TWI856474B - 用於測量氣體壓力的熱傳導量計和用於測量氣體壓力的方法 - Google Patents

用於測量氣體壓力的熱傳導量計和用於測量氣體壓力的方法 Download PDF

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Abstract

一種用於測量腔室內的氣體壓力的熱傳導量計。感應器線和電阻器形成耦合在電源輸入和接地之間的電路，其中感應器線延伸進入該腔室且經由端子連接到電阻器。控制器調節電源輸入，作為在端子的電壓和在電源輸入的電壓的函數，使感應器線達到目標溫度。基於調整後的電源輸入，控制器可確定腔室內的氣體壓力的測量值。

Description

用於測量氣體壓力的熱傳導量計和用於測量氣體壓力的方法
本發明係關於一種熱傳導量計。
因為通過氣體的熱傳遞速率是氣體壓力的函數，所以在某些條件下，通過適當的校準，可以使用從加熱的感應元件到氣體的傳熱速率的測量來確定氣體壓力。此原理用於眾所周知的派藍尼(Pirani)量計，其中使用惠斯同電橋網路測量熱損失，該網路用於加熱感應元件並測量其電阻。在派藍尼量計中，溫度敏感電阻作為惠斯同電橋的一個臂連接。將溫度敏感電阻暴露於欲測量的壓力的真空環境中。
傳統的派藍尼量計針對數個已知壓力進行校準，以確定氣體壓力與氣體功率損失或橋電壓之間的關係。然後，假設端部損失和輻射損失保持不變，則氣體的 未知壓力可以直接由氣體損失的功率確定或者與電橋平衡時的橋電壓相關。
示例實施例包括用於測量氣體壓力的熱傳導量計。量計可包括感應器線、電阻器和控制器。感應器線可定位在腔室內並連接到端子和接地。電阻器可以耦合在端子和電源輸入之間。控制器可以配置以施加該電源輸入到該電阻器，並調節電源輸入，作為在端子的電壓和在電源輸入的電壓的函數，使該感應器線達到目標溫度。控制器還可以基於調整後的電源輸入，以確定腔室內的氣體壓力的測量值。
在另一個實施例中，該電阻器和該感應器線可以在該目標溫度下具有等效電阻。該感應器線可以耦合到包圍該腔室的容積的接地外殼。該感應器線還可以經由延伸穿過該腔室的該容積的護罩耦合到該外殼。該控制器還可以：1)基於該腔室外部的外殼溫度，確定補償因子和2)確定該氣體壓力的測量值作為該補償因子的函數。該電阻器可以是第一電阻器，並且第二電阻器和開關與該第一電阻器並聯連接，其中該控制器選擇性地啟用該開關。
在又一個實施例中，量計可以與腔室內的離子量計(例如，熱陰極量計或冷陰極量計)結合實施。該量計和該離子量計的饋通部延伸穿過共同饋通凸緣。該量計佔據該饋通凸緣的單個饋通部，其中該端子是該單個饋通 部。該控制器可響應於檢測到來自該熱傳導量計的該氣體壓力的測量值低於目標臨限值，而選擇性地啟用該離子量計。該控制器還可以配置以基於由該離子量計產生的熱量，確定補償因子，該控制器確定該氣體壓力的測量值作為該補償因子的函數。該控制器可以響應於檢測到來自該熱傳導量計的該氣體壓力的測量值高於目標臨限值，而選擇性地停用該離子量計。
在又一個實施例中，該感應器線被支撐在可移除的殼體內，該殼體在該端子和該接地之間延伸。
另一個實施例中可包括用於測量氣體壓力的方法。可以施加電源輸入通過串聯連接的電阻器和感應器線，其中該感應器線在腔室內耦合到端子和接地，並且該電阻器耦合在該端子和電源輸入之間。可調節該電源輸入，作為在該端子的電壓和在該電源輸入的電壓的函數，以使該感應器線達到目標溫度。然後，可以基於該調整後的電源輸入，確定該腔室內的氣體壓力的測量值。
又一個實施例可包括用於測量氣體壓力的熱傳導量計，包括電路和控制器。該電路包括串聯耦合的感應器線和電阻器，感應器線設置於腔室內。控制器可以配置以1)施加該電源輸入到該電路；2)調節該電源輸入，作為跨越該感應器線和該電阻器的一者的電壓的函數，使該感應器線達到目標溫度；3)基於該調整後的電源輸入，確定該腔室內的氣體壓力的測量值。
100:派藍尼量計
R1,R2,R3:電阻器
RS:感應器線/感應器電阻器
RC:補償線/補償線電阻器
200:派藍尼量計
210:饋通部
220:饋通凸緣
240:薄壁罐
290:腔室
400:熱傳導量計
405:感應器線
406:線安裝部
410:饋通部
412:端子
450:量計電路
470:溫度感應器
480:外殼
490:腔室
415:護罩
411:絕緣體
452:放大器
460:比較器
465:電壓控制器
900:熱傳導量計
902:電路
905:感應器線
910:電晶體
950:控制器
970:熱感應器
980:外殼
990:腔室
901:熱傳導量計
934:開關
1100:組件
1120:熱傳導量計/陽極
1130:離子量計
1105:電子源
1110:離子收集器電極
112,114:柱
120:圓柱形線柵
1125:電子
1135:電流表
1150:控制器
1113,1114:電源
1145:饋通凸緣
1160:饋通部
1300:殼體
1305:感應器線
1320:傳導端蓋
1350:管
從以下對示例性實施例的更具體的描述中將清楚前述內容，如所附圖式中所示，其中相同的參考符號在不同的視圖中指代相同的部分。圖式不一定按比例繪製，而是將重點放在說明實施例上。
[圖1A]是先前技術派藍尼量計的電路圖。
[圖1B]是示出圖1A的派藍尼量計的響應的曲線圖。
[圖2A至B]示出了包括補償線的先前技術派藍尼量計。
[圖3]示出了在腔室內實施的圖2A至B的先前技術派藍尼量計。
[圖4]示出了示例性實施例中的熱傳導量計的感應器。
[圖5A]更詳細地示出了圖4的感應器。
[圖5B]是示出圖4的感應器的響應的曲線圖。
[圖6]是示例性實施例中的熱傳導量計的圖。
[圖7A至C]是示出熱傳導量計在不同外殼溫度下的響應的曲線圖。
[圖8A至D]是示出實施溫度補償的量計的響應的曲線圖。
[圖9A]是另一實施例中的熱傳導量計的圖。
[圖9B]是又一實施例中的熱傳導量計的圖。
[圖10A至B]示出了具有和不具有基線校正的熱傳導量計的響應。
[圖11]示出了包括熱傳導量計的組件，該熱傳導量計與熱陰極離子量計結合實施。
[圖12]是示出由圖11的組件實現的饋通部的圖。
[圖13A至C]示出了支撐用於熱傳導量計的感應器線的殼體。
以下是對示例實施例的描述。
具有恆定感應器線溫度的派藍尼感應器已被用於執行1E-4到1000Torr之間的壓力測量。在操作期間，提供恆定感應器線溫度的典型派藍尼量計仰賴與感應器線連接的惠斯同電橋。將溫度保持在恆定溫度所需的電功率用於提供壓力測量。保持感應器線處的恆定溫度是合乎需要的，因為它允許對壓力步驟的更快響應，由於不需要等待溫度變化發生。而且，具有恆定的線溫度提供了與壓力無關的信號基線偏移，其可以從實際信號中減去，以提供信號本身的純壓力相關部分。
在典型的恆定線溫度派藍尼量計中，透過運行與壓力相關的電加熱功率，線的溫度保持在恆定溫度。由於將線保持在恆定溫度所需的電功率量取決於壓力，因 此使用簡單的功率測量來提供壓力測量。這種設計仰賴惠斯同電橋，透過在運行期間保持其溫度相依電阻來調節線溫度。
圖1A是先前技術的派藍尼量計100的電路圖。壓力感應器包括連接做為惠斯同電橋110的一個臂的溫度敏感電阻RS。R3通常是溫度敏感電阻，設計為因為電流i3而具有可忽略的溫度上升。R2和R1通常是固定電阻。感應器線RS和典型的R3暴露於將測量壓力的環境中。環境包圍在外殼內，感應器線RS透過該外殼穿過一對饋通部而延伸。或者，R3也可以透過另外的一或多個饋通部包括在外殼內。
選擇電阻器R1、R2和R3的電阻值，使得當壓力相關電壓VBridge施加到電橋的頂部時，Vleft=Vright，感應器線RS的電阻值固定且等同於(R1*R3)/R2。電壓VBridge由運算放大器自動控制，以將Vleft和Vright之間的電壓差維持在零伏特。當從Vleft到Vright的電位降為零時，認為電橋是平衡的。在電橋平衡時，存在以下條件： is=i3, (1) i1=i2 (2) isRS=i1R1, (3) i2R2=i3R3 (4)
由Eq.4劃分Eq.3並使用Eq.1和Eq.2給出 RS=βR3 (5)其中 β=R1R2(6)
因此，在電橋平衡時，RS是R3的常數分量β倍。
為了在任何給定壓力下獲得RS中的穩態條件，必須滿足Eq.7：輸入至R S 的電功率=R S 輻射的功率+R S 的端部損失的功率+R S 由氣體損失的功率 (7)
因為將感應器電阻器RS保持在恆定溫度和恆定電阻所需的電功率量隨壓力增加而增加，所以電壓Vbridge也取決於壓力。此關係在圖1B中示出，圖1B是在由RS佔據的腔室內的壓力範圍內的電壓Vbridge的示例圖。如圖所示，電壓Vbridge在壓力範圍內呈現S曲線。習知的派藍尼量計針對幾個已知壓力進行校準，以確定未知壓力Px與氣體功率損失之間的關係，或者更方便地確定橋電壓。然後，假設端部損失和輻射損失保持恆定，則氣體Px的未知壓力可以直接由氣體損失的功率確定或者與電橋平衡處的橋電壓相關。
派藍尼量計100提供用於測量壓力的簡單配置，並且允許以簡單的方式調節感應器線電阻。可以使用 簡單的運算放大器電路使電橋為零位(Vleft=Vright)，從而允許以低成本構建電路。然而，為了對腔室外的不同環境溫度提供補償，必須在校準期間將高度特定值的電阻添加到量計頭，以提供所需的信號響應(即Vbridge對壓力)和適當的溫度相依性。
圖2A至B示出了先前技術的派藍尼量計200，其包括補償線RC。量計200與上述派藍尼量計100相當，但添加補償線RC允許量計200補償壓力讀數以抵抗環境溫度波動。這種環境溫度波動改變了感應器線RS和包圍欲測量壓力的腔室的外殼壁(未示出)之間的溫度差。如圖2B所示，補償線電阻器RC纏繞在腔室內的較小外殼周圍，並允許具有於室溫達到熱平衡的溫度T2。然後調整電橋(R3和R4)和補償線RC中的電阻值，使得隨著T2改變，並且在惠斯同電橋保持平衡時，溫度差T1-T2(其中T1是感應器RS的線溫度)保持不變。由於感應器線RS消耗的功率取決於此溫度差，因此該功率耗散的測量表示與環境溫度無關的壓力測量。
在實現中，補償線RC表現出不同量計之間的可變性。因此，必須藉由在測試和校準期間調節電阻值來個別調節量計200的每個實施方式，以提供隨著環境溫度變化而保持恆定的溫度差(T1-T2)。此外，補償線RC的纏繞可能是昂貴的並且難以完成。為了提供快速響應，補償線RC也可以在薄壁外殼內部纏繞到量計上並暴露於氣體環境中。
圖3以進一步的視圖示出了如上所述的先前技術的派藍尼量計200，其在腔室290內實施(未按比例示出)。量計200的一部分，包括感應器線RS和補償線RC，經由饋通凸緣220延伸到腔室290中，而惠斯同電橋的其餘部分保持在腔室290外部。補償線RC被安裝在壓力感應器容積內部上的薄壁罐240，其有利於補償線RC在室內溫度變化時的穩定化。量計200需要最少四個饋通部210穿過饋通凸緣：二個饋通部連接感應器線RS，且另外二個饋通部連接補償線RC。
派藍尼量計200具有幾個缺點。明確而言，量計200的組裝和校準都是困難和費力的。為了組裝和操作量計200，補償線RC必須被纏繞，並在饋通凸緣220處附接至電連接器。一旦組裝好，量計200必須經過校準以進行適當的溫度補償，包括選擇合適的電阻值，並確保無論室溫如何，值T1-T2都保持恆定。惠斯同電橋需要微調溫度補償。如果正確執行校準程序，則可以保持值T1-T2，但不允許使用標稱電阻值。相反，必須手動調整電子量計，並配置高精度部件的特定電阻器。
此外，量計200的感應器(包括感應器線RS和罐240)是大而笨重的。為了在高壓力下實現對流，罐240必須具有大的容積以允許在壓力超過大約100Torr時進入對流。這個要求的原因是，感應器線RS為未纏繞或盤繞，且罐240具有大的內徑。
派藍尼量計可用作控制離子量計的啟用和停 用的感應器(未示出)。然而，由於其尺寸和多個饋通部的使用，量計200可能不適合與離子量計組合使用。離子量計佔據了幾個饋通部，並且與饋通凸緣相鄰，具有相當大的容積，為派藍尼量計留下了最小的空間和饋通部。此外，通常需要溫度補償以在離子量計的外殼內運行派藍尼量計。當離子量計啟動時，離子量計外殼的壁升溫，因此隨著T2的增加，T1和T2之間的差異發生變化，故需要增加溫度補償。使用內部補償線需要饋通部，而添加外部補償線會增加設計的複雜性。
由於基於惠斯同電橋的溫度控制的剛性實施，量計200不允許在操作期間改變感應器線操作溫度(或電阻)，而是提供單一操作溫度。
即使壓力與將感應器線RS保持在恆定溫度所需的功率之間存在線性關係，量計200也基於橋電壓Vbridge的測量值表示壓力，如圖1A所示，與壓力沒有線性關係。大的基線偏移(例如由於輻射和端部損失)與Vbridge在壓力下的非線性響應的組合導致S形曲線，這使得在內插測量結果時校準困難且不太準確。
圖4示出了示例性實施例中的熱傳導量計400，其中著重了量計的感應器部分。量計400包括透過線安裝部406固定在腔室490內的感應器線RS 405(也稱為燈絲)。線405經由端子412連接到量計電路450(下面進一步詳細描述)，端子412通過單個饋通部410延伸到腔室490中。線405的相對節點可以連接到接地，例如包圍腔室490 的外殼480。溫度感應器470(例如，熱敏電阻)可以定位在外殼480處或附近，以測量外殼480的溫度和/或腔室490外部的環境溫度。
與上面參照圖2至3描述的量計200相反，量計400提供具有更簡單配置的感應器。量計400僅需要進入腔室490的單個饋通部410。此外，可以從量計400省略補償線，因為可以使用溫度感應器470結合量計電路450來提供溫度補償。因此，量計200使得感應器能夠具有更簡單、更緊密的結構，這需要更少的勞力來組裝。
量計電路450提供了超越量計200的其他優點。量計電路450工作的原理將在下面參考圖5至6描述。
圖5A更詳細地示出了量計400的一部分。這裡，感應器配置有可選的護罩415。感應器線405可以連接在端子412(體現為饋通部針腳)和護罩415之間。護罩415提供到接地的導電路徑，並且至少包圍感應器線405的一部分，保護感應器線405免受來自處理環境的污染物的物理損壞和對感應器線405提供熱邊界條件。當護罩415與熱陰極量計結合使用時，護罩415還可用於屏蔽感應器線免受來自熱燈絲的輻射。在這種沒有護罩415的配置中，感應器線可能經歷基線輻射偏移的巨大變化。絕緣體411可以在饋通部410處圍繞端子412，以確保腔室490內的密封。端子412還連接到量計電路450。
感應器線405可以是小直徑(例如，0.001英寸或0.002英寸)的燈絲並且扭曲成線圈(例如，直徑為0.010 英寸的線圈)。感應器線405的操作溫度T1可以被選擇為具有20℃或更高於室溫的目標，以針對壓力變化提供足夠的靈敏度。感應器線405的溫度可以在操作過程中的保持恆定值，從而可提高響應於壓力變化的速度。此恆定溫度T1可以透過在端子412處施加受控的電源輸入(命名為PW以與壓力P區隔)以使感應器線405朝向目標電阻值來實現。可以基於相同線類型的先前測量來針對感應器線405確定電阻和溫度之間的關係。此關係可用於校準量計400。如圖5B所示，所需的電源輸入PW也根據腔室490的壓力而變化。此函數具有線性區域，在該區域中可以最精確地測量壓力。
圖6是關注量計電路405的量計400的圖。鑑於感應器線405的溫度和電阻之間的關係，量計電路450可以在操作期間使感應器線405保持在溫度T1。為了對選定的操作線溫度T1這樣做，可以基於線類型的已知校準曲線以計算相應的線電阻。因此，感應器線405在所選溫度下的電阻為RS(T1)。
為了在不同壓力下控制感應器線405的電阻，量計電路450可包括與感應器線405串聯連接的電阻器R1。為了簡化分析，可以選擇R1的電阻等於在選定溫度T1下RS的電阻：R1=RS(T1) (8)
可變電壓源Vh可以連接到相對終端412的電 阻器R1，並且可以比較在終端Vt和電壓源Vh的電壓以確定電壓源Vh的調整。在一個實施例中，量計電路450可以利用放大器452、比較器460和電壓控制器465提供此種比較和調整。比較器460比較2*Vt(由放大器452提供)和Vh的值，並將比較結果輸出到電壓控制器465。然後電壓控制器465調節Vh直到2*Vt等於Vh：Vh=2*Vt (9)
當滿足上述條件時，感應器線405的電阻與R1的電阻相匹配，並且線處於溫度T1。然後，將感應器線加熱到溫度T1所需的電功率PW是Vh和R1的函數，如下：Pw=Vh2/R1 or Pw=4Vt2/R2 (10)
在此狀態下的值PW可以用於基於觀察到的壓力和加熱功率之間的關係來計算壓力。在示例性實施例中，此關係在延伸至大約1Torr的壓力範圍內可以是線性的，如之後的圖7A至7B所示。因此，利用電阻器R1和具有根據等式(8)選擇的電阻值的感應器線405 RS，量計電路450可以將電壓輸入Vh施加到電阻器R1，並且將電源輸入PW調節為電阻器R1兩端的電壓(即Vh和Vt)的函數而滿足等式(9)。在這樣做時，感應器線405達到目標線溫度T1。在此狀態下的電源輸入PW的測量值可以由等式(10)確定。將調節的電源輸入PW與已知的功率/壓力關係進行比較，因此可以確定腔室490內的氣體壓力的測量值。
量計電路450提供一種用於將線的溫度調節到T1的解決方案，其無論暴露於線的氣體壓力如何，都確保感應器線405的電阻與電阻器R1的電阻匹配。比較器460和電壓控制器465提供反饋迴路以測量Vh和2*Vt之間的差值並調節Vh直到差值為零和R1-RS(T1)。比較器460、放大器452和電壓控制器465或提供可比較操作的其他電路可以用類比和/或數位電路實現。
圖7A示出了在諸如量計400的熱傳導量計中實現的示例直徑0.001英寸的感應器線的響應。對數-對數(log-log)圖顯示了腔室內壓力的功率響應的變化，作為容納腔室的外殼的溫度的函數。該圖包括四條曲線，其中每條曲線對應於相同的線溫度(100℃)但是不同的外殼溫度。如圖所示，四條曲線共享一個共同的壓力範圍(大約1E-3Torr至1Torr)，其中電源輸入和壓力之間的關係基本上是線性的。
圖7B更詳細地示出了直徑0.001英寸的感應器線的響應。這裡，最低和最高外殼溫度(22℃和54℃)的線性範圍是單獨顯示的。此圖顯示了曲線的線性範圍如何受外殼溫度的影響，其中較高的外殼溫度對應於給定壓力下的較低電源輸入。如圖所示，兩個圖可以與線性趨勢估計緊密匹配。因此，將感應器線405加熱到溫度T1所需的電源輸入PW是溫度差T1-T2的函數。
圖7C示出了直徑0.002英寸的感應器線的響應。與上述直徑0.001英寸的線相比，直徑為0.002英寸的 線表現出更高的功率耗散，因此需要更高的電源輸入。然而，較粗的線還提供可用於確定壓力的響應，並且由於其較高的耐用性而可在安裝和操作期間賦予優勢。基於量計的應用和工作環境，感應器線可以由一種或多種不同的材料組成。例如，由鎳製成的感應器線可以有利地用於反應環境，鎢感應器線可以具有更高的耐久性，並且當需要更低的發射率時鉑感應器線可以是合適的。
結果如圖7A至C所示，其可用於提供熱傳導量計中壓力測量的外殼溫度補償。例如，參考圖4，感應器線405表現出與圖7A至7C中所示的響應相當的響應。可以基於測量感應器線本身來確定響應，或者可以根據線類型來確定響應。可以收集對應於該響應的資料集合並將其編譯成交叉參考電源輸入、壓力和外殼溫度的查找表。當量計400如上所述操作時，得到的電源輸入PW以及由熱感應器470檢測到的外殼溫度的測量值可以應用於查找表，以確定腔室490的壓力。或者，線響應可以用於確定與電源輸入、壓力和外殼溫度相關的等式，例如圖7B中所示的線性趨勢估計的表示式。因此，透過在不同的外殼溫度上應用電源輸入與壓力的資料，例如圖7A至C中所示的資料，在量計處的電源輸入的測量值可用於以補償外殼的不同溫度的方式確定腔室壓力。與上述需要控制環境溫度和感應器溫度之間的溫差的量計200相反，量計400獨立地測量環境溫度或外殼溫度T2(例如，透過熱感應器470)，並使用此溫度資料來解釋確定壓力時的功率測量值。
圖8A示出了具有和不具有溫度補償的熱傳導量計的響應。類似於圖7A至B的圖，示出了給定感應器線在兩個不同的外殼溫度(25℃和54℃)下的功率響應。另外，示出了功率響應的溫度補償版本，其表現出幾乎相同的曲線。因此，作為溫度補償的結果，施加到感應器線的電源輸入可用於在一系列不同的外殼溫度上精確地確定壓力。
計算溫度補償功率值的方法如下：
未補償的電源輸入和壓力圖如圖8B所示(例如，基於直接感應器信號響應)，可以分為三個部分：1)高真空基線(左側)，2)線性響應(Log，Log)(中間)，和3)對流響應(至10Torr到ATM)(右側)。基線響應由兩個在整個壓力範圍內恆定的損失機制組成：1)RL，輻射損失，和2)CL，對流端部損失。因此，總基線損失可表示為：總基線損失=RL+CL，其中
a)輻射損失RL=εσ(T4 wire-T4 case)，其中ε=發射率，σ=波茲曼常數
b)對流損失CL=Gπr2(Twire-Tcase)/L，其中G=線的導熱率，r=線的半徑，L=線的長度
在線性響應區域中，LR=KP，(Log LR=log K+P)，其幾乎與溫度無關(T/sqrt(T))。
在對流區域，熱氣體護套抑制了熱傳遞，並且響應趨於平坦。然而，響應也具有△T和類似△T4相依性並可以被建模。基線損失區域的溫度係數可以使用具有 delta T和delta T的四次方的等式來校正：Delta T功率基線=(c+d△T+e△T4)；其中c，d和e可以從熱循環和適配種群確定。
整個S形響應函數可以建模為對數型S形函數，從而使裝置能夠利用區域的已知物理特性進行溫度補償：
a)對數S形函數=1/(1+e -x )，用裝置的物理性代替e-x項。
b)線性區域=KP，K=常數，P=壓力
c)邊界條件：
i.a=大氣功率位準
ii.b=基線偏移功率位準
d)
Figure 112100187-A0305-02-0019-1
將大氣和基線功率位準表示為溫度的函數提供以下內容：
a)a(T)=a(Tnominal)+(c+d△T+e△T4)
b)b(T)=b(Tnominal)+(f+g△T+h△T4)
c)
Figure 112100187-A0305-02-0019-2
；
基於上述等式，從測量功率計算壓力的等式可表示如下：壓力(T)=(a(T)/K)/(1/(power-b(T))-1)
為了校準量計以在上面的等式中提供準確的參數，可以在大氣壓力和基線處在標稱壓力下測量功率。 利用上述等式的示例溫度補償功率曲線圖示於圖8A中。這裡，對於相同溫度(25℃和54℃)，將一對溫度補償功率曲線與一對未補償功率曲線進行比較。圖8C示出了在高壓對流區域內的單個功率曲線(溫度補償的和未補償的)之間的比較。類似地，圖8D示出了在高真空基線區域內的單個功率曲線(溫度補償的和未補償的)之間的比較。
圖9A是另一實施例中的熱傳導量計900的圖。量計900可以包含上述量計400的一或多個特徵。電路902包括電晶體910、電阻器R1和串聯連接在電壓源VP和接地之間的感應器線905(RS)。電路902部分地延伸到腔室990中，其中感應器線905可以如上參考圖4所述地配置。熱感應器970(例如，熱敏電阻)檢測包圍腔室990的外殼980的溫度T2。
控制器950可以被配置為接收與電阻器R1相對的電壓VH和VT的測量值，以及來自熱感應器970的溫度T2的指示，並輸出控制信號VC以控制通過電晶體910的電流。控制器950可以結合上述量計電路450的特徵，並且可以以類比和/或數位電路實現。例如，控制器950可以包括用於將VH、VT和T2轉換為數位值的類比至數位轉換器(ADC)；用於根據數位值確定控制電壓VC的比例-積分-微分控制器(PID)控制器；和用於產生對電晶體910的控制電壓VC的數位至類比轉換器(DAC)。
在操作之前，量計900可以與上述量計400相比地配置。此外，可以基於感應器線905的室溫電阻來選 擇電阻器R1的電阻值，其中室溫電阻可以用於計算將感應器線維持操作溫度T1所需的R1的電阻，其中“tempco”是指示電阻隨溫度變化的溫度係數：R1=RS(室溫)+T1*tempco*RS(室溫)(或R1=RS(室溫)1+T1*tempco) (11)
在操作中，控制器950可以透過調節控制電壓VC將感應器線905保持在溫度T1，從而控制電阻器R1處的電源輸入。控制器950可以透過與上面參考圖6描述的用於確定電壓Vh的過程相比的過程來確定對控制電壓VC的調節。明確而言，可以比較電壓VT和VH以確定對電晶體910提供的電壓源的調節。控制器950調整VC直到2*VT等於VH。當滿足該條件時，感應器線905的電阻與R1的電阻匹配，並且線處於溫度T1。然後，將感應器線加熱到溫度T1所需的電功率PW是VH和R1的函數，如上在等式(10)中所述。在此狀態下的電源輸入PW可以用於基於觀察到的壓力和加熱功率之間的關係來計算壓力，如圖7A至B和8所示。因此，利用根據等式(8)選擇的電阻值的電阻器R1和感應器線905 RS，控制器950可以將電源輸入PW施加到電阻器R1，並且將電源輸入PW調節為電阻器R1兩端的電壓(即Vh和Vt)的函數以滿足等式(9)。在這樣做時，感應器線405達到目標線溫度T1。在此狀態下的電源輸入PW的測量可以由等式(10)確定。將調節的電源輸入PW與已知的功率/壓力關係進行比較，因此可以確定腔室990內的氣體壓力 的測量值。控制器950可以輸出PW的指示以啟用該確定，或者可以配置為通過查找表或進一步計算確定壓力，從而輸出壓力值。在這樣做時，控制器950還可以使用外殼溫度T2來確定如上所述的溫度補償壓力值。
控制器950提供數位控制迴路，其使得量計900能夠配置成在可能的溫度範圍內以期望的線溫度操作。透過改變Vt和Vh之間的倍增係數，可以選擇目標線溫度如下：Vh=xVt，其中x是倍增因子
導出x：在Tnominal(室溫)下，R1=RS(R1與感應器線RS串聯連接)。在任何其他溫度下，線的溫度係數可用於計算RS(T)：RS(T)=(1+α*(Tset-Tnominal))RS，(其中α是要使用的線類型的溫度係數)
Vh和Vt之間的關係可以表示為簡單的電阻分壓器等式：Vt=[R1/(R1+Rs(T))]Vh
插入RS(T)：Vt=[R1/(R1+(1+α*(Tset-Tnominal))Rs)]Vh(使用R1=Rs) Vt=[R1/(R1+(1+α*(Tset-Tnominal))R1)]Vh Vt=[R1/(R1*(1+(1+α*(Tset-Tnominal)))]Vh Vt=[1/((1+(1+α*(Tset-Tnominal)))]Vh Vt=[1/((2+α*(Tset-Tnominal))]Vh Vh=(2+α*(Tset-Tnominal))*Vt Vh=x*Vt x=(2+α*(Tset-Tnominal))
(2+α*(Tset-Tnominal))是數位迴路中的倍增因子(x)，可用於根據客戶的要求和過程改變線的溫度。
可以在上面的計算中實現的示例值如下：α=.0048(鎢的TC) Tset=100，Tnominal=75 Vh=2.36*Vt；x=2.36 Tset=125 Tnominal=25 Vh=2.48*Vt；x=2.48
因此，使用計算的倍增因子x，可以針對量計900的給定應用來配置線溫度而不改變電阻器R1或RS的值。
圖9B是另一實施例中的熱傳導量計901的圖。量計901可以包括圖9A的量計900的特徵，增加了電阻器R2，其可以透過開關934選擇性地與電阻器R1並聯連接。開關可以由控制器950控制，或者可以手動配置。在替代實施例中，一或多個附加電阻器可以選擇性地與電阻器R1串聯或並聯連接。電阻器R1也可以用可變電阻器代替。
此外，可以透過使用可變倍增因子來調節線的溫度。例如，R1=RS可以設定在環境溫度。當線是在所需的溫度(Vh=2*Vt)時，倍增因子x可被用來調整溫度使得Vh=x*Vt，其中x=(2+tempco*(Ttarget-Tambient)。在這種實施方式中，只有感應器的環境電阻(RS)必須與R1匹配。
在一些應用中，由量計901提供的可調節電阻可能是有利的。例如，量計901可以用在需要感應器線905的不同操作溫度的多個設置中。圖10A示出了一種這樣的應用，其中針對感應器線905的兩個不同的操作溫度T1(100℃和120℃)示出了感應器線905在壓力下的功率響應。感應器線905在100℃時的功率響應低於在120℃時的功率響應。為了校正這種差異，如圖10B中所示的示例，可以選擇電阻器R1和R2的值，使得(1)當T1處於第一操作溫 度(例如，100℃)時，沒有R2的電阻器R1表現出來自感應器線905的目標響應；(2)當T1處於第二操作溫度(例如，120℃)時，並聯連接的R1和R2的總電阻表現出與感應器線905相當的響應。結果，量計901可以提供不同T1值的操作，同時實現用於確定壓力的可比較的響應。
圖11示出了組件1100，其包括與離子量計1130組合實施的熱傳導量計1120。離子量計1130包括電子源1105、陽極1120和離子收集器電極1110。電子源1105(例如，熱陰極)位於電離空間或陽極容積之外。陽極結構包括圍繞柱112和114的圓柱形線柵120，其界定電離空間，電子1125在其中撞擊氣體分子和原子。離子收集器電極1110設置在陽極容積內。電子從電子源1105行進到並通過陽極，來回循環通過陽極1120，並因此保持在陽極1120內或附近。進一步的實施例可以使用具有冷陰極電子源的離子量計。
在它們的行進中，電子1125與構成希望測量其壓力的大氣的分子和氣體原子碰撞。電子和氣體之間的這種接觸產生離子。離子被吸引到離子收集器電極1110，離子收集器電極1110連接到電流表1135以檢測來自電極1110的電流。基於電流表1135的測量，可以透過公式P=(1/S)(Iion/Ielectron)從離子和電子電流計算大氣中氣體的壓力，其中S是具有單位為1/Torr的係數，且具有特定量計幾何形狀、電氣參數和壓力範圍的特徵。
可以如上參照圖4至10所述配置量計1120。 由於典型離子量計操作的低壓，組件1100受益於熱傳導量計1120，其可以測量比離子量計1130更高的壓力。此外，熱傳導量計1120經由控制器1150可以控制離子量計1130的開關，當測量的壓力低於給定臨限值時啟用離子量計1130(例如，在電源1113和1114處)，並且在測量壓力升高到給定臨限值以上時停用量計1130。結果，可以防止離子量計1130在可能對其造成損壞的壓力下操作。相反地，控制器1150可以接收來自離子量計1130的輸入(例如，來自電流計1135)，當壓力上升到臨限值以上時啟用量計1120，並且當壓力下降到臨限值以下時停用量計1120。
響應於在操作期間由離子量計1130產生的熱量，熱傳導量計1120可以進一步配置以補償由該熱量引起的溫度波動。例如，在離子量計1120升高外殼溫度的程度上，熱傳導量計1120可以補償此溫度變化，如上面參照圖7A至C和8所述。該方法還可以應用於在相對於離子量計1130的其他點處測量的溫度變化。例如，可以在離子量計1130處實施熱感應器以測量溫度，並且該測量的溫度可以與熱傳導量計1120的功率響應相關聯，以基於由離子量計產生的熱量確定補償因子，從而使量計1120能夠確定作為補償因子的函數的氣體壓力測量值。
當組合實施時，熱傳導量計1120和離子量計1130可以組裝成使得每個規格的饋通部延伸穿過共同的饋通凸緣1145。示例饋通凸緣1145在圖12中以俯視圖示出。離子量計1130使用凸緣1145的多個饋通部。相反地，如上 所述配置的熱傳導量計1120僅需要單個饋通部1160。該單個饋通部1160容納饋通接腳，並且感應器線RS連接在饋通接腳和接地(例如，外殼或柱)之間。因為量計1120僅需要凸緣1145的單個饋通部，並且離子量計可以在現有組件中留下至少一個未使用的饋通部，所以量計1120可以提供進一步的優點，因為它可以被改裝到這樣的現有組件中且對組件最小改動。
圖13A至C示出了支撐感應器線1305的殼體1300，感應器線1305用於熱傳導量計，例如上述的量計400和900。圖13A示出了殼體1300的側剖視圖，圖13B是殼體1300的透視圖。殼體1300可以包括傳導端蓋1320，其中感應器線1305可以連接到傳導端蓋1320。感應器線可以通過在端蓋和管1350之間被壓縮而保持在每個端部處，從而形成電連接。管1350可以是一個非導電材料(例如，玻璃或陶瓷)的，並連接在端蓋1320。取決於感應器線1305和腔室之間的期望熱傳遞位準，管1350可以是閉合的或開槽的。
圖13C示出了位於腔室內的殼體1300的俯視圖。殼體1300提供了許多優點。例如，管1350的剛性結構保護線在安裝和操作期間免受損壞。此外，端蓋1320可以容納腔室內的支架或柱，允許殼體1300快速且容易地安裝、移除和更換。
雖然已經具體示出和描述了示例實施例，但是本領域技術人員將理解，在不脫離所附申請專利範圍所 涵蓋的實施例的範疇的情況下，可以在形式和細節上進行各種改變。
900:熱傳導量計
902:電路
905:感應器線
910:電晶體
950:控制器
970:熱感應器
980:外殼
990:腔室
R1:電阻器
RS:感應器線/感應器電阻器
VC:控制電壓
VP:電壓源
VH:電壓
VT:電壓
T1:溫度
T2:溫度

Claims (22)

  1. 一種用於測量氣體壓力的熱傳導量計，包括：在腔室內耦合到端子的第一電阻器；與該第一電阻器串聯且在該腔室外部的第二電阻器；類比至數位轉換器(ADC)，配置以確定跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的電壓；和數位電路，配置以基於跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的該電壓來確定該腔室內的氣體壓力的測量值；其中該第一電阻器直接耦合到包圍該腔室的容積的接地外殼。
  2. 根據請求項1所述的量計，其中跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的該電壓是跨越該第二電阻器的電壓。
  3. 根據請求項1所述的量計，其中該第二電阻器耦合在該端子與接收電源輸入的電氣輸入之間。
  4. 根據請求項1所述的量計，其中該第一電阻器和該第二電阻器在目標溫度下具有等效電阻。
  5. 根據請求項1所述的量計，其中該第一電阻器經由延伸穿過該腔室的該容積的護罩耦合到該外殼。
  6. 根據請求項1所述的量計，其中該第一電阻器被支撐在可移除的殼體內，該殼體在該端子和接地之間延伸。
  7. 一種用於測量氣體壓力的熱傳導量計，包括：在腔室內耦合到端子的第一電阻器；與該第一電阻器串聯且在該腔室外部的第二電阻器；類比至數位轉換器(ADC)，配置以確定跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的電壓；數位電路，配置以基於跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的該電壓來確定該腔室內的氣體壓力的測量值；和控制器，配置以1)基於該腔室外部的外殼溫度，確定補償因子，和2)確定該氣體壓力的測量值作為該補償因子的函數。
  8. 根據請求項7所述的量計，還包括在該腔室內的離子量計。
  9. 根據請求項8所述的量計，其中該量計和該離子量計的饋通部延伸穿過耦合該腔室的共同饋通凸緣。
  10. 根據請求項9所述的量計，其中該量計包括該饋通凸緣的單個饋通部，該端子是該單個饋通部。
  11. 根據請求項10所述的量計，其中該控制器配置以響應於檢測到該氣體壓力的測量值低於目標臨限值，而選擇性地啟用該離子量計。
  12. 根據請求項10所述的量計，其中該控制器還配置以基於由該離子量計產生的熱量，確定補償因 子，該控制器配置以確定該氣體壓力的測量值作為該補償因子的函數。
  13. 根據請求項10所述的量計，其中該控制器配置以響應於檢測到該氣體壓力的測量值高於目標臨限值，而選擇性地停用該離子量計。
  14. 一種用於測量氣體壓力的方法，包括：透過串聯連接的第一電阻器和第二電阻器施加電源輸入，該第一電阻器在腔室內耦合到端子，該第二電阻器在該腔室外部；透過類比至數位轉換器(ADC)以確定跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的電壓；和透過數位電路以基於跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的該電壓來確定該腔室內的氣體壓力的測量值；其中該第一電阻器直接耦合到包圍該腔室的容積的接地外殼。
  15. 根據請求項14所述的方法，其中跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的該電壓是跨越該第二電阻器的電壓。
  16. 根據請求項14所述的方法，其中該第一電阻器和該第二電阻器在目標溫度下具有等效電阻。
  17. 根據請求項14所述的方法，其中該第一電阻器經由延伸穿過該腔室的該容積的護罩耦合到該外殼。
  18. 根據請求項14所述的方法，還包括響應於檢測到該氣體壓力的測量值低於目標臨限值，而選擇性地啟用離子量計。
  19. 根據請求項14所述的方法，還包括基於由離子量計產生的熱量，確定補償因子，該氣體壓力的測量值被確定作為該補償因子的函數。
  20. 根據請求項14所述的方法，其中該第一電阻器被支撐在可移除的殼體內，該殼體在該端子和接地之間延伸。
  21. 一種用於測量氣體壓力的方法，包括：透過串聯連接的第一電阻器和第二電阻器施加電源輸入，該第一電阻器在腔室內耦合到端子，該第二電阻器在該腔室外部；透過類比至數位轉換器(ADC)以確定跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的電壓；透過數位電路以基於跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的該電壓來確定該腔室內的氣體壓力的測量值；和基於該腔室外部的外殼溫度，確定補償因子，和確定該氣體壓力的測量值作為該補償因子的函數。
  22. 一種用於測量氣體壓力的熱傳導量計，包括：包括串聯耦合的第一電阻器和第二電阻器的電路，該第一電阻器位於腔室內，該第二電阻器在該腔室外部； 類比至數位轉換器(ADC)，配置以確定跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的電壓；和數位電路，配置以基於跨越該第一電阻器和該第二電阻器中的一者的該電壓來確定該腔室內的氣體壓力的測量值；其中該第一電阻器直接耦合到包圍該腔室的容積的接地外殼。
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