JP2008507708A6 - Pirani pressure gauge - Google Patents

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Abstract

ピラニ圧力計は、プラチナ及びインジウムを含む合金から形成されるコイル状の加熱された例えば90/10Pt/Irである感知要素を備えている。これは、圧力計が腐食性の環境に配置されることを可能にし、また、長期間を通して10-4mbarの低さの圧力を確実に測定できるようにする。The Pirani manometer comprises a sensing element that is coiled and heated, for example 90/10 Pt / Ir, formed from an alloy containing platinum and indium. This allows the pressure gauge to be placed in a corrosive environment and ensures that pressures as low as 10 −4 mbar can be measured over time.

Description

本発明は、圧力計に関する。   The present invention relates to a pressure gauge.

圧力計の1つの周知の型は、ピラニ真空計である。そのような計器は、温度がその電気抵抗に関して測定される加熱フィラメントを使ってガス圧力を測定するのに用いられる。フィラメントがその周囲に対する熱を損失する速度は、ガス圧力の関数であり、それゆえ、計器が真空を測定できるようにするのに用いられ得る。   One well-known type of pressure gauge is the Pirani gauge. Such an instrument is used to measure gas pressure using a heated filament whose temperature is measured with respect to its electrical resistance. The rate at which the filament loses heat to its surroundings is a function of gas pressure and can therefore be used to allow the instrument to measure vacuum.

ピラニ真空計では、フィラメントは、ホイートストンブリッジ回路の辺に存在する。計器は、一定温度又は一定電圧モードのいずれかで動作し得る。前者のモードでは、フィラメントを一定温度に維持するように供給される電力は、ガス圧力の変化と共に変化し、それゆえ、この電力は、真空の程度の測定として動作する。後者のモードでは、その変化は、ブリッジの電気的不均衡のガス圧力を用いて、真空の程度の測定として動作する。   In the Pirani gauge, the filament is on the side of the Wheatstone bridge circuit. The instrument can operate in either constant temperature or constant voltage mode. In the former mode, the power supplied to maintain the filament at a constant temperature varies with changes in gas pressure, and therefore this power operates as a measure of the degree of vacuum. In the latter mode, the change operates as a measure of the degree of vacuum using the gas pressure of the bridge electrical imbalance.

ピラニ真空計のフィラメントは、典型的には、伝導によるワイヤからの熱損失を最小にするために適当な支持部に装着されるワイヤを備えている。BOC Edwards APG−MPピラニ真空計は、プラチナ/ロジウム合金から形成されるフィラメントを含んでいる。ワイヤに対するプラチナ又はPt/Rh合金などの材料の利用は、計器がアプリケーションを処理する半導体で典型的に遭遇する10-3mbarの下の圧力を測定できるようにする。 The Pirani gauge gauge typically includes a wire that is attached to a suitable support to minimize heat loss from the wire due to conduction. The BOC Edwards APG-MP Pirani gauge includes a filament formed from a platinum / rhodium alloy. The use of materials such as platinum or Pt / Rh alloys for the wire allows the instrument to measure pressures below 10 -3 mbar typically encountered in semiconductor processing applications.

最近、そのような腐食性の環境において、10-4mbarの低さの圧力を測定する要求が高まっている。ピラニ真空計のレンジを増大させるために、コイル化によってフィラメントの長さを長くし、それによって、計器のサイズの増大を最小化する一方で、フィラメント支持部を通る熱損失の影響を低減させることが知られている。例えば、BOC Edwards APG−Lピラニ真空計は、金塗装タングステンから形成されるコイルフィラメントを含んでおり、10-4mbarの下の圧力を測定することができる。しかしながら、フッ素などの腐食性媒体に対する上記フィラメントの延長された露出は、計器の実効寿命を劇的に減少させる。フィラメントをプラチナ又はプラチナ/ロジウム合金から形成されるフィラメントと置換することは、これらの材料から形成されるワイヤが許容できる計器サイズの範囲内で必要とされるフィラメント長を達成するのに十分にきつく巻きつけられ得ないので、実際的ではない。結果として、相対的に高価なキャパシタンス圧力計がこの目的に対して用いられるのが通常である。 Recently, there has been an increasing demand for measuring pressures as low as 10 −4 mbar in such corrosive environments. To increase the range of the Pirani gauge, increase the filament length by coiling, thereby minimizing the increase in instrument size while reducing the effects of heat loss through the filament support It has been known. For example, the BOC Edwards APG-L Pirani gauge includes a coil filament formed from gold-coated tungsten and can measure pressures below 10 -4 mbar. However, the extended exposure of the filament to corrosive media such as fluorine dramatically reduces the effective life of the instrument. Replacing the filament with a filament formed from platinum or a platinum / rhodium alloy is tight enough to achieve the required filament length within the acceptable instrument size for wires formed from these materials It is not practical because it cannot be wrapped around. As a result, relatively expensive capacitance pressure gauges are typically used for this purpose.

この問題に取り組むために、本発明は、プラチナ及びイリジウムを含む合金であって、合金におけるプラチナの量が少なくとも70%であり、望ましくはおよそ90%のプラチナと10%のイリジウムである合金から形成される加熱されたコイルフィラメントを備えた熱伝導率圧力計を提供する。Pt又はPt/Rn合金から形成されるフィラメントと対照すると、Pt/Ir合金の機械的特性は、ワイヤが相対的にきつく巻きつけられるようにする一方で、合金の熱特性は、計器が10-4mbarの下の圧力を測定するようにする。なお、合金の化学的特性は、フィラメントがタングステン又は金塗装タングステンから形成される従来の計器と比較して優れた耐食を提供する。 To address this problem, the present invention is an alloy comprising platinum and iridium, wherein the amount of platinum in the alloy is at least 70%, preferably approximately 90% platinum and 10% iridium. A thermal conductivity pressure gauge with a heated coil filament is provided. In contrast to filaments formed from Pt or Pt / Rn alloys, the mechanical properties of Pt / Ir alloys allow the wire to be relatively tightly wound, while the thermal properties of the alloy are 10 Try to measure the pressure below 4 mbar. It should be noted that the chemical properties of the alloy provide superior corrosion resistance compared to conventional instruments whose filaments are formed from tungsten or gold-coated tungsten.

結果として、本発明は、10-4mbarの低さの圧力が腐食性の環境において測定されることを必要とする半導体製造アプリケーションにおいて利用するのに適した相対的に低コストの圧力計を提供することができ、この目的に対して典型的に提供される従来のピラニ真空計と比較して優れた信頼性を有している。 As a result, the present invention provides a relatively low cost pressure gauge suitable for use in semiconductor manufacturing applications that require pressures as low as 10-4 mbar to be measured in corrosive environments. And has superior reliability compared to conventional Pirani gauges typically provided for this purpose.

ここで、本発明の実施形態が、例を通して、図面を参照して以下に更に説明される。   Embodiments of the present invention will now be further described below by way of example with reference to the drawings.

最初に図1を参照すると、ピラニ真空計のヘッド部の第1の実施形態は例えば、ガラス又はセラミックから形成されるベース10を電気的に絶縁している耐食(腐食性の抵抗)を備えており、環境が監視されるように通信するようになされたエンベロープ(図示されていない)の一部を形成している。そのような環境の例は、排出中の又は低い圧力に維持された格納装置、又は真空ポンプの排気を含む。   Referring initially to FIG. 1, a first embodiment of the head portion of a Pirani gauge includes a corrosion resistance (corrosive resistance) that electrically insulates a base 10 formed from, for example, glass or ceramic. And forms part of an envelope (not shown) adapted to communicate such that the environment is monitored. Examples of such environments include containment devices being evacuated or maintained at low pressure, or evacuation of vacuum pumps.

フィラメントから電気的に絶縁される耐食ロッド12の一端は、絶縁物質から作られたベース10に埋め込まれている。電気的に絶縁しているボビン14は、ロッド12の他端に取り付けられている。2つの電気的に導通する金属ピン16、18はまた、ベース10に埋め込まれている。ピン16、18の(図示される)下端は、図3に示されるホイールストンブリッジ回路20に対する接続ピンを提供する。   One end of a corrosion-resistant rod 12 that is electrically insulated from the filament is embedded in a base 10 made of an insulating material. An electrically insulating bobbin 14 is attached to the other end of the rod 12. Two electrically conductive metal pins 16, 18 are also embedded in the base 10. The lower ends (shown) of pins 16, 18 provide connection pins for the wheelstone bridge circuit 20 shown in FIG.

フィラメント22は、ピン16、18の上端にスポット溶接される。フィラメント22は、プラチナ及びイリジウムの合金から作られる単一長さのコイル状ワイヤのから形成される。本実施形態では、フィラメントは、(重量が)90%のPt及び10%のIrを含む90/10Pt/Ir合金から作られている。フィラメント22は、フィラメント22が“V”配置のピン16、18の間の僅かな張力の下で保持されるように、望ましくは、ボビンに形成される円周の溝の範囲内でボビン14を通り越す。   The filament 22 is spot welded to the upper ends of the pins 16 and 18. Filament 22 is formed from a single length of coiled wire made from an alloy of platinum and iridium. In this embodiment, the filament is made from a 90/10 Pt / Ir alloy containing 90% (by weight) Pt and 10% Ir. The filament 22 preferably moves the bobbin 14 within a circumferential groove formed in the bobbin so that the filament 22 is held under slight tension between the pins 16, 18 in the “V” configuration. Pass by.

図2に示される別の実施形態では、ピラニ真空計ヘッド部は、第1の実施形態と同様な電気的に絶縁しているベース10を備えている。耐食性の電気的に通電するロッド24は、ベース10に埋め込まれている。ロッド24の(図示される)下端は、第1の接続ピンをホイートストンブリッジ回路20に提供する。ロッド24の上端は、ロッド24の主要部分に対して“L”形状の部分を有している。第1の実施形態と同様に、金属ピン26はまた、ベース10に埋め込まれ、ピン26の(図示される)下端は、第2の接続ピンをホイートストンブリッジ回路20に提供する。フィラメント28は、ピン26の上端及びロッド24の上端にスポット溶接される。第1の実施形態と同様に、フィラメント28は、プラチナ及びイリジウムの合金から作られる単一長さのコイル状ワイヤから形成される。本実施例でもまた、フィラメントは、90/10 PI/Ir合金から作られる。   In another embodiment shown in FIG. 2, the Pirani gauge head comprises an electrically insulating base 10 similar to the first embodiment. The corrosion-resistant electrically conducting rod 24 is embedded in the base 10. The lower end (shown) of rod 24 provides a first connection pin to Wheatstone bridge circuit 20. The upper end of the rod 24 has an “L” shaped portion with respect to the main portion of the rod 24. Similar to the first embodiment, the metal pin 26 is also embedded in the base 10 and the lower end (shown) of the pin 26 provides a second connection pin to the Wheatstone bridge circuit 20. The filament 28 is spot welded to the upper end of the pin 26 and the upper end of the rod 24. Similar to the first embodiment, the filament 28 is formed from a single length of coiled wire made from an alloy of platinum and iridium. Also in this example, the filament is made from a 90/10 PI / Ir alloy.

図3を参照すると、ホイートストンブリッジ回路20は、通常の4つの抵抗Ri、R2、R3及びR4を有しており、それぞれは、ブリッジ回路20のそれぞれの辺に提供され、Ri、R3及びR4は固定抵抗であり、R2はピラニ真空計のフィラメントの抵抗である。ブリッジ回路20の平衡条件は、R2=Ri・R4/R3によって与えられる。   Referring to FIG. 3, the Wheatstone bridge circuit 20 has four conventional resistors Ri, R2, R3 and R4, each provided on a respective side of the bridge circuit 20, where Ri, R3 and R4 are It is a fixed resistance, and R2 is the resistance of the filament of the Pirani gauge. The equilibrium condition of the bridge circuit 20 is given by R2 = Ri · R4 / R3.

利用時に、演算増幅器は、全ての時間でブリッジが平衡を維持することを確実にする電圧をブリッジに供給する。この場合に、フィラメントの熱い抵抗は、一定を維持する。これは、ブリッジの他辺の一定の抵抗によって支配される。計器ヘッド部の圧力が増えると、例えば、フィラメントからの熱損失が増大する。演算増幅器は、その平衡を確実にするためにブリッジに対する電圧を増大させる。このモードの動作では、供給電圧は、圧力指示器として用いられる。計器の較正は、供給電圧の圧力への変換を可能にする。   In use, the operational amplifier supplies a voltage to the bridge that ensures that the bridge remains balanced at all times. In this case, the hot resistance of the filament remains constant. This is governed by a certain resistance on the other side of the bridge. As the pressure in the instrument head increases, for example, heat loss from the filament increases. The operational amplifier increases the voltage on the bridge to ensure its balance. In this mode of operation, the supply voltage is used as a pressure indicator. Instrument calibration allows conversion of supply voltage to pressure.

上述した両方の実施形態では、計器のフィラメントは、プラチナ及びイリジウムの合金から形成され、好ましい組成は、Pt及びIrの重量の異なる割合が提供されてもよいが、90/10 Pt/Irである。この合金の機械的特性は、フィラメントが10-4mbarの下の圧力を測定するのに典型的に用いられるタングステン又は金塗装タングステンフィラメントを置き換えることができるようにするために、ワイヤが実質的にきつく巻きつけられるようにする一方で、合金の化学的特性は、W又はAu塗装のWから形成される従来のフィラメントと比較して改善された耐食を提供する。 In both embodiments described above, the instrument filament is formed from an alloy of platinum and iridium, and a preferred composition is 90/10 Pt / Ir, although different proportions of Pt and Ir weights may be provided. . The mechanical properties of this alloy allow the wire to be substantially replaced so that the filament can replace the tungsten or gold painted tungsten filament typically used to measure pressures below 10 -4 mbar. While being tightly wound, the chemical properties of the alloy provide improved corrosion resistance compared to conventional filaments formed from W or W with Au coating.

例えば、図4は、気圧において20%のフッ素を含む大気内に19日の間ずっと配置された5つのピラニ真空計を用いて実行されたテストの結果を示すグラフである。これらの計器の3つは、それぞれが90/10 Pt/Irフィラメントを有している図2に例証される第2の実施形態に従う計器である。4つの計器は、フィラメントがAu塗装されたWフィラメントを備えたということを除いて、第1の3つの計器と同様であり、5つの計器は、ここではフィラメントがWフィラメントを備えているということを除いて、第1の3つの計器と再度同様である。   For example, FIG. 4 is a graph showing the results of tests performed using five Pirani gauges that were placed for 19 days in an atmosphere containing 20% fluorine at atmospheric pressure. Three of these instruments are instruments according to the second embodiment illustrated in FIG. 2, each having a 90/10 Pt / Ir filament. The four instruments are the same as the first three instruments, except that the filaments were provided with Au-coated W filaments, and the five instruments are now provided with W filaments. Is the same as the first three instruments again.

図4の矢印35及び38のそれぞれによって指示されるように、従来のW又はAu塗装されたWフィラメントを含む計器からの読み出し結果は、フッ素大気によるフィラメント劣化のため、5日の露出後に少なくとも2ボルト落ちた。対照すると、Pt/Irフィラメントを含む3つの計器からの読み出しは、矢印40で指示され、全てのテスト時間にわたって実質的に一定を維持し、Pt/Ir合金の優れた耐食を指示する。   As indicated by each of arrows 35 and 38 in FIG. 4, the readout from a meter containing a conventional W or Au coated W filament is at least 2 after 5 days exposure due to filament degradation due to fluorine atmosphere. Bolt fell. In contrast, readouts from three instruments containing Pt / Ir filaments are indicated by arrows 40 and remain substantially constant over all test times, indicating excellent corrosion resistance of Pt / Ir alloys.

ピラニ真空計のヘッド部の一実施形態の表示を例証したものである。Fig. 6 illustrates the display of an embodiment of the head portion of a Pirani gauge. ピラニ真空計のヘッド部の第2の実施形態の表示を例証したものである。Fig. 6 illustrates the display of the second embodiment of the head part of the Pirani gauge. 計器ヘッドのフィラメントを取り込んだ制御回路を例証したものである。Fig. 4 illustrates a control circuit incorporating an instrument head filament. フッ素環境に配置された多数の異なる計器からの読み出しの時間変化を例証したものである。FIG. 6 illustrates the time variation of readout from a number of different instruments located in a fluorine environment.

Claims (6)

プラチナ及びインジウムを含む合金から形成されるコイル状の加熱されたフィラメントを備えた熱伝導率圧力計であって、
前記合金におけるプラチナの量は、少なくとも70%である熱伝導率圧力計。
A thermal conductivity pressure gauge with a coiled heated filament formed from an alloy comprising platinum and indium,
A thermal conductivity pressure gauge wherein the amount of platinum in the alloy is at least 70%.
前記合金は、およそ90%のプラチナ及び10%のイリジウムを備えた請求項1に記載の圧力計。   The pressure gauge of claim 1, wherein the alloy comprises approximately 90% platinum and 10% iridium. 前記フィラメントを熱するために前記フィラメントに電流を供給する手段を備えた請求項1又は2に記載の圧力計。   3. The pressure gauge according to claim 1, further comprising means for supplying an electric current to the filament to heat the filament. 前記フィラメントは、非直線的な配置で形成される上記請求項いずれか1つに記載の圧力計。   The pressure gauge according to claim 1, wherein the filament is formed in a non-linear arrangement. 前記フィラメントは、実質的にV字形を有している請求項4に記載の圧力計。   The pressure gauge according to claim 4, wherein the filament has a substantially V shape. 前記フィラメントは、前記圧力計内のガス圧力を表す電気的出力信号を生成するように配置される電気ブリッジの1辺を形成する上記請求項いずれか1つに記載の圧力計。   A pressure gauge according to any one of the preceding claims, wherein the filament forms one side of an electrical bridge arranged to generate an electrical output signal representative of the gas pressure in the pressure gauge.
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