CN1178005A

CN1178005A - 改进的加热压力传感器总成

Info

Publication number: CN1178005A
Application number: CN97190014A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·C·潘多夫; 阿奇博尔德·J·德蒙; 弗兰克·W·托马斯; 史蒂文·D·布兰肯希普
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1997-01-13
Publication date: 1998-04-01
Anticipated expiration: 2017-01-13
Also published as: DE69734025D1; EP0820580A4; JPH11502627A; EP1316785A2; DE69720874T2; US5625152A; EP1316785A3; CN1515886A; EP0820580A1; DE69720874D1; CN1141563C; JP3100986B2; CN1241002C; WO1997026518A1; DE69734025T2; EP1316785B1; EP0820580B1; KR19980702989A

Abstract

所披露的加热压力传感器(200)包括一外封闭件(212)、置于该外封闭件(212)内的第一热壳(216),以及置于第一热壳(216)内的一传感元件(210)。该传感器(200)还包括一加热第一热壳(216)的加热元件(218)和一控制该加热元件(218)的控制单元。一根管子(214)将该传感元件(210)与一加热、加压的气体源(124)连接,以及该传感器(200)还可包括一管加热元件(232),它由该控制单元进行控制,以便向该管子(214)施加热量。该传感器也可包括第二热壳,它置于该外封闭件(212)内,该控制单元的至少一部分置于第二热壳内。由该控制单元控制的一个加热元件可置于第二热壳的邻近,用来加热该热壳。

Description

改进的加热压力传感器总成

本发明技术领域

本发明一般涉及压力传感器总成，特别是涉及具有改进的热特性的压力传感器总成。

本发明技术背景

已知的各种蒸汽沉积工艺例如在半导体产品生产过程中是有用的。这些工艺一般用于在一基底上沉积极薄层的、包括导体、半导体和绝缘材料的各种物质。蒸汽沉积工艺一般要求每一种沉积材料以气体状态或蒸汽相输送到沉积室，在那儿，在工艺过程中冷凝到工件上。这种沉积工艺的有效操作，要求对用于该工艺过程的气体或蒸汽的压力进行精确的控制。在沉积材料的蒸汽相具有相对较低的冷凝温度(也即远低于室温)的场合，该材料的压力可用室温下工作的压力传感器来控制。然而，在一种沉积材料的气态或蒸汽相具有相对较高冷凝温度，也即室温以上的场合，为了避免冷凝，这种材料被加热并保持在它们的冷凝温度以上，于是，通常要求采用加热的传感器，用来测量这些热气和蒸汽的压力。加热压力传感器也经常被加热，以防止固体材料的升华或析出。例如，如我们熟知的，氯化氨(NH₄Cl)是沉积氮化硅(Si₃N₄)层工艺过程的一种副产品，如果压力和温度下降得过低，则NH₄Cl会升华，从而一种固体盐会在任何暴露的冷却表面上形成。为了防止这种NH₄Cl的升华，这些工艺过程经常采用150℃的温度。

图1表示为现有技术的加热压力传感器总成100的局部截面图，其通常用在相对较高温度的蒸汽沉积工艺过程中。传感器总成100包括一个对压力敏感的传感元件，它置于外封闭件或壳体112限定的一内腔中，传感元件为电容型，以及包括一接纳加热蒸汽材料的输入口110a和两个用来提供代表进入该传感器总成的蒸汽材料压力的电气信号的输出端(未图示)。该传感元件用电容元件构成，使得在该两输出端之间测量到的电容根据输入口110a处压力的函数而变化。

传感器总成100还包括一将压力蒸汽源与传感元件110的输入口110a连接的管子114。该管子114在其一端114a与邻近输入口110a的传感元件110连接，通过外封闭件112的一孔112a而延伸，以及在它的另一端114b与提供加热、加压蒸汽源(用124表示)的加热气体管道122连接。传感器总成还包括一用具有相对较高导热率的材料制作的热壳116、一薄膜加热元件118以及一控制单元120(表示在图1A中)。一组螺钉121(其中一个螺钉在图中表示)将热壳116牢固地安装在封闭件112中。薄膜加热元件118包覆在热壳116的周围，以及传感元件110置于热壳116内，从而管子114通过热壳116的一个孔116a。控制单元120(示于图1A中)控热元件118的工作，测量传感元件110两输出端间的电容以及从那儿产生一代表输入口110a压力的传感器输出信号。

在使用中，如图1所示，管子114的114b端与含有一加压蒸汽124的一加热气体管道122连接，以便将加热加压的蒸汽124提供至输入口110a，控制单元120(表示在图1A中)控制薄膜加热元件118，从而使热壳116和传感元件110在一所要求的工作温度(也即实质上等于或接近该管道122中的蒸汽124所要求的温度)下保持实质上的热平衡。外封闭件112通常与热壳116和加热元件118绝缘，以使封闭件112通常设置在或接近于围绕封闭件112周围的温度或室温。

诸如加热传感器总成100的传感器已用了很多年，尽管该传感器总成存在几个问题。例如，传感器总成100在相对较高温度下工作时，例如大于80℃时，管子114成为主要热损失源。尽管在工作期间，该传感元件110和管道中的蒸汽大体加热到相同的工作温度，以及管子114两端114a、114b的温度都接近这个工作温度，但是，通常处于或接近于很低的周围温度的外封闭件112与管子114物理接触并趋向于将大量的热从管子114向外传导，其结果，横跨管子114产生温度梯度。当从管子114的该热损失足以引起该管子114内的蒸汽发生冷凝时，这种热损失反过来影响传感器总成100所提供的压力测量的精度。此外，甚至当它不足以引起冷凝时，从管子114的该热损失也可横跨传感元件110建立一温度梯度，从而干扰传感元件110的热平衡并反过来影响传感器总成100所提供的压力测量的精度。

传感器总成100的用户为控制管子114的温度，对于管子114在封闭件112与管道122之间延伸的部分采用加热元件和绝热件。这种措施不总是令人满意的。甚至在管子114的加热足以防止管子114内的蒸汽冷凝时，外封闭件仍然从管子114传导出相对较大的热量，并从而横跨管子114和传感元件110建立一温度梯度，以及如前所述，这种温度梯度能反过来影响传感器总成所提供的压力测量的精度。

传感器总成100的用户也将包括外封闭件112以及一“热外壳”中的管子114的整个组件包封起来，以试图防止气体124在管子114中冷凝。然而，这种方法可引起控制单元的过热，从而减少它的使用寿命，以及也可干扰传感元件110的热平衡，从而反过来影响传感器总成100所提供的压力测量精度。

外封闭件112也趋向于通过诸螺钉121从热壳116传导出相对较多的热量，以及这种热传送可横跨热壳116建立一温度梯度。在替换的实施例中，这种热损失借助于取消诸螺钉121并代之以将外封闭件与管子114夹紧而将外封闭件固定的方法加以控制。然而，这种方法只会增加管子114与封闭件112之间的热传送，从而加重上述问题。

传感器总成100的另一个缺陷与控制单元120(表示在图1A)的温度敏感特性有关。如上所述，控制单元120通常测量传感元件两输出端间的电容并从那儿产生直接代表输入口110a处压力的传感器输出信号。例如，传感器输出信号往往是一个以电压为特征的电信号，该电压与输入口110a处的压力成比例，以及为了产生这种信号，控制单元120提供线性化以及对与传感元件相联系的高阶非线性影响的补偿。控制单元120还控制加热元件118的工作。

控制单元120的性能一般对温度是敏感的，因为用来构造控制单元120的许多零部件本身对温度是敏感的。此外，许多用来构造控制单元120的零部件的使用寿命也取决于温度，所以，当控制单元120在相对较高的温度下工作时，传感器100故障率增加。因此，要求保持控制单元120的工作温度为常数，以便控制单元120的性能不随周围温度变化而波动。以及也要求控制单元120在相对较低的温度下工作以减少它的故障率。

很多现有技术加热压力传感器的设计，保持该传感元件110和该控制单元120的温度为45℃，以及这类传感器往往被称之为“45度传感器”。在45度传感器中，该控制单元120通常用相对廉价的电子零部件(也即民用零部件)构成，该电子零部件的额定工作温度为45℃。在这些装置中，该控制单元120通常安装在该外封闭件112内，借此形成该传感器总成整体的一部分。由于它们相对较低的工作温度，45度传感器具有较低的故障率，然而，对于许多应用场合，它们的45℃工作温度太低。

对于许多较高的温度应用场合，使用“100度传感器”，它们保持传感元件110和控制单元120的温度为100℃。在100度传感器中，该控制单元120通常用相对昂贵的电子零部件(也即军用零部件)构成，该电子零部件的额定工作温度为100℃。以及该控制单元通常作为该传感器100整体的一部分而封装。军用零部件的使用增加了这类传感器的成本，以及，即使使用这些昂贵的零部件，由于相对较高的工作温度，这类传感器仍有较高的故障率。

对于更高的温度应用场合，使用“150度传感器”，它们保持其传感元件110的温度为150℃。由于150℃的工作温度即便对于军用零部件来说也太高，因此，在这类传感器中，该控制单元120通常位于远离传感元件的地方，以便控制单元120与传感元件110热绝缘，以及该控制单元120通过较长的电缆与传感元件110和加热元件电气连接。然而，使用这种长的电缆会产生噪声并且对传感器总成100造成电气的不稳定性。此外，因为该控制单元120不是该传感器整体的一部分，所以不便于“150度传感器”的封装。

现有技术传感器总成100还有另一个缺陷与其“起动”或“温机”时间有关。传感器总成100只有当传感元件110在所要求的工作温度上处于热平衡时才能提供精确的测量，而“温机”时间是指传感器总成100从起始的“冷”或“室温”状态过渡到该要求的热平衡状态所需要的时间。传感器总成100在“温机”期间，控制单元120激活加热元件118，由此，以控制的方式对热壳116加热，从而保持热壳116在该要求的工作温度上。传感器总成100包括一热敏电阻(它是一个众所周知的，具有随该元件的温度而变化的电阻元件)用图1中的164表示，置于热壳116内。控制单元用热敏电阻164检测热壳116的温度并控制加热元件118，从而保持热壳的温度为所要求的工作温度。控制单元120将热壳116的温度保持在所要求的工作温度，直到传感元件110在所要求的工作温度上达到热平衡。当所要求的工作温度为150℃数量级时，传感器总成100的“温机”时间一般在几个小时的数量级(例如4小时)上，这种长的“温和”时间往往是不便利的。

为了便于传感元件110保持热平衡，传感器总成通常在热壳116与传感元件110之间提供一空气绝缘间隙。尽管，这个空气间隙在传感元件“温机”到所要求的工作温度以后便利于传感元件保持热平衡，但这个空气绝缘间隙增加了传感元件110起始“温机”所要求的时间，这是不便利的。

本发明的目的

本发明的一个目的是实质上减少或克服上面提到的现有技术所存在的问题。

本发明的另一个目的是提供一个具有改进了热特性的改进的加热压力传感器总成。

以及本发明的另一个目的是提供这样一种改进的加热压力传感器总成，它为该传感器的传感元件和控制单元提供独立的温度控制。

本发明还有另一个目的是提供这样一种改进的加热压力传感器总成，它为该传感器总成的冷却提供通风，而不影响被测压力的蒸汽的温度。

本发明又有另一个目的是提供这样一种改进的加热压力传感器总成，它为连接该传感元件至一加热气体管道的管子提供一管加热元件。

以及本发明另一个目的是提供这样一种改进的加热压力传感器总成，它与现有的传感器相比，可减少“温机”时间。

本发明还有另一个目的是提供一个包括加热该传感元件用的副加热元件的改进的加热压力传感器总成。

本发明又有另一个目的是提供这样一种改进的加热压力传感器总成，它包括两个分别检测该传感元件温度和包围该传感元件的热壳温度的热敏电阻。本发明概述

这些发明目的和其它发明目的可用一个改进的加热压力传感器总成来实现。根据本发明的一个方面，该传感器总成包括一外封闭件、置于该外封闭件内的第一热壳、以及一置于该第一热壳内的传感元件。该传感器总成还包括一加热该第一热壳的加热元件和一控制该加热元件的控制单元。一根管子将该传感元件与加热、加压的气体或蒸汽源相连接以及该传感器总成还可包括一管加热元件，它由该控制单元来控制，向该管子施加热量。

根据本发明的另一个方面，该传感器总成也可包括一个置于该外封闭件内的第二热壳，该控制单元的至少一部分置于该第二热壳内。一个由该控制单元控制的加热元件可置于该第二热壳邻近，用来加热该热壳。

根据本发明的另一个方面，也可以包括一个置于该第一热壳内用来加热该传感元件的副加热元件。根据本发明还有另一个方面，也可包括两个热敏电阻，用来测量该传感元件和该第一热壳的温度。

本发明的其它目的和优点，通过以下的详细说明，对本技术领域的技术人员来说将是很明显的，其中数个实施例简单地通过对本发明最佳模式说明的方式进行展示和描述。这将会领悟到，本发明可以是其它不同的实施例，以及本发明几个详细的说明可以在各种不同的方面中进行修改，而所有这些均不脱离本发明的范围。因此，请附图和说明将被看作对特征的解释，而不对权利要求所指明的应用范围进行局限或限制。

附图简要说明

为了更充分理解本发明的特征和目的，应参阅下面与附图相结合的详细说明，其中，相同的标号用来指明相同或相类似的零件，其中：

图1为与一加热气体管道相连接的现有技术加热压力传感器总成的局部截面图；

图1A为用于实施例中的一控制单元方框图；

图2A为根据本发明并包括一管加热元件而构造的一改进的加热压力传感器总成的局部截面图；

图2B和2C分别为图2中表示的该管夹侧视和顶视图；

图2D为图2A所示的该管加热元件的顶视图；

图2E为用于图2A至2D所描绘的该实施例的一控制单元的方框图；

图2F为图2A该传感器总成的局部放大详图；

图3为根据本发明构成的提供该控制单元冷却通风的一加热压力传感器总成的截面图；

图4为根据本发明构成的提供该控制单元冷却通风的另一加热压力传感器总成的截面图；

图5为根据本发明并包括一副加热元件和两个热敏电阻而构成的一加热压力传感器总成实施例的局部截面图；

图5A为用于图5所描绘的该实施例的一控制单元的方框图；

图6为用来热力固定图5所示的该二个热敏电阻的一个热锚件图；

图7A至7C为根据本发明构成的加热压力传感器所提供的“温机”时间改进了的温度相对于时间而变化的曲线图。

附图的详细说明

图2A表示了根据本发明的至少一个方面的内容构造的一个加热压力传感器总成200的截面视图。如以下更详细讨论到的，传感器总成200提供了超过现有技术传感器总成100性能的改进性能。传感器总成200可便利地用于高温蒸汽沉积过程，以及如本技术领域的技术人员将认识到的，传感器总成200也可用于其它许多应用场合，例如离子蚀刻反应过程。

传感器总成200包括一个压敏传感元件210，它置于由一外封闭件212所限定的一内腔中，以及包括一接收气体或蒸汽的输入口210a，气体的压力待测量。传感元件210例如可为一电容型的传感元件，它包括两个输出端(未图示)，在该两个输出端之间测量到的电容量与输入口210a的压力有关，而且是压力的函数。然而，传感器元件210的工作可用任何形式的对压力敏感的传感件来完成，它具有可被测量的工作参数，按照一压力的函数进行变化。传感器总成还包括一管子214，将该输入口210a与一加压的气体或蒸汽源连接。该管子214包括一邻近输入口210a、与传感元件连接的一端214a，并通过外封闭件212的一底板212b限定的一个孔212a延伸，以及有一个与运送该加热蒸汽124的该气体管道122连接的相对端214b。

传感器总成200还包括一热壳216，最好用导热率较高的材料制成；一个加热件218和一个控制单元(后者示于图2E中)。传感元件210置于热壳216内，以及管子214通过该热壳216中的一个孔216a。该热壳216最好在孔216a的邻近牢固地夹紧管子214，借此，热壳216置于外封闭件212内的一个固定位置上。该加热件218置于热壳216的附近，以及加热元件218最好用一薄膜加热元件来制作(即，一个具有相对柔性、电阻型的加热元件)，将它包覆并紧固到热壳216的外部。如图2E所看到的，该控制单元220最好包括一信号状态器220a用来检测传感元件210两输出端之间的电容值并由此产生一表征输入口210a压力的传感器输出信号。控制单元220也最好包括一控制器220b，用来控制加热元件218的工作，如后面更详细的描述。

根据本发明的一个方面，如图2A和2F所示，传感器总成200另外包括一个管夹230，它最好用导热率较高的材料制成，以及一个管加热元件232。管夹230最好牢固地夹紧管子214，并用合适的方法，例如一组螺钉234(其中一个螺钉表示在图2A和2F中)，牢固地将外封闭件212的底板212b安装至管夹230上。每一个螺钉234通过一管状的绝热隔套236而延伸，这些隔套236是这样配置的，当这些螺钉234被拧紧时，这些隔套236使管夹230和与底板212b之间保持一个间隙238。这些隔套236用诸如塑料一类的绝热材料制成，以便使管夹230与板212b绝热，从而减少管夹230与外封闭件212之间的热流。

图2B和2C分别表示管夹230的侧视和顶视图。管夹230有一个中心孔230a、一个切口230b和一个螺孔230c。当管夹230安装到传感器总成200(如图2A)所示时，管子214通过中心孔230a。该中心孔230a的大小可借助于插入螺孔230c中的一个螺钉(图2A中所示的229)的旋转以扩张或缩小切口230b进行调整。当管夹230安装到传感器总成200时，螺孔230c中的螺钉被调整，使中心孔230a充分地收缩，从而使管夹230牢固地夹紧管子214，并与管子214形成良好的热接触。设置管子加热元件232，图2D示出了它的一个最佳实施例，以便提供与管夹230良好的热接触，从而使管加热元件对管夹230充分地供热。管加热元件232最好用薄膜加热元件来制作，设置在该管夹230的上表面，并与它固定，保持良好的热接触(如图2B所示)。如图2D和2E所示，控制单元220除了控制加热元件218的温度以外，以还控制管加热元件232的温度，它响应于合适的温度传感装置(待后面描述)检测到的温度，通过电引线232a、232b向管加热元件232施加电流。

此外，最好用绝热物(未图示)包覆管子214从该外封闭件212的底板212b延伸到加热管道122之间的部分，而无需对管子214再施加任何附加的加热元件。在工作中，该管道122中的蒸汽加热到所需的温度，加热元件218加热传感元件210至相同的工作温度。管加热元件232加热管夹230，从而加热管子214至同一或接近工作温度。由于管加热元件232有效地将214邻近板212b的部分加热到与管道122中加热蒸汽相同的温度，又由于管子214在板212b与气体管道122之间是绝热的，因而在蒸汽124与管子214之间很少或没有热的传送。管加热元件从而防止管子214内气体的冷凝，也大体上降低或消除管子214的热梯度，从而提高传感器总成200的精度。

管夹230和管加热元件232在管子214与外封闭件212之间提供了一个热阻尼，借此，降低外封闭件212从管子214导出的热量。在另一个最佳实施例中，传感器总成200包括几个特征，每一个特征更进一步降低外封闭件212从管子214导出的热量。如图2A和2F所示，管夹230最好包括一管套230d，它可以形成为该管夹整体的一部分，它通过该外封闭件212底板212b的孔212a，平行于管子214而延伸，由此，防止板212b与管子214直接接触，从而降低外封闭件212从管子214导出的热量。此外，如图2F所示，该底板212b的孔212a的直径最好大于管套230d的外径，从而，在板212b与管套230d之间有一个间隙24b，这一间隙进一步降低外封闭件212从管子214导出的热量(同时也降低外封闭件212从管夹230导出的热量。还有，板212b最好包括一在孔212a邻近、厚度减少的内环状区212bx(如图2F所示)。由于它减少的厚度，该区212bx有一个高于板212b其余部分热阻的热阻，由此，进一步降低外封闭212从管夹230导出的热量。

如上所述，现有技术的加热压力传感器总成(例如图1的100所示的)的购买者一般必须在管子114上施加一些加热元件，该管子将该传感器总成100与一加热气体管道122连接。尽管这些加热元件对防止该管子114内气体的冷凝是有用的，但这些加热元件相反地影响该传感器总成的精度，因为，它们一般横跨传感元件110建立热梯度。与此相对照，图2A、2D和2F附加的管加热元件232作为传感器总成200的一个零件而结合并由传感器总成200加以控制。因而，当传感器总成200与加热气体或蒸汽源(例如管道122)连接时，传感器总成200的购买者无须在管子214上应用外加热元件。由于防止管子214内气体冷凝的发生以及大大地降低穿过管子214的热梯度，管加热元件232提高了传感器总成200的精度。

此外，在传感器总成100中，外封闭件112与热壳116连接，而在传感器总成200中，外封闭件212与管夹230连接(例如通过几个螺钉234)。所以，该外封闭件趋向于从管夹230导出热量，而不趋向于从热壳216导出热量，因而，外封闭件212不会横跨热壳216和传感元件210产生温度梯度，如现有技术通常的那样。

除了一个代表所要求的工作温度的信号以外，最好使用至少一个温度传感元件(未图示)提供图2E中的控制器220b一个输入信号，该信号表示该传感器总成上或其内某个选择位置处的实际温度，或者可替换的方案为，用多个温度传感元件(未图示)在该传感器总成上或其内的多个位置提供温度的指示，例如，一个温度传感元件可用来测量该传感元件210的温度，而另一个温度传感元件可用来测量管夹230的温度。控制器220b可包括两个分开的控制器，例如PID(比例、积分与微分)控制器，一个控制器用来控制加热元件218，而另一个控制器用来控制管加热元件232。作为可替换的方案，控制单元220可使用一个信号控制器，响应于表示该输入温度的信号，控制两个加热元件218、232的工作。一个信号控制器借助于例如保持施加给加热元件218和232的电流比为常数，可以控制两个加热元件。

虽然传感器总成200的最佳实施例包括管夹230和管加热元件232，也可以用不包括管夹230和管加热元件232的总成200的实施方案来实现优于现有技术的管子214的热控制。在这种方案中，孔212a足够的大，使底板212b不与管子214接触，而且，最好用绝热物包覆管子214的整个长度或部分长度。

如上所述，在某些现有技术的加热压力传感器中，该控制单元作为该传感器总成的整体部分而形成。然而，这些传感器总成使用相对较低的工作温度(例如450℃)、或使用昂贵的军用级的零部件，或者使用寿命相对较短。因而，在其它许多现有技术的加热压力传感器总成中，该控制单元位于离开该传感器总成的地方，以防止施加给该传感元件的热对该温度检测控制单元的性能产生不利的影响。一般地，该控制单元用电缆线与该传感器总成连接。然而，使该控制单元离开该传感器总成不利于该传感器总成的封装，同时也增加了该传感器总成电气的不稳定性，并增加该传感器输出的噪声。

与现有技术不同，根据本发明的另一个方面，控制单元作为该传感器总成200的整体部分而形成，其中，控制单元200的温度独立于传感元件210的温度加以控制。通常用于连接该控制单元与该传感元件的该长电缆线的消除，改善了传感器总成200的稳定性并降低了噪声，而且，独立地控制控制单元220的温度增加了传感器总成200的使用寿命，并使传感器总成200在传感元件210较宽的工作温度范围内一致性地和重复性地运行。此外，控制单元作为传感器总成整体的一部分，这便利于加热传感器的封装。该控制单元220的温度最好控制为小于或等60℃的常量，因为这用这个温度允许控制单元用相对便宜的电子元件来制作，该电子元件不能频繁地在该温度以上工作。当然，也可以用较高的工作温度，而这时，控制单元要用较昂贵的电子元件(例如军工级的零件)来制作，这些零件具有较高的工作温度范围。在任何情况，该控制单元220的温度被控制到低于传感元件210的工作温度。

图3表示传感器总成200的一个实施例，其中，控制单元220作为传感器总成200的一部分而整体成形。在这个实施例中，传感器总成200附带地包括一热分流件240，它最好用导热率相对较高的材料制作，它的设置将外封闭件212限定的内腔分成一下部和一上部。传感元件置于该内腔的下部、该热分流件240的下方，而控制单元220置于该内腔的上部、该热分流件240的上方。在所说的实施例中，控制单元220用两个印刷电路(PC)板220a、220b来实现。传感器总成200也包括一用导热率相对较高的材料制作的热壳242，用来在其内放置印刷电路板220a和一加热元件244，该加热元件与热壳242保持热接触，热壳在控制单元220控制下工作。印刷电路板220b置于热壳242的上方。外封闭件212还限定许多槽或通风口或孔212c，它们对提供冷却有用，将在后面作详细的讨论。绝热件246最好置于热壳242与热分流件240之间，也置于热壳216与外封闭件212之间。传感器总成200也最好包括一热敏电阻249，它与热壳242保持热接触，用来测量热壳242的温度。控制单元220自调节它自己的温度，从而，不需要该控制单元远离传感器总成。所以，传感器总成的所有零部件可以便利地封装在外封闭件212内，而且，传感器总成提高了电气的稳定性并消除了噪声。

在工作中，热分流件240与通风口合作提供热对流冷却，借此，在传感元件210与控制单元220之间保持一所需的温差。箭头248表示空气流通过传感器总成200的方向。绝热件246防止一些热从传感元件210传送到控制单元220，而热分流件240将传感元件210过多的热导向传感器200的周边，在那里，冷却空气流通过多个通风口212c将传感器200的热量向外传导。而在另一个传感器200的实施例中，可采用主动制冷单元(未图示)保持控制单元220与传感元件210之间所需的温差，在最佳实施例中，没有使用这种制冷单元。在图3所示的该实施例中，当加热元件244保持静止时，热分流件240和多个通风口212c提供充分的冷却，以保持热壳242和控制单元220的温度低于所需控制单元220的工作温度。而在工作时，控制单元简单地利用加热元件244向热壳242供热(也即不需要主动制冷)就可保持热壳242和控制单元220在所需的工作温度下的热平衡。控制单元220最好包括一控制器，例如一个PID，响应于热敏电阻249提供的对热壳242的温度测量，控制加热元件244。

在所说的图3实施例中，控制单元220用两个印刷电路板220a和220b来完成，只有印刷电路板220a位于热壳216内，而另一块印刷电路板220b位于该热壳的上方。一般来说，对于这种布置，控制单元220大多数对温度敏感的零部件位于印刷电路板220a上，而产生大部分热的控制单元的零部件位于印刷电路板220b上。控制器220控制加热元件244，以便保持热壳242和印刷电路板220a处于热平衡，而印刷电路板220b的温度，由于空气流与印刷电路板220b产生的热量的对流作用，允许控制离开平衡温度而稍微波动。在热壳242内只包括印刷电路板220a简化了控制单元220的热控制，然而，在另一个实施例中，控制单元220的所有印刷电路板当然也可均位于热壳242内。

控制单元220最好保持它自己的温度，以大体上保持常量，例如60℃，而与传感元件210的工作温度无关。图3所示的该实施例提供充分的冷却，保持传感元件210与控制器220之间的温差至少为90℃。因而，传感元件210至少可在150℃的温度下工作，而不受控制单元220所要求的60℃工作温度的干涉。当传感元件保持在工作温度150℃时，传感器总成200就能理想地适合于氮化硅蒸汽所沉积工艺的使用。

图4表示本发明还有另一个方面的实施例截面图，其中，所示的该传感器总成200与图3所示的实施例相比较，提供了附加的冷却。在图4所示的该实施例中，外封闭件212包括一个下封闭件或下间隔室212d和一个上封闭件或上间隔室212e，它们用合适的器件，例如一组螺钉250a(其中一个表示在图中)相互相对固定。每一个螺钉通过各自的管状绝热隔套250b而延伸，这些隔套250b最好用绝热材料例如塑料制作，从而，当诸螺钉250a将诸隔套250b拧紧时，就保持封闭件212d与212e之间一所选定的间隔。这个传感器总成200实施例还包括一热分流件或散热片252(形成一环形盘)，它用具有导热率相对较高的材料制作，置于下封闭件212d与上封闭件212e之间，并与诸隔套250b形成热接触。热分流件252有助于上封闭件212e对来自下封闭件212d所产生热的屏蔽，并使沿着隔套250b流动的任何热量消散。下封闭件212d与上封闭件212e之间的间隔中的诸多开口增加了通风效果。

在工作中，图4的控制器220最好保持它自己的温度60℃的工作温度。

在本发明另一个方面中，传感器总成200包括一减少温机时间的装置。图5表示该装置最佳实施例部分，它包括一副加热元件260和两个热敏电阻262、264。该副加热元件260最好置于热壳216内，传感元件210的邻近处，在控制单元220的控制下，向传感元件施加热。热敏电阻262也置于热壳216内，以便向控制单元220提供该热壳216温度的测量。由于热敏电阻262和264的温度一般远高于控制单元220的温度，因此，热敏电阻262和264最好用合适的器件，例如热锚件，分别与传感元件210和热壳216固定。

参阅图6，它表示通过一热锚件266与控制单元电气连接的热敏电阻262。具体地说，控制单元220与两根引线268a和268b连接，引线268a和268b依次分别与热锚件266的垫片266a和266b连接。垫片266a与另一个垫片266c电气连接，以及垫片266b与另一个垫片266d电气连接，以及最后，该热敏电阻262的两个线端分别与垫片266c和266d电气连接。具有良好热导性的热锚件与传感元件210固定(未图示)以及热敏电阻也最好与传感元件210接触。

引线268a和268是良好的导电体，因而也是相对良好的导热体。如果不用热锚件266，温度相对较低(例如50℃)的控制单元220通过引线268a、268b直接与相对较热(例如150℃)的热敏电阻262连接，那么，热会趋向于从热敏电阻262通过引线268a、268b流向控制单元220。由于热敏电阻262是一相对较小的元件，这种热流量会降低热敏电阻的温度，因而干扰了传感元件210的温度测量。将相对较大的热锚件固定到传感元件210上会稳定热敏电阻262的温度并保证大部分热流从传感元件210出来而不从热敏电阻262流出。热敏电阻264当然也最好用一热锚件与热壳216连接，这与热锚件与热壳216连接相类似，以及相类似的，传感器总成200内所有其它热敏电阻(例如热敏电阻249)最好与它们通过热锚件提供温度测量的被测量装置连接。

如上所述，现有技术的传感器总成(图1所示)用加热热壳116的方法温机到所要求的工作温度Td。然后按要求等待传感元件110收敛到这个温度。控制单元120用热敏电阻164检测该热壳116的温度并控制加热元件118，从而保持该热壳116的温度等于所要求的工作温度Td。对照现有技术，在本发明传感器总成200中(图5所示)，控制单元220的控制器220b使用热敏电阻262和264测量一平均温度T_Ave，该T_Ave等于该传感元件210和热壳216的平均温度，以及控制单元220控制加热元件218，以保持这个平均温度T_Ave等于所要求的工作温度Td。所以，在现有技术的传感器总成100中，热壳116的温度永不会超过所要求的工作温度Td，而在本发明传感器总成200中，只要传感元件210的温度低于Td，热壳216的温度就可超过Td。

图7A展示了三条曲线A、B和C，它们表示了采用热敏电阻262、264带来的好处。曲线A和B分别表明热壳216和传感元件210的温度为时间的函数。在传感器总成200的温机期间，控制器220b控制加热元件218，以便热壳216最好以最大可获得的速率提高温度，直到该平均温度T_Ave等于所要求的工作温度Td。如曲线A和B所示，控制器220b使用加热元件218以提高该热壳216的温度直到一时间tx，这时，该平均温度T_Ave(在该时间tx瞬间，将曲线A和B上的温度值相比并除以2而获得的温度)等于所要求的工作温度Td)。在tx以后的所有时间内，控制单元保持该平均温度T_Ave等于Td，以使该传感元件210的温度向着Td增加，而该热壳216的温度相应地减少，以便保持该平均温度T_Ave为常数。曲线C表明在现有技术传感器总成100的温机期间，现有技术的传感元件110的温度为时间的函数。如曲线B和C所示，传感元件210收敛于所要求的工作温度Td远快于现有技术传感器总成100的传感元件110收敛于所要求的工作温度Td。

在传感器100和200中，从该热壳传送到该传感元件的热量是这两个零件温差的函数。在温机期间，传感器总成200的热壳216与传感元件210之间的温差(如曲线A和B例如在时间tx上的温度值)大于现有技术传感器总成热壳116与传感元件110之间的温差(如Td与曲线C之间的温差所示)。由于在传感器总成200中的这个温差较大，所以，当该传感元件温机时，较多的热从该热壳传送至该传感元件，因而传感元件210温机快于传感元件110。

在图5所示的替换实施例中，热敏电阻262和264各自分开地与控制器220b连接，以及控制器220b独立地测量各热敏电阻的温度，然后计算该平均温度T_Ave。然而，最好将热敏电阻262和264串联接在控制器220b与一电接地之间，因为在这种配置中，控制器220b简单地借助于对两个热敏电阻总的串联电阻的测量，即可测量该平均温度T_Ave。在这样一个实施例中，热敏电阻262和264具有大体相同的温度系数并在温度的工作范围内呈直线关系，因而，热敏电阻262的电阻(R₂₆₂)大体上等于一常数C乘以热敏电阻262的温度(T₂₆₂)，以及热敏电阻264的电阻(R₂₆₄)大体上等于该常数C乘以该热敏电阻264的温度(T₂₆₄)。在这个实施例中，控制器220简单地借助于对总的串联电阻RT(也即R₂₆₂+R₂₆₄)的值测量，然后将该值除以2倍的该常数C就可测量该平均温度T_Ave，如下面方程式(1)所表示的公式描述：R_T＝R₂₆₂+R₂₆₄＝C(T₂₆₂+T₂₆₄)；及T_Ave＝R_T/2C (1)

然而热敏电阻262和264的温度系数最好不同，从而，该控制器220b测量到的平均温度T_Ave是该热敏电阻262和264加权的温度平均。例如，如果R₂₆₂大体上等于第一常数C1乘以T₂₆₂，以及如果R₂₆₄大体上等于第二常数C2乘以T₂₆₄，那么，总的串联电阻R_T等于加权的温度平均，如下面的方程式(2)所示的公式描述的：R_T＝R₂₆₂+R₂₆₄＝C1T₂₆₂+C2T₂₆₄ (2)

如果，热敏电阻262的温度系数选择为大于热敏电阻264的温度系数，(即C1＞C2)，那么，控制单元220测量到的平均温度T_Ave将被加权，以便当控制单元220保持加权平均温度T_Ave等于所要求的工作温度Td时，热壳216与Td之间的温差将大于Td与传感元件210温度之间的温差。图7B表示曲线D和E，这些曲线分别表示，当热敏电阻262的温度系数大于热敏电阻264的温度系数时，热壳216和传感元件210的温度为时间的函数。两温度系数以这种方式设置，使得在温机期间从热壳216传给传感元件的热量增加，从而减少传感器总成200的温机时间。如本领域的技术人员将认识到的，在其它一些的热敏电阻不是串联而是独立与控制器220b连接的实施例中，甚至在热敏电阻262、264具有相同的温度系数的情况下，控制器220b可计算传感元件210和热壳216的加权的温度平均。此外，如本领域的技术人员将认识到的，传感器总成200中的热敏电阻262、264以及其它所有的热敏电阻不必一定用热敏电阻来执行，而可以用任何对温度敏感的装置，例如电阻温度装置(RTDs)或热电偶来执行。

在传感器总成200的温机期间，控制单元220控制加热元件218对热壳216施加热量，以及也最好控制副加热元件260(图5所示)对传感元件210施加热量。控制单元220最好包括一控制器220d，例如一PID(比例、积分与微分)控制器，用来响应于热敏电阻262检测到的传感元件210的温度，控制加热元件260在温机期间将一固定的热量施加给传感元件210。这可以例如借助于使用一定时器的控制器220d的执行来完成，该定时器在传感器总成200最初接通电源以后的一固定时间内激活副加热元件260，然后停息副加热元件260，直至下次电源的接通。在这种工作模式中，加热元件218和副加热元件260协力加热传感元件210直到传感元件210的温度接近于所要求的工作温度。然后，停息副加热元件260，而只用加热元件218来稳定传感元件210于热平衡之中。

图7C表示两条曲线F和G，它们分别表示现有技术传感器总成100和本发明传感器总成200在温机期间内传感元件的温度随时间变化的函数。如上所述，现有技术传感器总成100，只要传感元件110的温度要求从最初的温度升高至所要求的工作温度Td，借助于热壳116加热至所要求的工作温度Td而温机。如曲线F所示，如果加热元件118在原始时间t0被最初激活，则传感元件110的温度逐渐向上升，直到在时间t3达到所要求的工作温度Td。所以现有技术传感器总成100温机时间为t0与t3之间的间隔。在本发明传感器总成200中，控制器220d在时间t0与t1之间激活副加热元件260，向传感元件210施加固定的热量。如曲线G所示，在传感器总成200中，传感元件210的温度由于副加热元件260提供的附加热，在t0与t1之间的时间内很快接近所要求的工作温度。施加给副加热元件260的能量可以用非调节的电源甚至直接从室内一栅格电池来供给。在时间t1处，控制器220d停止激活副加热元件260，以及此后，控制器220b单独用加热元件218完成传感元件210的温机，以便传感元件的温度在时间t1与t2之间收敛到所要求的工作温度。所以，传感器总成200的温机时间为t0与t2之间的时间间隔，它大大短于现有技术传感器总成100的温机时间。

控制单元220激活副加热元件260一固定时间，然后停息副加热元件260的这种工作模式因为它简易可行，所以是较佳的。然而，在其它的较佳模式中，控制器220d响应于热敏电阻262所提供的温度测量，控制副加热元件260直到传感元件210的温度接近一选择的温度。这个选择的温度可小于，或甚至可等于传感元件210所要求的工作温度。所以，控制器220d可在温机周期的一部分时间或者，在整个温机周期内，甚至此后继续激活副加热元件260。

传感器总成200的温机时间可考虑包括第一部分和第二部分，在第一部分期间，传感元件210的温度很快增加到一选择接近(或等于)所要求的工作温度Td的温度；在第二部分期间，传感元件210获得温度Td上的热平衡。副加热元件260借助于将传感元件210快速加热到所选择的温度而缩短了该第一部分温机时间，以及使用两个热敏电阻262、264，当传感元件210的温度收敛于Td时，借助于加速从热壳216至传感元件210的热量传送而缩短第二部分温机时间。传感器总成200可只用副加热元件260(不用热敏电阻264)来执行，或者只用热敏电阻262、264 (不用副加热元件)来执行，它们仍然可减少温机时间。然而，传感器总成200的较佳实施例包括副加热元件260和热敏电阻264。传感器总成200较佳实施例，除了副加热元件260以及热敏电阻262、264以外，还包括管夹230和管加热元件232(图2A所示)以及一整体安装的控制单元220和独立于传感元件210温度的控制单元220的温度控制装置(例如图3-4所示的具有通风的实施例以及图5A中所示的独立控制加热元件244的控制器220c)。

由于对上面诸多装置可以作一定的改变而不脱离本发明所涉及的范围，因此可以认为，上述说明所含的或附图所表示的一切事情都可用实例加以解释而且并不限于此。

Claims

1、一种压力传感器总成包括：

(A)一个限定一内腔的封闭件；

(B)一个压力传感元件，它设置于所说内腔的一部分中，并包括一接纳气体或蒸汽的输入口，用于在该输入口处检测该气体或蒸汽的压力，该压力作为一参数值的函数，该参数值按该输入口处该气体或蒸汽的压力而变化；

(C)控制器装置，它设置于所说内腔的另一部分中，用来检测该参数值，并响应于该参数值产生代表所说输入口处压力的一个输出信号；

(D)第一温度控制装置，用来将所说传感元件的温度控制在第一预选温度；

(E)第二温度控制装置，用来将所说控制器装置的温度控制在不同于该第一温度的第二预选温度。

2、根据权利要求1所说的压力传感器总成，其特征在于，还包括一设置在所说外封闭件内的第一热壳，所说的传感元件设置在所说的第一热壳内。

3、根据权利要求2所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的第一温度控制装置包括一设置在所说第一热壳邻近处的加热元件。

4、根据权利要求3所说的压力传感器总成，其特征在于，还包括一设置在所说外封闭件内的第二热壳，所说控制器装置的至少一部分设置在所述第二热壳内。

5、根据权利要求4所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的第二温度控制装置包括一设置在所说第二热壳邻近处的加热元件。

6、根据权利要求1所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的外封闭件至少包括一邻近所说控制器装置的孔。

7、根据权利要求1所说的压力传感器总成，其特征在于，还包括一设置于所说外封闭件内、在所说控制器装置与所说传感元件之间的热分流件。

8、根据权利要求1所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的外封闭件包括第一间隔室和第二间隔室，所说的传感元件置于所说的第一间隔室中，而所说的控制器装置置于所说的第二间隔室中，所说的总成还包括所说第一和第二间隔室的绝热装置。

9、根据权利要求8所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的第一和第二间隔室的绝热装置包括一置于二者之间的热分流件。

10、根据权利要求8所说的压力传感器总成，其特征在于，还包括将所说第一间隔室相对于所说第二间隔室固定的隔套装置。

11、根据权利要求10所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的隔套装置由绝热材料制成。

12、根据权利要求1所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的控制器装置控制所说的第一和第二温度控制装置。

13、一种压力传感器总成，包括：

(A)一个限定一内腔的封闭件；

(C)一个控制单元，它设置于所说内腔的另一部分中，包括信号状态装置，用来检测该参数值并响应于该参数值产生代表所说输入口处压力的一个输出信号；该控制单元包括第一控制装置，用来将所说传感元件控制在第一预选温度，以及该控制单元包括第二控制装置，用来将所说控制单元控制在第二预选温度，第二预选温度不同于第一预选温度。

14、一种压力传感器总成，包括；

(A)一个限定一内腔的封闭件，该封闭件包括一个孔；

(B)一个压力传感元件，它设置于所说内腔的一部分中并包括一接纳气体或蒸汽的输入口，用于在该输入口处检测该气体或蒸汽的压力，该压力作为一参数值的函数，该参数值按该输入口处该气体或蒸汽的压力而变化；

(C)一个管子，它是将蒸气或气体引向所说传感元件的所说输入口的一根导管，所说的管子通过所说封闭件的孔而延伸，以及它的第一端与传感元件的输入口连接，它的第二端定位在该封闭件的外侧；

(D)第一温度控制装置，用来控制所说传感元件的温度；

(E)第二温度控制装置，用来控制所说管子的温度，所说的第二温度控制装置包括向所说的管子提供热传送的装置，它邻近于在所说第一端与所说孔之间延伸的管子段的至少一部分，并与之热接触；以及

(F)控制所说第一和第二温度控制装置的控制装置，所说的控制器装置置于所说的内腔中。

15、根据权利要求14所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的提供热传送的装置包括一与所说管子的所说部分夹紧的管夹。

16、根据权利要求15所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的第二温度控制装置还包括一邻近所说管夹以便加热所说管夹的管加热元件。

17、根据权利要求15所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的管夹由导热材料制成。

18、根据权利要求15所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的外封闭件包括一块板，以及所说的板限定一个孔。

19、根据权利要求18所说的压力传感器总成，其特征在于，还包括所说的管夹的紧固装置，以便所说的管夹与所说的板隔开。

20、根据权利要求19所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的紧固装置由绝热材料制成，以便使所说的板与所说的管夹热绝缘。

21、根据权利要求19所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的紧固装置相对于所说的板紧固所说的管夹，从而在所说的管夹与所说的板之间留有间隙。

22、根据权利要求19所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的管夹包括一通过所说的管子与所说的板之间的孔而延伸的管套。

23、根据权利要求22所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的孔大于所说管套的外径，从而，当所说的紧固装置相对于所说的板紧固所说的管夹时，在所说的板与所说的管套之间留有一间隙。

24、根据权利要求18所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的板包括一围绕和邻近所说孔的较高热阻区域。

25、根据权利要求24所说的压力传感器总成，其特征在于，所说区域比所说板的其它部分薄。

26、根据权利要求15所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的管夹包括一中心孔，所说的管子通过所说管夹的所说中心孔延伸。

27、根据权利要求26所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的管夹包括扩张和收缩所说中心孔、使其处于打开与关闭位置的装置，当所说的中心孔处于所说的打开位置时，所说的管子可通过所说的管夹滑动，以及当所说的中心孔处于所说的关闭位置时，所说的管夹夹紧所说的管子。

28、一种压力传感器总成，包括：

(A)一限定一内腔的封闭件，包括一孔；

(C)一个管子，它是将蒸气或气体引向所说传感元件的所说输入口的一根导管，所说的管子通过所说封闭件的孔而延伸，以及它的第一端与传感元件的输入口连接，它的第二端定位在该封闭件的外侧，所说的管子小于所说的孔，从而在所说的管子与所说的孔之间留有一间隙，从而所说的管子不接触所说的封闭件。

29、根据权利要求28所说的压力传感器总成，其特征在于，它还包括置于所说管子周围的绝热件，所说的绝热件通过所说孔而延伸。

30、一种压力传感器总成，包括：

(A)一限定一内腔的外封闭件；

(B)一热壳，它置于所说的内腔中，限定一传感元件空腔；

(C)一压力传感元件，置于所说的传感元件空腔中并包括一接纳气体或蒸汽的输入口，用于在该输入口处检测该气体或蒸汽的压力，该压力作为一参数值的函数，该参数值按该输入口处该气体或蒸汽的压力而变化；

(D)连接加压气体或蒸汽至所说输入口的装置；

(E)控制所说热壳温度的温度控制装置，所说温度控制装置包括置于所说热壳邻近、用于向所说的热壳提供热传送的装置；

(F)副加热元件装置，置于所说的传感元件空腔内，邻近所说的传感元件，以便加热所说的传感元件。

31、根据权利要求30所说的压力传感器总成，其特征在于，它还包括控制所说温度控制装置和所说副加热元件装置的控制器装置。

32、根据权利要求31所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的控制器装置包括所说传感器的初始起动状态的检测装置。

33、根据权利要求32所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的控制器装置在所说传感器总成的初始起动状态后的第一时间间隔内激活所说的副加热元件装置。

34、根据权利要求33所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的控制器装置控制所说的温度控制装置，使得所说的传感元件在所说的第一时间间隔后在一所要求的工作温度上建立热平衡。

35、根据权利要求32所说的压力传感器总成，其特征在于，还包括检测所说传感元件温度的温度检测装置。

36、根据权利要求35所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的控制器装置包括一个响应于所说的温度检测装置的装置，该装置紧随所说传感器总成的初始起动状态激活所述副加热元件装置，直到所说的传感元件的温度达到第一预选温度。

37、一种压力传感器总成，包括：

(A)一限定一内腔的封闭件；

(B)一热壳，它置于所说的内腔中，限定一传感元件空腔；

(C)一压力传感元件，置于所说的空腔中，并包括一接纳气体或蒸汽的输入口，用于在该输入口处检测该气体或蒸汽的压力，该压力作为一参数值的函数，该参数值按该输入口处该气体或蒸气的压力而变化；

(D)一将所说气体或蒸汽源与所说输入口连接的装置；

(E)测量所说热壳温度的第一温度敏感装置；

(F)测量所说传感元件温度的第二温度敏感装置；以及

(G)控制器装置，它响应于所说的第一和第二温度敏感装置，根据所说热壳温度与所说传感元件温度控制所说热壳的温度。

38、根据权利要求37所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的第一温度敏感装置包括第一热敏电阻，而所说的第二温度敏感装置包括第二热敏电阻。

39、根据权利要求38所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的第一和第二热敏电阻一起串联在所说的控制器装置与一参考电位之间。

40、根据权利要求39所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的第一热敏电阻以第一温度系数为特征，以及所说的第二热敏电阻以第二温度系数为特征，所说的第二温度系数大于所说的第一温度系数。

41、根据权利要求37所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的控制器装置包括一置于所说热壳邻近的加热元件，以及还包括根据所说热壳温度和所说传感元件温度控制所说加热元件的装置，。

42、根据权利要求37所说的压力传感器总成，其特征在于，所说的第一和第二温度敏感装置可从热敏电阻、电阻温度装置以及热电偶中进行选择。