确定压力的方法和压力传感器技术

一种用于确定真空系统中的压力的方法，其中所述方法包括以下步骤：a）在样品室中产生（101）等离子体，所述样品室与所述真空系统流体动态连接并且与第一电极和第二电极电接触；b）测量（102）在所述第一电极和所述第二电极之间流过所述等离子体的电流的电流强度；c）测量（103）从所述等离子体发射的第一波长范围的电磁辐射的第一辐射强度，其中所述第一波长范围包含第一化学元素的第一等离子体物质的至少一个第一发射线；d）测量（104）从所述等离子体发射的第二波长范围的电磁辐射的第二辐射强度，其中所述第二波长范围包含所述第一化学元素的第一等离子体物质的第二发射线或所述第一化学元素的第二等离子体物质的第二发射线，以及其中所述第二发射线位于所述第一波长范围外；以及e）根据所测量的电流强度、所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度确定（105）所述真空系统中的压力。（105）所述真空系统中的压力。（105）所述真空系统中的压力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】确定压力的方法和压力传感器


[0001]本专利技术涉及一种用于确定真空系统中的压力的方法、一种真空压力传感器、一种用于执行所述方法的装置、所述方法的应用以及所述压力传感器的用途。

技术介绍

[0002]可以用于确定明显低于正常压力的压力的真空压力传感器或真空计是已知的。在已知的真空压力传感器中，所谓的电离真空计具有特别宽的测量范围。电离真空计通过气体电离的绕道来测量压力。首先，确定残余气体的可电离性，由此确定真空系统中的气体密度。气体电离所需的电子通过热阴极（热阴极电离真空计）产生或在冷电极之间的独立气体放电（冷阴极真空计）中产生。由于冷电极之间的独立气体放电在大约10
‑3mbar（毫巴）的压力下熄灭，根据F. M. PENNING的专利说明书DE 716 712的布置通过使用显著延长独立气体放电中的电子路径并因此增加离子产量的磁场，将冷阴极电离压力计的测量范围扩展到高真空范围内的压力。这些Penning真空计被广泛使用，并且多年来在技术上进一步得到了改进。
[0003]今天常用的是由HOBSON和REDHEAD提出的倒置磁控管形式的配置（Redhead，P. A. （1959），The magnetron gauge, a cold cathode vacuum gauge, Can. J. Phys. 37，1260
‑
1271）。该倒置磁控管能够覆盖从约10
‑
3 mbar到超高真空范围的压力范围。Penning真空计和基于磁控管布置或倒置磁控管布置的冷阴极真空计的共同点是电场基本上垂直于磁场。
[0004]已知配置的主要问题之一是将压力范围限制于高压。由于放电中占主导成分的变化，电流测量中产生了模糊性。其原因是电子和离子都对所测量的电流有贡献。所产生的等离子体的性质根据压力而变化。冷阴极真空计的典型压力
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电流校准曲线针对低于约10
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3 mbar的压力具有以下范围，在该范围中电流随着压力的增加而单调增加。这是可用测量范围，在该可用测量范围内可以从所测量的电流中明确地确定压力。带电子的环电流在该范围中占主导地位。压力
‑
电流校准曲线典型地具有约10
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2 mbar的电流强度最大值。在高于该最大值的压力下，电流随着压力的增加而减小。在这个压力范围内，等离子体占主导地位，即电子和带正电离子的混合物。通常，所述可用测量范围不能超出所述电流强度最大值。

技术实现思路

[0005]本专利技术的任务在于找到与现有技术相比改进的用于确定真空压力的方法。本专利技术的任务还在于提供一种替代的真空压力传感器，特别是具有扩大的可用测量范围。
[0006]根据本专利技术，该任务通过根据权利要求1的方法来解决。
[0007]根据本专利技术的方法是一种用于确定真空系统中的压力的方法。该方法包括以下步骤：a）在样品室中产生等离子体，所述样品室与真空系统流体动态连接，并且其中所述等离子体与第一电极和第二电极电接触；
b）测量在所述第一电极和所述第二电极之间流过所述等离子体的电流的电流强度；c）测量从所述等离子体发射的第一波长范围的电磁辐射的第一辐射强度，其中所述第一波长范围包含第一化学元素的第一等离子体物质的至少一个第一发射线；d）测量从所述等离子体发射的第二波长范围的电磁辐射的第二辐射强度，其中所述第二波长范围包含所述第一化学元素的第一等离子体物质的第二发射线或所述第一化学元素的第二等离子体物质的第二发射线，以及其中所述第二发射线位于所述第一波长范围外；以及e）根据所测量的电流强度、所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度确定所述真空系统中的压力。
[0008]利用产生的等离子体产生电磁辐射和带电粒子。可以基于在等离子体中产生的带电粒子来确定样品室中的粒子密度，其方式是借助于电流强度测量设备测量在等离子体中流动的电流。可以从样品室中的粒子密度推断出样品室中的压力。样品室与真空系统流体动态连接，从而出现真空系统与样品室之间的压力平衡，并且样品室中确定的压力与真空系统中的压力一致。样品室在相互绝缘的电极之间延伸，使得在样品室中产生的等离子体可以与第一电极和第二电极都接触。电流强度测量设备可以是任何电荷率测量计，例如安培计或电子计数器。各种等离子体源用于产生等离子体。电子回旋共振离子源（electron cyclotron resonance，ECR，ion sources）、Penning放电、电感耦合等离子体（inductively coupling plasma，ICP）或辉光放电源（glow discharge source）等适用于根据本专利技术的方法。Penning布置、磁控管布置和倒置磁控管布置适用于产生等离子体，因为这些布置可以构建得非常紧凑并且即使在低压下，特别是在低至10
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8 mbar的压力下也足够确保离子产量。最后提到的三个等离子源被总结为统称ExB源。
[0009]专利技术人已经认识到，通过测量从等离子体发出的电磁辐射、特别是光学范围内的电磁辐射的两个不同的、巧妙选择的波长范围内的强度，可以获得关于样品室中压力的附加信息，借助于所述附加信息可以解决在将压力分配给电流测量的测量结果时的模糊性。
[0010]所测量的电磁辐射强度例如涉及光学范围内的辐射强度，即可见光、紫外辐射或红外辐射的辐射强度，特别是来自近红外范围的辐射强度。等离子体中的原子和离子在该波长范围内发射对相应的化学元素显示出特征性发射线的辐射。这些特征性发射线的波长由原子发射光谱法（英语：Atomic Emission Spectroscopy，缩写为AES）的专业领域公开，并且可以针对待测量的气体查找。根据应用情况，待测量的气体可以是例如氮气、氧气、氩气或氦气。
[0011]根据本专利技术，测量第一波长范围的电磁辐射的第一辐射强度并且测量第二波长范围的电磁辐射的第二辐射强度。第一和第二波长范围被选择为使得在第一波长范围中包含第一发射线，但第二发射线被排除在外。相反，在第二波长范围内可以观察到第二发射线。第一和第二波长范围可以选择得非常窄，即例如仅略大于第一或第二发射线的自然线宽，从而基本上只有第一发射线或第二发射线位于相应的波长范围内。第二波长范围可以被选择得如此大，使得第一发射线也位于第二波长范围内。第一和第二发射线是来自相同化学元素的等离子体物质的发射线，这里将该化学元素称为第一化学元素。它可以是相同第一等离子体物质的第一和第二发射线。替代地，第二发射线可以是与第一等离子体物质不同
但为相同第一化学元素的等离子体物质的第二等离子体物质的发射线。我们将等离子体物质理解为气态原子和化合物，它们以化学结构式、它们的电荷状态（例如，中性、单电离、双电离）以及必要时它们的激发态为特征。一种元素的等离子体物质在其结构式中包含该元素。例如，中性氮分子N2、中性氮原子NI、单电离氮原子NII和双电离氮原子NIII是化学元素氮的四种不同等离子体物质。作为另外的示例，中性氩原子Ar和氩离子Ar
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定真空系统中的压力的方法，其中所述方法包括以下步骤：a）在样品室（20）中产生（101）等离子体，所述样品室与所述真空系统流体动态连接，并且其中所述等离子体与第一电极和第二电极电接触；b）测量（102）在所述第一电极和所述第二电极之间流过所述等离子体的电流的电流强度（C_plasma）；c）测量（103）从所述等离子体发射的第一波长范围的电磁辐射的第一辐射强度（I_1），其中所述第一波长范围包含第一化学元素的第一等离子体物质的至少一个第一发射线；d）测量（104）从所述等离子体发射的第二波长范围的电磁辐射的第二辐射强度（I_2），其中所述第二波长范围包含所述第一化学元素的第一等离子体物质的第二发射线或所述第一化学元素的第二等离子体物质的第二发射线，以及其中所述第二发射线位于所述第一波长范围外；以及e）根据所测量的电流强度（C_plasma）、所测量的第一辐射强度（I_1）和所测量的第二辐射强度（I_2）确定（105）所述真空系统中的压力（p）。2.根据权利要求1所述的方法（100），其中，在基于所测量的第一辐射强度和所测量的第二辐射强度确定（105）所述真空系统中的压力的步骤e）中确定所述压力的估计值（p0），其中压力
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电流强度校准曲线的定义范围被限制于包含所述估计值并且其中所述压力
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电流强度校准曲线单调的压力范围，以及其中基于受限的定义范围中的压力
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电流强度校准曲线并且基于所测量的电流强度，确定所述真空系统中的压力。3.根据权利要求2所述的方法（100），其中，基于公式log（p0）=a（I_1/I_2）+b来确定所述压力的估计值（p0）的对数，其中a和b是预先确定的系数，所述系数取决于发射线的选择、用于产生等离子体的布置和所述对数的底。4.一种真空压力传感器（10），包括：
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样品室（20），在所述样品室中能够产生等离子体，其中所述样品室与第一电极（1）和第二电极（2）电接触，
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电流测量设备（42），其与所述第一电极和所述第二电极电连接并且与所述样品室串联连接，
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波长选择元件（51、54），以及
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用于测量电磁辐射的辐射强度的第一探测器元件（31）和第二探测器元件（32），其中所述波长选择元件、所述第一探测器元件和所述第二探测器元件布置为，使得只有从所述样品室发出的第一波长范围的电磁辐射能够到达所述第一探测器元件，并且只有从所述样品室发出的第二波长范围的电磁辐射能够到达所述第二探测器元件，其中第一化学元素的第一等离子体物质的至少一个第一发射线位于所述第一波长范围内，其中所述第一化学元素的第一等离子体物质的第二发射线或所述第一化学元素的第二等离子体物质的第二发射线位于所述第二波长范围内，以及其中所述第二发射线位于所述第一波长范围之外。5.根据权利要求4所述的真空压力传感器（10），包括包围所述样品室的测量室（3），所述测量室在壁中具有窗口...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：英福康有限公司，
类型：发明
国别省市：