Druck ist definiert als flächenbezogene Kraft: p=F/A (Formel 1-3). Dabei ist F die Kraft und A die Fläche auf die die Kraft wirkt. Die SI-Einheit des Druckes ist 1 N/m² = 1 Pa. Weitere häufig verwendete Druckeinheiten sind: 1 mbar = 1 hPa = 100 Pa und 1 Torr = 133,322 Pa. Wird der Druck über die Kraft gemessen, die das Gas auf eine Fläche ausgeübt, so ist die Druckmessung von der Gasart unabhängig.
Die Druckmessung über die Kraft erfordert bei Drücken unter 1 hPa mit abnehmendem Druck einen zunehmenden technischen Aufwand, da die ausgeübten Kräfte sehr klein werden. Man muss daher andere Verfahren anwenden, z. B. nutzt man die Wärmeleitung des eingeschlossenen Gases aus oder man ionisiert die Gasmoleküle und misst zwischen Elektroden fließende Ionenströme. Diese indirekten Messungen, die den Druck über eine Gaseigenschaft ermitteln, liefern naturgemäß ein Messergebnis, das von der Gasart abhängig ist.
In der Vakuumtechnik gibt es kein Messverfahren, das den gesamten technisch zugänglichen Druckbereich abdeckt. Es ist notwendig, verschiedene Messprinzipien zu verwenden. Die Kriterien für die Auswahl eines Vakuummeters richten sich nach den unterschiedlichen Rahmenbedingungen:
Druckbereich, der detektiert werden soll
Gaszusammensetzung: inert oder korrosiv
Geforderte Genauigkeit und Wiederholbarkeit
Umgebungsbedingungen wie z. B. ionisierende Strahlung
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 p0 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.
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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 p0 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.
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.
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Abbildung 5.2: Aufbau eines kapazitiven Membranvakuummeters
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.
