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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Unterdruckmesser
unter Verwendung von temperaturabhängigen Quarzresonatoren,
beispielsweise zur kontinuierlichen Messung von Gasdruck im
Bereich von Atmosphärendruck (1,3 x 10&sup5; Pa - 10³ Torr) bis
zu einem geringeren Druck (etwa 0,013 Pa - 10&sup4; Torr).
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Generell wird ein thermisch leitender Unterdruckmesser,
beispielsweise ein Pirani-Unterdruckmesser zur Messung von
Gasdruck im Bereich von mittlerem bis zu kleinem Druck (0,013
Pa bis 13 Pa - 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;¹ Torr) verwendet. Ein derartiger
Unterdruckmesser besitzt jedoch oberhalb von 13 Pa (10&supmin;¹
Torr) keine ausreichende Empfindlichkeit.
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Neuerdings ist ein Quarz-Unterdruckmesser entwickelt worden,
bei dem die Abhängigkeit des Resonanzwiderstandes eines
Quarz-Oszillators vom Umgebungsgasdruck ausgenutzt wird (im
folgenden als "Quarz-Reibungsunterdruckmesser" bezeichnet)
Der Quarz-Reibungsunterdruckmesser kann zur Messung von
Gasdruck im Bereich von 1,3 Pa (10&supmin;² Torr) bis zu
Atmosphärendruck (130 Pa) verwendet werden. Dieser
Quarz-Reibungsunterdruckmesser ist im Journal of Vacuum Science &
Technology A, Vol. 4, No. 3, Teil III, 2. Folge Mai/Juni
1986, Seiten 1728-1731 beschrieben und besitzt als
Sensorelement einen durch einen Heizer auf der Basis einer
Rückkopplung von einem Thermoelement auf konstanter Temperatur
gehaltenen Quarz-Resonator. Der Resonanzstrom des
Resonators wird gemessen und durch eine geeignete
Schaltungsanordnung zur Realisierung einer Druckanzeige umgesetzt.
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Der thermisch leitende Quarz-Unterdruckmesser besitzt also
eine große Empfindlichkeit bei kleineren Drücken, kann
jedoch eine Messung im Bereich von mittlerem Druck bis zu
Atmosphärendruck nicht durchführen, während der
Quarz-Reibungsunterdruckmesser Druck im Bereich von Atmosphärendruck
bis zu 1,3 Pa (10&supmin;² Torr) messen kann, aber im Bereich
kleineren Drucks nicht arbeiten kann. Weder der thermisch
leitende Quarz-Unterdruckmesser noch der
Quarz-Reibungsunterdruckmesser können praktische Anforderungen,
beispielsweise in Halbleiterherstellungsprozessen, zur
kontinuierlichen Messung von Gasdruck im Bereich von
Atmosphärendruck bis 0,013 Pa (10&supmin;&sup4; Torr) allein nicht erfüllen.
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Die vorliegende Erfindung sucht einen Unterdruckmesser mit
einem Quarz-Resonator zu schaffen, mit dem eine effektive
Messung in einem breiten Bereich von Gasdrücken möglich ist.
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Die Erfindung schafft einen Unterdruckmesser zur Messung des
Drucks eines Gases mit einem Oszillator, der einen Quarz-
Resonator enthält, der in dem hinsichtlich seines Druckes zu
messenden Gas angeordnet ist und eine von seiner
Körpertemperatur abhängige Resonanzfrequenz, die von einem relativ
kleinen Druck abhängig ist, und einen von einem relativ
hohen Druck abhängigen Resonanzstrom besitzt; einer
benachbart zum Resonator angeordneten Wärmequelle; einer
Steueranordnung zur Erzeugung eines ersten Ausgangssignals,
das die von der Wärmequelle erzeugte Wärmemenge derart
steuert, daß die Körpertemperatur und die Resonanzfrequenz
im wesentlichen konstant gehalten werden; einem Umsetzer zur
Umsetzung des Resonanzstroms des Resonators in ein
entsprechendes zweites Ausgangssignal, das ein Maß für den Wert
des Gasdrucks in einem Bereich relativ hohen Drucks ist; und
einer Anzeigeanordnung zur Anzeige des Druckwertes gemäß dem
zweiten Ausgangssignal, der dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Anzeigeanordnung auch auf das erste Ausgangssignal
anspricht, das ein Maß für den Gasdruck in einem Bereich
relativ kleinen Drucks ist, und daß die Anzeigeanordnung zur
Anzeige des Druckwertes gemäß sowohl dem ersten als auch dem
zweiten Ausgangssignal dient.
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Die Steueranordnung kann eine Rückkoppelschleife zum
Vergleich der Oszillatorfrequenz des Resonators mit einer
gegebenen Bezugsfrequenz enthalten, um die
Oszillatorfrequenz in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den
Frequenzen im wesentlichen konstant zu halten und die
Wärmequelle in Abhängigkeit von der Frequenzdifferenz zu regeln.
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Die Anzeigeanordnung enthält vorzugsweise einen Addierer zur
Addition des ersten und zweiten Ausgangssignals zwecks
Erzeugung eines zusammengesetzten Ausgangssignals, das ein Maß
für den Druckwert im Bereich von 0,013 Pa bis 1,3 x 10&sup5; Pa
(10&supmin;&sup4; Torr bis 10³ Torr) ist.
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Somit wird ein Druckdetektorelement durch einen
temperaturempfindlichen Quarz-Resonator gebildet, der in einem Bereich
kleineren Drucks als Drucksensor im Wärmeleitbetrieb und im
Bereich von mittlerem Druck bis zu Atmosphärendruck als
Drucksensor im Reibungsbetrieb oder hydrodynamischen Betrieb
betrieben wird, so daß der einzige temperaturempfindliche
bzw. temperaturabhängige Quarz-Resonator eine Anordnung zur
kontinuierlichen Messung in einem breiten Gasdruckbereich
von etwa 0,013 Pa bis 1,3 x 10&sup5; Pa (10&supmin;&sup4; Torr bis 10³ Torr)
bilden kann.
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Benachbart zu einem temperaturabhängigen Quarz-Resonator mit
einem negativen Temperaturkoeffizienten kann eine
Wärmequelle (beispielsweise ein Glühfaden) angeordnet werden, um
erzeugte Wärme über das umgebende Gas auf den Resonator zu
übertragen. Nimmt der Gasdruck ab, so wird die von der
Wärmequelle über die Gasmoleküle übertragene Wärmemenge
reduziert, wodurch die Körpertemperatur des
temperaturabhängigen Quarz-Resonators reduziert wird, so daß seine
Oszillatorfrequenz aufgrund seines negativen
Temperaturkoeffizienten erhöht wird. Durch eine derartige Korrelation
wird im Prinzip die Änderung des Gasdrucks als Anderung der
Oszillatorfrequenz im Bereich kleineren Gasdrucks
detektiert. In der Praxis wird die Spannungsversorgung der
Wärmequelle über eine Gegenkopplung geregelt, um die
Oszillatorfrequenz des temperaturabhängigen Quarz-Resonators im
wesentlichen konstant zu halten, so daß eine Änderung des
Gasdrucks tatsächlich in Form einer Änderung der
Versorgungsspannung der Wärmequelle detektiert wird.
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Daneben wird der Resonanzstrom des temperaturabhängigen
Quarz-Resonators unabhängig von der Oszillatorfrequenz
überwacht und in eine Gleichspannung (bzw. Resonanzspannung)
umgesetzt, welche vom Druck im Bereich von mittlerem Druck
bis zu Atmosphärendruck abhängig ist. Es werden also sowohl
die Versorgungsspannung als auch die Resonanzspannung
parallel überwacht, um eine Druckmessung im
Temperaturbereich von etwa 0,013 Pa bis 1,3 x 10&sup5; Pa (10&supmin;&sup4; Torr bis
10³ Torr) durchzuführen.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
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Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Unterdruckmessers;
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Fig. 2 in einem Diagramm die
Frequenz-Temperaturcharakteristik eines in einem erfindungsgemäßen
Unterdruckmesser verwendeten temperaturabhängigen
Quarz-Resonators; und
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Fig. 3A bis 3D jeweils ein Diagramm zur Erläuterung der
Wirkungsweise des Unterdruckmessers nach Fig. 1.
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Gemäß Fig. 1 besitzt eine Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Unterdruckmessers einen temperaturabhängigen Quarz-
Resonator 1, der in einem umgebenden Gas angeordnet ist,
dessen Druck gemessen werden soll. Der Resonator 1 wird in
einer Oszillatorschaltung 2 zum Schwingen gebracht und
besitzt eine Frequenz-Temperaturcharakteristik gemäß Fig. 2,
gemäß der die Oszillatorfrequenz des Resonators umgekehrt
proportional zu seiner Körpertemperatur ist. Ein Bezugs-
Quarz-Resonator 3 wird durch eine zweite
Oszillatorschaltung 4 mit konstanter Frequenz bzw. Bezugsfrequenz zum
Schwingen gebracht, welche zur Regelung der
Oszillatorfrequenz des Resonators 1 ausgenutzt wird. Mit den
Oszillatorschaltungen 2, 4 ist ein Phasenkomparator 5 verbunden,
der ein digitales Signal liefert, das proportional zur
Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen der
Oszillatorschaltungen 2, 4 ist. Zur Umsetzung des Digitalsignals in
eine entsprechende Gleichspannung ist ein Tiefpaßfilter 6
vorgesehen, wobei die Gleichspannung durch einen
elektrischen Leistungsverstärker 7 verstärkt wird und die
verstärkte Gleichspannung Vf in eine Wärmequelle 8
(beispielsweise einen Glühfaden) eingespeist wird, welche benachbart
zum Resonator 1 im umgebenden Gas angeordnet ist. Die
Oszillatorfrequenz des Resonators 1 wird daher über eine den
Phasenkomparator 5 enthaltende Servoschleife bzw.
Gegenkopplungsschleife immer so geregelt, daß sie mit der
Oszillatorfrequenz des Bezugs-Quarz-Resonators 3 zusammenfällt.
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Das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 2 wird getrennt
in einen Gleichrichter 9 eingespeist, in dem das
Ausgangssignal in eine gleichgerichtete Gleichspannung Vr überführt
wird. Ein Addierer 10 nimmt die gleichgerichtete
Gleichspannung Vr und die in die Wärmequelle 8 eingespeiste Spannung
Vf an seinen Eingangsanschlüssen auf und liefert eine
addierte Spannung Vm. Ein durch die Ausgangsspannung Vm
gespeistes Meßinstrument 11 zeigt den Wert des Gasdrucks an.
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Die Fig. 3A bis 3D zeigen Diagramme zur Erläuterung der
Wirkungsweise des Unterdruckmessers nach Fig. 1. Fig. 3A zeigt
den Zusammenhang zwischen der Änderung der
Oszillatorfrequenz des Resonators 1 und dem Druck des umgebenden Gases,
wobei sich dieser Zusammenhang ergeben würde, wenn die
Spannung Vf für die Wärmequelle 8 konstant wäre, was tatsächlich
jedoch nicht der Fall ist. Wie dargestellt, nimmt die von
der Wärmequelle 8 über das umgebende Gas auf den Resonator 1
übertragene Wärmemenge entsprechend zu, wenn der Gasdruck
zunimmt, so daß die Oszillatorfrequenz des Resonators 1
aufgrund seines negativen Temperaturkoeffizienten gemäß Fig.
2 abnimmt. Wäre dies der Fall, so würde der Resonator 1
oberhalb eines Druckbereichs von 133 Pa (1 Torr) aufgrund
der thermischen Sättigung keine ins Gewicht fallende
Empfindlichkeit bzw. kein ins Gewicht fallendes
Ansprechvermögen zeigen.
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Fig. 3B zeigt den Zusammenhang zwischen dem Druck des
umgebenden Gases und der Spannung Vf für das Heizelement 8,
d.h. der Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers 7, welche
so gesteuert wird, daß die Oszillatorfrequenz der
Oszillatorschaltung 2 mit der konstanten Oszillatorfrequenz der
Oszillatorschaltung 4 zusammenfällt. Beginnt der Druck
zuzunehmen, so tendiert die Oszillatorfrequenz des Resonators
1 zu einer Abnahme. Dabei weicht die Oszillatorfrequenz von
der Bezugsfrequenz des Bezugs-Quarz-Resonators 3 ab, so daß
die Differenz zwischen diesen Frequenzen in positiver
Richtung relativ groß wird und der Phasenkomparator 5 ein
Digitalsignal mit größerem oder grobem Wert liefert. Das
Tiefpaßfilter 6 reduziert daher sein
Gleichspannungs-Ausgangssignal, so daß auch der Leistungsverstärker 7 die
Spannung Vf reduziert und die von der Wärmequelle 8 auf den
Resonator 1 übertragene Wärmemenge reduziert wird, wodurch
der Druckänderungseffekt ausgelöscht wird. Die
Oszillatorfrequenz des Resonators 1 wird daher konstant gehalten,
während die Spannung Vf für die Wärmequelle 8 druckabhängig
geändert wird. Gemäß den Fig. 3A und 3B entspricht der
Zusammenhang zwischen der Spannung Vf und dem Druck dem
Zusammenhang zwischen der Oszillatorfrequenzänderung Δf/f
des Resonators 1 und dem Druck. Der Wert der Spannung Vf ist
daher ein Maß für den Druck, wobei die Schwingung des
Resonators 1 auf seiner Resonanzfrequenz gehalten wird.
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Fig. 3C zeigt den Zusammenhang zwischen dem Druck und der
Resonanzspannung Vr, welche durch Umsetzung des
Resonanzstroms des auf der Resonanzfrequenz schwingenden Resonators
1 gewonnen wird. Wie dargestellt, ändert sich die
Resonanzspannung Vr im Sinne einer Abnahme im Druckbereich oberhalb
13 Pa (10&supmin;¹ Torr) aufgrund des Reibungswiderstandes des auf
den Resonator 1 wirkenden Gases. Die Spannung Vr ist also
ebenfalls ein Maß für den Gasdruck.
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Fig 3D zeigt den Zusammenhang zwischen der
Ausgangsspannung Vm des Addierers 10, welche eine Kombination der
Spannungen Vf und Vr (Vm = Vf + Vr) ist. Die Spannung Vm
speist das Meßinstrument 11 zur Anzeige des Druckwertes des
den Resonator 1 umgebenden Gases. Die Spannung Vf dominiert
im Druckbereich unterhalb 13 Pa (10&supmin;¹ Torr), während die
Spannung Vr im Druckbereich oberhalb 13 Pa (10&supmin;¹ Torr)
dominiert, so daß der Unterdruckmesser eine wirksame
Empfindlichkeit im gesamten Druckbereich von etwa 0,013 Pa bis 1,3
x 10&sup5; Pa (10&supmin;&sup4; Torr bis 10³ Torr) hat.
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Da der temperaturabhängige Quarz-Resonator zur Messung des
geringeren Gasdrucks im thermisch leitenden Betrieb
aufgrund der Druckabhängigkeit der Temperaturempfindlichkeit
und zur Messung im oberen Gasdruckbereich im
Reibungsbetrieb aufgrund der Abhängigkeit des Resonanzstroms vom
Gasdruck verwendet wird, kann der einzige Resonators 1 in einem
relativ weiten Gasdruckbereich (0,013 Pa bis 1,3 x 10&sup5; Pa
bis zu 10&supmin;&sup4; Torr bis 10³ Torr) kontinuierlich messen,
wodurch ein großer praktischer Vorteil erzielt wird.