JP4083239B2 - 箔マノメータ - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導マノメータとして動作される圧力測定装置、並びにこの種圧力測定装置を使用して圧力を測定する方法に関する。
平均自由行程長が容器のディメンションと比較可能であるときに、低圧での気体の特別な熱伝導率は、気体の圧力に依存しており、このことは、圧力を測定するための熱伝導マノメータで利用されている。最も単純な場合、熱伝導マノメータは、測定される気体の中に入れられる自己支持抵抗ワイヤーを有する。この抵抗ワイヤーは、一定の電力で加熱される。そして、気体粒子の平均自由行程長が、ワイヤーの径のディメンションに達したときにすぐに、気体の熱伝導率は、圧力に対応するようになる。圧力が低下するのに従って、気体により伝導される熱流は、低くなり、この結果、ワイヤーの温度は、一定の加熱パワーでの圧力に依存する。低圧限界以下で、気体を通る放熱は、伝導もしくは熱放射による放熱と比較して無視され得るので、伝導される熱流は、圧力とは独立し、かくして、抵抗ワイヤーの温度は、一定となる。
このワイヤーの温度は、ワイヤーの抵抗値から決定され得る。ピラニマノメータにおいて、抵抗値は、１つの抵抗体が測定抵抗ワイヤーにより形成され、かつ測定抵抗ワイヤーと同じデザインの基準抵抗値が一定の圧力下で動作されるホイートストンブリッジにより測定される。
ピラニマノメータとしてデザインされた熱伝導マノメータは、一般的に、以下の欠点を有する。可能な限り径を細くすることによって、可能な限り初期圧力を高くする抵抗ワイヤー（上述）は、一般に、比較的高い抵抗値の材料（例えば、タングステンもしくはモリブデン）により形成されている。このような高抵抗材料は、単に、直流によって測定ブリッジ回路の動作を可能にしている。さらに、電磁障害による影響は大きく、これは、プラズマ物理実験では特に欠点となっている。従って、一般のピラニマノメータで制限がある。さらに、自己支持抵抗ワイヤーを備えたデザインのマノメータは、機械的ストレス並びに受ける通風に敏感である。最後に、コンパクトなデザインではない一般のピラニマノメータを設置することは、これらマノメータの使用が真空プラントの動作での特別ではない圧力測定に一般的に制限されることを意味する。
例えば、ＵＳ５，５５７，９７２、ＤＥ−ＯＳ４３１０３２４、並びにＤＥ−ＯＳ４４１３３４９から知られている他の熱伝導マノメータは、上述したワイヤーの形態の代わりに平坦な層の形態の測定抵抗体を有する。このような抵抗マノメータは、比較的高い感度を呈するが、動的応答性と機械的安定性の面に欠点がある。高い感度を得るために、測定抵抗体をマノメータの他の部分から断熱する方法がある。これにより、測定される気体と測定抵抗体との間の熱均衡を設定するためには比較的長い時間を必要とし、この結果、熱均衡を設定するための時間よりも短い時間の圧力変動が測定され得ない。従来の熱伝導マノメータにおいて、測定抵抗体は、半導体技術で形成される膜により製造され（測定抵抗体とキャリアー膜との厚さは約１μｍ）、このことは、機械的感度が極めて高いことを意味する。従って、層の形態の測定抵抗体を使用した従来の熱伝導マノメータのデザインは、センサーを小形にするのには限度がある。このことは、また、圧力測定の感度が低下することにもなる。
ＤＥ−ＯＳ４３０８４３４は、規格化された熱伝導マノメータでの温度補償のための電気回路を開示している。
本発明の目的は、広範囲での使用が可能で、特に小型で障害の影響を受けないようにデザインされ、高精度で動作され得る改良された圧力測定装置を提供することである。
この目的は、請求項１の態様を有する圧力測定装置により達成される。本発明の効果的な構成は、従属請求項によっている。
本発明は、熱伝導の原理に基づく圧力測定装置で、従来の構造とは別に層構造体を使用するアイディアに基づいており、少なくとも１つの測定抵抗体と熱伝導層とがキャリアー箔に層状に配設されている。
前記熱伝導層は、熱バス（高熱容量）として機能する熱コンタクト層に接続されており、かくして、圧力測定装置の他の部分への測定抵抗体の所定の熱的カップリングとして機能する。かくして、従来の熱伝導マノメータとは異なり、本発明は、熱伝導層内で測定抵抗体からの規定された放熱を果たす手段を形成している。熱伝導層は、また、キャリアー箔が金の熱伝導性に比較され得る充分な熱伝導性を呈するのであれば、キャリアー箔の一部であり得る。
本発明のデザインは、第１の時間において、測定抵抗体の熱均衡の設定の加速を果たし、応答時間を早くし、かくして、非常に早い圧力変化（ｋＨｚのオーダ）の検出を可能にする。
熱伝導層を装着する他の効果は、圧力測定装置のフィードバック動作を可能にすることである。図２を参照して以下に説明されるこのフィードバック動作は、測定抵抗体が直接的もしくは間接的な加熱により規定された方法で変更されることを、例えば、一定の温度に設定されることを意味する。必要な加熱パワーが放熱に、かくして媒体の圧力に依存することを考慮すると、瞬間的な圧力値は、加熱パワーから直接決定され得る。熱源（可能であれば、特別な加熱抵抗体）の影響を受ける測定抵抗体と、ヒートシンクとして機能する熱伝導層との温度上の均衡は、所望の温度範囲で非常に早く設定され得る。
可能ならば吸収層並びに／もしくは表面構造体を有する熱伝導層と、測定抵抗体もしくはキャリアー箔とは、測定抵抗体から媒体への熱流が大部分で層を垂直に通るようにディメンションが決定されている。熱伝導層の追加は、測定抵抗体と測定される媒体との間の温度勾配の規定された設定を可能にする。本発明の好ましい構造において、測定抵抗体は、キャリアー箔の一側に設けられ、また、熱伝導層は、測定抵抗体と対応する領域で他側に設けられている。しかし、他の層のシーケンスは、測定抵抗体から熱伝導層を通って媒体に流れる実質的に垂直な放熱を可能にし、この結果、圧力測定装置の感度もしくは応答時間が決定される。キャリアー箔の反対側で、測定抵抗体は、媒体と直接接触するか、吸収層を支持する（単一もしくは２重の層）。
本発明に係わる圧力測定装置は、ブリッジ回路を備えたピラニマノメータとして好ましくは動作される。第１の実施の形態において、同じデザインの測定抵抗体と基準抵抗体とが、互いに離れてキャリアー箔に設けられ、後者は、良熱伝導性のブロックの形態で設けられており、これは、測定抵抗体がキャリアー箔に配設され、また基準抵抗体が配設されたキャリアー箔の領域の周りで形状的に合った領域内で、測定される媒体を収容する凹所を有する。かくして、基準抵抗体は、熱バス（非常に高い熱容量）に全体的に接続されており、この結果、温度のいかなる圧力依存性変化をも受けない。
本発明の第２の実施の形態において、説明されているデザインは、測定抵抗体と同様に基準抵抗体もキャリアー箔の自己支持領域に配置されるように変更されている。この場合、基準抵抗体は、熱バスにより囲まれてはおらず、測定される媒体と熱的に接触するようにもたらされている。この圧力測定装置は、上述したように、キャリアー箔、測定抵抗体、並びに熱伝導層からなる層構造を備えたセンサー部分と、基準抵抗体、キャリアー箔、並びに熱伝導層からなる層構造を同様に備えた基準部分とを有する。これらセシサー並びに基準部分は、同じ機何学的形状を有することが好ましいが、これらの熱伝導層は、厚さは異なる。かくして、以下のように、区別が、第２の実施の形態に関連して、基準熱伝導層とセンサー熱伝導層との間でなされている。この基準熱伝導層は、センサー熱伝導層よりも好ましくは厚い（例えば、約４ないし５倍）。好ましい構造において、測定抵抗体は、基準抵抗体と同様に（基準加熱抵抗体）、別の加熱抵抗体（セシサーか熱抵抗体）を有し得る。
本発明に係わる圧力測定装置は、機械的安定性が増したマノメータのデザインを可能にしている。これは、測定もしくは基準抵抗体と環境との熱的カップリングを改良するための方法によっている。従って、安定したキャリアーフイルム箔を有する新規なデザインが得られる。このデザインは、換気動作に充分に耐えられ、また、層構造を有する従来の抵抗マノメータと比較して大きいセンサー領域を可能としている。これは、また、圧力測定装置の感度を高めている。
また、本発明の層構造は、圧力測定装置の圧力感知センサー部分の小形化を可能にしている。本発明の他の実施の形態において、多数の圧力測定装置が、圧力の測定における位置感知分解能のための熱伝導マノメータにおいてマトリックスのように構成される。
本発明の装置の効果的な使用において、圧力プロフィールは、例えば、容器の所定の領域内でリニアーもしくはフラットに配設された多数の圧力センサーを使用して媒体で検出され、また、全ての圧力センサーの圧力値の同様の検出のために意図されている。
本発明の詳細は、添付の図面を参照した以下のことから与えられる。
図１は、本発明に係わる圧力測定装置の第１の実施の形態の概略的な断面図である。
図２は、本発明に係わる圧力測定装置を作動させるブリッジ回路を説明するためのブロック図である。
図３は、圧力に対するブリッジ出力電圧曲線図である。
図４は、多数のセンサーを備えた本発明に係わる熱伝導マノメータのキャリアー箔の前方の概略図である。
図５は、図３に係わる熱伝導マノメータのキャリアー箔の後方の概略図である。
図６は、蛇行構造の測定抵抗体の拡大図である。
図７は、熱伝導層の異なる構造を示す概略的断面図（Ａ−Ｄ）である。
図８は、本発明に係わる圧力測定装置の第２の実施の形態の概略的断面図である。
第１の実施の形態
図１は、本発明に係わる圧力測定装置の第１の実施の形態の概略的な断面図である。明確にするために、この図は、実際の寸法では示されていない。以下の説明において、圧力測定装置、即ち、図１に示す個々の層状要素の上側が前と称され、下側が後ろと称されている。これは、本発明に係わる圧力測定装置の所定の部品の配置に関して、前方もしくは後方で限定することを意味しているのではなく、漠然とした表示である。熟練者は、動作状態における前方は、容器の内部に関してのモノメータの無差別に向けられた側であることは、理解できるであろう。
本発明に係わる圧力測定装置は、センサー部分１０（破線のアウトライン）を有する。このセンサー部分１０は、自己支持キャリアー箔１１を有する。この箔の前側には、熱コンタクト層１２１が設けられ、また、後ろ側には、測定抵抗体１３１を有する抵抗体並びにリード層１３０が設けられている。測定抵抗体１３１と中心を同じとしかつ反対側で、熱コンタクト層１２１は、凹所１２２を有し、ここからの延出部が、所定の厚さの薄い熱伝導層１２３となっている。この熱伝導層１２３の前側で、凹所１２２の中には、測定される媒体と接触する吸収層１２４が配置されている。この吸着層の取着は絶対的な本質ではない。本発明に係わる圧力測定装置は、また、凹所の底に設けられた前記熱伝導層のみが、吸収層がなくて側方に接続する熱コンタクト層１２１の関連して設けられるように、デザインされ得る。この熱伝導層をデザインするための可能性は、図７Ａないし７Ｄを参照して後で説明される。前記キャリアー箔１１の後ろ側には、層状の測定抵抗体１３１に加えて、層状のリード１３２が配置されている。
キャリアー箔１１と、これに取着された熱コンタクト層１２１と，熱伝導層１２３と、測定抵抗体１３１と、リード層１３２とからなる前記層構造は、パッケージ１４（ハッチングで概略的に示されている）により囲まれている。このパッケージ１４の前側には、ガス入口、即ち、換気ダクト１４１が形成されており、これを通って測定される媒体が前記凹所内に入り得る。また、パッケージ１４の後ろ側で、主に測定抵抗体１３１の延びた領域には、凹所１３３が形成されている。この凹所のディメンション（特に、層の面に平行な方向）は、前記凹所１２２と対応している。測定される媒体は、また、センサー部分１０の後ろ側の部分に、別の換気ダクト１４２を通って入り得る。このことは、センサー部分への機械的ストレスを減じる効果がある。前記換気ダクト１４１，１４２は、キャリアー箔１１の平面に垂直な基準線に対して傾斜するように配置されている。このことは、電磁放射線（特に熱放射線）に対するセンサー部分のシールドを果たしている。圧力測定装置の特別なデザインにおいて、キャリアー箔の後ろ側の凹所１３３は、省略され得る（後で説明する）。
圧力補償のための凹所１３３と測定抵抗体とを備えたキャリアー箔の後ろ側の圧力測定装置のデザインは、以下の形態のうちの１つに選定され得る。第１の例において、測定抵抗体を備えたキャリアー箔の領域は、測定されるガスと直接に接触するように露出されている。熱抵抗値の改良は、測定抵抗体に吸収層（図示せず）を加えることにより得られる。吸収層が電気的に絶縁体の場合には、蛇行形状の測定抵抗体とこれらの間のキャリアー箔の自由領域とを直接覆う。また、吸収層が電気的に導体の場合には、電気的な絶縁層が測定抵抗体と吸収層との間に設けられる。さらなる例（図１に示す）において、測定抵抗体と加熱抵抗体１３５との間に、機能が後で説明される絶縁層１３４が設けられる。
前記パッケージ１４は、熱良導性の材料で形成されている。このパッケージ１４は、キャリアー箔１１により支持された全層構造体を強固にクランプている。測定抵抗体１３１並びに熱伝導層１２３の領域で、層構造体は、自己支持している。電気的に加熱された測定抵抗体１３１からの熱は、主に熱伝導層１２３を通って、パッケージ、並びに圧力Ｐが測定される周囲の媒体へと伝えと、所定の方法で伝えられる。この媒体は、大気圧以下の圧力を有する気体である。前記測定抵抗体１３１は、圧力に依存している気体を介しての熱伝達により温度Ｔ（ｐ）に加熱される。測定抵抗体の温度係数により、その抵抗値Ｒ（ｐ）もまた、圧力に依存している。
図１に係われば、各基準抵抗体１３６は、測定抵抗体１３１並びに接続リード１３２と同一平面に配設されているが、測定される気体とは熱的に接触していない。基準抵抗体１３６の代わりに、直接の圧縮全表面が、パッケージ１４とのしっかりとした熱接触となり、かくして電磁放射線並びに気体粒子に対して充分にシールドされる。このことは、電気的に加熱される基準抵抗体１３６の温度がパッケージの温度（ヒートバス）と同じであり、圧力には依存していないことを意味する。
キャリアー箔１１と熱伝導層１２３とを通る測定抵抗体１３１からの熱伝導は、規定された幾何学的パラメータの仮定のもとで、以下のように示される。尚、キャリアー箔１１と熱伝導層１２３とは、１つの熱伝導層とみなされ得る。前記幾何学的パラメータは、キャリアー箔１１の厚さｄ１１と、熱伝導層１２３の厚さｄ₁₂₃と、熱伝導層１２３の（即ち凹所１２２のベース領域の）表面の側方長さａ並びにｂとを、特に含む。測定される気体への段階状衝撃の後に、熱伝導層の温度は、以下のようになる。

ここで、ｆ（ｐ_o）は、基準圧力ｐ_oのための校正可能な熱除去容量、＜Ｋ＞は、キャリアー箔１１と熱伝導層１２３との伝導率の平均係数、＜ｃ＞は、キャリアー箔１１と熱伝導層１２３との平均熱容量，そして、＜Ｔ＞（ｔ）は、熱伝導層の領域全体に渡っての平均温度である。また、添字ｍ，ｎは、所謂、熱状態のモードを示す自然、奇数である。以下の式に係わる数値λ_mnは、熱伝導層１２３の側方長さａ，ｂに依存している。

かくして、所定のモードナンバーｍ，ｎのための以下の式で表される時間定数は、熱伝導層（キャリアー箔を備えた）の幾何学的形状と、固有熱容量と、熱状態とに依存する。

これらの量を通じて、測定抵抗体１３１と、測定される媒体との間の熱流の所望の時間定数を設定するととが可能である。代表的な時間定数τ１１は、１ｍｓないし数百ｍｓの範囲にあり、例えば、側方長さａ＝０．１ｃｍ，ｂ＝０．３ｃｍ、並びに、熱伝導層の異なる厚さｄ₁₂₃に対するキャリアー箔の厚さ１０ｘ１０^-6ｍの場合には以下の値を有する。
ｄ₁₂₃＝１μｍ： τ₁₁＝５．４ｘ１０^-3ｓ，
ｄ₁₁＝０．１μｍ： τ₁₁＝３８．９ｘ１０^-3ｓ，
ｄ₁₁＝１０μｍ： τ₁₁＝１．２ｘ１０^-3ｓ
均質な熱伝導層においては、モードは、比較的高いｍ，ｎ値に対して早く減少し、この結果、モード＝１，ｎ＝３（もしくは、これの逆）は、例えば、基本モードの約１５％のみである。
熱的特性は、熱補償層もしくは吸収層が加えられる場合には、より複雑になる。かくして、所定のパラメータの設定は、固体において利用可能な数値の主ミレーション方法を使用してなされる。熱補償層の厚さは、熱伝導層１２３の厚さよりも厚く（代表的には５０ないし１００のファクター）、一般に選定される。
温度依存性抵抗値Ｒ（ｐ）の検出は、２つの測定抵抗体２１（１３１に対応）と、２つの基準抵抗体２２（１３６に対応）とにより構成されたブリッジ回路を有するピラニマノメータの場合でのように、好ましくはなされる。これら基準抵抗体２２は、測定抵抗体２１と同じデザイン（同じ材料，同じ幾何学的形状）ではあるが、これらの温度が圧力を夫々独立して設定するように第１の実施の形態では形成されている。また、前記基準抵抗体も、これらが測定抵抗体よりも大きい抵抗値を有するように、設定され得る。この大きい抵抗値は、以下の考察の結果である。
ブリッジ供給電圧Ｖ_acが印加されたときに、測定抵抗体の抵抗値（Ｒ）は、
ΔＲ_Mesa＝（α／２）ｘ（τ／ｃ）ｘＶ_rms ²（ここで、Ｖ_rmsはＶ_asの実効値、αは温度係数、τは測定箔の時間定数、そして、ｃは測定箔の温度容量である）。基準抵抗体は、パッケージにより、パッケージ温度に維持されており、かくして、これらの抵抗体値は変化しない（ΔＲ_Ref＝０）。ブリッジは、これが全くされないか僅かに調節され得るようにΔＲ_Mesaにより誤調節（ｍｉｓｔｕｎｅ）される。このために、ΔＲ_Refは、Ｖ_rmsが印加されたときに、均衡するように、完全な状態に対して、ΔＲ_Mesaだけ大きくなるように選定される。τは、数的に計算され得る。
図２に係わるブリッジ回路は、ＡＣ電圧とロック・イン（ｆが１００ｋＨｚへと高い）で動作される。図示の実施の形態において、２対の測定並びに基準抵抗体２１，２２は、後ろへと動作される。しかし、また、１対の測定並びに基準抵抗体は、ブリッジ配列のために固定基準抵抗体に変更され得る。正弦波ブリッジ出力電圧Ｖ_Bの振幅変調ΔＶ_Bは、温度に対する最小依存性（ｄΔＶ_B／ｄＴ）に対して、圧力に対する高い依存性（ｄΔＶ_B／ｄｐ最大）を呈する。第１の測定方法において、ブリッジ回路の抵抗体は、動作電圧Ｖａｃで一定の熱パワー（周期的、例えば、正弦波熱電流）が供給され、また、圧力が適当な矯正の後に、測定されたブリッジ出力電圧ΔＶ_Bから検出される。
代わって、直接の加熱に加えて、測定抵抗体から媒体への熱流を部分的もしくは全体的に補償するために、特別の加熱抵抗体２３（図１：測定抵抗体１３１、加熱抵抗体１３５）により間接的に（第２の実施の形態を参照）各測定抵抗体２１もしくは基準抵抗体２２を加熱することが可能である。この測定方法において、可変電流が、ブリッジ出力電圧ΔＶ_Bが一定になるように、加熱抵抗体２３に与えられる。かくして、この加熱抵抗体２３の加熱パワーは、測定抵抗体から測定される気体への熱伝導の、かくして気体の圧力の直接計量である。
このマノメータのフィードバック動作に加えて、加熱抵抗体は、また、インターフェイス信号、ドリフト、もしくは放射性放射（“核”加熱）による加熱の加熱並びに／もしくはブリッジの均衡化のために機能する。フイードバック動作は、システムのスペクトル帯域（周波数の機能）を大きくすることを可能にする。感度のロスは、ロック・インにより補償される。フイードバックは、ブリッジ出力電圧ΔＶ_Bに比例した、測定抵抗体２１もしくは基準抵抗体２２上の加熱抵抗体２３の加熱パワーを選定することにより、実行される。自身の比例ファクターは、周波数に依存してか依存しないで選定され得る。フイードバック制御での周波数に依存した比例ファクターは、臨界周波数以上の周波数に対する感度の低下を防ぐ効果を奏する。
測定ブリッジの校正は、夫々の種類の気体が固有の粒子移動度を、かくして固有の熱伝導を有するので、気体に対して特別にできる。振幅変調ブリッジ出力電圧ΔＶ_Bは、好ましくは、ロック・インによりなされる。しかし、ＤＣ電圧で動作するブリッジ回路の変更もある。
図３は、２つの異なるモノメータ（Ｉ，ＩＩ）のための測定される気体圧力に対するブリッジ出力電圧ΔＶ_Bの依存性の例を示す。この測定は、動作気体として空気を使用してなされた。
図１に係わる圧力測定装置のデザインは、例えば、以下の材料とディメンションとを使用いて可能である。キャリアー箔１１は、絶縁材料、好ましくはマイカ（白雲母）で形成されている。代わって、ダイヤモンド箔の使用が可能であり、これは極めて高い熱伝導性を示す。また、キャリアー箔１１は、導電性材料、好ましくは、Ｓｉウエハ材料、高品位スチール、もしくはニッケルにより形成され得、この場合には、抵抗体並びに接続リードを支持する箔側には、絶縁介在層が設けられる。キャリアー箔１１の厚さは、約１５μｍである。一般的に、このようなキャリアー箔１１は、高温でさえも膨張しない、安定かつ平坦な材料で形成される。特に、キャリアー箔の材料は、凹所１２２，１２３の深さ（夫々最小１５μｍ並びに１μｍ）が再現性良く形成され得るような平坦な表面を有することが必要である。このような要求は、マイカ箔により、得に良く満たされる。
前記熱伝導層１２３は、好ましくは、金により形成される。この熱伝導層１２３の厚さは、圧力測定の感度を決定する。これは、熱伝導層１２３が規定された熱ダメを呈し、かくして、吸収層１２４の温度が熱伝導層１２３の厚さにより主として決定されるからである。気体への熱電流は、センサー（特に、吸収体）方向への温度勾配と比例するので、測定は、高温の吸収層１２４でなされることが好ましい。この温度は、測定抵抗体１３１に送られる電力を増し、かつ熱伝導層１２３の厚さを減じるか、熱伝導層１２３の面積を大きくすることにより、発生され得る。この熱伝導層１２３の厚さは、例えば、０．２μｍである。前記熱接触層１２１は、一定の厚さの金で好ましくは形成され、熱伝導層１２３の領域を除いて、キャリアー箔の前面全体を覆っている。
前記吸収層１２４は、絶対に必要なものではないが、圧力測定において高感度を達成するためには好ましい。この吸収層１２４は、近接する気体と良好な熱接触を果たすように意図されている。この目的のために、吸収層１２４は、微視的に粗い面を好ましくは有する。この別体の吸収層１２４の代わりに、適当な表面処理が熱伝導層１２３になされ得る。
前記キャリアー箔１１の後ろにある測定並びに基準抵抗体層１３１，１３６の厚さは、約０．０２μｍである。また、接続リード１３２のための層の厚さは、約１μｍである。厚さの相違、並びに図１に概略的に示すことから異なるので、段差が接続リード層１３２への移行の所での測定並びに基準抵抗層１３１，１３６の領域に形成される。この方法で、パッケージ１４内の前記凹所１３３を省略して、ダクト１４２を測定抵抗体までのびるようにパッケージ１４の後部を貫通させることができる。キャリアー箔の例は、図４ないし６を参照して後述される。
加熱される測定抵抗体は、本発明に係わる圧力測定装置では大きいフォーマットではあるが、これは、測定され得る圧力の範囲の上限を制限するものではない。層構造、特に、キャリアー箔１１の極めて平坦な面は、一方では、吸収層１２４と、パッケージの面する壁との間に極めて狭いスペース（約１０μｍ）を形成し、また他方では、測定抵抗体の後面と凹所１３３内のパッケージの面する壁との間に極めて狭いスペース（１μｍまで）を形成する。気体内の粒子の平均自由行程長さに対する前記スペースの関係は、圧力上限を決定する。
熱伝導層、可能ならば吸収層の領域での、本発明に係わる圧力測定装置の形状は、圧力測定の応答時間を決定する。吸収層がなく、また、熱伝導層が熱伝達を促進するような構造（例えば、粗さ）を有する場合には、圧力測定の応答時間は、熱伝導層が上記構成を持たないで、均質の面を有し、かつ吸収層が設けられたデザインの場合よりも短い。この熱伝導層の表面の構造は、熱伝導層への放熱（例えば、圧力衝撃を受けたとき）の時間は、１つの時間定数を有する１つの指数函数で正確に表し得る。
好ましい装置において、本発明に係わる熱伝導モノメータは、図１に示すような圧力測定装置が多数設けられている。層構造は、必要な測定に応じて小形化され得るマトリックスもしくはアレイ配列を可能にしている。測定抵抗体と基準抵抗体との間の間隔は、基準抵抗体が圧力の函数としての影響を受けないように充分に大きくなければならないことを果たす唯一の事項である。図４は、本発明に従って覆われたキャリアー箔１１の拡大平面図である。エッジにアラインメント並びに接続領域を有する箔の外側のディメンションは、２ｘ３ｃｍ²である。このキャリアー箔１１は、熱接触層１２１と、熱伝導層１２３と、吸収層１２４とを有するセンサーユニット１０を支持している。また、吸収層は、熱伝導層を全体的に覆うことが可能である。図示したセンサーユニットの各々は、基準ユニット２０に割り当てられている。センサーユニット１０の場合とは異なり、基準ユニット２０の領域内には、熱接触層１２１のみが存在する。
前記下囲みシェル１１の後ろ側には、図５に示すように、センサーユニット１０と基準ユニット２０と対向し、間に接続リード１３２を有する測定並びに基準抵抗層１３１，１３６が設けられている。
図５に示す各測定並びに基準抵抗層１３１，１３６は、蛇行し、挟むような形態で、箔に配設された測定並びに基準抵抗体を有することが最も好ましい。ようにして、測定並びに基準抵抗層１３１，１３６の各対は、１つのセンサーユニット１０に２つの測定抵抗体が、また、基準ユニット２０に２つの基準抵抗体がある，図２に係わる完全な測定ブリッジを形成している。測定並びに基準抵抗体の蛇行の形態の例は、図６に拡大して示されている。
図６において、２つの測定もしくは基準抵抗体５１，５２は、キャリアー箔の後方に層形状で形成されている。各抵抗体は、蛇行の形態で多数の抵抗部材を有する。この部材の幅は、抵抗体間の接続リードの幅よりも実質的に狭い。挟まれた蛇行部５１，５２は、近接した２つのリードに反対方向の電流が流れるので、本発明に係わる圧力測定装置が強い磁界に干渉されることがなく、動作されうる効果を奏する。この結果、磁界による力は、互いに打ち消される。このことは、強い磁界のもとでの使用に一般に適していない従来のピラニマノメータと比較して特別な効果がある。また、挟まれた蛇行は、箔の同じ領域の感度を２つの測定抵抗体により測定可能としている。同様のことが基準抵抗体に対してもいえる。さらに、蛇行の形状は、リードループの領域を最小にする。
マトリックス形状のセンサー外形を有する熱伝導マノメータが、可撓性のあるマノメータ箔としてデザインされ得る。これは、興味のある領域での圧力プロフィールを検出するための本発明に係わる方法により、拡張される。
図７Ａないし７Ｄは、本発明に係わる圧力測定装置の熱伝導層の異なる形態を示している。図７Ａに係わる均質の熱伝導層において、余分な層を形成しないで、異なる温度分布を有する幾つかのモードが、圧力衝撃により熱伝導層１２３に与えられる。各モードは、それぞれ独自の時間定数と振幅とを有する。基本モードは、時間定数と振幅とに対して最大値を有する。これら値は、高いモード数で顕著に減少する。そして、圧力衝撃のための圧力測定装置のターン・オン並びにターン・オフ応答は、多数の時間定数の重ね合わせにより示されている。これは、また、図７Ｂに示すような、均質な熱伝導層、並びに熱伝導層の全体に渡均質な吸収層の構造の場合である。
圧力測定装置のターン・オン並びにターン・オフ応答のタイミングを簡単にするために、衝撃応答が１つの時間定数に良く近似して示されるような、構造の熱伝導層を導入することが可能である。熱伝導層を構成するために、図７Ｃに係わる熱補償層１２５が、例えば、設けられ得る。この熱補償層１２５は、前記熱伝導層１２３よりも厚い（５０ないし１００のファクターである）。（上述したように）熱伝導層１２３の側方長さ、ａ＝０．１ｃｍ並びにｂ＝０．３ｃｍを仮定した場合の好ましいパラメータは、約１００の厚さ比を有する熱補償層１２５の側方長さｃ＝０．４ｃｍ並びにｄ＝０．２ｃｍである。
熱伝導層と同様に、前記熱補償層１２５は、金で形成されていることが好ましい。また、熱補償層１２５の形態は、熱伝導層１２３の中心にある測定抵抗体と対向している。熱補償層１２５により、高いモードが押さえられ、高いモードのみが（上述したように）励起され、モード数の変化に対する時間定数の変化は僅かである。値ｄτ／ｄＮ（τ＝数Ｎのモードの時間定数）は小さい。かくして、衝撃応答は、特に、≧１ｍｓの圧力衝撃の上昇もしくは下降時間になるまでの単一の時間定数により示され得る。具体的な横方向並びに長さ方向の側方長さの比と厚さの比との決定は、単一の指数関数に関連して熱伝導率を最適にすることにより、数値的シュミレーションの方法によりなされる。前記熱補償層１２５と測定抵抗層１３１とは、可能な限り同じサイズ（面積のディメンション）であるべきである。
さらなる変形において、吸収層１２４が、図７Ｄに示されるように、熱補償層１２５の上に設けられ得る。
また、図７Ａないし７Ｄは、熱コンタクト層１２１に形成された凹所１２２（もしくは、熱伝導層１２３の面積のディメンション）は、測定抵抗体１３１の面積のディメンションよりも大きくされ得る。
第２の実施の形態
図８は、本発明に係わる圧力測定装置の第２の実施の形態の概略断面図である。第１の実施の形態についての上述したもの、即ち、測定抵抗体の抵抗値の測定、多数のセンサー部材のアレイ形態、圧力測定装置を使用するための方法は、従って、センサー部分１０に適用される。しかし、第１の実施の形態とは異なり、第２の実施の形態において、各測定並びに基準抵抗体対に対して２つの自己支持キャリアー箔領域（測定並びに基準キャリアー箔）が設けられている。この結果、測定抵抗体と基準抵抗体との両方が、測定される媒体、即ち、気体と熱的に接触され得る。ここでは、前記センサー部分１０と類似したデザインの基準部分２０のみが示されている。以下に示すように、第２の実施の形態において、測定抵抗体と基準抵抗体との両方は、それぞれ（異なる温度応答性を有する）測定抵抗体を形成しているが、明確にするために、これらは、測定もしくは基準抵抗体として説明されるように連続しているであろう。
センサー部分２０（図８に示すように）は、パッケージ１４に囲まれた、キャリアー箔１１と、基準抵抗体１３６と、熱コンタクト層１２１が接続された熱伝導層２２３とにより構成された層構造である。吸収層２２４と、分離層２３４と、加熱抵抗体２３５とは、（センサー部分１０に対してのオプションとして）特別な層として追加され得る。パッケージは、前部に、熱コンタクト層１２１からの熱伝導層２２３（もしくは、熱伝導層並びに吸収層）のテーパ付けによら形成されたガス入口、即ち、換気ダクト２４１を有する。このダクトを通って、測定される媒体は、凹所２２２に入る。パッケージ１４は、後部で、前記センサー部分の凹所１２２に類似し、他の換気ダクト２４２を備えた凹所２３３を有する。
前記基準部分２０の熱伝導層２２３は、所定のファクター（＞１）だけ、前記センサー部分１０の熱伝導層１２３よりも厚い。このファクターは、好ましくは、３ないし１０、例えば、４ないし５の範囲であろう。後者の場合、もし、熱伝導層１２３が、約０．１ないし０．５μｍの厚さであれば、基準熱伝導層の厚さは、約０．４ないし２．５μｍであろう。
露出された基準部分を有するデザインは、温度ドリフトが補償され得る特別な効果を有する。測定抵抗体と基準抵抗体との抵抗率は、特に比較的高温（例えば、２００ないし５００℃）で、即ち、使用のポイントでの核反応の結果として、圧力測定装置の動作を変え得る（多分非線形に）。ブリッジ回路での無限小温度ドリフトΔＶ_B（ｄΔＶ_B／ｄＴ＝０）、と抵抗値Ｒ_M（測定抵抗体）並びにＲ_R（基準抵抗体）に対して関係式
［Ｒ_M（Ｔ_M）／Ｒ_R（Ｔ_R）＝ｆ（α）Ｒ_M（Ｔ_O）／Ｒ_R（Ｔ_O）
が与えられる。ここで、Ｔ_Mは、測定抵抗体の温度、Ｔ_Rは、基準抵抗体の温度、そして、Ｔ_Oは、基準温度である。かくして、基準部分を露出することにより、基準抵抗体の温度は、変えられ得る。この結果、温度ドリフトは、補償され得る。厚さの異なる、基準部分２０の熱伝導層２２３をセンサー部分１０の熱伝導層１２３にすることにより、基準抵抗体の温度の、圧力依存性が考慮される。
好ましいデザインにおいて、抵抗体１３１，１３６の温度が、異なる加熱抵抗体１３５，２３５により設定される。この結果、温度変動率は、ブリッジ回路の供給電圧とは関係無くされ得る。かくして、低周波（例えば、１ｋＨｚ）で加熱回路（図２での抵抗体２３を加熱する）を、また、高周波（約１０ないし１００ｋＨｚ，好ましくは、５０ｋＨｚ）でブリッジ測定回路を動作させることを可能にする。測定抵抗体と基準抵抗体との異なる加熱は、センサー部分１０と基準部分２０との間の熱絶縁が改良される特別な効果を与える。本発明に係わる圧力測定装置において、センサー部分と基準部分との間の熱クロス・カップリングは、圧力測定の達成される精度内で除去される。
センサー部分１０の層構造と、基準部分２０の層構造とは、同じ断面のディメンション、即ち、層の面に平行な方向で同じ面積と体積とを、最も良く有する。センサーもしくは基準部分１０，２０の凹所の領域でのキャリアー箔１１は、測定もしくは基準箔として考えられ得、好ましくは、第１の実施の形態では、マイカ、もしくは絶縁材がコーティングされた金属箔（例えば、スチール，ニッケル，チタニウム）として形成される。キャリアー箔１１は、例えば、金層（２０μｍまでの厚さ）で形成された熱コンタクト層１２１でコーティングされている。この特別なコーティングは、多数の圧力センサーからなるアレイを装着するための特別な効果を有するキャリアー箔自己支持を可能にしている。好ましくは、金属で形成された高熱伝導性のホルダー１４は、容器もしくはパッケージとして機能し、圧力測定装置を適当に強固にする。
測定もしくは基準抵抗体は、圧力測定装置の形成において、好ましくは、蛇行形状に同時に形成される。この方法で、両抵抗体は、同じ特性を有する。接続リード１３２（図１，８を参照）を備えた４つの同じ、温度依存蛇行抵抗体は、一緒になって完全なホイストーン測定ブリッジを形成する。同じ処理でのスパッターリング、蒸着、もしくは電気メッキにより、２つの抵抗体は、測定箔の上に堆積され、また、２つの抵抗体は、基準箔の上に堆積される。これは、抵抗値、温度係数、熱伝導率、キャパシタンス、並びにインダクタンスのような全ての物理パラメータに関して高度に対称なブリッジを形成する。抵抗層に対向した、測定並びに基準箔の表面上の熱伝導層は、層領域の全体に渡って一定の厚さを有し、良熱伝導性の材料、好ましくは金で形成されている。熱伝導層２２３の厚さは、熱伝導層１２３の厚さよりも実質的に大きい。デザインに応じて、一方もしくは両方の熱伝導層の中心部には、吸収層として機能する良熱伝導性の厚い層が設けられ得る。構造体の全体に渡っての所定の熱伝導応答性を得るために、吸収層は、長さ方向と幅方向とに所定のデイメンションを有し、下の熱伝導層の長さ方向並びに幅方向のデイメンションに（かくして、露出したセンサー領域）に関係した矩形であることが好ましい。熱伝導層と吸収層との全ての幾何学的パラメータは、熱伝導の法則に従う。
熱伝導層は、露出したセンサー領域のエッジで熱コンタクト層と接続している。熱コンタクト層と熱伝導層との間の厚さの相違により形成される凹所（１２２もしくは２２２）は、ダクト１４１もしくは２４１を除いてホルダー１４により閉塞される。凹所の自由高さ、即ち、箔ホルダーの後ろと熱伝導層もしくは吸収層の表面との間の空間は、好ましくは１０μｍ以下である。
前記加熱抵抗体１３５もしくは２３５は、測定回路とは独立して電流もしくは電圧源により電流が供給される。上記説明に係われば、加熱抵抗体は、加熱流の圧力依存規則で、１０^-5ないし１０³ｍｂａｒの全圧力範囲に渡って温度ドリフトを押さえることができる。溶融反応炉での使用で核加熱により例えば生じるインターフェアリング信号は、全体に渡って補償され得る。センサー箔の加熱フイードバックは、時間依存のネガテブ・フイードバックにより好ましくは実行される。このネガテブ・フイードバックは、早い変化圧力信号に対するよりも、遅い変化圧力信号に対して大きい。これは、一般的に箔マノメータの特徴である、センサー箔の一体的な行動を補償する。さらに、早い圧力変化（１ ｍｓの領域）が、高感度で測定され得る。
実施の形態の効果
上記実施の形態に係わる圧力測定装置は、以下の効果を有する。この装置は、コンパクトで安定性があり、プラズマ物理での試験に特に適している。そして、装置の周りにある測定されるガス媒体のサージに対してはほとんど感度を有さない。また、この装置は、ロック・インモードで動作され得る。交流での動作は、電流の函数としての材料の変更が電流の向きの周期的な変更により防げ得るという特別な効果を有する。また、全体のデザインは、また、層構造体は、測定されるガスとの特に良好な熱接触を可能にし、この結果、測定が高められた精度のもとで広い圧力範囲において可能である。圧力は、大気圧力から高真空までの範囲での測定が可能である。そして、例えば、一般の電離真空ゲージと比較して、電流消費が極めて少ない。本発明の実施の形態に係わる圧力測定装置は、広い領域での真空技術で使用され得、また、放射線測定器具（ボロメータ）と組み合わされ得る。
本発明の実施の形態の他の硬化は、高磁界中での、その使用にある（約１０ Ｔまで拘束を受けない）。圧力測定装置は、３００℃までの測定で、５００℃まで加熱され得る。
別の熱伝導層をキャリアー箔に付加することは、放熱の時間定数が熱伝導層の幾何学的パラメータ（例えば、Ａｕ層の厚さ）によって精度良く設定され得るという効果がある。熱伝導層としてのキャリアー箔の形成は、充分に高い熱伝導性を可能にする。また、キャリアー箔としてのダイヤモンド箔の導入は、パッケージに熱伝導層を持たせることを可能にする。しかし、この欠点は、このようなダイヤモンド箔の厚さを設定することが難しく、高エネルギー放射の後に効果が変ってしまうことである。

Claims (15)

1. ガス媒体の圧力を測定するための、圧力測定装置であって、
   キャリアー箔（１１）と、
   このキャリアー箔（１１）の下側に層として支持され、測定されるガス媒体と熱的に接触し、自身の電気抵抗値がガス媒体の圧力に対応する少なくとも１つの電気的に加熱可能な測定抵抗体（１３１）と、
   前記キャリアー箔（１１）の上側に支持され、高熱容量の熱バスとして機能する熱接触層（１２１）と、
   前記測定抵抗体（１３１）に対向する領域内に前記測定されるガス媒体を収容するように、前記熱接触層（１２１）に形成された第１の測定凹所（１２２）と、
   前記キャリアー箔（１１）と前記第１の測定凹所（１２２）との間の、前記熱接触層（１２１）の部分により形成され、熱接触層（１２１）よりも薄い厚さを有する測定熱伝導層（１２３）と、
   この測定熱伝導層（１２３）の上側に設けられ、前記第１の測定凹所（１２２）内で、測定されるガス媒体と接触する吸収層（１２４）と、
   前記キャリアー箔（１１）の下側に設けられて、前記測定抵抗体（１３１）と離間し、かつ電気的に接続されて、抵抗測定ブリッジ回路の一部を測定抵抗体と共に構成する少なくとも１つの基準抵抗体（１３６、２３６）とを具備し、
   熱流が、前記測定抵抗体（１３１）から、前記第１の測定凹所（１２２）内のガス媒体へと、キャリアー箔（１１）、測定熱導伝層（１２３）、並びに吸収層（１２４）を通って流れる、圧力測定装置。
2. 層の形態で、前記キャリアー箔（１１）の前記下側に設けられ、前記測定抵抗体（１３１）と基準抵抗体（１３６）とを電気的に接続する接続リード（１３２）と、
   前記熱接触層（１２１）と、前記キャリアー箔（１１）と、前記接続リード（１３２）とを囲んでいるパッケージ（１４）と、
   このパッケージ（１４）の上側に形成され、前記第１の測定凹所（１２２）へと延びた少なくとも１つの第１のガス媒体入口ダクト（１４１）と、
   前記パッケージ（１４）の下側に、前記測定抵抗体（１３１）と対向するように形成され、第２のガス媒体入口ダクト（１４２）を有する第２の測定凹所（１３３）とを更に具備する請求項１の圧力測定装置。
3. 層の形態で、前記キャリアー箔（１１）の前記下側に設けられ、前記測定抵抗体（１３１）と基準抵抗体（２３６）とを電気的に接続する接続リード（１３２）と、
   ガス媒体を収容するように、前記熱接触層（１２１）に形成された第１の基準凹所（２２２）とを更に具備し、
   前記熱接触層（１２１）は、前記第１の基準凹所（２２２）と、基準抵抗体（２３６）との間の部分により、基準熱伝導層（２２３）を形成し、この基準熱伝導層（２２３）は、前記熱接触層（１２１）よりも薄い厚さを有する、請求項１の圧力測定装置。
4. 前記基準熱伝導層（２２３）は、前記測定熱伝導層（１２３）よりも厚い厚さを有する請求項３の圧力測定装置。
5. 前記第２の測定凹所と、第２の基準凹所（２３３）とが、前記接続リードよりも薄い厚さの測定抵抗体と、基準抵抗体とを与えることにより、形成されている請求項２の圧力測定装置。
6. 前記抵抗測定ブリッジ回路は、ホイートストンブリッジ回路である請求項１ないし５のいずれか１の圧力測定装置。
7. 前記抵抗測定ブリッジ回路のブリッジ出力電圧Ｖ_Bは、測定されるガス媒体の圧力の測定値である請求項１ないし６のいずれか１の圧力測定装置。
8. 前記測定抵抗体と基準抵抗体体との少なくとも一方は、加熱抵抗体と熱的に接触し、この加熱抵抗体の加熱パワーは、ブリッジ出力電圧Ｖ_Bが一定となるように、かくして、加熱抵抗体の加熱パワーが測定されるガス媒体の圧力の測定値であるように、制御され得る請求項１ないし７のいずれか１の圧力測定装置。
9. 前記抵抗測定ブリッジ回路は、交流電圧で動作されるようになっている請求項１ないし８のいずれか１の圧力測定装置。
10. 前記キャリアー箔（１１）は、マイカで形成されている請求項１ないし９のいずれか１の圧力測定装置。
11. 前記測定抵抗体と基準抵抗体とは、層状の蛇行形状で配置された細線により形成されている請求項１ないし１０のいずれか１の圧力測定装置。
12. 多数対の測定抵抗体と基準抵抗体とがマトリックス状に配置されている請求項１ないし１１のいずれか１の圧力測定装置。
13. 前記マトリックス状の配置は、部分的圧力測定に適したフォイル形式の可撓性マノメータを形成している請求項１２の圧力測定装置。
14. 前記測定熱伝導層（１２３）と基準熱伝導層（２２３）との少なくとも一方の上には、熱補償層（１２５）が設けられ、この熱補償層（１２５）のディメンションは、前記測定熱伝導層もしくは基準熱伝導層から熱接触層への指数関数的な放熱を与えるように設定されている請求項３もしくは４の圧力測定装置。
15. 前記熱補償層（１２５）は、前記測定もしくは基準熱伝導層（１２３，２２３）よりも厚い厚さを有する請求項１４の圧力測定装置。

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