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      基于XTR106 的電容薄膜真空計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)

      2023-12-08 12:31:28王鳳雙劉喬黃星星侯少毅畢詩博肖慧
      電子制作 2023年22期
      關(guān)鍵詞:膜片薄膜電容

      王鳳雙,劉喬,黃星星,侯少毅,畢詩博,肖慧

      (季華實(shí)驗(yàn)室,廣東佛山,528200)

      0 引言

      高性能電容薄膜真空計(jì)主要用于低真空的測(cè)量,是半導(dǎo)體裝備、航空航天、石油化工、光電能源、核能等領(lǐng)域不可或缺的測(cè)量器件,具有精度高、響應(yīng)快、靈敏度高、檢測(cè)與氣體成分及種類無關(guān)等特點(diǎn)[1~2]。電容薄膜真空計(jì)分為絕壓式與差壓式兩種。其中,絕壓式電容薄膜真空計(jì)具有較好的線性度、較高的測(cè)量精度及分辨率,且結(jié)構(gòu)牢靠,使用方便,廣泛應(yīng)用于科研及工業(yè)領(lǐng)域[3]。目前,高性能電容薄膜真空計(jì)基本被國(guó)外品牌壟斷,國(guó)內(nèi)尚無替代產(chǎn)品。本文將對(duì)絕壓式的電容薄膜真空計(jì)進(jìn)行研究,電容薄膜真空計(jì)電路檢測(cè)主要對(duì)固定電極與可變電極之間等效的電容信號(hào)進(jìn)行提取,此電容信號(hào)變化量20pF 左右,屬于微小變化電容信號(hào),目前國(guó)內(nèi)對(duì)微小信號(hào)檢測(cè)也在探索階段,同時(shí),滿足電容薄膜真空計(jì)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求,對(duì)電容薄膜真空計(jì)的檢測(cè)電路研究也是具有十分重要的意義。

      本文設(shè)計(jì)基于XTR106 的電容薄膜真空計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路,以量程為0~1333.2 Pa 的絕壓式電容薄膜真空計(jì)為研究對(duì)象,通過對(duì)其可變電極與固定電極之間形成的等效電容信號(hào)進(jìn)行理論分析,并搭建信號(hào)檢測(cè)電路。在不同壓力下,此電容信號(hào)為變化值,針對(duì)此變化的電容信號(hào),對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)電容薄膜真空計(jì)的電路研究。

      1 電容薄膜真空計(jì)工作原理

      電容薄膜真空計(jì)主要包括殼體、真空腔體、電路3 部分。其中,真空腔體主要包括可變電極、固定電極、接管、抽氣空、吸氣泵等部分,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

      圖1 電容薄膜真空計(jì)結(jié)構(gòu)圖[9]

      可變電極與固定電極由兩片圓形膜片組成,且分別在這膜片上鍍有導(dǎo)電層。當(dāng)氣體壓力作用在可變電極上時(shí),可變電極會(huì)產(chǎn)生微小的形變,而此時(shí)固定電極是固定在陶瓷膜片上不發(fā)生變化,此微小的膜片變化會(huì)使可變電極與固定電極之間的距離h、等效電容c 會(huì)發(fā)生變化[4~8]??勺冸姌O與固定電極膜片變形等效電容如圖2 所示,其中可變電極初始位置在實(shí)線處,當(dāng)抽真空時(shí)候,可變電極的膜片位置向虛線處移動(dòng);p 為進(jìn)氣口的壓力,單位為pa;h 為可變電極與固定電極之間的變形量,單位為mm;r 為可變電極偏離中心處的距離,單位mm;α 為可變電極薄膜半徑,單位為mm;ω(r)為在壓力p 下膜片形變距離中心的偏移量。

      圖2 可變電極與固定電極膜片變形等效電容。

      本文在做實(shí)驗(yàn)的過程中均采用99.999%的氮?dú)庾鳛槌錃獾臍怏w。當(dāng)壓力p 在大氣壓狀態(tài)下時(shí),可變電極與固定電極的距離最??;當(dāng)真空系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)壓抽氣時(shí),可變電極與固定電極之間的距離會(huì)逐漸變大。根據(jù)彈性理論可知,在壓力p 下,膜片形變距離中心的偏移量ω(r)為:

      式中:T 為薄膜所受的張力。

      將公式(1)的級(jí)數(shù)展開,可得:

      當(dāng)可變電極在圖1 虛線處,此時(shí)偏離中心的中心處的距離,r=0 則有:

      可變電極為圓形膜片,受到壓力時(shí)可以看成是一個(gè)球面。假設(shè)固定電極與可變電極沒受到壓力時(shí)的距離為d0,球面寬度為dr長(zhǎng)度為2rπ的窄角度環(huán)帶電容為:

      式中:ε0為介電常數(shù)。

      電容薄膜真空計(jì)的靈敏度為:

      由公式(8)可以看出:電容薄膜真空計(jì)的靈敏度與張力T、可變電極與固定電極之間的變化距離d0成反比;與可變電極薄膜半徑成正比。

      2 電容薄膜真空計(jì)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

      電容薄膜真空計(jì)采用的電路檢測(cè)形式和精度決定了壓力檢測(cè)的準(zhǔn)確性。電路檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

      圖3 電路檢測(cè)系統(tǒng)框圖

      首先,利用惠斯通橋式電路將電容薄膜真空計(jì)可變電極與固定電極之間的等效電容信號(hào)轉(zhuǎn)為0.5~4.5 V的電壓信號(hào);然后,為提高電壓信號(hào)的抗干擾性能,利用XTR106 芯片將0.5~4.5 V 的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20 mA 的電流信號(hào),同時(shí),利用采樣電路,將4~20 mA 的電流信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)并放大濾波,得到0~10 V 的輸出;最后,通過上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前壓力值。

      XTR106 為電壓轉(zhuǎn)換電流芯片,轉(zhuǎn)換精度高達(dá)0.05%,輸出電流為4~20 mA,其電壓轉(zhuǎn)換電流的公式為:

      式中:VIn為XTR106 芯片5 腳與2 腳的電壓壓差,單位V;RG為增益值,單位Ω。

      圖4 為電壓專電流電路圖,當(dāng)壓力p 在負(fù)壓10-2量級(jí)時(shí),可變電極與固定電極之間的距離h 最大,此時(shí)兩電極之間的等效電容最小。此時(shí)輸出的0.5 V信號(hào)連接XTR106的5腳;通過滑動(dòng)變阻器W1 調(diào)節(jié)XTR106 的2 腳電壓,使2 腳輸出電壓為0.5 V;此時(shí)VIn電壓為0 V,同時(shí)W1 保持不變。當(dāng)壓力p 接近1333.2 pa 時(shí),可變電極與固定電極之間距離h最小,此時(shí)兩電極之間的等效電容最大,此時(shí)輸出電壓為2.9 V。為保證XTR106 的轉(zhuǎn)換精度0.05%,5 腳與2 腳的電壓差最佳范圍為0 ≤VIn≤ 2.4。XTR106 芯片的自身具有調(diào)節(jié)W2 既改變?cè)鲆鍾G,使輸出測(cè)量量程調(diào)節(jié)一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?/p>

      圖4 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路圖

      電壓-電流轉(zhuǎn)換電路圖如圖4 所示。

      由圖4 可以看出,IC1 為XTR106 芯片,其輸入電壓為15 V,為XTR106 芯片提供供電電源,其自帶5V 基準(zhǔn)電壓,為惠斯通橋式電路提供驅(qū)動(dòng)電源。首先,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器W1 使0 ≤VIn≤2.4;然后,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器W2 使XTR106 輸出電流信號(hào)為4~20 mA;最后,通過15Ω 電阻采樣4~20 mA 電流信號(hào),并輸出0~10 V 電壓。電流信號(hào)處理電路如圖5 所示。

      由圖5 可以看出,XTR106 輸出的4~20 mA 的電流信號(hào)IO 通過采樣電阻R16 后,首先,利用反向放大運(yùn)算進(jìn)行電壓放大處理;然后,當(dāng)壓力p 為10-2pa 量級(jí)時(shí),通過調(diào)節(jié)電位器PR1,利用加法電路,使電路輸出為0 V;然后,當(dāng)壓力p=1333.2 pa 時(shí),調(diào)節(jié)電位器PR2,提高加法電路的放大倍數(shù)使電路輸出為10 V。通過以上的調(diào)節(jié),使薄膜規(guī)真空計(jì)輸出的0~10 V 對(duì)應(yīng)壓力0~1333.2 pa;最后,通過上位機(jī)顯示出所測(cè)的壓力值。

      3 實(shí)驗(yàn)

      針對(duì)電容薄膜真空計(jì)可靠性能測(cè)試和精確的校準(zhǔn)測(cè)試需求,搭建了電容薄膜真空計(jì)測(cè)試平臺(tái)用于電容薄膜真空計(jì)的校準(zhǔn)測(cè)試,如圖6 所示。本測(cè)試平臺(tái)既可獨(dú)立用于高性能薄膜真空計(jì)的檢測(cè)、校準(zhǔn)及維修,也可以配合用于電容薄膜真空計(jì)可變電極的變形特性測(cè)試、性能調(diào)試,為電容薄膜真空計(jì)的研發(fā)、制造、維修測(cè)試提供支撐。系統(tǒng)采用界面式全自動(dòng)控制方式,具有數(shù)據(jù)獲取和曲線顯示功能,被測(cè)元器件量程及單位可根據(jù)實(shí)際需求任意切換,操作簡(jiǎn)單、觀察方便。此外,真空器件接口可便捷更換、拓展,可適用于當(dāng)前市場(chǎng)上的各種類型、各種量程的真空計(jì)測(cè)試和校準(zhǔn),可滿足電容薄膜真空計(jì)的批量生產(chǎn)需求。

      圖6 電容薄膜真空計(jì)測(cè)試平臺(tái)

      本實(shí)驗(yàn)是在室溫25℃的條件下,采用對(duì)比測(cè)量的方法對(duì)所研制的電容薄膜真空計(jì)與MKS 的電容薄膜真空計(jì)進(jìn)行參考測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中是以MKS 型號(hào)為626C11TBE、量程為0-1333.2 pa 的電容薄膜真空計(jì)作為參考標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量電容薄膜真空計(jì)。在測(cè)試的過程中,只要利用測(cè)試平臺(tái)對(duì)電容薄膜真空計(jì)進(jìn)行壓力的動(dòng)態(tài)進(jìn)行調(diào)試,MKS 與自研的電容薄膜真空計(jì)的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

      表1 MKS電容薄膜真空計(jì)與自研電容薄膜真空計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)

      對(duì)表1 中的MKS 電容薄膜真空計(jì)與自制電容薄膜真空計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)的進(jìn)行線性處理,如圖7 所示。

      圖7 MKS 電容薄膜真空計(jì)與自研電容薄膜真空計(jì)線性曲線

      由圖7 可看出:利用比對(duì)法進(jìn)行測(cè)試,自制電容薄膜真空計(jì)誤差分布均勻;經(jīng)過曲線擬合,合成基本誤差為0.242%,滿足設(shè)計(jì)要求(0.25%)。

      4 結(jié)論

      本文通過基于XTR106 對(duì)電容薄膜真空計(jì)電路的研究與設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)電容薄膜真空計(jì)信號(hào)的高線性度輸出,使電容薄膜真空計(jì)輸出線性誤差為0.242%,滿足0.25%的設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)電容薄膜真空計(jì)的研究?jī)H限于電路研究方面,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在室溫25℃的條件下進(jìn)行測(cè)量所得,下一步將會(huì)進(jìn)行溫度對(duì)電容薄膜真空計(jì)輸出的影響以及溫度對(duì)電容薄膜真空計(jì)線性度的影響進(jìn)行研究。

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