专利名称：气敏元件及操纵吸气泵的方法
技术领域：
本发明针对用于检测微量气体存在的气敏元件，及用于操纵吸气泵抽出氢气以形成高真空的方法。
已知在检漏器中检测发生微量气体在另外封闭的外壳中从漏泄处跑出的情况。一般，所用的微量气体是氦或氢。在两种情况下，检测微量气体的存在是用质谱仪实现。质谱仪结构很复杂且价格昂贵。另外，它们不提供把D2(氘)和氦区分开的可能性。
DE 100 31 882 A1(Leybold Vakuum GmbH)描述了一种用于氦或氢的气敏元件，所述气敏元件包括真空密封式外壳，所述外壳具有选择性地用于待检测气体的作用通道。外壳用玻璃制成，而选择性地作用的通道是一种硅材料膜，在所述硅材料膜上设置具有若干通孔和一加热装置的硅片。外壳放入一气体压力传感器，所述气体压力传感器对已进入外壳的气体的总压力作出响应。因此，可以用相当简单的气体压力传感器代替质谱仪。
EP 0 831 964 B1(Leybold Vaccum GmbH)描述了用于测试检漏装置的气体检测器的选择性地起作用的通道膜的制造。通道包括以许多气体通道区域为特色的硅片。通道引到真空室中，所述真空室连接到真空测量装置上。
本发明的目的是提供用于检测微量气体存在的气敏元件，所述气敏元件结构简单，并对微量气体十分敏感和有选择性。
本发明的气敏元件由权利要求1限定。该气敏元件包括检测室和泵室，上述检测室具有可选择性地透过微量气体的壁，而上述泵室包括接收微量气体的吸气泵。检测室通过节流通道与泵室连接。位于检测室内部的压力传感器检测由于微量气体的侵入所引起的压力增加。
本发明提供吸气泵，所述吸气泵在检测室中产生高真空。然而，吸气泵包括在泵室中检测室的外部。微量气体一穿过只能透过微量气体的壁进入检测室，则由于节流通道的禁止流动作用，而发生压力增加，所述压力增加不能通过吸气泵一次消散。这种压力增加通过压力传感器检测，并可以看作是检测微量气体的表示。检测室中增加的压力通过延时消散，同时考虑由节流通道所实施的时间常数，以便在此后，气敏元件再起作用。
优选的是，气敏元件这样配置，以便它检测氢的存在。装在检测室中的压力传感器供应电流，所述电流与气体压力有关。合适的压力传感器是按照潘宁(Penning)放电原理工作的传感器，所述传感器供应取决于气体压力的电流。Penning压力传感器包括两个作为阴极的极状电极和一个安装在它们之间的阳极环。当在阳极和阴极之间的空间中存在气体离子时，所述气体离子产生可检测的电流。照这样，可以测量低于10-12mbar的很低气压，然而，同时产生很小的大约10-13的测量电流。因此，可以达到微量气体检测的高灵敏度。Penning测量元件可从Inficon购买，商标名称为“Penning Gauge PEG 100”。
由于检测室由一只能选择性地透过微量气体的壁限定，所以只有微量气体可以从外部进入检测室中。检测室中发生压力变化用来检测微量气体的侵入，并且现有的气敏元件适合于检测微小量的微量气体，因为由吸气泵可以产生在10-12mbar范围内的高真空。用于气体压力检测的压力传感器显著地比质谱仪更简单。它不需要选择性地对特定气体起反应。相反，它足够测定检测室中的总压力。二者都不需要测定绝对值，而只要检测压力的变化就够了。
在本发明的优选实施例中，壁是例如安装在硅支承件上的膜，上述壁可选择性地透过微量气体，但壁是其它气体的阻挡层。优选的是，可以将可选择性透气的壁加热，以便增加透气性。为了达到这个目的，膜本身可以用作例如加热电阻。
本发明提供一种简单结构的气敏元件，所述气敏元件甚至可以用简单的手段检测样品气体的微小分压。气敏元件尤其适合于在检漏中使用，其中检测从容器中跑出的微量气体。
本发明还涉及用于操纵吸气泵来抽出氢的方法，如权利要求7中所述。按照这个方法，将吸收氢的吸气材料加热，用于在可抽真空的容器中再生，所述可抽真空的容器具有一可选择性地透过氢的壁，以便氢可以从吸气材料穿过上述壁跑到大气中。
在这个方法中，吸气材料形成再生式氢泵。这个方法从下述事实获益，即当加热吸气剂时，以前吸附的氢转移到吸气材料的表面上，以便向外放气。其它气体在加热时扩散到吸气材料中。在吸气材料中，建立H2分子的吸收和消散之间的平衡。吸收与外部压力(分压)无关。消散与温度有关。当加热吸气材料时，氢从这种材料中放出，并充满容器的体积。因此，氢从容器内跑到大气中。这意味着吸气材料的再生，因此所述吸气材料没有氢。然后吸气材料能接收新的待抽出的氢。
下面是参照附图所作的本发明的一些实施例的详细说明。这些实施例不应看作是限制本发明的保护范围。相反，本发明的保护范围由权利要求书限定。
在附图中
图1是用于检测样品气体存在的气敏元件的示意图，和图2示出用于抽吸氢的再生式的吸气真空泵。
图1示出一种用于氢分压的与温度无关的测量的气敏元件。气敏元件包括封闭的玻璃外壳10，所述玻璃外壳10包括检测室11。外壳10的壁还用接合到外壳的玻璃上的多孔硅支承件制成。这个支承件用钯的薄膜13覆盖。钯具有只能透过氢及其同位素(H2(氢)、D2(氘)、T2(氚)、HD(氘化氢)、HT(氚化氢)、及DT(氚化氘)的作用。对所有其它元素来说，钯的透气性小至可忽略不计。
取Penning压力传感器形式的压力传感器14位于检测室11中。压力传感器14具有两个平行的阴极板15，所述两个平行的阴极板15相互彼此间隔开，其中只有一个阴极板15可在图1中看到。两个阴极板15之间，设置一阳极环16，所述阳极环16的轴线垂直于阴极板的平面。电压电源17供应DC(直流)电压，所述DC电压加在阴极板和阳极环之间。电流测量装置18设置在电路中，用于测量阴极或阳极的电流。为Penning放电所必需的磁场通过安装在封闭的外壳10外部的永久磁铁产生。
压力传感器14的阴极板15用一种对氢具有尽可能少吸气效应的材料如铝制成。这保证在工作时阴极表面不富集氢。因此，达到吸气能力的持久性是几乎唯一由吸气泵30决定的。
吸气泵30通过节流通道20连接到检测室11上，同时泵在检测室11中产生高真空。吸气泵30在玻璃密封容器31中具有一室32，所述室32装有吸气材料33。吸气材料可以是由SEAS-Getters制造的牌号为ST707的吸气剂。上述吸气剂对氢具有很高吸附性。因此，氢通过节流通道20用泵从检测室抽出。
当操纵气敏元件时，首先通过吸气套管35将检测室11抽真空，然后将检测室11封闭，以便在检测室中保持例如10-8-10-7mbar的真空。此后，将吸气泵30的吸气材料加热到例如500℃的活化温度，以便吸气泵30从检测室11中抽出氢，并使氢的分压降到低于10-12mbar的压力。当大气中的氢气穿过可选择性透过氢的热壁12进入检测室11中时，由于只有在延时的情况下才能把氢通过节流通道20抽出，所以检测室11中的压力增加。这种压力增加通过压敏元件14检测，并判断氢的侵入情况。
在300℃的温度下，对具有厚度为10μm和总表面积为1cm2的钯膜13，得到氢穿过所述膜的电导为LH2＝1.3×10-1l/s。吸气泵30的吸气能力通过节流通道20限制到SH2＝0.2/ls。在传感器时间常数为t＝100ms时，在传感器附近，亦即大气中的氢压力增加到p＝10-6mbar使传感器中的放电电流增加3×10-10A。这里，假定冷阴极放电的典型灵敏度为I＝1A/mbar及传感器体积为20cm3。
图2示出一般配置与图1的吸气泵30相同的吸气泵50。在一封闭的玻璃容器50中，设置吸气材料52，所述吸气材料52取许多吸气片53的形式，它们通过格栅固定。吸气材料是不可挥发的NEG材料(不可挥发的吸气剂)。这些是其抽气作用通过加热触发的材料。气体粘附到吸气剂的表面上，并在加热期间扩散到各个吸气粒子中，因此吸气粒子的反应性表面以后可以接收另一些分子。这个过程可重复，直至固体材料达到了饱和限为止。这个过程仅对于稀有气体和氢不同。在稀有气体情况下，由于稀有气体的惰性行为，所以NEGs不显示抽气作用。
氢被吸气剂结合比其它反应性气体更弱。对氢来说，有一与环境的平衡压力，所述平衡压力取决于吸气温度和吸气剂所吸收的氢量。在吸收大量氢之后，若在加热期间不消耗放出的氢，则吸气作用不能再生。
在目前情况下，吸气材料是由SEAS-Getters制造的牌号为ST707的吸气剂。也可以使用其它NED材料。
参见图2，容器51在一侧上用薄的可加热的钯膜封闭。钯只对氢及其同位素很容易透过。对氢来说，吸气泵50通过这个膜54起作用。
容器51首先一次抽真空到预定的真空压力，然后封闭。在这种状态下，将吸气剂加热到例如500℃，以便触发吸气作用。在吸气材料的活性状态下，所有反应性气体都粘附到表面上。只有氢可穿过钯膜54流到封闭的容器51中。因此，只有氢被氢泵从容器51的环境中抽出。泵只对氢有效，而与环境中其它气体的分压无关。
当制造氢泵时，一次将体积抽真空到p＜10-1mbar，随后通过形成玻璃永久封闭。然后，通过加热激活吸气剂，以便抽出封闭体积中存在的大气体积，并且还使氢吸附到吸气材料上。在这种状态下，由于只有氢可以穿过钯膜流到泵体积中，所以只有氢从泵的环境中抽出。这是正常的操作条件。
在每克吸气材料吸收1000Torr l(托升)之后，泵应该再生。在已吸收1000Torr l/g的氢量之后，在50℃温度下的H2平衡压力约为7×10-9mbar。如果在这种状态下将材料加热到500℃，则压力增加到80mbar(毫巴)。为了再生，必须在这个温度下除去氢气。在再生期间，在外面穿过钯膜抽出氢。当在T＝500℃下压力降到0.5Torr时，剩余吸附的氢量相当于25Torr l/g。该剩余氢量的平衡压力在T＝50℃下为p＜10-12mbar。
图2示出在再生吸气材料期间的压力条件。在容器51内部，氢的分压为PH2＝80mbar，所述氢分压同时是容器中的总压力。然而，在周围大气中，大气压主要是1000mbar，氢的分压PH2比80mbar低得多。因此，氢穿过钯膜54从容器51中跑出。必须保证围绕容器51的气体没有氢。再生周期可以按希望经常重复。在很容易达到对每秒穿过钯膜的氢量为约1×10-3升的电导情况下，则实现约200mbar l的氢量需要约1小时。
权利要求
1.一种用于检测微量气体存在的气敏元件，包括检测室(11)，所述检测室(11)具有一可选择性地透过微量气体的壁(12)；泵室(32)，所述泵室(32)包括一吸收微量气体的吸气泵(30)；和节流通道(20)；所述节流通道(20)连接检测室(11)和泵室(32)，同时包括在检测室(11)中的压力传感器(14)检测由于微量气体侵入所引起的压力增加。
2.如权利要求1所述的气敏元件，其特征在于，按照潘宁放电原理，压力传感器(14)供应电流，所述电流取决于气体压力。
3.如权利要求1或2其中之一所述的气敏元件，其特征在于，可选择性地透气的壁(12，13)可透过氢及其同位素。
4.如权利要求3所述的气敏元件，其特征在于，壁(12)具有包括钯的膜(13)。
5.如权利要求4所述的气敏元件，其特征在于，膜(13)安装在一接合到玻璃检测室的硅支承件上。
6.如权利要求1-5其中之一所述的气敏元件，其特征在于，可选择性地透气的壁可加热。
7.用于操纵吸气泵(30；50)抽出氢的方法，其中在一具有可选择性地透过氢的壁(12；54)的容器(51)中，将吸收氢的吸气材料(33；53)加热用于再生，以便氢从吸气材料穿过上述壁消散到大气中。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，将壁(12；13；54)加热。
全文摘要
本发明涉及一种气敏元件，所述气敏元件包括泵室(11)，泵室(11)通过节流通道(20)连接到吸气泵(30)上。检测室(11)用只能选择性地透过氢的壁(12，13)封闭。吸气泵(30)将氢抽出检测室(11)。当氢穿过壁(12，13)扩散到泵室(11)中时，氢用十分灵敏的压力传感器(14)检测。上述气敏元件具有简单的结构，并且不需要质谱仪。
文档编号G01N7/10GK1985159SQ200580023804
公开日2007年6月20日 申请日期2005年7月12日 优先权日2004年7月16日
发明者D·韦齐希 申请人:因菲康有限公司