JP2008525770A - 選択式ガスセンサ - Google Patents

Abstract

選択式ガスセンサは、例えばヘリウム等のテストガスの存在を検出するために役立ち、排気されたケーシング（１０）を有している。このケーシングは、ガスを選択的に透過させるダイヤフラム（２２）によって閉鎖されている。このダイヤフラム（２２）は、のぞきガラスの構成部材である。こののぞきガラスには、ガラス板（２０）に孔が設けられており、この孔は、ケイ素材料から成るダイヤフラム（２２）によって閉鎖されている。ダイヤフラム壁（１４）のフレーム（１５）は、軟金属シール（１６）により高真空に適用可能にケーシング（１０）に結合されている。ケーシング（１０）は同時に、ガス圧センサ（３１）の複数の電極の内の１つを形成している。

Description

本発明は、排気されたケーシングを備えた選択式ガスセンサであって、前記ケーシングが、選択的に透過性のダイヤフラムによって閉鎖されており且つ少なくとも２つの電極を備えたガス圧センサを有している形式のものに関する。

ヨーロッパ特許第０８３１９６４号明細書（Ｌｅｙｂｏｌｄ−Ｖａｋｕｕｍ ＧｍｂＨ）に記載された選択式ガスセンサは排気されたケーシングを有しており、このケーシングはダイヤフラムにより閉鎖されている。このダイヤフラムは、シリコンウェーハに配置された、石英、石英ガラス、パイレックスガラス、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素又はシリコンカーバイド等のケイ素材料から成っている。前記シリコンウェーハは、窓の形の切欠きを有しており、この切欠きにはヒータ壁がダイヤフラムに沿って配置されている。このようなダイヤフラムは、ヘリウム又は水素等の軽量ガスに関しては選択的に透過性であり、その他のガスについては非透過性である。ダイヤフラムをガスが通過することにより、最初は高真空が支配しているケーシング内の圧力が高められる。ダイヤフラムを除いたケーシングのその他の壁は真空密である。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００３１８８２号明細書（Ｌｅｙｂｏｌｄ−Ｖａｋｕｕｍ ＧｍｂＨ）に記載されたヘリウム又は水素用のセンサは、選択的に透過性のダイヤフラムの原理を用いている。センサのケーシングはガラスから成っており、選択的に働く通流部はケイ素材料から成るダイヤフラムであり、このダイヤフラムには、開口の設けられたシリコンウェーハとヒータとが配置されている。ケーシング内には、このケーシングに侵入するガスの全圧に反応するペニング装置又はマグネトロンの形のガス圧センサが位置している。このようにして、質量分光計の代わりに比較的簡単なガス圧センサを使用することができる。このガス圧センサは、ケーシングに配置された少なくとも２つの電極と、付加的にケーシング外に配置された磁石とを有しており、この磁石はケーシングを貫通する磁界を生ぜしめる。ガラスケーシングは衝撃に敏感で壊れやすい。ホウケイ酸ガラスから成るケーシングは、ダイヤフラムのケイ素とほぼ同じ熱的な膨張係数を有しているので、両者は陰極ボンディング若しくは拡散溶接により結合可能である。ケーシングは内部を支配する高真空に基づき、ガス流出を生ぜしめ延いては検出限度を低下させる恐れのあるシール又は接着剤を有していなくてよい。

本発明の課題は、丈夫なケーシングを有しており延いては機械的に強い選択式ガスセンサを提供することである。

本発明によるガスセンサは請求項１に規定されている。これによると、ケーシングが金属から成っており且つ金属のフレームを備えたダイヤフラム壁を有しており、前記フレームにガラス板がボンディングされており、該ガラス板が孔を有しており、該孔がダイヤフラムによって閉鎖されている。

当該ガスセンサは、原則としてしばしば真空技術に用いられるのぞきガラスを使用する。この場合ガラス窓は、例えばレーザ又はウォータジェット切断により製作される孔を備えているように変更されている。この場合、石英ウインドウチップから成る選択的に透過性のダイヤフラムは、ガラスに陽極ボンディングされている。ガラス板を支持する金属のフレームは、エラストマシール無しでＵＨＶが得られるようにケーシングに固定可能、例えば溶接可能である。前記ＵＨＶは超高真空の意味である。

ケーシング内に配置されたガス圧センサは、前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第１００１３８８２号明細書に記載されたような、少なくとも２つの電極、有利にはペニング測定子又はマグネトロンを有する冷陰極測定子である。本発明ではケーシングが金属製なので、測定子の複数の電極の内の１つを形成することに適している。つまり、金属のケーシングによって、さもなければケーシング内に配置されていなければならない少なくとも１つの電極を節約することができる。有利には、ケーシングは非磁性材料から成っているので、ケーシングの外側に配置された磁気装置の磁界がケーシングに侵入可能である。ケーシング用の材料としては、非磁性の特殊鋼が適している。

本発明の有利な構成では、ケーシング内に配置された少なくとも１つの電極が、ケーシングに接して設けられたＴＲＩＡＸ案内部と結合されている。ケーシングは導電性の材料から成っているので、有利には遮蔽部材の設けられた絶縁性の電流案内部が必要とされている。

本発明の特別な利点は、全般的にあらゆる種類の、超高真空に適したのぞきガラスを、ダイヤフラム壁として使用することができるという点にある。のぞきガラスは、ガラス板が孔を有しており、この孔の縁部に、ケイ素材料から成るダイヤフラムがボンディングされるように変更されているに過ぎない。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１に示したガスセンサは円筒形のケーシング１０を有しており、このケーシング１０の一方の端部にはフランジ１１が設けられており、ケーシング１０の他方の端部は、後で説明する電流案内部１３の配置された底部１２を形成している。ケーシング１０は、非磁性の特殊鋼から成っている。

ケーシングの開いた端部は、ダイヤフラム壁１４によって閉鎖されている。このダイヤフラム壁１４は、銅製の軟金属シール１６を介してケーシング１０のフランジ１１と結合された、フレーム１５又はフランジを有している。前記結合は、対応する孔１７に挿入され且つ緊締された複数のねじによって行われる。

フレーム１５もやはり特殊鋼から成っている。フレーム１５は中心に貫通開口１８を有しており、この貫通開口１８の、ケーシング１０とは反対の側の端部は、ホウケイ酸ガラス製のガラス板２０によって閉鎖されている。このガラス板２０は中央に孔２１を有しており、この孔２１は、ケイ素材料から成る、選択的にガスを透過させるダイヤフラム２２により被覆されている。

フレーム１５とガラス板２０との間で異なる膨張係数を適合させるためには、貫通開口１８の壁に、ＫＯＶＡＲ（鉄／ニッケル合金）から成るリング２３が内張りされている。このリング２３は外側の端部に、半径方向で突出したフランジ２４を有しており、このフランジ２４は、フレーム１５の切欠き２５に座着し且つこの切欠き２５の底部を被覆している。切欠き２５にはガラス板２０が沈降配置されており、この場合、このガラス板２０はその縁部で以てフランジ２４に接触している。リング２３は、フレーム１５とガラス板２０の両方に熱的に結合されている。

ガラス板２０には、レーザ又はウォータジェット技術により孔２１が穿孔されている。この場合、この孔２１を巡る外側の面は、光学的に反射するクオリティーにまで磨かれる。その後、例えば前掲のヨーロッパ特許第０８３１９６４号明細書に記載の、ヘリウム透過性のウインドウを備えたシリコンチップであるダイヤフラム２２が、陽極ボンディングによりガラス面に高真空密にボンディングされる。このためには、ガラス板２０とダイヤフラム２２とが、２００〜４００℃の温度に加熱される。この場合、フレーム１５及びスリーブ２３を介して電気的な直流電圧が印加され、これにより、ダイヤフラム２２とガラス板２０との間で電荷担体が交換されて、化学結合が生ぜしめられる。これにより、ガラス‐ダイヤフラムの移行部に設けられるエラストマシールを完全に回避することができる。ガラス板２０に設けられた孔２１の形状は、ダイヤフラム２２の形状に適合されているが、ダイヤフラム２２は孔２１よりも大きいので、一方の縁部で以てガラス板２０に載着している。

ケーシング１０は排気された室３０を取り囲んでおり、この室３０内は超高真空が支配している。ケーシング１０は、室３０内を支配するガス圧に対応した電気信号を送る、ガス圧センサの構成部材である。ガス圧センサ３１は、冷陰極測定システム（本実施例ではマグネトロン）を形成している。陰極はケーシング１０の壁３２から成っており、陽極３３は、ケーシング１０内に同軸的に配置され且つ電流案内部１３から導出されている。ケーシング１０の外側には、このケーシング１０を取り囲んで磁気装置３４が設けられており、この磁気装置３４は、点線で示した永久磁界を室３０内に発生させる。

ケーシング１０の底部１２には円筒形の付加部４０が位置しており、この付加部４０は電流案内部１３を収容している。この電流案内部１３は、陽極３３に対して同軸的に配置された遮蔽リング４１を有している。陽極３３と遮蔽リング４１との間には、環状のセラミック壁４２が位置している。更に、別の同軸的なセラミック壁４３が、遮蔽リング４１と付加部４０との間に位置している。当該の電流案内部は、ＴＲＩＡＸ案内部と呼ばれる。遮蔽リング４１はアース電位に接続されている。当該のシステムは、極小放電電流の測定を、測定アースへの漏れ電流無しで可能にする。

図１に示した装置の測定システムは、基本的に前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第１００３１８８２号明細書に記載されたマグネトロン測定システムに対応しているが、この場合は陰極としてケーシング壁３２が使用される。択一的に、測定システムをペニング測定システムとして形成する可能性がある。このペニング測定システムもやはり、前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第１００３１８８２号明細書に記載されており、この場合は、複数のプレート状の陰極の内の少なくとも１つが、ケーシングによって形成される。この場合、ケーシングは直方体状であるのが望ましい。ケーシングを、互いに絶縁された２つのハーフケーシングから製作し、両ハーフケーシングをそれぞれ陰極として形成する可能性もある。

図２には、ダイヤフラム壁１４の択一的な実施例が示されている。ケーシングに取付け可能なフランジを形成するフレーム１５内には鋼製のスリーブ４５が座着しており、このスリーブ４５はフレーム１５に溶接されている。スリーブ４５の外側の端部はシャープになっているので、環状の先端部が形成される。この先端部にガラス板２０が熱的に結合されている。このガラス板２０は、この実施例でも孔２１を有しており、この孔２１は、ケイ素材料から成る、選択的にヘリウムを透過させるダイヤフラム２２によって被覆されている。第１実施例において熱的な適合のために役立つリング２３は、この実施例では不要である。

ダイヤフラム２２は、ガラス板２０にボンディングされた、多孔質のケイ素から成る支持体から成っている。この支持体は、例えばヘリウム等のテストガスしか選択的に透過させない薄い層によって被覆されている。ケイ素材料から成るダイヤフラムは、その熱的な膨張係数を、やはりケイ素ベースのガラス板２０のガラスに適合されている。

ダイヤフラム壁の第１実施例を備えたガスセンサの縦断面図である。 ダイヤフラム壁の択一的な実施例を示した図である。

Claims (8)

1. 排気されたケーシング（１０）を備えた選択式ガスセンサであって、前記ケーシングが、選択的に透過性のダイヤフラム（２２）によって閉鎖されており且つ少なくとも２つの電極を備えたガス圧センサ（３１）を有している形式のものにおいて、
   ケーシング（１０）が、金属製であり且つ金属のフレーム（１５）を備えたダイヤフラム壁（１４）を有しており、前記フレームにガラス板（２０）がボンディングされており、該ガラス板（２０）が、ダイヤフラム（２２）により閉鎖された孔（２１）を有していることを特徴とする、選択式ガスセンサ。
2. ケーシング（１０）が少なくとも１つの電極を形成している、請求項１記載のガスセンサ。
3. ガラス板（２０）が、鉄／ニッケル合金から成る薄板（２３）と一緒に金属製のフレーム（１５）にボンディングされている、請求項１又は２記載のガスセンサ。
4. フレーム（１５）が、ケーシング（１０）のフランジ（１１）に軟金属シール（１６）を介して接続されたフランジである、請求項１から３までのいずれか１項記載のガスセンサ。
5. ケーシング（１０）に配置された少なくとも１つの電極（３３）が、ケーシングに設けられたＴＲＩＡＸ案内部（１３）に結合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のガスセンサ。
6. ガラス板（２０）が、金属のフレーム（１５）の先のとがった縁部（４６）に直接に陽極ボンディングされている、請求項１から５までのいずれか１項記載のガスセンサ。
7. ガス圧センサがペニング測定子を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のガスセンサ。
8. ガス圧センサ（３１）がマグネトロンを有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のガスセンサ。

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