JP2013524228A - ガス選択膜およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

軽いガスを選択的に透過する膜は、第１プレートおよび第２プレートによって形成された膜本体を含む。第２プレートは、選択的にガスを透過できる薄い層を含む。この層は、窓の部分において露出する。第１プレートの多孔性の底壁または第２プレートの狭い穴による支持がなされる。加熱装置は、窓の輻射加熱をもたらす。

Description

本発明は、選択的にガスを透過できる窓を含む膜の製造方法に関する。

選択的にガスを透過できる膜は、特定のガスを他のガスから分離するため、および、関心あるガスの圧力を測定するために、測定装置および分析装置に必要とされている。そのような膜の用途の典型的な分野は、漏口から流れ出たトレーサガスを検出するリーク検知器である。典型的なトレーサガスは、とりわけ、軽い気体であって、重い気体が通過できない膜を通過するヘリウムおよび水素である。

ＥＰ０８３１９６４Ｂ１（ライボルトバキューム社、＝ＵＳ６２７７１７７Ｂ１）は、水晶、水晶硝子、パイレックスガラス、酸化珪素、窒化珪素、酸窒化珪素、または炭化珪素のような、シリコン材料の板により形成され、複数の窓を有するシリコンディスク上に保持された選択ガス穴を記載する。窓は、シリコンディスクの背面からのエッチング構造により形成され、薄い膜によって覆われている。それぞれの窓は、ガス穴を部分的に加熱するための螺旋状の加熱エレメントを備える。このガス選択膜の構成は、複雑である。

本発明の課題は、選択的にガスを透過できる窓を有する膜の製造方法を提供すること、並びに、デザインおよび製造の簡単な対応する膜を提供することである。

本発明に係る方法は、請求項１に規定され、対応するガス選択膜は、請求項５に規定される。

本発明によれば、膜本体は、２つの単層シリコンプレートからなり、当該膜本体の厚みの中央部に配置されたガス選択透過性の薄い隔壁を備える２層板によって形成される。第１プレートは、分離して製造でき、その上に形成された選択特性を有する層を備え、そして、第２プレートによって覆われて第２プレートと接着されてもよい２層板は、膜本体に大きな安定性を付与する。さらに、ガス選択分離壁を形成する第２プレートの底壁は、外側の影響から保護される。

窓は、異方性エッチングにより形成された傾斜または円錐状のテーパのある側壁を有してもよい。

膜は、ＥＰ０８３１９６４Ｂ１に記載されているように、成膜（デポジション）、酸化および他の半導体技術より知られている方法と同じ製造技術を使用して製造され得る。

２層板は、全体に大きな安定性を有する板体を提供し、通常、膜の両側に作用する異なるガス圧に耐えるのにより適する。

第１プレートは、凹部または穴が形成されてもよい。凹部を設ける場合、底壁が残る。好ましくは、第１プレートは、ガス透過性となるように多孔化され、その後、ガス選択層を支持する支持壁の役目を果たす。穴を設ける場合、穴は、支持されていない膜の表面の大きさを小さくするために、第１（下側）プレートの凹部よりも狭い。

本発明は、さらに、請求項７に記載のガス選択膜に関する。この膜では、加熱装置が、全ての窓を、輻射吸収体の役目を果たすシリコンディスクとともに加熱する輻射加熱エレメントである。よって、膜の全体の加熱が達成され、膜構造に伝熱体を組み込む必要がない。輻射化熱エレメントは、電気発熱体であってもよく、膜本体は、膜を両側から均一に加熱するために熱反射層を含んでもよい。

その最良の実施形態を含み、当業者に本発明の実施を可能にする、本発明の完全で実施を可能にする開示は、添付の図面への参照を含んだ以下の記載において非常に詳細に説明される。

本発明の第１実施形態の膜の製造の工程の順番を示す図である。 支持体に配設された膜および膜の上に配置された加熱装置を有する第１実施形態の概略断面図である。 第１プレートに穴が設けられた本発明の第２実施形態の断面図である。

図１において、ａ）に、第１プレート１０が示されており、そのプレートは、シリコンからなり、約３０μｍの厚みを有する。この第１プレートは、例えば、エッチング剤としてＫＯＨを用いたフォトメカニカルエッチングによって片側にパターン形成され、それによって凹部１１が形成される。異方性ＫＯＨエッチングの場合、凹部は、傾斜した側面１２と、板面に平行で平坦な底壁１３とを有する。さらなる工程において、底壁は、ガスを通すように多孔化される。

図１のｃ）は、底壁１３が多孔化されてガス透過性であることを示す。底壁１３は、第２プレートの頂面とともに、ガス選択透過層のための支持体である連続する表面を形成する。

図１ｄ）は、やはりシリコンからなり、約３００μｍの厚みを有する第２プレート２０を示す。最初に、第２プレートは、平坦で、その底面に、厚み約１２ｎｍの薄いＳｉＯ_２層であるガス選択透過層２１を支持する。層２１は、熱成長またはＣＶＤ／ＡＬＤ成膜によって形成されている。図１の図ｄ）によれば、第２プレート２０は、第１プレート１０の上に配置されて例えば陽極接合によって、第１プレート１０と接着され、層２１が第１プレート１０の全面に拡がる。

ｆ）には、第２のプレート２０に、傾斜した側腹２３を有する貫通ガス穴２２が設けられていることが図示されている。貫通穴は、シリコン層全体に延伸するが、ＳｉＯ_２の層２１は貫通しない。

全体の膜は、プレート１０，２０からなる膜本体２５によって形成され、膜本体は、窓２６を有する。ガス選択透過層２１は、窓２６の中で露出し、反対側が多孔性の底壁１３によって支持されている。

ガス選択透過層２１は、水晶、水晶硝子、パイレックスガラス、酸化珪素、窒化珪素、または酸窒化珪素のようなシリコン材料からなる。この列挙は、例示のみで、包括的なものではない。そのような薄い層により、重いガスをブロックし、軽いガスの通過を許容し得る。とりわけ、軽いガスは水素およびヘリウムである。したがって、膜は、特に、水素またはヘリウムをトレーサガスとして作動する臭気探知機のような漏れ検知器に適する。

図２は、組み立てた状態の第１実施形態の装置を示す。膜本体２５は、バキュームポンプ手段（不図示）に接続されたポンプ開口３１が設けられた支持体３０に固定されている。

黒鉛および炭化珪素または他のセラミック材料からなる加熱体３６を含む加熱装置３５は、膜本体２５の第２プレート２０から離して配置されている。加熱体３６は、発生した熱を膜本体２５に向かって導く反射器３７に囲まれており、それによって層２１が加熱される。輻射熱は、膜本体２５全体に吸収され、層２１に伝達される。膜本体２５と支持体３０との界面には、金属、好ましくは金からなってもよい熱反射層３８が設けられている。

図３の実施形態は、第１プレート１０および第２プレート２０のそれぞれ異なる構造においてのみ、第１実施形態と異なる。第２プレート２０の底面を形成する層２１は、窓２６の部分において、第１プレート１０に向かって露出している。一方、第２プレート２０は、第１プレートのシリコン層を通して延伸するが層２１は貫通しない凹部４０を有する。凹部４０は、電気機械的エッチング（陽極酸化）によって形成されてもよい２ｎｍから１００ｎｍの間の径を有する細い穴である。層２１の層圧は、１０から２１ｎｍである。

層２１は、第１実施形態（図２）において第１プレート１０の底面に支持されているのに対し、第２実施形態においては第２プレート２０のシリコンによって頂部に支持されている。

図３は、支持体３０と膜本体２５との間の熱反射層３８も示す。同様に、加熱装置３５は、第２プレート２０の反対側に配置され、加熱体３６および反射器３７を含む。

本発明は、特定の説明的実施形態に関して説明および図示したが、それらの説明的実施形態は、本発明を限定することを意図しない。当業者は、変形および改良が、以下の特許請求の範囲に規定した本発明の真の範囲を逸脱することなくなし得ることに気付くであろう。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等の範囲内にあるような変形および改良の全てを本発明に含むことが企図される。

Claims (9)

1. ガス透過性窓（２６）を有する膜の製造方法であって、
   シリコンで第１プレート（１０）を製造するステップと、
   前記第１プレート（１０）に凹部（１１）または貫通穴を形成するステップと、
   前記第１プレート（１０）の上に、シリコン材料のガス選択透過層（２１）を含むシリコン製の第２プレート（２０）を貼着するステップと、
   前記第２プレート（２０）に凹部（２２，４０）を形成し、前記第２プレートの前記凹部は、少なくとも部分的に前記第１プレートの前記凹部（１１）または貫通穴と重なり、前記第１プレート（１０）および前記第２プレート（２０）の両方により、ガス選択透過層（２１）をそれぞれ含む窓（２６）を有する膜本体（２５）を形成するステップと、を含む方法。
2. 前記凹部または貫通穴を形成するステップは、それぞれ、エッチングによってなされる、請求項１の方法。
3. 前記ガス選択透過層（２１）は、ＳｉＯ_２からなり、前記第２プレート（２０）の底壁を形成する、請求項２の方法。
4. 前記第１プレートの全ての前記凹部（１１）は、多孔性でガスを透過する底壁を含む、請求項１の方法。
5. 凹部（１１）または穴を有するシリコン製の第１プレート（１０）と、
   薄いガス選択層（２１）の底壁によって覆われた穴（２２，４０）を有するシリコン製の第２プレート（２０）とを含む膜本体（２５）を備え、
   前記第１プレート（１０）と前記第２プレート（２０）とは、互いに平面的に当接するガス選択膜。
6. 前記第１プレート（１０）の前記凹部（１１）は、多孔性の底壁（１３）を有する、請求項５のガス選択膜。
7. その中にシリコン材料の層（２１）が位置するガス選択透過窓（２６）を有する膜本体（２５）と、前記窓（２６）を加熱するための加熱装置（３５）とを有し、前記加熱装置（３５）は、複数の前記窓（２６）を一緒に加熱する輻射加熱エレメント（３６）によって形成され、前記膜本体（２５）は、輻射吸収体の役目を果たす、ガス選択膜。
8. 前記加熱エレメント（３６）は、電気発熱体を含む、請求項７のガス選択膜。
9. 前記膜本体（２５）は、熱反射層（３８）を含む、請求項７のガス選択膜。

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