WO2016180455A1 - Verfahren zur verarbeitung eines messsignals einer druckmesszelle sowie eine messzellenanordnung - Google Patents
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- G01L19/12—Alarms or signals
Definitions
- the present invention relates to a method for
- 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.
- the diaphragm and body are made of non-conductive, dielectric material
- the surfaces are coated with an electrically conductive coating, whereby
- Capacitor electrodes are formed.
- the membrane and / or the body can also be made of electrically conductive material itself, in which case the
- the sensors can be characterized
- Pressure sensors of this type can generally be used only for higher pressure ranges in the range of about 1 lCr mbar up to a few bar.
- Vacuum processes measurements of pressure in vacuum are often performed in the range between atmosphere and 10 ⁇ 6 mbar. Such measurements require a high sensitivity with high resolution and good reproducibility of the
- Vacuum pressure measurement including only specially trained
- Measuring cells are capable of the construction of the
- EP 1 070 239 B1 discloses a known capacitive
- Vacuum measuring cell which is constructed substantially entirely of ceramic and thus highly corrosion-resistant described.
- a very thin Ceramic membrane used, for example, 60 ⁇ thickness, which stress-free and symmetrical in one
- Ceramic housing is arranged. The distance of the capacitor electrodes or the
- Membrane surfaces of the surface of the housing body is preferably in the range of 2 to
- the diameters of such membrane pressure measuring cells are preferably in the range of 5 to 80 mm.
- Capacities formed and measured are in the range of 10 pF and 32 pF. Thanks to the new electronics we can now measure capacities in the range from 5 pF to 1000 pF. The measured capacity serves as a measure for the pressure to be measured. With pressure-dependent bending of the membrane, this capacity changes accordingly, whereby the pressure applied to the membrane pressure can be detected. This capacitance measurement has to be very precise and is not easy with the small capacitance values, since the small capacitances lead to that too
- a transient process for example after a step-like change of the measurement signal, should be completed as quickly as possible, i. the output signal of the
- Noise suppression is achieved, but at the same time a fast response to significantly changing
- Measuring cell arrangement with a pressure measuring cell are specified in further claims.
- the method according to the invention for adjusting a pressure in a pressure cell is
- Transfer unit having filter unit is generated from the measurement signal by a noise signal contained in the measurement signal is at least reduced, preferably eliminated,
- An embodiment variant of the method according to the invention is that the transfer function has a low-pass characteristic at least in the first order, the time constant of which is set as a function of the time change of the measurement signal.
- Measurement signal is determined that a difference signal by a difference between the measurement signal and the
- Mean value of the measurement signal is determined and that the change over time of the measurement signal from at least
- Mean filter is determined for a discrete-time measurement signal where f is the time-discrete output signal, .beta. is a variable, x is the time-discrete measurement signal, and n is a time-dependent index, wherein the variable .beta .. has a value between 1 and 0, preferably between 1 and 0.1,
- Method are that the temporal change of the measurement signal by forming an average of the
- Mean filter is determined for a discrete-time difference signal through
- (Ax / At) n ⁇ 2 » e n + (1- ⁇ 2 ) ⁇ (Ax / At) ni, where (Ax / At) n is the time-discrete change of the measurement signal, ⁇ 2 is a variable, e the time-discrete difference signal and n is a time-dependent index, wherein the variable ß 2 has a value between 1 and 0, preferably between 0.5 and 0.01, preferably between 0.05 and 0.15.
- ⁇ corresponds to the sampling interval in the discrete-time system and ⁇ is a variable whose Value is at least proportional to the time change of the measurement signal, but not a minimum value a m in not falls and a maximum value a ma x not
- a max is between 0.3 and 1.0.
- the invention relates to a
- Measuring cell arrangement with a membrane pressure measuring cell which generates a pressure-dependent measuring signal, the one having a transfer function filter unit for
- Producing an output signal is applied, which is used for adjusting the pressure in the diaphragm pressure measuring cell, wherein a temporal change of the
- Measuring signal is determinable and the transfer function in
- Measuring arrangement is that the transfer function has a low-pass characteristic at least in the first order, the time constant of which is adjustable as a function of the time change of the measurement signal.
- Measuring arrangement consist in that an average value of the measuring signal can be determined, that a difference signal can be determined by a difference between the measuring signal and the mean value of the measuring signal and that the change in time of the measuring signal at least from
- Measuring arrangement consist in that the mean value of the measuring signal using an exponential
- Average filter is determinable for a
- Measuring signal and n is a time-dependent index, wherein the variable ßi has a value between 1 and 0, preferably between 1 and 0.1, preferably between 0.85 and 0.95.
- Measuring arrangement consist in that the temporal change the measurement signal by forming an average value of
- Measurement arrangement consist in that the temporal change of the measurement signal can be determined using an exponential mean filter, which is suitable for a
- Measuring arrangement consist in that the time constant de transfer function of a discrete-time system by a
- ⁇ corresponds to the sampling interval in the time discrete system and ⁇ is a variable whose value is at least proportional to the time change of the measurement signal, but does not fall below a minimum value mn and a maximum value a m ax not exceeds, wherein the minimum value a m in between 0.0 and 0.1, preferably between 0.0 and 0.01, and the
- Design variants can be combined in any way. Only those combinations of design variants are excluded, the combination by a
- FIG. 1 shows a measuring cell arrangement with one with a
- Process chamber associated diaphragm pressure measuring cell with which a measuring signal is determined, which is supplied to a valve according to the invention processing in a signal processing unit
- 2 shows a block diagram of the signal processing unit according to FIG. 1 with a calculation unit for processing the measurement signal
- FIG. 3 shows a block diagram of a first embodiment of the calculation unit according to FIG. 2,
- FIG. 4 shows a block diagram of a second embodiment of the calculation unit according to FIG. 2 and FIG.
- Fig. 5 is a signal flow diagram, which in a
- FIG. 1 shows a highly simplified block diagram of a measuring cell arrangement with a process chamber 1, a membrane pressure measuring cell 2, a vacuum pump 3, a
- Signal processing unit 4 a control unit 5, a Ventilaktuator 6 and a valve 7. Die
- Diaphragm pressure measuring cell 2 is used to determine the pressure in the process chamber 1, in which a preset pressure according to the specification of a vacuum process is set.
- Vacuum processes include a variety of processes, such as coating, etching, thermal treatment of workpieces, etc. Vacuum processes are often also operated with supporting gases, which are required both actively as a reactive gas or as an inert gas in the process.
- the gases are introduced into the process chamber 1 via the valve actuator 6 Valve 7 supplied, with which the gas flow and the pressure in the process chamber 1 is controllable.
- a measurement signal x is generated, which is processed in the signal processing unit 4 and the control unit 5 to a control signal s for the valve actuator 6.
- the diaphragm pressure measuring cell 2 measures on the one hand as precisely as possible, but on the other hand also quickly, in order to
- the invention now relates to the processing of the measuring signal x in the context of the present in a vacuum process conditions and aims above all the
- Signal processing unit 4 basically done in an analog or digital manner, in the following on the special provisions when a signal processing is carried out in an analogous manner or in a digital manner, not further discussed, since such provisions
- the output signal y of the signal processing unit 4 is in the control unit 5, for example with a so
- control unit 5 controller is included in particular to the optimum tracking of the control signal s for the valve actuator 6 and for the valve 7
- FIG. 2 shows schematically and simplified a block diagram for illustrating the processing steps which are carried out in the signal processing unit 4 (FIG. 1) according to FIG
- Realization of the individual processing steps of the inventive algorithm is, for example, a
- Signal processor used which is programmed accordingly. Of course, other tasks can be done by the signal processor, provided that the processor capacity is sufficient. In particular, it is conceivable that the controller of the control unit 5 is implemented in the same signal processor.
- the measuring signal x is fed to a filter unit 10, which generates the output signal y.
- the filter unit 10 with the measurement signal x and the output signal y form the actual signal path of the signal processing unit 4 (FIG. 1).
- the remaining, to be explained components, such as calculation unit 11 and decision unit 12, are to determine the
- y is the time-discrete output signal
- x is the time-discrete measurement signal
- n is a time-dependent index
- ⁇ is a variable whose value essentially determines the time constant of the filter unit 10.
- Process chamber is detected in order to react accordingly quickly.
- Noise signal component has a low-pass characteristic, wherein the time constant for a first-order filter can be determined as follows:
- the choice of values for the variable is critical to the present invention. If the measuring signal x only contains a noise signal when the pressure is stable, then the value should be as small as possible, for example 0.01. Thus, the noise signal present in the measurement signal x is suppressed maximum and the filtered output signal y is excellent for use in the
- Detect process chamber delay which requires a different value for the variable, namely, for example, a value of ⁇ between 0.3 and 1.0.
- FIG. 3 shows a schematic representation of a block diagram of a first embodiment variant for determining the temporal change of the measurement signal x.
- the measurement signal x is in a smoothing unit 13
- difference unit 14 determines the difference to the unchanged measurement signal x, which is also referred to below as difference signal e.
- the difference signal e represents a measure of the temporal change of the measurement signal x and is at this
- the smoothing unit 13 realized by means of exponential mean value filter is characterized by the recursive formula where f is the time-discrete output signal, .alpha. is a variable, x is the time-discrete measurement signal, and n is a time-dependent index, where the variable .beta. is applied to the exponential mean-value filter to generate the
- Difference signal f a value between 1 and 0,
- Embodiment variants according to FIG. 3 thus generates a
- Fig. 4 is again a schematic representation, a block diagram of another embodiment of the
- Calculation unit 11 ( Figure 2). This is the generation of the temporal change of the Measuring signals x ; Also referred to as ⁇ / At, in two stages, wherein the first stage to the single stage according to FIG. 3 is identical. According to FIG. 4, a further processing of the difference signal e is carried out with a mean value filter 15, which in turn can be realized, for example, as an exponential mean value filter.
- variable ß2 is used in the exponential mean value filter to determine the
- temporal change of the measuring signal x is a value between 1 and 0, preferably between 0.5 and 0.01, preferably between 0.05 and 0.15.
- the invention is the resulting temporal change ⁇ / At or (Ax / At) n of the measured signal x at best
- FIG. 5 shows another embodiment of the present invention, which is a
- the temporal change ⁇ / ⁇ t of the measurement signal x is scaled by a factor k (as already explained in connection with the embodiment variants illustrated in FIGS. 3 and 4).
- the scaled temporal change ⁇ / At is denoted by.
- the following is a series of decisions aimed at limiting the determination of within a range of values between a minimum value amin and a maximum value a ma x. Between the extreme values min and a ma x, the value for ⁇ is set according to the result of the calculation unit 11 (FIG. 2), be it according to FIG. 3, be it according to FIG. 4.
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Abstract
Verfahren zur Einstellung eines Druckes in einer Druckzelle, wobei das Verfahren darin besteht, dass ein Messsignal (x) bestimmt wird, das zumindest proportional zu einem gemessenen Druck in der Druckzelle ist, dass ein Ausgangssignal (y) mit Hilfe einer eine Übertragungsfunktion aufweisenden Filtereinheit (10) aus dem Messsignal (x) erzeugt wird, indem ein im Messsignal (x) enthaltenes Rauschsignal zumindest reduziert, vorzugsweise eliminiert wird, dass der Druck in der Druckzelle zumindest proportional zum Ausgangssignal (y) eingestellt wird, dass eine zeitliche Änderung des Messsignals (x) bestimmt wird und dass die Übertragungsfunktion in Funktion der zeitlichen Änderung des Messsignals (x) eingestellt wird. Ferner ist eine Messzellenanordnung angegeben.
Description
Verfahren zur Verarbeitung eines Messsignals einer
Druckmesszelle sowie eine Messzellenanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Verarbeitung eines Messsignals einer Druckmesszelle sowie eine Messzellenanordnung mit einer Druckmesszelle.
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 die
Kapazitätsänderung ausgewertet wird, welche mit der
Druckänderung korreliert. Die Kapazität wird ausgebildet, indem die dünne, biegsame Membranfläche 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
bestehen, werden dazu die Oberflächen beispielsweise mit einem elektrisch leitenden Belag beschichtet, wodurch
Kondensatorelektroden ausgebildet werden. Die Membran und/oder der Körper können auch selbst aus elektrisch leitendem Material gefertigt sein, wobei dann die
Oberflächen wiederum die Kondensatorelektroden bilden. Bei Druckbeaufschlagung der Membran verändert sich als Folge der Durchbiegung der Abstand zwischen den beiden
Elektroden, was zu einer auswertbaren Kapazitätsänderung 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. 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. lCr1 mbar bis zu einigen bar einsetzbar. Eine hohe
Auflösung bei tieferen Drucken ab etwa 10"1 mbar sind mit dem Werkstoff Silizium nicht mehr realisierbar. Für
typische Vakuumanwendungen sind Sensoren dieser Art nicht geeignet. Für die verschiedenen zu kontrollierenden
Vakuumprozesse werden Messungen des Druckes im Vakuum oft im Bereich zwischen Atmosphäre und 10~6 mbar durchgeführt. Derartige Messungen erfordern eine hohe Empfindlichkeit mit hoher Auflösung und guter Reproduzierbarkeit der
Vakuumdruckmessung, wozu nur speziell ausgebildete
Messzellen in der Lage sind, die von der Bauweise der
Hochdruckmesszelle völlig abweichen.
Für die Vakuumdruckmessung sind kapazitive
Membrandruckmesszellen besonders geeignet, die aus
korrosionsfesten Materialien wie AI2O3 hergestellt sind. In EP 1 070 239 Bl wird eine bekannte kapazitive
Vakuummesszelle, welche im Wesentlichen vollständig aus Keramik aufgebaut und somit in hohem Mass korrosionsfest ist, beschrieben. Um sehr tiefe Drücke bis 10~6 mbar bei hoher Genauigkeit messen zu können, wird eine sehr dünne
Keramikmembran von beispielsweise 60 μπι Dicke verwendet, welche spannungsfrei und symmetrisch in einem
Keramikgehäuse angeordnet ist. Der Abstand der Kondensatorelektroden bzw. der
Membranoberflächen von der Oberfläche des Gehäusekörpers liegt hierbei bevorzugt im Bereich von 2 bis
Die Durchmesser derartiger Membrandruckmesszellen liegen bevorzugt im Bereich von 5 bis 80 mm. Die dadurch
gebildeten und zu messenden Kapazitäten liegen im Bereich von 10 pF und 32 pF. Dank der neuen Elektronik können wir nun Kapazitäten im Bereich von 5 pF bis 1000 pF messen. 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 den kleinen Kapazitätswerten nicht einfach, da die kleinen Kapazitäten dazu führen, dass auch die durch
Druckänderungen hervorgerufenen Kapazitätsänderungen äusserst klein sind. Als Folge davon sind auch die hieraus erzeugten bzw. abgeleiteten elektrischen Signale äussert klein und damit störanfällig. Daher werden an Signalverarbeitungssysteme zur Verarbeitung von Drucksignalen gemäss den vorstehenden Ausführungen entsprechend hohe Anforderungen gestellt. Darüber hinaus werden Filteralgorithmen eingesetzt, um die Eigenschaften der gemessenen Drucksignale für die Weiterverwendung, beispielsweise zur Steuerung des Druckes in Prozesskammern,
zu optimieren. Dabei wird versucht, einen Filteralgorithmus anzugeben, der zwei an sich widersprüchliche Ziele zur Verarbeitung von Drucksignalen gleichzeitig erreicht:
Erstens soll ein Einschwingvorgang, beispielsweise nach einer Schritt- förmigen Änderung des Messsignals, möglichst rasch abgeschlossen sein, d.h. das Ausgangssignal des
Filters sollte möglichst rasch zu einem stabilen
Ausgangssignal führen. Damit kann eine allenfalls
notwendige Aktion aufgrund einer Druckänderung rasch möglichst eingeleitet werden. Zweitens soll ein allfälliges Rauschsignal durch den Filteralgorithmus möglichst stark unterdrückt werden. Damit ist gemäss der ersten Bedingung ein möglichst schnelles Filter gefordert, nach der zweiten Bedingung hingegen eher ein langsames Filter erwünscht.
Zahlreiche Versuche sind bekannt, einen Filteralgorithmus und damit eine Übertragungsfunktion für einen Filter zur Verarbeitung des Messsignals anzugeben, um die beiden widersprüchlichen Ziele zu erreichen. Die bekannten
Filteralgorithmen basieren auf Kompromissen, die bei der vorliegenden Anwendung bei der Druckmessung mit
hochsensiblen Sensoren nicht zu zufriedenstellenden
Ergebnissen führen. In US 5 838 599 ist eine Variante für ein Filter
beschrieben, das sowohl kurze Einschwingvorgänge bei einer raschen Änderung des Eingangssignals als auch eine gute Reduktion von Rauschsignalanteilen im Eingangssignal im eingeschwungenen Zustand zulässt.
Ferner ist auf US 2013/0016888 AI verwiesen, die ein aufwändiges Berechnungsverfahren mit einem linearen Filter zur Elimination von Rauschen offenbart. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, ein einfaches Verfahren zur Verarbeitung eines Messsignals anzugeben, bei dem eine ausgeprägte
Rauschsignalunterdrückung erzielt wird, gleichzeitig aber eine schnelle Reaktion auf sich massgeblich ändernde
Messsignale möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sowie eine
Messzellenanordnung mit einer Druckmesszelle sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Einstellung eines Druckes in einer Druckzelle besteht darin,
- dass ein Messsignal bestimmt wird, das zumindest
proportional zu einem gemessenen Druck in der
Druckzelle ist,
- dass ein Ausgangssignal mit Hilfe einer eine
Übertragungsfunktion aufweisenden Filtereinheit aus dem Messsignal erzeugt wird, indem ein im Messsignal enthaltenes Rauschsignal zumindest reduziert, vorzugsweise eliminiert wird,
- dass der Druck in der Druckzelle zumindest
proportional zum Ausgangssignal eingestellt wird,
- dass eine zeitliche Änderung des Messsignals bestimmt wird und
- dass die Übertragungsfunktion in Funktion der
zeitlichen Änderung des Messsignals eingestellt wird.
Eine AusführungsVariante des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass die Übertragungsfunktion zumindest in erster Ordnung eine Tiefpass-Charakteristik aufweist, wobei deren Zeitkonstante in Funktion der zeitlichen Änderung des Messsignals eingestellt wird. Weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen
Verfahrens bestehen darin, dass ein Mittelwert des
Messsignals bestimmt wird, dass ein Differenzsignal durch eine Differenzbildung zwischen dem Messsignal und dem
Mittelwert des Messsignals bestimmt wird und dass die zeitliche Änderung des Messsignals zumindest vom
Differenzsignal abgeleitet wird.
Weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen
Verfahrens bestehen darin, dass der Mittelwert des
Messsignals unter Verwendung eines exponentiellen
Mittelwert-Filters bestimmt wird, das für ein zeitdiskretes Messsignal durch
definiert ist, wobei f das Zeit-diskrete Ausgangssignal, ßi eine Variable, x das Zeit-diskrete Messsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ßi einen Wert zwischen 1 und 0, vorzugsweise zwischen 1 und 0.1,
vorzugsweise zwischen 0.85 und 0.95 aufweist.
Weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen
Verfahrens bestehen darin, dass die zeitliche Änderung des Messsignals durch Bildung eines Mittelwertes des
Differenzsignals bestimmt wird.
Weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen
Verfahrens bestehen darin, dass die zeitliche Änderung des Messsignals unter Verwendung eines exponentiellen
Mittelwert-Filters bestimmt wird, das für ein zeitdiskretes Differenzsignal durch
(Ax/At)n = ß2 »en+ (l-ß2) · (Ax/At)n-i definiert ist, wobei (Ax/At)n die Zeit-diskrete Änderung des Messsignals, ß2 eine Variable, e das Zeit-diskrete Differenzsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ß2 einen Wert zwischen 1 und 0, vorzugsweise zwischen 0.5 und 0.01, vorzugsweise zwischen 0.05 und 0.15 aufweist.
Weitere Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen
Verfahrens bestehen darin, dass die Zeitkonstante der
Übertragungsfunktion eines zeitdiskreten Systems durch
definiert ist, wobei ΔΤ dem Abtastintervall beim Zeitdiskreten System entspricht und α eine Variable ist, deren
Wert zumindest proportional zur zeitlichen Änderung des Messsignals ist, jedoch einen Minimalwert amin nicht unterschreitet und einen Maximalwert amax nicht
überschreitet, wobei der Minimalwert amin zwischen 0.0 und 0.1, vorzugsweise zwischen 0.0 und 0.01, und der
Maximalwert amax zwischen 0.3 und 1.0 liegt.
Noch weitere AusführungsVarianten des erfindungsgemässen Verfahrens bestehen darin, dass die Übertragungsfunktion durch die Formel yn = α· χ η+ (l- ) · νη- ι definiert ist, wobei y das Zeit-diskrete Ausgangssignal, x das Zeit-diskrete Messsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine
Messzellenanordnung mit einer Membrandruckmesszelle , die ein druckabhängiges Messsignal erzeugt, das einer eine Übertragungsfunktion aufweisenden Filtereinheit zur
Erzeugung eines Ausgangssignals beaufschlagt ist, das zur Einstellung des Druckes in der Membrandruckmesszelle verwendbar ist, wobei eine zeitliche Änderung des
Messsignals bestimmbar ist und die Übertragungsfunktion in
Funktion der zeitlichen Änderung des Messsignals
einstellbar ist.
Eine Ausführungsvariante der erfindungsgemässen
Messanordnung besteht darin, dass die Übertragungsfunktion
zumindest in erster Ordnung eine Tiefpass-Charakteristik aufweist, wobei deren Zeitkonstante in Funktion der zeitlichen Änderung des Messsignals einstellbar ist. Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass ein Mittelwert des Messsignals bestimmbar ist, dass ein Differenzsignal durch eine Differenzbildung zwischen dem Messsignal und dem Mittelwert des Messsignals bestimmbar ist und dass die zeitliche Änderung des Messsignals zumindest vom
Differenzsignal ableitbar ist.
Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass der Mittelwert des Messsignals unter Verwendung eines exponentiellen
Mittelwert-Filters bestimmbar ist, das für ein
zeitdiskretes Messsignal durch
definiert ist, wobei f der Zeit-diskrete Mittelwert des Messsignals, ßi eine Variable, x das Zeit-diskrete
Messsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ßi einen Wert zwischen 1 und 0, vorzugsweise zwischen 1 und 0.1, vorzugsweise zwischen 0.85 und 0.95 aufweist .
Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass die zeitliche Änderung
des Messsignals durch Bildung eines Mittelwertes des
Differenzsignals bestimmbar ist.
Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass die zeitliche Änderung des Messsignals unter Verwendung eines exponentiellen Mittelwert-Filters bestimmbar ist, das für ein
zeitdiskretes Differenzsignal durch (Ax/At)n = β2·θη+ (l-ß2) · (Äx/Ät)n-1 definiert ist, wobei (Ax/At)n die Zeit-diskrete zeitliche Änderung des Messsignals, ß2 eine Variable, en das Zeitdiskrete Differenzsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ß2 einen Wert zwischen 1 und 0, vorzugsweise zwischen 0.5 und 0.01, vorzugsweise zwischen 0.05 und 0.15 aufweist.
Weitere AusführungsVarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass die Zeitkonstante de Übertragungsfunktion eines zeitdiskreten Systems durch a
τ = ΔΤ
a definiert ist, wobei ΔΤ dem Abtastintervall beim Zeitdiskreten System entspricht und α eine Variable ist, deren Wert zumindest proportional zur zeitlichen Änderung des Messsignals ist, jedoch einen Minimalwert m n nicht unterschreitet und einen Maximalwert amax nicht
überschreitet, wobei der Minimalwert amin zwischen 0.0 und 0.1, vorzugsweise zwischen 0.0 und 0.01, und der
Maximalwert amax zwischen 0.3 und 1.0 liegt. Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen
Messanordnung bestehen darin, dass die Übertragungsfunktion durch die Formel yn = α· χ η+ (l- ) »yn-i definiert ist, wobei y das Zeit-diskrete Ausgangssignal , x das Zeit-diskrete Messsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehenden
Ausführungsvarianten in beliebiger Weise kombinierbar sind. Lediglich diejenigen Kombinationen von Ausführungsvarianten sind ausgeschlossen, die durch Kombination zu einem
Widerspruch führen würden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Figuren im Detail erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine Messzellenanordnung mit einer mit einer
Prozesskammer verbundenen Membrandruckmesszelle , mit der ein Messsignal bestimmt wird, das nach erfindungsgemässer Verarbeitung in einer Signalverarbeitungseinheit einem Ventil zugeführt wird,
Fig. 2 ein Blockdiagramm der Signalverarbeitungseinheit gemäss Fig. 1 mit einer Berechnungseinheit zur Verarbeitung des Messsignals,
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Berechnungseinheit gemäss Fig. 2,
Fig. 4 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Berechnungseinheit gemäss Fig. 2 und
Fig. 5 ein Signalflussdiagramm, das die in einer
Entscheidungseinheit ablaufenden
Verfahrensschritte dargestellt.
Fig. 1 zeigt in einem stark vereinfachten Blockdiagramm eine Messzellenanordnung mit einer Prozesskammer 1, einer Membrandruckmesszelle 2, einer Vakuumpumpe 3, einer
Signalverarbeitungseinheit 4, einer Steuereinheit 5, einem Ventilaktuator 6 und einem Ventil 7. Die
Membrandruckmesszelle 2 wird zur Bestimmung des Druckes in der Prozesskammer 1 eingesetzt, in dem ein nach Vorgabe eines Vakuumprozesses vorgegebener Druck eingestellt wird. Vakuumprozesse umfassen verschiedenste Verfahren, wie beispielsweise Beschichtungsverfahren, Ätzverfahren, thermische Behandlung von Werkstücken etc. Vakuumprozesse werden oft auch mit unterstützenden Gasen betrieben, die sowohl aktiv als Reaktivgas oder auch als Inertgas im Prozess benötigt werden. Die Gase werden hierzu in die Prozesskammer 1 über das vom Ventilaktuator 6 angesteuerte
Ventil 7 zugeführt, mit dem der Gaszufluss und der Druck in der Prozesskammer 1 steuerbar ist. Durch die Membran- druckmesszelle 2 wird ein Messsignal x erzeugt, das in der Signalverarbeitungseinheit 4 und der Steuereinheit 5 zu einem Steuersignal s für den Ventilaktuator 6 verarbeitet wird. Für eine präzise Prozessführung ist es notwendig, dass die Membrandruckmesszelle 2 einerseits möglichst präzise, anderseits aber auch schnell misst, um auf
Druckänderungen in der Prozesskammer 1 möglichst schnell und präzise reagieren zu können.
Die Erfindung bezieht sich nunmehr auf die Verarbeitung des Messsignals x im Kontext der bei einem Vakuumprozess vorhandenen Verhältnisse und bezweckt vor allem die
optimale Signalverarbeitung des Messsignals x, wie es als Drucksignal bei solchen Vakuumprozessen auftreten kann. Dabei kann die Signalverarbeitung in der
Signalverarbeitungseinheit 4 grundsätzlich in analoger oder digitaler Weise erfolgen, wobei im Folgenden auf die besonderen Vorkehrungen, wenn eine Signalverarbeitung auf analoge Weise oder auf digitaler Weise vorgenommen wird, nicht weiter eingegangen wird, da solche Vorkehrungen
(analog/digital Wandlung, Filterung zur Vermeidung von Aliasing, Wahl der Abtastfrequenz, etc.) dem Fachmann hinlänglich bekannt sind.
Das Ausgangssignal y der Signalverarbeitungseinheit 4 wird in der Steuereinheit 5 beispielsweise mit einem so
genannten P-, PI- oder PID-Regler weiterverarbeitet. Der in der Steuereinheit 5 realisierte Regler ist dabei
insbesondere auf die optimale Nachführung des Steuersignals s für den Ventilaktuator 6 bzw. für das Ventil 7
verantwortlich . Fig. 2 zeigt schematisch und vereinfacht ein Blockdiagramm zur Illustration der Verarbeitungsschritte, die in der Signalverarbeitungseinheit 4 (Fig. 1) gemäss der
vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Zur
Realisierung der einzelnen Verarbeitungsschritte des erfindungsgemässen Algorithmus wird beispielsweise ein
Signalprozessor eingesetzt, der entsprechend programmiert wird. Selbstverständlich können vom Signalprozessor auch noch andere Aufgaben erledigt werden, sofern hierzu die Prozessorkapazität ausreichend ist. Insbesondere ist es denkbar, dass auch der Regler der Steuereinheit 5 im gleichen Signalprozessor realisiert ist.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist das Messsignal x einer Filtereinheit 10 zugeführt, die das Ausgangssignal y erzeugt. Die Filtereinheit 10 mit dem Messsignal x und dem Ausgangssignal y bilden den eigentlichen Signalpfad der Signalverarbeitungseinheit 4 (Fig. 1) . Die übrigen, noch zu erläuternden Komponenten, wie Berechnungseinheit 11 und Entscheidungseinheit 12, sind zur Festlegung der
Charakteristik der Filtereinheit 10 vorgesehen.
Die Filtereinheit 10 weist eine Filtercharakteristik auf, die in einem Zeit -diskreten System beispielsweise nach der folgenden Gleichung definiert ist:
yn = ·χ η+ (1-α) ·γη-ι
Dabei ist y das Zeit-diskrete Ausgangssignal , x das Zeitdiskrete Messsignal, n ein Zeit-abhängiger Index und α eine Variable, deren Wert massgeblich die Zeitkonstante der Filtereinheit 10 bestimmt. Ziel der vorliegenden Erfindung ist die optimale Einstellung des Wertes für die Variable , und zwar so, dass ein Rauschsignal im Messsignal x
möglichst unterdrückt oder sogar eliminiert wird,
gleichzeitig aber ein sich ändernder Druck in der
Prozesskammer erkannt wird, um entsprechend schnell darauf reagieren zu können.
Die erwähnte Gleichung mit der Variablen α weist als
Filtercharakteristik zur Unterdrückung des
Rauschsignalanteils eine Tiefpass-Charakteristik auf, wobei die Zeitkonstante für einen Filter erster Ordnung wie folgt bestimmt werden kann:
1— a
τ1 = ΔΤ
a
Die Wahl der Werte für die Variable ist entscheidend für die vorliegende Erfindung. Enthält das Messsignal x bei stabilem Druckwert lediglich ein Rauschsignal, so ist der Wert für möglichst klein zu wählen, beispielsweise 0.01. Damit wird das im Messsignal x vorhandene Rauschsignal maximal unterdrückt und das gefilterte Ausgangssignal y eignet sich vorzüglich für die Verwendung im
nachgeschalteten Regler der Steuereinheit 5 (Fig. 1) , denn
ein stabiles Ausgangssignal führt zu einer geringeren
Aktivität des Ventilaktuators 6 bzw. des Ventils 7 und damit zu einer reduzierten Belastung dieser Komponenten, womit deren Ausfallwahrscheinlichkeit gegenüber bekannten Systemen erheblich reduziert ist.
Auf der anderen Seite ist eine Veränderung des Messsignals x aufgrund einer tatsächlichen Druckänderung in der
Prozesskammer verzögerungsfrei zu detektieren, was einen anderen Wert für die Variable erforderlich macht, nämlich beispielsweise einen Wert für α zwischen 0.3 und 1.0.
Die Anpassung des Wertes für die Variable α wird
erfindungsgemäss in Abhängigkeit der zeitlichen Änderung des Messsignals x vorgenommen, was im Folgenden im Detail erläutert wird.
Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsvariante zur Bestimmung der zeitlichen Änderung des Messsignals x. Im Wesentlichen wird das Messsignal x in einer Glättungseinheit 13,
beispielsweise unter Anwendung eines Mittelwert-Filters, geglättet. Es hat sich gezeigt, dass sich hierbei
insbesondere ein so genanntes exponentielles Mittelwert- Filter besonders eignet. Das Ausgangssignal f dieses
Filters wird auf eine Differenzeinheit 14 gegeben, welche die Differenz zum unveränderten Messsignal x bestimmt, was nachstehend auch etwa als Differenzsignal e bezeichnet wird .
Das Differenzsignal e stellt ein Mass für die zeitliche Änderung des Messsignals x dar und wird bei dieser
erfindungsgemässen Ausführungsvariante zur Einstellung des Wertes für die Variable α in der Filtereinheit 10 (Fig. 2) verwendet, wobei allenfalls noch eine Skalierung
erforderlich ist.
Die mittels exponentiellem Mittelwert-Filter realisierten Glättungseinheit 13 ist durch die rekursive Formel
definiert, wobei f das Zeit-diskrete Ausgangssignal, ßi eine Variable, x das Zeit-diskrete Messsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ßi beim exponentiellen Mittelwert-Filter zur Erzeugung des
Differenzsignals f einen Wert zwischen 1 und 0,
vorzugsweise zwischen 1 und 0.1, vorzugsweise zwischen 0.85 und 0.95 aufweist.
Die Berechnungseinheit 11 gemäss Fig. 2 in der
Ausführungsvarianten gemäss Fig. 3 erzeugt somit ein
Differenzsignal e wie folgt: en = fn - Xn
In Fig. 4 ist, wiederum in schematischer Darstellung, ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsvariante der
Berechnungseinheit 11 (Fig. 2) gezeigt. Es handelt sich hierbei um die Erzeugung der zeitlichen Änderung des
Messsignales x; auch etwa als Δχ/At bezeichnet, in zwei Stufen, wobei die erste Stufe zur einzigen Stufe gemäss Fig. 3 identisch ist. Gemäss Fig. 4 wird eine weitere Bearbeitung des Differenzsignals e mit einem Mittelwert- Filter 15 vorgenommen, das wiederum beispielsweise als exponentielles Mittelwert-Filter realisiert sein kann.
Demzufolge gelten die gleichen Definitionen, siehe obige Formeln, wie bereits bei der ersten Stufe. Einzig der Wert für die Variable ß, entsprechend wurde sie hier ß2 genannt, weist einen anderen Wert auf: die Variable ß2 erhält beim exponentiellen Mittelwert-Filter zur Bestimmung der
zeitlichen Änderung des Messsignals x einen Wert zwischen 1 und 0, vorzugsweise zwischen 0.5 und 0.01, vorzugsweise zwischen 0.05 und 0.15.
Die zeitliche Änderung Δχ/At des Messsignales x kann demzufolge wie folgt aus dem zeitdiskreten Differenzsignal e definiert werden: (Ax/At)n = ß2 «en+ (l-ß2) · (Ax/At)n-i wobei (Ax/At)n die Zeit-diskrete zeitliche Änderung des Messsignals x, en das Zeit-diskrete Differenzsignal e und n ein Zeit-abhängiger Index ist.
Auch bei dieser Ausführungsvariante der vorliegenden
Erfindung ist die hierdurch erhaltene zeitliche Änderung Δχ/At bzw. (Ax/At)n des Messsignals x allenfalls zu
skalieren, wie dies bereits im Zusammenhang mit der
Ausführungsvariante gemäss Fig. 3 erläutert worden ist.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung, wobei es sich hier um eine
besondere Ausgestaltung der Entscheidungseinheit 12 (Fig. 2) handelt. Gemäss den bereits anhand der Fig. 3 und 4 erläuterten Ausführungs arianten beinhaltet die
Entscheidungseinheit 12 allenfalls eine Skalierung des durch die Berechnungseinheit 11 erhaltenen zeitlichen
Änderung Δχ/At des Messsignals x. In Fortführung dieser Ausführungsvarianten der Erfindung wird vorgeschlagen, den Wertebereich für die Werte α am unteren und am oberen Ende zu begrenzen. Entsprechend ist es gemäss der in Fig. 5 dargestellten weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung vorgesehen, ein amin und ein amax vorzusehen, wobei diese gemäss dem in Fig. 5 gezeigten Flussdiagram zum
Tragen kommen :
Die zeitliche Änderung Δχ/At des Messsignals x wird mit einem Faktor k skaliert (wie im Zusammenhang mit den in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsvarianten bereits erläutert) . Die skalierte zeitliche Änderung Δχ/At wird mit bezeichnet. Es folgt nun eine Reihe von Entscheidungen, die zum Ziel haben, die Festlegung von innerhalb eines Wertebereichs zwischen einem minimalen Wert amin und einem maximalen Wert amax zu begrenzen. Zwischen den Extremwerten min und amax wird der Wert für α entsprechend dem Resultat der Berechnungseinheit 11 (Fig. 2), sei diese gemäss Fig. 3, sei sie gemäss Fig. 4 realisiert, eingestellt.
Claims
1. Verfahren zur Einstellung eines Druckes in einer
Druckzelle (2) , wobei das Verfahren darin besteht,
- dass ein Messsignal (x) bestimmt wird, das zumindest proportional zu einem gemessenen Druck in der
Druckzelle (2) ist,
- dass ein Ausgangssignal (y) mit Hilfe einer eine
Übertragungsfunktion aufweisenden Filtereinheit (10) aus dem Messsignal (x) erzeugt wird, indem ein im Messsignal (x) enthaltenes Rauschsignal zumindest reduziert, vorzugsweise eliminiert wird, und
- dass der Druck in der Druckzelle (2) zumindest
proportional zum Ausgangssignal (y) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet,
- dass eine zeitliche Änderung des Messsignals (x)
bestimmt wird und
- dass die Übertragungsfunktion in Funktion der
zeitlichen Änderung des Messsignals (x) eingestellt wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion zumindest in erster Ordnung eine Tiefpass-Charakteristik aufweist, wobei deren Zeitkonstante in Funktion der zeitlichen Änderung (Ax/At) des Messsignals (x) eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelwert des Messsignals (x) bestimmt wird, dass ein Differenzsignal (e) durch eine Differenzbildung zwischen dem Messsignal (x) und dem Mittelwert des Messsignals (x) bestimmt wird und dass die zeitliche Änderung (Ax/At) des Messsignals (x) zumindest vom Differenzsignal (e)
abgeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert des Messsignals (x) unter Verwendung eines exponentiellen Mittelwert-Filters bestimmt wird, das für ein zeitdiskretes Messsignal (x) durch
definiert ist, wobei fn der Zeit-diskrete Mittelwert des Messsignals (x) , ßi eine Variable, xn das Zeit-diskrete Messsignal (x) und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ßi einen Wert zwischen 1 und 0, vorzugsweise zwischen 1 und 0.1, vorzugsweise zwischen 0.85 und 0.95 aufweist .
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch
gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung (Ax/At) des Messsignals (x) durch Bildung eines Mittelwertes des Differenzsignals (e) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5 , dadurch
gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung (Ax/At) des Messsignals (x) unter Verwendung eines exponentiellen
Mittelwert-Filters bestimmt wird, das für ein zeitdiskretes Differenzsignal (e) durch
(Ax/At)n = ß2*en+ (l-ß2) · (Ax t)n-l definiert ist, wobei (Ax/At)n die Zeit-diskrete zeitliche Änderung des Messsignals (x) , ß2 eine Variable, e das Zeitdiskrete Differenzsignal und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ß2 einen Wert zwischen 1 und 0, vorzugsweise zwischen 0.5 und 0.01, vorzugsweise zwischen 0.05 und 0.15 aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante der
Übertragungsfunktion eines zeitdiskreten Systems durch
1— a
τ = ΔΤ
a definiert ist, wobei ΔΤ dem Abtastintervall beim Zeit- diskreten System entspricht und α eine Variable ist, deren Wert zumindest proportional zur zeitlichen Änderung des Messsignals (x) ist, jedoch einen Minimalwert min nicht unterschreitet und einen Maximalwert max nicht
überschreitet, wobei der Minimalwert amin zwischen 0.0 und 0.1, vorzugsweise zwischen 0.0 und 0.01, und der
Maximalwert amax zwischen 0.3 und 1.0 liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion durch die Formel
definiert ist, wobei y das Zeit-diskrete Ausgangssignal , x das Zeit-diskrete Messsignal und n ein Zeit -abhängiger Index ist.
9. Messzellenanordnung mit einer Membrandruckmesszelle (2), die ein druckabhängiges Messsignal (x) erzeugt, das einer eine Übertragungsfunktion aufweisenden Filtereinheit (10) zur Erzeugung eines Ausgangssignals (y) beaufschlagt ist, das zur Einstellung des Druckes in der
Membrandruckmesszelle (2) verwendbar ist, dadurch
gekennzeichnet, dass eine zeitliche Änderung des
Messsignals (x) bestimmbar ist und dass die
Übertragungsfunktion in Funktion der zeitlichen Änderung des Messsignals (x) einstellbar ist.
10. Messzellenanordnung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion zumindest in erster Ordnung eine Tiefpass-Charakteristik aufweist, wobei deren Zeitkonstante in Funktion der zeitlichen Änderung
( Δχ/At) des Messsignals (x) einstellbar ist.
11. Messzellenanordnung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Mittelwert des Messsignals (x)
bestimmbar ist, dass ein Differenzsignal (e) durch eine Differenzbildung zwischen dem Messsignal (x) und dem
Mittelwert des Messsignals (x) bestimmbar ist und dass die zeitliche Änderung (Δχ/At) des Messsignals (x) zumindest vom Differenzsignal (e) ableitbar ist.
12. Messzellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, dass der Mittelwert des Messsignals (x) unter Verwendung eines exponentiellen Mittelwert-Filters bestimmbar ist, das für ein zeitdiskretes Messsignal (x) durch
definiert ist, wobei fn der Zeit-diskrete Mittelwert des Messsignals (x) , ßi eine Variable, xn das Zeit-diskrete Messsignal (x) und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ßi einen Wert zwischen 1 und 0, vorzugsweise zwischen 1 und 0.1, vorzugsweise zwischen 0.85 und 0.95 aufweist.
13. Messzellenanordnung nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung (Δχ/At) des Messsignals (x) durch Bildung eines Mittelwertes des Differenzsignals (e) bestimmbar ist.
14. Messzellenanordnung nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Änderung (Ax/At) des Messsignals (x) unter Verwendung eines exponentiellen
Mittelwert-Filters bestimmbar ist, das für ein
zeitdiskretes Differenzsignal (e) durch
(Äx/At ) n = ß2«en+ (l-ß2) · (Äx t) n-l definiert ist, wobei (Ax/At)n die Zeit -diskrete zeitliche Änderung des Messsignals (x) , ß2 eine Variable, en das Zeit-diskrete Differenzsignal (e) und n ein Zeit-abhängiger Index ist, wobei die Variable ß2 einen Wert zwischen 1 und 0, vorzugsweise zwischen 0.5 und 0.01, vorzugsweise
zwischen 0.05 und 0.15 aufweist.
15. MessZeilenanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante der
Übertragungsfunktion eines zeitdiskreten Systems durch
1-a
τ = ΔΤ
definiert ist, wobei ΔΤ dem Abtastintervall beim Zeit- diskreten System entspricht und α eine Variable ist, deren Wert zumindest proportional zur zeitlichen Änderung des Messsignals (x) ist, jedoch einen Minimalwert amin nicht unterschreitet und einen Maximalwert amax nicht
überschreitet, wobei der Minimalwert min zwischen 0.0 und 0.1, vorzugsweise zwischen 0.0 und 0.01, und der
Maximalwert max zwischen 0.3 und 1.0 liegt.
16. Messzellenanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion durch die Formel yn = α· χ η+ (1-α) ·γη-ι definiert ist, wobei y das Zeit-diskrete Ausgangssignal, xn das Zeit-diskrete Messsignal (x) und n ein Zeit-abhängiger Index ist .
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