JP2002500351A - 容量式の真空測定セル - Google Patents

容量式の真空測定セル

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、実質的に全面的にセラミックで構成されていて、それにより高い程度に耐食性のある容量式の真空測定セルに関する。非常に低い圧力を高い精度で測定できるようにするため、厚さ250μm以下の非常に薄いセラミックダイヤフラムを使用し、このセラミックダイヤフラムは応力なしに、かつ左右対称にセラミックケーシングの内部に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は容量式の真空測定セルに関する。 薄いダイヤフラムに圧力を負荷してその撓み(湾曲)を測定することによって
圧力ないし圧力差を測定することが公知である。このようなダイヤフラムの撓曲
を測定する公知の好適な方法の1つは、ダイヤフラム構造部を可変な電気的キャ
パシタンスとして構成することにあり、この場合、測定電子機器によって公知の
やり方で圧力変化と相関しているキャパシタンス変化を測定する。このキャパシ
タンスの構成の仕方は、薄くて撓曲性(可とう性)のあるダイヤフラム面を別の
面に対してわずかな間隔をおいて配置し、互いに対向している両方の表面は電気
的な伝導性のある被膜を塗布されているか、もしくは電気的に伝導能力のある材
料でできている。ダイヤフラムに圧力負荷があると撓曲によって両方の電極の間
の間隔が変化し、このことが構造部の評価可能なキャパシタンス変化につながる
。この種のセンサはシリコン製のものが大量の個数で製造されている。このとき
、平坦な基体とダイヤフラムはいずれも全面的にシリコン材料でできている場合
が多い。たとえばシリコンとガラス下層などの組合せによる材料組成での施工方
法も存在している。この種の圧力センサは真空での利用には、通例、約10-1
barから数バールまでの範囲の比較的高い圧力領域でしか利用可能でない。約
10-1mbar以下の低い圧力の場合における高い解像度は、シリコンという材
料ではもはや実現不可能である。特にこのことの原因は、シリコンが表面で周囲
と反応して感度の高いセンサ特性が妨げられてしまうことにある。通常、周囲の
空気に含まれている水蒸気がすでに表面での相応の反応をもたらす。この問題は
、センサを化学的な攻撃性のある大気中で用いる場合にはさらに先鋭化する。そ
こで従来、このようなシリコンセンサを表面の不動態化によって攻撃性のある外
部の影響から守ることが試みられてきた。また、表面に保護被膜を施して、化学
的に攻撃性のある周囲に対する保持性と抵抗性を高めることも試みられており、
このことはDE4136987などに記載されている。このような対策はコスト
がかかり、ダイヤフラムなどの物理的に変形可能な部品の場合、特に真空法で用
いられているフッ素、臭素酸、およびこれらの化合物のように格別に攻撃的な媒
体では限られた成果しか挙げられない。
【0002】 そのため、真空利用のための圧力測定セルを完全に耐食性の材料、たとえばA
23などで製作することが試みられてきた。このような種類の公知の一つの構
成が図1に示されている。この測定セルは、セラミックプレート(20)を有し
、その面の上にはわずかな間隔をおいてダイヤフラム(22)が配置されており
、このダイヤフラムはセラミックプレート(20)に対して縁領域で溶融シール
材(21)によって密封されながら接合されている。こうしてセラミックプレー
ト(20)はダイヤフラム(22)とともに対照真空室(25)を形成しており
、この対照真空室はポンプ開口部を介して製造時に排気されてからシール材(2
8)で密封されている。対照真空室(25)の内部で対向しているセラミックプ
レート(20)とダイヤフラム(22)の表面は電気的に伝導するようにコーテ
ィングされているとともに、絶縁された接続部で外部に通じており、それによっ
てキャパシタンス信号を電子装置で評価する(図面には示していない)。プレー
ト(20)とダイヤフラム(22)は両方とも耐食性を得るためにAl23など
のセラミック材料で製造されている。この測定セルはさらに真空密封されたケー
シング(23)の中に配置されており、このケーシングは、測定されるべき媒体
につながれる測定セル接続部(24)を備えている。こうして形成された測定真
空室(26)は、測定セル接続部(24)を介してダイヤフラム(22)に対し
てエラストマーシール材(27)で密封されながら接続されているので、測定さ
れるべき圧力はダイヤフラム(22)の表面だけに負荷される。密封する目的の
ため、セル全体はセラミックプレート(20)とダイヤフラム(22)を介して
エラストマーシール材(27)に対して押圧されている。このような種類の測定
セルはこれまで0.1mbarから100barまでの範囲の比較的高い圧力用
にしか利用可能でない。しかもこのような構造は、各材料にテンションをもたら
し得、このことはたとえば<1mbarという低い圧力領域では測定結果の再現
性と解像度を大幅に損なってしまう。従来使用されているセラミックダイヤフラ
ム(22)は279μmから2540μmの範囲の厚さを有している。このよう
な設計は、特に0.1mbarから10-6marまでの低い圧力に至る広い測定
領域を実現することを可能にせず、しかもUS5,553,502にも開示され
ているこの種の設計はコスト高になる。
【0003】 本発明の課題は、従来技術のこうした欠点を取り除くことである。特に本発明
の課題は、簡素に構成可能で低コストな真空測定セルであって、10-6mbar
から1000mbar、特に10-6mbarから1mbarの範囲の圧力を測定
値の1%の精度で、有利には0.3%の精度で測定することを可能にするものを
実現することにある。このとき測定範囲は、本発明による複数のセル施工形態な
いしダイヤフラム施工形態でカバーすることができ、あるいは分担することがで
きる。さらに測定セルは攻撃的な媒体に対して耐食性であるとともに、コンパク
トかつ経済的に製造可能であるべきである。
【0004】 この課題は、請求項1および19に記載の構成要件をもつ本発明の真空測定セ
ルで解決される。従属請求項は本発明のその他の有利な実施形態を対象としてい
る。
【0005】 本発明による容量式の真空測定セルは全面的にセラミック、特にAl23で製
造されている。それにより、非常に高い耐食性と長期間にわたる再現性が得られ
る。異物質を添加しなくてはAl23を溶接できない場合に限り、密封しなけれ
ばならない領域にだけ、または引込線が設けられている領域にだけAl23とは
異なる材料がわずかな量だけ用いられている。このセルは第1のプレート状のケ
ーシング本体を有し、このケーシング本体の上にダイヤフラムが縁領域(周縁部
)で密封するように配置されており、これにより、ダイヤフラムは対照真空室を
形成している。対照真空室に対向する側には第2のケーシング本体が同じく縁領
域で密封して閉止するように間隔をおいて配置されており、ここに測定真空室が
形成される。この測定真空室は、測定されるべき媒体を導入するための接続部を
備えている。第1のケーシング本体の表面と、対照真空室を形成しているダイヤ
フラムとは、電気的に伝導するようにたとえば金でコーティングされており、キ
ャパシタンス測定セルの電極を形成している。これらの電極はたとえば第1のケ
ーシング本体を通って、または縁部ゾーンの密封領域を通って外部に通じている
。実質的に平行に配置された電極面は2μmから50μmの範囲の間隔を有して
いる。縁領域における両方のケーシングに対するダイヤフラムの密封は、有利に
は溶接によって、たとえばレーザ溶接によって行われる。しかしながら同様に耐
食性のあるガラスはんだも実際の使用には非常に適していて簡単である。密封的
な接合のさらに別の可能性は、Al23と異なる材料を完全に回避するのが重要
となる場合、たとえば圧粉体段階でケーシング部分を拡散的に接合することにあ
る。
【0006】 本発明による測定セルの構成は実質的に左右対称の構造を可能にし、この構造
はケーシング内部のあらゆるテンションを回避する。このことは特に、高い測定
感度を達成し、低い測定圧力を高い精度と再現性で実現するために重要である。
それによってさらに、非常に薄いセラミック製のダイヤフラムを使用することが
可能となるが、こうしたダイヤフラムは、測定セルが100mbarよりも低い
真空圧および特に10mbarよりも低い真空圧を容量式の総セラミックの測定
セルにより高い信頼性で検出しようとする場合には不可欠である。そのためには
10μmから250μmのダイヤフラム厚が必要であり、この場合、非常に優れ
た解像度を得るためには10μmから120μmのダイヤフラム厚が有利である
。典型的なダイヤフラム厚範囲はたとえば次のとおりである。
【0007】 1000トルのとき、ダイヤフラム厚760μm±10μm 100トルのとき、ダイヤフラム厚345μm±10μm 10トルのとき、ダイヤフラム厚150μm±10μm 1トルのとき、ダイヤフラム厚100μm±10μm 0.1トルのとき、ダイヤフラム厚60μm±10μm 0.01トルのとき、ダイヤフラム厚40μm±10μm このように薄いダイヤフラムは製造が格別に難しく、焼結工程の後に少なくと
も1つの別の平坦化工程が必要となる。さらにダイヤフラムが十分にヘリウム密
封性を備えていることも特に重要であり、このことは、ダイヤフラム材料の粒度
が大きすぎることなく、<20μmの(20μmより小さい)範囲内で変動して
いる場合にしか達成することができない。より小さい<10μmの(10μmよ
り小さい)粒度が有利であり、特に<5μmの(5μmより小さい)粒度が有利
である。いずれの場合でもダイヤフラムの断面には厚さ全体で見て少なくとも2
種の粒子が存在しているべきであり、粒子が上下に5種以上であるとダイヤフラ
ムは格別に密封性を有する。
【0008】 測定セルの達成可能な精度に関するさらに別の重要な基準は、ダイヤフラム面
の平坦さである。面全体にわたる起伏はいずれの場合でも電極間隔の30%を上
回ってはならず、さらに起伏が15%以下であることが好ましい。このことは、
面全体にわたる起伏が10μm以下であることが好ましく、有利には5μm以下
であるとよいことを意味している。この場合の起伏とは、もっとも低い点ともっ
とも高い点の差として定義される。使用するダイヤフラムのアルミニウム酸化物
の純度は、相応に優れた長期的安定性を得るためには少なくとも94%であると
よく、さらに有利な数値は99%以上である。
【0009】 縁領域に位置しているダイヤフラムシール材の品質に影響を与えないようにす
るため、電気的に伝導性のある層が、ダイヤフラムシール材ないしダイヤフラム
溶接材を介してではなく、第1のケーシング本体に配置された引込線を介して外
部に通じていると有利である。
【0010】 対照真空室は、測定セルの正確な機能を長期にわたって保証できるようにする
ため、長期間安定した高い品質の真空を備えていなくてはならない。そのために
排気の後にゲッターが設けられ、このゲッターは有利には少ない容積で第1のケ
ーシング内部に配置され、対照真空室と接続されている。このゲッターは、対象
真空圧が測定されるべき圧力よりも低くなるように、しかも有利には少なくとも
1オーダー(101)低くなるように作用する。測定セルの内部領域の汚れを防 止するため、蒸発しないタイプのゲッターを選択するとよい。
【0011】 本発明の構成に基づく測定セルは非常にコンパクトかつ低コストに製作するこ
とができる。このようなセルの直径は5から80mmの範囲内であってよく、さ
らに有利には測定セルは5から40mmの直径を有している。この場合、このよ
うなセルの厚さは有利には2mmから25mmの範囲内である。
【0012】 上述したような特性をもつ機能性の高い測定セルを製造するには、相応の製造
方法を守ることが非常に重要である。特に、薄いセラミックダイヤフラムの製造
には特別な方策が求められる。ダイヤフラムも、測定セルの全体的な製作も、格
別に申し分なく行う必要がある。
【0013】 Al23からなる好適なダイヤフラムは、セラミック分野で通常行われている
ように、まずスラリーを所定の処方に基づいて混合し、次いでペースト状の塊を
テープ状の支持材料、たとえばプラスチックシートの上に薄く均等に塗布するこ
とで製造される。乾燥させた後、このシートを気泡や穴などの欠陥部位がないか
どうかチェックする。こうしてできた塊はまだ焼結していないのでまだ柔軟であ
り、圧粉体と呼ばれている。そして所望のダイヤフラム形状をテープ状の圧粉体
材料から切断してつくり、このとき圧粉体材料はまだシートに付着したままであ
る。切断はたとえばカッターで、有利にはレーザで行う。圧粉体の切り取りない
し切除は特別丁寧に行って、将来のセラミックダイヤフラムの面に対して切断エ
ッジの部分の反りや隆起がダイヤフラムの波打ちの程度を決定づけるので、それ
らが発生しないようにする。カッターで切断を行うときは、そのためにたとえば
切断工程と同時にダイヤフラム側で圧着ローラを連動させることができ、この圧
着ローラが圧粉体の過大な反りを防止する。それに続いて、有利には円形に切り
抜いたダイヤフラムをシートから丁寧に分離させる。それにはたとえばシートを
エッジ部から引き剥がす。次いでダイヤフラムを炉のなかで焼結する。焼結のた
め、有利には硬質化した平坦なAl23プレートの上にダイヤフラムを載せ、た
とえば間隔をあけて上下に重ね、典型的には1630℃で焼結を行う。温度はお
よそ400分の間にこの1630℃まで上げていき、すなわち1分間に約4℃づ
つ温度上昇させていき、次いで数分間、たとえば6分間この温度のまま放置し、
そして第1の工程では約210分のあいだ1分間に3℃のゆっくりした温度低下
で1000℃まで下げ、次の第2の工程では1分間に6℃の温度低下で170分
間のあいだ再び周囲温度まで冷ましていく。するとセラミックダイヤフラムが出
来あがり、これは圧粉体に比べて硬質で純粋なセラミック組成を備えており、こ
のとき圧粉体材料の添加剤は蒸発して逃げている。この焼結工程の後、ダイヤフ
ラムはかなり起伏があり、直径がおよそ40mmの場合に数ミリの反りがある。
【0014】 この状態では、ダイヤフラムは反りと材料の内部応力が激しいためにまだ利用
することはできない。ダイヤフラムはあと少なくとも1回の工程で平坦化しなけ
ればならない。これは、炉の中でさらにダイヤフラムに加熱工程を施すことによ
って行われる。このときダイヤフラムは、焼結硬化したきわめて薄く純粋なAl 23プレート(「dead」なAl23つまり粒度の大きいAl23とも呼ばれ
る)の間に丁寧にはさむが、このプレートはダイヤフラム直径が40mmの場合
には有利には数十から数百グラムの重量、たとえば約60グラムの重量を備えて
おり、もしくは相応に重みづけされている。温度は約390分のあいだ1分間に
4℃づつゆっくりと約1570℃まで上昇させる。この温度のままでの何分間か
の短い待機時間の後、たとえば25分の後、温度を再びゆっくりと下げていき、
その間、約115分のあいだに1分間に約5℃づつ、1000℃に達するように
する。次いで温度を1分間に約6℃づつさらに下げていき、その間、約166分
のあいだに周囲温度まで達するようにする。このような平坦化工程が終わると、
ダイヤフラムには数10分の1ミリという非常にわずかな反りしかなくなってい
る。この平坦化工程で大切なのは、温度が最初の焼結工程のときほど高くはなく
、有利には焼結温度よりも最高100℃下回るようにすることである。求められ
る測定セル品質にとって必要な優れた結果を得るためには、この平坦化加熱工程
を少なくとも2回実施する必要がある。経済的理由から平坦化加熱工程は、2回
以上の平坦化工程が必要でないように実施するのがよい。格別に優れた結果は、
平坦化加熱工程の間にダイヤフラムを丁寧にプレートから引き剥がして、ややず
らした位置に再び置くことによって得ることができる。有利にはダイヤフラムを
回転させてから置くことも可能である。複数の平坦なプレートの積重ねを使用し
てその間にダイヤフラムをはさむことは、構成を格別に経済的なものにする。こ
うして出来あがったダイヤフラムは、選択的に10μmから250μmまでの範
囲内の厚さ、有利には<120μmの(120μmより小さい)厚さを備えるこ
とができる。本方法により、面全体にわたって10μmより優れた平坦さ、有利
には5μmよりも優れたダイヤフラムの平坦さを得ることができる。このときダ
イヤフラム材料の粒子は平均で20μm以下、有利には10μm以下であり、こ
の場合、5μm以下の粒子も達成することが可能である。それにより、厚さ全体
にわたって少なくとも2種の粒子、好ましくは少なくとも5種の粒子が存在して
いなくてはならないという要求も、容易に達成することができる。かくして、測
定セルへの要求を満たすために必要なヘリウム密封性のあるダイヤフラムを実現
することができる。この時点でダイヤフラムは測定セル製作に使用する準備が整
ったことになる。
【0015】 次いで、Al23からなるダイヤフラムおよび第1のケーシング本体の平坦な
表面に、電極を形成するため、電気的に伝導性のある(導電性の)被膜を施す。
そのために、たとえば金属を含有している、たとえば金を含有している顔料を使
用することができ、これをたとえば刷毛で塗り、スプレーで吹き付け、または有
利にはプリントする。さらに別の方法は、電気的に伝導性のある層を真空蒸着で
生成させ、有利にはスパッタリングで生成させる。この層を正確かつ規定どおり
に製作できるようにするため、たとえば最初は約1μmと比較的厚い金の層を塗
布し、続いて内側の領域では再び数ナノメートルの厚さまで、たとえば約5nm
まで有利にはエッチング法で、たとえば有利にはイオンエッチング法ないしスパ
ッタエッチング法で薄くすることができる。また、比較的厚い縁領域を形成すれ
ば、この縁領域はたとえばはんだ付けする場合には拡散損失を補償する。実際的
に簡単に適用可能で有利な方法では、まず数nmの薄い層を面全体に塗布してか
ら、縁部にこれよりも厚い金の層をスクリーン印刷で(すなわち組合せの方法と
異なる層厚で)施す。このように処理されたダイヤフラムないしケーシングを、
続いて数百℃の温度で、有利には650℃の範囲で焼戻しする。
【0016】 測定側に配置される第2のセラミックケーシングは平坦なセラミックプレート
でできており、このセラミックプレートはダイヤフラム側に浅い切欠きを有して
いてよく、それによって十分に大きな測定真空室を形成する。接続用パイプをこ
のセラミックケーシングに溶接、接着、またははんだによって、有利にはガラス
はんだによって接続して、接続口が将来の測定真空室と連通できるようにする。
【0017】 ダイヤフラムは密封を行う周辺の領域で両側に、有利にはスクリーン印刷法で
ガラスペーストを有している。乾燥させた後、ダイヤフラムをガラスペーストと
ともに炉の中で数百℃、有利には約670℃で焼き付ける。次いでガラス表面の
両側を研磨し、このとき有利には将来の電極間隔も規定される。
【0018】 電極側の上側のセラミックケーシングは、遮蔽部を形成するために、追加的に
外側にすでに述べた塗工プロセスにより電気的に伝導性のある層を備えていてよ
い。さらにここにも接続部位をケーシングに施しておく。その次の工程では、電
極接続部の電気的な引込のために穴を有利には銀で金属被覆する。
【0019】 テスト段階で、第1のケーシングを電極および引込線とともに、上に載せたダ
イヤフラムも含めて密封性と電極間隔についてチェックする。次いで下側のケー
シング部分を載置し、全体の構成を重量負荷してから同様に機能と間隔をテスト
する。それに続いて組立フレームの内部に場合により追加的にゲッター接続部の
装着と、約200グラムの重量負荷のもとでガラスシール材の焼き付けを数百℃
で、有利には約630℃で行い、次いで必要な間隔が守られるかどうかのテスト
をする。場合により、さらに重量負荷または重量除去をしてからさらに焼付け工
程を行うことで、ダイヤフラム間隔を修正することができる。密封の工程はきわ
めて慎重に行う必要があり、すでに上述したように測定セル構成に応力が生じな
いようにする。代替案として、ガラスはんだその他のシール材料の代わりに直接
溶接、有利にはレーザ溶接を行ってもよい。
【0020】 次に、図面を参照しながら模式的かつ一例として本発明を説明する。 本発明によるAl23からなる容量式の測定セルは、ダイヤフラムを中心とし
て実質的に左右対称に配置された構造を備えており、その断面が図2に示されて
いる。第1のケーシング(1)はAl23からなるセラミックプレートでできて
おり、セラミック製のダイヤフラム(2)に対して2μmから50μmの間隔を
おいて縁領域で密閉しながら接合されているとともに、対照真空室(25)を包
囲している。両方の面の間隔は、通例、ダイヤフラム縁部とケーシング縁部との
間に介在しているシール材料(3)によって取付時に直接調整する。このように
して、十分に平坦なケーシングプレート(1)を利用することができる。これと
同様のやり方で、対向するダイヤフラム側の第2のケーシング(4)の内部には
測定真空室(26)が形成されており、この測定真空室はケーシング(4)にあ
る測定されるべき媒体のための開口部により、接続用パイプ(5)を介してアク
セス可能である。
【0021】 図3には、測定セルの縁領域の拡大図が断面で示されている。ダイヤフラム(
2)の両側のシール材(3)は上述したように両方のケーシング(1および4)
の間隔を規定している。このシール材は有利な一例としては、取扱が簡単でたと
えばスクリーン印刷により塗布することのできるガラスはんだである。外径が3
8mm、自由なダイヤフラム内径が30mmの典型的な測定セルでは、前記間隔
は約2から50μm、有利には12から35μmである。この場合、たとえば第
1のケーシング(1)は厚さが5mmであり、第2のケーシング(4)は厚さが
3mmである。第2のケーシング(4)は有利には内部領域で、図2に示すよう
に深さ約0.5mmの切欠きを備えており、それによって測定真空室(26)を
広くしている。ダイヤフラム(2)とケーシング(1)は対照真空室側でそれぞ
れ電気的に伝導性のある層(7)を被覆されている。両方の層は互いに電気的に
接続されていない。層(7)はたとえば塗装、印刷、吹き付け、または真空法で
付与することができる。有利にはこの層は真空法で、たとえば蒸着やスパッタリ
ングにより付与される。層の材料として格別に好適なのは金であり、金をたとえ
ば1μmの層厚で蒸着してから、スパッタエッチングで数ナノメートルまで、た
とえば5nmまで薄くする。この層はそれによって厚さを規定することができ、
十分に薄く、応力が生じないように調整することができる。ダイヤフラム(7)
の電気的な接続は、有利には真空密封された電気的に伝導性のある引込線(6)
で行い、引込線は有利にはケーシング(1)を貫通しており、そこからさらに評
価電子装置と接続することができる。
【0022】 長期間安定した対照真空を室(25)の内部で維持できるようにするため、図
4に示すようにゲッター(10)が設けられる。このゲッターは有利には蒸発性
のないゲッターであり、それによって対照真空室(25)に蒸発する粒子が生じ
ないようにする。ケーシング(1)にはゲッター(10)を収容するためのゲッ
ター室(13)が設けられており、このゲッター室は連絡部(14)ないし排気
管を介して対照真空室(25)と接続されている。ゲッター室(13)はケーシ
ング(1)の上に載せることもできるが、有利にはケーシング(1)の内部に埋
設する。排気管(14)を介して対照真空室(25)を排気するときは、キャッ
プ(8)によってゲッター(10)と間隔をおいて開口部を空けることにより、
ゲッター室(13)を排気装置とつなげることができる。金属製あるいはやはり
セラミック製のキャップ(8)は排気のあいだ加熱され、これにより、ゲッター
が活性化され、同時にガス抜きされる。ゲッターが活性化された後、排気中にキ
ャップ(8)とケーシング(1)の間のシール材料(9)でキャップ(8)をケ
ーシング(1)に密封するように押圧する。シール材料(9)はたとえば汎用性
のものであり、接着剤、はんだ、または有利にはガラスはんだであってよい。ゲ
ッターをキャップ(8)に対して押圧する保持ばね(11)は、ゲッターがキャ
ップ(8)に対して熱的にうまく接触するように作用する。
【0023】 ゲッター構造部の別のバリエーションが図5に示されており、ここではキャッ
プ(8)に対するゲッター(10)の熱的な接触性を向上させるために接触手段
(12)、有利にははんだがゲッター(10)とキャップ(8)との間に取り付
けられている。ここではキャップ(8)を介してゲッター(10)を熱的に外部
から活性化できるようにするために、優れた熱伝導性が必要である。さらにこの
ゲッター構造部は、ゲッター(10)の活性化温度とはんだ(9)の溶接温度が
実質的に一致するように配慮すれば、ゲッターの活性化とこれに続くキャップ(
8)の溶接を1回の作業工程で行うことを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図2】 本発明による容量式の真空測定セルを示す模式的な断面図である
【図3】 図2に示す測定セルの部分拡大図である。
【図4】 ゲッター構造部を示す詳細な断面図である。
【図5】 ゲッター構造の別のバリエーションを示す断面図である。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年2月26日(2000.2.26)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0002
【補正方法】変更
【補正内容】
【0002】 そのため、真空利用のための圧力測定セルを完全に耐食性の材料、たとえばA
23などで製作することが試みられてきた。このような種類の公知の一つの構
成が図1に示されている。この測定セルはセラミックプレート(20)を有して
おり、その面の上にはわずかな間隔をおいてダイヤフラム(22)が配置されて
おり、このダイヤフラムはセラミックプレート(20)に対して縁領域で溶融シ
ール材(21)によって密封されながら接合されている。こうしてセラミックプ
レート(20)はダイヤフラム(22)とともに対照真空室(25)を形成して
おり、この対照真空室はポンプ開口部を介して製造時に排気されてからシール材
(28)で密封されている。対照真空室(25)の内部で対向しているセラミッ
クプレート(20)とダイヤフラム(22)の表面は電気的に伝導するようにコ
ーティングされているとともに、絶縁された接続部で外部に通じており、それに
よってキャパシタンス信号を電子装置で評価する(図面には示していない)。プ
レート(20)とダイヤフラム(22)は両方とも耐食性を得るためにAl23 などのセラミック材料で製造されている。この測定セルはさらに真空密封された
ケーシング(23)の中に配置されており、このケーシングは、測定されるべき
媒体につながれる測定セル接続部(24)を備えている。こうして形成された測
定真空室(26)は、測定セル接続部(24)を介してダイヤフラム(22)に
対しエラストマーシール材(27)で密封されながら接続されているので、測定
されるべき圧力はダイヤフラム表面(22)だけを負荷する。密封する目的のた
め、セル全体はセラミックプレート(20)とダイヤフラム(22)を介してエ
ラストマーシール材(27)に対して押圧されている。このような種類の測定セ
ルはこれまで0.1mbarから100barまでの範囲の比較的高い圧力用に
しか利用可能でない。しかもこのような構造は各材料にテンションが生じること
につながり、このことはたとえば<1mbarという低い圧力領域では測定結果
の再現性と解像度を大幅に損なってしまう。従来使用されているセラミックダイ
ヤフラム(22)は279μmから2540μmまでの範囲の厚さを有している
。このような設計は、特に0.1mbarから10-6marまでの低い圧力に至
る広い測定領域を実現することを可能にせず、しかもUS5,553,502に
も開示されているこの種の設計はコスト高になる。 上述した種類のさらに別の測定セルがWO95/28624に開示されている
。この測定セルは実質的に全面的にガラスセラミック材料でできている。この非
対称な構造は、セラミックでできた第1のケーシング本体と、円筒状のガラスリ
ングを介してこれと間隔をおいているセラミック製のダイヤフラムとで構成され
ており、このとき、ダイヤフラムとケーシング本体はガラスはんだの役目をする
ガラスリングを介して密封するように接合されて、密封された対照圧力室が形成
されるようになっている。ダイヤフラムとケーシング本体の各表面は中央部に薄
い金の層を備えており、この層は電極を形成し、それによって測定キャパシタン
スを形成し、このとき金のシートはダイヤフラム直径に対してはるかに小さくな
っている。この施工法で特に重点が置かれているのは、漂遊キャパシタンスを防
止するために、ダイヤフラム側でもケーシング側でも構造部の直径全体を覆って
いる遮蔽部である。 US5257542には、容量式の真空測定セルであって、ケーシングもダイ
ヤフラムもたとえばガラスセラミックまたはプラスチックで製造されているもの
が開示されている。ダイヤフラムとケーシングの間には、ゲッター材料を用いて
維持される対照真空部が設けられている。この構造は主として電極の接触と関連
した接合問題と接触問題に対処しようとするものである。そのため特に、ベース
ディスクの内部に少なくとも2つの別個の金属ゾーンが配置されており、これら
のゾーンがダイヤフラムに関して直列キャパシタンスを形成している。 プラスチック、ガラス、またはセラミックでできたダイヤフラムとベースプレ
ートを備えている容量式の圧力センサは、DE4136995に記載されている
。電気的に絶縁するベースプレートと、同様に絶縁性であってベースプレートか
ら間隔をおいている平行なダイヤフラムが対照圧力室を包囲しており、このダイ
ヤフラムはその縁領域に、互いに接合されていて対向する内面で金属製のコンデ
ンサ電極を形成している層区域を有している。ここで提案されているのは、ベー
スプレートの内面に少なくとも2つの別個のベース電極を設け、このベース電極
が互いに電気的に接続されたダイヤフラム上の対向電極とともに直列につながれ
たコンデンサを形成し、その接続部がベースプレートに設けられていることであ
る。 EP0701112には、センサに利用するための、特に圧電的な電気ひずみ
アクチュエータのためのセラミック製のセル構造が記載されている。この構造で
はセラミック製の基体の上に、焼結によって基体と接合されている泡状のセラミ
ック製ダイヤフラムが配置されている。複数の相並んでいるダイヤフラム構造部
を実現することが可能となっている。開示されている方法は、泡状のダイヤフラ
ムを表面の部分領域において1回のプロセス工程で成形し、1つの平面内におけ
るダイヤフラムの湾曲部をアライメントするやり方である。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0004
【補正方法】変更
【補正内容】
【0004】 この課題は、請求項1および18に記載の構成要件をもつ本発明の真空測定セ
ルで解決される。従属請求項は本発明のその他の有利な実施形態を対象としてい
る。

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 容量式の真空測定セルであって、Al23でできた第1のケ
    ーシング本体と、これから間隔をおいて縁領域で密封しながら配置されているA
    23でできたダイヤフラムとを備えており、それによってこれらの間には対照
    真空室が形成されており、このときわずかな間隔をおいて対向している前記ダイ
    ヤフラムおよび前記ケーシング本体の各表面は電気的に伝導性をもつように被覆
    されているとともに測定キャパシタンスを形成しており、そこにおいて、Al23でできた第2のケーシング本体が前記ダイヤフラムに対して縁領域で密封し ながら設けられているとともに前記ダイヤフラムとともに測定真空室を形成して
    おり、測定されるべき媒体と接続するために前記測定真空室に接続手段が開口し
    ていることを特徴とする、測定セル。
  2. 【請求項2】 前記対照真空室を包囲して測定キャパシタンスを形成してい
    る電極は、2μmから50μmの範囲内、有利には12から35μmの範囲内の
    間隔で設けられている、請求項1記載の測定セル。
  3. 【請求項3】 前記第1のケーシング本体および前記第2のケーシング本体
    は、それらの間に介在する前記ダイヤフラムに、縁領域で左右対称かつ実質的に
    応力なく密封するように接合されている、請求項1または2記載の測定セル。
  4. 【請求項4】 前記接合は、溶接、拡散性接合、または有利には特にガラス
    はんだによるはんだ接合により施工されている、請求項3記載の測定セル。
  5. 【請求項5】 前記ダイヤフラムは、10μmから250μmの範囲内、有
    利には10μmから120μmの範囲内の厚さを有している、請求項1〜4のい
    ずれか1項記載の測定セル。
  6. 【請求項6】 前記ダイヤフラムの材料の平均の粒度は、20μm以下、有
    利には10μm以下、特に5μm以下である、請求項5記載の測定セル。
  7. 【請求項7】 前記ダイヤフラムの断面には、厚さ全体にわたって少なくと
    も2種の粒子、有利には少なくとも5種の粒子が存在している、請求項5または
    6記載の測定セル。
  8. 【請求項8】 前記ダイヤフラムの面の起伏が、電極間隔の30%以下であ
    り、有利には15%以下である、請求項1〜7のいずれか1項記載の測定セル。
  9. 【請求項9】 前記ダイヤフラムの面の起伏が、10μm以下であり、有利
    には5μm以下である、請求項1〜8のいずれか1項記載の測定セル。
  10. 【請求項10】 前記ダイヤフラムのAl23の純度が少なくとも94%で
    あり、有利には少なくとも99%である、請求項1〜9のいずれか1項記載の測
    定セル。
  11. 【請求項11】 前記電気的に伝導性のある層との接触は、前記第1のケー
    シング本体にある引込線を介して密封しながら外部に通じている、請求項1〜1
    0のいずれか1項記載の測定セル。
  12. 【請求項12】 前記第1のケーシングの表面または内部にゲッターを収容
    するための容積部が設けられており、前記容積部は前記対照真空室への連絡部を
    有しており、そこにおいて、前記容積部はキャップで密閉されている、請求項1
    〜11のいずれか1項記載の測定セル。
  13. 【請求項13】 前記ゲッターが蒸発しないタイプのものである、請求項1
    2記載の測定セル。
  14. 【請求項14】 前記ゲッターが前記容積部の中でばねによって前記キャッ
    プに押圧されている、請求項12または13記載の測定セル。
  15. 【請求項15】 前記ゲッターと前記キャップとの間に接触材料、有利には
    はんだが設けられている、請求項14記載の測定セル。
  16. 【請求項16】 前記対照真空室の内部の圧力が測定されるべき最低の圧力
    よりも低く、有利には少なくとも1オーダー低い、請求項1〜15のいずれか1
    項記載の測定セル。
  17. 【請求項17】 前記セルの直径は、5から80mmの範囲内であり、有利
    には5から40mmの範囲内である、請求項1〜16のいずれか1項記載の測定
    セル。
  18. 【請求項18】 各ケーシングの表面の少なくとも一方が、遮蔽部を形成す
    るために電気的に伝導性のある被覆を有している、請求項1〜17のいずれか1
    項記載の測定セル。
  19. 【請求項19】 請求項1〜18のいずれか1項記載の測定セルのためのA
    23製ダイヤフラムを製造する方法であって、 ダイヤフラムをAl23スラリーから成形し、 次いでダイヤフラムを炉の中で焼結するための第1の加熱工程と、これに続く
    冷却を行い、 続いて第2の加熱工程でダイヤフラムを再度加熱し、それによって平坦化した
    後で冷却することを特徴とする、ダイヤフラムの製造方法。
  20. 【請求項20】 第3の加熱工程を平坦化のために行う、請求項19記載の
    方法。
  21. 【請求項21】 第1の加熱工程の焼結温度が、後続する1回または複数回
    の平坦化加熱工程の温度に比べて高く、有利には100℃以上は高くない、請求
    項20記載の方法。
  22. 【請求項22】 1回または複数回の平坦化加熱工程のあいだダイヤフラム
    を平坦なプレートにはさんで圧搾することにより、特に重量負荷することにより
    平坦化する、請求項19〜21のいずれか1項記載の方法。
  23. 【請求項23】 ダイヤフラムを2回の平坦化加熱工程のあいだに前記プレ
    ートから引き剥がしてずらした位置に再び置く、請求項22記載の方法。
  24. 【請求項24】 請求項1〜18までのいずれか1項、またはその一部に記
    載の測定セルを製造する方法であって、 各表面をつなぐ管路開口部と、電気的に伝導性のある表面と、真空密封された
    電気的な2つの引込線とを備え、前記引込線は前記伝導性のある表面と電気的に
    接続されている、第1のAl23製ケーシングプレートを製作し、 各表面をつなぐ管路開口部を備え、接続用パイプが密封しながらかつ前記管路
    と連通しながら取り付けられている、第2のAl23製ケーシングプレートを製
    作し、 請求項19〜23のいずれか1項記載の方法でAl23製ダイヤフラムを製作
    し、続いて一方のダイヤフラム表面を電気的に伝導性のある層で被覆し、 前記第1および第2のプレートを組合せて、前記ダイヤフラムが間隔をおいて
    前記各プレートの間に介在するとともにその縁領域において前記各プレートと全
    周で真空密封的に接合されるようにし、かつ前記第1のプレートの電気的に伝導
    性のある層と前記ダイヤフラムの電気的に伝導性のある層とが互いに対向すると
    ともに測定キャパシタンスを形成し、その内部でこれらの層が対照真空室を画定
    するようにし、さらに、前記ダイヤフラムの前記層が前記第1のプレートの別の
    引込線と電気的に接続され、前記第2のプレートの、前記接続用パイプと反対の
    方を向いている表面が前記ダイヤフラムとともに測定真空室を画定するようにし
    、 前記第1のプレートの管路と接続されるゲッターを活性化しながら前記管路を
    通じて前記対照真空室を排気し、このとき設定真空に達すると前記管路を前記ゲ
    ッターとともに真空密封的に閉止する、方法。
  25. 【請求項25】 ダイヤフラム成形体をAl23スラリーから鋳込み、また
    は圧搾し、有利には支持シートの上に塗布されたテープ状のAl23基体から切
    り抜いて引き続きシートから引き剥がす、請求項19〜24のいずれか1項記載
    の方法。
  26. 【請求項26】 解像度が1%以上、有利には0.3%以上で1000mb
    ar以下の圧力、有利には1mbar以下の圧力のための、請求項1〜18のい
    ずれか1項記載の測定セル。
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