專利名稱：皮拉尼真空計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種皮^立尼真空計(Pirani vacuum gauge )， 該 真空計通過利用氣體的熱傳導廣泛用于低真空到高真空范圍內 的壓力測量。
背景技術：
如曰本特許第3188752號公報所公開的，在傳統(tǒng)的皮拉尼真 空計中，在真空中懸掛和加熱金屬絲制的熱細絲(heat filament)。當溫度比處于高溫狀態(tài)中的熱細絲的溫度低的氣體 分子與熱細絲碰撞時，碰撞的氣體分子將熱量從熱細絲導離。 /人而改變熱細絲的溫度。與導離的熱量對應的溫度變化^皮電氣 轉換并且被檢測為熱細絲的電阻的變化，電阻的變化進 一 步被 轉換為壓力值，以由此確定氣壓。在目前市場上可得到的普通 的皮拉尼真空計中，通過控制電路來自動地控制施加的電力， 以使熱細絲的溫度總是恒定。這種類型的皮拉尼真空計被稱為 恒溫皮拉尼真空計，在這種恒溫皮拉尼真空計中，通過不斷地 補償由氣體分子從熱細絲導離的熱量而測量熱量的損失量。在 這種情況下，測量使得熱細絲的溫度恒定的施加的電力并將其 轉換為氣壓值。
在傳統(tǒng)的皮拉尼真空計中，存在這樣的問題測得的壓力 值根據安裝姿態(tài)，即根據細絲在從約1 (^Pa到大氣壓范圍的氣體 中是豎直的還是水平的而大幅地變化。為了解決上述問題，已 經提出一種真空計(國際公才艮2006/057148號)，該真空計通過 用管來覆蓋細絲的長度的80%以上的部分來減小由于姿態(tài)差異 引起的測得的壓力值的變化。然而，國際公報2 0 0 6/0 5 7148號中公開的皮拉尼真空計還 存在下述問題。
一個問題是在例如氣體被導入到待測量壓力的腔室中而 導致氣壓從中真空度以下急劇地升高到低真空度的情況下，指 示正常壓力值要用幾十秒到幾分鐘。此處，中真空度的壓力大 約為10Pa,而低真空度的壓力為1000Pa以上。在皮拉尼真空計 指示正常壓力值之前，壓力讀數暫時地顯示出高于正常壓力值 的壓力值。當氣壓急劇地升高時，氣體分子急劇地流動從而不 僅與熱細絲碰撞，還與容納熱細絲的容器(下文稱為"容器，，) 的內壁面等碰撞。因而，氣體分子也將熱量從容器的內壁面等 導離，所以容器的溫度急劇地下降。
一般地，通過下面的方程來表達從熱細絲7導離的熱量Q:
。=^.尸.(7>—7;)+&.(7>4-7;4)+端部熱量損失 (1 )
Kc:由氣體轉移的熱量的熱傳導系數
P:氣壓
Tf:細絲溫度
Tw:細絲周圍的壁面的溫度 KR:熱輻射系數
上述方程(1 )的第一項表示由容器中的氣體分子從熱細絲 導離的熱傳導損失。此處，由氣體轉移的熱量的熱傳導系數Kc 是常數。細絲溫度Tf被控制電路控制為恒定的。細絲周圍的壁 面的溫度Tw由皮拉尼真空計安裝處的環(huán)境溫度確定。
上述方程的第二項表示由從熱細絲7向容器的內壁面的熱 輻射引起的損失。第三項表示通過用于支撐熱細絲7的與熱細絲 7連接的構件和連接到該構件的導線傳導到外部的熱傳導損失。
也就是，根據上述方程(l),當熱細絲周圍的壁面的溫度 Tw降低時，從熱細絲導離的熱量Q增加，并且氣壓也被指示成與熱量Q的數值成比例地更高。然而，容器的溫度降低僅是暫
時的，在氣體分子的急劇流動收斂后的幾十秒到幾分鐘內，該 溫度達到了與容器中的溫度相同的溫度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是解決前述問題。也就是，本發(fā)明的一 個目的是提供一種皮拉尼真空計，其中消除了對在待測量壓力 的腔室上的安裝方向的限制，并提高了對急劇的壓力升高的響 應性。
本發(fā)明的另一目的是提供一種可用性提高的皮拉尼真空計。
根據本發(fā)明的皮拉尼真空計包括金屬絲制的熱細絲；用 于支撐所述熱細絲的支撐單元；以及用于收容所述熱細絲和所 述支撐單元的細長容器；其中，所述容器的一端設置有聯(lián)接端 部，所述聯(lián)接端部將所述皮拉尼真空計聯(lián)接到待測量壓力的腔 室，所述容器的另一端設置有部件，所述部件將所述熱細絲和 所述支撐單元電連接到外部控制電路，同時將所述熱細絲和所 述支撐單元保持為對大氣的氣密封狀態(tài)，所述熱細絲和所述支 撐單元在所述容器內沿長度方向從所述容器的一端延伸到所述 容器的另一端，所述皮拉尼真空計的特征在于，除第一孔和第 二孔沿長度方向延伸穿過所述容器的本體外，所述容器的本體 填充有金屬材料，所述第一孔和所述第二孔分別收容所述熱細 絲和所述支撐單元，所述容器的聯(lián)接到所述待測量壓力的腔室 的所述聯(lián)接端部具有朝所述容器的內部凹進的凹狀空間，所述 熱細絲的一端和所述支撐單元的一端在所述凹狀空間中接合。
在本發(fā)明的第一實施例中，所述第一孔和所述第二孔呈圓 筒形。
6在本發(fā)明的第一實施例中，所述第一孔和所述第二孔通過
沿長度方向的切口 4皮此連通，所述切口的厚度為2mm以下。
在本發(fā)明的另一個實施例中，所述皮拉尼真空計還包括包 括溫度傳感器，所述溫度傳感器與設置于所述細長容器的外壁 面的凹部*接觸。
根據本發(fā)明的第二方案的皮拉尼真空計包括金屬絲制的 熱細絲；用于支撐所述熱細絲的支撐單元；以及細長容器，該 容器包圍所述熱細絲的和所述支撐單元的在長度方向上全長的 80%以上的部分；其中，所述真空計的一端設置有聯(lián)接端部， 所述聯(lián)接端部將所述真空計聯(lián)接到待測量壓力的腔室，所述真 空計的另 一端設置有部件，所述部件將所述熱細絲和所述支撐 單元電連接到外部控制電路，同時將所述熱細絲和所述支撐單 元保持為對大氣的氣密封狀態(tài)，所述熱細絲和所述支撐單元在 所述容器內沿長度方向從所述容器的 一 端延伸到所述容器的另 一端。所述容器是由金屬材料制成的棒狀體，其中，第一孔和 第二孔沿長度方向延伸穿過所述棒狀體，所述第一孔收容所述 熱細絲，所述第二孔收容所述支撐單元，所述第一孔的壁面與 所述熱細絲之間的距離在3mm以內，除了面對所述第二孔的部 分外，所述第一孔周圍的棒狀體的厚度為2mm以上。
根據本發(fā)明的皮拉尼真空計，即使當氣壓從10Pa以下的中 真空度急劇地升高到1000Pa以上的低真空度時，皮拉尼真空計 也能夠以良好的跟蹤性(followi ng property)響應該變化。另 外，減小了對容器在待測量壓力的腔室上的安裝方向的限制， 從而提高了可用性。


圖l是根據本發(fā)明的第 一 實施例的壓力計頭的結構圖；圖2是從沿線A-A，截取的剖面觀察的根據本發(fā)明的第 一 實 施例的壓力計頭的密封端子側的圖3是從沿線B-B，截取的剖面觀察的根據本發(fā)明的第 一 實 施例的壓力計頭的密封端子側的圖4是根據本發(fā)明的第二實施例的壓力計頭的結構圖5從沿線C-C，截取的剖面觀察的根據本發(fā)明的第二實施 例的壓力計頭的密封端子側的圖6從沿線D - D ，截取的剖面觀察的根據本發(fā)明的第二實施 例的壓力計頭的密封端子側的圖7是根據本發(fā)明的第三實施例的壓力計頭的結構圖8是從沿線E - E ，截取的剖面觀察的根據本發(fā)明的第三實 施例的壓力計頭的密封端子側的圖9是從沿線F-F，截取的剖面觀察的根據本發(fā)明的第三實 施例的壓力計頭的密封端子側的圖10是示出當通過將氣體引入到根據本發(fā)明的第 一 實施例 的皮拉尼真空計中的待測量壓力的腔室和現有技術的皮拉尼真 空計中的待測量壓力的腔室中而使壓力從高真空壓力急劇地升 高到大約lx104 Pa的壓力時，通過測量壓力讀數的穩(wěn)定性而獲 得的數據的圖11是示出當通過將氣體引入到根據本發(fā)明的第 一 實施例 的皮拉尼真空計中的待測量壓力的腔室和現有技術的皮拉尼真 空計中的待測量壓力的腔室中而使壓力從高真空壓力急劇地升 高到大約3xl04 Pa的壓力時，通過測量壓力讀數的穩(wěn)定性而獲 得的數據的圖12是示出圖IO的測量中使用的比較例的皮拉尼真空計的 結構的圖。
具體實施例方式
在下文中，將參照附圖詳細說明實施本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖1至圖3示出了本發(fā)明的第一實施例。更具體地說，圖l 至圖3示出了待測量壓力的腔室的 一部分以及安裝在該腔室上 的皮拉尼真空計的主要部分的構造。
在圖l至圖3中，容器l的一端通過用于將真空計聯(lián)接到待測 量壓力的腔室3的凸緣2連接到待測量壓力的腔室3 。在本實施例 中，凸緣2的接合部利用0形環(huán)4被真空密封。容器l通過朝容器 的內部凹進的凹狀空間來在凸緣2側開口 。容器l在凸緣2側;帔連 接到待測量壓力的腔室3 。不銹鋼燒結過濾器6被安裝在容器的 凹狀空間5中以防止來自待測量壓力的腔室3的污染物和反應產 物附著到熱細絲7上。待測量壓力的腔室3中的氣體分子穿過燒 結過濾器6，并到達容器l的本體。熱細絲7的一端和支撐單元9 的一端在凹狀空間中接合。容器的本體填充有金屬材料。兩個 圓筒形孔延伸穿過容器l,其中，熱細絲7被插入第一圓筒形孔8 中而不接觸孔表面，導電金屬制成的支撐單元9被插入第二圓筒 形孔10中而不接觸孔表面。熱細絲7的長度方向上的全長的80% 以上的部分被收容在第一圓筒形孔8中。在本實施例中，第一圓 筒形孔8的孔直徑是4mm,第二圓筒形孔10的孔直徑是1.6mm。 第一圓筒形孔8的壁面和熱細絲之間的距離優(yōu)選在3mm以內。當 距離在3mm以內時，能夠抑制在熱細絲的周圍發(fā)生的氣體對流 的影響，并且能夠消除對容器在待測量壓力的腔室上的安裝方 向的限制。第一圓筒形孔的周圍區(qū)域填充有金屬材料，在本實 施例中金屬材料的厚度為3.4mm。該厚度優(yōu)選為2mm以上，更 優(yōu)選為3mm以上。例如不銹鋼、鋁和銅等具有高熱傳導率的金 屬材料被用作容器1的材料。用于支撐熱細絲7的支撐單元9被安 裝在位于容器開口 5的相反側的密封端子13上。密封端子13和容器1被聯(lián)接在 一起并保持對大氣的氣密封。密封端子13的基板14 由Fe/Ni合金制成。用于支撐由例如鵠絲等金屬絲制成的熱細絲 7的支撐單元9由科瓦合金(Kovar alloy )制成。支撐單元9不僅 支撐熱細絲，還用作從控制電路16供給電流的導線。支撐單元9 被通過玻璃絕緣隔離件15與基板14絕緣地保持。支撐單元9還在 大氣側被連接到用于將熱細絲7控制在恒定溫度的控制電路16。 溫度傳感器17被設置在容器1的外壁面。溫度傳感器17檢測熱細 絲的溫度并將熱細絲的溫度提供給控制電路16。皮拉尼真空計 作為通過測量供給熱細絲7以將熱細絲7的溫度保持為恒定的電 量(amount of power )來計算氣壓的恒溫皮拉尼真空計。待測 量壓力的腔室3中的氣體分子經由容器開口 5穿過燒結過濾器6， 并與熱細絲7的表面碰撞。與熱細絲7碰撞的氣體分子將熱量從 熱細絲7導離，并與容器1的第 一 圓筒形孔8的壁面碰撞以將熱量 傳遞到第一圓筒形孔8的壁面。當氣體分子更多時，也就是，當 氣壓更高時，與熱細絲7碰撞的氣體分子的數量增多，從而由于 氣體分子的碰撞而從熱細絲7導離到第 一 圓筒形孔8的壁面的熱 量也增多。此處，通過與前述方程(1 )相同的方程得到從熱細 絲7導離的熱量Q。
通過設置供支撐單元9插入的第二圓筒形孔10，能夠將熱細 絲7在中央插入第一圓筒形孔8中。另外，可以使熱細絲7和第一 圓筒形孔8的壁面之間的距離在3mm以內，通過這樣能夠消除對 容器l在待測量壓力的腔室上的安裝方向的限制。同時，由于具 有第 一 圓筒形孔8和第二圓筒形孔10的結構，能夠提高氣體分子 的流動性，即傳導率，并且通過對氣壓的急劇變化的良好響應 能夠使壓力讀數穩(wěn)定。
圖10和圖11示出了當通過將氣體導入到待測量壓力的腔 室中使壓力從高真空壓力急劇地升高到圖10中的大約1 x 104 P a的壓力以及圖ll中的大約3xl0"Pa的壓力時，通過測量壓力讀數 的穩(wěn)定性而得到的數據。在圖10和圖11中，比較了圖12中所示 的比較例的皮拉尼真空計(用O標記)和根據第一實施例的皮 拉尼真空計(用*標記)。在圖12中，為與圖l中的組成部件相 同的組成部件指定相同的附圖標記。容器l為中空圓筒形狀。在 容器空間中，熱細絲7和支撐單元9由圓筒狀本體20覆蓋。細絲7 和圓筒狀本體20的最靠近的壁面之間的距離在3mm以內，使得 所測量的壓力值不會依據細絲7是豎直的還是水平的而發(fā)生變 化。圓筒狀本體的厚度小于2mm。也就是，在圖10中，例如， 比較例的皮拉尼真空計在氣體導入之后暫時地顯示高壓力，然 后，壓力讀數在大約30~ 40秒后穩(wěn)定下來。另一方面，在根據 第一實施例的皮拉尼真空計中，通過不會暫時顯示高壓力的良 好的跟蹤性，壓力讀數在5秒內穩(wěn)定下來。圖ll還示出壓力讀數 在根據第 一 實施例的皮拉尼真空計中比在比較例的皮拉尼真空 計中在更短的時間內穩(wěn)定下來。
圖4至圖6示出了本發(fā)明的第二實施例。在圖4至圖6中，為 與第 一 實施例中的組成部件相同的組成部件指定相同的附圖標 記。在本實施例中，供熱細絲插入的第一圓筒形孔和供支撐單 元插入的第二圓筒形孔以與第 一 實施例類似的方式設置。然而， 兩個圓筒形孔通過切口局部地彼此連通，在本實施例中切口的 厚度小于第二圓筒形孔的孔直徑。該厚度可以不必小于第二圓 筒形孔的孔直徑，但一優(yōu)選為2mm以下。也就是，垂直于熱細絲 的軸線的平面具有8字形的截面。根據第二實施例，能夠將熱細 絲和支撐單元一體地安裝在容器l中或者一體地從容器l中移 除，從而提高了可維護性。另外，通過設置第二圓筒形孔，提 高了傳導率，并且提高了壓力測量中的響應性。此處，第一圓
筒形孔與第二圓筒形孔的重疊部分的長度優(yōu)選地小于或等于第
ii一圓筒形孔的內周的八分之一。其它構造和操作都與第一實施 例中的構造和操作相同。
圖7至圖9示出了本發(fā)明的第三實施例。在圖7至圖9中，為 與第 一實施例的組成部件相同的組成部件指定相同的附圖標 記。在本實施例中，除了容器l的外壁面的安裝有溫度傳感器的 部分具有凹狀形狀以將溫度傳感器17安裝得靠近容器1的內壁 面外，皮拉尼真空計的結構與第一實施例的結構相同。根據第 三實施例，由于能夠減小溫度傳感器和容器l的內壁面之間的熱 傳導距離，所以提高了溫度跟蹤性。其它構造和操作與第一實 施例中的構造和操作相同。盡管在第三實施例中溫度傳感器被 安裝在設置于容器l的外壁面上的凹部中，還可以將溫度傳感器 埋設在容器l的外壁中。
圓筒形孔不限于具有正圓形橫截面的孔，還可以釆用具有 橢圓形橫截面、多邊形橫截面或自由形狀橫截面的孔。
可以將本發(fā)明用作用于測量傳統(tǒng)的半導體制造裝置、電子 器件制造裝置、熱處理裝置、表面處理裝置等的腔室內的壓力 的裝置，或用作測量排氣管路和氣體導入管路內的壓力的裝置。
權利要求
1.一種皮拉尼真空計，其包括金屬絲制的熱細絲(7)；用于支撐所述熱細絲的支撐單元；以及用于收容所述熱細絲和所述支撐單元的細長容器；其中，所述容器的一端設置有聯(lián)接端部，所述聯(lián)接端部將所述皮拉尼真空計聯(lián)接到待測量壓力的腔室，所述容器的另一端設置有部件(13)，所述部件將所述熱細絲和所述支撐單元電連接到外部控制電路，同時將所述熱細絲和所述支撐單元保持為對大氣的氣密封狀態(tài)，所述熱細絲和所述支撐單元在所述容器內沿長度方向從所述容器的一端延伸到所述容器的另一端，所述皮拉尼真空計的特征在于，除第一孔和第二孔沿長度方向延伸穿過所述容器的本體外，所述容器的本體填充有金屬材料，所述第一孔和所述第二孔分別收容所述熱細絲和所述支撐單元，所述容器的聯(lián)接到所述待測量壓力的腔室的所述聯(lián)接端部具有朝所述容器的內部凹進的凹狀空間，所述熱細絲的一端和所述支撐單元的一端在所述凹狀空間中接合。
2. 根據權利要求l所述的皮拉尼真空計，其特征在于，除 了面對所述第二孔的部分外，所述第一孔周圍的金屬材料本體 的厚度為2mm以上。
3. 根據權利要求l所述的皮拉尼真空計，其特征在于，所 述第一孔和所述第二孔呈圓筒形。
4. 根據權利要求l所述的皮拉尼真空計，其特征在于，所 述第一孔和所述第二孔通過沿長度方向的切口彼此連通，所述 切口的厚度為2mm以下。
5. 根據權利要求l所述的皮拉尼真空計，其特征在于，所 述第一孔的壁面與所述熱細絲之間的3巨離在3mm以內。
6. 根據權利要求l所述的皮拉尼真空計，其特征在于，所述熱細絲的在長度方向上的全長的80%以上的部分^皮收容在所 述第一孔內。
7. 根據權利要求l所述的皮拉尼真空計，其特征在于，還 包括溫度傳感器，所述溫度傳感器與設置于所述容器的外壁面 的凹部纟妄觸。
8. —種皮拉尼真空計，其包括金屬絲制的熱細絲(7); 用于支撐所述熱細絲的支撐單元；以及細長容器，該容器包圍 所述熱細絲的和所述支撐單元的在長度方向上全長的80%以上 的部分；其中，所述皮拉尼真空計的一端設置有聯(lián)接端部，所 述聯(lián)接端部將所述皮拉尼真空計聯(lián)接到待測量壓力的腔室，所 述皮拉尼真空計的另一端設置有部件(13),所述部件將所述熱 細絲和所述支撐單元電連接到外部控制電路，同時將所述熱細 絲和所述支撐單元保持為對大氣的氣密封狀態(tài)，所述熱細絲和 所述支撐單元在所述容器內沿長度方向從所述容器的一端延伸 到所述容器的另一端，所述皮拉尼真空計的特征在于，所述容器是由金屬材料制成的棒狀體，其中，第一孔和第 二孔沿長度方向延伸穿過所述棒狀體，所述第一孔收容所述熱 細絲，所述第二孔收容所述支撐單元，所述第一孔的壁面與所述熱細絲之間的3巨離在3mm以內， 除了面對所述第二孔的部分外，所述第一孔周圍的棒狀體 的厚度為2mm以上。
9. 根據權利要求8所述的皮拉尼真空計，其特征在于，所 述第 一孔和所述第二孔通過沿長度方向的切口彼此連通，所述 切口的厚度為2mm以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種皮拉尼真空計，其中改進了對急劇的壓力升高的響應，并消除了對容器在待測量壓力的腔室上的安裝方向的限制。該皮拉尼真空計包括金屬絲制的熱細絲和用于將熱細絲支撐在容器中的支撐單元，其中，基于由與熱細絲碰撞的氣體分子從熱細絲導離的熱量來測量氣壓，其特征在于，除了延伸穿過容器的本體的第一圓筒形孔和第二圓筒形孔外，該本體填充有金屬材料，熱細絲被插入到第一圓筒形孔中，并且支撐單元被插入到第二圓筒形孔中。
文檔編號G01L21/12GK101568817SQ20088000114
公開日2009年10月28日 申請日期2008年9月16日 優(yōu)先權日2007年9月13日
發(fā)明者川崎洋補 申請人:佳能安內華科技股份有限公司