Hot Wire Anemometry. Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen. S. Gauter, M. Fröhlich, H. Kersten, H. Neumann *

Transkript

1 Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen S. Gauter, M. Fröhlich, H. Kersten, H. Neumann * IEAP Universität Kiel, * IOM Leipzig Mühlleithen, Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 1

2 Gliederung 1. Anforderungen der Reaktivgasflussmessung 2. Prinzip der HWA-Sonde 3. Umsetzung und Ergebnisse 4. Zusammenfassung Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 2

3 Anforderungen der Reaktivgasflussmessung Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 3

4 1. Anforderungen der Reaktivgasflussmessung Anforderungen durch Messung eines Reaktivgasflusses: Temperaturbeständigkeit T >500 C Wartungsarmer Aufbau keine Beschichtung Beständigkeit gegenüber Reaktivgasen Anforderungen durch kommerziell erhältliche Instrumente nicht erfüllt Entwicklung eigener Diagnostik Nils Bergemann, Entwicklung Plasmadiagnostischer Verfahren zur Abscheidung von Selenhaltigen Schichten, Diplomarbeit 2012 Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 4

5 Prinzip der HWA-Sonde Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 5

6 1. Prinzip der HWA-Sonde Prinzip der HWA Sonde (Hot Wire Anemometer Sonde) Grundlegendes: Messung des Flusses durch Druckmessung Druckdifferenz verursacht Fluss Druckmessung durch Hitzdraht-Methode Kühlung eines geheizten Drahtes durch das ihn umgebende Gas Im Bereich des Feinvakuums ( Pa) herrscht Knudsenströmung Hier ist Kühlung druckabhängig linearer Zusammenhang zwischen Kühlung und Druck Dr. Walter Umrath, Grundlagen der Vakuumtechnik Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 6

7 1. Prinzip der HWA-Sonde Messung der Drahttemperatur: Drahttemperatur proportional zu Drahtwiderstand Detektion geringer Widerstandsänderung mittels Brückenschaltung Betrieb mit konstantem Strom und asymmetrischer Dimensionierung Proportionalität von R H und U B Brückenspannung als Messgröße für die Drahttemperatur Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 7

8 Umsetzung und Ergebnisse Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 8

9 3. Umsetzung Umsetzung der HWA - Sonde Messelektronik: Messung des Drahtwiderstandes mit Brückenschaltung Drahtstrom und Widerstand R 1 über Potentiometer einstellbar Asymmetrische Dimensionierung Proportionalität von U B und R H Keine Aufheizung von R 1 und R 3 Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 9

10 3. Umsetzung Drahthalterungen: Variante Edelstahl : Kontaktierung durch Edelstahlflächen Drahtdurchmesser 18 µm Drahtlänge 2,3cm Variante Graphit : Einsatz in Selen Drahtdurchmesser 100 µm Drahtlänge min. 4 cm Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 10

11 Messungen an Reaktivgas Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 11

12 Messung mit Selen und 9cm Draht Gute Vergleichbarkeit Waage/Sensor Langsame Reaktion des Messsignals Einstellung eines konstanten Drucks thermisches Gleichgewicht Selenheizer aus abnehmender Gasstrom Aufheizen des Drahtes Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 12

13 Messungen an Argon Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 13

14 Stufenmessungen Variation des Gasflusses Drahtstrom I D = 34 ma Draht in Dauerbetrieb über gesamten Messzeitraum (1 Woche) Drahthalterung Variante Edelstahl Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 14

15 Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 15

16 0 sccm 0 sccm 13 Stufenmessungen Verlauf der Kurven sehr konform Brückenspannung driftet im Laufe der Zeit zu kleineren Werten 5 sccm 5 sccm 12 sccm Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 16

17 Betrachtung der Langzeitdrift Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 17

18 Betrachtung der Langzeitdrift Druck: 1,4 Pa Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 18

19 Korrigierte Messungen 0 sccm 0 sccm 5 sccm 5 sccm 12 sccm Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 19

20 Korrigierte Messungen 0 sccm 0 sccm U B 5 sccm 5 sccm 12 sccm Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 20

21 Analyse der Stufenmessungen Stufenwerte: Ohne Korrektur: Mit Korrektur: Korrektur ergibt hohe Konformität der Stufenwerte: Stabw. 58 mv Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 21

22 Stufenhöhen: Stufenhöhen unabhängig von Korrektur Hohe Konformität der Stufenhöhen: Standardabweichung 48 mv bzw. 2,4 % Zusammenhang Fluss und U B abhängig von Randbedingungen (Vakuumkammer/Pumpsystem) Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 22

23 Weiterführende Langzeitmessungen Messung am Pumpstand Reproduktion der beobachteten hyperbelförmigen Drift Drahtstrom I D = 34 ma Messungen an Pumpstand mit 14 sccm Argon-Fluss (P = 1,4 Pa) Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 23

24 Messung bei 1,4 Pa Argon-Druck Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 24

25 Messung bei 1,4 Pa Argon-Druck Nachtmessungen während der Stufenmessungen Langzeitmessung am Pumpstand Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 25

26 Zusammenfassung Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 26

27 4. Zusammenfassung Langzeitmessungen: Keine allgemeingültige Korrekturfunktion Keine Sättigung Variationsmessungen: Abrundungen verursacht durch langsames Einstellen des Drucks Aufnahme von Korrekturfunktion ermöglicht rechnerische Kompensation der Signaldrift Messgröße für den absoluten Gasfluss Stufenhöhen unabhängig von Drift Messgröße für relative Flussänderungen Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 27

28 Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 28

29 Langzeitmessung mit höherem Drahtstrom Argon: P 0,22 Pa I D = 49 ma Sven Gauter Hot Wire Anemometry Eine Methode zur Messung von Reaktivgasflüssen 29