WO2014102035A1 - Verfahren und vorrichtung zur vakuumdruckmessung mit einer messzellenanordnung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur vakuumdruckmessung mit einer messzellenanordnung Download PDF

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measuring
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    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
    • G01L9/125—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor with temperature compensating means

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring pressure with a measuring cell arrangement according to the preamble of patent claim 1, and to a device for this according to claim 18.
  • a known and suitable method to measure the deflection of such membranes is that the membrane assembly is designed as a variable electrical capacitance, wherein the capacitance change is evaluated in a known manner via a measuring electronics, which correlates with the pressure change.
  • the capacitance is formed by the thin, flexible membrane surface being arranged at a small distance from a further surface of a body and both opposing surfaces being made electrically conductive. If the membrane and the body are made of non-conductive, dielectric material, for example, the surfaces are coated with an electrical coating, whereby the capacitor electrodes are formed.
  • the membrane and / or the body can also be made of electrically conductive material itself, in which case the surfaces in turn form the capacitor electrodes.
  • the deflection changes the distance between the two electrodes, which leads to an evaluable capacitance change of the arrangement.
  • Sensors of this type are produced in large quantities, for example, from silicon. Both the flat base body and the membrane often consist completely of silicon material. There are also versions with combined material composition eg silicon with glass base. The sensors can be produced inexpensively. Pressure sensors of this type are bar used generally only for higher pressures in the range of about 10 "1 mbar to a few. High resolution at pressures below 10 -1 mbar are with the material silicon is no longer feasible.
  • the electronics required for this purpose are arranged on a small circuit board behind the membrane pressure measuring cell and connected via a line to the capacitor electrodes of the measuring cell.
  • the digitized signal is then processed and calibrated in another electronics, which contains a microprocessor and is arranged on a further printed circuit board.
  • Such a measuring cell arrangement for measuring vacuum Consequently, it contains a capacitive diaphragm pressure measuring cell and an electronics for signal processing attached thereto.
  • This measuring cell arrangement is connected in the usual way to the vacuum components to be measured, such as vacuum containers or vacuum lines, which contain the gaseous media to be measured.
  • Another way to measure capacitance is to measure the charging time of a capacitor, which in principle is relatively easy to implement.
  • the capacitor to be measured is usually charged with a current, for example via a constant current source or via a charging resistor.
  • the voltage, the current and the time required for charging is measured and from this the capacitance is determined. With small capacities, this results in problems with the measurement of the very small currents and the very short measurement times.
  • Capacities can also be measured in a bridge circuit based on Wheatstone.
  • a well-known example of this is the measuring circuit in which a diode array is used as a rectifier. In such a circuit concept, an amplitude-stabilized sinusoidal source is used. This may be, for example, an amplitude-stabilized Wien oscillator.
  • the capacitive diaphragm pressure measuring cell as a reference pressure measuring cell in calibration devices in addition to the precision of measurement in particular a high measuring speed is important to possible if pressure changes be able to capture the actual pressure values with high accuracy.
  • the temperature effects on the measuring accuracy of the reference pressure measuring cell are also important here and must be mastered as well as possible.
  • the diaphragm pressure measuring cell arrangements known today are slow in this respect and are at measuring times which are greater than 8 ms or even greater than 30 ms. Also, the achievable measurement accuracy of 0.15% to 0.4% of the measured value is often insufficient, especially over larger temperature ranges of 5 to 220 ° C.
  • the measuring range to be measured or the maximum measurable capacitance of the membrane pressure measuring cell is limited when using known microchips for the measuring electronics (for example, 21 pF for AD7745). This restricts the manufacturing latitude or drastically reduces the corresponding yield and thus increases the production costs.
  • the object is achieved according to the invention by the method for vacuum pressure measurement with a measuring cell arrangement according to claim 1, and by a measuring cell arrangement according to claim 18.
  • the dependent claims relate to advantageous further embodiments of the invention.
  • the inventive method for vacuum pressure measurement with a measuring cell array includes a capacitive diaphragm pressure measuring cell for measuring vacuum with a membrane as a pressure transducer, wherein spaced on the one side of the membrane, a first housing body in the edge region with a connecting means sealingly arranged, such that between a Referenzva- vacuum space formed is, and that on the other side of the membrane a second housing body is sealingly arranged in the edge region with a connecting means such that a measuring vacuum space is formed therebetween, and the second housing body has an opening sealingly arranged on the connection means with connecting means for communicating the measuring vacuum space with the medium to be measured; wherein within the reference vacuum space at least a portion of at least the surface of the membrane and opposite at least a portion of at least the surface of the first housing body is each formed electrical
  • the correction values of the determined temperature deviation are additionally superimposed on the pressure signal in such a way that it is corrected via the pressure range to be measured and the respective temperature range to which the diaphragm pressure cell is exposed.
  • the calibration process takes place for each individual measuring cell, and the values determined for the temperature correction and the adapted pressure signal are stored in the memory of the electronics belonging to the diaphragm pressure measuring cell.
  • This electronics is mounted directly behind the diaphragm pressure cell and arranged on a printed circuit board.
  • On this circuit board is a microchip that performs the entire signal processing including capacitance measurement.
  • a reference capacitor (C re f) is arranged thereon and connected to the microchip for capacitance measurement, and a reference resistor (R ref ) arranged and connected to the microchip for the temperature measurement.
  • a separate temperature sensor can be provided for measuring the temperature at the diaphragm pressure measuring cell. This is then arranged such that it thermally contacts the membrane pressure measuring cell.
  • the improvement in temperature compensation and linearization can be improved such that errors below 0.1% F.S. (fill scale) even over a wide temperature range, such as -40 ° C to 450 ° C are possible.
  • Rapid detection of vacuum pressure is very beneficial in many pressure measurement applications and allows for more accurate process control.
  • the measuring cell arrangement can be advantageously used as Referenzmessan- order for calibration of vacuum measuring cells, in particular by the method by static expansion.
  • the measurement for the pressure values to be compared for the calibration process can be carried out as simultaneously as possible, whereby a higher calibration accuracy can be achieved.
  • a particularly important area of application is pressure measurement in vacuum process systems.
  • There pressure measuring cells are used for process monitoring but also in pressure control systems.
  • pressure control systems fast pressure detection of the process pressure is very important to achieve accurate results in the process.
  • Typical processes are coating processes, etching processes, thermal vacuum treatments, etc.
  • the total pressure of the vacuum must be recorded and, in addition, suitable process gases are often used or supplied, which are used accordingly in the process control.
  • reactive gases are often used in such processes and are converted during the process. This especially in plasma processes, but also in CVD processes (Chemical Vapor Deposition) and others. In this case, the reactive gases involved are to a certain extent consumed and even incorporated in the final product, for example a coating.
  • gas control systems for vacuum processes can now be realized, which allow to achieve much more precise results, such as more precise composition of deposited layers, or more precise etching structures. In this case, for example, the waste of gas can be reduced and costs can be saved. This application is particularly important for the semiconductor industry.
  • FIG. 1 shows schematically and in cross section a measuring cell arrangement with a capacitive membrane pressure measuring cell and with an electronic circuit arrangement for signal conditioning according to the invention
  • FIG. 2a is a schematic and cross-sectional view of the capacitive diaphragm pressure measuring cell in detail with the arrangement of the printed circuit board with the important electronic components arranged thereon, an external temperature sensor being arranged thereon which thermally contacts the diaphragm pressure measuring cell,
  • FIG. 2b shows schematically and in cross section the capacitive membrane pressure measuring cell in detail according to FIG. 2a, wherein the microchip is used as a temperature sensor. sensor is arranged on the printed circuit board such that it thermally contacts the membrane pressure measuring cell and wherein the reference capacitor is arranged on the underside of the printed circuit board
  • Fig. 2c schematically and in cross section the capacitive membrane pressure measuring cell in detail according to the figure 2a, wherein the microchip as a temperature sensor is arranged on the circuit board such that it thermally contacts the membrane pressure measuring cell and wherein the reference capacitor is arranged on the upper side of the circuit board
  • FIG. 3 schematically shows a scheme for the wiring of two measuring cell arrangements for signal conditioning with, for example, synchronized operation
  • FIG. 4 shows schematically a scheme for the operation of two measuring cell arrangements with signal conditioning according to FIG. 3 in the application in the pressure determination or calibration according to the method by FIG static expansion.
  • the basic structure of a measuring cell arrangement 100, according to the present invention, for rapid vacuum pressure measurement, which enables a high measuring speed, is shown schematically in FIG.
  • the measuring cell arrangement 100 contains a capacitive diaphragm pressure measuring cell 20 with all the necessary electronic components 12, 14 for conditioning the pressure signal of the measuring cell arrangement 100, which is arranged in a special configuration with respect to the latter and thus enables a precise, corrected pressure signal with a high measuring speed at an interface 16 to deliver.
  • This measuring cell arrangement 100 is housed in a housing and forms a component which can be attached in known manner to vacuum lines and vacuum chambers for measuring vacuum pressure or gas pressure in vacuum processes.
  • the prepared pressure signal, which is now high precisely corresponds to the actual pressure to be measured is at the interface 16, for example, via a connector, which is designed as an interface l / F, removed.
  • a temperature sensor 14 may be provided for detecting the temperature of the diaphragm pressure measuring cell 20.
  • Particularly suitable for such temperature sensors 14 are platinum resistors, such as the type Pt1000 or Pt100.
  • the temperature sensor 14 is arranged with the printed circuit board 10 such that it touches the membrane pressure measuring cell 20 and a heat transfer zone 13 is formed for a good heat transfer.
  • additional heat conduction agents such as thermal pastes, silicone pads, etc.
  • the microchip 12 is preferably itself used for temperature detection, in which case the microchip 12 itself is placed directly in contact with the membrane pressure measuring cell 20 for temperature measurement.
  • the external temperature sensor 14 with the connecting lines on the printed circuit board 10 is not needed because temperature sensitive components within the microchip 12 take on this task by programming the software stored in the microchip. As a result, the precision of the temperature measurement and thus of the corrected pressure signal can be further increased. In addition, the arrangement is further simplified.
  • the microchip 12 contains a CDC (Capacitance to Digital Converter), which measures the pressure-dependent capacitance C x of the diaphragm pressure measuring cell 20, according to the discharge time measuring method, and converts it precisely into a digital signal for further processing within the microchip 12
  • a TDC Tempor to Digital Converter
  • the microchip also contains a DSP (Digital Signal Processor) and memory as data storage.
  • the DSP processes the measured temperature signals and the capacitance signals according to a predetermined program, whereby these signals are processed according to the previously determined calibration data and with additional correction algorithms to a precise pressure signal.
  • a superimposed correction takes place in accordance with the values determined specifically for a calibration process for each individual diaphragm pressure measuring cell 20, both for temperature and for the measured pressure-dependent capacity.
  • the software for the operation of the DSP and the calibration data of the diaphragm pressure measuring cell 20 are stored on the memory. Via an input - output interface I / O is communicated to the outside. It is important that all of these elements are integrated on a single microchip 12.
  • a reference resistor R re f and a reference capacitor C re f are arranged on the printed circuit board 12 which are connected as directly as possible to the microchip and serve the microchip 12 in determining the temperature values and the capacitance values of the diaphragm pressure measuring cell 20.
  • These two components must be of high quality and have very accurate values and can not be integrated on the microchip 12 itself. These must also be carefully mounted on the circuit board in order to ensure good long-term stability, which is particularly important for the reference capacitor Cref.
  • FIGS. 2 a to 2 c for example, schematically and in cross section, a preferred membrane pressure measuring cell 20 is shown in somewhat more detail, wherein Different arrangements of the printed circuit board with the electronic components are shown.
  • a preferred capacitive diaphragm pressure measuring cell 20 is constructed essentially completely symmetrically around the diaphragm.
  • the first housing body 1 is preferably plate-shaped and arranged at a distance of 2pm to 50pm opposite the membrane 2 in the edge region sealingly connected.
  • the space formed in this case includes a reference vacuum space 25.
  • the distance between the two surfaces is usually set directly when mounting on the sealing material 3 or by a stepped edge, formed on one or both bodies, which lies between the edge of the membrane and the edge of the housing.
  • a measuring vacuum space 26 is formed with a second housing body 4 on the opposite side of the membrane, which can be reached via connecting means 5, 27 through a measuring opening 27 in the second housing body 4 for the media to be measured.
  • the distance 3 is about 2 to 50 ⁇ m, preferably 8 to 37 ⁇ m.
  • the second housing body 4 is preferably provided in the inner region at the periphery with a recess approximately 0.5 mm deep to form a step in order to enlarge the measuring vacuum space 26.
  • the membrane 2 and the housing 1 are referenzvakuumraum magnet, to form a capacitive Membrane pressure measuring cell 20, each with an electrically conductive layer 7, 7 'coated.
  • the two layers are not electrically connected to each other and thereby form the capacitor electrodes 7, T of the capacitor arrangement with the capacitance C x .
  • the electrical connections of the conductive layers 7, T are preferably carried out with vacuum-tight, electrically conductive feedthroughs, preferably through the housing body 1, where they can then be connected to the evaluation electronics, in particular the microchip 12 on the printed circuit board 10.
  • a measuring cell arrangement 100 is shown in which an external temperature sensor 14 is used as a single component for temperature detection at the membrane pressure measuring cell 20.
  • the temperature sensor 14 is arranged on the underside of the printed circuit board and is in contact with the membrane pressure measuring cell 20. In the contact area is the heat transfer zone 13 where the direct heat transfer takes place. It is advantageous if the temperature sensor 14 is positioned close to the microchip 12, preferably opposite. Here, the temperature sensor 14 is positioned below the circuit board 10, for example, and the microchip 12 above it.
  • FIG. 2 a shows how the reference capacitor C re f is arranged as close as possible to the microchip 12.
  • an opening 15 on the printed circuit board 12 is advantageously provided under this component, between the two terminals.
  • This mounting arrangement is shown in Figures 2a to 2c, wherein the reference capacitor C re f can be arranged both on the top of the circuit board 12, as shown in Figures 2a and 2c, but also on the bottom according to the figure 2b.
  • FIGS. 2b and 2c Another arrangement, where the microchip 12 simultaneously acts as a temperature sensor itself, is shown in FIGS. 2b and 2c.
  • the micro- chip 12 is arranged on the underside of the printed circuit board 10 and is directly in thermal contact with the membrane pressure measuring cell 20.
  • this is a preferred application, since this provides particularly good results.
  • An example of a particularly preferred method for a precise and rapid vacuum pressure measurement includes a measuring cell arrangement 100 comprising a capacitive diaphragm pressure measuring cell 20 for measuring vacuum with a membrane 2 as a pressure transducer, wherein on the one side of the membrane 2 spaced a first housing body 1 in the edge region with a connecting means 3 'is arranged sealingly, so that between a reference vacuum space 25 is formed, and that spaced on the other side of the membrane 2, a second housing body 4 is arranged sealingly in the edge region with a connecting means 3, such that between a measuring vacuum space 26 is formed, and that the second housing body 4 has an opening 27 on the connection means 5 with connecting means 27 'are arranged sealingly for communicating connection of the measuring vacuum chamber 26 with the medium to be measured, wherein within the reference vacuum space 25 at least a portion of at least the Oberf the membrane 2 and opposite at least a portion of at least the surface of the first housing body 1 is each formed electrically conductive and capacitor electrodes 7, 7 'form to form an electrical capacit
  • the values determined by calibration for the temperature correction and for the pressure signal can be stored as a table in a memory within the microchip 12.
  • the values for the pressure signal determined by calibration can be stored as a table in a memory within the microchip (12) and the values for the temperature correction determined by calibration can be used as a mathematical function stored in memory (memory) within the microchip (12).
  • the pressure signal from the, with the capacity to digital converter (CDC), measured capacitance C x of the diaphragm pressure measuring cell 20, and, with the temperature to Digital Converter (TDC), measured temperature value Tx with the correlation means within the same microchip 12 with a Digital Signal Pro (DSP) is linked and output as a pressure value at the signal output 16.
  • CDC capacity to digital converter
  • TDC temperature to Digital Converter
  • DSP Digital Signal Pro
  • the calibration values are determined separately for the correction of the measured temperature values and for the determination of the pressure signal and are read into the memory (memory) of the microchip 12.
  • the measurement cycle in the microchip 12 is set to less than 8 ms, preferably less than 1 ms.
  • the signal quality of the measured pressure signals at the capacitance C x of the capacitive membrane pressure cell 20 and / or the temperature signal T x can advantageously be further improved by processing these signals with an additional algorithm.
  • the signal noise is treated.
  • several individual measurements are carried out within a measuring cycle and the mean value determined therefrom.
  • the mean value is calculated by the DSP.
  • Other methods of noise reduction may be used as averaging.
  • the DSP calculates the effective pressure measurement value by means of a suitable calculation rule.
  • This calculation rule describes the relationship between the measured capacitance value Cx and the corresponding pressure value. This relationship is, as already mentioned, also temperature-dependent. For the most accurate pressure measurement, therefore, the sensor temperature must also be measured and taken into account for the correction of the measured pressure signal.
  • the temperature measurement is done, for example, via a suitable temperature-sensitive sensor such as a Pt1000 resistor or another electrical resistance. Particularly preferred here is the use of the internal components of the microchip 12 itself as a temperature sensor.
  • the measured temperature signal from the temperature sensor 14 or from the microchip 12 is converted by a temperature-to-digital converter (TDC) into a digital signal.
  • TDC temperature-to-digital converter
  • the temperature is preferably measured in the same measuring cycle as the capacity. Because the temperature is less fast compared to the pressure changes the temperature signal can be treated more complex, such as and preferably strongly filtered.
  • the signal noise can be reduced to, for example, less than 10 ppm (equivalent to 0.001 ° C), while the response time remains even below 1 s with a measurement time of 1 ms.
  • the filtering is carried out by the DSP according to a given algorithm. From this filtered temperature, the DSP calculates the effective temperature by means of a calculation rule. For example, when using a Pt1000 temperature sensor, the relationship is as follows:
  • T_computed [° C] a 3 * R 3 + a 2 * R 2 + ai * R + ao
  • T_ calculated is determined.
  • a correction function of the first or higher order is determined from the calculated temperature values (T_ calculated [° C] and actual temperature). This describes the relationship between the actual and the measured temperature.
  • T_ calculated [° C] and actual temperature This describes the relationship between the actual and the measured temperature.
  • signal filtering algorithms can also be used to improve the signal quality of the pressure measurement signal.
  • the measured pressure signal and / or temperature signal with at least one other algorithm within the microchip 12 with the Digital Signal Processor (DSP) operates to increase the measured signal quality and correlated with the pressure signal to increase the pressure signal quality output at the signal output 16, preferably at least one of the algorithms is designed as a signal filtering algorithm.
  • the filtered temperature signals are thus correlated or corrected with the filtered pressure measurement signal, which in addition to the calibra- tion, which takes place in addition, the pressure signal at the output 16 of the measuring cell arrangement 100 has a further increased quality with respect to precision.
  • An algorithm for reducing the signal noise is particularly advantageous, as previously described, for example.
  • Signal noise reduction causes a more stable signal output since the data is e.g. averaged or just filtered. It also makes it possible to obtain useful measured values even at low signal to noise ratio or even at S / N ⁇ 1, and thus to extend the measuring range.
  • FIG. 3 schematically shows the connection of two measuring cell arrangements 100 for signal conditioning with, for example, simultaneous synchronized operation of the detection of the pressure measurement by rapid detection of the true pressure conditions in the vacuum process.
  • the measuring cell arrangement 100 is used here as a reference measuring arrangement for calibrating vacuum measuring cells, in particular according to the method by static expansion.
  • the pressure signals of the two measuring cell arrangements 100 are supplied from the signal outputs 16, 16 'of the signal conditioning unit 200. This takes over the pressure signals via the existing interface 17, 17 'and are processed with an FPGA (Field Programmable Array), which is clocked by a real-time clock and a following processor and passed through the interface 18 further. given.
  • FPGA Field Programmable Array
  • a data processing unit 300 with an interface 19 and a computer can carry out the further evaluation of the data (Data).
  • Data data
  • the inventive measuring cell arrangements 100 are well suited for the calibration of other vacuum pressure measuring cells, because of the high precision of the measurement that can be achieved and this at high speed of the measuring process. Particularly suitable here is the use in the calibration method of measuring cells by the method by static expansion.
  • two vacuum chambers 30, 31 are used, and the second vacuum chamber 31 is evacuated by a vacuum pump 32. These vacuum chambers 30, 31 are connected to one another via a second line 37, with an aperture 34 connected therebetween and a second valve 36.
  • the first vacuum chamber 30 is connected via a first line 33 with a first valve 35 to the gas supply or atmosphere.
  • At each of the vacuum chambers 30, 31 each have a measuring cell array 20, 20 'arranged as a reference measuring arrangement, which preferably with a signal conditioning unit 200 time-synchronized or possible lent time synchronous because of the now possible fast measuring cycles can be operated.
  • the measuring cells to be tested can each be arranged on the vacuum chambers 30, 31 as measuring cell samples 40, 41.
  • Another particularly advantageous application is the use of the inventive measuring cell arrangement 100 in a gas pressure regulating system for precise regulation and adjustment of the gas pressure in a vacuum process system. Thanks to the fast and precise measurement, this enables very precise process control of the vacuum processes.

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Abstract

Eine Messzellenanordnung (100) enthaltend eine kapazitive Membrandruckmesszelle (20) zur Messung von Vakuumdruck mit einer Membran (2) als Druckwandler, mit einer Leiterplatte (10), die derart gegenüber der Membrandruckmesszelle (20) positioniert angeordnet wird, dass diejenige Komponente, die als Temperatursensor wirkt den ersten Gehäusekörper über eine Wärmeübergangszone (13) thermisch kontaktiert und dass eine weitere elektronische Komponente als Mikrochip (12) ausgebildet ist und dieser einen Digitalen Signal Prozessor (DSP) enthält mit einem Temperatur zu Digital Converter (TDC) und einem Kapazitäts zu Digital Converter (CDC) der nach dem Zeitmessverfahren arbeitet, welche die Temperatur (Tx) und die Kapazität (Cx) der Membrandruckmesszelle (20) ermitteln im Vergleich mit einem an der Leiterplatte angeordnetem Referenzwiderstand (Rref) für die Temperatur und einem Referenzkondensator (Cref) für die Kapazität (Cx), welche das Mass bildet für den zu messenden Druck abhängig von der Deformation der Membran (2), wobei aus beiden gemessenen Signalen mit Korrelationsmitteln, welche vorgängig aus einem Kalibriervorgang ermittelt wurden, ein Temperatur korrigiertes Drucksignal abgeleitet wird, welches als Drucksignal p=f(Cx,Teff) am Signalausgang (16) ausgegeben wird zur weiteren Verarbeitung. Hierdurch wird eine rasche Druckmessung ermöglicht bei hoher Messgenauigkeit.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Vakuumdruckmessung mit einer Messzellenanordnung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Druckmessung mit einer Messzel- lenanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 , sowie auf eine Vorrichtung hierzu gemäss Anspruch 18.
Es ist bekannt, Drücke bzw. Druckdifferenzen dadurch zu messen, indem eine dünne Membran druckbeaufschlagt wird und ihre daraus bewirkte Durchbiegung gemessen wird. Eine bekannte und geeignete Methode, die Durchbiegung solcher Membranen zu messen besteht darin, dass die Membrananordnung als variable elektrische Kapazität ausgebildet wird, wobei über eine Messelektronik in bekannter Weise die Kapazitätsänderung ausgewertet wird, welche mit der Druckänderung korreliert. Die Kapazität wird ausgebildet, indem die dünne, biegsame Memb- ranfläche in geringem Abstand gegenüber einer weiteren Fläche eines Körpers angeordnet ist und beide einander gegenüberliegenden Oberflächen elektrisch leitend ausgebildet sind. Wenn die Membran und der Körper aus nicht leitendem, dielektrischen Material besteht werden dazu die Oberflächen beispielsweise mit einem elektrischen Belag beschichtet, wodurch die Kondensatorelektroden aus- gebildet werden. Die Membran und / oder der Körper können auch selbst aus elektrisch leitendem Material gefertigt, wobei dann die Oberflächen wiederum die Kondensatorelektroden bilden. Bei Druckbeaufschlagung der Membran verändert sich durch die Durchbiegung der Abstand zwischen den beiden Elektroden, was zu einer auswertbaren Kapazitätsänderung der Anordnung führt. Sensoren dieser Art werden in grossen Stückzahlen beispielsweise aus Silizium hergestellt. Sowohl der flächige Grundkörper wie auch die Membran bestehen hierbei oft vollständig aus Silizium - Material. Es gibt auch Ausführungen mit kombinierter Materialzusammensetzung z.B. Silizium mit Glasunterlage. Die Sensoren lassen sich dadurch kostengünstig herstellen. Drucksensoren dieser Art sind in der Regel nur für höhere Druckbereiche im Bereich von ca. 10"1 mbar bis einige bar einsetzbar. Hohe Auflösung bei tieferen Drücken ab etwa 10'1 mbar sind mit dem Werkstoff Silizium nicht mehr realisierbar. Für typische Vakuumanwendungen sind Sensoren dieser Art nicht geeignet. Für Messungen von Drucken im Vakuum wird oft zwischen Atmosphäre und 10"6 mbar gemessen für die verschiedenen zu kontrollierenden Vakuumprozesse. Derartige Messungen erfordern eine hohe Empfindlichkeit mit hoher Auflösung und Reproduzierbarkeit der Vakuumdruckmessung, wozu nur speziell ausgebildete Messzellen in der Lage sind, die von der Bauweise der Hochdruckmesszellen völlig abweichen.
Für die Vakuumdruckmessung sind kapazitive Membrandruckmesszellen besonders geeignet die aus korrosionsfesten Materialien wie AI2O3 hergestellt sind. In dem EP 1 070 239 B1 (die integrierender Bestandteil der vorliegenden Anmeldung bildet) wird eine kapazitive Vakuummesszelle, welche im wesentlichen vollständig aus Keramik aufgebaut und somit in hohem Masse korrosionsfest ist, beschrieben. Um sehr tiefe Drücke bis 10"6 mbar bei hoher Genauigkeit messen zu können, wird eine sehr dünne Keramikmembran von beispielsweise < 250 pm Dicke verwendet, welche spannungsfrei und symmetrisch in einem Keramikgehäuse angeordnet ist. Der Abstand der Kondensatorelektroden bzw. der Membranoberfläche von der Oberfläche des Gehäusekörpers liegt hierbei bevorzugt im Bereich von 2 bis 50 μιτι. Die Durchmesser derartiger Membrandruckmesszellen liegen bevorzugt im Bereich von 5 bis 80 mm. Die dadurch gebildeten und zu messenden Kapazitäten bei derartigen Membrandruckmesszellen liegen im Bereich von 10 pF bis 32 pF. Die gemessene Kapazität dient hierbei als Mass für den zu messenden Druck. Bei druckabhängiger Verbiegung der Membran verändert sich diese Kapazität entsprechend, wodurch der an der Membran anliegende Druck erfasst werden kann. Diese Kapazitätsmessung muss sehr präzise erfolgen und ist bei diesen kleinen Kapazitätswerten nicht ganz einfach. Nach dem heutigen Stand der Technik wer- den die kleinen störanfälligen Kapazitäten üblicherweise mit einem Sigma-Delta Capacitance-to-Digital-Converter (CDC) digitalisiert. Die dazu notwendige Elektronik ist auf einer kleinen Leiterplatte hinter der Membrandruckmesszelle angeordnet und über eine Leitung mit den Kondensatorelektroden der Messzelle verbunden. Das digitalisierte Signal wird dann in einer weiteren Elektronik, die einen Mik- roprozessor enthält und auf einer weiteren Leiterplatte angeordnet ist, aufbereitet und kalibriert. Eine Derartige Messzellenanordnung zur Messung von Vakuum enthält folglich eine kapazitive Membrandruckmesszelle und eine daran angebaute Elektronik für die Signalaufbereitung. Diese Messzellenanordnung wird in üblicher Weise an die zu messenden Vakuumkomponenten angeschlossen, wie beispielsweise Vakuumbehälter oder Vakuumleitungen, welche die zu messenden gasförmigen Medien enthalten.
Die Messung von kleinen Kapazitäten wird vielfältig für die Auslesung der zu messenden Werte von Sensoren verwendet. Allerdings ist die präzise Messung derartig kleiner Kapazitäten nicht ganz einfach.
In dem Buch von Baxter (Larry K. Baxter, Capacitive Sensors, IEEE Press, NJ 1997) ist eine Vielzahl der möglichen Schaltungskonzepte dargestellt. Überwiegend waren diese Schaltungen so konzipiert, dass sich möglichst ein linearer Zusammenhang zur Messgrösse ergibt, so dass das Messsignal direkt analog weiterverarbeitet werden kann.
Die Schaltungskonzepte haben sich bis heute nicht grundsätzlich verändert, ledig- lieh die Möglichkeit der Integration hat einige interessante ergänzende Lösungen hervorgebracht. So hat beispielsweise Analog Devices mit ihrer CDC Reihe von integrierten Schaltungen eine Ladungswaage mit einem Delta-Sigma Wandler kombiniert und einen sehr leistungsfähigen Mikrochip entwickelt, wie beispielsweise den Mikrochip mit der Bezeichnung AD7745. Ein grosser Vorteil dieser inte- grierten Lösung ist die Möglichkeit Probleme mit der Temperaturkompensation weiter reduzieren zu können und eine bessere Abschirmung eines Grossteils der kritischen Elemente im Chipgehäuse zu ermöglichen.
Eine weitere Möglichkeit Kapazitäten zu messen besteht darin, die Ladezeit eines Kondensators zu messen, was vom Prinzip her relativ einfach realisierbar ist. Hierbei wird üblicherweise der zu messende Kondensator mit einem Strom, beispielsweise über eine Konstantstromquelle oder über einen Ladewiderstand aufgeladen. Die Spannung, der Strom und die zur Aufladung benötigte Zeit wird gemessen und daraus die Kapazität bestimmt. Bei kleinen Kapazitäten ergeben sich hierbei Probleme mit der Messung der sehr kleinen Ströme und der sehr kurzen Messzeiten. Kapazitäten können auch in einer Brückenschaltung in Anlehnung an Wheatstone gemessen werden. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Mess-Schaltung bei welcher ein Diodenarray als Gleichrichter verwendet wird. In einem solchen Schaltungskonzept wird eine amplitudenstabilisierte Sinusquelle eingesetzt. Dies kann beispielsweise ein amplitudenstabilisierter Wien-Oszillator sein. Zusätzlich müssen hierbei die vergleichsweise grossen Temperaturkoeffizienten der Gleichrichter berücksichtigt werden. Ein derartiges Schaltungskonzept führt zu einer aufwendigen Schaltungstechnik. Kapazitive Membrandruckmesszellen werden in Vakuumprozessen zur exakten Druckbestimmung eingesetzt. Derartige Vakuumprozesse umfassen verschiedenste Verfahren, wie beispielsweise Beschichtungsprozesse, Ätzprozesse, thermische Behandlung von Werkstücken etc. Diese Prozesse werden oft auch mit unterstützenden Gasen betrieben, die sowohl aktiv als Reaktivgas oder auch als Inertgas im Prozess benötigt werden. Die Gase werden hierzu dem Vakuumsystem über ein Druck- bzw. Flussregelsystem zugeführt. Eine kapazitive Membrandruckmesszelle kann, in diesem Fall, als Drucksensor für das Regelsystem dienen. Für eine präzise Prozessführung ist es notwendig, dass die Membrandruckmesszelle möglichst präzise misst aber insbesondere auch schnell misst.
Eine weitere wichtige Anwendung derartiger Membrandruckmesszellen ist auch das Kalibrieren von Hochvakuumdruckmesszellen der verschiedensten Bauart, wie beispielsweise der Art Pirani, Penning, Membrandruckmesszellen etc. In diesem Fall kann eine Membrandruckmesszelle als Referenzdruckmesszelle dienen zur Abgleichung mit den zu kalibrierenden Messzellen, beispielsweise durch Vergleichsmessung. Eine wichtige bekannte Methode ist auch bekannt geworden als statisches Expansionsverfahren welches genauer beschrieben ist in dem Buch "Wutz, Handbuch Vakuumtechnik" (10. Auflage, Karl Jousten (Hrsg.), Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0695-6).
Bei der Anwendung der kapazitiven Membrandruckmesszelle als Referenzdruckmesszelle in Kalibriereinrichtungen ist neben der Messpräzision insbesondere auch eine hohe Messgeschwindigkeit wichtig, um möglichst bei Druckänderungen die tatsächlich aktuellen Druckwerte auch mit hoher Genauigkeit erfassen zu können. Auch die Temperatureinflüsse auf die Messgenauigkeit der Referenzdruck- messzelle sind hierbei wichtig und müssen möglichst gut beherrscht werden.
Die heute bekannten Membrandruckmesszellenanordnungen sind diesbezüglich langsam und liegen bei Messzeiten, die grösser sind als 8 ms oder sogar grösser als 30ms. Auch ist die erzielbare Messgenauigkeit von 0.15% bis 0.4% vom Messwert oft ungenügend, vor allem über grössere Temperaturbereiche von 5 bis 220 °C. Der zu messende Messbereich bzw. die maximal messbare Kapazität der Membrandruckmesszelle ist beschränkt beim Einsatz von bekannten Mikrochips für die Messelektronik (z.B. 21 pF für AD7745). Dies schränkt den Herstellspielraum ein bzw. vermindert die entsprechende Ausbeute drastisch und erhöht somit die Herstellkosten.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die Messgeschwindigkeit einer Membrandruckmesszellenanordnung wesentlich zu erhöhen. Die Messpräzision und die Reproduzierbarkeit, sowie die Stabilität der Messzelle soll zusätzlich verbessert werden, dies insbesondere mit Blick auf das Temperaturverhalten der Membrandruckmesszellenanordnung. Aus- serdem soll die Messzellenanordnung wirtschaftlich herstellbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das Verfahren zur Vakuumdruckmessung mit einer Messzellenanordnung nach Anspruch 1 gelöst, sowie durch eine Messzellenanordnung nach Anspruch 18. Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Vakuumdruckmessung mit einer Messzellenanordnung enthält eine kapazitive Membrandruckmesszelle zur Messung von Vakuum mit einer Membran als Druckwandler, wobei auf der einen Seite der Membran beabstandet ein erster Gehäusekörper im Randbereich mit einem Verbindungsmittel dichtend angeordnet ist, derart dass dazwischen ein Referenzva- kuumraum ausgebildet ist, und dass auf der anderen Seite der Membran beab- standet ein zweiter Gehäusekörper im Randbereich mit einem Verbindungsmittel dichtend angeordnet ist, derart dass dazwischen ein Messvakuumraum ausgebildet ist, und dass der zweite Gehäusekörper eine Öffnung aufweist an der Anschlussmittel mit Verbindungsmittel dichtend angeordnet sind zur kommunizieren- den Verbindung des Messvakuumraumes mit dem zu messenden Medium, wobei innerhalb des Referenzvakuumraumes zumindest ein Teil mindestens der Oberfläche der Membran und gegenüberliegend zumindest ein Teil mindestens der Oberfläche des ersten Gehäusekörpers je elektrisch leitend ausgebildet wird und Kondensatorelektroden bilden zur Ausbildung einer elektrischen Kapazität (Cx) und dass die Messzellenanordnung eine Leiterplatte (10) aufweist, die mit elektronischen Komponenten bestückt ist und mindestens eine davon als Temperatursensor wirkt, wobei die Leiterplatte mit den Kondensatorelektroden der Membrandruckmesszelle elektrisch verbunden ist, wobei die Leiterplatte derart gegenüber der Membrandruckmesszelle positioniert angeordnet wird, dass diejenige Kompo- nente, die als Temperatursensor wirkt den ersten Gehäusekörper über eine Wärmeübergangszone thermisch kontaktiert und dass eine weitere elektronische Komponente als Mikrochip ausgebildet ist und dieser einen Digitalen Signal Prozessor (DSP) enthält mit einem Temperatur zu Digital Converter (TDC) und einem Kapazitäts zu Digital Converter (CDC) der nach dem Zeitmessverfahren arbeitet, welche die Temperatur (Tx) und die Kapazität (Cx) der Membrandruckmesszelle ermitteln im Vergleich mit einem an der Leiterplatte angeordnetem Referenzwiderstand (Rre für die Temperatur und einem Referenzkondensator (Cref) für die Kapazität (Cx), welche das Mass bildet für den zu messenden Druck abhängig von der Deformation der Membran wobei aus beiden gemessenen Signalen mit Korre- lationsmitteln, welche vorgängig aus einem Kalibriervorgang ermittelt wurden, ein Temperatur korrigiertes Drucksignal abgeleitet wird, welches als Drucksignal p=f(Cx,Teff) am Signalausgang ausgegeben wird zur weiteren Verarbeitung.
Die durch die Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur und / oder für das Drucksignal können als Tabelle in einem Speicher abgelegt werden oder aber auch als mathematische Funktion Teff=f(Tx) und / oder Peff=f(Cx). Die Verwendung der mathematischen Funktion, insbesondere für das Drucksignal, ist bevorzugt. Wobei besonders vorteilhaft beides, die Werte für die Temperaturkorrektur wie auch für die Ermittlung des Drucksignales, je die mathematische Funktion verwendet wird. Bei diesem Kalibrierungsvorgang zur Bestimmung des effek- tiven Drucksignales werden die Korrekturwerte der ermittelten Temperaturabweichung zusätzlich dem Drucksignal derart überlagert, dass dieses über den zu messenden Druckbereich und jeweiligen Temperaturbereich, welcher die Memb- randruckmesszelle ausgesetzt ist, korrigiert wird. Der Kalibriervorgang findet für jede einzelne Messzelle statt und die ermittelten Werte für die Temperaturkorrek- tur und das angepasste Drucksignal werden im Speicher der, der Membrandruck- messzelle zugehörigen Elektronik gespeichert. Diese Elektronik ist unmittelbar hinter der Membrandruckmesszelle angebracht und auf einer Leiterplatte angeordnet. Auf dieser Leiterplatte befindet sich ein Mikrochip der die gesamte Signalbearbeitung inklusive Kapazitätsmessung ausführt. Ausserdem ist ein Referenz- kondensator (Cref) darauf angeordnet und verbunden mit dem Mikrochip für die Kapazitätsmessung, sowie ein Referenzwiderstand (Rref) angeordnet und verbunden mit dem Mikrochip für die Temperaturmessung. Ein separater Temperatursensor kann vorgesehen werden zur Messung der Temperatur an der Membrandruckmesszelle. Dieser wird dann derart angeordnet, dass er die Membrandruck- messzelle thermisch kontaktiert. Es ist allerdings besonders vorteilhaft wenn ohne diesen Temperatursensor gearbeitet wird und der Mikrochip, neben all seinen anderen Funktionen, selber als Temperatursensor verwendet wird und dann im Kontakt mit der Membrandruckmesszelle positioniert wird. Dies ermöglicht eine besonders präzise Temperaturerfassung. Die Membran und der erste Gehäusekörper können ganz oder teilweise aus einem elektrisch leitenden Material, wie einem Metall hergestellt werden. Es ist allerdings deutlich bevorzugt diese mindestens zum Teil, vorzugsweise vollständig, aus einem dielektrischen Material zu fertigen. Dazu ist besonders die Verwendung von Aluminiumoxid geeignet. In diesem Fall werden die Elektroden als elektrisch leitende Schicht auf die Oberfläche Membran und die Oberfläche des gegenüberliegenden ersten Gehäusekörpers aufgebracht. Es ist hierbei auch vorteilhaft wenn der zweite Gehäusekörper ebenfalls aus dem gleichen Material gefertigt ist wie der erste Gehäusekörper und diese plattenförmig ausgebildet sind, beispielsweise scheibenförmig. Auch sollte die Membrandruckmesszelle möglichst symmetrisch aufgebaut werden. Mit einem derartigen Verfahren zur Vakuumdruckmessung können nun wesentlich schnellere Messzeiten bzw. Zykluszeiten erzielt werden die unter 8ms liegen, bevorzugt unter 1ms und sogar bis zu 500ps reichen können.
Der zu messbare Kapazitätsbereich wird wesentlich erweitert und liegt nun im Bereich von 0.1 pF bis 50 pF oder sogar bei 0.1 pF bis 1000 pF (1nF) oder gar dar- über.
Die Verbesserung der Temperaturkompensation und Linearisierung kann verbessert werden derart, dass Fehler unter 0.1% F.S. (füll scale) auch über einen grossen Temperaturbereich, wie -40°C bis 450°C ermöglicht werden.
Die Anforderungen an die verwendete Messzellenanordnung werden bei der prak- tischen Anwendung bzw. bei der Handhabung in Bezug auf Druck und Temperatur hiermit auch wesentlich vereinfacht.
Eine schnelle Erfassung des Vakuumdruckes ist bei vielen Druckmessanwendungen sehr vorteilhaft und ermöglicht präzisere Verfahrensführungen.
Beispielsweise kann die Messzellenanordnung mit Vorteil als Referenzmessan- Ordnung verwendet werden zur Kalibrierung von Vakuummesszellen, insbesondere nach dem Verfahren durch statische Expansion. Hierbei ist es wichtig, dass die Messung für die zu vergleichenden Druckwerte für den Kalibrierungsvorgang möglichst zeitgleich vorgenommen werden können, wodurch eine höhere Eichgenauigkeit erzielbar wird. Ein besonders wichtiger Einsatzbereich ist die Druckmessung in Vakuumprozesssystemen. Dort werden Druckmesszellen zur Prozessüberwachung aber auch in Druckregelsystemen eingesetzt. Bei Druckregelsystemen ist die schnelle Druckerfassung des Prozessdruckes sehr wichtig, um präzise Ergebnisse im Prozess zu erreichen. Typische Prozesse sind hierbei Beschichtungsprozesse, Ätzprozesse, thermische Vakuumbehandlungen etc. Hierbei muss einerseits der Totaldruck des Vakuums erfasst werden und es werden zusätzlich oft geeignete Prozessgase eingesetzt bzw. zugeführt, die entsprechend in der Prozessführung Verwendung finden. Neben Inertgasen wie beispielsweise Argon werden in derartigen Prozes- sen oft auch Reaktivgase verwendet, die im Prozess umgesetzt werden. Dies insbesondere in Plasmaprozessen, aber auch in CVD - Prozessen (Chemical Vapor Deposition) und anderen. Hierbei werden die beteiligten Reaktivgase gewisser- massen verzehrt und gar im Endprodukt, beispielsweise einer Beschichtung, eingebaut. Mit einer schnellen Erfassung des Gasdruckes der beteiligten Gase mit der Druckmesszelle, gemäss vorliegender Erfindung, können nun Gasregelsysteme für Vakuumprozesse realisiert werden, die es ermöglichen wesentlich präzisere Ergebnisse zu erreichen, wie beispielsweise präzisere Zusammensetzung von abgeschiedenen Schichten, oder präzisere Ätzstrukturen. Dabei kann beispielsweise auch die Verschwendung von Gas reduziert werden und es können Kosten eingespart werden. Besonders wichtig ist diese Anwendung für die Halbleiterindustrie.
Die Erfindung wird nun anhand von Figuren schematisch und beispielsweise beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch und im Querschnitt eine Messzellenanordnung mit einer kapazitiven Membrandruckmesszelle und mit einer elektronische Schaltungsanordnung zur Signalaufbereitung gemäss der Erfindung,
Fig. 2a schematisch und im Querschnitt die kapazitive Membrandruckmesszelle im Detail mit der Anordnung der Leiterplatte mit den daran angeordneten wichtigen elektronischen Bauelementen, wobei ein externer Temperatursensor daran angeordnet ist der die Membrandruckmesszelle thermisch kontaktiert,
Fig. 2b schematisch und im Querschnitt die kapazitive Membrandruckmesszelle im Detail entsprechend der Figur 2a, wobei der Mikrochip als Temperatur- sensor derart auf der Leiterplatte angeordnet ist, dass dieser die Memb- randruckmesszelle thermisch kontaktiert und wobei der Referenzkondensator auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist, Fig. 2c schematisch und im Querschnitt die kapazitive Membrandruckmesszelle im Detail entsprechend der Figur 2a, wobei der Mikrochip als Temperatursensor derart auf der Leiterplatte angeordnet ist, dass dieser die Membrandruckmesszelle thermisch kontaktiert und wobei der Referenzkondensator auf der Oberseite der Leiterplatte angeordnet ist,
Fig. 3 schematisch ein Schema für die Beschaltung von zwei Messzellenanordnungen zur Signalaufbereitung mit beispielsweise synchronisiertem Betrieb, Fig. 4 schematisch ein Schema für den Betrieb von zwei Messzellenanordnungen mit Signalaufbereitung entsprechend der Figur 3 in der Anwendung bei der Druckbestimmung bzw. Kalibration nach dem Verfahren durch statische Expansion. Der grundsätzliche Aufbau einer Messzellenanordnung 100, gemäss der vorliegenden Erfindung, zur schnellen Vakuumdruckmessung, die eine hohe Messgeschwindigkeit ermöglicht ist schematisch in der Figur 1 dargestellt.
Die Messzellenanordnung 100 enthält eine kapazitive Membrandruckmesszelle 20 mit allen notwendigen elektronischen Komponenten 12, 14 zur Aufbereitung des Drucksignales der Messzellenanordnung 100, welche gegenüber dieser in einer speziellen Konfiguration angeordnet ist und somit ermöglicht an einer Schnittstelle 16 ein präzises, korrigiertes Drucksignal mit hoher Messgeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen. Diese Messzellenanordnung 100 ist in einem Gehäuse untergebracht und bildet eine Komponente, die in bekannter Weise an Vakuumleitungen und Vakuumkammern angebracht werden kann zur Messung von Vakuumdruck bzw. Gasdruck in Vakuumprozessen. Das aufbereitete Drucksignal, das nun hoch präzis dem tatsächlichen zu messenden Druck entspricht wird an der Schnittstelle 16, beispielsweise über eine Steckerverbindung, die als Interface l/F ausgebildet ist, abgenommen. Dieses Signal kann dann, beispielsweise einer Signalaufbereitungseinheit 200 zugeführt werden, die das Signal in eine weitere gewünschte verarbeitbare Form bringt abhängig der weiter zu bearbeitenden Prozesse, wie dies beispielsweise in der Figur 3 dargestellt ist. Dieses weiter aufbereitete Signal kann schlussendlich einem übergeordneten Computersystem zur Datenverarbeitung 300 zugeführt werden.
Die Signalaufbereitungseinheit 200 ermöglicht bei asynchronen Betrieb, d.h. die Messzelleneinheiten liefern die Daten zu ihrer eigenen Zeit und Geschwindigkeit, die Aufbereitung der Daten so, dass sie einen gemeinsamen Zeitstempel, der von der Real Time Clock generiert wird, haben. Die in paraller Weise eintreffenden Daten werden durch die Signalaufbereitungseinheit in ein geeignetes Datenfileformat gebracht, um sie dann in sequentieller Weise an das Datenverarbeitungs- System 300 zu übergeben, wo die Daten gespeichert und ausgewertet werden können. Bei synchronem Betrieb werden die Messzellenanordnungen von der Signalaufbereitungseinheit 200 getriggert, damit die Datenerfassung zeitgleich stattfinden kann. Die Signalaufbereitungseinheit sorgt im Weiteren für den geeigneten Datentransfer an den Computer, wo die Daten gespeichert werden können und auch analysiert oder ausgewertet werden können.
Es ist wichtig, dass die Elektronischen Komponenten 12, 14, der Messzellenanordnung 100 möglichst nahe neben der Membrandruckmesszelle 20 angeordnet, vorzugsweise direkt dahinter, also gegenüber der Messöffnung 27. Die kurzen Verbindungswege ermöglichen geringe parasitäre Kapazitäten der Zuleitungen zur Elektronik und eine thermische Kopplung mit dem Gehäuse 1 , 4 der Membrandruckmesszelle 20. Dadurch ist es möglich die sehr kleinen Kapazitäten Cx und Kapazitätsänderungen der kapazitiven Membrandruckmesszelle 20, bei der hohen zu messenden Auflösung, erst präzise erfassen und auswerten zu können, wobei die thermische Kopplung das Temperaturverhalten der Anordnung erfassen lässt für weitere Korrekturmassnahmen, aber auch den Temperaturgleichlauf der beteiligten Komponenten in sich und mit der Messzelle gewährleistet.
Zumindest alle aktiven Komponenten werden hierzu auf einer einzigen kleinen Leiterplatte 10 angeordnet, welche unmittelbar neben oder vorzugsweise hinter der Membrandruckmesszelle angeordnet ist. Die Leiterplatte weist Anschlüsse 6, 6' auf weiche die Kondensatorelektroden 7, T der Membrandruckmesszelle 20 mit einem Mikrochip 12 auf der Leiterplatte 10 verbinden. An der Leiterplatte 0 kann ein Temperatursensor 14 vorgesehen werden zur Erfassung der Temperatur der Membrandruckmesszelle 20. Besonders geeignet für derartige Temperatursenso- ren 14 sind Platinwiderstände, wie beispielsweise der Art Pt1000 oder Pt100. In diesem Fall ist der Temperatursensor 14 mit der Leiterplatte 10 derart angeordnet, dass dieser die Membrandruckmesszelle 20 berührt und eine Wärmeübergangszone 13 gebildet wird für einen guten Wärmeübergang. In diesem Bereich der Wärmeübergangszone können auch zusätzliche Wärmeleitmittel, wie Wärmeleit- pasten, Silikonpads etc., angeordnet werden. Anstelle des externen Temperatursensors 14 wird hingegen bevorzugt der Mikrochip 12 selbst zur Temperaturerfassung verwendet, wobei dann der Mikrochip 12 selber direkt im Kontakt mit der Membrandruckmesszelle 20 angeordnet wird zur Temperaturmessung. In diesem Fall wird der externe Temperatursensor 14 mit den Verbindungsleitungen auf der Leiterplatte 10 nicht benötigt, da Temperatur empfindliche Komponenten innerhalb des Mikrochip 12 diese Aufgabe übernehmen durch entsprechende Programmierung der im Mikrochip abgelegten Software. Dadurch kann die Präzision der Temperaturmessung und somit des korrigierten Drucksignales weiter erhöht werden. Ausserdem wird die Anordnung weiter vereinfacht. Der dem Mikrochip 12 enthält einen CDC (Capacitance to Digital Converter), der die druckabhängige Kapazität Cx der Membrandruckmesszelle 20, nach dem Ent- ladungs- Zeitmessverfahren, misst und präzise in ein digitales Signal konvertiert zur Weiterverarbeitung innerhalb des Mikrochips 12. Weiters enthält der Mikrochip 12 einen TDC (Temperature to Digital Converter), der die gemessene Temperatur Tx an der Membrandruckmesszelle 20 präzise in ein digitales Signal konvertiert zur Weiterverarbeitung innerhalb des Mikrochips 12, wobei die Temperaturerfassung über einen externen Temperatursensor 14 oder vorzugsweise über den Mik- rochip 12 selbst, der dann als Temperatursensor dient, erfolgt. Auf dem Mikrochip ist auch ein DSP (Digitaler Signal Prozessor) und ein Memory als Datenspeicher enthalten. Der DSP verarbeitet die gemessenen Temperatursignale und die Kapazitätssignale nach vorgegebenem Programm, wodurch diese Signale entsprechend den zuvor ermittelten Kalibrierdaten und mit zusätzlichen Korrekturalgorithmen zu einem präzisen Drucksignal aufgearbeitet werden. Es findet neben der Korrektur der Prinzip eigenen Anpassung der Kapazitätsmessung eine überlagerte Korrektur statt entsprechend der spezifisch bei einem Kalibriervorgang ermittelten Werte für jede einzelne Membrandruckmesszelle 20, sowohl für Temperatur wie auch für die gemessene druckabhängige Kapazität. Auf dem Memory werden die Software für den Betrieb des DSP und die Kalibrierdaten der Membrandruckmesszelle 20 abgelegt. Über einen Input - Output Schnittstelle I/O wird nach aussen kommuniziert. Es wichtig, dass all diese Elemente auf einem einzelnen Mikrochip 12 integriert angeordnet sind. Zusätzlich sind an der Leiterplatte 12 ein Referenzwiderstand Rref und ein Referenzkondensator Cref angeordnet welche mit dem Mikrochip möglichst direkt verbunden sind und dem Mikrochip 12 bei der Bestimmung der Temperaturwerte und der Kapazitätswerte der Membrandruckmesszelle 20 dienen. Diese beiden Bauteile müssen von hoher Qualität sein und sehr genaue Werte aufweisen und können nicht auf dem Mikrochip 12 selbst integriert sein. Diese müssen auch sorgfältig an der Leiterplatte montiert sein, um eine gute Langzeitstabilität gewährleisten zu können, was insbesondere für den Referenzkondensator Cref besonders wichtig ist. Damit können die gewünschten schnellen Messzyklen erzielt werden, auch unter Berücksichtigung des komplizierten Temperaturverhaltens der Messzellenanordnung 100, insbesondere der kapazitiven Membrandruckmesszelle 20, womit gleichzeitig ein präzises Drucksignal über die weiten zu messenden Druckbereiche ermöglicht wird welches entsprechend genau mit dem zu messenden Vakuumdruck korreliert. In den Figuren 2a bis 2c ist beispielsweise, schematisch und im Querschnitt, eine bevorzugte Membrandruckmesszelle 20 etwas detaillierter dargestellt, wobei un- terschiedliche Anordnungen der Leiterplatte mit den elektronischen Komponenten gezeigt werden.
Eine bevorzugte kapazitive Membrandruckmesszelle 20 ist im Wesentlichen vollständig um die Membran symmetrisch angeordnet aufgebaut. Der erste Gehäuse- körper 1 ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet und in einem Abstand von 2pm bis 50pm gegenüber der Membran 2 im Randbereich dichtend verbunden angeordnet. Der hierbei gebildete Raum schliesst einen Referenzvakuumraum 25 ein. Der Abstand zwischen den beiden Flächen wird in der Regel direkt beim Montieren über das Dichtungsmaterial 3 oder durch einen stufenförmigen Rand, aus- gebildet an einem oder an beiden Körpern, der zwischen dem Membranrand und dem Gehäuserand liegt, eingestellt. Auf die gleiche Art und Weise wird mit einem zweiten Gehäusekörper 4 auf der gegenüberliegenden Membranseite ein Messvakuumraum 26 ausgebildet, welcher über Anschlussmittel 5, 27 durch eine Messöffnung 27 im zweiten Gehäusekörper 4 für die zu messende Medien er- reichbar ist. Die Anschlussmittel können als Stutzen 5 mit einer Verbindungsleitung oder als Rohr die eine Messzuleitung 27' bilden ausgebildet werden und sind mit Verbindungsmitteln dichtend mit dem zweiten Gehäusekörper 4 verbunden. Die beiden Gehäusekörper 1 , 4 und die Membran 2 bestehen vorzugsweise aus Al203. Zur Aufrechterhaltung eines langzeitstabilen Vakuums hoher Qualität im Referenzvakuumraum 25 wird mit Vorteil am ersten Gehäusekörper 1 ein Getter- raum 8 angeordnet, der einen Getter 8' enthält und mit dem Referenzvakuumraum 25 in Verbindung steht.
Bei einer typischen Membrandruckmesszelle 20 als Beispiel mit einem Aussen- durchmesser von 38 mm mit einem freien Membran - Innendurchmesser von 30 mm beträgt der Abstand 3 etwa 2 bis 50μηη, vorzugsweise 8 bis 37pm. Hierbei ist beispielsweise der erste Gehäusekörper 1 5 mm dick und der zweite Gehäusekörper 4 5 mm dick. Der zweite Gehäusekörper 4 wird vorzugsweise im Innenbereich an der Peripherie mit einer ca. 0,5 mm tiefen Ausnehmung versehen zur Bildung einer Stufe, um den Messvakuumraum 26 zu vergrössern. Die Membran 2 und das Gehäuse 1 sind referenzvakuumraumseitig, zur Bildung einer kapazitiven Membrandruckmesszelle 20, mit je einer elektrisch leitenden Schicht 7, 7' beschichtet. Die beiden Schichten stehen miteinander elektrisch nicht in Verbindung und bilden dadurch die Kondensatorelektroden 7, T der Kondensatoranordnung mit der Kapazität Cx. Die elektrischen Anschlüsse der leitenden Schichten 7, T erfolgen vorzugsweise mit vakuumdichten, elektrisch leitenden Durchführungen, vorzugsweise durch den Gehäusekörper 1 , wo sie dann mit der Auswertelektronik, insbesondere dem Mikrochip 12 auf der Leiterplatte 10, verbunden werden können.
In der Figur 2a ist beispielsweise eine Messzellenanordnung 100 dargestellt bei der ein externer Temperatursensor 14 als einzelnes Bauteil verwendet wird zur Temperaturerfassung an der Membrandruckmesszelle 20. Hierbei ist der Temperatursensor 14 auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnet und steht im Kontakt mit der Membrandruckmesszelle 20. Im Kontaktbereich befindet sich die Wärmeübergangszone 13 wo der direkte Wärmeübergang stattfindet. Es ist von Vorteil wenn der Temperatursensor 14 nahe zum Mikrochip 12 positioniert, vorzugsweise gegenüber liegend. Hier ist der Temperatursensor 14 beispielsweise unterhalb der Leiterplatte 10 positioniert und der Mikrochip 12 darüber.
Zusätzlich ist in der Figur 2a dargestellt wie der Referenzkondensator Cref möglichst nahe beim Mikrochip 12 angeordnet ist. Um den Kapazitätswert dieses Refe- renzkondensators Cref möglichst stabil und reproduzierbar halten zu können, auch über lange Betriebszeit, wird mit Vorteil unter diesem Bauteil, zwischen den beiden Anschlüssen, eine Öffnung 15 an der Leiterplatte 12 vorgesehen. Dadurch können dort Ablagerungen und allfällige Feuchtigkeitsschwankungen verringert werden, die einen ungünstigen Einfluss auf das hochempfindliche Bauelement ausüben können. Diese Montageanordnung ist in den Figuren 2a bis 2c dargestellt, wobei der Referenzkondensator Cref sowohl auf der Oberseite der Leiterplatte 12, wie in der Figur 2a und 2c dargestellt, aber auch auf der Unterseite gemäss der Figur 2b angeordnet werden kann.
Eine weitere Anordnung, wo der Mikrochip 12 gleichzeitig selber als Temperatur- sensor wirkt ist in der Figur 2b und 2c dargestellt. In diesem Fall wird der Mikro- chip 12 auf der Unterseite der Leiterplatte 10 angeordnet und steht direkt in thermischem Kontakt mit der Membrandruckmesszelle 20. Wie bereits erwähnt ist dies eine bevorzugte Anwendung, da diese besonders gute Resultate liefert.
Ein Beispiel einer besonders bevorzugten Verfahren für eine präzise und schnelle Vakuumdruckmessung beinhaltet eine Messzellenanordnung 100 enthaltend eine kapazitive Membrandruckmesszelle 20 zur Messung von Vakuum mit einer Membran 2 als Druckwandler, wobei auf der einen Seite der Membran 2 beabstandet ein erster Gehäusekörper 1 im Randbereich mit einem Verbindungsmittel 3' dichtend angeordnet ist, derart dass dazwischen ein Referenzvakuumraum 25 ausgebildet ist, und dass auf der anderen Seite der Membran 2 beabstandet ein zweiter Gehäusekörper 4 im Randbereich mit einem Verbindungsmittel 3 dichtend angeordnet ist, derart dass dazwischen ein Messvakuumraum 26 ausgebildet ist, und dass der zweite Gehäusekörper 4 eine Öffnung 27 aufweist an der Anschlussmittel 5 mit Verbindungsmittel 27' dichtend angeordnet sind zur kommunizierenden Verbindung des Messvakuumraumes 26 mit dem zu messenden Medium, wobei innerhalb des Referenzvakuumraumes 25 zumindest ein Teil mindestens der Oberfläche der Membran 2 und gegenüberliegend zumindest ein Teil mindestens der Oberfläche des ersten Gehäusekörpers 1 je elektrisch leitend ausgebildet wird und Kondensatorelektroden 7, 7' bilden zur Ausbildung einer elektrischen Kapazität (Cx) und dass die Messzellenanordnung 100 eine Leiterplatte 10 aufweist, die mit elektronischen Komponenten 12, 14, Rref, Cref bestückt ist und mindestens eine davon als Temperatursensor wirkt, wobei die Leiterplatte 10 mit den Kondensatorelektroden 7, T der Membrandruckmesszelle 20 elektrisch verbunden ist. Hierbei wird die Leiterplatte 10 derart gegenüber der Membrandruckmesszelle 20 positio- niert angeordnet, dass diejenige Komponente, die als Temperatursensor wirkt den ersten Gehäusekörper über eine Wärmeübergangszone 13 thermisch kontaktiert und dass eine weitere elektronische Komponente als Mikrochip 12 ausgebildet ist und dieser einen Digitalen Signal Prozessor (DSP) enthält mit einem Temperatur zu Digital Converter (TDC) und einem Kapazitäts zu Digital Converter (CDC) der nach dem Zeitmessverfahren arbeitet, welche die Temperatur Tx und die Kapazität Cx der Membrandruckmesszelle 20 ermitteln im Vergleich mit einem an der Leiterplatte angeordnetem Referenzwiderstand Rref für die Temperatur und einem Referenzkondensator Cref für die Kapazität Cx, welche das Mass bildet für den zu messenden Druck abhängig von der Deformation der Membran 2, wobei aus beiden gemessenen Signalen mit Korrelationsmitteln, welche vorgängig aus einem Kalibriervorgang ermittelt wurden, ein Temperatur korrigiertes Drucksignal abgeleitet wird, welches als Drucksignal p=f(Cx,Teff) am Signalausgang 16 ausgegeben wird zur weiteren Verarbeitung.
Für die Auswertung der für jede Membrandruckmesszelle 20 durch die Kalibrie- rung ermittelten Werte können folgende Kombinationen verwendet werden:
Die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur und für das Drucksignal können als Tabelle in einem Speicher (memory) innerhalb des Mikro- chips 12 abgespeichert werden.
Die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur und das Drucksignal können auch als mathematische Funktion Teff=f(Tx) und Peff=f(Cx) in einem Speicher (memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden.
Die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur können auch als Tabelle in einem Speicher (memory) innerhalb des Mikrochips 12 abgespei- chert werden und die durch Kalibrierung ermittelten Werte für das Drucksignal als mathematische Funktion Peff=f(Cx) in einem Speicher (memory) innerhalb des Mikrochips 12 abgespeichert werden.
Die durch Kalibrierung ermittelten Werte für das Drucksignal können als Tabelle in einem Speiche (memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden und die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur können als mathematische Funktion
Figure imgf000019_0001
in einem Speicher (memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden.
Das Drucksignal, aus der, mit dem Kapazitäts zu Digital Converter (CDC), gemessenen Kapazität Cx der Membrandruckmesszelle 20, und dem, mit dem Tem- peratur zu Digital Converter (TDC), gemessenen Temperaturwert Tx mit den Korrelationsmitteln innerhalb desselben Mikrochips 12 mit einem Digitalen Signal Pro- zessor (DSP) verknüpft wird und als Druckwert am Signalausgang 16 ausgegeben wird.
Für jede Membrandruckmesszelle (20) werden die Kalibrierwerte separat ermittelt für die Korrektur der gemessenen Temperaturwerte und für die Bestimmung des Drucksignals und werden in den Speicher (memory) des Mikrochip 12 eingelesen. Der Messzyklus im Mikrochip 12 wird auf kleiner 8 ms eingestellt wird, vorzugsweise kleiner 1ms.
Die Signalqualität der gemessenen Drucksignale an der Kapazität Cx der kapaziti- ven Membrandruckzelle 20 und / oder des Temperatursignales Tx können mit Vorteil weiter verbessert werden, indem diese Signale mit einem zusätzlichen Algorithmus bearbeitet werden. Besonders Vorteilhaft wird hierbei das Signalrauschen behandelt. Um das Signalrauschen zu verkleinern, werden beispielsweise innerhalb eines Messzyklus mehrere Einzelmessungen durchgeführt und daraus der Mittelwert bestimmt. Der Mittelwert wird vom DSP berechnet. Es können auch andere Verfahren zur Rauschreduzierung als Mittelung verwendet werden. Aus diesem Mittelwert berechnet der DSP mittels einer geeigneten Rechenvorschrift den effektiven Druckmesswert. Diese Rechenvorschrift beschreibt den Zusammenhang zwischen der gemessenen Kapazitätswert Cx und dem entsprechenden Druckwert. Dieser Zusammenhang ist, wie bereits zuvor erwähnt, auch temperaturabhängig. Für eine möglichst genaue Druckmessung muss also auch die Sensor Temperatur gemessen und zur Korrektur des gemessenen Drucksignales berücksichtig werden.
Die Temperaturmessung geschieht beispielsweise über einen geeigneten tempe- raturempfindlichen Sensor wie z.B. einen Pt1000 Widerstand oder einen anderen elektrischen Widerstand. Besonders bevorzugt wird hierbei die Verwendung der internen Komponenten des Mikrochips 12 selbst als Temperatursensor. Das gemessene Temperatursignal vom Temperatursensor 14 oder vom Mikrochip 12 wird von einem Temperature-to-digital Converter (TDC) in ein digitales Signal ge- wandelt. Die Temperatur wird vorzugsweise in demselben Messzyklus gemessen wie die Kapazität. Da sich die Temperatur im Vergleich zum Druck weniger schnell ändert kann das Temperatursignal aufwändiger behandelt werden, wie beispielsweise und bevorzugt stark gefiltert.
Ein solcher Filter ist beispielsweise von der Form: R_gefiltert (n+1 ) = k*(R_gefiltert(n) + (1 -k)* Rx .
Mit k=0.99 kann das Signalrauschen auf beispielsweise kleiner 10 ppm (entspricht 0.001 °C) reduziert werden, während die Ansprechzeit sogar unterhalb von 1 s bleibt bei einer Messzeit von 1 ms.
Es kann auch ein anderer günstiger Filter verwendet werden. Die Filterung wird vom DSP nach vorgegebenem Algorithmus ausgeführt. Aus dieser gefilterten Temperatur berechnet der DSP mittels einer Rechen Vorschrift die effektive Temperatur. Bei Verwendung eines Pt1000 Temperatursensors lautet der Zusammenhang beispielsweise wie folgt:
(1) T_berechnet [°C] = a3 * R3 + a2 * R2 + a-i * R + ao Mit T_berechnet die aus den Messwerten berechnete Temperatur, R der gemessene und gefilterte Widerstand und den Koeffizienten:
a3 = 0.719405
a2 = 7.542922
ai = 238.616231
a0 = -246.878394
Zur Messung der Rohdaten (1. Schritt der Kalibration) werden die obigen Parameter verwendet, d.h. bei mindestens drei verschiedenen Temperaturen T atsächlich (z.B. 15°C, 30°C und 45°C) wird T_berechnet bestimmt.
Mittels einer geeigneten mathematischen Fit-Methode (Ausgleichungsrechnung), wie beispielsweise einem Least Square Fit, wird aus den berechneten Temperaturwerten (T_berechnet [°C] und tatsächliche Temperatur) eine Korrekturfunktion erster oder auch höherer Ordnung bestimmt. Diese beschreibt den Zusammenhang zwischen der tatsächlichen und der gemessenen Temperatur. Bei Verwen- dung von drei verschiedenen Kalibriertemperaturen ergibt sich eine Korrekturfunktion in der Form:
(2) T_tatsächlich = ki * T_berechnet + ko mit
T_tatsächlich: gesuchte Temperatur [°C]
ki: Resultat von Least Square Fit 1. Ordnung
ko: Resultat von Least Square Fit 1. Ordnung
ki entspricht dem "Gain" resp. Verstärkungs-Fehler der Messanordnung
k0 entspricht dem Offset" resp. Versatz-Fehler der Messanordnung
(1) in (2) eingesetzt ergibt:
T atsächlich = b3 * R3 + b2 * R2 + bi * R + b0 mit
b3 = a3 * k1
b2 = a2 * ki
bi = ai * ki
b0 = a0 * ki + k0 Im letzten Schritt werden die Werte a3..ao durch die Werte b3..bo ersetzt und auf dem Sensor gespeichert.
Auf ähnliche Weise können Signalfilteralgorithmen auch für die Verbesserung der Signalqualität des Druckmesssignales eingesetzt werden. Das gemessene Drucksignal und / oder Temperatursignal mit mindestens einem weiteren Algorithmus innerhalb des Mikrochips 12 mit dem Digitalen Signal Prozessor (DSP) bearbeitet zur Erhöhung der gemessenen Signalqualität und mit dem Drucksignal korreliert zur Erhöhung der Drucksignalqualität, die am Signalausgang 16 ausgegeben wird, wobei vorzugsweise mindestens einer der Algorithmen als Signalfilte- ralgorithmus ausgebildet ist. Die gefilterten Temperatursignale werden also mit dem gefilterten Druckmesssignal korreliert bzw. korrigiert, womit neben der Kalib- rierung, die zusätzlich erfolgt, das Drucksignal am Ausgang 16 der Messzellenanordnung 100 eine weiter erhöhte Qualität aufweist bezüglich Präzision.
Derartige Algorithmen können dank dem erfindungsgemässen Verfahren zusätzlich eingeführt werden, da die Anordnung der Komponenten in der Messzellenan- Ordnung 100 zusammen mit dem definierten Aufbau des Mikrochips 12, gemäss der Erfindung, eine raschere Signalaufbereitung ermöglicht.
Ein Algorithmus für Reduzierung des Signalrauschens ist besonders vorteilhaft, wie er beispielsweise zuvor beschrieben wurde. Signalrauschreduzierung bewirkt eine stabilere Signalausgabe, da die Daten z.B. gemittelt oder eben gefiltert werden. Sie ermöglicht auch noch bei kleinem Signal zu Rauschabstand oder sogar noch bei S/N < 1 brauchbare Messwerte zu erhalten, und damit den Messbereich zu erweitern.
Es kann nicht nur das Temperatursignal, sondern mit Vorteil auch die Kapazitäts - Drucksignale gefiltert werden. Eine raschere Signalaufbereitung wie sie die Messzellenanordnung 100 zusammen mit dem definierten Aufbau des Mikrochips 12 erlaubt, ermöglicht nun auch eine aufwändigere Filterung und damit einhergehend auch eine Ausweitung des Messbereichs oder eine bessere Datenqualität, sogar in industriellen Umgebungen, wo es mehr unerwünschte Störeinflüsse auf die Sensoren gibt.
In der Figur 3 ist schematisch die Beschaltung von zwei Messzellenanordnungen 100 zur Signalaufbereitung mit beispielsweise möglichst zeitgleichen, synchronisiertem Betrieb der Erfassung der Druckmessung durch schnelle Erfassung der echten Druckverhältnisse im Vakuumprozess. Die Messzellenanordnung 100 wird hierbei als Referenzmessanordnung verwendet zur Kalibrierung von Vakuummesszellen, insbesondere nach dem Verfahren durch statische Expansion. Die Drucksignale der beiden Messzellenanordnungen 100 werden von deren Signalausgängen 16, 16' der Signalaufbereitungseinheit 200 zugeführt. Diese übernimmt die Drucksignale über die vorhandenen Interface 17, 17' und werden mit einem FPGA (Field Programmable Array), das durch einen Real Time Clock getaktet wird und einem folgenden Processor verarbeitet und über das Interface 18 weiter- gegeben. Daran angeschlossen kann eine Einheit zur Datenverarbeitung 300 mit einem Interface 19 und einem Computer die weitere Auswertung der Daten (Data) vornehmen. Die erfindungsgemässe Messzellenanordnungen 100 ist gut geeignet für die Kalibrierung von anderen Vakuumdruckmesszellen, wegen der hohen Präzision der Messung, die erreicht werden kann und dies bei hoher Geschwindigkeit des Messvorganges. Besonders geeignet ist hierbei der Einsatz beim Kalibrierungsverfahren von Messzellen nach dem Verfahren durch statische Expansion.
Bei dem Kalibrierungsverfahren von Messzellen nach dem Verfahren durch statische Expansion werden beispielsweise, entsprechend der Darstellung nach der Figur 4, zwei Vakuumkammern 30, 31 verwendet, wobei die zweite Vakuumkammer 31 mit einer Vakuumpumpe 32 evakuiert wird. Diese Vakuumkammern 30, 31 sind über eine zweite Leitung 37, mit einer dazwischen geschaltete Blende 34 und einem zweiten Ventil 36, miteinander verbunden. Die erste Vakuumkammer 30 ist über eine erste Leitung 33 mit einem ersten Ventil 35 mit der Gaszuführung bzw. Atmosphäre verbunden. An jeder der Vakuumkammern 30, 31 ist je eine Messzellenanordnung 20, 20' als Referenzmessanordnung angeordnet, wobei diese vorzugsweise mit einer Signalaufbereitungseinheit 200 zeitsynchronisiert bzw. mög- liehst zeitsynchron wegen der nun möglichen schnellen Messzyklen betrieben werden können. Die zu prüfenden Messzellen können als Messzellenprüflinge 40, 41 je mit an den Vakuumkammern 30, 31 angeordnet werden.
Eine weitere besonders Vorteilhafte Anwendung ist die Verwendung der erfin- dungsgemässen Messzellenanordnung 100 in einem Gasdruckregelsystem zur präzisen Regelung und Einstellung des Gasdruckes in einem Vakuumprozesssystem. Dies ermöglicht dank der schnellen und präzisen Messung eine sehr präzise Prozessführung der Vakuumprozesse.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Vakuumdruckmessung mit einer Messzellenanordnung (100) enthaltend eine kapazitive Membrandruckmesszelle (20) zur Messung von Vakuum mit einer Membran (2) als Druckwandler, wobei auf der einen Seite der Membran (2) beabstandet ein erster Gehäusekörper (1) im Randbereich mit einem Verbindungsmittel (3') dichtend angeordnet ist, derart dass dazwischen ein Referenzvakuumraum (25) ausgebildet ist, und dass auf der anderen Seite der Membran (2) beabstandet ein zweiter Gehäusekörper (4) im Randbereich mit einem Verbindungsmittel (3) dichtend angeordnet ist, derart dass dazwischen ein Messvakuumraum (26) ausgebildet ist, und dass der zweite Gehäusekörper (4) eine Öffnung (27) aufweist an der Anschlussmittel (5) mit Verbindungsmittel dichtend angeordnet sind zur kommunizierenden Verbindung des Messvakuumraumes (26) mit dem zu messenden Medium, wobei innerhalb des Referenzvakuumraumes (25) zumindest ein Teil mindestens der Oberfläche der Membran (2) und gegenüberliegend zumindest ein Teil mindestens der Oberfläche des ersten Gehäusekörpers (1) je elektrisch leitend ausgebildet wird und Kondensatorelektroden (7, 7') bilden zur Ausbildung einer elektrischen Kapazität (Cx) und dass die Messzellenanordnung ( 00) eine Leiterplatte ( 0) aufweist, die mit elektronischen Komponenten (12, 14, Rref, Cref) bestückt ist und mindestens eine davon als Temperatursensor wirkt, wobei die Leiterplatte (10) mit den Kondensatorelektroden (7, 7') der Membrandruckmesszelle (20) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (10) derart gegenüber der Membrandruckmesszelle (20) positioniert angeordnet wird, dass diejenige Komponente, die als Temperatursensor wirkt den ersten Gehäusekörper über eine Wärmeübergangszone (13) thermisch kontaktiert und dass eine weitere elektronische Komponente als Mikrochip (12) ausgebildet ist und dieser einen Digitalen Signal Prozessor (DSP) enthält mit einem Temperatur zu Digital Converter (TDC) und einem Kapazitäts zu Digital Converter (CDC) der nach dem Zeitmessverfahren arbeitet, welche die Temperatur (Tx) und die Kapazität (Cx) der Membrandruckmesszelle (20) ermitteln im Vergleich mit einem an der Leiterplatte angeordnetem Referenzwiderstand (Rref) für die Temperatur und einem Referenzkondensator (Cref) für die Kapazität (Cx), welche das Mass bildet für den zu messenden Druck abhängig von der Deformation der Membran (2), wobei aus beiden gemessenen Signalen mit Korrelationsmitteln, welche vorgängig aus einem Kalibriervorgang ermittelt wurden, ein Temperatur korrigiertes Drucksignal abgeleitet wird, welches als Drucksignal p=f(Cx,Teff) am Signalausgang (16) ausgegeben wird zur weiteren Verarbeitung. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur und für das Drucksignal als Tabelle in einem Speicher (memory) innerhalb des Mikro- chips (12) abgespeichert werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur und das Drucksignal als mathematische Funktion Teff=f(Tx) und Peff=f(Cx) in einem Speicher (memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden. 4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur als Tabelle in einem Speicher (memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden und die durch Kalibrierung ermittelten Werte für das Drucksignal als mathematische Funktion Peff=f(Cx) in einem Speicher (memory) innerhalb des Mikro- chips (12) abgespeichert werden..
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die durch Kalibrierung ermittelten Werte für das Drucksignal als Tabelle in einem Speicher (memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden und die durch Kalibrierung ermittelten Werte für die Temperaturkorrektur als mathematische Funktion Teff=f(Tx) in einem Speicher (memory) innerhalb des Mikrochips (12) abgespeichert werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksignal, aus der, mit dem Kapazitäts zu Digital Converter (CDC), gemessenen Kapazität (Cx) der Membrandruckmesszelle (20), und dem, mit dem Temperatur zu Digital Converter (TDC), gemessenen
Temperaturwert (Tx) mit den Korrelationsmitteln innerhalb desselben Mikro- chips (12) mit einem Digitalen Signal Prozessor (DSP) verknüpft wird und als Druckwert am Signalausgang (16) ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Membrandruckmesszelle (20) die Kalibrierwerte separat ermittelt werden für die Korrektur der gemessenen Temperaturwerte und für die Bestimmung des Drucksignals und in den Speicher (memory) des Mikrochip (12) eingelesen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Temperatursensor ein Widerstandselement verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Temperatursensor der Mikrochip selbst verwendet wird, der über die Wärmeübergangszone (13) die Membrandruckmesszelle (20) thermisch kontaktiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Leiterplatte eine Aussparung vorgesehen wird über welcher der Referenzkondensator (Cref) montiert wird, derart dass der Referenzkondensator (Cref) die Leiterplatte nur an dessen Anschlussenden kontaktiert.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messzyklus im Mikrochip (12) auf kleiner 8 ms eingestellt wird, vorzugsweise kleiner 1 ms.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der erste Gehäusekörper (1) mindestens zum Teil und / oder die Membran (2) aus einem dielektrischen Material ausgebildet werden und an deren gegenüberliegenden Oberflächen diese mit Kondensatorelektroden (7, 7') versehen werden, die aus einer elektrisch leitenden Schicht ausgebildet werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material als ein Aluminiumoxidkeramik ausgebildet wird, wobei vorzugsweise der erste Gehäusekörper (1), die Membran (2) und der zweite Gehäusekörper (4) aus diesem Keramik ausgebildet werden und vorzugsweise die beiden Gehäusekörper (1 , 4) plattenför- mig ausgebildet werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gemessene Drucksignal und / oder Temperatursignal mit mindestens einem weiteren Algorithmus innerhalb des Mikrochips 12 mit dem Digitalen Signal Prozessor (DSP) bearbeitet wird zur Erhöhung der gemessenen Signalqualität und mit dem Drucksignal korreliert wird zur Erhöhung der Drucksignalqualität, die am Signalausgang (16) ausgegeben wird, wobei vorzugsweise mindestens einer der Algorithmen als Signalfilteralgorithmus ausgebildet ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzellenanordnung ( 00) als Referenzmessanordnung verwendet wird zur Kalibrierung von Vakuummesszellen, vorzugsweise nach dem Verfahren durch statische Expansion.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das für Verfahren zur Kalibrierung von Messzellen zwei Vakuumkammern (30, 31) verwendet werden, welche über eine Leitung (37), mit einer dazwischen geschaltete Blende (34) und einem Ventil (36), miteinander verbunden sind, wobei an jeder Vakuumkammer (30, 31) je eine Messzellenanordnung (20) als Referenzmessanordnung verwendet wird, und diese vorzugsweise mit einer Signalaufbereitungseinheit (200) zeitsynchronisiert betrieben werden.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzellenanordnung (100) in einem Gasdruckregelsystem verwendet wird zur Einstellung des Gasdruckes in einem Vakuumprozesssystem.
18. Messzellenanordnung (100) enthaltend eine kapazitive Membrandruckmess- zelle (20) zur Messung von Vakuum mit einer Membran (2) als Druckwandler, wobei auf der einen Seite der Membran (2) beabstandet ein erster Gehäusekörper (1) im Randbereich mit einem Verbindungsmittel (3') dichtend angeordnet ist, derart dass dazwischen ein Referenzvakuumraum (25) ausgebildet ist, und dass auf der anderen Seite der Membran (2) beabstandet ein zweiter Gehäuseplatte (4) im Randbereich mit einem Verbindungsmittel
(3) dichtend angeordnet ist, derart dass dazwischen ein Messvakuumraum
(26) ausgebildet ist, und dass der zweite Gehäusekörper (4) eine Öffnung
(27) aufweist an der Anschlussmittel (5) mit Verbindungsmittel dichtend angeordnet sind zur kommunizierenden Verbindung des Messvakuumraumes (26) mit dem zu messenden Medium, wobei innerhalb des Referenzvakuumraumes (25) zumindest Teilbereiche der Oberfläche der Membran (2) und gegenüberliegend zumindest Teilbereiche der Oberfläche des ersten Gehäusekörpers (1) je elektrisch leitend ausgebildet ist und Kondensatorelektroden (7, 7') bilden zur Ausbildung einer elektrischen Kapazität (Cx) und dass die Messzellenanordnung (100) eine Leiterplatte (10) aufweist, die mit elektronischen Komponenten (12, 14, Rref, Cref) bestückt ist und mindestens eine davon als Temperatursensor wirkt, wobei die Leiterplatte (10) mit den Konden- satorelektroden (7, 7') der Membrandruckmesszelle (20) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (10) derart gegenüber der Membrandruckmesszelle (20) positioniert angeordnet ist, dass diejenige Komponente, die als Temperatursensor wirkt den ersten Gehäuse- körper über eine Wärmeübergangszone (13) thermisch kontaktiert und dass eine weitere elektronische Komponente als Mikrochip (12) ausgebildet ist und dieser einen Digitalen Signal Prozessor (DSP) enthält mit einem Temperatur zu Digital Converter (TDC) und einem Kapazitäts zu Digital Converter (CDC) der nach dem Zeitmessverfahren arbeitet, welche die Temperatur (Tx) und die Kapazität (Cx) der Membrandruckmesszelle (20) ermitteln im Vergleich mit einem an der Leiterplatte angeordnetem Referenzwiderstand (Rref) für die Temperatur und einer Referenzkondensator (Cref) für die Kapazität (Cx), welche das Mass bildet für den zu messenden Druck abhängig von der Deformation der Membran (2), wobei aus beiden gemessenen Signalen mit Korrelationsmitteln, welche vorgängig aus einem Kalibriervorgang ermittelt wurden, ein Temperatur korrigiertes Drucksignal abgeleitet wird, welches als Drucksignal p=f(Cx,Teff) am Signalausgang (16) ausgegeben wird zur weiteren Verarbeitung. 19. Messzellenanordnung (100) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksignal, aus der, mit dem Kapazitäts zu Digital Converter (CDC), gemessenen Kapazität (Cx) der Membrandruckmesszelle (20), und dem, mit dem Temperatur zu Digital Converter (TDC), gemessenen Temperaturwert (Tx) mit den Korrelationsmitteln innerhalb desselben Mikrochips (12) mit einem Digitalen Signal Prozessor (DSP) verknüpft wird und als
Druckwert am Signalausgang (16) ausgegeben wird.
20. Messzellenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Membrandruckmesszelle (20) die Kalibrier- werte separat ermittelt werden für die Korrektur der gemessenen Temperaturwerte und für die Bestimmung des Drucksignals und in den Speicher (memory) des Mikrochip (12) eingelesen werden.
PCT/EP2013/074313 2012-12-24 2013-11-20 Verfahren und vorrichtung zur vakuumdruckmessung mit einer messzellenanordnung Ceased WO2014102035A1 (de)

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