KR20180116351A - 다중 전극을 구비한 용량식 진공 측정 셀 - Google Patents

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KR20180116351A
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카슈텐 슈트리에첼
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인피콘 아크티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 제1 하우징 본체(1)로부터 떨어져서 배치되어 에지 영역(3)에 시일을 형성하여 그 사이에 기준 진공 공간(9)이 형성되는 멤브레인(2)을 구비한 제1 하우징 본체를 구비하고, 제1 하우징 본체 및 멤브레인(2)의 대향 표면들(7, 8)은 하나 이상의 전극(G, G1, G2, ... Gn, M1, M2, ... Mn)을 포함하는 용량식 진공 측정 셀에 관한 것이다. 제2 하우징 본체(4)는 에지 영역에서 멤브레인(2)에 대해 시일을 형성하도록 제공되고, 상기 멤브레인으로, 처리 공간에 연결하기 위한 연결 수단(5)이 제공되는 측정 진공 공간(10)을 형성한다. 이 경우, 하우징 표면(7) 및/또는 멤브레인 표면(8)상의 전극들(G, G1, G2, ... Gn; M1, M2, ... Mn)은 적어도 2 개의 상호 전기적으로 절연된 하우징 전극(G1, G2, ... Gn) 및/또는 멤브레인 전극(M1, M2, ... Mn)을 포함하고, 이들은 하나 이상의 대향 전극(G,M)으로 적어도 2 개의 측정 커패시턴스(C1, C2,... Cn)를 형성하도록 배열되어, 멤브레인의 편향이 복수의 위치들에서 용량식으로 검출될 수 있다. 하우징 전극(G) 또는 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn) 및/또는 멤브레인 전극(M) 또는 멤브레인 전극들(M1, M2, ... Mn) 은 신호 처리 유닛에 작동 가능하게 연결될 수 있다.

Description

다중 전극을 구비한 용량식 진공 측정 셀
본 발명은 제1항의 전제부에 의한 용량식 진공 측정 셀 및 제13항의 전제부에 의한 용량식 압력 측정 방법에 관한 것이다.
센서의 용량식 판독은 경로 길이 또는 거리를 측정하는데 사용되는 일반적인 방법이다. Larry K. Baxter 에 의한 "용량식 센서:설계 및 응용(Capacitive Sensors:Design and Applications)"(Wiley-IEEE Press August 1996, ISBN 978-0-7803-5351-0)는 원리 및 판독 방법에 대하여 자세하게 기술하고 있다. 공지된 구성의 특징은 측정될 커패시턴스가 고정된 표준 커패시턴스와 비교되는 것이다. 이는 이와 같은 측정을 위한 참조 요소이다; 이는 고정 커패시터로 설계되거나 센서에 통합될 수 있다.
압력 측정을 위한 용량식 측정 또는 측정 셀의 응용은 예를 들어 미국등록특허 제3,232,114호 및 미국등록특허 제4,823,603호에 알려져있다. 특히 저압 측정을 위해 최적화된 진공 측정 셀은 세라믹 CDG(용량식 다이어프램 게이지)의 기본 구조를 기술한 유럽특허 EP 1 070 239 B1호에 공지되어 있다.
약 0.1 mbar 내지 10-6 mbar의 낮은 압력이 측정되는 경우, 종래의 멤브레인 제조 방법은 물질 내의 결과 응력으로 인하여 부적합하다. 한편, 유럽특허 EP 1 070 239 B1에 기재된 진공 측정 셀은 문헌 내에 기술된 구조 및 제조 방법에 의한 명확한 개선을 제공하지만, 이 제조 방법으로 모든면에서 완전히 균일하게 멤브레인을 클램핑하는 것은 또한 불가능하다. 멤브레인은 압력의 영향하에서 이상적으로 완전하고 회전대칭 방식으로 변형되어야하기 때문에 멤브레인의 가장 가능한 균일한 클램핑 및 고유 전압 조건의 완전한 스위치 오프는 측정 방법 및 측정 셀에 대한 가장 정확한 측정을 위한 전제 조건이다.
따라서, 특히 소위 0 점(0-point) 부근에서, 즉 멤브레인에 압력이 작용하지 않는 상태에서, 멤브레인의 이상적인 편향 방정식과의 편차가 가장 큰데, 이는 멤브레인이 여기에서 이완된 상태에 접근하기 때문이다. 따라서 측정 결과가 손상된다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 피하고 보다 정확하고 신뢰성 있는 측정이 가능한 측정 셀을 제공하는 것이다.
보다 정확하고 및/또는 신뢰성 있는 저압 측정을 가능하게 하는 진공 측정 셀이 청구항 1에 개시되며, 진공 측정 셀은 그로부터 이격되며, 에지 영역(edge region)에 시일 방식(sealed manner)으로 배열되어, 이에 의해 개재된(interposed) 기준 진공 공간이 형성된 멤브레인을 구비한 제1 하우징 본체를 포함한다.
본 발명은 세라믹 멤브레인 및/또는 하우징을 갖는 진공 측정 셀 및 금속 멤브레인 및/또는 하우징을 갖는 진공 측정 셀 모두에 적합하며, 또는, 예를 들어 세라믹 하우징과 금속 멤브레인을 갖는 또는 그 반대의 경우 금속 하우징 및 세라믹 멤브레인을 갖는 셀에 적합하다.
에지 영역은 일반적으로 멤브레인의 원주 영역으로 이해되는데, 예를 들어, 일반적으로 원형 멤브레인의 외측 에지로부터 0 mm 내지 약 2 내지 7 mm 사이이고, 적어도 추가적으로 시일 표면을 포함한다. 멤브레인의 제1 하우징 본체의 대향 표면들은 작은 거리, 예컨대 2 내지 50㎛로 위치하며, 각각 하나 이상의 전기 전도성 층을 포함한다. 본 발명에 의하면, 이는 또한 특히 멤브레인뿐만 아니라 대안으로 제1 하우징 본체 또는 하우징이 전체적으로 또는 부분적으로, 예를 들어 인서트(inserts)에 의해 또는 전체적으로 전기 전도성인 실시예들을 의미한다. 특히 적합한 전기적 도전층의 재료의 예로는 금이 있으며, 이의 높은 도전성 및 내화학성 때문에 특히 적합하다. 보다 높은 내화학성을 갖는 대안으로 예를 들어 백금이 사용될 수 있다. 멤브레인 자체 또는 도전성 재료로 제조된 하우징 본체가 선택되는 경우, 이는 예를 들어, 상술한 바와 같이, 필요에 따라 추가로 보다 전도성인 물질로 코팅될 수 있는 스테인리스 강일 수 있다. 그러나 알루미늄 또는 투명 전도성 산화물(TCO 또는 "Transparent Conductive Oxide")의 사용도 고려할 수 있다.
제2 하우징 본체는 에지 영역에서 멤브레인에 대향하여 시일 방식으로 제공되며, 공정 공간으로의 연결을 위해 그곳으로 연결 수단이 개방된 측정 진공 공간을 형성한다. 이는 예를 들어, 공정 가스를 형성하는, 예를 들어 비활성, 반응성 가스 또는 이들의 혼합물과 같은 측정된 매체(medium)를 갖는 진공 챔버일 수 있다. 제1 하우징 본체 및 제2 하우징 본체는 이 경우에, 가능한 예를 들어, 대칭으로 연결된 알려진 생산 공정에서, 측정 셀의 환경에 대향하는 에지 영역에 중간 멤브레인에 시일 방식으로 연결된다. 하우징 표면상의 도전층 및/또는 멤브레인 표면은 서로 전기적으로 절연된 적어도 2 개의 하우징 전극(G1, G2, ... Gn) 또는 멤브레인 전극들(M1, M2, ... Mn)을 포함하는데, 하나 이상의 대향 전극(G, G1, ... Gn; M, M1, ... Mn)으로 적어도 2 개의 측정 커패시턴스(C1, C2, ... Cn)를 형성하도록 배열되어 복수의 위치에서 멤브레인의 편향은 개별적으로 용량식으로 검출될 수 있으며, 전극은 신호 처리 유닛에 동작가능하게 연결가능하다. 측정 커패시턴스는 개별적으로 측정가능한데 즉, 측정 및 평가는 신호 처리 유닛에 의해 동시에 수행될 수 있고, 즉, 예를 들어, 매우 급격한 압력 변동을 검출하기 위해, 병렬로 또는 순차적으로, 특히 주기적으로 순차적으로 수행될 수 있다. 측정 시퀀스는 이 경우, 예를 들어, 필요한 일시적인 신호 분해능(temporal signal resolution)에 따라 신호 처리 유닛의 클록 신호(clock signal)에 의해 제어될 수 있다.
전극은 평탄한 방식으로 형성되고, 필요에 따라, 상이한 기하학적 구조들, 예를 들면, 원형, 직사각형, 환형 또는 섹터-형상(sector-shaped)을 가질 수 있다. 멤브레인의 변형을 특히 잘 따르고 측정값들의 더 큰 특유의 성질들을 얻기 위해, 전기 전도성 층은 적어도 3 개, 4 개 또는 그 이상의 전기 절연된 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn) 및/또는 전기 절연된 멤브레인 전극들(M1, M2, ... Mn)을 포함할 수 있으며, 특히 개별적으로 측정가능한 측정 커패시턴스들(C1, C2, ... Cn)이 적어도 3 개, 4 개 또는 그 이상이 형성된다. 이 경우, 하우징 표면 및/또는 멤브레인 표면의 중간에 형성된 제1 전극(G1, M1)은 예를 들어, 대칭으로 배치되는 적어도 3 개 이상의 추가 전극들(G2, G3, ... Gn; M2, M3, ... Mn)에 의해 둘러싸일 수 있다. 대안으로, 다른 전극들이 또한 비대칭으로 또는 임의로 배치될 수 있으며, 이 경우 보상이 더 큰 계산적 노력으로 달성될 수 있다.
제1 전극(G1, M1)의 하나 이상의 원주상에 다른 전극(G2, G3, ... Gn; M2, M3, ... Mn)의 일부가 배치될 수 있다. 이 경우, 적어도 4 개의 멤브레인 전극들(M1, M2, ... Mn) 및/또는 적어도 4 개의 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn)은 멤브레인 원의 적어도 네 개의 상이한 원형 섹션들, 예를 들어, 하나 이상의 원형 링의 적어도 네 개의 상이한 원형 링 조각들에 대칭으로 배열될 수 있다.
이 경우, 각각의 압력과 관련된 벡터가 형성될 수 있는 측정에 의해, 개별 측정 커패시턴스의 대향 표면들 중 하나 이상은 종래의 측정 셀로부터 알려진 치수에 비하여 작다. 이 경우, 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn) 및/또는 멤브레인 전극들(M1, M2, ... Mn)의 표면은 각각 5000㎟ 특히 200mm2 미만이다. 그러나 제조상의 이유로 또는 개별 측정의 재현성을 위해 면적은 이 경우 0.1 mm2 이상이어야 한다.
일 실시예에서, 전기층(M)은 하나의 멤브레인 전극만을 포함하며, 이 경우 전기층(M)의 것과 동일할 수 있는데, 따라서, 임의의 공급 라인들은 중요하지 않다. 한편, 멤브레인은 금속 멤브레인의 경우에 전체적으로 멤브레인 전극(M)을 형성할 수 있다. 이러한 배열의 결과로, 멤브레인과 대향하는 제1 하우징 본체의 표면만이 작은 거리로 복수의 전극들을 가지는데, 이는 진공 측정을 위해 매우 얇은 멤브레인 상에 추가의 전극들을 제공하는 것보다 제조 관점에서 더 쉽게 실현되며, 차례로, 여전히 멤브레인의 편향 거동을 선택적으로 변화시킬 수 있다. 이 경우, 다수의 하우징 전극들은 대향하는 더 큰 멤브레인 전극, 즉, 표면들에 수직하게 돌출된 하우징 전극들(G1, G2,..., Gn)의 표면을 적어도 포함하는 멤브레인 전극과 용량식으로 결합된다. 측정 커패시턴스들(C1 ... Cn)은 각각의 경우에 또는 양면에 여러 개의 전극이 제공된 배열의 경우에도, 예를 들어 Cn ≤ 1nF, 특히 Cn ≤ 50 ... 60pF, 특히 Cn ≤ 30pF의 매우 작은 커패시턴스일 수 있다. 또한, 측정 셀은 고정된 표준 커패시턴스(CS)를 포함할 수 있는데, 예를 들어 고정 커패시터로 설계되거나 센서에 통합된다.
하우징 전극들(G1, G2,... Gn)은 신호 처리 유닛(16)에 연결될 수 있고, 멤브레인 전극(M) 또는 멤브레인 전극들(M1, M2,... Mn)은 전원에, 또는 반대로 멤브레인 전극들(M1, M2,... Mn)은 신호 처리 유닛 및 단일 하우징 전극(G)에 연결될 수 있는데, 이 경우 도전층(G)과 동등할 수 있으며, 또는 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn)은 전원에 연결될 수 있다. 이 경우, 측정 셀은 각각의 측정 커패시턴스들(C1, C2, ... Cn)과 관련된 컨버터를 포함할 수 있으며, 특히 CDC(CDC는 "디지털 컨버터에 대한 용량(capacitivity)"을 나타냄)을 포함할 수 있는데, 이는 신호 처리 유닛에 동작가능하게 접속될 수 있다. 대안으로, 컨버터는 또한 신호 처리 유닛의 일부일 수 있다.
가능한 한 콤팩트하게 진공 셀을 설계하고 추가 조치없이 즉시 사용할 수 있도록 설치하기 위해 신호 처리 장치는 하나 이상의 메모리를 갖는 연산 유닛과 계산된 압력값을 출력하는 출력 유닛을 포함하는 측정 셀에 통합될 수 있다. 이 경우, 컨버터 및, 필요한 경우, 예를 들어, 주위 온도 및 주위 압력과 같은 외부 파라미터들을 입력하기 위한 입력 유닛 및/또는 표준 커패시턴스(CS)가 신호 처리 유닛에 설치될 수 있다. 기준값은 측정된 실제값을 비교하도록 신호 처리 유닛의 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 알고리즘, 특히 기준값과 측정된 실제값을 비교하기 위한 최적 알고리즘이 메모리에 저장될 수 있다. 이 알고리즘은 또한 예를 들어 시스템 제어의 외부 제어기를 통해 외부로부터 알려진 방식으로 공급되거나 계산기의 마이크로 프로세서에 영구적으로 유선 방식으로 제공될 수 있다.
본 발명은 또한 용량식 압력 측정 방법으로 실현된다. 이 방법에서, 진공 측정 셀은 이로부터 이격되고 에지 영역에 시일 방식으로 배치된 멤브레인을 구비한 제1 하우징 본체와 유사하게 사용되는데, 멤브레인과 제1 하우징 본체 사이에 기준 진공 공간이 형성되고, 제1 하우징 본체와 멤브레인의 밀접하게 이격된 대향 표면들은 전기 전도층으로 코팅되거나 완전히 또는 부분적으로 전기 전도성이 된다. 또한, 진공 측정 셀은 멤브레인에 대향하는 공간 영역에 유사하게 시일되어 제공되는 제2 하우징 본체를 포함하여 측정 진공 공간을 형성하며, 이 측정 진공 공간으로 측정될 매체(medium)에 연결하기 위한 연결 수단이 개방되어 있다. 따라서, 개재된 멤브레인을 구비한 제1 및 제2 하우징 본체는 시일 방식으로 연결되어, 한편으로는 기준 및 측정 진공 공간이 서로 분리되고 다른 한편으로는 외부로의 시일이 제공된다. 이는 탄성 시일들 및/또는 특히 유리 솔더(glass solders)에 의한 고진공 측정에 의해 공지된 방식으로 수행될 수 있다. 상기 방법에서, 커패시턴스 측정은 따라서 동시에 병렬로 또는 대안으로 적어도 두 개, 보다 바람직하게 적어도 세 개, 특히 네 개 이상의 측정 커패시턴스들(C1, C2, ... Cn) 상의 시간 시퀀스에서 수행되는데, 측정 커패시턴스들 각각은 하우징 전극 또는 하우징 전극들(G, G1, G2, ... Gn)과 멤브레인 전극 또는 멤브레인 전극들(M, M1, M2, ... Mn) 사이에 형성된다. 이런식으로, 각각의 멤브레인의 클램핑 대칭에서 고유한 바이어스 및/또는 제조 허용 오차를 보상하는 것이 개별적으로 가능하며, 따라서, 예를 들어, 측정 셀의 교정 범위 내에서 실제 나중의 측정값들과 비교하기 위하여 기준 벡터(CR1, CR2, ... CRn)가 각각의 압력에 대하여 생성될 수 있다. 이는 다수의 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn)과 개별 하우징 전극들의 표면들을 포함하는 대형 멤브레인 전극(M) 사이에서 측정이 수행되는 측정 커패시턴스들에 의해 특히 쉽게 실현될 수 있다. 커패시턴스 측정값들의 변환은 컨버터에 의해 수행되며, CDC 컨버터가 특히 적합한데, 이 경우 컨버터의 출력값이 이미 디지털화된 형태로 존재하기 때문이다. 평가를 위해, 예를 들어, 측정 셀에 연결되거나 측정 셀에 통합된 신호 처리 장치에서 측정된 값들은, 예를 들어 출력 유닛을 통해 전달될 수 있는 출력값을 계산하기 위해, 유닛의 산술 유닛(arithmetic unit)으로 전달될 수 있고, 알고리즘에 의해 메모리에 저장된 기준값들과 비교될 수 있다. 비교를 위해 가장 적합한 알고리즘이 사용될 수 있다.
이하, 도면들 및 개별 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명한다. 이 경우, 개별적인 실시예들 또는 개별적인 도면의 설명과 관련하여 언급되었지만, 당업자의 일반적인 지식으로부터 이러한 특징들의 조합의 모순 또는 비호환성이 즉시 발생하지 않는한, 모든 특징들은 본 발명의 다른 특징들 또는 실시예들과 기본적으로 결합될 수 있다는 것이 주지되어야 한다. 이것은 또한 설명의 일반적인 부분에서 언급된 모든 특징들 및 실시예들에 적용되며, 이에 의해 이러한 특징들의 조합이 개시된다.
도면은 다음과 같다:
도 1은 종래 기술의 측정 셀을 도시한다;
도 2는 진공 측정 셀의 작동을 도시한다;
도 3은 본 발명에 의한 진공 측정 셀의 실시예를 도시한다;
도 4는 개별적인 측정값들로부터 형성된 벡터 필드의 수치 표현을 도시한다;
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의한 전극 배치를 도시한다; 및
도 6은 본 발명에 의한 진공 측정 셀의 회로도를 도시한다.
도 1에 도시된 종래 기술의 측정 셀은 단면으로 도시되어 있으며, 적어도 인접 표면들(8, 9)에 관해서는 실질적으로 회전 대칭 구조를 갖는다. 본 발명의 경우, 제1 하우징은 세라믹 멤브레인으로부터 작은 거리로, 에지 영역에서 상기 멤브레인에 시일 방식으로 연결되어 기준 진공 공간(9)을 형성하는, 예를 들어 산화 알루미늄의 세라믹 플레이트로 제조된다. 두 개의 표면 사이의 거리는 일반적으로 멤브레인 에지(3)와 하우징의 에지 사이에 놓이는 시일 재료(11) 상에 장착될 때 설정된다. 이런식으로, 크고 편평한 하우징 플레이트(1)가 사용될 수 있다. 동일한 방식으로, 측정 진공 챔버(10)는 멤브레인의 대향측상의 제2 하우징(4) 내에 형성되며, 하우징(4)의 개구를 통하는 연결 부재(5)를 통해 프로세스 공간에 연결가능하다. 멤브레인(2)의 양측면상의 시일(3)은 예를 들어 취급이 용이하고, 예를 들어 스크린 인쇄에 의해 적용될 수 있는 유리 솔더로 형성될 수 있다. 외경이 38 mm이고 자유 멤브레인 내경이 30 mm 인 전형적인 측정 셀에서, 용량식 유효 표면들(capacitively effective surfaces) 사이의 거리(d0)는 약 2 μm 내지 50 μm, 바람직하게는 12 μm 내지 35 μm이다. 여기서, 예를 들어, 제1 하우징(1)은 예를 들어 약 5 mm 두께이고, 제2 하우징(4)은 예를 들어 약 3 내지 6 mm, 바람직하게는 5 mm 이다. 제2 하우징(4)은 이 경우 측정용 진공 챔버(10)를 증가시키기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 내부 영역에 약 0.5mm의 깊이를 갖는 리세스(recess)를 구비할 수 있다. 현재, 하우징(1) 및 멤브레인(2)은 모두 절연성 세라믹으로 제조되기 때문에, 하우징(1)은 하우징 전극(G) 및 멤브레인을 형성하는 도전층을 구비한 기준 진공 측면 상, 따라서, 멤브레인 전극(M)을 형성하는 전기 전도층을 구비한 기준 진공 측면 상에 코팅된다. 두 층들은 서로 전기적으로 연결되어 있지 않다. 이들은 예를 들어, 도장(painted), 인쇄(printed) 또는 분무될(sprayed) 수 있거나, 얇은 층의 정밀한 제조에 특히 적합한 진공 방법, 예를 들어, 진공-증착 또는 스퍼터링이 적용될 수 있다. 또한, 대응하는 측정 수단 또는 CDG 컨버터와 같은 측정값 컨버터에 연결하기 위한 진공 기밀, 전기 전도성 부싱(bushings)(6)이 각각의 전극에 제공된다. 또한 공간(9)에서 장기 안정적인 기준 진공을 유지하기 위해 게터들(getters)(미도시)이 제공될 수 있다. 유익한 실시예 및 전극층들의 가능한 박형화 또는 게터의 설계와 관련하여, 유럽특허 EP 0 070 239 B1의 문단 [0028] 까지 및 문단 [0030]를 포함하여 참조되며, 이는 본 명세서의 필수 부분으로 선언된다.
예를 들어, 부식 성질과 관련하여 덜 중요한 매체의 압력 측정의 경우, 공지된 바와 같이, 전기 전도성으로 인해 멤브레인 전극 전체를 형성할 수 있는 금속 멤브레인을 또한 사용할 수 있다. 세라믹 재료 대신에, 제1 하우징 본체(1)에도 금속을 사용하면, 하우징 전극(G) 및 도전성 부싱(6)은 하우징(1)에 대해 절연된 방식으로 형성되어야 한다.
이러한 진공 측정 셀의 주요 작동 모드가 도 2에 도시되며, 이는 휴지 위치(2) 멤브레인 및 가압 멤브레인(2')을 도시한다. 두께(t)를 갖는 멤브레인(2, 2')은 멤브레인(2,2')의 압력 및 클램핑 반경 2 * R의 함수로서 w(p)의 양만큼 깊이(d0)의 기준 진공 공간(9) 내로 편향(deflection)된다. 따라서, 연결 수단(5)을 통해 진공이 가해질 때 반대 방향으로 편향이 발생한다.
도 1 및 도 2에 도시된 진공 측정 셀과 유사하게, 본 발명에 의한 진공 측정 셀이 도 3에 도시되는데, 선행 기술의 실시예들에 따라, 전극 기하 구조 및 배선을 제외하고, 재료 및 기하를 선택하여 설계될 수 있다. 도 1에 도시된 측정 셀과는 대조적으로, 본 발명에 의한 실시예에서 단일 멤브레인 전극에 대향하여 배치된 3 개의 하우징 전극들이 제공된다. 결과적으로, 이 측정 셀에 대한 각각의 특정 압력 값(pj)에 특정 커패시턴스 값들(Cj1, Cj2, Cj3)이 할당될 수 있다.
본 발명에 의하면, 하우징(1) 또는 멤브레인(2)의 각각의 대향 표면(7, 8) 상에, 그러나 특히 전술한 이유로, 도 5A 및 5B에 도시된 바와 같은 다중 전극 배열이 하우징 표면(7) 상에 형성될 수 있다. 대응하는 전극은, 도시된 바와 같이, 예를 들어 중앙 하우징 전극(G1) 주위에 대칭으로 배치된다. 결과적으로, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, m 개의 측정된 압력 값(pj)에 대하여, 전극들의 수 n에 대응하는 n 개의 커패시턴스 측정치들을 포함하는 벡터가 생성될 수 있고, 각각 획득된 벡터의 총합 m 은 벡터 필드로 표현될 수 있다. 측정 해상도의 원하는 정확도에 따라, 각각의 n 차원 벡터에 의해 정의된 임의의 수의 기준 측정 포인트들이 비교 목적으로 기록되고 저장될 수 있다. 이것은 또한 비대칭으로 수행될 수 있는데, 예를 들어 덜 관련된 압력 범위 내에서 보다 더 미세한 압력 단계들(Δp)이 목표 압력 범위에서 측정되고 참조 벡터로 저장되는 방식으로 수행될 수 있다.
도 6은 이 경우 멤브레인 전극 및 여섯 개의 하우징 전극들로부터 또는 그 반대의 경우, 즉, 하우징 전극 및 6 개의 멤브레인 전극들로부터 구성되고, 신호 처리 유닛(13)에 접속된, 본 발명에 의한 압력 센서(12)의 회로도를 도시한다. 신호 처리 유닛(13)은 외부에, 예를 들어, 진공 시스템 제어기에 설치될 수 있지만, 현재의 점진적 소형화로 인하여, 소형 디자인의 진공 측정 셀을 사용하는 경우에도, 측정 셀에 신호 처리 유닛을 통합하는 것이 가능하고 유리하여, 센서-관련 데이터가 항상 올바른 센서에 연결되고 잘못 배치된 케이블로 인해 발생할 수 있는 혼란이 배제된다. 신호 처리 유닛은 센서에 대한 신호 발생기로서 및 또한, 유닛에 대한 전압원으로서, 배터리로 전원 공급될(battery-powered) 수 있고/있거나 메인(mains)에 연결될 수 있는 전원(14)을 포함한다. 중앙 요소는 저장된 기준값들의 메모리(17)를 포함하거나 또는 이 메모리에 대한 액세스를 갖는 산술 유닛(arithmetic unit)(15)이다. 또한, 알고리즘은 그곳에 또는 다른 메모리 위치에 저장되거나, 대안으로 반도체 구조에 의해 하드와이어(hardwired)되거나 미리 결정되며, 그로 인하여 산술 유닛(15)은 컨버터(16)를 통해 산술 유닛으로 보내지거나 이미 메모리(17)에 저장된 기준 벡터로 디지털화된 커패시턴스 값들 또는 벡터들을 비교한다. 이는 예를 들어 가장 적합한 방법으로 수행될 수 있다. 또한, 이 경우 개별 입력들을 통해 단지 예로서 제공된 주변 온도 Tamb 또는 주변 압력 Pamb에 대한 값들 및 표준 커패시턴스(CS)(미도시)의 측정값이 측정된 값들의 정확도를 보정하고 더 향상시키는데 필요하도록 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이 설계된 구조 및 상술한 바와 같은 측정 셀을 작동시키는 방법으로, 측정 압력은 예를 들어, 기준값 벡터들(CR11, CR12, ... CR1n),(CR21, CR22, ... CR2n), ...(CRm1, CRm2, ... CRmn)로서, 서로 다른 압력들에 대하여 개별적으로 측정된 커패시턴스의 기준값들을, 예를 들어 커패시턴스 벡터로서, 측정 압력에서 측정된 커패시턴스 측정값들(C1, C2, ... Cn)과 비교함으로써 결정될 수 있는데, 그 결과, 예를 들어, 제조 공차(manufacturing tolerances)로 인해, 특히 멤브레인의 기하학적 구조 및 프리텐션(pretension)과 관련하여, 상이한 측정 셀의 기하학적 구조에서 개별적인 차이들을 개별적으로 고려하고 보상하도록 관리된다. 결과적으로, 더 정확하고 신뢰할 수 있는 측정이 가능할 뿐 아니라 더 많은 수의 기준값들을 입력함으로써, 예를 들어, 특히 프로세스-관련된 것들(process-relevant ones)인, 원하는 측정 범위들에 대하여 측정된 압력의 특히 미세한 분해능(Δp)이 얻어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 매우 상이한 압력에 대해 진공 측정 셀을 최적으로 설계할 수 있는 가능성을 제공한다.

Claims (14)

  1. 제1 하우징 본체(1)로부터 떨어져서 배치되어 에지 영역(3)에 시일(seal)을 형성하여 그 사이에 기준 진공 공간(9)이 형성되는 멤브레인(2)을 구비한 제1 하우징 본체를 구비하고, 제1 하우징 본체 및 멤브레인(2)의 대향 표면들(7, 8)은 하나 이상의 전극(G, G1, G2, ... Gn, M1, M2, ... Mn)을 포함하며, 제2 하우징 본체(4)는 에지 영역에서 멤브레인(2)에 대해 시일을 형성하도록 제공되고, 상기 멤브레인으로, 처리 공간에 연결하기 위한 연결 수단(5)이 제공되는 측정 진공 공간(10)을 형성하는 용량식 진공 측정 셀로서, 하우징 표면(7) 및/또는 멤브레인 표면(8)상의 전극들(G, G1, G2, ... Gn; M1, M2, ... Mn)은 적어도 2 개의 상호 전기적으로 절연 된 하우징 전극(G1, G2, ... Gn) 및/또는 멤브레인 전극(M1, M2, ... Mn)을 포함하고, 이들은 하나 이상의 대향 전극(G, G1, G2, ... Gn; M1, M2, ... Mn)으로 적어도 2 개의 측정 커패시턴스(C1, C2,... Cn)를 형성하도록 배열되어, 멤브레인의 편향이 복수의 위치들에서 용량식으로 검출될 수 있고, 하우징 전극(G) 또는 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn) 및 멤브레인 전극(M) 또는 멤브레인 전극들(M1, M2, ... Mn) 은 신호 처리 유닛에 작동 가능하게 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는, 용량식 진공 측정 셀.
  2. 제1항에 있어서, 전극들(G, G1, G2, ... Gn; M1, M2, ... Mn)은 적어도 3 개 이상의 전기적으로 절연된 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn) 및/또는 상호 전기적으로 절연된 멤브레인 전극들(M1, M2, ... Mn)을 포함하고, 적어도 3 개 이상의 측정 커패시턴스들(C1, C2, ... Cn)이 형성되는, 용량식 진공 측정 셀.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 하우징면(7) 및/또는 멤브레인 표면(8)의 중간에 형성된 제1 전극(G1, M1)은 거기에 대칭적으로 배치되는 적어도 4 개의 추가 전극들(G2, G3, ... Gn; M2, M3, ... Mn)에 의해 둘러싸이는, 용량식 진공 측정 셀.
  4. 제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 4 개의 멤브레인 전극들(M1, M2, ... Mn) 및/또는 4 개의 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn)은 적어도 4 개의 다른 원형 단면으로 대칭으로 배열되는, 용량식 진공 측정 셀.
  5. 제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn) 및/또는 멤브레인 전극들(M1, M2, ... Mn)의 표면(AG, AM)은 각각 5000 mm2 미만, 특히 200 미만 mm2, 그러나 0.1 mm2 이상인, 용량식 진공 측정 셀.
  6. 제1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 멤브레인(2)은 하나의 멤브레인 전극(M)만을 포함하거나 멤브레인 전극인, 용량식 진공 측정 셀.
  7. 제1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 커패시턴스들(C1 ... Cn)은 각각 Cn ≤ 100 pF, 바람직하게 Cn ≤ 50 ... 60 pF, 바람직하게 Cn ≤ 30 pF의 커패시턴스를 갖는, 용량식 진공 측정 셀.
  8. 제1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn)은 신호 처리 유닛(16) 및 멤브레인 전극(M)에 연결되거나 멤브레인 전극들(M1, M2, ... Mn)은 전원(14)에 연결되고, 그 반대로, 멤브레인 전극들(M1, M2, ... Mn)은 신호 처리 유닛(16) 및 하우징 전극(G)에 연결되거나 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn)은 전원(14)에 연결되는, 용량식 진공 측정 셀.
  9. 제1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 셀은 신호 처리 유닛에 동작 가능하게 접속될 수 있는 각각의 측정 커패시턴스들(C1, C2, ... Cn)과 관련된 컨버터를 포함하는, 용량식 진공 측정 셀.
  10. 제1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서, 측정 셀은 연산 유닛(13), 하나 이상의 메모리(15) 및 출력 유닛(16)을 포함하는 집적 신호 처리 유닛(integrated signal processing unit)(13)에 동작가능하게 연결되는, 용량식 진공 측정 셀.
  11. 제10항에 있어서, 기준값과 측정된 실제값을 비교하기 위한 기준값들이 메모리(15)에 저장되는, 용량식 진공 측정 셀.
  12. 진공 측정 셀을 이용한 용량식 압력 측정 방법으로서, 상기 진공 측정 셀은 제1 하우징 본체(1)로부터 떨어져서 배치되어 에지 영역(3)에 시일을 형성하여 그 사이에 기준 진공 공간(9)이 형성되는 멤브레인(2)을 구비한 제1 하우징 본체를 구비하고, 제1 하우징 본체(1) 및 멤브레인(2)의 대향 표면들은 전극(G, G1, G2, ... Gn, M1, M2, ... Mn)으로 형성되는 전기 전도층으로 코팅되고, 제2 하우징 본체(4)는 에지 영역에서 멤브레인(2)에 대해 시일(seal)을 형성하도록 제공되어, 상기 멤브레인으로, 처리 공간에 연결하기 위한 연결 수단(5)을 구비한 측정 진공 공간(10)을 형성하는, 진공 측정 셀로서, 커패시턴스 측정들은 각각 하우징 전극(G) 또는 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn)과 멤브레인 전극(M) 또는 멤브레인 전극들(M1, M2, M3 ... Mn) 사이에 형성된, 적어도 2 개, 특히 적어도 3 개의 측정 커패시턴스들(C1, C2, ... Cn) 상에서 수행되어, 각각의 측정 압력(pm)에 대하여 개별적인 측정 커패시턴스들(C1, C2,... Cn)의 측정 결과가 개별적으로 판독될 수 있는, 진공 측정 셀을 이용한 용량식 압력 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서, 커패시턴스 측정들은 적어도 3 개의 하우징 전극들(G1, G2, ... Gn)과 멤브레인 전극(M) 사이에서 수행되는, 진공 측정 셀을 이용한 용량식 압력 측정 방법.
  14. 제12항 또는 13항에 있어서, 측정된 값은 하나 이상의 메모리를 갖는 산술 유닛(15)으로 전송되고, 알고리즘에 의해 메모리에 저장된 기준값과 비교되어 그로부터 출력값을 계산하고 제공하는, 진공 측정 셀을 이용한 용량식 압력 측정 방법.
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