TWI618922B - 用於利用測量單元裝置測量真空壓力的方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種測量單元總成(100)，其包含電容性隔膜壓力測量單元(20)，以供利用隔膜(2)作為壓力傳感器進行真空壓力的測量，該測量單元總成(100)具有印刷電路板(10)，其係相對於隔膜壓力測量單元(20)對立設置，使得作用成溫度感測器的組件經由傳熱區(13)與第一殼體熱接觸，並且將另外的電子組件設計成包含數位信號處理器(DSP)的微晶片，數位信號處理器具有根據時間測量法運作的溫度對數位轉換器(TDC)和電容對數位轉換器(CDC)，其與配置在印刷電路板上的溫度用參考電阻器(Rref)和電容用(Cx)參考電容器(Cref)比較，判斷隔膜壓力測量單元(20)的溫度(Tx)與電容(Cx)，此參考電阻器(Rref)與參考電容器(Cref)取決於隔膜(2)的變形而形成對於待測壓力的測量，其中，由已在校準程序前予以判斷具有相關性的兩個測量信號，推導溫度校正壓力信號(temperature-corrected pressure signal)，其係於信號輸出(16)予以輸出為壓力信號p=f(Cx,Teff)以供進一步處理。藉此，能以高測量精確度進行快速壓力測量。

Description

用於利用測量單元裝置測量真空壓力的方法及裝置
本發明係關於一種如請求項1之前言，利用測量單元裝置進行壓力測量的方法，並且係關於用於達成請求項18所述的裝置。
已知藉由對薄隔膜加壓以測量壓力或壓差並且測量其因壓差所造成的彎曲。用於測量此類隔膜撓曲的已知且適用方法在於隔膜裝置係設計成可變電容，其中電容變化係利用已知方式經由測量電子裝置予以評估，電容變化與壓力變化互相關聯。電容係藉由以小距離設置於本體另一面對側的薄型、可撓式隔膜表面予以形成，兩對立面係設計成具有導電性。若隔膜及本體係由非導電、介電材料所製成，則表面將以例如電容器電極所藉以形成的電性塗料予以塗佈。隔膜及/或本體本身也可由導電材料所製成，在此種情況下，表面再次形成電容器電極。在施壓於隔膜時，兩個電極之間的距離因撓曲而變化，導致裝置電容變化可評估。例如，此類感測器係予以大量生產並且係由矽所製成。扁平的基本本 體以及隔膜通常全由矽材料組成。也有具結合材料組合的版本，例如具有玻璃支持物的矽。從而可用不昂貴的方式生產感測器。此類壓力感測器大體上僅可用於範圍從大約10-1毫巴(mbar)至若干巴(bar)的較高壓力範圍。 矽在低於約10-1毫巴的壓力下不再能完成高分辨率。就真空中的一般應用而言，此類感測器並不適用。對於真空中的壓力測量，通常是在大氣壓與10-6毫巴之間進行測量，俾令各個真空處理得以受到控制。此類測量需要高敏感度搭配真空壓力測量的高分辨率及再現性，對此，僅特殊設計的測量單元有能力做到，其完全偏離高壓力單元的設計。
對於真空壓力測量，電容性隔膜壓力測量單 元尤其適用，其係由諸如Al2O3之類的抗蝕性材料所製成。在EP 1 070 239 B1中(其形成本申請案的一部分)，所述的是一種電容性真空測量單元，其係實質完全由陶瓷構成，並且從而在很大程度上係抗蝕。若要以高精確度測量非常低達10-6毫巴的壓力，使用的是例如厚度小於250微米之非常薄陶瓷隔膜，其係配置成無應力並且在陶瓷罩體中對稱。電容器電極間的距離或隔膜表面離殼體表面的距離在此情況下較佳範圍是2至50微米。此類隔膜壓力測量單元的直徑範圍較佳是5至80釐米。從而藉由此類隔膜壓力測量單元所形成並且測量的電容係落在10pF(微微法拉)至32pF的範圍內。測量到的電容在這裡係當作待測壓力的度量。對於壓力相依的隔膜彎曲，此電容量因而改變，以致可偵測到施加於隔膜的壓 力。電容測量必須非常精密，並且對於這些小電容值而言並不容易。按照本領域技術的發展狀況來看，易有小缺陷的電容量通常係利用三角積分電容對數位轉換器(CDC)予以數位化。必要的電子裝置係配置在隔膜壓力單元後的小印刷電路板上，並且係經由線路予以連接至測量單元的電容器電極。接著，在包含微處理器並且配置在另一印刷電路板上另外的電子裝置中，處理並且校準數位化信號。因此，此一測量真空用測量單元裝置包含電容性壓力測量單元及附接於測量單元的電子裝置以供信號處理。此測量單元裝置係以常見方式予以連接至包含待測氣態媒介的待測真空組件，如真空容器或真空線路。
小電容的測量係廣泛用於讀取感測器的測量值。然而，此類小電容的精密測量並不非常容易。
在Baxter所著的論著(Larry K.Baxter,Capacitive Sensors,IEEE Press,NJ 1997)中，介紹各種可能的電路概念。這些電路主要係經設計而得到所測量變數呈高度線性關係的結果，以致所測量信號可用類似方式予以直接進一步處理。
此些電路設計的原理到目前都未曾改變，僅整合可能性已產生若干有趣的互補解決方案。例如，具有其CDC數量積體電路的類比裝置已與三角積分轉換器結合電荷平衡並且予以開發成功能非常強大的微晶片，如稱為AD7745的微晶片。此整合性解決方案很大的優點在於可能進一步減少溫度補償的問題並且更能保護晶 片封裝內的大多數關鍵元件。
測量電容另外可能測量電容器的充電時間， 這在理論上較易於實施。另外，待測電容器通常係藉由例如流經定電流源或流經充電電阻器的電流予以充電。 充電所需的電壓、電流及時間係經過測量並且用於判斷電容。對於小電容而言，問題起因於測量非常小的電流及非常短暫的測量時間。
也可在根據惠司同(Wheatstone)的橋接電路 內測量電容。對此的一個已知實施例是以二極體陣列當作整流器的測量電路。在此種電路設計中，使用的是振幅穩定化弦波源。例如，這可為振幅穩定化維也納(Vienna)振盪器。另外，在此種情況下，可考量整流器的較大溫度係數。此一電路設計導致電路複雜。
電容性隔膜壓力測量單元係針對精確的壓力 判斷而用於真空處理。此類真空處理包含各種方法，舉例如塗佈處理、蝕刻處理、工件熱處理等。這些處理通常係協同需在處理時主動作為反應氣體或惰性氣體兩者的支援氣體進行作業。另外，所述氣體係經由壓力或流動控制系統予以饋送至真空系統。在此種情況下，電容性壓力隔膜測量單元係作用成控制系統用的壓力感測器。對於精密處理控制而言，隔膜壓力測量單元有必要儘可能測量精密但又測量特別地快速。
此類隔膜壓力測量單元的另一重要應用也在 於校準不同類型的高真空壓力測量單元，舉例如皮冉尼(Pirani)、潘寧(Penning)型隔膜壓力測量單元等。在此種 情況下，隔膜壓力測量單元可當作參考壓力測量單元，用於例如藉由比較測量結果與待校準測量單元對應。一重要已知方法亦已變成已知為靜態展開法，其在論著"Wutz,Handbuch Vakkuumtechnik"(10th edition,Karl Jousten(Ed.),Vieweg+Teubner,Wiesbaden 2010,ISBN 978-3-8348-0695-6)中有更詳細的說明。
在應用電容性隔膜壓力測量單元作為校準裝 置中的參考壓力測量單元時，高測量速度尤其重要，除了用以擷取實際目前壓力值的測量精密度，還有出現可能壓力變化時的高精確度。溫度在參考壓力測量單元之測量精確度上的效應具有重要性並且必須儘可能控制良好。
目前已知的隔膜壓力測量單元裝置就此而言 動作慢，並且其測量時間大於8毫秒或甚至大於30毫秒。還有，所測量值0.15%至0.4%可達測量精確度通常不夠，尤其是對於5至220℃的較大溫度範圍而言。隔膜壓力測量單元的待測測量範圍或最大可測量待測電容對於測量電子裝置用已知微晶片的使用有其限制(例如，對於AD7745為21微微法拉(PF))。此限制製造範圍或大幅降低相應良率，從而提高製造成本。
因此，本發明的一個目的在於消除先前技術的缺點。尤甚者，本發明提供用以顯著提升隔膜測量單元裝置測量速度的工作。測量精密度與再現性以及測量單元的穩定度有待進一步改良，這與隔膜壓力測量單元 裝置的溫度行為尤其有關。另外，測量單元裝置有將可節約生產。
根據本發明，此問題係藉由請求項1所述利 用測量單元裝置進行真空壓力測量的方法以及藉由請求項18所述的測量單元裝置予以解決。附屬項係關於本發明有利的進一步具體實施例。
利用測量單元裝置進行真空壓力測量的發明 方法包含以隔膜作為壓力傳感器用於測量真空的電容性隔膜壓力測量單元，其中，在隔膜之一側且隔開的位置，第一殼體係配置在利用連接手段予以密封的邊緣區中，使得參考真空室係形成於其之間，並且，在隔膜的另一側且隔開的位置，第二殼體係配置在以連接手段予以密封的邊緣區中，使得測量真空室係形成於其之間，以及，第二殼體具有開口，以連接手段予以密封的延展手段係設置於開口以便測量真空室與待測媒體連通，其中隔膜在參考真空室內之至少表面的至少一部分和第一殼體(1)在對側的至少表面的至少一部分各自呈導電性並且形成電容器電極以形成電容(Cx)，並且測量單元裝置包含印刷電路板(10)，該印刷電路板具備電子組件並且所述電子組件之至少一者係作用成溫度感測器，其中印刷電路板係電連接至隔膜壓力測量單元的電容器電極，其中印刷電路板係配置成與隔膜壓力測量單元相對，使得作用成溫度感測器的組件經由傳熱區與第一殼體熱接觸，並且將另外的電子組件設計成微晶片，該微晶片包含數位信號處理器(DSP)，該數位信號處理器具有根據時間測量 法運作的溫度對數位轉換器(TDC)與電容對數位轉換器(CDC)，時間測量法對照溫度用之該印刷電路板上所配置之電阻器(Rref)和電容(Cx)用之參考電容器(Cref)，判斷隔膜壓力測量單元的溫度(Tx)與電容(Cx)，其取決於隔膜的變形而形成對待測壓力的測量，其中溫度校正壓力信號係導自具有相關性手段的兩個測量信號，其係已在校準程序前予以判斷，溫度校正壓力信號係於信號輸出(16)予以輸出作為供進一步處理的壓力信號P=f(Cx,Teff)。
可將所判斷的溫度校正用校準值及/或壓力 信號儲存成記憶體中的表格或儲存成數學函數Teff=f(Tx)及/或Peff=f(Cx)。數學函數的使用尤其對於壓力信號是較佳的。尤其有利的是這兩者數學函數都使用，即溫度校正用以及壓力信號判斷用的數值。對於判斷實際壓力信號用的校準程序而言，所計算溫度偏差的校正值係另外疊加在壓力信號上，使得其係經由所測量壓力與相應溫度範圍予以校正，其中隔膜壓力測量單元係予以曝露。校準係針對每一個測量單元進行，並且溫度校正用的判斷值及所調整壓力信號係予以儲存在隔膜壓力測量單元相關電子裝置的記憶體內。這些電子裝置係直接安裝在隔膜壓力測量單元後方並且係設置於印刷電路板上。在此印刷電路板上，微晶片係針對包括電容測量的整體信號處理予以提供。另外，參考電容器(Cref)係配置於其上並且係連接至微晶片用於測量電容，以及參考電阻器(Rref)係經配置並且連接至微晶片用於溫度測量。可提供單獨的溫度感測器用於測量隔膜壓力測量單元的溫 度。接著對此進行配置，使得其熱接觸隔膜壓力測量單元。然而，當此係未用到溫度感測器，以及微晶片另外加上其其它功能係當作溫度感測器，並且係與隔膜壓力測量單元接觸而予以安置時，尤其有利。這容許特別精密的溫度測量。
隔膜及第一殼體可由金屬之類的導電材料予 以完全製成或部分製成。然而，明顯較佳的是，其係由介電材料予以至少部分製造，較佳的是完全製造。另外，鋁氧化物的使用尤其適用。在此種情況下，電極係作為第一殼體對立面及隔膜表面上的導電層。在這裡，若第二殼體也由如同第一殼體的材料製成，並且都呈例如碟狀的平板狀，則同樣有利。隔膜壓力測量單元應該予以儘可能地設置成對稱。
利用此一用於測量真空壓力的方法，如今可 達到快很多的響應時間與週期時間，其低於8毫秒，並且甚至可達微秒(μs)。
可測量到的電容範圍顯著擴展，並且如今範 圍係由0.1pF至50pF或甚至由0.1pF至1000pF(1奈法拉(nF))或甚至更大。
可改進溫度補償的改良及線性化，使得跨佈 如-40℃至450℃之類寬廣溫度範圍的誤差也可能低於0.1% FS(全刻度)。
所用測量單元裝置的要求就實際應用以及壓 力與溫度有關處理而言，據此亦得以相當程度地予以簡化。
真空壓力的快速測量在許多壓力測量應用中 非常有利，並且允許精密壓力測量方法指導原則。
例如，測量單元裝置可予以有利地當作參考 測量裝置，用於校準真空測量單元，尤其是按照靜態展開的方法。藉此，重要的是，若可能，可與校準程序同時進行待比較壓力數值的測量，藉以得到更高的校準精確度。
尤其重要的應用是真空處理系統中壓力的測 量。在那裡，壓力測量單元係用於程序監控，但還是在壓力控制系統內。對於壓力控制系統，為了在處理時得到精確結果，處理壓力的快速壓力測量非常重要。典型的處理為塗佈處理、蝕刻、熱真空處理等。此外，另一方面必須測量真空的總壓力，並且另外使用或施加適當的處理氣體，其係在對應的處理導引予以使用。除了氬氣之類的惰性氣體外，反應氣體通常也用於此類將於製程中實施的處理。這尤其是在電漿處理中，但也在CVD處理(Chemical Vapor Deposition)及其它處理中。在這裡，所含括的反應氣體某種程度是要在例如塗層等最終產物中予以消耗並且甚至合併。根據本發明對利用壓力測量單元所含括氣體進行氣體壓力的快速測量，如今可實現氣體控制系統供真空處理用，其允許實質得到更精密的結果，例如，所沉積層件更精密的組成，或更精密的蝕刻結構。同時，可減少氣體浪費，例如，可節省成本。尤其重要的是在半導體業的應用。
1‧‧‧第一殼體
2‧‧‧隔膜
3‧‧‧連接手段
3’‧‧‧連接手段
4‧‧‧第二殼體
5‧‧‧連接手段
6‧‧‧端子
6’‧‧‧端子
7‧‧‧電容器電極
7’‧‧‧電容器電極
8‧‧‧吸氣室
8’‧‧‧吸氣器
10‧‧‧印刷電路板
12‧‧‧微晶片
13‧‧‧傳熱區
14‧‧‧溫度感測器
15‧‧‧開口
16‧‧‧信號輸出
16’‧‧‧信號輸出
17‧‧‧現有界面
17’‧‧‧現有界面
18‧‧‧界面
19‧‧‧界面
20‧‧‧測量單元裝置
20’‧‧‧測量單元裝置
25‧‧‧參考真空室
26‧‧‧測量真空室
27‧‧‧開口
27’‧‧‧測量引線
30‧‧‧真空室
31‧‧‧真空室
32‧‧‧真空泵
33‧‧‧第一線路
34‧‧‧面板
35‧‧‧第一閥件
36‧‧‧閥件
37‧‧‧線路
40‧‧‧測量單元樣本
41‧‧‧測量單元樣本
100‧‧‧測量單元總成
200‧‧‧信號處理單元
300‧‧‧資料處理
現在將參照圖示藉由實施例概要描述本發明。
在圖示中：第1圖根據本發明，概要地並且以截面圖的方式描述信號處理用具有電容性隔膜壓力測量單元並且具有電子電路裝置的測量單元裝置，第2a圖概要地並且以截面圖的方式藉由上有配置重要電子組件之印刷電路板的裝置詳述電容性隔膜壓力測量單元，該裝置設置有外部溫度感測器，其熱接觸隔膜壓力測量單元，第2b圖概要地並且以截面圖的方式根據第2a圖詳述電容性隔膜壓力測量單元，其中作為溫度感測器的微晶片係設置在印刷電路板上，其設置方式使得參考電容器熱接觸隔膜壓力測量單元，以及其中參考電容器係配置於印刷電路板的下側，第2c圖 概要地並且以截面圖的方式根據第2a圖詳述電容性隔膜壓力測量單元，其中作為溫度感測器的微晶片係設置在印刷電路板上，其設置方式使得參考電容器熱接觸隔膜壓力測量單元，以及其中參考電容器係配置於印刷電路板的上側，第3圖概要描述例如具同步化作業之信號處理用之兩個測量單元裝置的接線概念，第4圖概要描述按照靜態展開的方法用於壓力判斷或校準的應用中，根據第3圖具有信號處理之兩個測量單元的操作概念。
第1圖概要表示的是根據本發明真空壓力快速測量用測量單元裝置100的基本結構，其測量使高測量速度成為可能。
測量單元裝置100包含電容性隔膜壓力測量單元20，具有所有必要電子組件12、14用於處理測量單元裝置100壓力信號，與之對照，其係呈特定組態配置，從而允許於界面16以高測量速度提供精確、正確的壓力信號。測量單元裝置100係設置於罩體中，並且構成可用已知方式符合真空線路及真空室的組件，用於在真空處理時測量真空壓力或氣體壓力。如今對應於實際待測壓力，高度精確的調節壓力信號，係例如經由做成界面I/F的插接件予以在界面16擷取。接著，此信號可被例如信號處理單元200予以供應，其根據進一步處理程序將此信號轉換成更期望的可處理形式，舉例如第3圖所示。最後可將此進一步處理過的信號供應予用於資料處理300的上層電腦系統。
信號處理單元200充許非同步作業，亦即測量單元供應資料至其本身的時間與速度，進行資料處理，使得其具有由即時時脈所產生的時間戳記(time stamp)。平行抵達的資料係藉由信號處理單元予以製成適當的資料檔案格式，以便將其循序送予可儲存並且分析資料的資料處理300。對於同步作業，測量單元裝置係藉由信號處理單元200予以觸發，以至於可同時進行資料收集。另外，信號處理單元負責對電腦的適當資料 轉送，可於電腦進行對資料的儲存以及分析或評估。
重要的是，隔膜測量單元裝置100的電子組 件12、14係儘可能地靠近隔膜壓力測量單元20予以設置，較佳的是直接置於其後方，亦即與測量開口27相對。短連接路徑充許接至電子裝置之引線具有低寄生電容，並且允許與隔膜壓力測量單元20的罩體1、4熱耦接。藉此，可能以所測量高分辨率評估電容性隔膜壓力測量單元20的非常小電容Cx及電容變化，熱耦接允許為了進一步校正動作而擷取裝置的溫度行為，但也確保所含括並且具有測量單元之組件同時追蹤溫度。
為達此目的，至少將所有的主動式組件都配 置在單一小型印刷電路板10上，其係緊鄰於或較佳地位於隔膜壓力測量單元後方予以設置。印刷電路板具有將隔膜壓力測量單元20之電容器電極7、7’連接至印刷電路板10上之微晶片12的端子6、6'。可將溫度感測器14設置於印刷電路板10上，用於擷取隔膜壓力測量單元20的溫度。鉑電阻器特別適用於此類溫度感測器14，類型舉例如Pt1000或Pt100。在此種情況下，溫度感測器14係配置於印刷電路板10，使得其碰觸隔膜壓力測量單元20，以及傳熱區13係為了良好傳熱而予以形成。 也可在傳熱區的這個區域中配置另外的導熱手段，如熱油脂、矽膠墊等。然而，微晶片12本身而非外部溫度感測器14，較佳係用於溫度擷取，接著，直接配置與隔膜壓力測量單元20接觸用於溫度測量的微晶片12。在此種情況下，不需要在印刷電路板10上具有連接線路的外 部溫度感測器14，原因是微晶片12內的溫敏式組件(temperature sensitive component)藉由對應程式化儲存在微晶片上的軟體承擔這項工作。結果是，可進一步提升溫度測量的精密度，從而還有所校正的壓力信號。另外，得以進一步簡化裝置。
微晶片12包含CDC(電容對數位轉換器)，其 根據放電時間測量法測量隔膜壓力測量單元20的壓力相依性電容Cx，並且其精密轉換成數位信號，用於在微晶片12內進一步處理。再者，微晶片12包含TDC(溫度對數位轉換器)，其將測量於隔膜壓力測量單元20的溫度Tx轉換成數位信號，用於在微晶片12內進一步處理，經由外部溫度感測器14或較佳係經由當作溫度感測器的微晶片12本身進行溫度擷取。微晶片上有DSP(數位信號處理器)以及作為資料記憶體的記憶體。DSP根據預定程式處理測量到的溫度信號及電容信號，藉以根據先前判斷的校準資料並且利用另外的校正演算法處理這些信號以取得精密的壓力信號。除了電容測量其調整主要由自身完成的調整校正之外，每一個單一隔膜壓力測量單元20根據校準程序中所判斷的特定值還具有疊加校正，兩者係用於溫度以及用於所測量的壓力相依性電容。操作DSP用的軟體以及隔膜壓力測量單元20的校準資料係儲存在記憶體內。其經由輸入-輸出界面I/O與外部連通。重要的是，這些元件係整合配置在單一微晶片12上。另外，參考電阻器Rref及參考電容器Cref係配置在印刷電路板12上，此參考電阻器Rref及參考電容器 Cref係儘可能直接連接至微晶片，並且係在微晶片12上用於判斷隔膜壓力測量單元20的溫度值及電容值。這兩個組件必須具有高品質，並且必須具有非常精確的數值，以及無法整合在微晶片12本身上。也必須將其仔細地安裝在印刷電路板上，用以確保良好的長期穩定度，此特別對於參考電容器Cref尤其重要。顧及測量單元裝置100，尤其是電容性隔膜壓力測量單元20，複雜的溫度行為，可利用其得到期望的快速測量週期，從而對待同時測量的寬廣壓力範圍允許精密的壓力信號，此壓力信號與待測真空壓力對等精密地互相關聯。
在第2a至2c圖中，稍微更詳細地以截面圖 的方式概要表示簡化的較佳隔膜壓力測量單元20，所示的是印刷電路板具有電子組件的不同裝置。
較佳電容性隔膜壓力測量單元20係予以實 質完全且對稱地建構於隔膜附近。第一殼體1較佳是予以做成平板狀，並且予以密封結合於距離隔膜2邊緣區域2微米(μm)至50微米處。從而形成的空間包括參考真空室25。兩表面之間的距離通常是在安裝於密封材料3上或沿一或兩者本體上之步階狀邊緣安裝時予以直接使用，其邊緣係介於隔膜的邊緣與罩體的邊緣之間。依照相同方式，測量真空室26係經形成而在隔膜的對側具有第二殼體4，此測量真空室26可經由第二殼體4內的測量開口27藉由連接手段5、27予以存取以用於待測媒體。可將連接手段做成具有連接管(pipe or tube)的噴嘴5，其形成測量引線27'，並且係密封性連接至具有第二 殼體4的連接手段。這兩個殼體1、4及隔膜2較佳係由Al2O3予以製成。為了維持參考真空空間25內高品質真空的長期穩定度，係在第一罩體部件1上配置吸氣室8，此吸氣室8包含吸氣器8'並且與參考真空室25連通。
對於外徑為38釐米(mm)，例如自由隔膜內 徑為30釐米的一般隔膜壓力測量單元20，距離3大約是2到50微米，較佳是8至37微米。藉此，舉例而言，第一殼體1為5釐米厚，以及第二殼體4為5釐米厚。 第二殼體4較佳的是設有0.5釐米深的凹部，用於在周圍內部區中形成步階以擴大測量真空室26。位於參考真空室此側的隔膜2及罩體1各利用導電層7、7'塗佈以形成電容性隔膜壓力測量單元20。這兩層係不為彼此電連接，藉以形成具有電容Cx之電容器裝置的電容器電極7、7'。導電層7、7'的電連接較佳係利用真空密封的導電輸入點予以實行，較佳係穿過殼體1，其可在那裡予以連接至評估電子裝置，尤其是連接至印刷電路板10上的微晶片12。
在第2a圖中，表示的是測量單元裝置100， 舉例而言，外部溫度感測器14對其係當作單一組件，用於擷取隔膜壓力測量單元20的溫度。此外，溫度感測器14係設置在印刷電路板下面，並且與隔膜壓力測量單元20接觸。傳熱區13係位於接觸區中，在那裡發生直接傳熱。若溫度感測器14係靠近微晶片12而安置，較佳係與其相對，則是有利的。在此，舉例而言，溫度感測器14係安置於印刷電路板10的下方並且微晶片12在上 方。
第2a圖另外表示參考電容器Cref係儘可能地 靠近微晶片12予以放置。為了儘可能地保持此參考電容器Cref電容值的穩定性及再現性，甚至是用於長時間操作，故在此組件下方兩個連接件之間有利地設置位於印刷電路板12的開口15。藉此，可降低沉積及任何濕度變異，這可對高靈敏度裝置造成負面影響。此安裝裝置係示於第2a至2c圖中，參考電容器Cref係配置在印刷電路板12的頂側(top side)，如第2a及2c圖所示，以及按照第2b圖則是在底側。
微晶片12本身同時作用成溫度感測器的另 一裝置係示於第2b及2c圖中。在此種情況下，微晶片12係配置在印刷電路板10的下側，並且與隔膜壓力測量單元20直接熱接觸。如已提到的，這由於提供特別良好的結果而為較佳應用。
精密且快速真空壓力測量用特別較佳程序的 實施例包含測量單元裝置100，測量單元裝置100包含以隔膜2作為壓力轉換器之真空測量用電容性隔膜壓力測量單元20，於隔膜2之一側，第一殼體1與之相隔係密封性配置於具有連接手段3'的邊緣區，使得參考真空室25係形成於其之間，並且在與隔膜2另一側相隔處，第二殼體4係予以密封性配置在具有連接手段3的邊緣區中，使得測量真空室26係形成於其之間，以及第二殼體4包含開口27，具有連接手段27'的連接手段5係密封性配置於開口27，用於連通連接測量真空室26與待 測媒體，參考真空室25內的隔膜2之至少表面之至少部分及與之對立之第一殼體1之至少表面之至少一部分各自係經設計而導電，並且形成電容器電極7、7'以形成電容器(Cx)，以及測量單元裝置100包含印刷電路板10，其具備電子組件12、14、Rref、Cref，並且其至少一者作用成溫度感測器，印刷電路板10係電連接至隔膜壓力測量單元20的電容器電極7,7'。藉此，印刷電路板10係經配置而與隔膜壓力測量單元20相對，使得作用成溫度感測器的組件經由傳熱區13熱接觸第一殼體，以及另一電子組件係設計成微晶片12，其包含具有溫度對數位轉換器(TDC)與電容對數位轉換器(CDC)且根據時間測量法工作的數位信號處理器(DSP)，其對照印刷電路板上所配置溫度用的參考電阻器Rref與電容器Cx用的參考電容器Cref而判斷隔膜壓力測量單元20的溫度Tx與電容Cx，此參考電阻器Rref與參考電容器Cref係待測壓力的量值，取決於隔膜2之變形，這兩個測量信號的溫度校正壓力信號係由相關性手段所推導，已在校準程序前先判斷這兩個測量信號，於信號輸出16將此壓力信號輸出成壓力信號p=f(Cx,Teff)以供進一步處理。
就針對每一個隔膜壓力測量單元20藉由校準所判斷數值的評估而言，可使用下列組合：針對溫度校正藉由校準所判斷的數值及壓力信號可予以儲存成微晶片12內記憶體中的表格。
針對溫度校正藉由校準所判斷的數值以及壓力信號也可予以儲存成微晶片(12)內記憶體中的數學函 數Teff=f(Tx)與Peff=f(Cx)。
針對溫度校正藉由校準所判斷的數值也可予 以儲存成微晶片12內記憶體中的表格，並且針對壓力信號藉由校準所判斷的數值可予以儲存成微晶片12內記憶體中的數學函數Peff=f(Cx)。
針對壓力信號藉由校準所判斷的數值可予以 儲存成微晶片(12)內記憶體中的表格，以及針對溫度校正藉由校準所判斷的數值可予以儲存成微晶片(12)內記憶體中的數學函數Teff=f(Tx)。
來自隔膜壓力測量單元20之電容Cx的壓力 信號、利用電容對數位轉換器(CDC)予以測量的電容Cx、以及利用溫度對數位轉換器(TDC)予以測量的溫度Tx，搭配微晶片12內的相關性手段，係與數位信號處理器(DSP)結合，並且於信號輸出16予以輸出作為壓力值。
對於每一個隔膜壓力測量單元(20)，校準值 係分別針對所測量溫度值之校正及針對壓力信號之判斷而予以判斷，並且係予以寫入微晶片12的記憶體。
微晶片12中的測量週期係予以設定為小於8 毫秒(ms)，較佳係小於1毫秒。
電容性隔膜壓力單元20之電容Cx處之測量 壓力信號及/或溫度Tx信號的信號品質可有利地藉由以另外的演算法處理這些信號而予以進一步改善。特別有利的是，信號雜訊係在此種情況下予以處理。為了降低信號雜訊，許多個別測量係予以在一個測量週期內進行，舉例而言，並且係用於判斷平均數。平均數係藉由 DSP予以計算。除了平均化，還可使用其它用於降低雜訊的方法。由此平均數，DSP藉由適用的計算以計算有效壓力值。此計算規則說明所測量電容值Cx與對應壓力值之間的關係。此關係如前所述也具有溫度相依性。對於最精確的壓力測量，必須測量並且考慮感測器溫度以校正測量到的壓力信號。
溫度測量的完成係舉例藉助於適當的溫敏式 感測器，如Pt1000電阻器或另一種電阻器。藉此，將微晶片12的內部組件特別較佳地當作溫度感測器。將測量自溫度感測器14或來自微晶片12的溫度信號由溫度對數位轉換器(TDC)轉換成數位信號。溫度較佳的是在與電容相同的測量周期中予以測量。由於溫度的變化不像壓力那麼快，溫度信號的處理更耗成本，如較佳及重度濾波。
此一濾波器的形式舉例如下：R_filtered(n+1)=k*(R_filtered(n)+(1-k)*Rx。
其中k=0.99，可將雜訊信號降至例如小於10ppm(對應於0.001℃)，而響應時間針對1毫秒的測量時間甚至保持低於1秒。
也可使用另一種有利的濾波器。濾波係根據預定演算法藉由DSP予以進行。DSP使用計算規則由此已濾波的溫度計算有效溫度。
所使用Pt1000溫度感測器的關係式舉例如下： (1)T_calculated[℃]=a3*R3+a2*R2+a1*R+a0
其中T_calculated為計算自測量值的溫度，R為被測量且被濾波的電阻，以及係數：a3=0.719405
a2=7.542922
a1=238.616231
a0=-246.878394
未經處理資料的測量(校準的第1步驟)使用上述參數，亦即針對三個不同溫度T_actual(例如15℃、30℃及45℃)判斷T_calculated。
藉由適用的數學擬合法(曲線擬合)，如最小平方擬合法，一階或更高階的校正函數係予以判斷自所計算的溫度值(T_calculated[℃]及實際溫度)。此說明實際與所測量溫度之間的關聯性。在使用三個不同校準溫度時，係以如下形式取得校正函數：(2)T_actual=k1*T_calculated+k0，其中T_acutal：所需溫度[℃]
k1：最小平方擬合1階的結果
k0最小平方擬合1階的結果
k1對應於測量裝置的「增益(Gain)」相關(resp.)位增益誤差
k0對應於測量裝置的「位移(Offset)」相關位移誤差
將第(1)式代入第(2)式得到：T_actual=b3*R3+b2*R2+b1*R+b0，其中b3=a3 * k1
b2=a2 * k1
b1=a1 * k1
b0=a0 * k1+k0
在最後步驟中，數值a3...a0係以數值b3...b0予以取代並且儲存在感測器上。
類似地，可將信號濾波演算法用來改善壓力測量信號的信號品質。所測量壓力信號及/或溫度信號係藉由具有數位信號處理器(DSP)之微晶片12內的至少一另外的演算法予以處理，用於提升所測量信號品質而與壓力信號互相關聯，以便提升壓力信號品質，其係予以輸出於信號輸出16，較佳的是演算法至少一者係設計成信號濾波演算法。濾波後的溫度信號因此係與濾波後的壓力測量信號互相關聯並且予以校正。據此，除了另外的校正，測量單元裝置100輸出16處的壓力信號還按照精密度具有進一步提升的品質。
由於測量單元裝置100中組件的裝置加上微晶片12的所界定結構根據本發明使信號處理更快速，此類演算法多虧本創新方法也可另外予以實現。
隨著已如以上舉例所述，用於降低信號雜訊的演算法特別有利。例如，由於資料係予以平均化或僅僅予以濾波，信號雜訊降低提供更穩定的信號輸出。甚至允許於低信號對雜訊比或者甚至在S/N<1時取得有用的測量值，從而延伸測量範圍。
待濾波的不僅是溫度信號，有利地還有電容-壓力信號。若測量單元裝置100連同微晶片12的所界定架構允許，快速信號處理現在能使濾波更精細，以及附 隨能夠擴大測量範圍或更好的資料品質，甚至在感測器伴隨更多多餘干擾的工業環境裡亦然。
在第3圖中，概要描述的是兩個測量單元裝 置100的電路，用於信號處理，搭配例如可能藉由真空處理時實際壓力條件的快速擷取，同時、同步進行壓力測量的擷取操作。在此種情況下，測量單元裝置100係當作真空測量單元之測量裝置校準用的參考，尤其是根據按照靜態展開的方法。藉由信號輸出16、16'將兩個測量單元裝置100的壓力信號供應至信號處理單元200。 此經由現有界面17、17'接收壓力信號並且將利用FPGA(可規劃邏輯閘陣列)予以處理，其係藉由即時時脈予以控時，以及具有後續的處理器並且經由界面18予以前送。資料處理300用單元可利用界面19與其連接，以及電腦可進一步評估資料。
測量單元裝置100適用於校準其他真空壓力 測量，原因在於可達成測量的高精密度，並且是在高速測量流程時進行。特別適用的是按照靜態展開的方法將校準方法用於測量單元。
對於按照靜態展開的方法對測量單元進行的 校準方法，使用的是舉例如第4圖所示的兩個真空室30、31，第二個真空室31係利用真空泵32予以退出。 這些真空室30、31係經由第二線路37予以互連，其之間具有中介面板34及第二閥件36。第一真空室30係經由第一線路33予以連接至第一閥件35而至氣體供應或大氣。於每一個真空室30、31，將測量單元裝置20、20' 配置成參考測量裝置，其較佳可與相關信號處理單元200時間同步化，時間同步操作，理由在於盡可能如測量週期般快速。可將待測單元配置成各具有真空室30、31的測量單元樣本40、41。
另一特別有利的應用是在氣體壓力控制系統 中使用創新的測量單元裝置100，用於精密控制及調整真空處理系統內的氣體壓力。多虧快速且精確的測量，這允許對真空處理進行非常精密的程序處理。
6‧‧‧端子
6’‧‧‧端子
10‧‧‧印刷電路板
12‧‧‧微晶片
13‧‧‧傳熱區
14‧‧‧溫度感測器
16‧‧‧信號輸出
20‧‧‧測量單元裝置
100‧‧‧測量單元總成

Claims (26)

  1. 一種利用測量單元裝置(100)進行真空壓力測量的方法，該測量單元裝置(100)包含以隔膜(2)作為壓力傳感器用於測量真空的電容性隔膜壓力測量單元(20)，其中，在該隔膜之一側且隔開的位置，第一殼體(1)係配置在利用連接手段(3’)予以密封的邊緣區中，使得參考真空室(25)係形成於其之間，在該隔膜(2)的另一側且隔開的位置，第二殼體(4)係配置在以連接手段(3)予以密封的邊緣區中，使得測量真空室(26)係形成於其之間，該第二殼體(4)具有開口(27)，以連接手段(5)予以密封的延展手段係設置於該開口(27)以便該測量真空室(26)與待測媒體連通，其中該隔膜(2)在該參考真空室(25)內之至少表面的至少一部分和該第一殼體(1)在對側的至少表面的至少一部分各自呈導電性並且形成電容器電極(7、7’)以形成電容(Cx)，並且該測量單元裝置(100)包含印刷電路板(10)，該印刷電路板(10)具備電子組件(12,14,Rref,Cref)並且該等電子組件之至少一者係作用成溫度感測器，其中該印刷電路板(10)係電連接至隔膜壓力測量單元(20)的電容器電極(7、7’)，其特徵在於該印刷電路板(10)係配置成與該隔膜壓力測量單元(20)相對，使得該作用成溫度感測器的組件經由傳熱區(13)與該第一殼體熱接觸，並且將另外的電子組件設計成微晶片(12)，該微晶片(12)包含數位信號處理器(DSP)，該數位信號處理器具有根據時間測量法運作的溫度對數位轉換器 (TDC)與電容對數位轉換器(CDC)，該時間測量法對照溫度用之該印刷電路板上所配置之電阻器(Rref)和電容(Cx)用之參考電容器(Cref)，判斷該隔膜壓力測量單元(20)的溫度(Tx)與電容(Cx)，其取決於該隔膜(2)的變形而形成對待測壓力的測量，其中溫度校正壓力信號係利用相關性手段予以導自兩個測量信號，其係已在校準程序前予以判斷，該溫度校正壓力信號係於信號輸出(16)予以輸出作為供進一步處理的壓力信號P=f(Cx,Teff)，其中Teff係於隔膜壓力測量單元的測量溫度Tx之數學函數Teff=f(Tx)。
  2. 如請求項1之方法，其中藉由供該溫度校正用並且供該壓力信號用的校準所判斷的數值係在該微晶片(12)的記憶體內儲存成表格。
  3. 如請求項1之方法，其中藉由供該溫度校正用並且供該壓力信號用的校準所判斷的數值係在該微晶片(12)的記憶體內儲存成數學函數Teff=f(Tx)與Peff=f(Cx)。
  4. 如請求項1之方法，其中藉由供該溫度校正用的校準所判斷的數值係在該微晶片(12)的記憶體內儲存成表格，以及藉由供該壓力信號用的該校準所判斷的數值係在該微晶片(12)的記憶體內儲存成數學函數Peff=f(Cx)。
  5. 如請求項1之方法，其中藉由供該壓力信號用的校準所判斷的數值係在該微晶片(12)的記憶體內儲存成表格，以及藉由供該溫度校正用的校準所判斷的數值係 在該微晶片(12)的記憶體內儲存成數學函數Teff=f(Tx)。
  6. 如請求項1至5中任一項之方法，其中來自該隔膜壓力測量單元(20)之該電容(Cx)的該壓力信號、利用該電容對數位轉換器(CDC)所測量的該電容(Cx)、以及利用該溫度對數位轉換器(TDC)所測量的該溫度值(Tx)，在相同的微晶片(12)內具有該相關性手段，係與數位信號處理器(DSP)結合，並且係於該信號輸出(16)予以輸出作為壓力值。
  7. 如請求項1之方法，其中該等校準值係為了該等所測量溫度值的校正、並且為了該壓力信號的判斷，而分別針對每一個隔膜壓力測量單元(20)予以判斷並寫入該微晶片(12)的該記憶體內。
  8. 如請求項1之方法，其中電阻器元件係用於該溫度感測器。
  9. 如請求項1之方法，其中該微晶片本身係用於該溫度感測器，該微晶片經由該傳熱區(13)熱接觸該隔膜壓力測量單元(20)。
  10. 如請求項1之方法，其中該電路板上設有凹部(recess)，該參考電容器(Cref)係安裝於該凹部之上，使得該參考電容器(Cref)僅接觸該印刷電路板於該參考電容器(Cref)的終端。
  11. 如請求項1之方法，其中該微晶片(12)中的測量周期係調整到小於8毫秒(ms)。
  12. 如請求項11之方法，其中該微晶片(12)中的測量周期係調整到小於1毫秒。
  13. 如請求項1之方法，其中至少該第一殼體(1)及/或該隔膜(2)的至少一部分係由介電材料所製成，以及，於其對立面，它們具備由導電層所製成的電容器電極(7、7’)。
  14. 如請求項13之方法，其中該介電材料為鋁氧化物陶瓷。
  15. 如請求項14之方法，其中該第一殼體(1)、該隔膜(2)以及該第二殼體(4)係由該陶瓷所製成。
  16. 如請求項15之方法，其中該兩個殼體(1、4)係設計成平板狀。
  17. 如請求項1之方法，其中該測量到的壓力信號及/或溫度信號係藉由具有該數位信號處理器(DSP)之該微晶片(12)內的至少一個另外的演算法予以處理以提升所測量信號的品質，並且係與該壓力信號互相關聯以提升該壓力信號的品質，該壓力信號係於該信號輸出(16)予以輸出。
  18. 如請求項17之方法，其中該等演算法之至少一者係予以設計為信號濾波演算法。
  19. 如請求項1之方法，其中測量單元裝置(100)係當作校準該等測量裝置真空測量單元用的參考。
  20. 如請求項19之方法，其中，校準該等測量裝置真空測量單元係按照靜態展開(static expansion)的方法執行。
  21. 如請求項17或18之方法，其中，對於校準測量單元的步驟，使用兩個真空室(30、31)，其係經由具有面板(34)連接於其間之線路(37)與閥件(36)予以互相連接，於每一個真空室(30、31)，測量單元裝置(20)係當作參考測量裝置。
  22. 如請求項21之方法，其中，該參考測量裝置是以時間同步方式搭配信號處理單元(200)予以操作。
  23. 如請求項1之方法，其中該測量單元裝置(100)係用於氣體壓力控制系統以供調整真空處理系統中的氣體壓力。
  24. 一種測量單元裝置(100)，其包含以隔膜(2)作為壓力傳感器用於測量真空的電容性隔膜壓力測量單元(20)，其中，在該隔膜(2)之一側且隔開的位置，第一殼體(1)係配置在利用連接手段(3’)予以密封的邊緣區中，使得參考真空室(25)係形成於其間，在該隔膜(2)的另一側且隔開的位置，第二殼體(4)係配置在以連接手段(3)予以密封的邊緣區中，使得測量真空室(26)係形成於其間，該第二殼體(4)具有開口(27)，以連接手段(5)予以密封的延展手段係設置於該開口(27)以便該測量真空室(26)與待測媒體連通，其中該隔膜(2)在該參考真空室(25)內之至少表面的至少一部分和該第一殼體(1)在對側的至少表面的至少一部分各自呈導電性並且形成電容器電極(7、7’)以形成電容(Cx)，並且該測量單元裝置(100)包含印刷電路板(10)，該印刷電路板(10)具備電子組件(12、14、Rref、 Cref)並且該等電子組件之至少一者係作用成溫度感測器，其中該印刷電路板(10)係電連接至隔膜壓力測量單元(20)的電容器電極(7、7’)，其特徵在於該印刷電路板(10)係配置成與該隔膜壓力測量單元(20)相對，使得該作用成溫度感測器的組件經由傳熱區(13)該第一殼體熱接觸，並且將另外的電子組件設計成微晶片(12)，該微晶片(12)包含數位信號處理器(DSP)，該數位信號處理器具有根據時間測量法運作的溫度對數位轉換器(TDC)與電容對數位轉換器(CDC)，該時間測量法對照溫度用之該印刷電路板上所配置之電阻器(Rref)和電容(Cx)用之參考電容器(Cref)，判斷該隔膜壓力測量單元(20)的溫度(Tx)與電容(Cx)，其取決於該隔膜(2)的變形而形成對待測壓力的測量，其中溫度校正壓力信號係導自具有相關性手段的兩個測量信號，其係已在校準程序前予以判斷，該溫度校正壓力信號係於信號輸出(16)予以輸出作為供進一步處理的壓力信號P=f(Cx,Teff)，其中Teff係於隔膜壓力測量單元的測量溫度Tx之數學函數Teff=f(Tx)。
  25. 如請求項24之測量單元裝置(100)，其中來自該隔膜壓力測量單元(20)之該電容(Cx)的該壓力信號、利用該電容對數位轉換器(CDC)所測量的該電容(Cx)、以及利用該溫度對數位轉換器(TDC)所測量的該溫度值(Tx)，在相同的微晶片(12)內具有該相關性手段，係與數位信號處理器(DSP)結合，並且係於該信號輸出(16)予以輸出作為壓力值。
  26. 如請求項24或25之測量單元裝置(100)，其中該等校準值係為了該等所測量溫度值的校正、並且為了該壓力信號的判斷，而分別針對每一個隔膜壓力測量單元(20)予以判斷並寫入該微晶片(12)的該記憶體內。
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