TW201721119A - 測試氣體進氣口處之壓力測量裝置與方法 - Google Patents

Abstract

一種質譜檢漏儀之測試氣體進氣口(18)處之壓力之測量裝置，其中質譜儀(12)連接高真空泵(14)之進氣口(22)，高真空泵之出口(24)連接預真空泵(16)之進氣口(26)，以及其中預真空泵(16)之進氣口(26)連接測試氣體進氣口(18)，其特徵在於藉由包含液體節流閥(42)之連接管路(38)，預真空泵(16)之進氣口(26)與高真空泵(14)之至少一個中間氣體進氣口(34)彼此連接。

Description

測試氣體進氣口處之壓力測量裝置與方法

本發明係關於一種用於測量質譜檢漏儀（mass-spectrometric leak detector）之測試氣體進氣口處之壓力之方法與裝置。

在質譜洩漏研究中，利用測試氣體在真空條件下測試待檢查密封性之物體。對於質譜儀的操作，必須達到小於10^-4 毫巴（mbar）的壓力。

通常，對於借助真空檢漏儀（leak detector）完成的密封性測試方法，真空方法與超壓方法之間存在差別。在真空方法中，測試物體被抽空且被暴露於測試氣體氣壓。檢查從測試物體中取出的氣體是否存在測試氣體。在超壓方法中，測試物體被暴露於高於測試物體周圍的大氣壓的壓力下的測試氣體。然後，檢查測試物體周圍的氣壓是否出現測試氣體。

在真空方法與超壓方法中，測試可為或者整體式或定位式（localizing type）。在整體密封性測試中，測試物體分別被放置於真空與壓力腔室中，以及分別檢查從測試物體與測試腔室中取出的氣體，是否出現測試氣體。在整體測試中，檢查測試物體是否包含至少一處洩漏以及這些洩漏具有的總洩漏率。

在定位式之測試過程中，將偵測到洩漏之地點。在定位式真空方法中，已經被抽空且連接質譜檢漏儀之測試物體將利用噴槍被噴射來自外部之測試氣體。在定位式超壓方法中，測試物體在被測試氣體加壓的同時，將借助手持式檢漏探針接收來自外部的檢漏（sniffing）檢查。

在上述全部的方法中，使用包含測試氣體進氣口之質譜檢漏儀，測試時，流經測試氣體進氣口的測試氣體被抽吸（suctioned）且被供應至質譜儀用於偵測測試氣體分壓。因為只有質譜儀中真空壓力占優勢時才可能借助質譜儀進行檢查，所以需要在打開測試氣體進氣口以前，充分降低進氣口處的總壓力。質譜儀被高真空泵與預真空泵抽空，其中高真空泵大多數情況為渦輪分子泵（turbomolecular pump），預真空泵連接高真空泵之出口。高真空泵之中間進氣口連接洩漏偵測系統之測試氣體進氣口。

針對高真空泵，如果測試氣體進氣口處的壓力低於容許的一次壓（primary pressure）通常為15毫巴（mbar），則可能偵測到總洩漏（gross leak）。特別地，在需要藉由檢漏儀比如預真空泵之真空系統抽空的大容積（volumes）（測試腔室容積）的情況下，高真空泵之容許壓力下降到不足且可開始測試為止，需要花費較長的時間。

因此，通常期望能夠在進氣口壓力大於15毫巴時已經完成洩漏搜索。為此，已知小部分氣體流量可從檢漏儀之進氣口區域被供應至驗證系統。例如，在UL400類型的INFICON洩漏測試裝置中，透過測試氣體進氣口吸取的氣體流量之部分流量被直接地注入質譜儀。在氣體被直接引入質譜儀之情況下（主流法），通常需要借助液態氮冷阱（liquid-nitrogen cold trap），減少或避免來自大氣的水汽（water vapor）對測量信號的影響。透過打開對應的閥，可從小於100毫巴的壓力開始將部分流量供應至質譜儀，採用這種方式設計流量限制器（flow restrictor），用於允許部分流量直接進入質譜儀內。

在INFICON洩漏測試裝置UL500中，對於洩漏信號之早期證據（總洩漏測量），可能藉由節流閥（throttle）連接測試氣體進氣口至質譜儀處的渦輪分子泵之預真空。節流閥為網篩，針對預抽取（pre-evacuation）在小於1000毫巴的壓力下，已經經由網篩直接地打開測試氣體進氣口以後，很小的氦氣部分將經由渦輪分子泵逆流（counter flow）進入驗證系統（質譜儀）內。例如，EP 283543 A1與EP 0615615 B1中描述了這種排列。

為了偵測大量洩漏，第一步驟中，適合評價1000與100毫巴之間的總壓降。在已知方法中，依照皮冉尼（Pirani）測量原理，利用壓力感測器完成檢漏儀之進氣口區域處的總壓力之測量。這種感測器便宜且適合10^-3 與100毫巴之間的作業壓力之精確測量。然而，無法充分地偵測100毫巴與1000毫巴之間範圍的總壓力。

在第二步驟中，在由於存在大量洩漏導致壓力下降過慢的情況下，或者由於前置泵（forepump）的吸取能力已經以及流入通過大量洩漏之氣體的緣故，達到超出15毫巴的均衡壓力，透過測試氣體之噴射應用將定位此大量洩漏。

在停泵（pump-off）階段期間，檢漏儀之驗證系統被切換至盲態，或者檢漏儀之靈敏度被降低至僅僅可證實大洩漏之信號之效果。在測試物體上特別大的洩漏的情況下，停泵週期可能進一步延長，或者可能根本無法達到利用真空系統達到準備測量所需要的操作壓力。這種情況下，無法利用為這個任務實際提供的檢漏儀定位總洩漏。

當使用通常的Pirani壓力感測器時，在100毫巴與1000毫巴之間的壓力範圍無法測量測試氣體進氣口之進氣口凸緣（inlet flange）處的總壓力。避免針對這個壓力範圍使用複雜的總壓力感測器。

因此，本方法之目的在於在壓力已經明顯高於15毫巴時，利用質譜檢漏儀之測試氣體進氣口處的總壓力之改善測量，能夠偵測洩漏的測試物體且定位漏點。

請求項1之特徵定義本發明之裝置。請求項6之特徵定義本發明之方法。

本發明之總壓力測量係關於質譜檢漏儀，其中質譜儀之測量容積連接高真空泵例如渦輪分子泵之進氣口，以及高真空泵之出口連接預真空泵之進氣口。這種兩階真空泵用於抽空質譜儀之測量容積。預真空泵之進氣口更連接測試氣體進氣口，從而抽吸測試氣體以及分別抽空（evacuate）測試腔室或測試物體。

依照本發明，借助氣體傳導連接管路，預真空泵之進氣口連接高真空泵之至少一個中間氣體進氣口。在連接管路中，借助流量節流閥限制氣體流量。例如在預真空進氣口管路連接測試氣體進氣口至預真空泵之進氣口以前，連接管路可分支。連接管路可進入高真空進氣口管路，其中高真空進氣口管路連接中間氣體進氣口至測試氣體進氣口。較佳地，在這個排列中，預真空進氣口管路、高真空進氣口管路以及連接兩個真空泵之真空管路的每一個中提供單獨的氣門，這個氣門用於單獨地打開與關閉各條管路。

當借助預真空泵，連接測試氣體進氣口之測試腔室或者連接測試氣體進氣口之測試物體待被抽空時，將透過預真空進氣口管路從測試氣體進氣口吸取氣體。藉由連接管路，部分的流量將從預真空連接管路分支以及被供應至高真空泵之中間進氣口。藉由中間氣體進氣口，部分流量將進入質譜儀之測量體積內。或者，部分流量還可被直接注入質譜儀內。在其中可判定分別使用的測試氣體例如氦氣之分壓。在測試氣體分壓的基礎上，可偵測測試氣體進氣口處存在的總壓力。本文中假設，待被抽空的測試物體或者待被抽空的測試腔室容納空氣或者具有測試氣體濃度（氦氣濃度）之另一氣體。因此，例如基於空氣／氦氣部分，質譜儀將供應比例信號，從而利用質譜儀藉由氦氣分壓測量測試氣體進氣口之進氣口凸緣處的總壓力。

連接管路被安排為進入高真空泵之中間氣體進氣口與測試氣體進氣口之間的高真空進氣口管路。如果提供有用於單獨打開與關閉高真空進氣口管路之氣門，連接管路進入氣門與中間氣體進氣口之間的高真空進氣口管路。

藉由連接管路被供應至質譜儀之部分流量將被節流至多於10^-4 毫巴·升／秒（mbar·l/s）之氣體通過量較佳（跨越節流閥之壓力差從1000毫巴至0毫巴）。盡可能在接近來自預真空進氣口管路的連接管路之分支點處完成節流。原則上，這個分支點可位於測試氣體進氣口與預真空泵之出口之間的預真空連接中的隨機點處，因此，如果使用多級預真空泵，這個分支點也可位於泵級之間的預真空連接中的隨機點處。因此，節流閥從預真空進氣口管路至連接管路之分支點的距離小於到具有高真空進氣口管路之連接管路之連接點的距離。較佳地，到具有預真空進氣口管路之分支點的距離為連接管路之總長度的三分之一，以及約為四分之一較佳。在理想情況下，分支點直接地位於預真空進氣口管路之氣流中。因此，節流閥被排列為盡可能接近或者甚至位於分支點內，從而針對氣體之最佳可能交換實現朝向節流閥之最適流動，從而允許快速反應。由於紊流（turbulent flow）的緣故，來自預真空進氣口管路之分支點與節流閥之間的連接管路內的體積區域（volume area）將被較好地沖洗至與導管直徑粗略對應之深度。

節流閥可被設計為網篩或毛細管（capillary）。基於各種直徑，依照通過網篩與毛細管之氣體流量之已知公式，可做出長度與直徑的理想選擇，以及特別地具有25微米之毛細管直徑時，5厘米之長度可達到5×10^-4 mbar l/s之氣體流量，具有1000毫巴至0毫巴之壓力差。當選擇直徑與長度時，必須小心，甚至分別在15毫巴的氣體壓力與相應減少的通過節流閥之流量時，以及在延長的氣體交換時間處，節流閥中獲得通常1秒之足夠短之響應時間。

借助預真空泵開始停泵過程以後，節流閥允許直接地精確測量總壓力之發展。渦輪分子泵之預真空區域中即渦輪分子泵之出口處的體積，係依照以下方式確定尺寸，高真空進氣口管路與預真空進氣口管路中，利用高真空泵與預真空泵之間的真空管路中具有的閉合氣門偵測大量洩漏之作業可保持足夠的時間長度。可能偵測大量洩漏的作業週期將取決於連接管路中穿過節流閥之流量與渦輪分子泵之預真空區域中的容積的比率。由此，連同高真空／渦輪分子泵之預真空側之容許最大總壓力，最不利情況下的大量洩漏作業之最大作業週期為   作業週期 = V· p_v,max / Q   Q:        通過節流閥之流量 V:        預真空區域之體積 p_v,max :   最大的容許預真空壓力

當指定體積時，必須考慮這個應用的典型停泵時間，因為隨著測試氣體進氣口處的壓力降低，通過節流閥之氣體流量Q也將變得更小，因此，期間偵測大量洩漏的最大作業週期將變得更長。為了允許沒有中斷地一個小時完成大量洩漏之偵測，預真空區域中的體積大於10立方厘米（cm³）較佳，以及理想情況為20 cm³。最糟的情況下，即如果測試物體上的洩漏太大，預真空泵無法減少壓力的情況下，將導致V = 20 cm³，p_v,max = 15 mbar以及Q=5·10^-4 mbar l/s，具有600秒的最差的期望作業週期，此後大量洩漏偵測之作業必須被中斷少於10秒以再次泵送渦輪分子泵之預真空體積至最終壓力，於是可再次重新開始大量洩漏之偵測作業。

透過預真空泵進氣口與高真空泵之中間氣體進氣口之間的永久節流閥連接，本發明允許特別快速響應的測量訊號，測量大於15毫巴之工作壓力處的洩漏率，測量具有可重複特徵管路之測試氣體進氣口（進氣口凸緣）處的總壓力，以及無須額外的壓力感測器從1000毫巴準確測量進氣口凸緣處的總壓力。

以下，將首先描述各個代表性實施例之共同技術特徵。實質上，這些共同技術特徵包含一種檢漏系統，具有質譜儀（mass spectrometer）12、高真空泵14、預真空泵16與測試氣體進氣口18。

藉由氣體傳導測量管路20，質譜儀12連接高真空泵14之進氣口22。高真空泵14為渦輪分子泵。採用氣體傳導之方式，高真空泵14之出口24藉由真空管路28連接預真空泵16之進氣口26。真空管路28中提供適合單獨關閉的氣門（valve）V2。藉由高真空泵14與預真空泵16，抽空質譜儀12之測量體積。

採用氣體傳導方式，測試氣體進氣口18藉由預真空進氣口管路30連接預真空泵16之進氣口26，從而利用預真空泵16抽空與測試氣體進氣口18連接之體積（測試腔室或測試物體）。藉由高真空進氣口管路32，測試氣體進氣口18進一步連接高真空泵14之中間氣體進氣口34。

在分支點36處，氣體傳導連接管路38從預真空進氣口管路30分支，以及在進入點40處進入高真空進氣口管路32。依照這種方式，連接管路38直接且永久地連接預真空泵16之進氣口26至高真空泵14之中間氣體進氣口34，無須在連接管路38中提供氣門。

盡可能接近此分支點36，連接管路38包含節流閥42，節流閥42具有跨越節流閥之從1000 mbar至0 mbar之壓力差，允許多於10^-4 mbar·l/s即大約2×10^-4 mbar·l/s之氣體通過量，以及將避免氣體通過量高於上述值。

節流閥42被設計為網篩或毛細管。

節流閥42距離分支點36的距離大約為分支點36與進入點40之間的距離，即連接管路38的長度的十分之一。

預真空進氣口管路30包含單獨可閉合的氣門V1，位於測試氣體進氣口18與分支點36之間。高真空進氣口管路32包含單獨可閉合的氣門V4，位於測試氣體進氣口18與進入點40之間。

在作業中，與測試氣體進氣口18連接的體積（測試腔室體積或測試物體體積）之初始完成的粗抽空期間，氣門V2與V4初始處於閉合狀態，氣門V1處於打開狀態。然後，預真空泵16將藉由測試氣體進氣口18完成抽空。

在藉由測試氣體進氣口18之粗抽空期間，為了能夠無須額外的壓力感測器而測量測試氣體進氣口18上的壓力，部分流量將從預真空進氣口管路30藉由連接管路38被分支，以及藉由高真空泵14之中間氣體進氣口34被供應至質譜儀12。借助節流閥42，部分氣體流量將被充分節流以供質譜儀12評估。借助質譜儀12，將偵測到分支的氣體流量中容納的測試氣體的分壓。通常，氦氣用作測試氣體，其中測量氦氣分壓。根據氦氣分壓，關於質譜儀之進氣口凸緣處的總壓力得到結論。

質譜儀12將被抽空同時氣門V2處於打開狀態以及氣門V1與V4處於閉合狀態。一旦質譜儀12與真空管路28內的預真空區域中的壓力對於質譜儀12之作業充分低（質譜儀12中為1×10^-4 mbar以及真空管路28中＜ 1mbar），則將關閉氣門V2。然後，將在測試氣體進氣口處打開氣門V1，以用於抽空測試物體。一旦測試氣體進氣口18處的總壓力下降到大約15毫巴之充分數值以下，氣門V2將被打開，這樣將開始用於檢漏之質譜分析。總壓力進一步下降至2毫巴以下的數值時，將閉合氣門V1且將打開氣門V4，目的在於實現經典的逆流檢漏作業。

第二代表性實施例與第一代表性實施例不同之處在於高真空泵14之第二中間氣體進氣口44。藉由具有單獨可閉合氣門V3之氣體傳導管路46，第二中間氣體進氣口44連接測試氣體進氣口18。

圖3之第三代表性實施例與圖1之代表性實施例不同之處在於分支點36係排列於多階預真空泵16之泵級16a、16b之間。通常，分支點可位於測試氣體進氣口18與高真空泵14之出口24之間的預真空連接中的任意期望地點。

透過本發明提供之壓力測量，利用質譜檢漏儀，透過抽空期間預真空範圍中仍然處於高壓期間已有的質譜分壓分析，能夠測量測試氣體進氣口的壓力，無須用於這個目的的額外的壓力感測器。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

12‧‧‧質譜儀
14‧‧‧高真空泵
16‧‧‧預真空泵
16a、16b‧‧‧泵級
18‧‧‧測試氣體進氣口
20‧‧‧氣體傳導測量管路
22‧‧‧進氣口
24‧‧‧出口
26‧‧‧進氣口
28‧‧‧真空管路
30‧‧‧預真空進氣口管路
32‧‧‧高真空進氣口管路
34‧‧‧中間氣體進氣口
36‧‧‧分支點
38‧‧‧連接管路
40‧‧‧進入點
42‧‧‧節流閥
44‧‧‧第二中間氣體進氣口
46‧‧‧氣體傳導管路
V1、V2、V3、V4‧‧‧氣門

圖1表示第一代表性實施例。 圖2表示第二代表性實施例。 圖3表示第三代表性實施例。

12‧‧‧質譜儀

14‧‧‧高真空泵

16‧‧‧預真空泵

18‧‧‧測試氣體進氣口

20‧‧‧氣體傳導測量管路

22‧‧‧進氣口

24‧‧‧出口

26‧‧‧進氣口

28‧‧‧真空管路

30‧‧‧預真空進氣口管路

32‧‧‧高真空進氣口管路

34‧‧‧中間氣體進氣口

36‧‧‧分支點

38‧‧‧連接管路

40‧‧‧進入點

42‧‧‧節流閥

V1、V2、V4‧‧‧氣門

Claims (9)

1. 一種質譜檢漏儀之測試氣體進氣口處之壓力測量裝置，其中一質譜儀連接一高真空泵之一進氣口，該高真空泵之一出口連接一預真空泵之一進氣口，以及其中該預真空泵之該進氣口連接該測試氣體進氣口，其中藉由包含一液體節流閥之一連接管路，該預真空泵之該進氣口與該高真空泵之至少一個中間氣體進氣口彼此連接。
2. 如請求項1所述之質譜檢漏儀之測試氣體進氣口處之壓力測量裝置，其中該液體節流閥具有10^-5 mbar· l/s至10^-3 mbar· l/s範圍之氣體通過量，在該液體節流閥處存在大約1000毫巴之壓力差。
3. 如請求項1所述之質譜檢漏儀之測試氣體進氣口處之壓力測量裝置，其中從該液體節流閥至該連接管路之一真空泵側開始處的距離少於從該液體節流閥至該連接管路之一高真空泵側結束處的距離。
4. 如請求項1所述之質譜檢漏儀之測試氣體進氣口處之壓力測量裝置，其中該液體節流閥被設計為一孔口（orifice）或一毛細管。
5. 如請求項1所述之質譜檢漏儀之測試氣體進氣口處之壓力測量裝置，其中與該預真空泵之該進氣口連接的該連接管路之進氣口被阻擋。
6. 一種質譜檢漏儀之測試氣體進氣口處之壓力測量方法，其中一質譜儀連接一高真空泵之一進氣口，該高真空泵之一出口連接一預真空泵之一進氣口，其中該預真空泵之該進氣口連接該測試氣體進氣口，其中從該測試氣體進氣口至該預真空泵的氣體流量，其中部分流量被分支、被節流且被供應至該高真空泵之至少一個中間氣體進氣口，藉由該質譜儀透過測量分支的該部分流量中的測試氣體分壓，判定該測試氣體進氣口處的壓力。
7. 如請求項6所述之質譜檢漏儀之測試氣體進氣口處之壓力測量方法，其中該部分流量被節流至10^-5 至10^-3 mbar· ·l/s之範圍的一最大值，具有大約1000毫巴之壓力差。
8. 如請求項6或7所述之質譜檢漏儀之測試氣體進氣口處之壓力測量方法，其中節流該部分流量之位置被排列為比該高真空泵之該至少一個中間氣體進氣口更接近該預真空泵之該進氣口。
9. 如請求項6所述之質譜檢漏儀之測試氣體進氣口處之壓力測量方法，其中被分支的該部分流量被阻擋。