真空计的发展概况与趋势

梁 平，李 杰，戴佳鑫，干蜀毅

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院真空技术与装备系，安徽 合肥 230009）

1 引言

真空计是用于测量低于一个大气压的气体的仪器。17世纪中期，利用托里拆利大气压力实验建造的U型管真空计，标志着人类真空计量器具发展的起点。历经三百多年的发展，如今真空计种类繁多，测量范围则从大气压力一直延伸到外层空间。本文拟对真空计的发展过程进行描述，着重对近20年来真空计量器具的发展进行梳理，并就一些特殊环境下真空度测量方法提出想法。

2 液态式真空计

液态式真空计主要是指U型管真空计和根据理想气体的波义耳定律制成的压缩式真空计。1874年，麦克劳在U型管基础上改进后发明压缩式真空计[1]，1939年卢森堡用磨毛的毛细管制作的压缩式真空计，其测量的压力范围为10-3～102Pa[2]。我国第一套（3只）国家标准的压缩式真空计1962年制成。液态式真空计采用水银柱测量，体积庞大，很难微型化。它是绝对真空计，因而可用于校准其他真空计。

3 电容薄膜计

电容薄膜计是利用弹性薄膜在压差下产生形变而引起电容变化的原理制成，主要分为绝对式和差动式2种。实用的电容计开始于20世纪50年代。1954年，Sapulding介绍了一种最低可测66.7 Pa压力的差压计[3]。其后的几十年间，薄膜计在结构上没有太多的改变，发展重点是传感探头材料的选择、电信号数据的采集、补偿和处理方法等。

MEMS技术的出现，使薄膜计在结构上有了重大变化。MEMS技术能将传感器、执行器、信号处理和控制电路等微型化，从而实现信号采集、处理和执行的一体化。

最早的MEMS型薄膜计于1993年问世，由Hemni设计[4]。其采用硅作为薄膜片材料，膜厚约5～30 μm，面积从（1×1）mm2至（4×4）mm2不等，封装很小。其封装内部构建有一定长度、高30 μm的真空腔，此腔上下各安放电极，形成电容（图1）。在外部压力作用下，薄膜电极的间距发生改变从而使电容值发生变化。由于电极间只有30 μm的微小距离，薄膜的变动距离有限，因此其测量范围不大，在10～103Pa。

微型薄膜计的测量范围主要取决于硅薄膜片的结构参数。参数（包括长度、宽度和厚度）不同的膜片，由于受表面压力的效果不同导致其真空度测量范围也不同。为获得更广的真空度测量范围，可以在同一芯片上连接一系列不同参数的膜片。这样测量不同范围的膜片构建在一个传感器内，通过电测芯片对采集数据进行处理，就可达到拓展真空测量范围的目的。例如Esashi于1996年开发的微小摩擦计[5]，其拥有2个5 μm厚的薄膜，宽度分别为2 mm和4 mm，测量真空度范围可扩大到（10～5.0×104）Pa。也可以加入力平衡传感器[6]，通过施加在力平衡电极上的静电力来平衡表面压力对膜片的作用力，工作时可使膜片始终处在平衡位置，从而克服了单个膜片动态范围窄的缺点。

图1 硅/玻璃薄膜电容传感器

图2 伺服振动膜真空传感器

为了提高传感器的压力敏感度和信号采集能力，2000年Miyashita和Esash设计生产出新型电容真空计[7]。主要由2片玻璃衬底和一个硅膜片组成。硅薄膜宽4.2 mm，厚度近7 μm。位于上层玻璃衬底的电极，与硅薄膜形成测量电容（图2），而下层玻璃衬底电极与硅膜形成伺服电容。常态下，薄膜与上下电极输出的电容在工作电路中保持静电力平衡。当测量真空压力时，表面压力变化使薄膜发生变形，薄膜与上下电极间距同时改变，从而引起上下2个电容值变化，且变化方向相反。转换电路则将电容变化值转换成输出电压量，放大后反馈回伺服电路，使其启动调节电路恢复电容的静电力平衡。真空度越低，反馈压差越大，调节电路的输出越大，从而达到真空压力测量的目的。由于采用了差比测量法，薄膜微小变化也能准确感知，大大提高了测量灵敏度与准确度。此传感器的测量范围为10～105Pa。由于薄膜的材料性能、结构尺寸直接影响表面压力引起的电容变化量，进而影响真空测量的范围和精度，因此膜片封焊是薄膜计发展的关键技术。

4 谐振真空计

谐振真空计是利用静电力驱动下振动的振子在环境压力发生改变后，振动频率发生改变的原理制成的。振子可以由石英晶体、硅和多晶硅梳状结构或是压电晶体管等构成。对于不同振子激起的振动频率，应用相应的压电学、静电学、电磁学或照片捕捉等技术进行信号的采集与处理。常采用谐振阻抗测量电路进行测量（图3）。例如采用谐振阻抗电路石英晶体谐振真空计[8]（图4），静电激励硅谐振真空计[9]等。

Brown于2001年展示了电磁激励真空计的结构[10]，原理是利用压力敏感元件受表面压力作用使与之耦合的谐振电路频率发生改变来测量压力。真空度的改变直接影响压电晶体管的电压及耦合电路中电流频率的大小，由于有电磁滞后效应的存在，真空计中还需要设计相应的补偿电路以保证测量的精准度。其结构包括2个耦合振荡器和测压晶体管，尺寸是：（300×300）μm2。此种真空计一般用于测量10～104Pa范围的精确真空度。

图3 谐振阻抗测量电路

图4 石英真空传感器电路

5 热传导真空计

一定环境中，受热物体流失到周围环境的热量与气压相关，从而导致该受热物体在不同的气压下呈现不同的温度，因此可以通过测量物体温度得到气压值，这就是热传导型真空传感器的工作原理。现在，10-1Pa至大气压范围的真空度测量，多采用热传导真空计。

热导型真空计重要的代表是热电偶计和皮拉尼计。热电偶真空计于1906年由W.Voege发明，测量范围为10-1～102Pa。它是利用热丝温度的变化，用热电偶产生的热电势来表征气体压力。1988年，Kuo等设计出了一种使用Cu-Cr薄膜的微型热电偶真空计[11]。其传感器的测量电路板主要由Cr加热器和附着在玻璃薄片上的Cu-Cr热电偶组成。采用双测量板结构，下层为处于标准大气压下的伺服参比板，其加热温度是不变的；上层为位于测量气压中的压力测量板，其温度随真空压力变化而改变。双层参比电测结构，减少了外围环境特别是外围温度对热电偶的影响，并使真空测量的范围扩展到10-1～103Pa。2006年基于6个不平衡梁微热板的微型化热传导真空计已经产生[12]。多晶硅加热器固定于0.9 μm厚的SiO2/SiNx/SiO2表面。在加热电流达到0.8 mA时，可以测量10-1Pa到大气压下的真空度，使热偶计的压力测量范围一直延伸到大气压。如今，新的微型热传导真空计[13]可在商业化的标准CMOS生产流水线上进行流片，并配合后续的无掩模体硅各向异性腐蚀工艺制造而成，不仅有器件体积小，响应速度快的优点，更具有批量生产的潜力。

皮拉尼真空计则利用周围气体压力变化使电阻丝温度发生变化，进而引起电阻丝电阻值变化的原理来工作。首台皮氏计1906年由M.Pirani发明，可测压力范围为10-1～102Pa。借助各向异性刻蚀技术，1986年Van Herwaarden等设计出第一个微型化热传导真空计[14]，其测量的真空度范围在10-3～103Pa。由于蚀刻技术的不断发展，微型皮拉尼计在保持测量精度的同时体积在不断缩小（图5）。

2008年，我国的研究人员也设计出一种由电阻条（即发热体）和散热片两部分构成的微型MEMS横向皮拉尼计[15]，并利用浓硼扩散和键合技术实现成品。其结构简单，制造工艺方便，可以完成10～300 Pa的精准真空范围测量，是我国微型MEMS皮拉尼计发展的重大进步。

6 电离真空计

低于10-1Pa的高真空测量多采用电离真空计，其原理是测量气体电离所产生的离子流，而离子流大小在一定压力范围内与气体压力成正比。1916年，Buckley首先利用这一原理发明了热阴极电离真空计[16]，测量范围为10-5～10-1Pa。1937年，F.M.Penning发明了测量范围为10-6～1 Pa的冷阴极电离真空计[16]。1950年，R.T.Bayard和D.Alpert发明了热阴极超高真空电离真空计[16]（（又称B-A计），其测量范围在10-8～10-1Pa，解决了10-8Pa以上超高真空测量问题，是真空测量技术的一次大突破。

1966年，兰州物理研究所成功研制中国的热阴极真空电离计[17]。该计电极采用平板正交轴对称结构，电子加速极由一对平行相连的宽极板组成，离子收集极由一对平行相连的狭极板组成。两组极板在空间互相垂直、轴对称，轴线上装有直热式敷氧化钇铱阴极。该真空计测量范围为10-4～50 Pa。

电离计发展的一个明显趋势是微型化。要实现这一目的，必须考虑以下几个问题：减少阴阳极间的工作电压；保证电极间有足够的距离，以防短路；要有良好的绝缘材料等。1970年，Dobrott和Oman用半导体材料P-N结二极管替代B-A计中的热阴极发射器[18]，实现了电离计的小型化。其高度只有16 mm，能完成10-3～10 Pa的真空测量。1973年，Woods将原有的冷阴极真空计微型化如图6[19]所示，其大小主要由热灯丝的结构尺寸决定。制成的真空计高度25 mm，重59 g，测量范围10-4～10-1Pa。1996年，Baptist等设计出微型B-A计[20]，成品在1999年由Duvet制造，采用微探尖阵列来替代原有的热灯丝，阴极发射区的大小为20 mm2，使得工作电流变小而电压增高，测量范围扩大到10-9～1 Pa。此后拥有微探尖阵列的冷阴极被广泛应用，特别是航天领域。

图5 安装在法兰上的微型皮拉尼真空传感器

图6 微型B-A真空计结构图

7 真空计未来发展

每种真空测量法都有其测量上下限。因此实际测量时，必须根据具体情况选择合适的测量方法及相应的测量器具。测量范围较宽、单一测量法不能实现时，就需要分段进行真空度测量。目前最成熟的宽量程真空计[21]是在一个传感探头内集成多个测量范围相互衔接的传感器，借助于微型计算机技术，测量过程中，在不同的压力范围，自动选择相应的传感器。显然在一个传感探头内集成的多个传感器不能相互影响。这方面典型的代表是欧瑞康莱宝公司的PTR90冷阴极电离/皮拉尼复合计、ITR90热阴极电离/皮拉尼复合计，其测量范围可从大气压一直延伸到10-8Pa。

带电粒子环境下的真空度，如今还没有适用的真空测量手段。常规真空传感器采集的是电信号，当测量环境中存在带电粒子时，采集信号会受到带电粒子的干扰，因而无法完成准确测量。

利用弹性薄膜形变测量真空时，薄膜变形量测量除了常用的电容法，也可借助于光学测量。例如光纤光栅传感器[22]可以测量物体微小形变。应变和应力的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，使光纤光栅的反射波长和透射谱发生改变。通过检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化，就可以获取相应的应变和压力信号。光通过光耦合器或者光环行器入射到光纤光栅中，波长变化的检测由解调装置完成。光纤在作为传感器件的同时还可作为传输通道进行数据传输，采集信号不受电磁量影响，因而可用于带电粒子环境。设想把光纤光栅传感器附着在弹性膜片上，在真空压差作用下，弹性膜片和光纤光栅传感器一起产生应变，通过对传感器信号的处理，实现真空度的测量。

图7 非晶态合金真空传感器原理

现代科学技术的发展，给常规的真空测量技术带来了一些新挑战，而一些新型功能材料的出现也为真空测量提供了新的手段，非晶态合金传感器[22]就是一个典型。非晶态合金除了在机械强度、抗腐蚀、温度稳定性等方面性能优良外，还具有良好的软磁特性，可以将应力、应变、弹性模量等机械量转换成磁学量。其中优良的压磁效应可应用于弹性薄膜真空测量。压磁效应是指磁性材料受到机械力的作用时，其内部产生应变，引起导磁率变化。通过磁导率测量装置测量其变化，并以此推出真空压力数值。由于非晶态合金感应件和磁导率测量设备为2个独立器件，可分开安装，非晶态合金感应件置于有带电粒子存在的真空环境，而磁导率测量设备置于测量环境外侧，同样可以检测测量环境中非晶态合金感应件的磁导率变化，带电粒子不会进入采集信号，可以完成带电粒子环境下真空度的测量。图7为2种真空磁导率测量方法。传感线圈环绕在铁芯上，非晶态合金薄膜片和铁芯共同形成磁导环路。图6（a）为电压传感，由于磁导环路使得输出（副级）线圈有相应电压输出。图6（b）将电压信号换为电流信号。影响真空度测量的因素有非晶态合金膜片对真空压力的感应效果和安置于测量环境外侧的磁导率测量设备对非晶态合金膜片磁导率变化的检测精度。

全封闭空间的真空测量是对真空计量提出了的另一个新挑战。对于全封闭空间的真空测量，使得所有的接触或嵌入式真空计都没有了用武之地，所以要研发全新的真空测量方法。常用的封闭空间探测器采用红外辐射或表面声波传感等微波技术。其原理是红外辐射或电磁波等微波在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用，其能量、频率、幅值等会发生改变，改变量与介质的属性、结构等参数有关。如将上述技术引进封闭空间真空测量中，还需要深入的研究和不断的实验。

8 结束语

在电子信息技术、新材料、新技术不断发展提高的今天，真空计在不断提高测量精度、拓宽测量范围的同时，明显地向微型化和具有综合数据处理功能的智能化方向发展[23]。随着人类探索和开发宇宙空间的步伐加快，实现对极高真空（XHV）的测量也变得令人关注[24]。显然真空计量的发展需要多学科、多领域的开拓和合作。对真空计量不断提出的新要求是其发展的重要动力。随着人类对物质世界探索的更加深入，对物质个体了解的更加透彻，真空计量的发展必然有着更大的飞跃。

[1]朱武，干蜀毅.真空测量与控制[M].合肥:合肥工业大学出版社，2008.

[2]达道安.真空设计手册（第三版）[M].北京:国防工业出版社，2004.

[3]ANNA GORECKA-DRZAZGA.Miniature and MEMS-type vacuum sensors and pumps[J].Vacuum，83（2009）:1419～1426.

[4]董长昆，李旺奎.电容薄膜规的发展和现状[J].真空，1995，1:41～47.

[5]ESASHI M.Silicon micromachining for integrated microsystems[J].Vacuum，1996，47:469～74.

[6]王跃林.新型力平衡微机械真空传感器研究[J]真空科学与技术，1999，4:304～311.

[7]MIYASHITA H，ESASHI M.Wide dynamic range silicon diaphragm vacuum sensor by electrostatic servo system[J].Vac Sci Technol B，2000，18:2692～2696.

[8]王逊，唐镇松，张云峰.石英真空计的工作原理[J].真空，2007，5:43～44.

[9]王亚强，金仲和，王跃林，等.一种新型硅微机械粘滞型谐振真空计[J].真空科学与技术，1997，3:153～159.

[10]BROWN KB，Ma Y，ALLEGRETTO W，et al.Microstructural pressure sensor based on an enhanced resonant modehy steresis effect[J].Vac Sci Technol B，2001，19:1828～1832.

[11]KUO TC，GHOSH PK，KORNREICH PG.Thin-film thermocouple gauge[J].Vac Sci Technol，1988，6:1150～1153.

[12]VAN HERWAARDEN AW，SARRO PM.Integrated thermal vacuum sensor with exten dedrange[J].Vacuum，1988，38:449～453.

[13]马斌，梁平治，陈世军，等.基于热电堆结构的微型热传导真空传感器[J].真空科学与技术学报，2009，2:218～223.

[14]ZHANG FT，TANG Z，YU J，et al.A micro-Pirani vacuum gauge based on microhotplate technology[J].Sensors and Actuators，2006，126:300～301.

[15]周吉龙，陈肯乐，张锦文，等.微型MEMS皮拉尼计研究[J].传感技术学报，2008，3:513～515.

[16]杨鸿呜，王荣.真空测量技术发展溯源[J].真空，2000，5:46～47.

[17]李得天，陈旭，于红燕，等.中国真空计量发展概述[J].真空与低温，2004，10（1）:4～10.

[18]DOBROTT JR，OMAN RM.Ionization gauge using a SiC p-n junction electron emitter[J].Vac Sci Technol，1970，7:214～215.

[19]WOODS RO.Miniaturizing the cold-cathode vacuum gauge[J].Vac Sci Technol，1973，10:433～434.

[20]DUVET L.One example of space application for microtip emitters:COPS（Comet Pressure Sensor）[J].Technical Digest of IVMC 9-11 Darmstadt Germany，July，1999，1:34～35.

[21]李早平，修吉平.新型宽量程真空计的研制[J].自动化技术与应用，2006，11:72～74.

[22]刘迎春，叶湘滨.现代新型传感器原理与应用[M].北京:国防工业出版社，1998.

[23]孟扬，李旺奎.真空计的发展新趋势[J].真空科学与技术，1999，3:116～119.

[24]张涤新.真空计量的需求与发展[J].真空与低温，2007，13（3）:125～127.