王鳳雙，劉喬，黃星星，侯少毅，畢詩博，肖慧

（季華實驗室，廣東佛山，528200）

0 引言

高性能電容薄膜真空計主要用于低真空的測量，是半導體裝備、航空航天、石油化工、光電能源、核能等領(lǐng)域不可或缺的測量器件，具有精度高、響應(yīng)快、靈敏度高、檢測與氣體成分及種類無關(guān)等特點[1～2]。電容薄膜真空計分為絕壓式與差壓式兩種。其中，絕壓式電容薄膜真空計具有較好的線性度、較高的測量精度及分辨率，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基本被國外品牌壟斷，國內(nèi)尚無替代產(chǎn)品。本文將對絕壓式的電容薄膜真空計進行研究，電容薄膜真空計電路檢測主要對固定電極與可變電極之間等效的電容信號進行提取，此電容信號變化量20pF 左右，屬于微小變化電容信號，目前國內(nèi)對微小信號檢測也在探索階段，同時，滿足電容薄膜真空計不斷增長的市場需求，對電容薄膜真空計的檢測電路研究也是具有十分重要的意義。

本文設(shè)計基于XTR106 的電容薄膜真空計信號檢測電路，以量程為0～1333.2 Pa 的絕壓式電容薄膜真空計為研究對象，通過對其可變電極與固定電極之間形成的等效電容信號進行理論分析，并搭建信號檢測電路。在不同壓力下，此電容信號為變化值，針對此變化的電容信號，對電路進行設(shè)計，實現(xiàn)電容薄膜真空計的電路研究。

1 電容薄膜真空計工作原理

電容薄膜真空計主要包括殼體、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電層。當氣體壓力作用在可變電極上時，可變電極會產(chǎn)生微小的形變，而此時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使可變電極與固定電極之間的距離h、等效電容c 會發(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線處，當抽真空時候，可變電極的膜片位置向虛線處移動；p 為進氣口的壓力，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。

本文在做實驗的過程中均采用99.999%的氮氣作為充氣的氣體。當壓力p 在大氣壓狀態(tài)下時，可變電極與固定電極的距離最??；當真空系統(tǒng)進行負壓抽氣時，可變電極與固定電極之間的距離會逐漸變大。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)的級數(shù)展開，可得：

當可變電極在圖1 虛線處，此時偏離中心的中心處的距離，r=0 則有：

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

式中：ε0為介電常數(shù)。

電容薄膜真空計的靈敏度為：

由公式(8)可以看出：電容薄膜真空計的靈敏度與張力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 電容薄膜真空計檢測電路的設(shè)計

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

圖3 電路檢測系統(tǒng)框圖

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

XTR106 為電壓轉(zhuǎn)換電流芯片，轉(zhuǎn)換精度高達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，當壓力p 在負壓10-2量級時，可變電極與固定電極之間的距離h 最大，此時兩電極之間的等效電容最小。此時輸出的0.5 V信號連接XTR106的5腳；通過滑動變阻器W1 調(diào)節(jié)XTR106 的2 腳電壓，使2 腳輸出電壓為0.5 V；此時VIn電壓為0 V，同時W1 保持不變。當壓力p 接近1333.2 pa 時，可變電極與固定電極之間距離h最小，此時兩電極之間的等效電容最大，此時輸出電壓為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 既改變增益RG，使輸出測量量程調(diào)節(jié)一個適當?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 基準電壓，為惠斯通橋式電路提供驅(qū)動電源。首先，調(diào)節(jié)滑動變阻器W1 使0 ≤VIn≤2.4；然后，調(diào)節(jié)滑動變阻器W2 使XTR106 輸出電流信號為4～20 mA；最后，通過15Ω 電阻采樣4～20 mA 電流信號，并輸出0～10 V 電壓。電流信號處理電路如圖5 所示。

由圖5 可以看出，XTR106 輸出的4～20 mA 的電流信號IO 通過采樣電阻R16 后，首先，利用反向放大運算進行電壓放大處理；然后，當壓力p 為10-2pa 量級時，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，當壓力p=1333.2 pa 時，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)真空計輸出的0～10 V 對應(yīng)壓力0～1333.2 pa；最后，通過上位機顯示出所測的壓力值。

3 實驗

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

圖6 電容薄膜真空計測試平臺

本實驗是在室溫25℃的條件下，采用對比測量的方法對所研制的電容薄膜真空計與MKS 的電容薄膜真空計進行參考測量。實驗中是以MKS 型號為626C11TBE、量程為0-1333.2 pa 的電容薄膜真空計作為參考標準的測量電容薄膜真空計。在測試的過程中，只要利用測試平臺對電容薄膜真空計進行壓力的動態(tài)進行調(diào)試，MKS 與自研的電容薄膜真空計的對比測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 MKS電容薄膜真空計與自研電容薄膜真空計測試數(shù)據(jù)

對表1 中的MKS 電容薄膜真空計與自制電容薄膜真空計測試數(shù)據(jù)的進行線性處理，如圖7 所示。

圖7 MKS 電容薄膜真空計與自研電容薄膜真空計線性曲線

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

4 結(jié)論

本文通過基于XTR106 對電容薄膜真空計電路的研究與設(shè)計，實現(xiàn)電容薄膜真空計信號的高線性度輸出，使電容薄膜真空計輸出線性誤差為0.242%，滿足0.25%的設(shè)計要求。本文對電容薄膜真空計的研究僅限于電路研究方面，實驗數(shù)據(jù)是在室溫25℃的條件下進行測量所得，下一步將會進行溫度對電容薄膜真空計輸出的影響以及溫度對電容薄膜真空計線性度的影響進行研究。