JP2014512528A - ガス圧測定セル装置 - Google Patents

Abstract

ガス圧測定セル装置は、測定チャンバ（２）を取り囲む測定チャンバ筐体（３）と、測定されるガス圧（Ｐ）を測定チャンバ（２）内に導く測定接続部（４）とを有するピラニ式の熱伝導真空測定セル（Ｐｉ）を備える。測定チャンバ（２）内には、加熱可能な測定フィラメント（１）が、測定電子回路（１１）に接続されて配置され、その回路はセラミックキャリアプレート（１０）の一方の側に熱的に接触して配置され、そのキャリアプレート（１０）は、反対側において測定チャンバ筐体（３）の一部を成す。測定抵抗器（Ｒｍ）と直列の測定フィラメント（１）には、フィードバックのために、直接電流が印加されて、測定電子回路（１１） が測定フィラメント（１）の抵抗を直接決定する。

Description

本発明は、請求項１の前提部に係るガス圧測定セル装置に関する。

例えばピラニ式の熱伝導測定セルとして実現されるガス圧測定セルの使用が知られている。このような測定セルでは、加熱素子（従来の測定フィラメント又は測定ワイヤ）が電気的に加熱されて、ガスの熱伝導率の圧力依存性を用いて、フィラメントの出力から、ガスの圧力が決定される。このようにして、略１０^−４ｍｂａｒから数百ｍｂａｒの範囲内において圧力を測定することができる。しかしながら、数１０ｍｂａｒ以上では、対流熱伝達が支配的になり、ガス流の測定が影響を受けて、位置に大きく依存するようになる。更に、この方法に係る測定は、ガスの種類に依存する。広範な範囲にわたって正確な結果を得ようとすると、電子測定回路を用いた測定信号の分析が比較的複雑になる。特に、これは、略１０ｍｂａｒからの高い圧力の場合に当てはまる。何故ならば、この圧力においては、測定曲線（ガス圧の関数としてのフィラメント出力）が、一定の加熱フィラメント温度で横ばいになるからである。特に、その理由の一つは、上述のように、この圧力範囲においては、ガスの流動モードの影響が大きくなるからである。既知のように、この目的用の測定回路は、ホイートストンブリッジ構成で実現されて、四つのブリッジのうちの一つの抵抗が、測定フィラメントによって求められる。測定フィラメント温度の調整と、ブリッジによって出力される信号電圧の分析とは、例えばオペアンプ及び／又は比較器を備えた従来のアナログ回路技術の測定電子機器を用いて既知の方法で行われる。測定装置の高い温度感度に起因して、測定装置の温度を、基準としても取得しなければならず、測定電子機器を用いて考慮しなければならない。このようなピラニ式ガス圧測定セルは高感度であり、そのために実施が比較的複雑で高価であるが、現状では広く使用されている。この測定法の概略については、例えば非特許文献１に記載されている。

インフィコン社（リヒテンシュタイン バルザース ＦＬ‐９４９６）製のＰＳＧ５０Ｘシリーズとの型番のこのような製品は、大きな成功の下で長年にわたって世界中に流通している。

測定可能な圧力範囲を広げるために、このようなピラニ式測定セルを、少なくとも一つの他の測定原理と組み合わせることが提案されている。これによって、測定可能な圧力範囲の下限及び上限を広げることができて、例えば、１０^−８ｍｂａｒから数ｂａｒの範囲内の圧力を測定することができる組み合わせ測定セルを実現することができる。このような組み合わせ測定セルは、例えば特許文献１に記載されていて、共通の測定ヘッド上において、ピラニ式センサがイオン化センサと組み合わされている。特許文献１には、信号分析における連続的で線形な遷移を保証するため、信号技術に関して重複領域を取り扱うことのできる方法も記載されている。

特許文献２にも、組み合わせ測定セルが記載されていて、ピラニ式センサが、容量性膜センサ（ＣＤＧ）と組み合わせられる。特許文献２には、ピラニ式測定原理においては常につきまとう温度制御の問題をセンサヘッド上での測定によって改善することができるという改善方法も与えられている。

特に１．０ｍｂａｒから１．０ｂａｒまで、更には数ｂａｒ（最大略３．０ｂａｒ）までの範囲内の圧力を取得するために、半導体ベースのピエゾ抵抗圧力センサの使用も知られている。このような圧力センサは高い圧力範囲に適している。このような圧力センサは、例えば非特許文献２に記載されている。このようなセンサでは、半導体膜上に、例えば、ドープされた低オーム抵抗性の導体トラックが適用されて、抵抗器を構成する。抵抗器はブリッジを形成するように接続される。信号を読み出すために、ブリッジの端子を引き出す。膜上におけるガス圧の変化は、半導体膜の変形を生じさせて、それに起因して、ブリッジが劣化するまで抵抗が変化する。その半導体としては、シリコンが、非常にフレキシブルであるので特に適している。このような半導体の抵抗器では、物質中の圧力変化が、抵抗変化を生じさせて、圧力質量として分析される。半導体が特に適しているのは、幾何学的寸法の変化に起因する抵抗変化に因るものだけではなく、ピエゾ抵抗効果を増強するその比抵抗に因るものである。更に、従来の四つの抵抗器を、膜の上に置くことができて、その全てが、膜の屈曲中における所望の方向の信号変化に影響を有するようにすることができる。これは、優れた信号レベルをもたらす。更に、この構成は、所望のとおりに、更なるアクティブ部品（アンプやデジタル素子等）を直接集積することも可能にする。例えば、メジャメントスペシャリティーズ社（米国 ２３６６６ バージニア州ハンプトン ルーカスウェイ １０００）製の適切なシリコンベースのピエゾ抵抗圧力センサが流通している。

ピラニ式測定セル及び組み合わせ測定セルを実現しようとする際の欠点は、必要な部品が多数存在することによる構成の複雑さである。このような測定セルは、真空貫通リードを必要とし、その真空貫通リードは、多様な応用及び電子測定回路に向かう雰囲気に対する温度条件について高い質で完全に長期間にわたってセンサを真空で分離するものである。このような真空貫通リードは、温度測定及び温度補償にとって必要な手段を妨害して複雑にする温度障壁を常に示す。これは、全体的なサイズにも悪影響をもたらし、小型の測定セルは条件付きでのみ実現可能であり、その製造コストを下げることができない。

欧州特許第０６５８７５５号明細書 欧州特許第１０９７３６１号明細書

Ｍ．Ｗｕｔｚ ｅｔ ａｌ．、"Ｔｈｅｏｒｉｅ ｕｎｄ Ｐｒａｘｉｓ ｄｅｒ Ｖａｋｕｕｍｔｅｃｈｎｉｋ"、Ｆ．Ｖｉｅｗｅｇ＆Ｓｏｈｎ、ブラウンシュワイク、１９８２年、第２版、ｐｐ．３６６−３７３ Ｍ．Ｗｕｔｚ ｅｔ ａｌ．、"Ｔｈｅｏｒｉｅ ｕｎｄ Ｐｒａｘｉｓ ｄｅｒ Ｖａｋｕｕｍｔｅｃｈｎｉｋ"、Ｆ．Ｖｉｅｗｅｇ＆Ｓｏｈｎ、ブラウンシュワイク、２０１０年、第１０版、ｐｐ．５１３−５１４

本発明は従来技術の欠点をなくすことを目的としている。特に、本発明は、ピラニ式ガス圧測定セル装置の構造を顕著に単純化するのと同時に、全体的により小型のサイズで経済的な製造を達成することを目的としている。これは、既知の測定セルと比較して測定の質を損なわずに達成される。好ましくは、この質は更に改善される。更なる課題は、大きな追加コストを必要とすることなく、ピラニ式測定セルの測定範囲を拡張させることである。

この課題は、請求項１の特徴部に係る一般的なガス圧測定セル装置において解決される。従属項には、本発明の有利な実施形態が更に記載されている。

本発明に係るガス圧測定セル装置は、測定チャンバ筐体を有するピラニ式の熱電相真空セルを備え、その測定チャンバ筐体は、測定チャンバを取り囲み、また測定接続部を用いて、測定されるガス圧を測定チャンバ内に導く。測定チャンバ内には、電子測定回路に接続された加熱可能な測定フィラメントが配置されて、電子測定回路は、絶縁キャリアプレート（好ましくはセラミック製）の一方の側に熱的に接触して配置され、反対側において、このキャリアプレートは、測定チャンバ筐体の一部となる。測定フィラメントは、測定抵抗器と直列に接続されて、電子測定回路によって直接フィードバックされて、電子測定回路が測定フィラメントの抵抗を直接決定する。

これに必要な電圧を測定するため、回路はアナログ・デジタル変換器ＡＤＣに接続されて、特定のアルゴリズムに従ってデジタルプロセッサで処理される。プロセッサは、ピラニ式の測定フィラメントを作動及び加熱するために、デジタル・アナログ変換器ＤＡＣに必要な信号を出力して、フィードバック制御回路が閉じられる。プロセッサによって、処理された信号が、更なる処理のためにＩ／Ｏインターフェースに送られる。このインターフェースは好ましくはシリアルインターフェースとして実現される。他のタイプの信号（並列信号やアナログ信号等）を利用可能にしたい場合には、キャリアプレート上に集積された追加の電子回路を用いて単純にそれを実現することができる。従来の貫通リードを省略し、基板として上述のキャリアプレート（好ましくはセラミック製）を用いると、ガス圧測定セル装置の全体的な温度挙動における予期せぬ利点が得られ、更なる構造素子部品の実装に対する予期せぬ新たな選択肢が得られる。

測定可能なガス圧範囲を拡張するため、キャリアプレート１０上において電子測定回路にピエゾ抵抗半導体圧力センサを直接実装することが特に有利であり、そのピエゾ抵抗半導体圧力センサは、キャリアプレートに直接熱的に結合される。この構成は、キャリアプレートの小さなポートを介して、ピエゾ抵抗圧力センサを簡単に接続することも可能にして、ピエゾ抵抗圧力センサが測定チャンバと連通し、その測定チャンバ内には測定フィラメントも配置される。このようなピエゾ抵抗圧力センサは、圧力測定のためだけに用いられるのではなく、温度測定のためにも用いられる。

プロセッサベースの電子回路は、ブリッジ回路が必要でなくなるので、低い全電圧での作動を可能にするという顕著な利点も有する。測定フィラメントと同じ寸法の測定抵抗器を選択する必要もなくなる。用いられる供給電圧は、略２．０から５．０Ｖの低い範囲となり得て、パルスなしでも作動可能である。この場合、測定フィラメントの温度を、広範な範囲おいて選択することができ、圧力の関数として可変となるように設定することもできて、例えば汚染感度領域を選択的に回避又は管理することができる。この組み合わせのガス圧測定セル装置は極めて単純にコスト効率的に実現可能であり、測定精度が高く、長寿命である。カバーすることのできる測定範囲は、真空から大気圧、略１０^−４ｍｂａｒから３．０００ｂａｒ、好ましくは１０^−３ｍｂａｒから２．０００ｂａｒに拡張されて、その分解能は、測定された値の３０％以上であり、好ましくは１５％以上、特に５％以上である。

以下、図面を参照して、本発明を例示的に説明する。

従来技術に係るピラニ式の熱伝導真空メータのガス圧測定装置の概略断面図である。 図１ａに係る測定セルの一部の拡大詳細図Ａの概略断面である。 図１ａ及び図１ｂに示されるようなピラニ式測定セルに対する基本原理の電気回路である。 ピエゾ抵抗半導体圧力センサの一例の概略断面図である。 図３の実施形態に係るピエゾ抵抗圧力センサの基本回路図である。 本発明に係るガス圧測定セル装置の概略断面図である。 図５の詳細の概略断面図であり、測定チャンバ及びその上に配置されたキャリアプレートを示す。 ピエゾ抵抗圧力センサと組み合わせられた本発明に係るガス圧測定装置の更なる発展例の概略断面図である。 本発明に係るピラニ式測定セルの回路構成である。 本発明に従ってピエゾ抵抗圧力センサと組み合わせられた図８のピラニ式測定セルの回路構成である。 ピエゾ抵抗圧力センサに対する参照温度測定用の図９の回路構成である。 ピエゾ抵抗圧力センサの内部ダイオードに対する参照温度測定用の図９の回路構成である。

ピラニ式の熱伝導真空セルの既知の測定セル装置が、図１ａに概略断面図で示されている。測定チャンバ２は、測定フィラメント１を含み、その測定フィラメント１は、貫通リード部６、５を介して、真空気密技術で、電気的に絶縁されて懸架される。測定フィラメントは、例えば、二つの固定ピン５及び延長部５’によって保持されて、固定ピン５は、貫通リードの絶縁体６を電気的に貫通して、測定チャンバ２の外側に配置された電子測定回路に繋がる。電子測定回路の電子回路は、既知の方法で印刷回路板（ＰＣＢ，ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）上に配置される。測定チャンバ２は、測定チャンバ筐体３によって取り囲まれて、チャンバ壁が形成される。一方の側に対して、測定チャンバ２は開放されていてアクセス可能であり、任意で、例えば、測定チャンバ筐体３のフランジ状部分（測定ポート４’を備えた測定接続部４を形成する）を介して、真空ボリュームに接続可能であり、その中において真空圧力Ｐが測定される。筐体３０は、ケーブルやプラグ３１を介して周辺分析ユニット及び／又は制御部に接続された電子測定回路ＰＣＢを取り囲む。このようなガス圧測定セル装置は、モジュール構成可能な測定セルを形成する。

印刷回路板ＰＣＢ上に配置された電子測定回路で、ピラニ式の測定原理が実現される。この場合、測定フィラメント１（ホイートストンブリッジの一部として）、Ｒ１’、Ｒ２’、ＰＴＣが、図２の回路図に概略的に示されるように、一定温度に保たれる。温度を一定に保つために印加する必要のある電力は、フィラメントを取り囲む測定ガス圧Ｐの測定尺度となる。測定電圧が、ホイートストンブリッジの一つの対角線において、オペアンプ又は比較器ＯＰを介して分岐されて、出力信号が、例えば集積回路又はトランジスタＴ１を介して、第二のブリッジ対角線に接続されたブリッジ動作電圧として、フィードバックされる。同様の回路は、例えば、非特許文献１のｐ．３６９に記載されている。回路設計に応じて、測定フィラメント１の一定のワイヤ温度や、一定のフィラメント出力での既知の方法による動作が可能である。

ホイートストンブリッジの分岐に、既知の方法で、温度センサ（例えば、ＰＴＣやＮＴＣ）が設置されて、大気温度が取得されて参照される。この測定装置は高い温度感度を有し、変化する大気温度が測定に影響して、補償しなければならない測定誤差を発生させる。従って、優れた温度測定及び補償は、ピラニ式熱伝導測定セルにおいて非常に重要である。従って、温度センサを、可能な限り特徴的に臨界温度変化を取得することができるように、適切な位置に配置しなければならない。実際のこのような温度センサ３２の配置が、図１ａの拡大詳細図Ａを示す図１ｂに示されている。温度センサ３２（例えばＰＴＣ抵抗器）は、貫通リード６の周辺部における測定チャンバ筐体３の上端領域において、弾性素子３３（測定チャンバ筐体３と弾性素子３３との間に温度センサ３２がある）を用いて、外部から壁に押し付けられて、優れた熱接触が得られている。例えば、印刷回路板ＰＣＢがフレキシブル印刷材料として形成されている場合には、弾性素子３３自体がＰＣＢ材料製となり得る。接続は脱着可能であり、フレキシブル印刷を介して電気的に絶縁される。図示されている弾性素子３３を備えた温度センサ３２は、スライド式保護筐体３０と、測定チャンバ筐体３との間に配置されるので、保護筐体を引っ張ると、簡単に取り外すことができる。この種の電気的接触は、その接続部を電気的に絶縁しなければならず、また、できれば、センサの交換のため等に脱着可能でなければならないので、比較的複雑で高価である。

略１．０ｍｂａｒから１．０ｂａｒの真空範囲内の高いガス圧を測定するため、上述のようにピエゾ抵抗原理に従って動作する測定センサ２０も知られている。このようなセンサの一例が図３の概略断面図に示されている。半導体ウェーハ２３（好ましくはシリコン製）の一つの領域に凹部が設けられて、その領域が十分に薄くなり、膜２４が形成されて、その膜２４は、測定される印加圧力２４に応じてたわむことができる。この膜の上に、ドープされた低オーム抵抗性の導体トラックが適用されて、測定抵抗器を形成し、その抵抗値はたわみと共に変化する。測定抵抗器Ｒ１からＲ４の電気リード線２８が、電子測定回路による信号処理を可能にする。このシリコン部品２３は、膜２４と共に、シリコン圧力センサ２３、２４を形成し、支持体としてのベースプレート２１の上に実装されて、そのベースプレート２１は、測定される測定ガス圧Ｐを膜２４に導くアクセスポート２２を備える。シリコン圧力センサ２３、２４の背面には、膜２４を保護するために、中空のカバープレート２５が配置される。ベースプレート２１及びカバープレート２５は好ましくはガラス製である。図４には、基本電気回路図が示されている。測定抵抗器Ｒ１からＲ４は、ブリッジ接続で配線されて、それらの端子ｂからｅが引き出される。半導体のドーピングによって形成される内部ダイオードＤ１も示されていて、端子ａにおいて別途電気的に引き出される。

本発明に係るピラニ式の熱伝導真空セルを備えたガス圧測定セル装置が、図５の概略断面図に示されている。測定チャンバ筐体３は、測定チャンバ２を取り囲み、ポート４’を備えた測定接続部４を含み、ポート４’は、測定されるガス圧Ｐを測定チャンバ２内に伝える。測定チャンバ２内部に、加熱可能測定フィラメント１（好ましくはタングステン等の金属製）が配置されて、電子測定回路１１に接続される。電子測定回路１１は、セラミックキャリアプレート１０の一方の面と熱的に接触するように配置される。電子測定回路１１の反対側において、キャリアプレート１０は、測定チャンバ筐体３の一部を成す。キャリアプレート１０は、真空気密で測定チャンバ２を封止する。測定フィラメント１は、測定抵抗器Ｒｍに直列に接続されて、電子測定回路１１によってフィードバックされて（好ましくはフィードバック制御回路内部において）、電子測定回路１１が、測定フィラメントの抵抗を直ちに且つ直接的に決定する。キャリアプレート１０は、セラミック等の絶縁体製（好ましくは酸化アルミニウムセラミック製）である。セラミックは、例えばガラスよりも高い熱伝導率を有する。これは、装置の温度挙動に対する優れた制御を維持するために重要である。例えば、典型的な貫通リードのガラスは、略１Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率しか有さないが、酸化アルミニウムセラミックは略２５Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有する。参照温度を決定するための温度測定は、キャリアプレート１０自体の上に直接行うことができるものであり、又は、キャリアプレートに適用された電子回路の部品において行われる。このため、別個の温度センサ（半導体センサや他のタイプのもの等）を、電子回路内部においてキャリアプレートの上に設けることができ、又は、電子測定回路自体の適切な回路素子をこのために用いることもできる。

キャリアプレート１０は、別個の構造ユニットとして有利に実現可能であり、測定チャンバ筐体３上にシール１５、１５’を用いて真空気密に取り付けられる。このシールは、例えば、エラストマシールであり、Ｏリング１５や平坦なシール１５’として実現されて、又は、金属シールとして実現することもできる。しかしながら、特定の場合では、例えば焼結やはんだ付け等を用いて、キャリアプレートを測定チャンバ筐体３上に固定して取り付けることもできる。しかしながら、キャリアプレート１０を測定チャンバ筐体３に単純に真空気密で接着させることが特に有利である。本発明に係る新規構成は、ロバストな低ガス放出性の接着剤を使用することを可能にする。何故ならば、この構成に含まれる部品が同じ様な熱係数を有して、応力による微視的な破壊が生じることが防止されるからである。

キャリアプレート１０は、有利にはディスク状に形成される。この配置によって、貫通リード及びセンサ固定器具（測定フィラメント）が単一素子に組み合わせられるのと同時に、電子測定回路も集積される。

測定フィラメント１は、両端に支持ピン状のフィラメント接続部５、５’を備える。キャリアプレートに、支持ピン５、５’を収容する二つの入口ポート１４、１４’が設けられて、キャリアプレート１０の他方の側において電子回路１１とピンが接続される。このため、有利には、印刷回路板において知られているのと同様の方法で、入口ポート１４、１４’は貫通ビアとされる。しかしながら、こうした貫通ビアは高温に耐えることができなければならず、また、真空気密を可能にしなければならない。これには、製造時における焼結プロセスが必要とされる。この装置を高度に小型構造とすることができる。図５及び図６の例に示されるように、測定フィラメントがキャリアプレート１０の表面に略平行に配置されると有利である。この配置では、例えば、測定チャンバ筐体３内に、測定フィラメント１を収容するための測定チャンバを形成する単純な溝状凹部を設ければ十分である。測定チャンバ筐体３は、有利には金属製（特にＩｎｏｘ等）である。電子測定回路１１を備えたキャリアプレート１０の領域を、保護筐体３０で保護することができて、測定セルケーブル３１及び／又はプラグの電気接続を従来通りに設けることができる。

電子測定回路は、絶縁キャリアプレート１０の上に直接適用される。導体トラックは、キャリアプレート１０の表面に直接接触して、その上に、電子部品１３が集積及び／又は配置される。導体トラック１２及び電子部品１３の配置は、既知の方法、特に印刷回路板（ＰＣＢ）、薄膜回路、厚膜回路用の方法で行われる。厚膜回路法が本願では特に適している。この方法は、キャリアプレート１０として好ましいセラミックと相性が良い。また、キャリアプレートの表面粗さが０．６μｍ以下であると有利である。厚膜法においては、導体トラック１２及び絶縁層を、スクリーン印刷とその後の焼成又は焼結を用いて適用する。次に、電子部品を、例えばはんだ付けや接合によって実装する。回路を、ハイブリッド回路として既知の方法で実現することもできる。このような回路では、例えば、抵抗器が導体トラック１２の一部として実現されて、更に、構造素子１３（アクティブ構造素子等）が導体トラック１２上に実装される。好ましくは、導体トラック１２上に実装された構造素子１３は、少なくともその一部が表面実装デバイス（ＳＭＤ，ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）法を用いて実現される。

キャリアプレート１０は、０．５ｍｍから５．０ｍｍの範囲、好ましくは０．６ｍｍから２．０ｍｍの範囲内の厚さを有することができる。これは、酸化アルミニウムセラミックをキャリアの材料として用いる場合に特に有利である。キャリアプレート１０の直径は、１０．０ｍｍから５０．０ｍｍの範囲、好ましくは１５ｍｍから３５ｍｍの範囲内である。測定フィラメント１は、金属コイル（好ましくはタングステン又はニッケル製）として実現されて、ピン５からピン５’までのフィラメント長さは、１０．０ｍｍから４０．０ｍｍの範囲、好ましくは１２．０ｍｍから２５ｍｍの範囲内である。

測定セル全体を、１４ｍｍから５４ｍｍ、好ましくは１９ｍｍから３９ｍｍの範囲内の非常に小さな直径で構築することができ、ケーブルタップを除いた高さは１５ｍｍから４０ｍｍの範囲内となる。接続フランジは、例えば、１／８インチねじ等のねじとして実現可能である。

電子測定回路は、図８の回路図に示されるように、測定された信号のデジタル処理及び測定フィラメント１の制御のためのプロセッサ（μＣ）を含む。ピラニ式測定セルＰｉの測定フィラメント１は、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ１）に接続されて制御され、例えば、出力調整のために、トランジスタＴ１や集積回路等のドライバが設けられる。

測定抵抗器Ｒｍは、測定フィラメント１と直列に接続され、ドライバＴ１と測定フィラメント１との間に配置される。測定抵抗器Ｒｍ及び測定フィラメント１の信号は分岐されて、更なる処理のために各アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ１、ＡＤＣ２）を介してプロセッサ（μＣ）に供給される。フィードバック回路が形成されて、プログラムされた仕様に従って、フィラメント出力が制御及び／又は制限される。プログラムされた特定のアルゴリズムに従って、測定されるガス圧がプロセッサで決定されて、更なる分析のためにＩ／Ｏインターフェースに送信されて、又は更なる処理のために周辺部に送信される。更に、回路構成においては、キャリアプレート１０上に配置された温度センサＴｒを用いて、その場所の参照温度が決定されて、その信号も、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ３）を介してプロセッサに供給されて、プログラムされたプロセッサが、適切な補正処置を決定することができる。プロセッサを介した直接測定及び制限は、測定フィラメント１の温度を、測定された条件の関数として、自由に選択可能で設定可能なものにすることを可能にする。

上記コンセプトは、容易に実現可能であり、必要に応じて、また所望のように、追加の電子部品を備えることができる。例えば、キャリアプレート上の回路構成に、図７の概略断面図に示されるように、追加の電子部品、つまり、半導体ベース上のピエゾ抵抗圧力センサ２０を補うことが特に有利となる。このタイプの圧力センサは、全体的なサイズの非常に小さいもの、例えば１．０から２．０ｍｍ^２のものであり、ＳＭＤ構造部品と同様に本願のコンセプトのキャリアプレート１０上の回路構成に簡単に組み込むことができる。従って、測定セル装置の幾何学的寸法はほとんど影響を受けない。ピエゾ抵抗圧力センサ２０は、有利には導体トラック側のキャリアプレート１０の上に真空気密に接着剤によって配置され、関連する導体トラックに電気的に接続される。接着剤は、有利にはシリコン接着剤である。

ピエゾ抵抗半導体圧力センサ２０は、好ましくはシリコン膜２４を備える。キャリアプレート１０には、接続管２６としてポートが設けられて、測定チャンバ２とピエゾ抵抗圧力センサ２０が連通される。ピエゾ抵抗圧力センサ２０は、そのアクセスポート２２が測定ポートとして、キャリアプレート１０に設けられた接続管２６に直接接続されて連通されるように配置されて、測定チャンバ２に対する接続が設けられ、測定チャンバ２内には測定フィラメント１も配置される。ピエゾ抵抗圧力センサ２０から出力された信号は、図９から図１１の回路図に示されるように、その信号を直接分析するために、更なるアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ４）を介してプロセッサに接続される。ピエゾ抵抗圧力センサの端子ｃ及びｄは、ピエゾ抵抗ブリッジの圧力信号Ｕｄを分岐させて、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ４）を介してプロセッサに伝えて、端子ｂ、ｄにおいて、このブリッジにＶ＋、ＧＮＤが電気的に印加される。ここで、一般的なように、Ｖ＋は供給電圧であり、ＧＮＤは接地である。図８と同様に、図９は温度センサも示し、その温度センサは、キャリアプレート１０上の回路部品であり、参照温度を取得して、それを信号としてアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ３）を介してプロセッサに供給するためのものである。

参照温度を取得するための更に有利な実施方法では、図１０の例に示されるように、ブリッジの端子ｄとＧＮＤとの間に接続された抵抗器Ｒ５を介して、ピエゾ抵抗圧力センサ２０の温度係数を直接測定して、それを取得する。抵抗器５で分岐した温度信号は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ４）を介してプロセッサに供給されて、そこで処理される。この場合、別途の温度センサＴｒを省略することができる。

参照温度を取得するための更に他の有利な実施方法では、ピエゾ抵抗圧力センサ２０の半導体接合の内部ダイオードＤ１の温度係数を用いる。図１１の例に示されるように、ダイオードＤ１の端子が引き出されて、抵抗器Ｒ６を介してＧＮＤに接続される。抵抗器Ｒ６で分岐した温度信号は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ４）を介してプロセッサに供給されて、そこで処理される。この場合も、別途の温度センサＴｒを省略することができる。このタイプの温度測定は特に簡単で正確である。更に、測定サイトは、ピエゾ抵抗センサ２０の半導体内に直に位置している。

上記本願の組み合わせのガス圧測定セル装置によって、ピラニ式熱伝導マノメータ及びピエゾ抵抗圧力センサという二種類の測定原理が、本発明に従って最適に組み合わせられる。二つの測定原理の測定範囲は重なっていて、本願の電子信号の分析によって、高い測定精度で、測定されるガス圧の広い圧力範囲を連続的にカバーすることができる。好ましくは、ピラニ式装置Ｐｉが１０^−３ｍｂａｒから数百ｍｂａｒの範囲をカバーして、ピエゾ抵抗圧力センサ２０が１ｍｂａｒから２．０ｂａｒの範囲をカバーする。従って、好ましくは、十分に高い精度でカバー可能な全測定範囲は、１０^−３ｍｂａｒから２．０ｂａｒの範囲内の圧力範囲である。特定の場合には、最大略３ｂａｒの更なる範囲に拡張されるピエゾ抵抗圧力センサを用いることもできる。このような場合、単一のガス圧測定セル装置で、真空から数ｂａｒの加圧状態までの範囲をカバーすることができる。本ガス圧測定セル装置の更なる利点は、その較正にある。これら両方のタイプのセンサは較正の必要があるが、本装置ではこれをより簡単に行うことができる。何故ならば、本装置の温度挙動は、それに含まれる部品の高い同期特性を有して、装置が小型であるからである。このため、後で自動的に比較可能な圧力‐温度の値の組を取得することによって、永続的な較正を実現することができる。

１ 測定フィラメント
２ 測定チャンバ
３ 測定チャンバ筐体
４ 測定接続部
４’ ポート
５、５’ 支持ピン
１０ キャリアプレート
１４、１４’ ポート
１５、１５’ シール
２０ ピエゾ抵抗圧力センサ
３０ 保護筐体

Claims (13)

1. 測定チャンバ（２）を取り囲む測定チャンバ筐体（３）と、測定されるガス圧（Ｐ）を前記測定チャンバ（２）内に導く測定接続部（４）とを有するピラニ式の熱伝導真空セル（Ｐｉ）を備えたガス圧測定セル装置であって、前記測定チャンバ（２）内に、加熱可能な測定フィラメント（１）が電子測定回路（１１）に接続されて配置されていて、前記電子測定回路（１１）が、絶縁キャリアプレート（１０）の一方の側に熱的に接触して配置されていて、反対側において、前記キャリアプレート（１０）が前記測定チャンバ筐体（３）の一部を形成していて、前記測定フィラメント（１）が、測定抵抗器（Ｒｍ）に直列接続されて、前記電子測定回路（１１）によって直接フィードバックされ、前記電子測定回路（１１）が前記測定フィラメント（１）の抵抗を直接決定することを特徴とする装置。
2. 前記電子測定回路（１１）がプロセッサ（μＣ）を備え、前記プロセッサ（μＣ）がデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ１）を介して前記測定フィラメント（１）に接続され、前記測定抵抗器（Ｒｍ）及び前記測定フィラメント（１）が、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ１、ＡＤＣ２）を介して前記プロセッサ（μＣ）と通信するように互いに接続されることによって、フィードバック回路が形成され、測定されるガス圧が決定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記測定フィラメント（１）の温度が、測定される条件の関数として自由に設定可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記キャリアプレート（１０）がセラミック、好ましくは酸化アルミニウムセラミックであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記電子測定回路（１１）が、薄膜回路、印刷回路、及び／又は好ましい厚膜回路として前記キャリアプレート（１０）の上に直接適用されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記回路がハイブリッド回路として形成されていて、ＳＭＤ等の構造素子を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 参照温度を取得するために、前記電子測定回路（１１）の周辺部において、温度センサ（Ｔｒ）が前記キャリアプレート（１０）に熱的に接触して設けられていて、前記温度センサ（Ｔｒ）がアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ３）を介して前記プロセッサ（μＣ）に接続されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記電子測定回路（１１）の周辺部において、好ましくはシリコン膜（２４）を備えたピエゾ抵抗半導体圧力センサ（２０）が前記キャリアプレート（１０）の上に気密に適用されていて、前記キャリアプレート（１０）に接続管（２６）としてポートが設けられていて、前記測定チャンバ（２）を前記ピエゾ抵抗圧力センサ（２０）に連通させていて、前記ピエゾ抵抗圧力センサ（２０）の信号出力が、直接信号分析のために、更なるアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ４）を介して前記プロセッサ（μＣ）に送られることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記キャリアプレート（１０）の温度測定のための温度センサとしての前記ピエゾ抵抗半導体圧力センサ（２０）の抵抗値が、前記プロセッサ（μＣ）によって更に分析されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 温度センサとしての前記ピエゾ抵抗半導体圧力センサ（２０）の集積ダイオード（Ｄ１）の温度係数信号が、前記キャリアプレート（１０）の温度測定のために前記プロセッサ（μＣ）によって分析されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記キャリアプレート（１０）が、０．５ｍｍから５．０ｍｍの範囲内、好ましくは０．６ｍｍから２．０ｍｍの範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記キャリアプレート（１０）が、１０．０ｍｍから５０．０ｍの範囲内、好ましくは１５ｍｍから３５ｍｍの範囲内の直径を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記測定フィラメント（１）が、好ましくはタングステン又はニッケルを備えた金属コイルとして形成されていて、フィラメント長さが、１０．０ｍｍから４０．０ｍｍの範囲内、好ましくは１２．０ｍｍから２５ｍｍの範囲内である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。

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