JP2004264293A - ガス選択性透過膜およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高感度かつ信頼性の高いガス検知のための選択膜を提供する。
【解決手段】 シート様の本体11を含む、ガス、特にヘリウムの漏れ検知器に利用可能なガス選択性透過膜1。シート様の本体11には、シート様本体から材料を除去することにより少なくとも一つの薄肉化領域15が規定されている。この少なくとも一つの薄肉化領域15は少なくとも一種のガスを透過し、その膜の構造強度を確保するより厚く実質的にガスを透過しない領域16により部分的に囲まれるように形成さている。
【選択図】 図１

Description

本発明はガス選択性透過膜、特に漏れ検知器のためのガス選択性透過膜、およびその製造方法に関する。

本願は2003年1月24日出願のイタリア出願番号TO2003A000032に基づくパリ条約の優先権を主張するものである。
ダクト、タンクなどの漏れ検知の分野において、「漏れ検知器」として知られる装置の使用が普及している。一般にそのような装置は、チャンバー内の圧力を外気圧よりかなり低くした場合に所定のガスのみをチャンバーに流入させる選択膜を装備した真空密閉チャンバーを有する。

公知の漏れ検知器の膜は、一般に石英またはケイ酸含量の高いガラス製である。このような膜は、好適な温度、一般的には少なくとも300℃にするとヘリウムを透過する。ヘリウムは、大気中にごく少量存在する無害で不活性なガスであるため、漏れ検知用の試験ガスとしての使用に好適であることから、このような膜の使用は特に一般的になってきている。

膜をその材料が透過性を示す温度にするためには、一般に、電気抵抗器を使用する。
漏れ検知器の動作は次のとおりである。チャンバー内が十分減圧されると検知器は選択膜を通して一定量の試験ガスを吸収できる。例えばこのガスが事前に注入された体積から漏れがあるために試験ガスが周囲環境中に存在する場合には、このガスは検知器チャンバー中へ透過され、そこから真空ポンプにより外部へ排出される。チャンバー内に試験ガスが存在すれば、真空状態に比べて真空ポンプにより流れる電流が増加する。電流が増加すると検知器により試験ガスの存在を知らせる信号が送られ、結果として試験する体積中に漏れがあり得ることを知らせる。

ガス透過性は膜の厚さと反比例するので、感度を良好にするためにはこの膜は非常に薄いものでなければならない。さらに、ガス透過性は膜の温度に比例するため、この膜は高温に耐えるものでなければならない。
現在使用されている膜は、一般にキャピラリーチューブを有し、このキャピラリーチューブにはこの膜の加熱用の電気抵抗器がらせん状に巻きつけられている。キャピラリーチューブ膜を有する漏れ検知器は、例えば下記特許文献１「シリカガラス探針を有するヘリウム漏れ検知器」に開示されている。

しかしキャピラリーチューブ膜は壊れやすく、真空ラインにキャピラリーチューブを固定するのは難しい。さらに、試験ガスに対し良好な透過性を示す理想の温度までキャピラリーチューブの表面を全体的かつ均一に加熱することができないため、このキャピラリーチューブの形状は感度の点で満足のいくものではない。これは一つには、抵抗器の温度を上昇させるには制限があること、そしてキャピラリーチューブが真空ラインに接着されていることによる。

さらに、このキャピラリーチューブの形状はチャンバー容積を増大させるため、試験ガスの存在下における検知器の応答慣性が大きくなり、漏れが検知された後に再び検知器が作動するまでに必要な時間も長くなる。
これまで、これらの欠点を除くために平面の膜が開発されてきた。
この膜は、構造強度を与える通常の金属支持層が、試験ガスを選択的に透過する材料の薄い層と関連づけられた複合構造を持つ。ガスを透過しない材料であるこの支持層には孔または窓があり、それを通して透過性層の両面が露出されている。このような膜の例は下記特許文献２に開示されており、パラジウムの水素透過性層が有孔金属支持層に重ねられている。

今までのところ、膜を形成する材料の物理的特性が異なるために、その解決法は完全に満足のいくものではなかった。例えば、熱膨張係数が異なれば膜の寿命を縮めるかもしれない。さらに、複合構造を形成する異なる層の分離現象が起こるかもしれない。後者の欠点は膜を加熱できる温度を制限するため、試験ガスの透過性という点では甚だ不利である。
欧州特許出願公開第０３５２３７１号明細書 米国特許第３，５０５，１８０号明細書

本発明の主要な目的は、上記の欠点を克服し、漏れ検知器のための選択膜、およびこのような膜の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、高感度かつ信頼性の高いガス検知のための選択膜を提供することである。

上記およびその他の目的は、別紙の特許請求の範囲で請求する本発明のガス検知のための膜により達成される。
本発明の膜は完全性を失う危険性がなく高温に保つことができ、従って非常に高感度で信頼できる漏れ検知のための手段を提供する。
ガス選択膜は、少なくとも一種の選択された試験ガスを透過し、少なくとも他のガスは実質的に透過しない材料からなる本体を有する。選択された試験ガスに対し透過性の高い少なくとも一つの薄肉化領域は、本膜の製造方法の詳細な説明に従って本体から材料を除去することにより本体に形成される。この薄肉化領域は、少なくとも膜の構造強度を部分的に担う、肉厚領域によって取り囲まれている。少なくとも一つの薄肉化領域は、薄肉化領域を部分的に覆う電気抵抗器により加熱される。

真空ポンプが接続された真空密閉チャンバーを装備したガス漏れ検知のための装置は、真空チャンバーの少なくとも一部を外部環境から隔離するこのガス選択性透過膜を内蔵する。

本発明の膜およびその製造方法の、これに限定されるものではない例示する実施形態を、本発明の詳細な説明において添付の図面を参照しながら開示する。
図１および２は、本発明の膜1を示す。膜1は、デッドキャビティー13が形成された本体11を有しており、デッドキャビティーは同じ数の薄肉化領域15を規定している。
膜の本体11は、好ましくはシート様円板からなり、ガスを選択的に透過する材料からなる。

例えば、石英、ケイ酸含量の高いガラスおよびパラジウムがガスを選択的に透過する材料である。
膜1がヘリウム検知に使用される場合、膜の製造のために使用する材料は石英またはケイ酸含量の高いガラスであることが好ましい。その場合、膜1の厚さは800μm〜900μmの範囲であることが好ましく、薄肉化領域15は約10μmであることが好ましい。

キャビティー13は、好ましくは、円形であり、その断面は軸方向に外へ広がる円錐形である。さらに、このキャビティー13は膜1の同じ面11aに形成されるのが好ましい。
加熱手段17は、膜1の反対面11bに設けられている。膜1の面11bに接着され、すべての薄肉化領域15にわたって延びている電気抵抗器は加熱手段17を形成する。
薄肉化領域15を均一に加熱するために、抵抗器17は、領域15の周囲の少なくとも一部、好ましくは実質的に領域15の中心とそれらの外周との中間距離に位置する円形路に沿って延びていることが有利である。

従って領域15は均一に加熱され、材料をガス透過性にするのに必要な温度が、相当する領域15全体にわたって均一に得られる。さらに、抵抗器17を電源に接続するための一対の端子19が抵抗器17に設けられている（図示せず）。
本発明によれば、領域15およびそれらを加熱する抵抗器17はいずれも、例えば接着することにより、漏れ検知器の真空密閉チャンバー壁への膜1の効果的な結合を確保するに十分な幅を有する環11cで示される周囲部の内方に位置するのが有利である。この環11cは抵抗器17が通っていないために領域15に関しては実質的に「冷たい」というのが有利である。従って、膜1のチャンバー壁への接着は損なわれない。

図3に詳しく示してあるように、抵抗器17は導電体、好ましくはクロムまたは代替として銅またはアルミニウムのフィルム17aを含み、かつ例えばチタンのような接着材17bの層を介して膜1に接着されている。さらに導電層17aは例えば金のような保護層17cで被覆されている。
図4は全体が31で表される漏れ検知器の概略を示したものである。検知器31は、一端が例えばイオンポンプのような真空ポンプ37の吸気口に接続された中空の円筒体39によって得られる真空密閉チャンバー33を有する。チャンバー33の他端は、前出の図で説明されたようなガス選択性透過膜1により外部環境から隔離されている。

有利には、この膜1は、円筒体39の円形リム41に沿って円筒体39に接着されてチャンバー33を規定している。膜1は膜1の周辺環11cの接着によりこのリム41に接着されるのが好ましい。
別法として、膜1を金属リングに接着し、次いでチャンバー33のリム41に蝋付けしてもよい。

膜1は、電気抵抗器17がチャンバー33の外部に向くように取り付けるのが好ましい。
さらに、薄肉化領域15は、リム41への接着により取り付けられた膜の環11cが接着の維持を損なわない十分低い温度に保たれるように配置される。
このようにして得られた装置を、一定量の試験ガスを事前に注入した試験環境下に設置する。試験ガスがチャンバー33内に少しでも存在すればポンプにより流れる電流の変化に対して試験ガスの存在を検知するように、ポンプ17に接続した電源ユニット19を配置する。

図5a〜5dは、ガス選択性透過膜の製造方法の主要な工程を示す。
第一に、図5aに示したように、例えば非晶質石英のような試験ガスを選択的に透過する材料のシート51を、非晶質シリコン53の均一な層で被覆する。感光性材料の薄い均一な層55(例えば市販されているフォトレジスト HPR504 ARCH ポジティブ)を層53に貼り付ける。次いで層55を孔59を有するリソグラフィックマスク57で覆う。この孔は、薄肉化領域が得られるべきシート51の領域に対応している。このマスク57は、例えば光学石英に蒸着させたクロムまたは「Mylar(登録商標)」の名で市販されているポリエステルフィルムを用いて形成してよい。

シート51に対して垂直に、上記のアセンブリのリソグラフィックマスク57が設けられている側に紫外線照射UVに曝す。
この紫外線の効果としては、露光された範囲すなわちマスク57の孔59に相当する領域の感光層55から材料を除去することである。このように、マスク57の孔59のパターンが感光層55に再現される。

照射工程の終わりに、リソグラフィックマスク57を除去し、図5bに示すようにシート51にプラズマ、好ましくはCF₄のプラズマによるドライエッチングを施す。プラズマエッチングは感光層55の孔61に相当する露光領域の非晶質シリコン層53のみに作用し、その結果、感光層55の孔のパターンが非晶質シリコン層53上に再現される。
次いで感光層55を除去し、図5cに示すようにシート51に超音波ドリル63によりドリリングを施す。超音波ドリリングは、シート51の非晶質シリコン層53に覆われていない、孔65と一致する領域のみに行われ、シート51に複数のキャビティー13を造る。このように、試験ガス透過性の高い等しい数の薄肉化領域15が規定される。

図5dに示した本発明の方法のさらなる工程は、ウェットエッチング処理である。非晶質シリコン層53にまだ部分的に覆われているシート51を適当なセル71中に置き、フレーム73により吊るし、そこにシート51を置く間リングシール37で支持する。シート51をHFおよび水の浴液75に沈め、その作用によりキャビティー13をウェットエッチングにより仕上げる。

膜の処理が完了したところで非晶質シリコン層53を除去し、要すれば加熱抵抗器を貼り付ける。
その他の実施形態によれば、膜の製造方法は、複数の薄肉化領域を得るために、例えば非晶質石英のような試験ガスに選択透過性の材料のシートを、超音波で直接処理することで達成される。この方法によれば、極めて高精度の超音波ドリルを使用する必要がある。

本発明のガス検知のための膜の平面図である。 本発明の膜の模式的な横断面図である。 膜の細部の斜視図である。 本発明の膜を装備した漏れ検知器の模式図である。 膜を製造するための本発明の方法の主要な工程を示す。 膜を製造するための本発明の方法の主要な工程を示す。 膜を製造するための本発明の方法の主要な工程を示す。 膜を製造するための本発明の方法の主要な工程を示す。

Claims (23)

1. 少なくとも一種の選択された試験ガスを透過し、かつ少なくとも他のガスは実質的に透過しない材料の本体(11)を有し、この本体(11)が、試験ガスに対する透過性が高い少なくとも一つの薄肉化領域(15)を有し、その薄肉化領域(15)が膜の構造強度を確保する肉厚領域(16)によって少なくとも部分的に囲まれている、ガス選択性透過膜。
2. 複数の前記肉厚領域(16)により完全に囲まれた複数の前記薄肉化領域(15)を有する、請求項１に記載のガス選択性透過膜。
3. 前記肉厚領域(16)が少なくとも一つの選択された試験ガスを実質的に透過しない、請求項２に記載のガス選択性透過膜。
4. 前記薄肉化領域(15)が円形である、請求項３に記載のガス選択性透過膜。
5. 前記本体(11)が扁平な円板の形状である、請求項４に記載のガス選択性透過膜。
6. 前記薄肉化領域(15)が前記円板の同じ面に配置されている、請求項５に記載のガス選択性透過膜。
7. 前記薄肉化領域(15)が不規則に配置されている、請求項６に記載のガス選択性透過膜。
8. 前記薄肉化領域(15)が、円錐状で外へ向かって広がる断面を有する対応するデッドキャビティー(13)により形成されている、請求項７に記載のガス選択性透過膜。
9. 前記少なくとも一つの薄肉化領域(15)を加熱するための加熱手段(17)をさらに有する、請求項１に記載のガス選択性透過膜。
10. 前記加熱手段(17)が前記薄肉化領域(15)を部分的に覆う電気抵抗器を有する、請求項９に記載のガス選択性透過膜。
11. 前記薄肉化領域(15)が実質的に円形で、かつ前記電気抵抗器が前記薄肉化領域(15)の直径とその中心との間の直径の円周の少なくとも一部に沿って伸びている、請求項１０に記載のガス選択性透過膜。
12. 前記電気抵抗器(17)が、接着層(17b)を介して前記本体に接着され、保護層(17c)で被覆された導電体フィルム(17a)を有する、請求項１１に記載のガス選択性透過膜。
13. 前記フィルム(17a)がクロム、銅およびアルミニウムからなる群より選択される材料からなる、請求項１２に記載のガス選択性透過膜。
14. 前記接着層(17b)がチタンからなる、請求項１２に記載のガス選択性透過膜。
15. 前記保護層(17c)が金からなる、請求項１２に記載のガス選択性透過膜。
16. 前記本体が石英またはケイ酸含量の高いガラスからなり、前記少なくとも一種の選択されたガスがヘリウムである、請求項１に記載のガス選択性透過膜。
17. 前記本体が800μm〜900μmの範囲の厚さを有するシートであり、前記薄肉化領域(15)は約10μmの厚さである、請求項１６に記載のガス選択性透過膜。
18. 真空密閉チャンバーと、
    前記チャンバー内の気圧を外部環境よりも低い値にするために前記チャンバーに接続された真空ポンプと、
    少なくとも前記チャンバーの一部を外部環境から隔離するガス選択性透過膜であって、少なくとも一種の選択された試験ガスを透過し、かつ少なくとも他のガスを実質的に透過しない材料の本体であって、この本体は試験ガスに対して透過性が高い少なくとも一つの薄肉化領域を有し、この薄肉化領域が少なくとも部分的に肉厚領域により囲まれた本体と、前記薄肉化領域を部分的に覆う電気抵抗器により前記少なくとも一つの薄肉化領域を加熱する加熱手段とを有する、ガス選択性透過膜と、
    前記チャンバー内の少なくとも一種の選択された試験ガスの存在を検知するための手段とを有する、ガス漏れ検知のための装置。
19. 前記ガス選択性透過膜の本体が、少なくとも一種の選択された試験ガスを実質的に透過しない複数の前記肉厚領域によって完全に囲まれた、円形の複数の前記薄肉化領域を有する扁平な円板である、請求項１８に記載のガス漏れ検知のための装置。
20. 少なくとも一種の所定の試験ガスを透過し、かつ少なくとも他のガスは実質的に透過しない材料の本体(11)を用意する工程と、
    少なくとも一種のガスを透過する少なくとも一つの薄肉化領域(15)を前記本体(11)に形成する工程と、
    前記少なくとも一つの薄肉化領域(15)が、膜の構造強度を確保する肉厚領域(16)により少なくとも部分的に囲まれるように前記本体から材料を除去する工程とを有する、ガス選択性透過膜の製造方法。
21. 前記本体が平板シート(51)であり、前記平板シートから材料を除去する工程がさらに、
    前記平板シート(51)の表面を非晶質シリコンの層(53)で被覆する工程と、
    前記非晶質シリコンの層を感光性材料の層(55)で被覆する工程と、
    前記感光層(55)を複数の孔(59)を有するリソグラフィックマスク(57)で覆う工程と、
    その表面に紫外線照射を施す工程と、
    前記リソグラフィックマスク(57)を除去し、プラズマ処理によってその表面にドライエッチング処理を施す工程と、
    感光性材料の前記層(55)を除去し、その表面に超音波ドリリング処理を施す工程と、
    その表面に酸溶液の浴液中でウェットエッチング処理を施し、そして前記非晶質シリコン層(53)を除去する工程とを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記浴液がHF水溶液である、請求項２１に記載の方法。
23. 接着または蒸着により導電体フィルムを貼り付けて前記平板シート(51)上に電気抵抗器(17)を形成する工程をさらに有する、請求項２１に記載の方法。

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