5.1.1 Direkte, gasartunabhängige Druckmessung

Bei einem Membran-Vakuummeter wird der Druck entsprechend der Definition gemessen. Auf eine Membran mit einer definierten Fläche A wirkt der Druck p und lenkt die Membran proportional zum Druck aus. Ein Sensor misst die Auslenkung; im einfachsten Fall wird die Auslenkung über eine Mechanik auf einen Zeiger übertragen, der sich über einer Druckskala bewegt. Piezo-resistive oder kapazitive Sensoren nehmen das Drucksignal auf und wandeln es in ein elektrisches Signal um.

Piezo-Membranvakuummeter

Eine einfache und sehr robuste Methode ist die Verwendung eines piezo-resistiven Aufnehmers. Den Aufbau zeigt Abbildung 5.1. Über einem evakuierten Volumen mit Referenzdruck $p_0$ ist eine Membran angeordnet, in die Dehnungsmesswiderstände eindiffundiert sind. Die gemessene Widerstandsänderung infolge der Membranauslenkung ist ein Maß für den Druck. Dieser Sensor zeichnet sich durch seine Unempfindlichkeit gegen abrupte Druckerhöhungen und durch eine hohe Genauigkeit aus.

Abbildung 5.1: Aufbau eines Membranvakuummeters

Kapazitives Membranvakuummeter

Bei einem kapazitiven Membranvakuummeter (Abbildung 5.2)) wird die Auslenkung der Membran als Kapazitätsänderung eines Plattenkondensators gemessen, der von der Membran und einer festen Gegenelektrode in einem evakuierten Raum mit dem Druck $p_0$ gebildet wird. Die Membran besteht entweder aus Keramik mit aufgedampfter Metallschicht oder aus Edelstahl. Mit dieser Methode und unterschiedlich empfindlichen Membranen (durch verschiedene Dicken) lässt sich jeweils über bis zu vier Dekaden messen. Die untere Messgrenze liegt bei 10^-5 hPa.

Abbildung 5.2: Aufbau eines kapazitiven Membranvakuummeters

Die limitierenden Effekte sind:

• Durch Temperatureinfluss bedingte Abstandsänderung der Kondensatorplatten
• Mit niedrigen Drücken kleiner werdende Kräfte auf die Membran

Der Temperatureinfluss lässt sich minimieren durch elektronische Kompensation einer bekannten Temperaturdrift oder durch eine eingebaute Heizung, die den Sensor auf konstanter Temperatur hält. Durch Verwendung von keramischem Membranmaterial wird der Temperatureinfluss weiter reduziert, außerdem verleihen keramische Membrane kapazitiven Vakuummetern eine hervorragende Beständigkeit gegen korrosive Gase.

Kugelreibungsvakuummeter

Für Kalibrierzwecke verwendet man Kugelreibungsvakuummeter (SRG, Spinning Rotor Gauge). Man lagert im Vakuum eine Kugel magnetisch, versetzt diese in schnelle Drehung und schaltet dann den Antrieb ab. Aus der Abnahme der Drehfrequenz durch Gasreibung kann man den Druck für die vorhandene Gasart berechnen. Die Geräte messen im molekularen Strömungsbereich bis zu Drücken p > 10^-7 hPa. Die Kalibrierung des Gerätes hängt dabei nur von der Kugel ab, daher kann man kalibrierte Kugeln als Transferstandard benutzen. Für Vakuumprozesse sind diese Vakuummeter weniger geeignet, da der Messvorgang mit abnehmendem Druck immer länger dauert.