真空計(jì)的發(fā)展概況與趨勢(shì)

梁 平，李 杰，戴佳鑫，干蜀毅

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院真空技術(shù)與裝備系，安徽 合肥 230009）

1 引言

真空計(jì)是用于測(cè)量低于一個(gè)大氣壓的氣體的儀器。17世紀(jì)中期，利用托里拆利大氣壓力實(shí)驗(yàn)建造的U型管真空計(jì)，標(biāo)志著人類(lèi)真空計(jì)量器具發(fā)展的起點(diǎn)。歷經(jīng)三百多年的發(fā)展，如今真空計(jì)種類(lèi)繁多，測(cè)量范圍則從大氣壓力一直延伸到外層空間。本文擬對(duì)真空計(jì)的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行描述，著重對(duì)近20年來(lái)真空計(jì)量器具的發(fā)展進(jìn)行梳理，并就一些特殊環(huán)境下真空度測(cè)量方法提出想法。

2 液態(tài)式真空計(jì)

液態(tài)式真空計(jì)主要是指U型管真空計(jì)和根據(jù)理想氣體的波義耳定律制成的壓縮式真空計(jì)。1874年，麥克勞在U型管基礎(chǔ)上改進(jìn)后發(fā)明壓縮式真空計(jì)[1]，1939年盧森堡用磨毛的毛細(xì)管制作的壓縮式真空計(jì)，其測(cè)量的壓力范圍為10-3～102Pa[2]。我國(guó)第一套（3只）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的壓縮式真空計(jì)1962年制成。液態(tài)式真空計(jì)采用水銀柱測(cè)量，體積龐大，很難微型化。它是絕對(duì)真空計(jì)，因而可用于校準(zhǔn)其他真空計(jì)。

3 電容薄膜計(jì)

電容薄膜計(jì)是利用彈性薄膜在壓差下產(chǎn)生形變而引起電容變化的原理制成，主要分為絕對(duì)式和差動(dòng)式2種。實(shí)用的電容計(jì)開(kāi)始于20世紀(jì)50年代。1954年，Sapulding介紹了一種最低可測(cè)66.7 Pa壓力的差壓計(jì)[3]。其后的幾十年間，薄膜計(jì)在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有太多的改變，發(fā)展重點(diǎn)是傳感探頭材料的選擇、電信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、補(bǔ)償和處理方法等。

MEMS技術(shù)的出現(xiàn)，使薄膜計(jì)在結(jié)構(gòu)上有了重大變化。MEMS技術(shù)能將傳感器、執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路等微型化，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、處理和執(zhí)行的一體化。

最早的MEMS型薄膜計(jì)于1993年問(wèn)世，由Hemni設(shè)計(jì)[4]。其采用硅作為薄膜片材料，膜厚約5～30 μm，面積從（1×1）mm2至（4×4）mm2不等，封裝很小。其封裝內(nèi)部構(gòu)建有一定長(zhǎng)度、高30 μm的真空腔，此腔上下各安放電極，形成電容（圖1）。在外部壓力作用下，薄膜電極的間距發(fā)生改變從而使電容值發(fā)生變化。由于電極間只有30 μm的微小距離，薄膜的變動(dòng)距離有限，因此其測(cè)量范圍不大，在10～103Pa。

微型薄膜計(jì)的測(cè)量范圍主要取決于硅薄膜片的結(jié)構(gòu)參數(shù)。參數(shù)（包括長(zhǎng)度、寬度和厚度）不同的膜片，由于受表面壓力的效果不同導(dǎo)致其真空度測(cè)量范圍也不同。為獲得更廣的真空度測(cè)量范圍，可以在同一芯片上連接一系列不同參數(shù)的膜片。這樣測(cè)量不同范圍的膜片構(gòu)建在一個(gè)傳感器內(nèi)，通過(guò)電測(cè)芯片對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可達(dá)到拓展真空測(cè)量范圍的目的。例如Esashi于1996年開(kāi)發(fā)的微小摩擦計(jì)[5]，其擁有2個(gè)5 μm厚的薄膜，寬度分別為2 mm和4 mm，測(cè)量真空度范圍可擴(kuò)大到（10～5.0×104）Pa。也可以加入力平衡傳感器[6]，通過(guò)施加在力平衡電極上的靜電力來(lái)平衡表面壓力對(duì)膜片的作用力，工作時(shí)可使膜片始終處在平衡位置，從而克服了單個(gè)膜片動(dòng)態(tài)范圍窄的缺點(diǎn)。

圖1 硅/玻璃薄膜電容傳感器

圖2 伺服振動(dòng)膜真空傳感器

為了提高傳感器的壓力敏感度和信號(hào)采集能力，2000年Miyashita和Esash設(shè)計(jì)生產(chǎn)出新型電容真空計(jì)[7]。主要由2片玻璃襯底和一個(gè)硅膜片組成。硅薄膜寬4.2 mm，厚度近7 μm。位于上層玻璃襯底的電極，與硅薄膜形成測(cè)量電容（圖2），而下層玻璃襯底電極與硅膜形成伺服電容。常態(tài)下，薄膜與上下電極輸出的電容在工作電路中保持靜電力平衡。當(dāng)測(cè)量真空壓力時(shí)，表面壓力變化使薄膜發(fā)生變形，薄膜與上下電極間距同時(shí)改變，從而引起上下2個(gè)電容值變化，且變化方向相反。轉(zhuǎn)換電路則將電容變化值轉(zhuǎn)換成輸出電壓量，放大后反饋回伺服電路，使其啟動(dòng)調(diào)節(jié)電路恢復(fù)電容的靜電力平衡。真空度越低，反饋壓差越大，調(diào)節(jié)電路的輸出越大，從而達(dá)到真空壓力測(cè)量的目的。由于采用了差比測(cè)量法，薄膜微小變化也能準(zhǔn)確感知，大大提高了測(cè)量靈敏度與準(zhǔn)確度。此傳感器的測(cè)量范圍為10～105Pa。由于薄膜的材料性能、結(jié)構(gòu)尺寸直接影響表面壓力引起的電容變化量，進(jìn)而影響真空測(cè)量的范圍和精度，因此膜片封焊是薄膜計(jì)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

4 諧振真空計(jì)

諧振真空計(jì)是利用靜電力驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)的振子在環(huán)境壓力發(fā)生改變后，振動(dòng)頻率發(fā)生改變的原理制成的。振子可以由石英晶體、硅和多晶硅梳狀結(jié)構(gòu)或是壓電晶體管等構(gòu)成。對(duì)于不同振子激起的振動(dòng)頻率，應(yīng)用相應(yīng)的壓電學(xué)、靜電學(xué)、電磁學(xué)或照片捕捉等技術(shù)進(jìn)行信號(hào)的采集與處理。常采用諧振阻抗測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量（圖3）。例如采用諧振阻抗電路石英晶體諧振真空計(jì)[8]（圖4），靜電激勵(lì)硅諧振真空計(jì)[9]等。

Brown于2001年展示了電磁激勵(lì)真空計(jì)的結(jié)構(gòu)[10]，原理是利用壓力敏感元件受表面壓力作用使與之耦合的諧振電路頻率發(fā)生改變來(lái)測(cè)量壓力。真空度的改變直接影響壓電晶體管的電壓及耦合電路中電流頻率的大小，由于有電磁滯后效應(yīng)的存在，真空計(jì)中還需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的補(bǔ)償電路以保證測(cè)量的精準(zhǔn)度。其結(jié)構(gòu)包括2個(gè)耦合振蕩器和測(cè)壓晶體管，尺寸是：（300×300）μm2。此種真空計(jì)一般用于測(cè)量10～104Pa范圍的精確真空度。

圖3 諧振阻抗測(cè)量電路

圖4 石英真空傳感器電路

5 熱傳導(dǎo)真空計(jì)

一定環(huán)境中，受熱物體流失到周?chē)h(huán)境的熱量與氣壓相關(guān)，從而導(dǎo)致該受熱物體在不同的氣壓下呈現(xiàn)不同的溫度，因此可以通過(guò)測(cè)量物體溫度得到氣壓值，這就是熱傳導(dǎo)型真空傳感器的工作原理?，F(xiàn)在，10-1Pa至大氣壓范圍的真空度測(cè)量，多采用熱傳導(dǎo)真空計(jì)。

熱導(dǎo)型真空計(jì)重要的代表是熱電偶計(jì)和皮拉尼計(jì)。熱電偶真空計(jì)于1906年由W.Voege發(fā)明，測(cè)量范圍為10-1～102Pa。它是利用熱絲溫度的變化，用熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)來(lái)表征氣體壓力。1988年，Kuo等設(shè)計(jì)出了一種使用Cu-Cr薄膜的微型熱電偶真空計(jì)[11]。其傳感器的測(cè)量電路板主要由Cr加熱器和附著在玻璃薄片上的Cu-Cr熱電偶組成。采用雙測(cè)量板結(jié)構(gòu)，下層為處于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的伺服參比板，其加熱溫度是不變的；上層為位于測(cè)量氣壓中的壓力測(cè)量板，其溫度隨真空壓力變化而改變。雙層參比電測(cè)結(jié)構(gòu)，減少了外圍環(huán)境特別是外圍溫度對(duì)熱電偶的影響，并使真空測(cè)量的范圍擴(kuò)展到10-1～103Pa。2006年基于6個(gè)不平衡梁微熱板的微型化熱傳導(dǎo)真空計(jì)已經(jīng)產(chǎn)生[12]。多晶硅加熱器固定于0.9 μm厚的SiO2/SiNx/SiO2表面。在加熱電流達(dá)到0.8 mA時(shí)，可以測(cè)量10-1Pa到大氣壓下的真空度，使熱偶計(jì)的壓力測(cè)量范圍一直延伸到大氣壓。如今，新的微型熱傳導(dǎo)真空計(jì)[13]可在商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)CMOS生產(chǎn)流水線(xiàn)上進(jìn)行流片，并配合后續(xù)的無(wú)掩模體硅各向異性腐蝕工藝制造而成，不僅有器件體積小，響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，更具有批量生產(chǎn)的潛力。

皮拉尼真空計(jì)則利用周?chē)鷼怏w壓力變化使電阻絲溫度發(fā)生變化，進(jìn)而引起電阻絲電阻值變化的原理來(lái)工作。首臺(tái)皮氏計(jì)1906年由M.Pirani發(fā)明，可測(cè)壓力范圍為10-1～102Pa。借助各向異性刻蝕技術(shù)，1986年Van Herwaarden等設(shè)計(jì)出第一個(gè)微型化熱傳導(dǎo)真空計(jì)[14]，其測(cè)量的真空度范圍在10-3～103Pa。由于蝕刻技術(shù)的不斷發(fā)展，微型皮拉尼計(jì)在保持測(cè)量精度的同時(shí)體積在不斷縮?。▓D5）。

2008年，我國(guó)的研究人員也設(shè)計(jì)出一種由電阻條（即發(fā)熱體）和散熱片兩部分構(gòu)成的微型MEMS橫向皮拉尼計(jì)[15]，并利用濃硼擴(kuò)散和鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)成品。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝方便，可以完成10～300 Pa的精準(zhǔn)真空范圍測(cè)量，是我國(guó)微型MEMS皮拉尼計(jì)發(fā)展的重大進(jìn)步。

6 電離真空計(jì)

低于10-1Pa的高真空測(cè)量多采用電離真空計(jì)，其原理是測(cè)量氣體電離所產(chǎn)生的離子流，而離子流大小在一定壓力范圍內(nèi)與氣體壓力成正比。1916年，Buckley首先利用這一原理發(fā)明了熱陰極電離真空計(jì)[16]，測(cè)量范圍為10-5～10-1Pa。1937年，F(xiàn).M.Penning發(fā)明了測(cè)量范圍為10-6～1 Pa的冷陰極電離真空計(jì)[16]。1950年，R.T.Bayard和D.Alpert發(fā)明了熱陰極超高真空電離真空計(jì)[16]（（又稱(chēng)B-A計(jì)），其測(cè)量范圍在10-8～10-1Pa，解決了10-8Pa以上超高真空測(cè)量問(wèn)題，是真空測(cè)量技術(shù)的一次大突破。

1966年，蘭州物理研究所成功研制中國(guó)的熱陰極真空電離計(jì)[17]。該計(jì)電極采用平板正交軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，電子加速極由一對(duì)平行相連的寬極板組成，離子收集極由一對(duì)平行相連的狹極板組成。兩組極板在空間互相垂直、軸對(duì)稱(chēng)，軸線(xiàn)上裝有直熱式敷氧化釔銥陰極。該真空計(jì)測(cè)量范圍為10-4～50 Pa。

電離計(jì)發(fā)展的一個(gè)明顯趨勢(shì)是微型化。要實(shí)現(xiàn)這一目的，必須考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：減少陰陽(yáng)極間的工作電壓；保證電極間有足夠的距離，以防短路；要有良好的絕緣材料等。1970年，Dobrott和Oman用半導(dǎo)體材料P-N結(jié)二極管替代B-A計(jì)中的熱陰極發(fā)射器[18]，實(shí)現(xiàn)了電離計(jì)的小型化。其高度只有16 mm，能完成10-3～10 Pa的真空測(cè)量。1973年，Woods將原有的冷陰極真空計(jì)微型化如圖6[19]所示，其大小主要由熱燈絲的結(jié)構(gòu)尺寸決定。制成的真空計(jì)高度25 mm，重59 g，測(cè)量范圍10-4～10-1Pa。1996年，Baptist等設(shè)計(jì)出微型B-A計(jì)[20]，成品在1999年由Duvet制造，采用微探尖陣列來(lái)替代原有的熱燈絲，陰極發(fā)射區(qū)的大小為20 mm2，使得工作電流變小而電壓增高，測(cè)量范圍擴(kuò)大到10-9～1 Pa。此后擁有微探尖陣列的冷陰極被廣泛應(yīng)用，特別是航天領(lǐng)域。

圖5 安裝在法蘭上的微型皮拉尼真空傳感器

圖6 微型B-A真空計(jì)結(jié)構(gòu)圖

7 真空計(jì)未來(lái)發(fā)展

每種真空測(cè)量法都有其測(cè)量上下限。因此實(shí)際測(cè)量時(shí)，必須根據(jù)具體情況選擇合適的測(cè)量方法及相應(yīng)的測(cè)量器具。測(cè)量范圍較寬、單一測(cè)量法不能實(shí)現(xiàn)時(shí)，就需要分段進(jìn)行真空度測(cè)量。目前最成熟的寬量程真空計(jì)[21]是在一個(gè)傳感探頭內(nèi)集成多個(gè)測(cè)量范圍相互銜接的傳感器，借助于微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，測(cè)量過(guò)程中，在不同的壓力范圍，自動(dòng)選擇相應(yīng)的傳感器。顯然在一個(gè)傳感探頭內(nèi)集成的多個(gè)傳感器不能相互影響。這方面典型的代表是歐瑞康萊寶公司的PTR90冷陰極電離/皮拉尼復(fù)合計(jì)、ITR90熱陰極電離/皮拉尼復(fù)合計(jì)，其測(cè)量范圍可從大氣壓一直延伸到10-8Pa。

帶電粒子環(huán)境下的真空度，如今還沒(méi)有適用的真空測(cè)量手段。常規(guī)真空傳感器采集的是電信號(hào)，當(dāng)測(cè)量環(huán)境中存在帶電粒子時(shí)，采集信號(hào)會(huì)受到帶電粒子的干擾，因而無(wú)法完成準(zhǔn)確測(cè)量。

利用彈性薄膜形變測(cè)量真空時(shí)，薄膜變形量測(cè)量除了常用的電容法，也可借助于光學(xué)測(cè)量。例如光纖光柵傳感器[22]可以測(cè)量物體微小形變。應(yīng)變和應(yīng)力的變化會(huì)引起光纖光柵的柵距和折射率的變化，使光纖光柵的反射波長(zhǎng)和透射譜發(fā)生改變。通過(guò)檢測(cè)光纖光柵反射譜或透射譜的變化，就可以獲取相應(yīng)的應(yīng)變和壓力信號(hào)。光通過(guò)光耦合器或者光環(huán)行器入射到光纖光柵中，波長(zhǎng)變化的檢測(cè)由解調(diào)裝置完成。光纖在作為傳感器件的同時(shí)還可作為傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采集信號(hào)不受電磁量影響，因而可用于帶電粒子環(huán)境。設(shè)想把光纖光柵傳感器附著在彈性膜片上，在真空壓差作用下，彈性膜片和光纖光柵傳感器一起產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)對(duì)傳感器信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)真空度的測(cè)量。

圖7 非晶態(tài)合金真空傳感器原理

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，給常規(guī)的真空測(cè)量技術(shù)帶來(lái)了一些新挑戰(zhàn)，而一些新型功能材料的出現(xiàn)也為真空測(cè)量提供了新的手段，非晶態(tài)合金傳感器[22]就是一個(gè)典型。非晶態(tài)合金除了在機(jī)械強(qiáng)度、抗腐蝕、溫度穩(wěn)定性等方面性能優(yōu)良外，還具有良好的軟磁特性，可以將應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成磁學(xué)量。其中優(yōu)良的壓磁效應(yīng)可應(yīng)用于彈性薄膜真空測(cè)量。壓磁效應(yīng)是指磁性材料受到機(jī)械力的作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，引起導(dǎo)磁率變化。通過(guò)磁導(dǎo)率測(cè)量裝置測(cè)量其變化，并以此推出真空壓力數(shù)值。由于非晶態(tài)合金感應(yīng)件和磁導(dǎo)率測(cè)量設(shè)備為2個(gè)獨(dú)立器件，可分開(kāi)安裝，非晶態(tài)合金感應(yīng)件置于有帶電粒子存在的真空環(huán)境，而磁導(dǎo)率測(cè)量設(shè)備置于測(cè)量環(huán)境外側(cè)，同樣可以檢測(cè)測(cè)量環(huán)境中非晶態(tài)合金感應(yīng)件的磁導(dǎo)率變化，帶電粒子不會(huì)進(jìn)入采集信號(hào)，可以完成帶電粒子環(huán)境下真空度的測(cè)量。圖7為2種真空磁導(dǎo)率測(cè)量方法。傳感線(xiàn)圈環(huán)繞在鐵芯上，非晶態(tài)合金薄膜片和鐵芯共同形成磁導(dǎo)環(huán)路。圖6（a）為電壓傳感，由于磁導(dǎo)環(huán)路使得輸出（副級(jí)）線(xiàn)圈有相應(yīng)電壓輸出。圖6（b）將電壓信號(hào)換為電流信號(hào)。影響真空度測(cè)量的因素有非晶態(tài)合金膜片對(duì)真空壓力的感應(yīng)效果和安置于測(cè)量環(huán)境外側(cè)的磁導(dǎo)率測(cè)量設(shè)備對(duì)非晶態(tài)合金膜片磁導(dǎo)率變化的檢測(cè)精度。

全封閉空間的真空測(cè)量是對(duì)真空計(jì)量提出了的另一個(gè)新挑戰(zhàn)。對(duì)于全封閉空間的真空測(cè)量，使得所有的接觸或嵌入式真空計(jì)都沒(méi)有了用武之地，所以要研發(fā)全新的真空測(cè)量方法。常用的封閉空間探測(cè)器采用紅外輻射或表面聲波傳感等微波技術(shù)。其原理是紅外輻射或電磁波等微波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的吸收和散射作用，其能量、頻率、幅值等會(huì)發(fā)生改變，改變量與介質(zhì)的屬性、結(jié)構(gòu)等參數(shù)有關(guān)。如將上述技術(shù)引進(jìn)封閉空間真空測(cè)量中，還需要深入的研究和不斷的實(shí)驗(yàn)。

8 結(jié)束語(yǔ)

在電子信息技術(shù)、新材料、新技術(shù)不斷發(fā)展提高的今天，真空計(jì)在不斷提高測(cè)量精度、拓寬測(cè)量范圍的同時(shí)，明顯地向微型化和具有綜合數(shù)據(jù)處理功能的智能化方向發(fā)展[23]。隨著人類(lèi)探索和開(kāi)發(fā)宇宙空間的步伐加快，實(shí)現(xiàn)對(duì)極高真空（XHV）的測(cè)量也變得令人關(guān)注[24]。顯然真空計(jì)量的發(fā)展需要多學(xué)科、多領(lǐng)域的開(kāi)拓和合作。對(duì)真空計(jì)量不斷提出的新要求是其發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。隨著人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界探索的更加深入，對(duì)物質(zhì)個(gè)體了解的更加透徹，真空計(jì)量的發(fā)展必然有著更大的飛躍。

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