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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Die vorliegende Anmeldung beruht auf der provisorischen US-Patentanmeldung 61/300620 und beansprucht deren Priorität, mit dem Titel ”Kapazitiver Drucksensor”, eingereicht am 2. Februar 2010 im Namen von Steven D. Blankenship, und übertragen an die vorliegende Rechtsnachfolgerin (Anwaltsakte Nr. 056231-0984 (MRKS-217PR)), wobei diese Anmeldung insgesamt durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
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HINTERGRUND
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Diese Beschreibung betrifft allgemeinen einen kapazitiven Drucksensor, und spezieller einen verbesserten Sensor, der sehr genaue und fehlerfreie Messungen des Drucks ermöglicht, insbesondere von sehr niedrigem Druck (Vakuum).
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Druckwandler wurden bei äußerst vielen Anwendungen eingesetzt. Ein derartiger Wandler ist das kapazitive Manometer, welches sehr genaue und fehlerfreie Messungen des Druckes eines Gases, Dampfes oder eines anderen Fluids ermöglicht. Anwendungen umfassen Präzisionssteuerung von Vakuum-basierten Prozessen und Halbleiterprozesssteuerung. Beispiele umfassen Halbleiterätzprozesse und physikalische Dampfablagerung.
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Kapazitive Manometer verwenden typischerweise (a) eine flexible Membran, die eine Elektrodenkonstruktion bildet oder aufweist, und (b) eine feste Elektrodenkonstruktion, die von der Membran beabstandet ist, so dass dazwischen eine Kapazität auftritt. Änderungen des Druckes auf einer Seite der Membran relativ zum Druck auf der entgegengesetzten Seite der Membran führen dazu, dass sich die Membran auslenkt, so dass sich die Kapazität zwischen der Elektrodenkonstruktion der Membran und der festen Elektrodenkonstruktion als Funktion dieser Druckdifferenz ändert. Normalerweise befindet sich das Gas oder der Dampf auf einer Seite der Membran auf dem zu messenden Druck (Px), während das Gas oder der Dampf auf der entgegengesetzten Seite der Membran sich auf einem bekannten Referenzdruck oder Bezugsdruck (Pr) befindet, wobei letzterer gleich dem Atmosphärendruck oder einem festen hohen oder niedrigen (Vakuum)-Druck ist, so dass der Druck an der Messseite der Membran als Funktion der Kapazitätsmessung bestimmt werden kann.
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Zahlreiche Anwendungen, welche extrem niedrige Drücke (Hochvakuum) benötigen, wurden und werden weiterhin entwickelt, so dass kapazitive Manometer benötigt werden, welche derart niedrige Drücke messen können. Die Erhöhung der Empfindlichkeit von kapazitiven Manometern zur Bereitstellung sehr genauer und fehlerfreier Druckmessungen bei niedrigen Drücken bringt jedoch verschiedene konstruktive Herausforderungen mit sich. Um extrem niedrige Drücke (Hochvakuum) zu messen, benötigen kapazitive Manometer sehr enge Spalte zwischen der flexiblen Membran und der festen Elektrodenkonstruktion, damit sie kleine Druckänderungen erfassen können.
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Ein Nachteil beim Einsatz sehr enger Spalte besteht darin, dass kleinere Änderungen der Form des Elektrodenspalts, die nichts mit der Messung der Druckdifferenz über der Membran zu tun haben, ebenfalls erfasst werden. Eine dieser nachteiligen Änderungen der Form des Elektrodenspalts ist eine Änderung des Elektrodenspaltabstandes. Obwohl es übliche Praxis in der Industrie ist, die Auswirkung einer Änderung des Elektrodenspaltabstandes dadurch zu verringern, dass die Vorgehensweise mit einer Doppelelektrodenkonstruktion eingesetzt wird, stellt eine gute Kontrolle des Elektrodenspaltabstandes eine weiter erhöhte Stabilität des Sensorausgangssignals zur Verfügung. Dies ist besonders wichtig dann, wenn man extrem niedrige Drücke (extrem kleine Membranauslenkungen) misst, die durch den Einsatz enger Elektrodenspalte ermöglicht werden.
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Kapazitätsmessungen beruhen auf der wohlbekannten Gleichung für die Parallelplattenkapazität C. C = ereoA/s, wobei
- C
- die Kapazität zwischen zwei parallelen Platten ist,
- eo
- die Dielektrizitätskonstante des freien Raums ist,
- er
- die relative Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen den Platten ist (bei Vakuum ist er = 1),
- A
- die gemeinsame Fläche zwischen den Platten ist, und
- s
- der Abstand zwischen den Platten ist.
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Auf Grundlage dieser Gleichung kann man die Beziehung ableiten, dass die anteilige Änderung der Kapazität gleich dem Negativen der anteiligen Änderung des Elektrodenspaltabstandes für jede Messelektrode ist (ΔC/C = –ΔS/S).
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Man sieht dann leicht, dass es kritisch ist, eine gute Kontrolle des Elektrodenspaltabstandes aufrechtzuerhalten, damit man eine stabile Kontrolle der Kapazität jeder Messelektrode erzielen kann. Bei einer einfachen Doppelelektrodenkonstruktion werden diese Auswirkungen in erster Ordnung bei einem Differenzdruck von Null ausgeglichen für eine flache Membran und Elektrodenkonstruktion (die jeweils unterschiedliche tatsächliche Werte der Ebenheit und Schrägstellungsabweichung gegenüber der wahren Ebene aufweisen) für ein vorgegebenes elektrisches Messverfahren, beispielsweise mit jeder Anzahl von üblicherweise verwendeten Brückenkonstruktionen und bei anderen elektrischen Messverfahren. Da der Sensor dazu ausgebildet ist, extrem niedrige Drücke (extrem kleine Membranauslenkungen) zu messen, ist nur das Ausgleichen der Elektroden ohne Erzeugung eines stabilen Elektrodenspaltes nicht dazu ausreichend, die Unsicherheit der Druckmessung auf ausreichend niedrige Pegel zu verringern, um eine stabile Erfassung der kleinsten Drücke zu erzielen.
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Es besteht ein Bedürfnis nach einem kapazitiven Druckmanometer, welches eine verbesserte Kontrolle der Elektrodenspaltstabilität bei Messungen niedriger Drücke aufweist, um die Messfähigkeiten des Manometers bei niedrigeren Drücken zu verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem Aspekt des verbesserten kapazitiven Manometers weist das Manometer auf:
eine Membran, die (a) eine gemeinsame Elektrode und (b) eine Elektrodenkonstruktion aufweist, die eine Zentrumselektrode und eine Ringelektrode hat, wobei die Membran bewegbar ist zwischen (i) einer Nullposition, wenn der Druck auf beiden Seiten der Membran gleich ist, und (ii) einer maximalen Differenzposition, wenn die maximal messbare Druckdifferenz an die Membran angelegt wird, und
eine Halterungskonstruktion, die so ausgebildet ist, dass sie die Membran haltert, so dass die Membran relativ zur Elektrodenkonstruktion eingespannt ist, und die gemeinsame Elektrode beabstandet ist von und in Axialrichtung ausgerichtet zu der Zentrumselektrode und der Ringelektrode relativ zu einer Ausrichtungsachse des Manometers;
wobei die Elektrodenkonstruktion relativ zur Membran an zumindest drei Klemmorten befestigt ist, die in einem Winkelabstand um die Ausrichtungsachse beabstandet sind; und wobei der Winkel, der in jeder rechten Ebene, die einen Punkt der Einspannung der Membran enthält, und dem Punkt jedes Klemmortes relativ zur Ebene der Membran in der Nullposition definiert ist, zwischen 60° und 90° liegt, um Änderungen der Halterungshöhe der Elektrodenscheibe zu verringern, kleinere Spalte zu ermöglichen, und eine verbesserte Stabilität zwischen der Membran und der Elektrodenkonstruktion.
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Gemäß einem anderen Aspekt des verbesserten Manometers weist das Manometer auf:
eine Membran, welche (a) eine gemeinsame Elektrode und (b) eine Elektrodenkonstruktion aufweist, die eine Zentrumselektrode und eine Ringelektrode aufweist, wobei die Membran bewegbar ist zwischen (i) einer Nullposition, wenn der Druck an beiden Seiten der Membran gleich ist, und (ii) einer maximalen Differenzposition, wenn die maximal messbare Druckdifferenz auf die Membran einwirkt;
eine Halterungskonstruktion, die so ausgebildet ist, dass sie die Membran so haltert, dass die gemeinsame Elektrode beabstandet ist von und axial ausgerichtet ist zu der Zentrumselektrode und der Ringelektrode relativ zu einer Ausrichtungsachse des Manometers;
einen Abstandsring, der mehrere Zungen aufweist; und
eine Klemme, die so ausgebildet ist, dass sie die Elektrodenkonstruktion an den Abstandsring am Ort jeder der Zungen klemmt, um so mehrere im gleichen Winkel beabstandete Klemmorte um die Ausrichtungsachse herum festzulegen.
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Diese sowie andere Bestandteile, Schritte, Merkmale, Ziele, vorteilhafte Eigenschaften und Vorteile werden nunmehr aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, den beigefügten Zeichnungen und den Patentansprüchen hervorgehen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNNG
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Es zeigt:
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1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Sensors, entlang der Achse eines Sensors, bei welcher die hier beschriebenen Verbesserungen vorgesehen sind;
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2 eine detailliertere Querschnittsansicht eines Abschnitts der Ausführungsform von 1, wobei geometrische Einzelheiten der Verbesserung dargestellt sind;
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3 eine geometrische Darstellung zur Erläuterung einiger der geometrischen Merkmale der Ausführungsform von 1;
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4 eine Aufsicht auf einen beim Sensor verwendetes Abstandsstück;
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5 eine detailliertere axiale Querschnittsansicht durch einen Abschnitt des Sensors;
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6 eine Aufsicht auf das Abstandsstück, das bei der in 7 gezeigten Verbesserung verwendet wird; und
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7 eine detailliertere Querschnittsansicht eines Abschnitts der Ausführungsform von 1, wobei Einzelheiten einer zusätzlichen Verbesserung dargestellt sind.
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Die Zeichnungen dienen zur Erläuterung beispielhafter Ausführungsformen. Sie zeigen nicht sämtliche Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen können zusätzlich oder stattdessen eingesetzt werden. Einzelheiten, die offensichtlich oder unnötig sein könnten, können weggelassen sein, um Raum zu sparen, oder um eine wirksamere Darstellung zu erzielen. Im Gegensatz hierzu können einige Ausführungsformen ohne sämtliche Einzelheiten in die Praxis umgesetzt werden, die hier beschrieben werden. Wenn dasselbe Bezugszeichen in unterschiedlichen Zeichnungen auftritt, betrifft es dieselben oder ähnliche Bestandteile oder Schritte.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG ERLÄUTERNDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es werden nunmehr erläuternde Ausführungsformen beschrieben. Andere Ausführungsformen können zusätzlich oder stattdessen eingesetzt werden. Einzelheiten, die offensichtlich oder unnötig sein könnten, können weggelassen sein, um Raum zu sparen, oder um eine wirksamere Darstellung zu erreichen. Im Gegensatz hierzu können einige Ausführungsformen ohne sämtliche Einzelheiten, die hier beschrieben werden, in die Praxis umgesetzt werden.
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Das in 1 gezeigte kapazitive Manometer 10 weist ein Gehäuse 12 zum Halter einer festen Elektrodenkonstruktion 14 und einer flexiblen Membran 16 auf. Das Gehäuse 12 kann einen Prozessgehäuseabschnitt 18 und einen Referenzgehäuseabschnitt 20 aufweisen, wobei die beiden Gehäuseabschnitte durch die flexible Membran 16 getrennt sind. Der Prozessgehäuseabschnitt 18 weist einen Px-Deckel 22 auf. Der Referenzgehäuseabschnitt 20 weist einen Ring 24 und einen Pr-Deckel 26 auf. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Ring 24 des Referenzgehäuseabschnitts 20 einen Hohlraum 28 zum Aufnehmen und Halter der festen Elektrodenkonstruktion 14 und der flexiblen Membran 16 in einer vorbestimmten Beziehung auf, so dass sie in einer stabilen, beabstandeten Beziehung gehalten werden, getrennt durch einen Spalt 30 mit vorbestimmten Abmessungen. Wie dargestellt, weist die feste Elektrodenkonstruktion 14 ein Substrat 32 auf, das aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, beispielsweise einem Keramikmaterial, und als starre, nicht-flexible Konstruktion ausgebildet ist. Eine Nase 34 kann am Umfang des Substrats 32 zum Eingriff mit einer Schulter eines Abstandsrings 36 vorgesehen sein, der im Gehäuse 12 vorgesehen ist, und an seinem Ort durch einen Verriegelungsring 38 und eine Wellfederscheibe 40 befestigt ist. Ein oder mehrere dünne Abstandsstücke 41 können dazu eingesetzt werden, bequem den Elektrodenspaltabstand auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Weiterhin können ein oder mehrere dünne Abstandsstücke 43 dazu verwendet werden, bequem die Höhe des Hohlraums für die Wellfederscheibe auf einen vorbestimmten Wert einzustellen, um die Klemmkraft auf einen vorbestimmten Wert einzustellen, der mit den konstruktiven Zielen der Überdruckfähigkeit und den Reibungsverbindungskräften verträglich ist, die dazu erforderlich sind, die Elektrodenplattenkonstruktion in einer stabilen geometrischen Beziehung zur Membran 16 der gemeinsamen Elektrode, dem Gehäusering 24 und dem in Radialrichtung nachgiebigen Abstandsring 36 zu klemmen. Bei einer Ausführungsform können die Größe und die Form des Substrats 32 so gewählt sein, dass bei einer Anordnung zwischen dem Abstandsring 36 und dem Verriegelungsring 38 das Substrat genau innerhalb des Gehäuses 12 positioniert ist, so dass das Zentrum der festen Elektrodenkonstruktion 14 auf der Zentrumsachse 42 zentriert ist, bei einem adäquaten Radialabstand zwischen dem Substrat 32 und dem Gehäusering 24 und dem Abstandsring 36. Dies verringert in der Auswirkung die Streukapazität zwischen den Elektroden und dem Metallgehäuse 24 sowie die Änderung der Streukapazität bei einer kleinen Änderung der radialen Position der Elektrodenscheibe. Die Wellfederscheibe 40 ist so ausgebildet, dass sie die Nase 34 berührt und auf diese eine Axialkraft ausübt, also die Nase 34 der festen Elektrodenkonstruktion 14, über den in Radialrichtung flexiblen Verriegelungsring 38 und das dünne Abstandsstück 43 an zumindest drei Orten, in gleichem Winkelabstand von 120° um die Achse 42. Entsprechend ist die Wellfederscheibe 40 so ausgebildet, dass sie den Pr-Deckel 26 berührt und eine Gegenkraft auf ihn ausübt, an zumindest drei Orten, die um 120° um die Achse 42 verschoben sind, und um 60° gegenüber den Orten des Kontakts mit der Nase 34 der festen Elektrodenkonstruktion 14, wenn das Manometer 10 vollständig zusammengebaut ist. Die feste Elektrodenkonstruktion 14 weist darüber hinaus eine Zentrumselektrode 44 auf, die konzentrisch relativ zur Zentrumsachse 42 angeordnet ist, und eine äußere Elektrode 46, vorzugsweise in Form eines Ringes konzentrisch zur Zentrumselektrode 44 und der Zentrumsachse 42.
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Die flexible Membran 16 besteht entweder aus einer Schicht oder Beschichtung aus geeignetem leitfähigem Material, um eine gemeinsame Elektrode auszubilden, oder weist eine derartige Schicht oder Beschichtung auf. Die Membran 16 ist so an dem Gehäuse befestigt, dass eine Kammer 50 für den Prozessdruck (Px) auf einer Seite der Membran entsteht, und eine Kammer für den Referenzdruck (Pr), welche den Spalt 30 aufweist, auf der anderen Seite der Membran. Es wird darauf hingewiesen, dass Wege zwischen der flexiblen Membran und dem Referenzgehäuseabschnitt 20 vorhanden sein können (durch beispielsweise Teile mit verringerter Dicke geätzter Abstandsstücke), die es ermöglichen, den Druck zwischen dem Spalt 30 und dem Rest des Pr-Abschnitts des Gehäuses auszugleichen. Die Membran ist so an dem Gehäuse befestigt, dass die Prozessdruckkammer 50 gegenüber dem Spalt 30 der Referenzdruckkammer abgedichtet ist, so dass die beiden Kammern auf unterschiedlichen Drücken gehalten werden können. Das Gas oder der Dampf, das bzw. der gemessen werden soll, kann in die Prozesskammer 50 über einen Gaseinlass 52 eingelassen werden, der in einem Teil des Px-Deckels 22 vorgesehen ist. Im Normalbetrieb arbeitet das kapazitive Manometer 10 als ein Absolutdrucksensor, und der Referenzhohlraum 28 (sowie der Elektrodenspalt 30) befinden sich abgedichtet unter Vakuum; und bei einer Ausführungsform ist der Referenzgehäuseabschnitt 20 mit einer Vakuumpumpe 54 mit einem nicht verdampfbaren Getter versehen, um einen sehr niedrigen Druck (deutlich unterhalb der minimalen Auflösung des Instruments) in dem Referenzhohlraum 28 und dem Elektrodenspalt 30 zur Verfügung zu stellen. Dies stellt die absolute Vakuumreferenz dar, mit welcher der Prozessdruck verglichen wird. Bei dieser Betriebsart ist die Druckdifferenz über der Membran eine Absolutdruckmessung. Ein anderes mögliches Konstruktionsverfahren besteht darin, einen zweiten Gaseinlass anstelle der Getter-Baugruppe 54 im Referenzgehäuse 20 zum Einlassen eines Gases auf einen Referenzdruck in die Referenzkammer von einer Quelle einzusetzen, oder von Umgebungsdruck von der Umgebungsatmosphäre. Daher enthält die Referenzkammer einschließlich des Spalts 30 ein Gas oder einen Dampf auf einem vorher festgelegten Referenzdruck. Es wird darauf hingewiesen, dass die beiden Kammern vertauscht werden können, so dass die Referenzdruckkammer als die Prozessdruckkammer arbeitet, und die Prozessdruckkammer als die Referenzdruckkammer arbeitet, wobei beispielsweise das Prozessgas inert in Bezug auf die Elektrode und andere Materialien ist, die in der Kammer einschließlich des Spalts 30 vorhanden sind.
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Die Zentrumselektrode 44 und die äußere Elektrode 46 sind bevorzugt flache Elektroden, die so auf der Oberfläche des Substrats 32 angeordnet sind, dass die Elektroden vorzugsweise von gleichförmiger Dicke sind, und sämtlich in derselben Ebene liegen. Geeignete elektrische Leitungen (nicht dargestellt) sind jeweils für die Zentrums- und Ringelektrode 44 bzw. 46 vorgesehen. Bei einer Ausführungsform ist die Membran 16 der gemeinsamen Elektrode einstückig mit dem Gehäuseabschnitt 20 ausgebildet, welche die elektrische Verbindung darstellt. Eine andere mögliche Konstruktion könnte eine elektrische Leitung (nicht dargestellt) aufweisen, die für die gemeinsame Elektrode der Membran 16 vorhanden ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist eine elektrische Abschirmung 45 auf dem Substrat 32 für die Messelektroden vorgesehen, um die Elektrodenstreukapazität zu kontrollieren, die Streukapazität zum Gehäuse 20 zu minimieren, und das Doppelelektroden-Kapazitätsgleichgewicht bei einer Druckdifferenz von Null zu erreichen. Die Leitungen sind auf geeignete Art und Weise an ein Kapazitätsmessgerät (nicht gezeigt) angeschlossen.
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Die Membran 16 ist vorzugsweise in dem Gehäuse so befestigt, dass die Ebene, die durch die gemeinsame Elektrode festgelegt wird, im Wesentlichen parallel zur Ebene der Zentrumselektrode und der äußeren Elektrode 44 bzw. 46 und der elektrischen Abschirmung 45 ist, wenn der Druck auf beiden Seiten der Membran gleich ist, also eine Druckdifferenz von Null vorhanden ist. Wenn ein Gas oder ein Dampf, das bzw. der durch den Einlass 52 in die Prozessdruckkammer 50 eingelassen wird, sich auf einem unterschiedlichen Druck als dem Referenzdruck in der Referenzkammer befindet, verbiegt sich die Membran, und wird die Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode der Membran 16 und der Zentrumselektrode 44 gleich einer Kapazität, die anders ist als die Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode der Membran 16 und der äußeren Elektrode 46. Die elektrische Abschirmung 45 verringert die parasitäre Streukapazität zwischen den Elektroden und dem Metallgehäuse durch Sperren der Wege für Streuverluste in diesem Bereich. Es wird darauf hingewiesen, dass durch Einsatz eines großen, gleichmäßigen Spaltes zwischen dem Hauptdurchmesser des Substrats 32 und dem Gehäuse 24, wie in 1 gezeigt, und durch Anordnen einer elektrischen Abschirmung 45 am Umfang der Elektrodenscheibe, wie in 1 gezeigt, irgendwelche Änderungen dieser Streuverluste infolge potentieller leichter Querverschiebungen der Elektrodenscheibe einen erheblich kleineren Anteil des Hubes der Sensorkapazität bilden, und daher erheblich genauere Messungen der Druckdifferenz ermöglichen, ohne Änderungen des Sensorausgangssignals hervorzurufen, die nicht in Beziehung zur Druckmessung stehen. Der Druck in der Prozessdruckkammer 50 ist daher eine Funktion der gemessenen Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode der Membran 16 und der Zentrumselektrode 44 und der gemessenen Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode der Membran 16 und der äußeren Elektrode 46.
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Als solche werden vorbestimmte Kapazitäten zwischen der gemeinsamen Elektrodenkonstruktion der Membran und sowohl der Zentrumselektrode 44 als auch der äußeren Elektrode 46 eingerichtet, so dass dann, wenn die Druckdifferenz, die auf die Membran einwirkt, gleich Null ist, die Konstruktion eine messbare ”Basiskapazität” festlegt. In der Praxis stellt die Basiskapazität die Summe der aktiven Kapazität am Elektrodenspalt und der Streukapazität zum Gehäuse dar. Darüber hinaus wird, wenn die Membran dem der maximal messbaren Druckdifferenz ausgesetzt ist, die gemeinsame Elektrodenkonstruktion der Membran relativ zu den Elektroden 44 und 46 so ausgelenkt, dass der ”Hub” des Sensors festgelegt wird. Ein Maß für den Hub des Sensors ist der ”Kapazitätshub”, der gleich der Differenz zwischen der Kapazität der Zentrumselektrode 44 zur gemeinsamen Elektrode der Membran 16 minus der Kapazität der äußeren Elektrode 46 zur gemeinsamen Elektrode der Membran 16 zwischen der Druckdifferenz von Null und der Druckdifferenz über die volle Skala ist. Die maximale Änderung der Auslenkung der Membran einer Druckdifferenz von Null zum Vollskalen-Wert ist die Spannweite der Membran.
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Einer der wesentlichen Parameter, welche den Bereich des Sensors festlegen, ist der Elektrodenspaltabstand, der gleich der Entfernung zwischen der Ebene der gemeinsamen Elektrodenkonstruktion der Membran 16 (wenn sie sich in der relaxierten Nullposition befindet) und der Ebene der Zentrumselektrode 44 und der äußeren Elektrode 46 ist, angegeben am Spalt 30, mit sehr niedrigem Druck (Vakuumreferenzdruck) in der Referenzkammer des Gehäuseabschnitts 20 (welcher den Spalt 30 aufweist), bei Drücken unterhalb der Auflösung des Instruments in der Prozesskammer 50. Für eine vorgegebene Sensorkonstruktion wird die ”Basiskapazität” durch den Elektrodenspaltabstand festgelegt. Kapazitätsmanometer, die zur Messung sehr niedriger Drücke (Hochvakuum) ausgelegt sind, müssen sehr empfindlich auf sehr kleine Änderungen des Drucks reagieren und diese messen können. Dies führt dazu, dass der Abstand zwischen der Ebene der gemeinsamen Elektrode der Membran 16 und der Ebene der Zentrumselektrode 44 und der äußeren Elektrode 46 sehr klein sein muss, so dass kleine Änderungen der Membranauslenkung in Reaktion auf kleine Änderungen der Druckdifferenz erfasst werden können.
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Wird der Spalt 30 kleiner ausgebildet, damit das Manometer 10 empfindlicher zur Messung kleinerer Druckdifferenzen wird, wird die Empfindlichkeit auf Änderungen der Form des Elektrodenspalts erhöht, die in keiner Beziehung zur Messung der Druckdifferenz über der Membran stehen. Eine dieser nachteiligen Änderungen der Elektrodenspaltform ist eine Änderung des Elektrodenspaltabstands. Obwohl die übliche Praxis in der Industrie darin besteht, die Auswirkung einer Änderung des Elektrodenspaltabstands durch Einsatz der Vorgehensweise einer Konstruktion mit Doppelelektrode zu verringern, sorgt eine gute Kontrolle des Elektrodenspaltabstands für eine weiter erhöhte Stabilität des Sensorausgangssignals. Dies ist besonders wichtig dann, wenn man extrem niedrige Drücke misst, ermöglicht durch den Einsatz enger Elektrodenspalte.
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Bei dem momentanen Bedürfnis, immer kleinere Drücke zu messen, weisen momentane kapazitive Drucksensoren nicht die inhärente Elektrodenspaltstabilität auf, die zur stabilen Messung extrem niedriger Drücke benötigt wird.
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Die vorliegende Anmeldung beschreibt ein kapazitives Manometer, bei welchem die Konstruktion des Geräts für eine größere Stabilität zwischen der Membran und der Elektrode sorgt, was noch kleinere Spalte und Messungen niedriger Druckdifferenzen ermöglicht. Durch Bereitstellung einer derartigen Konstruktion wird die Stabilität der Abmessungen des Sensorelektrodenspalts verbessert, insbesondere die Ausrichtung der Elektrodenscheibe in Bezug auf die Membran unter normalen Betriebsbedingungen, und insbesondere in Bezug auf äußere Einflüsse wie die Temperatur, Atmosphärendruck, Überdruck, mechanische Schläge und Vibrationen. Wesentliche Sensorparameter, welche die neue Konstruktion betrifft, umfassen den Elektrodenspaltabstand, die Elektrodenschrägstellung, und die Verwindung der Elektrode. Die Verbesserungen sorgen für erhöhte Fähigkeiten, welche es dem Wandler (also dem Sensor und der Signalaufbereitungselektronik, die ein Gleichspannungssignal auf hohem Pegel zur Verfügung stellen kann, und nicht gezeigt ist) ermöglichen, weniger elektrische Verstärkung zu benötigen, und weniger elektrisches Rauschen aufzuweisen (infolge der niedrigeren elektrischen Verstärkung), und eine bessere Nullstabilitätsleistung aufzuweisen, verglichen mit Sensoren nach dem Stand der Technik zur Messung vergleichbarer Vollskalen-Druckbereiche. Weiterhin ist, wie erwähnt, der Sensor dazu fähig, Instrumente für niedrigere Druckbereiche mit weniger elektrischem Rauschen und besserer Gesamt-Nullstabilitätsleistung zur Verfügung zu stellen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt hierauf, verringerter Empfindlichkeit auf Atmosphärendruck (bei Null und unter Druck), verringerter Temperaturkoeffizienten, und verringerter Nullpunktdrift.
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Bisherige Versuche, einen stabilen, verkleinerten Spalt zwischen den Elektroden und der Membran zu erzielen, umfassen, die Pr-Ringgehäusewand etwas dünner auszubilden, wie in dem Versuch, den Elektrodenscheibennasen-Kontakt mit der Pr-Ringstufe näher an die Membranhalterung zu bringen. Macht man jedoch die Pr-Gehäusewand dünner, um die Stufe näher an die Membranhalterung zu bringen, wird jedoch das Sensorgehäuse (die Pr-Ringwand) geschwächt, eine stärkere Verwindung während des Herstellungsprozesses ermöglicht, und eine weitere Schwache der Pr-Ringstufe gegen Verwindungen, hervorgerufen durch die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung erzeugten Kräfte, und durch Änderungen der Oberflächenbelastung auf den Sensor infolge des Atmosphärendrucks und irgendwelcher externen mechanischen Belastungen.
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In 2 sind Einzelheiten eines Manometers nach dem Stand der Technik im Vergleich zum neuen verbesserten Manometer dargestellt. Beim Stand der Technik ist die Membran 74 am Ring 60 um dessen Umfang an einer Ortskurve von Punkten befestigt, von denen einer mit 62 bezeichnet ist. Auf ähnliche Weise kann die feste Elektrodenkonstruktion 64 am Ort durch eine ringförmige Scheibe (Verriegelungsscheibe) (nicht dargestellt) gehalten werden, die auf den Umfangsrand der Elektrodenkonstruktion 64 aufgelegt ist, und an ihrem Ort durch die Axialkraft 68 gehalten wird, die von der Wellfederscheibe (nicht in 2 dargestellt) an zumindest drei Punkten zur Verfügung gestellt wird, von denen einer mit 70 bezeichnet ist. Man sieht, dass die Konstruktion einen Raumwinkel festlegt, der zwischen dem Ortskurvenpunkt 62, an welchem die Membran am Ring 60 befestigt ist, und dem Ortskurvenpunkt 70 ausgebildet wird, an welchem die Axialkraft 68 einwirkt, um die Elektrodenkonstruktion an ihrem Ort zu halten. Dieser Winkel ist als 45° dargestellt. Die Radialentfernung von der Achse (etwa der Achse 42 in 1) des Sensors der Ortskurve der Punkte, wo die Membran angebracht ist (etwa Punkt 62), ist gleich, 360° um die Achse.
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Die Vorteile der vorliegenden Vorgehensweise werden dadurch erzielt, dass die Membran und die Elektrodenkonstruktion in dem Manometer so konstruiert und befestigt sind, dass die Membrangrenze (und Halterung) 72 mehr direkt unter der aufgebrachten Klemmbelastung angeordnet wird, um eine direktere Halterung auszubilden, verglichen mit einer einseitig eingespannten (indirekten) Halterung. Die sich ergebende, verbesserte Geometrie kann auch genauer dadurch angegeben werden, dass der Winkel α (vergleiche 2 und 3) der Linie, die von der Membrangrenzenhalterung 72 zum Schnitt der Pr-Gehäusehalterung für die Elektrodenscheibe gezogen wird, auch an der Schnittstelle 70 zwischen dem Pr-Gehäuse und dem Abstandsstück 66 relativ zur Ebene der Membran 74 definiert wird. Diese Geometrie ist in zweifacher Hinsicht vorteilhaft. Erstens, und am wesentlichsten, verbiegt sich dann, wenn Änderungen des Atmosphärendrucks oder andere von außen einwirkende Kräfte auf die Oberfläche des Px-Deckels auftreten, der Deckel unter dieser Belastung, und weitet sich der äußere Durchmesser des Deckels an der Membrangrenze auf (erhöht seine Abmessungen) bei einem positiven Druck gegen die äußere Oberfläche. Diese Aufweitung verwindet das Pr-Gehäuse und verursacht im Wesentlichen eine geringfügige Drehung des unteren Abschnitts des Pr-Gehäuses, die durch die Änderung des Winkels α bei 82 (siehe 2) approximiert werden kann. Wie voranstehend erwähnt, liegt dieser Winkel bei zumindest einem Manometer nach dem Stand der Technik bei etwa 45°. Das verbesserte Manometer ist so ausgebildet, dass dieser Winkel auf einen Wert im Bereich von etwa 60° bis 90° erhöht wird. Wie aus 3 hervorgeht, ist bei kleinen Winkeln wie bei dem Beispiel nach dem Stand der Technik (etwa 45°), bei einer Änderung dieses Winkels eine relativ große Änderung ΔY1 der Höhe der Halterung vorhanden. Bei großen Winkeln wie bei einer Konstruktion einer Ausführungsform der vorliegenden Konstruktion (etwa 75°), ist bei derselben Änderung des Halterungswinkels eine relativ kleine Änderung ΔY2 der Halterungshöhe für die feste Elektrodenkonstruktion vorhanden. Eine Verringerung dieser Änderung der Halterungshöhe der Elektrodenscheibe relativ zur Membran setzt sich um in eine verbesserte Elektrodenspaltabstands-Stabilität. Zweitens sorgen die Vorteile der neuen Geometrie für eine steifere Halterung, so dass jegliche Änderungen der einwirkenden Axialbelastung an der Oberseite der Elektrodenscheibe zu kleineren Änderungen der Halterungshöhe und daher einer verbesserten Elektrodenspaltstabilität führen.
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Wellfederscheibenkräfte, wie jene, die von der Wellfederscheibe 40 (von 1) zur Verfügung gestellt werden, wie bei 68 in 2 gezeigt, können variieren, infolge von Änderungen der Temperatur, Änderungen der Montage der Wellfederscheibe und des Sitzes in dem Sensorhohlraum, die durch mechanische Schläge und Vibrationen hervorgerufen werden können, und auch infolge von Änderungen der Hohlraumhöhe für die Wellfederscheibe, die von einer Auslenkung des Pr-Deckels 26 (gezeigt in 1) herrühren, infolge von Änderungen des Atmosphärendrucks. Die hier vorgeschlagene, verbesserte Konstruktion sorgt für eine verbesserte Stabilität der Abmessungen und eine größere axiale Steifigkeit der Elektrodenscheibenhalterung (Gehäusering 24 und Abstandsring 36 von 1), und verringert Änderungen des Elektrodenspaltabstands infolge von Änderungen der von der Wellfederscheibe 40 ausgeübten Kraft.
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Bei dem verbesserten Sensor ist daher die Membran so ausgebildet und befestigt, dass die Membrangrenze (bei 72 in 2) mehr direkt unter der einwirkenden Klemmbelastung (gezeigt bei 68) angeordnet wird, um eine direktere Halterung auszubilden, im Vergleich zu einer einseitig eingespannten (indirekten) Halterung. Dies hat die Auswirkung, den Winkel zwischen den zwei Gruppen von Ortskurven von Punkten von 45° auf einen Winkel innerhalb eines Bereichs von Winkeln zu vergrößern, welche signifikant das Ausmaß einer Axialbewegung zwischen der Membran und der Elektrodenscheibenhalterung (Gehäuse 24 und Abstandsring 36 von 1) verringern. Der Bereich von Winkeln, der die besten Ergebnisse zur Verfügung stellt, liegt zwischen etwa 60° bis zu 90°. Die tatsächliche Auswahl innerhalb dieses Bereiches stellt einen konstruktiven Kompromiss dar, zwischen dem Maximieren der Elektrodenspaltstabilität und der Ausbildung einer einfach herzustellenden gestreckten Membran von hoher Qualität. Ein Kompromiss besteht darin, dass der Winkel α bei 82 (2 und 3) etwa 75° ist.
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Ein Herstellungsverfahren zur Erhöhung des Winkels besteht darin, den Ring in zwei Teilen auszubilden, eines (Pr-Ring 24) mit einem verringerten Durchmesser in der Nähe der Membran, und das andere (Abstandsring 36) wie in 1 gezeigt. Die beiden Teile können aneinander durch Schweißen oder andere geeignete Mittel befestigt sein. Dies stellt die erforderliche Geometrie für die Erfindung zur Verfügung und ermöglicht einen einfachen Zusammenbau der Membran 16 in Bezug auf das Sensorgehäuse (Pr-Ring 24 und Px-Deckel 22).
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Eine weitere Verbesserung betrifft ein radial nachgiebiges Abstandsstück. 5 zeigt eine Vorgehensweise nach dem Stand der Technik, bei welchem die inneren Sensorteile an ihrem Ort aufgesetzt werden, und die erhöhten Kontaktflächen (an welchen die Klemmbelastungen einwirken) 116 nur in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, nicht in Radialrichtung relativ zur Zentrumsachse 100. Ein Manometer könnte unter Bedingungen wie jenen in 5 zusammengebaut werden, wobei das Abstandsstück 102 nur die innere Wand 104 des Pr-Rings 106 am Ort 108 berührt, an welchem eine der (3) Klemmbelastungen (an der erhöhten Kontaktfläche) von der (nicht dargestellten) Wellfederscheibe übertragen wird. Wie man sieht, ist der Abschnitt der Elektrodenkonstruktion am Ort 108 von der Wand 104 beabstandet, wogegen die Elektrodenkonstruktion am um 180° entgegengesetzten Ort 108 die innere Wand 104 des Pr-Rings 106 am Ort 110 berührt.
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Wenn bei dieser Fehlausrichtung des Sensors nach dem Stand der Technik die Temperatur absinkt und der Pr-Ring 106 schneller und weiter als die Elektrodenkonstruktion 112 schrumpft, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Pr-Rings größer ist als jener der Elektrodenscheibe, führt dies zu einer mechanischen Spannung in dem Sensor. Das unterschiedliche Zusammenziehen ruft eine große, radiale Scherkraft an dem Ort der Klemmbelastung 107 (gezeigt auf der rechten Seite in 5) hervor, und kann die Reibungsklemmkraft zwischen der Elektrodenkonstruktion 112 und dem Abstandsstück 102 überschreiten, was dazu führt, dass die Elektrodenscheibe zu einer neuen Position rutscht. Nach Rückkehr zur vorherigen Temperatur in dieser neuen Zusammenbauposition wirkt auf die Elektrodenscheibe 112 eine hohe Radialkraft am Punkt 107 ein, die in die entgegengesetzte Richtung weist. Diese Kraft verwindet den Sensor, einschließlich des Elektrodenspalts, und ruft eine Änderung der Membranspannung hervor. Diese Änderungen haben eine negative Auswirkung auf die Genauigkeit des Manometers.
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Der voranstehend beschriebene, verbesserte Sensor setzt einen in Radialrichtung nachgiebigen Abstandsring (118, wie in den 6 und 7 gezeigt) auf, der so ausgebildet ist, dass nur die radial positionierenden Zungen 120 die Bohrung des Pr-Rings berühren können, und die erhöhten Kontaktflächen (an welchen die Klemmkräfte einwirken) 122 immer einen Radialspalt zur Bohrung des Pr-Rings aufweisen. Bei einem Absinken der Temperatur treibt dann, wenn eine radial positionierende Zunge 120 die Wand des Pr-Rings berührt, der Pr-Ring die Positionierungszunge des Abstandsstücks radial nach innen an einen Ort, der 60° von den erhöhten Kontaktflächen entfernt ist, welche die Elektrodenscheibe haltern, wie dies an der rechten Seite der Schnittansicht von 7 dargestellt ist. Die 60°-Segmente des dünnen, nachgiebigen Abstandsstücks sind flexibel und verformen sich relativ leicht, so dass nur kleine Querkräfte auf die geklemmte Verbindung (dargestellt bei 140 an der rechten Seite von 6) einwirken. Dies schaltet jegliche Möglichkeit einer gelegentlichen Kraftkopplungsverwindung des Sensors und sich daraus ergebende Änderungen der Genauigkeit des Manometers aus.
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Wie in 6 gezeigt, weist das in Radialrichtung nachgiebige Abstandsstück 18 radiale Zungen 120 auf, die so angeordnet sind, dass das Abstandsstück zentriert wird, wenn es in dem Manometer angeordnet ist. Es sind drei Zungen dargestellt, mit einem Winkelabstand von 120°. Die Zungen 120 sind zwischen (bei dem dargestellten Beispiel 60°) den Orten 122 (drei bei dem Beispiel) verschoben, an welchen die Klemmbelastung auf die Elektrodenkonstruktion einwirkt.
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Wie in 7 gezeigt, ist das in Radialrichtung nachgiebige Abstandsstück 118 in dem Pr-Ring 130 so installiert, dass immer ein Raum zwischen der Wand 132 des Pr-Rings 130 und Kontaktflächen vorhanden ist, an welchen die Klemmkraft einwirkt. Das Abstandsstück kann immer noch gelegentlich die Wand des Pr-Rings an den radial positionierenden Zungen berühren (60° entfernt von der in 7 dargestellten Schnittansicht). Da ein flexibles Segment von 60° auf beiden Seiten der Positionierungszunge vorhanden ist, das aus dünnem Abstandsstückmaterial besteht, das nicht eingeklemmt wird und sich frei bewegen kann, wird die auf die Elektrodenscheibe an der Montagekontaktfläche einwirkende Scherkraft wesentlich verringert.
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Es sollte deutlich geworden sein, dass verschiedene Änderungen bei den geschilderten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Patentansprüche abzuweichen. Zwar verwendet die beschriebene Ausführungsform beispielsweise eine Doppelelektrode mit einer Abschirmung, jedoch sind andere Elektrodenkonfigurationen möglich, einschließlich einer Konstruktion mit einer einzelnen Elektrode, und einer Mehrfachelektrodenkonstruktion mit mehr als zwei Elektroden. Die dargestellte Ausführungsform dient zur Erläuterung, und es kann sich jede Anzahl von Leitern und Leitermustern auf der Elektrodenscheibe befinden. Weiterhin können die elektrische Abschirmung und zusätzliche Leiter auf Signalmassepotential gehalten werden, oder auf einem anderen festen Potential. Weiterhin kann die Abschirmung aktiv mit einer Spannung betrieben werden. Bei einem derartigen aktiven Betrieb ist es vorzuziehen, dass die Abschirmspannung und die Phase zur momentanen Spannung und Phase der körperlich benachbarten Elektrode passen.
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Die Bestandteile, Schritte, Merkmale, Ziele, Vorteile und vorteilhafte Auswirkungen, die voranstehend diskutiert wurden, dienen nur zur Erläuterung. Sie sollen keinesfalls, und ebenso nicht die sie betreffenden Diskussionen, den Schutzumfang auf irgendeine Art und Weise einschränken. Es lassen sich auch zahlreiche andere Ausführungsformen überlegen. Diese umfassen Ausführungsformen, die weniger, zusätzliche, und/oder unterschiedliche Bestandteile, Schritte, Merkmale, Ziele, Vorteile und vorteilhafte Auswirkungen aufweisen. Sie umfassen auch Ausführungsformen, bei welchen die Bestandteile und/oder Schritte anders angeordnet und/oder ausgerichtet sind.
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Falls nicht ausdrücklich anders angegeben sind sämtliche Messungen, Werte, Nennwerte, Positionen, Größen, Abmessungen und andere Spezifikationen, die in dieser Beschreibung angegeben werden, und auch in den anschließenden Patentansprüchen, als annähernd und nicht exakt zu verstehen. Sie sollen einen vernünftigen Bereich haben, der mit den Funktionen verträglich ist, die sie betreffen, und mit dem, was in dem Gebiet üblich ist, zu dem sie gehören.
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Alle Artikel, Patente, Patentanmeldungen und andere Veröffentlichungen, die in dieser Beschreibung zitiert wurden, werden durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen.
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Der Begriff ”Mittel für”, wenn er in einem Patentanspruch verwendet wird, soll die entsprechenden Konstruktionen und Materialien, welche beschrieben wurden, und deren Äquivalente, umfassen und sollte so interpretiert werden. Entsprechend sollte der Begriff ”Schritt für”, wenn er in einem Patentanspruch verwendet wird, die entsprechenden Vorgänge, die beschrieben wurden, und deren Äquivalente umfassen, und so interpretiert werden. Die Abwesenheit dieser Begriffe in einem Patentanspruch bedeutet, dass der Patentanspruch nicht auf irgendwelche der entsprechenden Konstruktionen, Materialien, Vorgänge oder auf ihre Äquivalente beschränkt sein soll, und nicht so interpretiert werden sollte.
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Nichts von dem, was angegeben oder dargestellt wurde, soll eine Hingabe irgendeines Bestandteils, Schrittes, Merkmals, Ziels, Vorteils oder einer vorteilhaften Auswirkung, oder eines Äquivalents an die Öffentlichkeit hervorrufen, oder so interpretiert werden, unabhängig davon, ob es in den Patentansprüchen angeführt ist.
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Der Schutzumfang ist nur durch die sich anschließenden Patentansprüche begrenzt. Dieser Schutzumfang soll so breit sein wie das mit der üblichen Bedeutung der Sprache verträglich ist, die in den Patentansprüchen verwendet wird, und sollte so interpretiert werden, bei Interpretation anhand dieser Beschreibung und des Erteilungsverfahrens, die sich anschließen, und soll konstruktive und funktionelle Äquivalente umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7757563 [0011]
- US 7706995 [0011]
- US 7624643 [0011]
- US 7451654 [0011]
- US 7389697 [0011]
- US 7316163 [0011]
- US 7284439 [0011]
- US 7201057 [0011]
- US 7155803 [0011, 0011]
- US 7000479 [0011]
- US 6993973 [0011]
- US 6909975 [0011]
- US 6735845 [0011]
- US 6672171 [0011]
- US 6568274 [0011]
- US 6105436 [0011]
- US 6029525 [0011]
- US 5965821 [0011]
- US 5942692 [0011]
- US 5932332 [0011]
- US 5911162 [0011]
- US 5808206 [0011]
- US 5625152 [0011]
- US 4785669 [0011]
- US 4499773 [0011]
