用于压力传感器组的运行方法与流程

本发明涉及一种用于运行压力传感器组的方法。本发明此外涉及一种用于运行真空工艺设施的方法、一种用于执行该方法的设备和一种计算机程序产品。

背景技术：

1、在现有技术中已知各种类型的压力传感器。其测量原理基于由隔膜的两侧之间的压差引起的隔膜变形的压力传感器属于此，诸如所谓电容式隔膜真空计(英语：capacitance diaphragm gauge(电容式隔膜规)，简称：cdg)。所谓的热传导真空计通过气体的与压力相关的导热来确定压力，例如在皮拉尼真空计或者皮拉尼传感器的情况下通过确定由带电的导线发出给周围的气体的热功率来确定压力。电离压力计(另一类型的压力传感器)借助于与气体类型相关地确定气体密度来间接地测量压力。通过借助电子使气体分子电离，气体密度根据离子在收集器电极上的中和速率被确定，其中中和速率借助于电流测量被确定。

2、不同类型的压力传感器具有不同的测量范围。从而例如存在提供在大气压下有意义的测量值的压力传感器，所述压力传感器但是在非常小的压力下、例如在高真空或高度真空中不再能够确定差异。其他真空压力传感器以毫巴(mbar)范围内的压力为前提，以便能够完全被运行，并且可以解析非常低的压力。在现有技术中已知的是，使用例如由具有重叠测量范围的两个压力传感器组成的压力传感器组，以便涵盖比这对于单个压力传感器类型可能的更大的压力测量范围。例如，inficon ag的pcg550产品系列将皮拉尼传感器和陶瓷电容式隔膜压力计组合在一个测量设备中，其中皮拉尼传感器和陶瓷电容式隔膜压力计的测量范围重叠。

3、从出版物ep 0 658 755 a1中已知一种用于评估两个压力传感器的输出信号的方法。在该出版物中，尤其是对于冷阴极电离传感器和皮拉尼传感器的组合，为了获得与相应传感器类型的测量范围相比显著扩展的、明确的测量范围，提出在相应传感器测量范围的过渡区域中的加权技术，借助于所述加权技术持续地将传感器特性曲线以一对一的方式相互转换。

技术实现思路

1、本发明的任务在于，提供一种替代的运行方法。尤其是，任务在于提供一种运行方法，所述运行方法在整个压力测量范围上提高压力测量的精度。

2、该任务通过根据权利要求1所述的方法解决。根据本发明的方法是一种用于运行压力传感器组的方法。压力传感器组包括至少一个具有第一压力测量范围的第一压力传感器和至少一个具有第二压力测量范围的第二压力传感器。第一压力传感器和第二压力传感器被布置为使得所述第一压力传感器和第二压力传感器能够测量共同测量容积中的压力。第一压力测量范围和第二压力测量范围在重叠压力测量范围中重叠。所述方法包括以下步骤：

3、aa)在共同测量容积中的压力处于重叠压力测量范围中期间基本上同时读出第一压力传感器的第一测量信号和第二压力传感器的第二测量信号；

4、bb)将所读出的第一测量信号规定为用于第二压力传感器的调节点；

5、cc)根据第一测量信号、根据在步骤bb)中规定的调节点并且根据第二测量信号为第二压力传感器确定至少一个校准参数。

6、发明人已经认识到，通过该方法精确地确定压力是可能的。尤其是，如果压力传感器中的至少一个压力传感器是提供与气体成分无关的测量信号的类型的压力传感器，则以令人惊讶地简单的方式可以实现所读取的压力与气体类型或气体成分的很大程度上的不相关性。

7、压力传感器组中的压力传感器中的一个或多个压力传感器可以是真空压力传感器，即例如被设计用于测量低真空(即在大约1mbar至1013mbar、即至大气压的压力范围中)、高真空(feinvakuum)(即10-3mbar至1mbar的压力范围中)、高度真空(hochvakuum)(即在10-8mbar至10-3mbar的压力范围中)或所提到的真空压力范围中的两个或三个的组合中的压力的压力传感器。本发明的原理也对于用于测量接近大气压的压力的压力传感器或对于超压传感器起作用。

8、至少一个校准参数尤其是可以是与气体类型相关的校准参数。

9、步骤aa)被执行至少一次。步骤aa)也可以被执行多次，尤其是在不同的压力下被执行，以便收取测量数据，基于所述测量数据可以在步骤cc)中适配多个校准参数。例如，可以基于根据步骤aa)的在不同的压力下执行的两个测量来确定偏移和斜率。这例如对于气体类型水蒸气是有利的，其中皮拉尼范围内的斜率偏离正常斜率，使得“所显示的压力”对“有效压力”的曲线单独通过偏移或因子不会足够准确地被描述。

10、作为具体示例，压力传感器组可以包括13mm cdg作为第一压力传感器以及可以包括皮拉尼传感器作为第二压力传感器。在这种情况下，可以在100mtorr压力范围中选择调节点，即大约在对于10torr满刻度偏转设计的第一压力传感器的测量范围的下边界以上一个十倍程(dekade)。在该示例中，第二压力传感器的与气体类型相关的校准参数可以是因子(faktor)，即在要校准的气体的情况下并且在由调节点定义的压力下皮拉尼传感器的测量信号与利用氮气在根据调节点的压力下获得的测量信号相偏差所述因子(um den(faktor)…von…abweicht)。

11、步骤cc)可以尤其是利用测量容积中的已知气体类型被执行或相继地可以以测量容积中的多种彼此在气体类型(例如空气、氮气、氧气、氢气、氦、氩气等)或浓度比(例如20％氦、80％氮气)方面不同的气体被执行。

12、然后可以例如针对不同的气体类型以表格形式存储校准参数。以这种方式，可以以提高的精密度从第二测量信号与关于在测量容积中存在的气体类型的信息的组合中确定。关于在测量容积中存在的气体类型的信息可以例如通过控制单元被提供，所述控制单元控制真空室中的工艺。该信息例如可以在于，用于保护气体、例如氦或氩气的入口阀已经被打开。

13、可以在步骤cc)中适配的可能的校准参数是以下因子，针对所选择的气体类型的压力与在相同的测量信号的情况下将会对应于参考气体(例如氮气)的压力的压力相偏差所述因子。

14、由此例如一方面可以通过该因子调节第二压力传感器的与气体类型相关的压力测量信号，使得压力测量甚至在仅第二压力传感器进行测量的区域中也相应地校正压力测量，并且气体类型相关性被最小化。另一方面，通过该因子得出对关于参考气体的气体成分的提示。

15、例如作为名为“portertmcdg020d”的inficon的产品可获得具有小结构尺寸的紧凑电容式隔膜压力计。所述电容式隔膜压力计在大约10...1000torr下达到其压力显示的满刻度偏转，并且可以测量(在10torr满刻度偏转的情况下)向下至10mtorr的压力。根据本发明的方法适用于运行所提到的压力传感器中的两个或更多个的组合，所述压力传感器可以在共同测量容积中进行测量。

16、例如，bcg450三重测量设备triple-gaugetm通过三个传感器涵盖从大气压至超高真空的范围。inficon bcg450组合测量设备(triple-gaugetm)在用于测量5xl0-10至1500mbar(3.75xl0-10至1125torr)范围中的工艺和基本压力的单一、紧凑且经济的设备中联合三种不同技术的优点。bcg450已经被开发用于能够代替三种单独的传感器(热离子、皮拉尼和具有11mm直径的小cdg)。这降低成本并且减少设施处的空间需求。该组合设备例如可以利用根据本发明的方法被运行。

17、但是根据本发明的方法也适用于不同压力传感器安置在同一真空室处并且因此构成具有共同测量容积的压力传感器组的设备。

18、该方法的实施方式从从属权利要求2至16的特征中得出。

19、在该方法的一种变型方案中，用于第二压力传感器的调节点处于压力范围10-2mbar至100mbar中，尤其是处于压力范围0.1至0.4mbar中。

20、例如，在cdg和皮拉尼传感器的组合中，两个压力传感器的重叠压力范围可以有利地通过确定cdg的尺寸而被置于以下压力范围内，即在所述压力范围中皮拉尼传感器的气体类型相关性在双对数图表中对于每种气体类型通过线性的并且基本上平行移位的曲线来表征，即避免出现非线性发散气体类型特征的较高压力范围。这进一步提高精度。该方法的该变型方案尤其是适用于运行压力传感器组，所述压力传感器组由针对不同的压力测量范围确定尺寸的两个cdg和皮拉尼传感器的组合构成，其中具有较低压力测量范围的第一cdg对于与皮拉尼传感器的线性范围的重叠范围并且具有较高压力测量范围的第二cdg将压力传感器组的有效测量范围朝向高压扩展。

21、该方法的一种变型方案此外包括以下步骤：

22、dd)在共同测量容积中的压力处于重叠压力测量范围中期间，又一次基本上同时读出第一压力传感器的其他第一测量信号和第二压力传感器的其他第二测量信号，并且其中共同测量容积中的压力与步骤aa)中的压力不同，尤其是其中共同测量容积中的压力与步骤aa)中的压力相差2倍、相差十倍程或更多；

23、ee)将所读出的其他第一测量信号规定为用于第二压力传感器的其他调节点；

24、ff)根据其他第一测量信号、根据在步骤ee)中规定的用于第二压力传感器的其他调节点并且根据其他第二测量信号为所述第二压力传感器确定其他校准参数(k2)、尤其是与气体相关的其他校准参数。

25、该变型方案可以被扩展到收取三个或更多个测量点并且确定其他校准参数，其中校准参数的数量最大对应于测量点的数量。尤其是，也可以记录比应该确定校准参数更多的测量点。在这种情况下，可以利用补偿算法确定与测量点最佳相配的校准参数集。从而，校准参数不太与测量噪声相关。

26、在该方法的一种变型方案中，根据当前第二测量信号和先前确定的至少一个校准参数或者多个先前确定的校准参数确定测量容积中的当前压力测量值。

27、该方法的该变型方案包括确定当前压力值的实际步骤，其中使用第二压力传感器的先前校准。该校准基于在重叠压力测量范围内获取的信息，并且现在可以被应用于整个第二测量范围。

28、在一种变型方案中，该方法此外包括以下步骤：gg)判定在共同测量容积中存在的气体成分是否偏离额定预设，其中考虑当前压力测量值相对于从第一测量信号中导出的压力测量值的偏差，其中所述第一测量信号的读出基本上与当前第二测量信号的读出同时地并且在共同测量容积中的压力处于重叠压力测量范围中期间进行。

29、步骤gg)对应于用于气体成分的检验步骤。通过为与额定预设的可接受偏差预先给定容差范围，可以作出是/否判定，例如关于是否应该实施下一工艺步骤。发明人已经认识到，在这里可以以非常简单的方式获得功能性，对于所述功能性通常将会需要残余气体分析设备。

30、该变型方案例如可以被使用来在pvd工艺的情况下探测气体组成波动。

31、在该方法的一种变型方案中，在步骤ff)中确定的其他校准参数是第二测量信号根据第一测量信号的双对数函数图表中的斜率，或者从在步骤cc)中确定的校准参数和在步骤ff)中确定的校准参数中计算第二测量信号根据第一测量信号的双对数函数图表中的斜率。该方法此外包括步骤：

32、hh)确定所述斜率与对于参考气体、例如气体氮气预期的斜率的偏差；

33、ii)将在步骤hh)中确定的偏差与针对所述偏差的预先给定的容差阈值进行比较；

34、jj)在超过容差阈值时，触发在共同测量容积中存在水蒸气的警报。

35、发明人已经认识到以下事实：在水蒸气的情况下所提到的斜率偏离在实际地所有相关残余气体的情况下观察的斜率，使得可以基于该特性探测水蒸气的存在。对于皮拉尼传感器，该特性显著地明显。

36、在该方法的一种变型方案中，第一压力传感器是与测量容积中的气体成分无关的压力传感器类型的压力传感器。此外，第二压力传感器是与测量容积中的气体成分相关的压力传感器类型的压力传感器，尤其是第二压力传感器可以是

37、-尤其是根据皮拉尼或具有热电偶传感器的热传导真空计，或者

38、-具有冷阴极的电离真空计，尤其是根据潘宁(penning)的电离真空计，或非倒置磁控管或倒置磁控管，或者

39、-具有热阴极的电离真空计，尤其是根据巴雅-爱泊特(bayard-alpert)的电离真空计，具有抽取器或具有三极管的电离真空计，或者

40、-旋转转子规传感器。

41、压力传感器可以被划分为两类压力传感器类型，即对每面积受力(kraft pro)直接敏感的压力传感器以及使用压力对另一物理参量、诸如处于要测量的压力下的气体的导热性的间接影响来确定压力的压力传感器。后一类型的压力传感器通常与气体类型相关。发明人已经认识到，包括第一类型的第一压力传感器和第二类型的第二压力传感器的压力传感器组特别从根据本发明的运行方法中获益。

42、在此，可以根据期望的测量范围，即根据实现高测量精度的压力范围选择压力传感器的组合。根据皮拉尼的热传导真空计具有测量范围为大约100...0.1pa，根据潘宁的具有冷阴极的电离真空计具有测量范围为大约100...10-9pa，并且根据巴雅-爱泊特的具有热阴极的电离真空计具有测量范围为大约1...10-8pa，或者在抽取器测量系统的情况下为10-1...10-10pa，或者在三极管的情况下为103...10-10pa。高达105pa大气压可以使用根据皮拉尼的热传导真空计，但是以大大降低的精度。

43、在该方法的一种变型方案中，第一压力传感器是隔膜压力计，尤其是电容式隔膜压力计，尤其是陶瓷电容式隔膜压力计或者光学隔膜压力计。

44、隔膜压力计直接对每面积受力作出反应，不起因此是与气体类型无关的。

45、在该方法的一种变型方案中，第二压力传感器是尤其是根据皮拉尼的热传导真空计或是热电偶。

46、热传导真空计具有明显的气体类型相关性，并且因此从根据本发明的方法的校准中获益。

47、在该方法的一种变型方案中，以规则的时间间隔重复步骤aa)、bb)和cc)，尤其是每天一次或每周一次。

48、时间间隔尤其是可以被适配于其他工艺步骤的时序。根据上下文，预先实施步骤a)、即将共同测量容积中的压力降低到低压范围中也是有意义的，使得步骤aa)、bb)和cc)的整个序列分别以规则的时间间隔被重复。步骤aa)、bb)和cc)的序列也可以根据工艺被重复，例如当在真空工艺设施中进行强烈的温度循环。

49、在该方法的一种变型方案中，该方法是用于运行真空工艺设施，所述真空工艺设施包括压力传感器组。步骤aa)、bb)和cc)对于真空工艺设施的每个工艺循环被重复一次。

50、这样的工艺循环例如可以包括通风、引入衬底、将压力降低到高度真空范围中、使工艺气体流入、抽吸工艺气体、通风并且移除衬底。该方法的步骤aa)至cc)分别可以与将压力降低到高度真空范围中相结合地被执行。例如，这种变型方案可以与自动压力测量质量检验相结合，其中以关于工艺步骤的持续时间短的时间间隔确定多个压力值，并且其中检验这些压力值是否处于定义的值范围内。从而可以排除压力变化太快而不能采集好质量的数据。

51、例如每当达到或通过(durchschritten)激活压力范围时，该方法就可以自动地被触发。例如，如上所提及的，重叠压力测量范围可以是用于确定皮拉尼传感器的校准参数的激活压力范围。

52、在该方法的一种变型方案中，第二压力测量范围包括压力低于第一压力测量范围的下限的低压范围。所述方法包括附加步骤：

53、kk)根据第二压力传感器的第二测量信号检验是否达到所述低压范围；

54、ll)在共同测量容积中的压力处于低压范围中期间，读出第一压力传感器的第一测量信号；

55、mm)将所读出的第一测量信号规定为用于第一压力传感器的零点信号。

56、因此，例如在电容式隔膜压力计的情况下可以确定输出信号的哪个值对应于零压力(或测量范围的下末端处的压力)。该值漂移缓慢，并且可能使测量信号的解释变得困难。利用该方法的该变型方案，可以在需要时一再重新确定并且更新该零点，其中确保两个压力传感器的共同测量容积中存在着足够低的压力，以便能够规定零点。例如，对于上面提及的pcg550产品系列，皮拉尼传感器可以被用作第二压力传感器，以便在根据本发明的方法中规定cdg的零点，所述cdg在这种情况下具有第一压力传感器的作用。根据该方法的该变型方案确定校准参数和预先归零(nullen)的组合在整个压力测量范围上显著提高压力测量的精度。

57、该方法的一种变型方案此外包括步骤：

58、nn)将共同测量容积中的压力提高到第一压力测量范围中；

59、oo)读出第一压力传感器的当前第一测量信号；

60、pp)根据当前第一测量信号和在步骤mm)中确定的零点信号、尤其是根据当前第一测量信号和零点信号的差确定当前压力测量值。

61、以这种方式，当前压力测量值是具有正确零点的当前压力测量值。

62、在该方法的一种变型方案中，所述低压范围仅包括是第一压力测量范围的下限的至多十分之一，尤其是至多是一百分之一。

63、发明人已经认识到，用于第一传感器的零点可以利用该变型方案特别准确地被确定。

64、在该方法的一种变型方案中，低压范围包括10-3mbar至10-4mbar的范围。

65、该变型方案可以例如与上面提到的变型相组合地来实现，其中第二压力传感器是根据皮拉尼的热传导真空计。处于第一压力传感器的作用中的陶瓷电容式压力计特别从根据该方法的该变型方案规则地确定零点中获益。

66、在该方法的一种变型方案中，压力传感器组包括至少三个压力传感器。将按照根据本发明的方法的步骤应用于来自压力传感器组的第一对压力传感器，并且也将按照根据本发明的方法的步骤应用于来自压力传感器组的第二对压力传感器。在此，第一对的压力传感器之一也是第二对的压力传感器。

67、根据该变型方案，根据本发明的方法可以以级联方式扩展到具有多于两个的压力传感器的压力传感器组，其中在第一对压力传感器中，一个具有第一压力传感器的作用，另一个具有第二压力传感器的作用。在另一对压力传感器中，第二压力传感器根据该方法可以具有第一压力传感器的作用，等等。该组的整个压力测量范围的这种级联式扩展的前提条件是，存在关于其测量范围相邻的两个压力传感器的分别重叠的测量范围。

68、例如，在压力传感器组中不同压力传感器的测量范围的这种级联式链接是可能的，所述压力传感器组包括电容式隔膜压力计、皮拉尼传感器和电离压力计。例如，用于作为第一对的第一压力传感器的电容式隔膜压力计和作为第一对的第二压力传感器的皮拉尼传感器的调节点可以被规定在大约1mbar处。此外，用于作为第二对的第一压力传感器的皮拉尼传感器和用于作为第二对的第二压力传感器的电离压力计的调节点可以被规定在大约10-3mbar处。根据该变型方案，校准以级联方式被链接。例如，电离压力计可以是巴雅-爱泊特型压力计或上面提及的电离压力计中的另一压力计。例如，压力传感器组可以涉及具有在大气压下满刻度偏转的电容式隔膜压力计形式的第四压力传感器。以组合方式，从而可以获得具有从大气压向下直至10-10mbar的压力的总测量范围的“四重(quadupel)”压力传感器，所述“四重”压力传感器在整个测量范围上通过根据本发明运行实现高精度或者与气体类型的很大程度上的不相关性。

69、本发明此外还涉及根据权利要求17所述的设备。它是用于执行根据本发明的方法的设备。

70、该设备包括：

71、-压力传感器组，其中所述组包括至少一个具有第一压力测量范围的第一压力传感器和具有第二压力测量范围的第二压力传感器，其中第一压力传感器和第二压力传感器被布置为使得所述第一压力传感器和第二压力传感器能够测量共同测量容积中的压力，并且其中所述第一压力测量范围和第二压力测量范围在重叠压力测量范围中重叠；和

72、-控制单元，所述控制单元与第一真空压力传感器的第一信号输出端并且与第二真空压力传感器的第二信号输出端有效连接，用于处理真空压力传感器的测量信号。

73、该设备尤其是可以被实现为单元(压力传感器单元，“压力表”)，所述单元在共同的外壳中包括所提到的所有元件。例如，该外壳可以具有用于连接到真空设施上的标准真空法兰。例如，该设备可以具有数据接口，所述数据接口向外提供单个经处理的压力信号，其中该经处理的压力信号在考虑该组的所有可用的压力传感器和所有校准的情况下形成。尤其是，该单元可以包含还要商讨的计算机程序产品，例如以固件的形式。

74、在该设备的一种实施方式中，第一压力传感器是隔膜压力计。重叠压力测量范围包括压力0.1mbar，其中第一压力测量范围和第二压力测量范围在所述重叠压力测量范围中重叠。压力传感器组包括具有第三压力测量范围的第三压力传感器，其中第三压力测量范围将第一压力测量范围朝向更大的压力扩展。

75、该设备的该实施方式例如可以通过压力传感器的以下组合来实现：作为第一压力传感器是电容式隔膜压力计，作为第二压力传感器是皮拉尼传感器，以及作为第三传感器又是电容式隔膜压力计。例如，第一压力传感器可以具有包含压力0.1mbar并且包括三个十倍程的测量范围。在该示例中，皮拉尼传感器具有同样包括压力0.1mbar的测量范围.第三压力传感器可以具有第三压力测量范围，所述第三压力测量范围在大气压下具有满刻度偏转并且因此将整个压力传感器组的压力范围朝向高压扩展。第三压力测量范围可以与第一和/或第二压力测量范围重叠。该组的所有三个压力传感器可以安装在共同的外壳中。

76、在一种实施方式中，该设备包括至少一个用于改变共同测量容积中的压力的装置，其中所述至少一个用于改变压力的装置与压力控制单元有效连接，用于触发共同测量容积中的压力的降低或提高。

77、压力控制单元可以是用于处理真空压力传感器的测量信号的控制单元，或者所述压力控制单元可以与所述控制单元有效连接，例如用于传送阀或泵的状态或用于接收控制指令，诸如改变压力作为用于调节的准备。

78、用于改变压力的装置例如可以包括泵或阀。

79、本发明此外还要涉及根据权利要求20所述的计算机程序产品。

80、根据本发明的计算机程序产品包括指令，在通过根据本发明的设备的控制单元实施所述指令时，所述指令促使所述控制单元执行根据本发明的方法的步骤。

81、计算机程序产品例如可以包括压力传感器装置中的固件，或者所述计算机程序产品可以由压力传感器装置中的固件组成。