小型電容薄膜真空規的設計

孫雯君，馮 焱，馬 奔，習振華，成永軍，趙 瀾

(蘭州空間技術物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

在地球應用衛星、載人航天的基礎上開展深空探測活動，是人類進一步了解宇宙、認識太陽系、探索地球生命起源與演化的必要手段［1］。火星作為距離地球最近的類地行星，由于其獨特的科學價值和技術的跨越性，成為人類開展深空探測的首選目標之一，也是近年來世界深空探測的熱點。

對于火星來說，無論是進行環繞探測還是著陸探測，都需要對表面及空間真空度進行測量，一般采用探測器攜帶真空規的方式進行。在火星探測活動中，探測器攜帶了大量的載荷儀器，要完成多項科研探測任務，必須考慮探測器及其搭載的載荷儀器的小型化［2］。為了滿足對火星表面及不同高度上大氣壓力的準確探測需求［3］，要求真空規在保證測量準確度的情況下，盡可能減小質量和體積，以節約探測成本。

電容薄膜真空規具有測量準確度高、線性好、測量結果與氣體成分種類無關等特點，可以覆蓋火星低軌道大氣壓力的測量范圍;但是，商用電容薄膜真空規的測量下限、重量、外形尺寸、工作溫度等技術指標均不能滿足深空探測的要求。

為了解決上述問題，提出了小型電容薄膜真空規的設計。其整體尺寸為Φ42 mm×24 mm，重量小于200g，滿足深空探測中對火星低軌道大氣壓力的測量需求。

2 結構設計

小型電容薄膜真空規由進氣管及其入口擋片、檢測膜片基底、檢測膜片、固定極板、參考氣室機架、引出電極、抽氣口、吸氣劑等部分組成，如圖1所示。氣體通過進氣管引入到測量室中，由于氣體壓力作用使檢測膜片發生形變，改變了檢測膜片與固定極板之間的距離，引起二者之間電容量的改變。利用電學方法測出電容量，通過校準得到電容量與氣體壓力之間的關系，獲得氣體壓力。

圖1 小型電容薄膜真空規結構示意圖

外界環境溫度變化是影響電容薄膜真空規零點穩定性的主要原因［4］。所以，小型電容薄膜真空規設計的基本原則是，以減小溫度變化對電容薄膜真空規測量準確度的影響為前提，盡可能減小其重量和外形尺寸。

2.1 材料的選擇

小型電容薄膜真空規在設計時需要滿足以下基本條件［5］:(1)膜片、感應電極及外殼材料等應能抵抗腐蝕氣體的侵蝕;(2)規管在潔凈系統使用時不污染系統;(3)規管各組件應具有良好的熱膨脹系數的匹配，能進行高溫(400～500℃)烘烤除氣。

根據以上條件，檢測膜片選用InconelX－750合金材料，機架選用InconelX－600合金材料，避免了不同種類材料熱膨脹系數不匹配對規管零點穩定性的影響。選用的鎳鉻合金具有良好的抗腐蝕性、抗氧化性及抗蠕變斷裂強度，在室溫高溫均有很好的耐應力腐蝕開裂性能，在零下、室溫及高溫時都具有很好的機械性能。

2.2 檢測膜片的設計

不同量程的電容薄膜真空規，其檢測膜片的厚度、檢測膜片與固定電極之間的標稱間距均不同。由于檢測膜片的變形量大于其厚度，在設計過程中利用大撓度理論進行初步估算。

周邊固定的圓形薄膜在大撓度情況下的一個近似解為:

式中 p為感應壓強，r為薄膜半徑，E為薄膜材料的彈性模量，h為薄膜厚度，μ為薄膜材料的泊松比，ω為薄膜產生的變形量(撓度)。

將式(1)變換為未知量為撓度ω的方程:

對于最大設計壓強為100 Pa、最小設計壓強為1×10－2Pa的電容薄膜真空規來講，當檢測膜片的直徑設計為42 mm，厚度設計為0.035 mm時，利用式(2)計算可得到檢測膜片產生的最大撓度為0.13 mm，考慮冗余設計，檢測膜片與固定極板之間的標稱間距設計為0.15 mm。

檢測膜片基底用于焊接并支撐檢測膜片，基底底部開內徑為26 mm，外徑為34 mm，深度為4 mm的環形槽，以達到減輕整機重量且不影響檢測膜片張力的目的。

2.3 固定極板的設計

固定極板整體為倒T型結構的陶瓷板，包括電極板和支柱兩部分，固定極板通過支柱連接在參考氣室機架內底面中心。為了減小制造和測量過程中，溫度變化對固定極板的形變影響，電極板與支柱交界處設計有凹槽結構;同時，采用由測量電極和參考電極組成的雙電極結構，消除測量過程中外界雜散電容和溫度變化引起的測量信號偏差。

2.3.1 凹槽結構設計

電容薄膜真空規在制造安裝過程中，一般采用高溫工藝，待其從450℃的高溫冷卻到常溫后，電極板發生彎曲，導致檢測膜片與電極板之間的標稱距離發生變化;在測量過程中，電容薄膜真空規也會受到外界溫度變化的影響，使檢測膜片與電極板之間的標稱距離發生變化，影響電容薄膜真空規的零點穩定性及其測量準確度。

在支柱與電極板交界處設計的深度為電極板厚度一半的凹槽結構，如圖2所示，可以抵消制造和測量過程中溫度變化引起的電極板變形，保證電極板的平面度，減小環境溫度變化對測量結果的影響，提高測量結果的準確度和穩定性。

圖2 固定極板凹槽結構示意圖

2.3.2 雙電極結構設計

為了減小和抵消測量過程中外界雜散電容和溫度變化引起的測量信號偏差，小型電容薄膜真空規采用了面積相同的金屬鈀銀雙電極結構，如圖3所示。內電極為圓形結構的測量電極，外電極為環形結構的參考電極。測量過程中，氣體壓力使檢測膜片發生形變，改變了檢測膜片與固定極板上測量電極和參考電極之間的距離，分別以測量電極和參考電極與檢測膜片形成的電容改變量作為測量電容值和參考電容值，利用二者電容值之差與大氣壓力成正比的關系，可確定壓力值的大小，提高測量結果的準確度和穩定性。

圖3 電極板雙電極結構示意圖

2.4 參考氣室機架的設計

為消除測量過程中溫度變化引起的規管機架結構的熱變形，減小電容薄膜真空規測量結果的不確定度，在小型電容薄膜真空規的設計中作了如下考慮:(1)采用了因科鎳合金整體機架結構;(2)在機架頂部中央位置處設計有防熱變形結構，該結構采用熱膨脹系數比機架材料低很多的可伐材料制成，用于抵消溫度變化對機架造成的熱變形。

參考氣室機架底部與檢測膜片焊接構成封閉的參考室，通過無氧銅抽氣管將參考氣室抽真空，抽氣結束后將頂部掐死并密封。利用內置鋯鋁吸氣劑使參考氣室內部的真空度維持在10－4Pa量級。

為實時修正溫度變化對測量結果的影響，在參考氣室機架內分布有測溫鉑電阻，可對管殼溫度變化進行測量，為后續壓力測量數據的修正提供輸入條件。

參考氣室機架頂部引出測量電極、參考電極和測溫電極，測量電極和參考電極采用軟硬結合的連接方式直插在固定極板頂部位置，并在連接處底部設計有類似彈簧結構，防止強震動損壞電極以及測溫電極與機架內部測溫鉑電阻的連線。

2.5 焊接工藝的選擇

進氣管與管殼之間，檢測膜片和基底以及管殼之間均采用自熔焊工藝進行焊接，不使用焊料，避免焊接過程中對膜片和整個電容薄膜真空規材質和應力等產生影響。

小型電容薄膜真空規已完成初步加工調試，實現了預期的技術指標，后續將開展進一步的實驗研究工作。

3 結論

設計完成的小型電容薄膜真空規整體尺寸為Φ42×24 mm，重量小于200 g，測量下限為1×10－2Pa，測量不確定度預計小于5%，工作溫度范圍為－20～55℃，實現了電容薄膜真空規的小型化和預期的技術指標，可以滿足深空探測中對火星低軌道大氣壓力的測量需求和其他領域中的真空測量需求。

［1］葉培建，彭兢.深空探測與我國深空探測展望［J］.中國工程科學，2006，8(10):13～18.

［2］陳昌亞.火星探測技術的發展［J］.科學，2009，5:16 ～19.

［3］David C.Catling.High－sensitivity silicon capacitive sensors for measuring medium－vacuum gas pressures［J］.Sensors and Actuators，1998，64:157 ～164.

［4］李正海.電容薄膜規零點和校準系數的穩定性［J］.真空與低溫，1987，6(4):42～48.

［5］王欲知等.真空技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.6，310.