孫雯君，馮 焱，馬 奔，習(xí)振華，成永軍，趙 瀾

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

在地球應(yīng)用衛(wèi)星、載人航天的基礎(chǔ)上開展深空探測(cè)活動(dòng)，是人類進(jìn)一步了解宇宙、認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系、探索地球生命起源與演化的必要手段［1］?；鹦亲鳛榫嚯x地球最近的類地行星，由于其獨(dú)特的科學(xué)價(jià)值和技術(shù)的跨越性，成為人類開展深空探測(cè)的首選目標(biāo)之一，也是近年來(lái)世界深空探測(cè)的熱點(diǎn)。

對(duì)于火星來(lái)說(shuō)，無(wú)論是進(jìn)行環(huán)繞探測(cè)還是著陸探測(cè)，都需要對(duì)表面及空間真空度進(jìn)行測(cè)量，一般采用探測(cè)器攜帶真空規(guī)的方式進(jìn)行。在火星探測(cè)活動(dòng)中，探測(cè)器攜帶了大量的載荷儀器，要完成多項(xiàng)科研探測(cè)任務(wù)，必須考慮探測(cè)器及其搭載的載荷儀器的小型化［2］。為了滿足對(duì)火星表面及不同高度上大氣壓力的準(zhǔn)確探測(cè)需求［3］，要求真空規(guī)在保證測(cè)量準(zhǔn)確度的情況下，盡可能減小質(zhì)量和體積，以節(jié)約探測(cè)成本。

電容薄膜真空規(guī)具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、線性好、測(cè)量結(jié)果與氣體成分種類無(wú)關(guān)等特點(diǎn)，可以覆蓋火星低軌道大氣壓力的測(cè)量范圍;但是，商用電容薄膜真空規(guī)的測(cè)量下限、重量、外形尺寸、工作溫度等技術(shù)指標(biāo)均不能滿足深空探測(cè)的要求。

為了解決上述問(wèn)題，提出了小型電容薄膜真空規(guī)的設(shè)計(jì)。其整體尺寸為Φ42 mm×24 mm，重量小于200g，滿足深空探測(cè)中對(duì)火星低軌道大氣壓力的測(cè)量需求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型電容薄膜真空規(guī)由進(jìn)氣管及其入口擋片、檢測(cè)膜片基底、檢測(cè)膜片、固定極板、參考?xì)馐覚C(jī)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(guò)進(jìn)氣管引入到測(cè)量室中，由于氣體壓力作用使檢測(cè)膜片發(fā)生形變，改變了檢測(cè)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(xué)方法測(cè)出電容量，通過(guò)校準(zhǔn)得到電容量與氣體壓力之間的關(guān)系，獲得氣體壓力。

圖1 小型電容薄膜真空規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖

外界環(huán)境溫度變化是影響電容薄膜真空規(guī)零點(diǎn)穩(wěn)定性的主要原因［4］。所以，小型電容薄膜真空規(guī)設(shè)計(jì)的基本原則是，以減小溫度變化對(duì)電容薄膜真空規(guī)測(cè)量準(zhǔn)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(guī)在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足以下基本條件［5］:(1)膜片、感應(yīng)電極及外殼材料等應(yīng)能抵抗腐蝕氣體的侵蝕;(2)規(guī)管在潔凈系統(tǒng)使用時(shí)不污染系統(tǒng);(3)規(guī)管各組件應(yīng)具有良好的熱膨脹系數(shù)的匹配，能進(jìn)行高溫(400～500℃)烘烤除氣。

根據(jù)以上條件，檢測(cè)膜片選用InconelX－750合金材料，機(jī)架選用InconelX－600合金材料，避免了不同種類材料熱膨脹系數(shù)不匹配對(duì)規(guī)管零點(diǎn)穩(wěn)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(qiáng)度，在室溫高溫均有很好的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，在零下、室溫及高溫時(shí)都具有很好的機(jī)械性能。

2.2 檢測(cè)膜片的設(shè)計(jì)

不同量程的電容薄膜真空規(guī)，其檢測(cè)膜片的厚度、檢測(cè)膜片與固定電極之間的標(biāo)稱間距均不同。由于檢測(cè)膜片的變形量大于其厚度，在設(shè)計(jì)過(guò)程中利用大撓度理論進(jìn)行初步估算。

周邊固定的圓形薄膜在大撓度情況下的一個(gè)近似解為:

式中 p為感應(yīng)壓強(qiáng)，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(chǎn)生的變形量(撓度)。

將式(1)變換為未知量為撓度ω的方程:

對(duì)于最大設(shè)計(jì)壓強(qiáng)為100 Pa、最小設(shè)計(jì)壓強(qiáng)為1×10－2Pa的電容薄膜真空規(guī)來(lái)講，當(dāng)檢測(cè)膜片的直徑設(shè)計(jì)為42 mm，厚度設(shè)計(jì)為0.035 mm時(shí)，利用式(2)計(jì)算可得到檢測(cè)膜片產(chǎn)生的最大撓度為0.13 mm，考慮冗余設(shè)計(jì)，檢測(cè)膜片與固定極板之間的標(biāo)稱間距設(shè)計(jì)為0.15 mm。

檢測(cè)膜片基底用于焊接并支撐檢測(cè)膜片，基底底部開內(nèi)徑為26 mm，外徑為34 mm，深度為4 mm的環(huán)形槽，以達(dá)到減輕整機(jī)重量且不影響檢測(cè)膜片張力的目的。

2.3 固定極板的設(shè)計(jì)

固定極板整體為倒T型結(jié)構(gòu)的陶瓷板，包括電極板和支柱兩部分，固定極板通過(guò)支柱連接在參考?xì)馐覚C(jī)架內(nèi)底面中心。為了減小制造和測(cè)量過(guò)程中，溫度變化對(duì)固定極板的形變影響，電極板與支柱交界處設(shè)計(jì)有凹槽結(jié)構(gòu);同時(shí)，采用由測(cè)量電極和參考電極組成的雙電極結(jié)構(gòu)，消除測(cè)量過(guò)程中外界雜散電容和溫度變化引起的測(cè)量信號(hào)偏差。

2.3.1 凹槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電容薄膜真空規(guī)在制造安裝過(guò)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(fā)生彎曲，導(dǎo)致檢測(cè)膜片與電極板之間的標(biāo)稱距離發(fā)生變化;在測(cè)量過(guò)程中，電容薄膜真空規(guī)也會(huì)受到外界溫度變化的影響，使檢測(cè)膜片與電極板之間的標(biāo)稱距離發(fā)生變化，影響電容薄膜真空規(guī)的零點(diǎn)穩(wěn)定性及其測(cè)量準(zhǔn)確度。

在支柱與電極板交界處設(shè)計(jì)的深度為電極板厚度一半的凹槽結(jié)構(gòu)，如圖2所示，可以抵消制造和測(cè)量過(guò)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(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

圖2 固定極板凹槽結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 雙電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減小和抵消測(cè)量過(guò)程中外界雜散電容和溫度變化引起的測(cè)量信號(hào)偏差，小型電容薄膜真空規(guī)采用了面積相同的金屬鈀銀雙電極結(jié)構(gòu)，如圖3所示。內(nèi)電極為圓形結(jié)構(gòu)的測(cè)量電極，外電極為環(huán)形結(jié)構(gòu)的參考電極。測(cè)量過(guò)程中，氣體壓力使檢測(cè)膜片發(fā)生形變，改變了檢測(cè)膜片與固定極板上測(cè)量電極和參考電極之間的距離，分別以測(cè)量電極和參考電極與檢測(cè)膜片形成的電容改變量作為測(cè)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(guān)系，可確定壓力值的大小，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

圖3 電極板雙電極結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 參考?xì)馐覚C(jī)架的設(shè)計(jì)

為消除測(cè)量過(guò)程中溫度變化引起的規(guī)管機(jī)架結(jié)構(gòu)的熱變形，減小電容薄膜真空規(guī)測(cè)量結(jié)果的不確定度，在小型電容薄膜真空規(guī)的設(shè)計(jì)中作了如下考慮:(1)采用了因科鎳合金整體機(jī)架結(jié)構(gòu);(2)在機(jī)架頂部中央位置處設(shè)計(jì)有防熱變形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用熱膨脹系數(shù)比機(jī)架材料低很多的可伐材料制成，用于抵消溫度變化對(duì)機(jī)架造成的熱變形。

參考?xì)馐覚C(jī)架底部與檢測(cè)膜片焊接構(gòu)成封閉的參考室，通過(guò)無(wú)氧銅抽氣管將參考?xì)馐页檎婵眨闅饨Y(jié)束后將頂部掐死并密封。利用內(nèi)置鋯鋁吸氣劑使參考?xì)馐覂?nèi)部的真空度維持在10－4Pa量級(jí)。

為實(shí)時(shí)修正溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在參考?xì)馐覚C(jī)架內(nèi)分布有測(cè)溫鉑電阻，可對(duì)管殼溫度變化進(jìn)行測(cè)量，為后續(xù)壓力測(cè)量數(shù)據(jù)的修正提供輸入條件。

參考?xì)馐覚C(jī)架頂部引出測(cè)量電極、參考電極和測(cè)溫電極，測(cè)量電極和參考電極采用軟硬結(jié)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(shè)計(jì)有類似彈簧結(jié)構(gòu)，防止強(qiáng)震動(dòng)損壞電極以及測(cè)溫電極與機(jī)架內(nèi)部測(cè)溫鉑電阻的連線。

2.5 焊接工藝的選擇

進(jìn)氣管與管殼之間，檢測(cè)膜片和基底以及管殼之間均采用自熔焊工藝進(jìn)行焊接，不使用焊料，避免焊接過(guò)程中對(duì)膜片和整個(gè)電容薄膜真空規(guī)材質(zhì)和應(yīng)力等產(chǎn)生影響。

小型電容薄膜真空規(guī)已完成初步加工調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，后續(xù)將開展進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究工作。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)完成的小型電容薄膜真空規(guī)整體尺寸為Φ42×24 mm，重量小于200 g，測(cè)量下限為1×10－2Pa，測(cè)量不確定度預(yù)計(jì)小于5%，工作溫度范圍為－20～55℃，實(shí)現(xiàn)了電容薄膜真空規(guī)的小型化和預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，可以滿足深空探測(cè)中對(duì)火星低軌道大氣壓力的測(cè)量需求和其他領(lǐng)域中的真空測(cè)量需求。

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

［2］陳昌亞.火星探測(cè)技術(shù)的發(fā)展［J］.科學(xué)，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(guī)零點(diǎn)和校準(zhǔn)系數(shù)的穩(wěn)定性［J］.真空與低溫，1987，6(4):42～48.

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