真空計的發展概況與趨勢

梁 平，李 杰，戴佳鑫，干蜀毅

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院真空技術與裝備系，安徽 合肥 230009）

1 引言

真空計是用于測量低于一個大氣壓的氣體的儀器。17世紀中期，利用托里拆利大氣壓力實驗建造的U型管真空計，標志著人類真空計量器具發展的起點。歷經三百多年的發展，如今真空計種類繁多，測量范圍則從大氣壓力一直延伸到外層空間。本文擬對真空計的發展過程進行描述，著重對近20年來真空計量器具的發展進行梳理，并就一些特殊環境下真空度測量方法提出想法。

2 液態式真空計

液態式真空計主要是指U型管真空計和根據理想氣體的波義耳定律制成的壓縮式真空計。1874年，麥克勞在U型管基礎上改進后發明壓縮式真空計[1]，1939年盧森堡用磨毛的毛細管制作的壓縮式真空計，其測量的壓力范圍為10-3～102Pa[2]。我國第一套（3只）國家標準的壓縮式真空計1962年制成。液態式真空計采用水銀柱測量，體積龐大，很難微型化。它是絕對真空計，因而可用于校準其他真空計。

3 電容薄膜計

電容薄膜計是利用彈性薄膜在壓差下產生形變而引起電容變化的原理制成，主要分為絕對式和差動式2種。實用的電容計開始于20世紀50年代。1954年，Sapulding介紹了一種最低可測66.7 Pa壓力的差壓計[3]。其后的幾十年間，薄膜計在結構上沒有太多的改變，發展重點是傳感探頭材料的選擇、電信號數據的采集、補償和處理方法等。

MEMS技術的出現，使薄膜計在結構上有了重大變化。MEMS技術能將傳感器、執行器、信號處理和控制電路等微型化，從而實現信號采集、處理和執行的一體化。

最早的MEMS型薄膜計于1993年問世，由Hemni設計[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。其封裝內部構建有一定長度、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，薄膜電極的間距發生改變從而使電容值發生變化。由于電極間只有30 μm的微小距離，薄膜的變動距離有限，因此其測量范圍不大，在10～103Pa。

微型薄膜計的測量范圍主要取決于硅薄膜片的結構參數。參數（包括長度、寬度和厚度）不同的膜片，由于受表面壓力的效果不同導致其真空度測量范圍也不同。為獲得更廣的真空度測量范圍，可以在同一芯片上連接一系列不同參數的膜片。這樣測量不同范圍的膜片構建在一個傳感器內，通過電測芯片對采集數據進行處理，就可達到拓展真空測量范圍的目的。例如Esashi于1996年開發的微小摩擦計[5]，其擁有2個5 μm厚的薄膜，寬度分別為2 mm和4 mm，測量真空度范圍可擴大到（10～5.0×104）Pa。也可以加入力平衡傳感器[6]，通過施加在力平衡電極上的靜電力來平衡表面壓力對膜片的作用力，工作時可使膜片始終處在平衡位置，從而克服了單個膜片動態范圍窄的缺點。

圖1 硅/玻璃薄膜電容傳感器

圖2 伺服振動膜真空傳感器

為了提高傳感器的壓力敏感度和信號采集能力，2000年Miyashita和Esash設計生產出新型電容真空計[7]。主要由2片玻璃襯底和一個硅膜片組成。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。當測量真空壓力時，表面壓力變化使薄膜發生變形，薄膜與上下電極間距同時改變，從而引起上下2個電容值變化，且變化方向相反。轉換電路則將電容變化值轉換成輸出電壓量，放大后反饋回伺服電路，使其啟動調節電路恢復電容的靜電力平衡。真空度越低，反饋壓差越大，調節電路的輸出越大，從而達到真空壓力測量的目的。由于采用了差比測量法，薄膜微小變化也能準確感知，大大提高了測量靈敏度與準確度。此傳感器的測量范圍為10～105Pa。由于薄膜的材料性能、結構尺寸直接影響表面壓力引起的電容變化量，進而影響真空測量的范圍和精度，因此膜片封焊是薄膜計發展的關鍵技術。

4 諧振真空計

諧振真空計是利用靜電力驅動下振動的振子在環境壓力發生改變后，振動頻率發生改變的原理制成的。振子可以由石英晶體、硅和多晶硅梳狀結構或是壓電晶體管等構成。對于不同振子激起的振動頻率，應用相應的壓電學、靜電學、電磁學或照片捕捉等技術進行信號的采集與處理。常采用諧振阻抗測量電路進行測量（圖3）。例如采用諧振阻抗電路石英晶體諧振真空計[8]（圖4），靜電激勵硅諧振真空計[9]等。

Brown于2001年展示了電磁激勵真空計的結構[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生改變來測量壓力。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的存在，真空計中還需要設計相應的補償電路以保證測量的精準度。其結構包括2個耦合振蕩器和測壓晶體管，尺寸是：（300×300）μm2。此種真空計一般用于測量10～104Pa范圍的精確真空度。

圖3 諧振阻抗測量電路

圖4 石英真空傳感器電路

5 熱傳導真空計

一定環境中，受熱物體流失到周圍環境的熱量與氣壓相關，從而導致該受熱物體在不同的氣壓下呈現不同的溫度，因此可以通過測量物體溫度得到氣壓值，這就是熱傳導型真空傳感器的工作原理。現在，10-1Pa至大氣壓范圍的真空度測量，多采用熱傳導真空計。

熱導型真空計重要的代表是熱電偶計和皮拉尼計。熱電偶真空計于1906年由W.Voege發明，測量范圍為10-1～102Pa。它是利用熱絲溫度的變化，用熱電偶產生的熱電勢來表征氣體壓力。1988年，Kuo等設計出了一種使用Cu-Cr薄膜的微型熱電偶真空計[11]。其傳感器的測量電路板主要由Cr加熱器和附著在玻璃薄片上的Cu-Cr熱電偶組成。采用雙測量板結構，下層為處于標準大氣壓下的伺服參比板，其加熱溫度是不變的；上層為位于測量氣壓中的壓力測量板，其溫度隨真空壓力變化而改變。雙層參比電測結構，減少了外圍環境特別是外圍溫度對熱電偶的影響，并使真空測量的范圍擴展到10-1～103Pa。2006年基于6個不平衡梁微熱板的微型化熱傳導真空計已經產生[12]。多晶硅加熱器固定于0.9 μm厚的SiO2/SiNx/SiO2表面。在加熱電流達到0.8 mA時，可以測量10-1Pa到大氣壓下的真空度，使熱偶計的壓力測量范圍一直延伸到大氣壓。如今，新的微型熱傳導真空計[13]可在商業化的標準CMOS生產流水線上進行流片，并配合后續的無掩模體硅各向異性腐蝕工藝制造而成，不僅有器件體積小，響應速度快的優點，更具有批量生產的潛力。

皮拉尼真空計則利用周圍氣體壓力變化使電阻絲溫度發生變化，進而引起電阻絲電阻值變化的原理來工作。首臺皮氏計1906年由M.Pirani發明，可測壓力范圍為10-1～102Pa。借助各向異性刻蝕技術，1986年Van Herwaarden等設計出第一個微型化熱傳導真空計[14]，其測量的真空度范圍在10-3～103Pa。由于蝕刻技術的不斷發展，微型皮拉尼計在保持測量精度的同時體積在不斷縮小（圖5）。

2008年，我國的研究人員也設計出一種由電阻條（即發熱體）和散熱片兩部分構成的微型MEMS橫向皮拉尼計[15]，并利用濃硼擴散和鍵合技術實現成品。其結構簡單，制造工藝方便，可以完成10～300 Pa的精準真空范圍測量，是我國微型MEMS皮拉尼計發展的重大進步。

6 電離真空計

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

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

電離計發展的一個明顯趨勢是微型化。要實現這一目的，必須考慮以下幾個問題：減少陰陽極間的工作電壓；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用半導體材料P-N結二極管替代B-A計中的熱陰極發射器[18]，實現了電離計的小型化。其高度只有16 mm，能完成10-3～10 Pa的真空測量。1973年，Woods將原有的冷陰極真空計微型化如圖6[19]所示，其大小主要由熱燈絲的結構尺寸決定。制成的真空計高度25 mm，重59 g，測量范圍10-4～10-1Pa。1996年，Baptist等設計出微型B-A計[20]，成品在1999年由Duvet制造，采用微探尖陣列來替代原有的熱燈絲，陰極發射區的大小為20 mm2，使得工作電流變小而電壓增高，測量范圍擴大到10-9～1 Pa。此后擁有微探尖陣列的冷陰極被廣泛應用，特別是航天領域。

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真空計結構圖

7 真空計未來發展

每種真空測量法都有其測量上下限。因此實際測量時，必須根據具體情況選擇合適的測量方法及相應的測量器具。測量范圍較寬、單一測量法不能實現時，就需要分段進行真空度測量。目前最成熟的寬量程真空計[21]是在一個傳感探頭內集成多個測量范圍相互銜接的傳感器，借助于微型計算機技術，測量過程中，在不同的壓力范圍，自動選擇相應的傳感器。顯然在一個傳感探頭內集成的多個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/皮拉尼復合計、ITR90熱陰極電離/皮拉尼復合計，其測量范圍可從大氣壓一直延伸到10-8Pa。

帶電粒子環境下的真空度，如今還沒有適用的真空測量手段。常規真空傳感器采集的是電信號，當測量環境中存在帶電粒子時，采集信號會受到帶電粒子的干擾，因而無法完成準確測量。

利用彈性薄膜形變測量真空時，薄膜變形量測量除了常用的電容法，也可借助于光學測量。例如光纖光柵傳感器[22]可以測量物體微小形變。應變和應力的變化會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和透射譜發生改變。通過檢測光纖光柵反射譜或透射譜的變化，就可以獲取相應的應變和壓力信號。光通過光耦合器或者光環行器入射到光纖光柵中，波長變化的檢測由解調裝置完成。光纖在作為傳感器件的同時還可作為傳輸通道進行數據傳輸，采集信號不受電磁量影響，因而可用于帶電粒子環境。設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生應變，通過對傳感器信號的處理，實現真空度的測量。

圖7 非晶態合金真空傳感器原理

現代科學技術的發展，給常規的真空測量技術帶來了一些新挑戰，而一些新型功能材料的出現也為真空測量提供了新的手段，非晶態合金傳感器[22]就是一個典型。非晶態合金除了在機械強度、抗腐蝕、溫度穩定性等方面性能優良外，還具有良好的軟磁特性，可以將應力、應變、彈性模量等機械量轉換成磁學量。其中優良的壓磁效應可應用于彈性薄膜真空測量。壓磁效應是指磁性材料受到機械力的作用時，其內部產生應變，引起導磁率變化。通過磁導率測量裝置測量其變化，并以此推出真空壓力數值。由于非晶態合金感應件和磁導率測量設備為2個獨立器件，可分開安裝，非晶態合金感應件置于有帶電粒子存在的真空環境，而磁導率測量設備置于測量環境外側，同樣可以檢測測量環境中非晶態合金感應件的磁導率變化，帶電粒子不會進入采集信號，可以完成帶電粒子環境下真空度的測量。圖7為2種真空磁導率測量方法。傳感線圈環繞在鐵芯上，非晶態合金薄膜片和鐵芯共同形成磁導環路。圖6（a）為電壓傳感，由于磁導環路使得輸出（副級）線圈有相應電壓輸出。圖6（b）將電壓信號換為電流信號。影響真空度測量的因素有非晶態合金膜片對真空壓力的感應效果和安置于測量環境外側的磁導率測量設備對非晶態合金膜片磁導率變化的檢測精度。

全封閉空間的真空測量是對真空計量提出了的另一個新挑戰。對于全封閉空間的真空測量，使得所有的接觸或嵌入式真空計都沒有了用武之地，所以要研發全新的真空測量方法。常用的封閉空間探測器采用紅外輻射或表面聲波傳感等微波技術。其原理是紅外輻射或電磁波等微波在介質中傳播時，由于介質的吸收和散射作用，其能量、頻率、幅值等會發生改變，改變量與介質的屬性、結構等參數有關。如將上述技術引進封閉空間真空測量中，還需要深入的研究和不斷的實驗。

8 結束語

在電子信息技術、新材料、新技術不斷發展提高的今天，真空計在不斷提高測量精度、拓寬測量范圍的同時，明顯地向微型化和具有綜合數據處理功能的智能化方向發展[23]。隨著人類探索和開發宇宙空間的步伐加快，實現對極高真空（XHV）的測量也變得令人關注[24]。顯然真空計量的發展需要多學科、多領域的開拓和合作。對真空計量不斷提出的新要求是其發展的重要動力。隨著人類對物質世界探索的更加深入，對物質個體了解的更加透徹，真空計量的發展必然有著更大的飛躍。

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