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CN108700479A - 具有多电极的电容式真空测量元件 - Google Patents

具有多电极的电容式真空测量元件 Download PDF

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CN108700479A
CN108700479A CN201680082457.9A CN201680082457A CN108700479A CN 108700479 A CN108700479 A CN 108700479A CN 201680082457 A CN201680082457 A CN 201680082457A CN 108700479 A CN108700479 A CN 108700479A
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C·斯特雷泰泽尔
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Inficon AG
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Inficon AG
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Abstract

本发明涉及一种具有第一壳体(1)的电容式真空测量元件，该第一壳体具有膜片(2)，该膜片(2)与该第一壳体隔开一定距离布置，以便在边缘区域(3)中形成密封，使得在它们之间形成基准真空空间(9)，其中，该第一壳体的和该膜片(2)的相对表面(7、8)包括至少一个电极(G、G1、G2、...Gn；M1、M2、...Mn)。设置第二壳体(4)以便在边缘区域中形成相对于膜片(2)的密封，并且与所述膜片一起形成测量真空空间(10)，在该测量真空空间中设置用于连接至处理空间的连接装置(5)。在这种情况下，壳体表面(7)上和/或膜片表面(8)上的电极(G、G1、G2、...Gn；M1、M2、...Mn)包括至少两个相对于彼此电绝缘的壳体电极(G1、G2、...Gn)或/和膜片电极(M1、M2、...Mn)，它们被布置成使得它们与至少一个相对电极(G、M)形成至少两个测量电容(C1、C2、...Cn)，借此可以在多个位置以电容的方式检测膜片的弯曲。在这种情况下，壳体电极(G)或壳体电极(G1、G2、...Gn)和/或膜片电极(M)或膜片电极(M1、M2、...Mn)可以可操作地连接至信号处理单元。

Description

具有多电极的电容式真空测量元件
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的电容式真空测量单元以及一种根据权利要求13的前序部分的用于电容式压力测量的方法。
传感器的电容读出是用于测量路径长度或距离的常用方法。Larry K.Baxter的“Capacitive Sensors:Design and Applications”(Wiley-IEEE出版社，1996年8月，ISBN978-0-7803-5351-0)详尽地描述了原理和读出方法。已知配置的特征在于将待测量的电容与固定的标准电容进行比较。这是针对这种测量的参考要素；其可以被设计为固定电容器或集成到传感器中。
例如，从US 323 21 14和US 482 36 03中已知用于压力测量的电容测量或测量元件的应用。从EP 1 070 239 B1已知一种专门用于测量低压的优化的真空测量元件，其描述了陶瓷CDG(电容膜片式仪表)的基本结构。
如果要测量约0.1毫巴(mbar)至10-6毫巴的低压，则因为在材料中产生的应力导致常规的膜片生产方法不适用于此。另一方面，EP 1 070 239 B1中所描述的真空测量元件由于其中描述的结构和制造方法而提供了明显的改进，但是这种制造方法也不可能完全均匀地全面夹紧膜片。对于测量方法和测量元件，膜片的最高可能均匀的夹紧和完全切断固有电压条件是最准确测量的先决条件，因为膜片应在压力的影响下以理想的完整和旋转地对称的方式变形。
因此，已知尤其是在所谓的0点附近(即，在没有压力作用于膜片时膜片的状态)膜片从理想挠度方程偏离最大，因为膜片在这里接近放松状态。因此，测量结果被破坏。
本发明的目的是避免现有技术的缺点并且提供一种测量元件，利用该测量元件可以进行更精确和可靠的测量。
在权利要求1中公开了一种真空测量元件，其允许更精确和/或可靠的低压测量，并且包括第一壳体，该第一壳体具有与其间隔开并且以密封的方式布置在边缘区域中的膜片，由此形成插入的基准真空空间。
本发明既适用于具有陶瓷膜片和/或壳体的真空测量元件并且也适用于具有金属膜片和/或壳体的真空测量元件，或者，例如，适用于具有陶瓷壳体和金属膜片的元件，或者反之亦然，具有金属壳体和陶瓷膜片的元件。
边缘区域在此通常被理解为膜片的圆周区域(例如，距离通常为圆形的膜片的外边缘约0mm和约2mm至7mm之间)，但是至少附加地包括密封表面。第一壳体与膜片的相对表面相距较小距离，例如，从2μm至50μm，每个表面包括至少一个导电层。根据本发明，这也意味着这样的实施方式，其中，尤其是膜片(但也另选地第一壳体)或者壳体作为整体或部分地(例如)借助于插入件或作为整体是导电的。尤其合适的导电层的材料的示例是金，由于其高导电性和耐化学性，金是尤其合适的。作为具有甚至更高耐化学性的另选方案，例如，可以使用铂。如果选择膜片本身或由导电材料制成的壳体，则，例如，也可以是不锈钢，其根据需要可以另外涂覆有更导电的材料，例如，如上所述。然而，也可以考虑使用铝或透明的导电氧化物(TCO或“透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide)”)。
在边缘区域中第二壳体与膜片相对密封地设置并且与其形成测量真空空间，其中的连接装置打开以连接至处理空间。例如，这可以是具有形成工艺气体的诸如惰性、反应性气体或其混合物的待测介质的真空室。在这种情况下，第一壳体和第二壳体在贴着测量元件的环境的边缘区域中密封地连接至中间膜片，并且尽可能在已知的生产工艺中(例如)对称地连接。壳体表面或/和膜片表面上的导电层包括彼此电绝缘的至少两个壳体电极(G1、G2、...Gn)或膜片电极(M1、M2、...Mn)，它们被布置成形成具有至少一个相对电极(G、G1、...Gn；M、M1、...Mn)的至少两个测量电容(C1、C2、...Cn)，以使得可以以电容的方式分别检测在多个位置处的膜片的挠度，其中，电极可操作地连接至信号处理单元。测量电容可单独测量，即测量和评估可以由信号处理单元同时(即并行地)进行，例如，以检测非常快速的压力波动，或者另选地顺序地(尤其是周期性地顺序地)进行。在这种情况下，例如，可以根据所需的时间信号分辨率通过信号处理单元的时钟信号来控制测量顺序。
电极以平面方式形成并且可以根据需要以不同的几何形状(例如，圆形、矩形、环形或扇形)形成。为了特别好地跟随膜片的变形并且实现测量值的更大的独特特性，导电层可以包括至少三个、四个或更多个电绝缘的壳体电极(G1、G2、...Gn)和/或电绝缘的膜片电极(M1、M2、...Mn)，其中，形成至少三个、四个或更多个尤其是可单独测量的测量电容(C1、C2、...Cn)。在这种情况下，形成在壳体表面和/或膜片表面中央的第一电极(G1、M1)可以被例如对称布置的至少三个或更多个另外的电极(G2、G3、...Gn；M2、M3...Mn)包围。另选地，其它电极也可以不对称或任意地布置，在这种情况下，可以利用更大的计算工作量来实现补偿。
所述另外的电极(G2、G3、...Gn；M2、M3、...Mn)的一部分可以布置在第一电极(G1、M1)的至少一个圆周上。在这种情况下，至少四个膜片电极(M1、M2、...Mn)和/或至少四个壳体电极(G1、G2、...Gn)可以对称地布置在膜圈(membrane circle)的至少四个不同的圆形部分中，例如，在至少一个圆环的至少四个不同的圆环件中。
通过测量各个测量电容可以形成与相应压力相关联的矢量，在这种情况下，相对于从常规测量元件已知的尺寸，各个测量电容的相对表面中的至少一个较小。在这种情况下，壳体电极(G1、G2、...Gn)或/和膜片电极(M1、M2、...Mn)的表面(AG、AM)在每种情况下都可小于5000mm2，尤其是小于200mm2。然而，出于制造原因或各个测量的再现性，在这种情况下，该区域应至少为0.1mm2。
在一个实施方式中，电层M因此仅包括一个膜片电极，在这种情况下，其可以等同于电层M的膜片电极，因为这里任何供电线都不重要。另一方面，当膜片是金属膜片时，膜片整体可以形成膜片电极M。由于这种布置，仅第一壳体的与具有小距离的膜片相对的表面具有多个电极，从生产的角度来看，这比在对于真空测量而言非常薄的膜片上提供附加电极更容易实现，这可能转而仍然可选地改变膜片的挠度行为。在这种情况下，多个壳体电极与相对更大的(即在至表面的垂直投影中至少包括壳体电极(G1、G2、...、Gn)的表面的)膜片电极以电容的方式相关联。在每种情况下，或者甚至在两侧上都设置有多个电极的布置的情况下，测量电容(C1...Cn)可以是非常小的电容，例如，Cn<1nF，尤其是Cn<50...60pF，尤其是Cn<30pF。另外，测量元件可以包括固定的标准电容CS，其例如被设计为固定电容器或集成在传感器中。
壳体电极(G1、G2、...Gn)可以连接至信号处理单元16并且膜片电极M或膜片电极(M1、M2、...Mn)可以连接至电源，或者另选相反地，膜片电极(M1、M2、...Mn)可以连接至信号处理单元并且单个壳体电极G(在这种情况下，其可以等同于导电层G)或壳体电极(G1、G2、...Gn)可以连接至电源。在这种情况下，测量元件可以包括与相应的测量电容(C1、C2、...Cn)相关联的转换器，尤其包括CDC(CDC代表“电容性至数字转换器(capacitivity todigital converter)”)，其可以可操作地连接至信号处理单元。另选地，转换器也可以是信号处理单元的一部分。
为了将真空元件设计得尽可能紧凑并且使其能够安装即可使用而无需进一步测量，信号处理单元可以被集成到测量元件中，该测量元件包括具有至少一个存储器的运算单元和用于输出所计算出的压力值的输出单元。在这种情况下，转换器和必要时例如用于输入诸如环境温度和环境压力的外部参数的输入单元、和/或标准电容CS可以安装在信号处理单元中。基准值可以存储在信号处理单元的存储器中，以便将其与测量的实际值进行比较。此外，算法(尤其是用于将基准值与测量的实际值进行比较的最佳拟合算法)也可以存储在存储器中。该算法也可以以已知的方式从外部提供，例如，经由系统控制的外部控制器，或者以永久有线的方式设置在计算器的微处理器中。
本发明还以用于电容式压力测量的方法来实现。对于该方法，类似地使用真空具有带有膜片的第一壳体的真空测量元件，所述膜片与第一壳体间隔开并且密封地布置在边缘区域中，其中，在膜片与第一壳体之间形成基准真空空间，并且第一壳体的和膜片的紧密地间隔开的相对表面涂覆有导电层或者甚至是完全地或部分地导电。另外，真空测量元件包括第二壳体，该第二壳体同样密封地设置在与膜片相对的空间区域中，以便与其形成测量真空空间，在其中的连接装置打开以连接至待测介质。因此，具有插入的膜片的第一壳体和第二壳体密封地连接，使得一方面基准真空空间和测量真空空间彼此分离而另一方面提供相对于外部的密封。这可以通过弹性密封件以已知的方式完成和/或尤其是通过玻璃焊料进行高真空测量。对于该方法，电容测量因此并行地同时或者按时间顺序在至少两个测量电容上执行，但是更好地在至少三个、尤其是在四个或更多个测量电容(C1、C2、...Cn)上执行，这些测量电容各自形成在壳体电极或壳体电极(G、G1、G2、...Gn)与膜片电极或膜片电极(M、M1、M2、...Mn)之间。以这种方式，可以单独地补偿相应的膜片的夹持对称性中的固有偏差和/或制造公差，因为因此可以例如在测量元件的校准范围内针对每个压力生成基准矢量(CR1、CR2、...CRn)，用于与实际中的后续测量进行比较。这可以利用测量电容特别容易地实现，其中，在多个壳体电极(G1、G2、...Gn)与包括各个壳体电极的表面的大膜片电极(M)之间进行测量。电容测量的转换通过转换器进行，其中，CDC转换器尤其合适，因为在这种情况下，转换器的输出值已经以数字化形式存在。为了进行评估，例如在连接至测量元件或集成至测量元件中的信号处理单元中的测量值可以被转发至单元的运算单元并且借助于算法与存储在存储器中的基准值进行比较，以便例如经由输出单元从中计算出可以传递的输出值。为了进行比较，可以使用最佳拟合算法。
在下文中，将参考附图和各个实施方式来解释本发明。应当注意，在这种情况下，尽管仅结合各个实施方式或各个附图的描述提及了所有特征，但这些特征基本上可以与本发明的其它特征或实施方式进行组合，除非根据本领域技术人员的一般知识，这些特征的组合会立即产生矛盾或不相容。这也适用于在说明书的一般部分中提及的所有特征和实施方式，由此公开了这些特征的组合。
附图示出如下：
图1示出了现有技术的测量元件；
图2示出了真空测量元件的操作；
图3示出了根据本发明的真空测量元件的实施方式；
图4示出了由各个测量值形成的矢量场的数字表示。
图5a和图5b示出了根据本发明的电极布置；以及
图6示出了根据本发明的真空测量元件的电路图。
图1中所示的现有技术的测量元件以横截面示出并且具有(至少涉及相邻的表面8、9)基本上旋转对称的结构。在当前情况下，第一壳体由绝缘材料(例如氧化铝陶瓷板)制成，其在距陶瓷膜片的较小距离处密封地连接至边缘区域中的所述膜片并且从而形成基准真空空间9。两个表面之间的距离通常在安装在密封材料11上时设定，密封材料11位于膜边缘3与壳体边缘之间。以这种方式，可以使用大致平坦的壳体板1。以相同的方式，在膜片的相反侧上的第二壳体4中形成测量真空室10，其可以经由连接件5通过壳体4中的开口连接至处理空间。可以由例如玻璃焊料形成膜片2的两侧上的密封件3，其易于处理并且可以例如通过丝网印刷进行施加。在外径为38mm并且自由膜内径为30mm的典型测量元件中，电容有效表面之间的距离d0为约2μm至50μm，优选地12μm至35μm。这里，例如，第一壳体1的厚度例如约为5mm，第二壳体4的厚度例如约为3mm至6mm，优选地为5mm。在这种情况下，第二壳体4在内部区域中可以设置有深度为约0.5mm的凹部(如图1所示)，以便增大测量真空室10。因为在当前情况下壳体1和膜片2均由绝缘陶瓷制成，因此壳体1在基准真空侧上涂覆有形成壳体电极G的导电层并且膜片在基准真空侧上涂覆有形成膜片电极M的导电层。这两个层彼此不电连接。它们可以被例如喷漆、印刷、或喷涂、或者用尤其适用于精确生产薄层的真空方法(例如，气相沉积或溅射)进行施加。另外，为每个电极设置用于连接至相应的测量装置或者诸如CDG转换器的测量值转换器的真空密封的导电套管6。另外，可以设置吸气剂(这里也未示出)以便在空间9中保持长期稳定的基准真空。关于有利的实施方式和可能的电极层薄化或吸气剂的设计，参考EP 1 070 239B1的段落[0028]至并包括段落[0030]，其在此被声明为本说明书的组成部分。
对于不太关键的介质上的压力测量，例如，就其腐蚀性而言，如已知的那样，也可以使用金属膜片，由于其导电性，金属膜片可以整体形成膜片电极。如果代替陶瓷材料，金属也用于第一壳体1，则壳体电极G和导电套管6必须相对于壳体1以绝缘方式形成。
这种真空测量元件的主要操作模式如图2所示，图2示出了处于平衡位置2的膜片和加压膜片2’。因此，具有厚度t的膜片2、2’被弯入具有深度d0的基准真空空间9中w(p)的量，该w(p)是膜片2、2’的压力和夹紧半径2*R的函数。因此，当经由连接装置5施加真空时，在相反方向上发生弯曲。
类似于图1和图2中所示出的真空测量元件，在图3中示出了根据本发明的真空测量元件，除了电极几何形状和布线之外，其可以相对于根据现有技术的示例的材料和几何形状的选择进行设计。与图1中所示出的测量元件相比，在根据本发明的实施方式中，在此设置三个壳体电极，它们与单个膜片电极相对布置。结果，可以将特征电容值(Cj1、Cj2、Cj3)分配给该测量元件的每个特定压力值pj。
根据本发明，在壳体1的或膜片2的相对表面7、8的每一个上，但尤其是出于上述原因，可以在壳体表面7上形成如图5a和图5b所示的多电极布置。相应的电极(如图所示)例如绕中心壳体电极G1对称地布置。结果，例如对于m个测量压力值pj，可以创建包含对应于n个电极的n个电容测量值的矢量，并且可以将分别获得的矢量的和m表示为矢量场，如图4所示。根据测量分辨率的所需精度，为了比较目的，可以记录和保存由相应的n维矢量定义的任何数量的基准测量点。这也可以不对称地进行，例如以这样的方式进行：在目标压力范围内测量比在较不相关的压力范围内更精细的压力阶梯Δp并且存储为基准矢量。
图6示出了根据本发明的压力传感器12的电路图，该压力传感器12在这种情况下由一个膜片电极和六个壳体电极构成，或者反之亦然，即由一个壳体电极和六个膜片电极构成，并且连接至信号处理单元13。尽管例如在真空系统控制器中，信号处理单元13可以设置在外部，但是由于当前的逐步小型化，即使使用小型设计的真空测量元件，也很容易和有利地将信号处理单元集成在测量元件中，因为这样传感器相关的数据始终连接至右传感器，并且不正确放置的电缆所引起的任何可能的混淆都被排除在外。信号处理单元包括作为传感器的信号发生器的电源14，并且这里还包括用于该单元的电压源，该电压源可以由电池供电和/或连接到电源。中央组件是运算单元15，其包括具有保存的基准值的存储器17或者可以访问该存储器。此外，算法存储在那里或存储在另一存储器位置处，另选地，也可以通过半导体的结构硬连线或预先确定，运算单元15在算法的帮助下将经由转换器16发送至运算单元的或者已经数字化的电容值或矢量与存储在存储器17中的基准矢量进行比较。这可以例如用最佳拟合方法来完成。另外，环境温度Tamb或环境压力Pamb的值，在这种情况下仅通过示例经由单独的输入提供，并且标准电容CS(这里未示出)的测量可以根据需要用于校正和进一步提高测量值的准确性。
利用如上所述设计的结构和如上所述的用于操作测量元件的方法，可以通过将例如作为基准值向量(CR11、CR12、...CR1n)、(CR21、CR22、...CR2n)、...(CRm1、CRm2、...CRmn)的针对不同压力单独测量的电容的基准值与例如作为电容矢量的在测量压力下测量的电容测量值(C1、C2、...Cn)进行比较来确定测量压力，由此设法单独考虑和补偿例如由于制造公差而导致的在不同测量元件的几何形状中、尤其是在膜片的几何形状和预拉伸方面的个体差异。因此，不仅可以进行更精确和可靠的测量，而且还可以通过存储更多的基准值，针对所需测量范围(例如，尤其是工艺相关的测量范围)来实现待测压力的尤其精细的分辨率Δp。因此，本发明提供了针对非常不同的压力最佳地设计真空测量元件的可能性。

Claims (14)

1.一种电容式真空测量元件，该电容式真空测量元件具有带有膜片(2)的第一壳体(1)，所述膜片(2)被布置成与所述第一壳体(1)间隔开一定距离，以便在边缘区域(3)中形成密封，使得在所述第一壳体(1)与所述膜片(2)之间形成基准真空空间(9)，其中，所述第一壳体的和所述膜片(2)的相对表面(7、8)包括至少一个电极(G、G1、G2、...Gn、M1、M2、...Mn)，其中，设置了第二壳体(4)，以便在所述边缘区域中相对于所述膜片(2)形成密封，并且与所述膜片形成测量真空空间(10)，在该测量真空空间(10)中设有用于连接至处理空间的连接装置(5)，其特征在于，壳体表面(7)和/或膜片表面(8)上的所述电极(G、G1、G2、...Gn；M1、M2、...Mn)包括至少两个相互电绝缘的壳体电极(G1、G2、...Gn)或/和膜片电极(M1、M2、...Mn)，它们被布置成使得它们与至少一个相对电极(G、G1、G2、...Gn；M1、M2、...Mn)形成至少两个测量电容(C1、C2、...Cn)，使得能够在多个位置处以电容的方式检测所述膜片的弯曲，其中，所述壳体电极(G)或所述壳体电极(G1、G2、...Gn)和所述膜片电极(M)或所述膜片电极(M1、M2、...Mn)在工作中连接到信号处理单元。
2.根据权利要求1所述的测量元件，其特征在于，所述电极(G、G1、G2、...Gn；M1、M2、...Mn)包括至少三个或更多个电绝缘的壳体电极(G1、G2、...、Gn)或/和相互电绝缘的膜片电极(M1、M2、...Mn)，并且形成至少三个或更多个测量电容(C1、C2、...Cn)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，在所述壳体表面(7)和/或所述膜片表面(8)的中央形成的第一电极(G1、M1)被相对于所述第一电极(G1、M1)对称布置的至少四个另外的电极(G2、G3、...Gn；M2、M3、...Mn)包围。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，至少四个膜片电极(M1、M2、...Mn)和/或至少四个壳体电极(G1、G2、...Gn)对称地布置在至少四个不同的圆形部分中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，所述壳体电极(G1、G2、...Gn)或/和膜片电极(M1、M2、...Mn)的表面(AG、AM)在每种情况下都小于5000mm2，尤其小于200mm2，但在这种情况下至少是0.1mm2。
6.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，所述膜片(2)仅包括一个膜片电极(M)或者所述膜片(2)是所述膜片电极。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，所述测量电容(C1...Cn)各自具有Cn≤100pF的电容，优选地Cn≤50pF...60pF，优选地Cn≤30pF。
8.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，所述壳体电极(G1、G2、...Gn)连接至所述信号处理单元(16)并且所述膜片电极(M)或所述膜片电极(M1、M2、...Mn)连接至电源(14)，或反之，所述膜片电极(M1、M2、...Mn)连接至所述信号处理单元(16)并且所述壳体电极(G)或所述壳体电极(G1、G2、...Gn)连接至电源(14)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，所述测量元件包括与相应的测量电容(C1、C2、...Cn)相关联的转换器，所述转换器能够在工作中连接至所述信号处理单元。
10.根据前述权利要求中任一项所述的测量元件，其特征在于，所述测量元件在工作中连接至集成信号处理单元(13)，所述集成信号处理单元(13)包括运算单元(13)、至少一个存储器(15)和输出单元。
11.根据权利要求10所述的测量元件，其特征在于，在所述存储器(15)中存储了基准值，该基准值用于与测量的实际值进行比较。
12.一种利用具有第一壳体(1)的真空测量元件进行电容式压力测量的方法，所述第一壳体(1)具有膜片(2)，所述膜片(2)被布置成与所述第一壳体(1)间隔开一定距离，以便在边缘区域(3)中形成密封，使得在所述第一壳体(1)与所述膜片(2)之间形成基准真空空间(9)，其中，所述第一壳体(1)的和所述膜片(3)的相对表面涂覆有导电层，所述导电层形成为电极(G、G1、G2、..Gn、M1、M2、...Mn)，并且该真空测量元件设置有第二壳体(4),以便在所述边缘区域中相对于所述膜片(2)形成密封，以与所述膜片形成测量真空空间(10)，所述测量真空空间(10)具有用于连接至处理空间的连接装置(5)，其特征在于，在至少两个、但尤其至少三个测量电容(C1、C2、...Cn)上执行电容测量，使得能够针对每个测得的压力pm单独地读出各个测量电容(C1、C2、...Cn)的测量结果，所述测量电容(C1、C2、...Cn)分别形成在所述壳体电极(G)或壳体电极(G1、G2、...Gn)与膜片电极(M)或膜片电极(M1、M2、M3...Mn)之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在至少三个壳体电极(G1、G2、...Gn)与膜片电极(M)之间进行电容测量。
14.根据权利要求12或13中的一项所述的方法，其特征在于，将测量值转发至具有至少一个存储器的运算单元(15)，并且借助算法与存储在所述存储器中的基准值进行比较，以根据所述比较计算并提供输出值。
CN201680082457.9A 2016-02-25 2016-02-25 具有多电极的电容式真空测量元件 Withdrawn CN108700479A (zh)

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