KR20010053537A

KR20010053537A - 압력 센서, 압력 측정 장치 및 쳄버내 압력 모니터링 방법

Info

Publication number: KR20010053537A
Application number: KR1020017000628A
Authority: KR
Inventors: 우르스 웰츠리; 페르 브죄르크만; 루돌프 스토커; 마르셀 간트너
Original assignee: 하에펠리 에리흐, 베그만 어스; 어낵시스 발처스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2001-06-25
Also published as: KR100620671B1; EP1097361B1; JP4590100B2; WO2000004358A1; HK1037027A1; DE59906195D1; US5962791A; JP2002520613A; ATE244398T1; EP1097361A1

Abstract

약 10^-6mbar부터 약 10 bar까지의 넓은 측정 범위를 커버하기 위해서, 단순하고 컴팩트하고 경제적으로 제조할 수 있는 보호 튜브(1)내에 배치된 압력 센서(3)는 지지 플레이트(5) 위에 지지 플레이트(5)와 함께 약 0.1 mbar와 10 bar 사이의 압력측정을 위한 용량형 측정 부재를 형성하고, 약 10^-6mbar와 10 mbar 사이의 압력측정에 대한 벽 온도 효과를 실질적으로 보상하는 열전도형 측정 부재를 구성하는 세라믹 멤브레인을 갖는다. 멤브레인(6)은 보호 링(16)에 의해 측정 와이어(11, 12)의 방사로부터 쉴딩된다. 장기간 안정성을 증가시키기 위해, 압력이 50 mbar 아래로 떨어질 때 열전도형 측정 부재와 비교함으로써 용량형 측정 부재의 오프셋을 보상할 수 있다.

Description

압력 센서, 압력 측정 장치 및 쳄버내 압력 모니터링 방법{PRESSURE SENSOR, PRESSURE MEASURING APPARATUS AND METHOD FOR MONITORING THE PRESSURE IN A CHAMBER}

일반적인 형태의 공지의 압력 센서(예컨대, 유럽특허원 0 351 701호 참조)는 지지판과 멤브레인으로 구성되고, 전기전도층을 갖는 용량형 측정 부재(capacitive measuring element)를 포함한다. 비록 측정이 기체의 종류에 관계 없이 이루어질 수 있고 이러한 측정 부재에 의해 약 10^-6mbar와 10 bar 사이에서 높은 정확도로 측정이 이루어질 수 있다고 해도, 하나의 측정 부재에 의해 전 범위가 측정될 수 없다. 더욱이, 이러한 압력 센서는 항상 상당한 부정확성을 유발할 수 있고, 특히 장기간의 경우에 더욱 심각한 오프셋 문제를 갖는다.

예를 들어, 피라니(Pirani)에 의한 열전도형 측정 부재(thermal conductivity measuring element) 형태의 압력 센서의 이용도 알려져 있다. 이러한 압력 센서에서는, 적어도 하나의 가열 부재, 보통 측정 와이어(measuring wire)가 전기적으로 가열되고 압력은 가열 전력(heating power)으로부터 측정되는데, 이것은 기체의 압력-의존성 열전도형을 이용한다. 이러한 방식으로, 압력을 약 10^-3mbar와 수백 bar 사이의 범위에서 측정할 수 있다. 그러나 수십 mbar를 초과하는 경우에는, 대류 열전달(convective heat transmission)가 우세해지기 때문에, 측정이 기체의 흐름에 의해 영향을 받고 위치에 크게 의존하게 된다. 더욱이 이러한 방법에 의한 측정은 항상 기체의 타입에 영향을 받는다. 평가회로를 포함하는 열전도 센서(heat-conduction sensor)는 약 10^-5mbar 또는 최대 10^-6mbar에서도 동작할 수 있도록 설계될 수 있지만, 이 경우에 압력이 수십 mbar 보다 높아지면 더 이상 신뢰할 만한 측정 수단이 되지 못한다.

기능이 입자류 밀도(particle current density)에 기초하는 소위 이온화 센서(ionization sensor)도 10^-2mbar 미만, 더 낮은 정확도로는 10^-1mbar까지의 압력 측정에 이용될 수 있는 것으로 알려져 있다. 차이는 냉음극 이온화 진공 게이지(cold-cathode ionization vacuum gauges)와 온음극을 갖는 게이지 사이의 차이이다. 이들은 높은 압력 범위에서 기능하지 못하고 10^-2mbar 부터는 부정확하게 된다. 이들은 기본적으로 기체의 유형에 의존한다.

넓은 압력 범위에 대해 측정하고자 하는 경우에는, 예컨대, 약 10^-6mbar부터 약 100 mbar까지 측정하고자 하는 경우, 측정된 신호를 처리할 수 있는 장치를 구비하고 서로 독립적인, 적어도 두 종류의 상이한, 서로 공간적으로 떨어져 있는 압력 센서들을 이용하는 것이 보편적이다. 따라서, 예를 들어, 각각 압력 범위중 일부를 측정하는데 적합한 상술한 타입의 용량형 측정 부재를 포함하는 두 개 이상의 압력 센서들이 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 해결책 또는 이와 유사한 해결책은 기술적 복잡성 때문에 고가이다. 측정 부재 사이의 거리는 측정 결과를 정확하지 않게 만들 수 있다. 더욱이, 오프셋 문제는 이러한 다수의 측정 부재를 이용하는 경우에도 여전히 존재한다.

한편, 상이한 압력 센서들을 하나의 장치내에 조합하는 것도 알려져 있다. 따라서 유럽특허원 0 658 755는 피라니 열전도 측정 부재와 냉음극 측정 부재가 결합되어 있어 전자는 고압 범위를 측정하고 후자는 저압 범위를 측정하는 압력측정장치를 개시하고 있다. 이러한 장치가 컴팩트하고 상술한 전범위를 측정할 수 있다고 해도, 고압 범위에서는 상당히 부정확하다.

벨로우 타입 기계 측정 부재(bellow-type mechanical measuring element)와 피라니-유사 열전도형 측정 부재의 조합도 알려져 있다(미국특허원 제 3,064,478호). 그러나, 이러한 압력측정장치는 비교적 불편하다. 더욱이, 측정 부재들이 공간적으로 떨어져 있어 측정 결과가 부정확해질 수 있다.

[발명의 요약]

본 발명의 하나의 목적은 넓은 측정 범위-바람직하게 약 10^-6mbar부터 수 bar까지를 커버할 수 있고 동시에 구성이 단순하며 컴팩트하고 경제적이며 오염에 영향을 받지 않는 압력 센서를 제공하는 것이다. 이러한 목적은 청구범위 제 1항의 특징부에 기재된 특징에 의해 달성된다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 압력 센서와 동일한 특징에 의해 구별되고 용이하게 어느 위치라도 신속하게 탑재되는 압력측정장치 및 이러한 이점들에 더하여 안정하고 정확하게 매우 넓은 측정 범위를 갖는 압력측정장치를 제공하는 것이다. 이러한 목적들은 청구범위 제 15항 및 제 19항의 특징들에 의해 각각 달성된다.

끝으로, 본 발명의 또 다른 목적은 넓은 측정 범위에 걸쳐서 장기간 동안 충분히 정확하고 안정한 쳄버내의 압력 모니터링 방법을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 청구범위 제 22항의 특징에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 압력 센서는 용량형 측정 부재와 열전도형 측정 부재를 컴팩트하고 쉽게 조작가능하고 경제적으로 생산할 수 있는 형태로 결합시킨 것이다. 약 0.1 mbar 이상의 고압 범위(upper pressure range)는 기체의 타입에 의존하지 않는 용량형 측정 부재에 의해 커버하고, 약 10^-6mbar부터 약 10 mbar까지의 저압 범위는 열전도형 측정 부재에 의해 커버하고, 중첩되는 범위에서는 평균을 취한다. 결론적으로, 1 mbar와 수 bar 사이의 압력은 기체의 타입과 관계 없이 매우 정확하게(일반적으로 약 1%) 측정될 수 있고, 동시에 측정 범위는 충분한 측정 정확도로 약 10^-6mbar까지 확장된다.

두 개의 측정 부재들은 서로 가깝게 위치하기 때문에 항상 동일한 조건에 노출된다. 압력 센서는 응용이 자유자재이고 측정 범위의 처음-언급한 범위내에서 상대적인 압력 측정(relative pressure measurement)에 적합하도록 만들어질 수 있다. 장치는 소형의 컴팩트한 형태로 제작될 수 있는데, 예를 들어, 직경 35 ㎜ 이하로 제작될 수 있다. 열전도형 측정과 관련하여, 최적의 운전 거동은 상기 압력 범위내에서 소형의 가열 부재, 예컨대, 짧은 가열 필라멘트에 의해 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 압력 측정 장치는 본 발명에 따른 압력 센서의 이점을 갖고, 편리하고 탑재가 용이한 이점을 갖는다. 추가의 적당한 측정 부재가 추가될 경우, 컴팩트한 디자인을 갖고 넓은 측정 범위내의 압력을 정확하게 측정할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 용량형 측정 셀의 오프셋 문제에도 불구하고 장기간에 걸쳐서 쳄버내의 압력을 적절한 방법으로 모니터할 수 있게 만든다. 이러한 유익한 특징들은 주기적인 압력 변화 때문에 오프셋이 규칙적으로 보상될 수 있는 록(locks)에서의 압력측정에서 두드러지게 나타난다.

본 발명은 압력 센서, 이러한 센서를 포함하는 압력 측정 장치 및 이러한 센서 또는 압력 측정 장치와 같은 수단에 의한 쳄버내 압력을 모니터링하는 방법에 관계한다.

도 1은 본 발명에 따른 압력 센서의 디자인을 개략적으로 도시한 회로도이다.

도 2a는 제 1 실시예에 의한 압력 센서를 포함하는, 본 발명의 제 1 실시예의 압력 측정 장치의 종단면도이다.

도 2b는 도 2a의 B-B선 횡단면도이다.

도 3a는 제 2 실시예의 압력 센서의 측면도이다.

도 3b는 도 3a의 B-B선 종단면도이다.

도 3c는 도 3a, b의 압력 센서의 평면도이다.

도 4는 제 2 실시예의 압력센서를 포함하는, 본 발명의 제 2 실시예의 압력측정장치의 도면이다.

도 5는 제 2 실시예의 압력센서를 포함하는, 본 발명의 제 3 실시예의 압력측정장치의 도면이다.

도 6은 제 2 실시예의 압력센서를 포함하는, 본 발명의 제 4 실시예의 압력측정장치의 도면이다.

도 7은 진공 유니트의 단면 개략도이다.

도 8a는 도 7의 진공 유니트의 록(lock)내에서의 압력 변동을 도시한 그래프도이다.

도 8b는 도 7의 진공 유니트의 중간 쳄버내에서의 압력 변동을 도시한 그래프도이다.

이하에서 본 발명의 일실시예만을 도시한 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 압력 센서는 베셀(vessel) 또는 쳄버내에 배치되고(도 1) 기체압에 의존하는 캐패시턴스 C를 갖는 용량형 측정 부재가 어스 연결부 A₀와 캐패시터 연결부 A_c사이에 배치되는 원리로 설계된다. 캐패시턴스 값은 제 1 압력 신호(first pressure signal)를 구하는 적당한 평가 회로에 의해 공지의 방법으로 모니터된다. 제 1 압력 신호는 최초 값으로부터 캐패시턴스 C를 재생하는 반드시 선형인 특성(essentially linear characteristic)에 의해 구해진다. 용량형 측정 부재의 경우에 흔히 일어나고 장기간 안정성(long-term stability)을 해하는 오프셋은 후술하는 방법에 의해 보상될 수 있다.

열전도형 측정 부재의 가열 부재인 제 1 저항 R₁과 제 2 저항 R₂는 어스 연결부 A₀와 제 1 저항 연결부 A_R1및 제 2 저항 연결부 A_R2사이에 각각 연결된다. 저항들 R₁과 R₂는 특수한 저항값이 대응되는 서로 다른 온도 T₁과 T₂에서 저항 연결부 A_R1및 A_R2에서의 전압과 전류의 적절한 조절 및 모니터링에 의해 안정화하고 그들에 의해 출력되는 전력을 측정한다.

전력이 저항으로부터 쳄버 벽으로의 열 전사에 의해 그안의 기압 p, 저항의 온도 T와 벽 온도 T_w의 함수로 출력되는 경우, 다음과 같은 관계가 공지의 식, 예컨대 H.R. Hidber, G. Suss: "Pirani manometer with linearized response", Rev. Sci. Instrum. 47/8(1976), 912-914로부터 잘 알려진 식에 의해 수득된다.

(1) N(p) = α(εT⁴-ε_wT_w ⁴) + (β(T-T_w)/√T_w) × p + γ(T-T_w)

여기서, 첫번째 항은 방사에 의한 열 전사(heat tansfer)와 관련되고, 마지막 항은 저항의 연결부 영역내의 열전도에 의한 열전사와 관련되고, 가운데 항은 본원에서 특히 주목하고 있는 10 mbar 미만의 압력 범위에 대한 것으로, 열 전사는 기체에 의한 압력-의존적 열전도에 의해 유발된다. 높은 압력에서의 포화까지 고려한 약간 더 복잡한 식이 이러한 항의 압력에 대한 의존성을 위해 이용되는 경우에, 이러한 방법은 실질적인 변화 없이 상당히 넓은 압력 범위에도 적용될 수 있다.

N(p)가 저항 R₁, R₂가 안정화되는 서로 다른 두 온도 T₁및 T₂에서 측정되면, 차가 계산되는데, 그 결과는 다음과 같다.

(2) N₁(p) - N₂(p) = αε(T₁ ⁴-T₂ ⁴) + (β(T₁-T₂)/√T_w) × p + γ(T₁-T₂)

α, ε, β 및 γ는 상수이다. 상기 식은 상수 A, B를 갖는 식으로 아래와 같이 요약될 수 있다:

(3) N₁- N₂= A + B × p/√T_W

식(1)에서의 항들은 벽 온도에 많이 의존하는 반면에, 식(3)에서 벽 온도는 근호안에만 포함되고, 그의 4승을 포함하는 항들은 식 (3)에는 없다.

소위 열 발산(thermal transpiration)을 포함하는 표준압력 P(K.F. Poulter et al., Vacuum 33(1983), 311 및 W. Jitschin et al., J. Vac. Sci. Technol. A5 (1987), 372 참조)를 다음과 같이 정의한다면

(4) P = p × √(T_w0/T_w),

여기서, 예를 들어, 압력 p에 해당하는 T_w0= 300˚K에서, 상기 표준압력은 다음과 같이 수득된다.

(5) P = (N₁-N₂-A)/K

상기 식에서, K도 상수이다. 따라서, P는 벽 온도와 독립적이다. 제 2 압력 신호(a second pressure signal)는 평가 유니트(evaluation unit)로부터 식 (5)에 따라 저항 연결부 A_R1및 A_R2에서의 전압과 전류로부터 구해진다.

평가 유니트는 용량형 측정 부재로부터 발생하는 제 1 압력 신호로부터 그리고 열전도형 측정 부재로부터 발생하는 제 2 압력 신호로부터 각각의 경우에 압력 센서의 특수한 측정 결과에 해당하는 출력 신호를 발생한다. 측정 범위중 위쪽 부분에서, 출력 신호는 용량형 측정 부재로부터 발생하는 제 1 압력 신호에 기초하여 결정되고, 아래 부분에서, 출력 신호는 열전도형 측정 부재로부터 발생하는 제 2 압력 신호에 기초하여 결정된다. 이행(transition)은 이행 값(transition value)에서 갑작스럽게 나타날 수 있는데, 이것은 측정 값상의 점프 및 히스테리시스 효과를 쉽게 초래할 수 있다. 바람직하게 이행은 이행 간격, 예를 들어, 0.1 mbar와 10 mbar 사이에서 지속적으로 일어나고, 특히 유럽특허원 제 658 755호에 기술된 방법에서 더욱 그러하다.

본 발명의 제 1 실시예에 의한 압력 측정 장치를 도 2a 및 도 2b에 도시하였다. 제 1 실시예에 의한 압력센서(3)는 플랜지(2)를 갖는 보호 튜브(1)의 끝에, 환형 탄성 스프링(4)에 의해 신축자재하고 기밀(gas-tight)되게 매달리고, 플랜지에 의해 보호 튜브(1)는 쳄버내의 대응하는 연결부에 연결될 수 있다. 스프링(4)은 베이스 부재의 역할도 수행하는 압력센서(3)의 지지 플레이트(5)에 직접 경질-납땜(hard-soldering)되고, 보호 튜브(1)에 용접된다. 그것은 철로 만들어진 보호튜브(1)와 바람직하게 적어도 95%의 Al₂O₃를 포함하는 세라믹으로 구성되어 있는 지지 플레이트(5)의 상이한 열팽창을 보상한다.

보호튜브(1)의 내부로 향해 있는, 지지 플레이트(5)의 내면에 탑재되는 것은 넓은 유리 실(glass seal)(7)에 의해 지지 플레이트(5)에 기밀되게 연결되어 있고 동시에 상기 지지 플레이트로부터 어느 정도 떨어져 있어 게터(gettered)될 수 있는 레퍼런스 진공(8)을 형성하는 멤브레인(6)이다. 멤브레인(6)은 바람직하게 Al₂O₃를 포함하는 세라믹으로부터 제조되고 주로 후자를 포함한다. 그것의 두께는 바람직하게 10㎛와 1000㎛ 사이이고, 특히 10㎛와 250㎛ 사이이다. 그의 직경은 바람직하게 2 ㎜와 15㎜ 사이이고, 특히 4 ㎜와 9㎜ 사이이다.

서로 대향해 있는 지지 플레이트(5)와 멤브레인(6)의 표면들은 지지플레이트(5)를 통해 지지 플레이트(5)의 외측에 있는 어스 연결부(A₀)에 해당하는 연결부(9)에 연결되어 있거나 캐패시터 연결부(A_c)에 해당하는 연결부(10)에 연결되어 있는 전기전도층을 갖고 있다. 이와 같이 연결되어 있는 지지 플레이트(5)와 멤브레인(6)은 캐패시터 C로서 전기전도층을 갖는 용량형 측정 부재를 형성한다. 상기 지지 플레이트(5)와 멤브레인(6)이 세라믹으로 구성된 바람직한 실시예에서, 이들에 의해 형성되는 용량형 측정 부재는 부식성 대기에 대해 내성을 갖는다.

또한 멤브레인에 인접해서 배열되어 있는 두 개의 가열 부재(heating elements)들이 제공되는데, 이들은 전기저항 R₁, R₂를 구성하여 열전도형 측정 부재를 형성한다. 그들은 홀더(14, 15)를 향해 거의 수직으로 갈라지고, 멤브레인(6) 보다 길이가 약간 길고, 지지 플레이트(5)의 내면에 평행하고, 연결부(9)에 전기전도적으로 연결되어 있는 중간 홀더(13)에서부터 시작하는 측정 와이어들(11, 12)의 형태이다. 그들은 바람직하게 니켈, 플라티늄, 또는 텅스텐이나 이들 금속들중 적어도 하나를 포함하는 합금으로 만들어져, 부식성 기체에 대해 내부식성이다. 홀더들은 지지 플레이트(5)를 통해서 저항 연결부 A_R1, A_R2에 해당하는 추가의 연결부들(도시하지 않음)에 연결된다. 멤브레인(6)은 보호 링(16), 예를 들어, 세라믹 등의 보호 링에 의해 둘러싸이는데, 이러한 보호링들은 멤브레인을 측정 와이어 11 및 12에 의해 방사되는 광 및 열 방사로부터 보호하고, 상기 멤브레인이 가열되어 전기전도층 사이의 평균 거리 및 캐패시턴스 C의 값이 영향을 받지 않도록 예방한다.

약 0.1 mbar부터 약 10 bar까지의 측정 범위의 위쪽 범위에서, 측정 결과는 위에서 설명한 바와 같이 지지플레이트(5)와 멤브레인(6) 위에 있고, 서로 레퍼런스 진공(8)에 의해 떨어져 있는 전기전도층들에 의해 형성된, 캐패시터 C의 값으로부터 전적으로 또는 부분적으로 구해진다. 이 값은 멤브레인(6)의 처짐(sag)에 의존하고, 멤브레인의 처짐은 압력의 함수이다. 측정 범위의 하한 아래에서, 멤브레인(6)의 처짐에 대한 압력의 영향은 작아서 그 안의 변화들은 더 이상 충분히 정확하게 검출할 수 없게 된다. 결론적으로, 약 10^-6mbar부터 약 10 mbar까지의 측정 범위의 아래 쪽에서, 측정 결과는 측정 와이어 11, 12에 의해 출력된 전력으로부터 피라니 원리에 따라 전적으로 또는 부분적으로 구해진다. 이러한 측정 원리는 약 50 mbar 미만, 특히 약 30 mbar 아래에서 비교적 정확한 측정 결과를 제공한다.

본원에 설명된 압력 센서를 다양하게 변형시킬 수 있다. 따라서, 예를 들어, 아래쪽 측정 범위와 위쪽 측정 범위 사이의 경계는 달라질 수 있는데-특히 멤브레인의 디자인에 의존한다. 피라니 압력 측정은 서로 상이한 온도 T₁, T₂에 도달하거나 단지 하나의 온도에서만 동작하는 단지 하나의 가열 와이어에 의해서만 수행될 수도 있다. 후자의 경우에, 더 큰 벽 온도의 효과가 고려되어야만 한다. 사용 분야에 따라, 몇몇 경우에 위에서 언급한 것 이외의 재료들을 이용할 수 있는데, 측정 와이어 대신에 다른 저항 가열 부재(another resistance heating element), 예를 들어, 테이프, 박막 장치, 실리콘 웨이퍼 상에 마이크로테크널러지에 의해 제조된 마이크로칩 또는 피라니 부재도 이용할 수 있다.

지지 플레이트는 더 작은 것일 수 있고, 바람직하게 세라믹으로 구성된 것과 같은 베이스 부재, 바람직하게 직경이 큰 베이스플레이트 위에 탑재될 수 있고, 이러한 베이스플레이트를 통해서 전기적 연결이 이루어진다. 압력 측정 장치의 보호 튜브는 베이스 플레이트에 의해 닫힌다. 끝으로, 압력센서는 지지 플레이트를 관통하는 구멍을 형성함으로써 측정 범위의 위쪽 부분에서의 상대적인 측정에 더 적합하게 만들어질 수 있는데, 이러한 구멍은 지지 플레이트와 멤브레인 사이에 있는 용적(volume)내로 열려 있게 되고, 이 경우에 이러한 용적은 레퍼런스 진공의 형태는 아니다.

본 발명의 두 번째 실시예에 의하면, 기본적으로 본 발명의 제 1실시예에 의한 압력센서와 동일한 디자인을 갖고 도 1에 도시된 회로도에 대응되는 압력센서는 별개의 베이스 부재, 또는 더욱 정확하게 베이스플레이트(17)를 갖는데, 이러한 베이스플레이트는 바람직하게 세라믹 또는 다른 전기절연재로 구성된다. 베이스플레이트(5)와 멤브레인(6)을 포함하는 용량형 측정 부재는 베이스플레이트 17에 대해 수직으로 배열되고, 베이스플레이트 17은 예를 들어 제 1 실시예에 따라 보호 튜브내에 매달리거나 또는 다르게 탑재될 수 있다.

베이스 플레이트(17)와 지지 플레이트(5) 사이의 연결부는 베이스 플레이트(17)를 통해서 중앙으로 통과하고 그 안에 고정되어 있는 핀(18)에 의해 만들어진다. 지지 플레이트(5)의 뒷부분은 그것이 지지 플레이트의 직경을 따라서 놓이도록 상기 핀에 고정된다. 동시에, 상기 핀은 탭(19)에 의해 전기전도층에 연결된다. 베이스플레이트(17)를 통과하여 돌출되어 있는 그의 절단면은 어스 연결부 A₀에 해당하는 연결부(9)를 형성한다. 멤브레인(6) 위의 전기전도층은 베이스 플레이트(17)를 관통하는 연결 핀에 의해 캐패시터 연결부 A_c에 해당하는 연결부(10)에 연결된다.

측정 와이어들 11, 12는 지지 플레이트(5)의 멤브레인으로부터 벗어나게 지지 플레이트의 일측에 배치되어, 상기 지지 플레이트는 멤브레인을 그의 열 효과(thermal effect)로부터 보호한다. 각각의 경우에 측정 와이어들은 핀(18)에 전기적으로 접속되어 있는 탭(19)의 일 말단에서부터 뻗어 나와 베이스 플레이트(17) 쪽으로 비스듬하게 갈라지고, 베이스 플레이트에서 그들은 홀더들(14)에 연결된다. 여기서, 홀더들은 베이스 플레이트(17)를 관통하는 연결 핀의 형태로, 저항 연결부 A_R1, A_R2에 해당하는 연결부 20 및 21을 형성한다.

또한, 추가의 변형이 가능한데, 예를 들어, 지지 플레이트의 방향 및 측정 와이어의 탑재와 관련해서 추가의 변형이 가능하다. 만약 상대적인 측정(relative measurement)을 해야 하는 경우라면, 추가의 용량형 측정 부재가 베이스 플레이트의 뒤에 탑재될 수 있다. 모든 실시예에서 중요한 것은 측정 와이어들이 멤브레인의 근방에 탑재된다는 것인데, 이렇게 함으로써 압력 구배가 발생할 때 상이한 압력에 노출되지 않고, 멤브레인에 대한 부의 열 효과를 갖지 않는다. 이러한 이유로, 멤브레인과 측정 와이어들 사이의 거리는 5 ㎜를 넘어서는 안될 뿐만 아니라 2 ㎛ 미만이어서도 안된다. 제 1 실시예에서 보호 링(16)에 의해 구현되고, 제 2 실시예에서 지지 플레이트(5)에 의해 구현되는 쉴딩도 유리하다.

그들의 컴팩트함 때문에, 본 발명에 따른 압력 센서는 특수한 목적으로 사용되고, 측정 범위를 아래쪽으로 확장하거나 낮은 압력에서의 측정의 정확성 및 안정성을 향상시키기 위한 추가의 측정 부재를 포함하는 압력 측정 장치의 일부로 매우 유용하다. 각각의 경우에 압력 센서는 선택적으로 추가의 측정 부재와 함께 보호 튜브(1)내에 장착될 수 있다.

따라서, 압력 측정 장치의 이러한 제 1 실시예(도 4)에 따라, 마그네트론(23), 즉, 그 자체로 설계된 냉음극 측정 부재가 핀(24)과 보호 튜브(1)를 동심적으로 감싸는 영구자석(25)에 의해 보호 튜브(1)내에 장착된다. 개구는 핀(24)에 대한 통로 옆의, 보호 튜브(1)의 개방 말단과 대향하는 말단에 있고, 압력 센서의 베이스 플레이트(17)에 의해 닫히는데, 이것이 위에서 설명한 제 2 실시예에 해당한다. 이러한 압력 측정 장치는 정확도가 높고 낮은 압력에서의 장기간 안정성이 뛰어나, 예컨대 하드 디스크의 코팅을 위한 쳄버에 이용하기에 적합하다.

추가의 압력 측정 장치(도 5)는 압력 센서 이외에 3극관(26), 온음극 측정 부재(hot-cathode measuring element)를 갖는데, 이것은 위에서 설명한 제 2 실시예에 해당한다. 압력 센서(3)와 3극관(26)은 세라믹 또는 다른 전기절연재를 포함하는 공통 유지 플레이트(common retaining plate)(27)에 탑재되고, 이러한 공통 유지 플레이트는 보호 튜브(1)의 일말단을 막고, 그것을 통해 양자의 연결이 이루어진다. 3극관(26)은 플랜지(2)에 의해 둘러싸인 압력 튜브(1)의 일 말단쪽으로 오프셋되며, 즉 상기 3극관은 압력 센서(3) 앞에 배치된다. 3극관(26)의 결과로, 압력 측정 장치는 정확해 지고, 10^-1mbar와 10^-5또는 10^-6mbar 사이의 범위에서 장기간에 걸쳐서 매우 안정하게 된다. 3극관(26)은 기계적으로도 강하다. 압력 측정 장치는 예컨대, 보통 상류 록(upstream lock)이 없는 도구 코팅(tool coating)을 위한 쳄버에 이용하기에 적합하다.

실질적으로 동일한 디자인을 갖는 또 다른 압력 측정 장치(도 6)는 온음극 측정 부재, 오염과 관련해서 비교적 높은 로버스트니스(robustness)를 갖는 점에서 구별되는 베이어드-알퍼트 부재(Bayard-Alpert element)(28)를 포함한다.

각각의 경우에, 추가의 측정 부재는 추가의 압력 신호를 전달하고, 이러한 신호는 마찬가지로 평가 유니트로 공급되며, 그곳에서 측정 범위의 특수한 부분에 대한 출력 신호를 결정하기 위한 기초로 이용된다. 이행(transition)은 마찬가지로 갑작스럽게 일어나고 지속적으로 중첩되게 일어날 수도 있다.

본 발명의 압력 센서 또는 이들을 포함하는 압력 측정 장치의 이점들은 장기간 안정성을 해하는 용량형 측정 부재의 오프셋이 자주 보상된다면 더 향상될 수 있다. 압력이 순환적으로 변화하는 쳄버내의 압력 모니터링에서, 이러한 오프셋의 보상은 규칙적으로 이루어질 수 있는데, 예를 들어, 진공유니트의 록(29)에서(도 7) 이루어질 수 있다. 그 안에서 물품, 예컨대 처리될 웨이퍼(30) 등은 밖으로부터 도입되고, 즉 대기압(p₀)(도 8a)하에서 도입되고, 록(29)이 닫힌 후 압력 p는 이행 압력 p_t로 감소되는데, 이러한 p_t는 10 mbar이거나 이보다 훨씬 낮거나, 예컨대 약 10^-4mbar일 수 있다. 이어서 밸브(31)가 열리고 이행 간격(I_t)(도 8b) 중에, 상기 웨이퍼(30)는 중간 쳄버(32)로 옮겨지고, 거기서 압력은 이행 압력 p_t전에 증가한다. 밸브(31)를 닫은 후, 록(29)에서 압력 p는 다시 대기압(p₀)으로 증가하고, 중간 쳄버(32)에서는 감소되고, 웨이퍼(30)는 다시 밸브(33)에 의해 예컨대 처리 쳄버(34)로 옮겨진다. 록(29)이 록 내부의 압력이 대기압(p₀)에 근접했을 때-일반적으로 처리될 물품의 민감도에 의존하여 2%와 5% 사이-에만 열린다는 거이 중요한데, 그렇지 않으면 바람직하지 않은 흐름(troublesome flow)가 생기고 밸브에 대한 부하가 높아져 마모되거나 그에 따라 불순물이 생기기 때문이다. 그러나, 위쪽 측정 범위에서 이용되는 용량형 측정 부재의 경우의 오프셋으로 인한 낮은 장기간-안정성은 문제가 될 수 있다.

이러한 문제는 측정 값이 100 mbar 이하, 바람직하게 50 mbar를 초과하지 않거나 30mbar를 초과하지 않는 임계값 p_s아래로 떨어지자마자 오프셋을 보상함으로써 극복할 수 있다. 이 경우에, 제 1 압력 신호로부터 평가 회로에 의해 측정되는 출력 신호는 제 2 압력 신호로부터 상기 제 2 평가 회로에 의해 측정된 출력 신호와 비교된다. 오프셋으로 인한 편차가 있을 경우, 제 1 압력 신호를 구하기 위해 이용되었던 특성은 그것으로부터 구한 출력 신호가 제 2 압력 신호로부터 구한 출력 신호와 일치되도록 쉬프트된다. 이것은 일정한 간격으로 반복되거나 압력 p가 감소하는한 지속적으로 반복된다. 압력이 다시 증가하기 시작하면, 상기 과정을 종료한다. 오프셋의 보상은 보정 간격(calibration interval) I_c내에서 이루어진다(도 8a).

록(29)내에서 최저압에 도달하면, 예컨대 5 mbar에 이르면, 열전도측정에 따른 측정 결과와 실제 압력 사이의 편차는 일반적으로 약 20%, 즉 1 mbar를 넘지 않는다. 따라서 용량형 측정 부재의 오프셋은 약 1mbar까지 정확하게 측정될 수 있다. 용량형 측정 부재의 높은 정확성 때문에, 그것의 측정 범위내에서의 측정의 정확성은 약 1 mbar이고, 이것은 대기압에서 약 0.1%의 오차를 제공한다. 이러한 정확성은 충분히 완벽하다. 록(29)내에서 압력이 낮아지면, 결과는 훨씬 나아진다. 범위외의 압력에서 편차 때문에 유리한, 록 밖에 위치한 제 2 용량형 측정 부재를 이용하여 상대 측정이 이루어지는 경우에, 그의 출력신호는 각각의 경우에 록이 열린 경우의 출력신호와 비교될 수 있고 그의 오프셋은 이러한 방법으로 보상될 수 있다.

* 참조 부호의 설명 *

1; 보호 튜브

2; 플랜지

3; 압력 세서

4; 스프링

5; 지지 플레이트

6; 멤브레인

7; 유리 실

8; 레퍼런스 진공

9, 10; 연결부

11, 12; 측정 와이어

13 - 15; 홀더

16; 보호 링

17; 베이스플레이트

18; 핀

19; 탭

20, 21; 연결부

23; 마그네트론

24; 핀

25; 영구자석

26; 3극관

27; 유지 플레이트

28; 베이어드-알퍼트 부재

29; 록

30; 웨이퍼

31; 밸브

32; 중간 쳄버

33; 밸브

34; 처리 쳄버

Claims

지지 플레이트(5)와 지지 플레이트 앞에 약간의 거리를 두고 기밀되게 연결되어 있는 세라믹 멤브레인(6)을 포함하고, 양자에 전기전도층이 설치되어 있는 용량형 측정 부재를 갖는 압력 센서에 있어서, 상기 압력 센서가 상기 지지 플레이트(5)에 직접 또는 양자의측정 부재를 지지하는 베이스 부재를 통해서 연결된 적어도 하나의 가열 부재(heating element)를 갖는 열전도형 측정 부재(thermal conductivity measuring element)를 갖는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항에 있어서, 상기 멤브레인과 적어도 하나의 가열 부재 사이의 거리가 5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 멤브레인(6)이 적어도 하나의 가열 부재에 의해 방사되는 복사 에너지로부터 쉴딩되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항 내지 제 3항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 멤브레인(6)이 Al₂O₃를 포함하는 세라믹으로 구성되고, 그의 두께가 10㎛와 1000㎛ 사이이며, 특히 10㎛와 250㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항 내지 제 4항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 막의 직경이 2 ㎜와 15㎜ 사이, 바람직하게 4 ㎜와 9 ㎜ 사이인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항 내지 제 5항중 어느 하나의 항에 있어서, 게터된 레퍼런스 진공(8)이 지지 플레이트(5)와 멤브레인(6) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항 내지 제 6항중 어느 하나의 항에 있어서, 각각의 가열 부재가 측정 와이어(11, 12), 테이프, 박막 장치 또는 마이크로칩 형태인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항 내지 제 7항중 어느 하나의 항에 있어서, 적어도 두 개의 가열 부재가 서로 독립적으로 가열가능한 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항 내지 제 8항중 어느 하나의 항에 있어서, 적어도 하나의 가열 부재가 적어도 1%의 니켈, 플라티늄, 또는 텅스텐을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항 내지 제 9항중 어느 하나의 항에 있어서, 적어도 하나의 가열 부재가 지지 플레이트(5)로부터 떨어져 있고 지지 플레이트(5)에 대해 평행한 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항 내지 제 10항중 어느 하나의 항에 있어서, 적어도 하나의 가열 부재가 지지 플레이트(5)로부터 멤브레인(6) 옆에 있는 후자 보다 더 먼 거리에 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 3항 내지 제 11항중 어느 하나의 항에 있어서, 멤브레인(6)의 쉴딩이 상기 멤브레인을 감싸고 있고, 지지 플레이트(5) 위에 배치되고, 그 외측에 적어도 하나의 가열 부재가 배치된 보호 링(16)에 의해 확보되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 3항 내지 제 10항중 어느 하나의 항에 있어서, 적어도 하나의 가열부재가 멤브레인(6)으로부터 벗어나는 지지 플레이트의 일측면상에 배치되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항 내지 제 13항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 지지 플레이트(5)가 바람직하게 베이스플레이트 형태인 베이스 부재를 관통하는 핀(19) 위에, 상기 베이스 부재에 대해 대략 수직으로 고정되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
압력 센서(3)를 감싸는 보호 튜브(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1항 내지 제 14항중 어느 하나의 항에 따른 압력 센서(3)를 구비하는 압력 측정 장치.
제 15항에 있어서, 상기 보호 튜브(1)가 일 단면이 지지 플레이트(5)에 의해 닫힌 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치.
제 16항에 있어서, 상기 지지 플레이트(5)가 보호 튜브(1)내에 신축자재하게 기밀하는 방식으로 매달여 있는 것을 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치.
제 15항 내지 제 17항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 압력 센서(3)가 압력 측정을 위한 적어도 하나의 추가의 측정 부재와 함께 보호 튜브(1) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치.
압력측정장치가 공통 홀더 상의 적어도 하나의 추가의 압력 측정 부재와 함께 배치되는 제 1항 내지 제 14항중 어느 하나의 항에 따른 압력 센서(3)를 구비하는 압력 측정 장치.
제 18항 또는 제 19항에 있어서, 적어도 하나의 추가의 측정 부재가 냉음극 부재인 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치.
제 18항 또는 제 19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추가의 측정 부재가 온음극 부재, 특히 3극관(26) 또는 베이어드-알퍼트 부재(28)인 것을 특징으로 하는 압력 측정 장치.
제 1항 내지 제 14항 중 어느 하나의 항에 의한 압력 센서 또는 제 15항 내지 제 21항중 어느 하나의 항에 의한 압력 측정 장치에 의해 쳄버내의 압력을 모니터하는 방법에 있어서, 각각의 경우에 측정 결과를 나타내는 출력 신호가 생성되고, 출력신호는 적어도 측정 결과가 이행 값(transition value) 또는 이행 범위를 초과하는 경우에, 용량형 측정 부재로부터 발신된 제 1 압력 신호에 기초하여 생성되고, 압력이 임계값(p_s) 아래로 떨어질 때 각 경우의 제 1 압력 신호의 오프셋은 제 1 압력신호에 기초한 출력신호의 측정이 열전도형 측정 부재로부터 발신된 제 2 압력 신호에 기초한 측정값과 동일해지도록 하는 방법으로 보상되는 것을 특징으로 하는 쳄버내 압력 모니터링 방법.
제 22항에 있어서, 상기 오프셋의 보상이 압력이 임계값(p_s) 미만이거나 압력이 증가되지 않고 감소되는한 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22항 또는 제 23항에 있어서, 상기 임계값(p_s)이 50 mbar를 초과하지 않고, 바람직하게 30 mbar를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
제 22항 내지 제 24항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 출력 신호가 측정 결과가 이행 값 또는 이행 범위 미만일 때, 열전도형 측정 부재로부터 발생한 제 2 압력 신호에 기초하여 측정되는 방법.
제 22항 내지 제 25항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 쳄버가 록(lock)(29)인 방법.