Vorteil der vorgestellten Gasdruckmesszellenanordnung liegt in der Kalibrierung. Beide Sensorarten müssen kalibriert werden und das geht bei der vorliegenden Anordnung einfacher, da das Temperaturverhalten bei vorliegenden Anordnung hohe Gleichlaufeigenschaften der beteiligten Teile aufweist und die Anordnung kompakt ist. Aus diesem Grunde ist nun auch möglich eine permanente Feldkalibrierung zu realisieren, beispielsweise durch das Erfassen von Druck -Temperatur Wertesätzen, die dann automatisch verglichen werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Gasdruckmesszellenanordnung mit einer Wärmeleitungsvakuummesszelle nach Pirani (Pi), enthaltend ein Messkammergehäuse (3), welches eine Messkammer (2) umschliesst und mit einem Messanschluss (4) der den zu messenden Gasdruck P in die Messkammer (2) leitet, wobei in der Messkammer (2) ein beheizbarer Messfaden (1) angeordnet ist welcher mit einer Messelektronik (1 1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektronik (11) in thermischem Kontakt auf einer Seite einer isolieren- den Trägerplatte (10) angeordnet ist und die Trägerplatte (10) auf der gegenüberliegenden Seite Teil des Messkammergehäuse (3) bildet, wobei der Messfaden (1 ) in Serie mit einem Messwiderstand (Rm) von der Messelektronik direkt in Rückkoppelung gespiesen wird und wobei die Messelektronik (1 1 ) den Widerstand des Messfadens (1) direkt ermittelt.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektronik einen Prozessor enthält und dass der Prozessor (μθ) über einen Digital Analog Konverter (DAC1) den Messfaden (1) speist und dass der Messwiderstand (Rm) und der Messfaden (1) jeder über einen Analog Digital Konverter (ADC1 , 2) kommunizierend mit dem Prozessor (μθ) verbunden ist, wodurch ein Rückkoppelungskreis gebildet ist und der zu messende Gasdruck bestimmt wird.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempe- ratur des Messfaden (1 ) als Funktion der gemessenen Zustände frei einstellbar ist.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (10) ein Keramik ist, vorzugsweise ein Aluminiumoxid - Keramik.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektronik unmittelbar auf der Trägerplatte (10) aufgebracht ist in Form einer Dünnfilmschaltung, einer gedruckten Schaltung, vorzugsweise als Dickfilmschaltung.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung als Hybridschaltung ausgebildet ist weitere Bauelemente aufnehmen kann, wie SMD.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Messelektronik auf der Trägerplatte (10) und in thermischen Kontakt mit dieser ein Temperatursensor (Tr) zur Erfassung einer Referenztemperatur vorgesehen ist welcher über einen ADC (ADC3) mit dem Prozessor verbunden ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Trägerplatte (10), im Bereich der Messelektronik, ein piezo-resistiver Halbleiter - Drucksensor (20), vorzugsweise eine Silizum- membrane (24) enthaltend, dichtend angebracht ist und dass in der Träger- platte (10) eine Öffnung als Verbindungsleitung (26) vorgesehen ist, die die
Messkammer (2) mit dem piezoresistiven Drucksensor (20) kommunizierend verbindet, wobei der Signalausgang des piezoresistiven Drucksensors (20) über einen weiteren ADC (ADC4) mit dem Prozessor verbunden ist zu dessen direkten Signalauswertung.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte des piezoresistiver Halbleiter-Drucksensor (20) vom Prozessor zusätzlich als Temperatursensor ausgewertet sind zur Messung der Temperatur der Trägerplatte (10).
10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Diode (D1) des piezoresistiver Halbleiter-Drucksensor (20) vom Prozessor als Temperatursensor ausgewertet sind zur Messung der Temperatur der Trägerplatte (10).
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (10), eine Dicke aufweist im Bereich von 0.5 bis 5.0 mm, vorzugsweise im Bereich von 0.6 bis 2.0 mm.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (10), einen Durchmesser aufweist im Bereich von 10.0 mm bis 50.0 mm, vorzugsweise im Bereich von 15 mm bis 35 mm.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfaden (1) als Metallwendel, vorzugsweise aus Wolfram oder Nickel, ausgebildet ist und eine Fadenlänge aufweist im Bereich von 10.0 mm bis 40.0 mm, vorzugsweise im Bereich von 12.0 mm bis 25 mm.
EP12704649.8A 2011-03-30 2012-02-10 Gasdruckmesszellenanordnung Withdrawn EP2691755A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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CH00577/11A CH704815A1 (de) 2011-03-30 2011-03-30 Gasdruckmesszellenanordnung.
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