真空测量技术
直接压力测量
最常见的直接压力测量类型,是使用机械变形作为测量压力的基本原理。由于压力是单位面积力的量度,因此压差可以用可重复的方式使不同材料的元件变形。元件经受的变形程度与元件的材料特性和施加的压力成正比。因此,薄而柔韧的元件可用于测量低压差。较厚、较硬的元件可用于测量高压差。可以通过多种方式测量这些元件的挠性程度,包括直接机械测量、包含该元件设备的电气特性变化等。
电容膜片压力计
电容膜片压力计是通过测量电极和隔膜之间的电容变化,不同压力之间可以产生与压力成比例的电信号。膜片向低压侧偏转,如右图所示。隔膜一侧的参考腔是一个密封的压力恒定真空腔。另一侧连接到压力侧的真空腔或管道。隔膜上的压差总是以真空侧为参考。随着真空获得设备对容器的排空速度,真空压力会越来越低,压力侧膜片也会往回偏转,偏转程度通过电极测量转换成当前电信号。这个测得成正比的电信号和标准压力比较得到当前绝对压力.。绝对电容压力计通常用于过程真空测量,主要用于半导体行业的真空测量。由于电容压力计对气体成分不敏感,因此几乎在所有用于过程压力控制中的半导体工艺中都使用绝压计(电容膜片压力计)。
间接压力测量
在非常低的压力下(低于约 10 -4Torr),绝压计在不同压力下隔膜偏转测量值之间的相对差异不再足够敏感,无法用于实际压力的测量。因此,针对这种压力状态的真空计设计基于气体密度和一些与物种相关的分子特性的测量。这些压力计的主要类型有热传导压力计和气体电离计。
热传导压力计
热电导压力计是通过测量从热源到周围气体的能量传递性能来确定气体压力。热量通过与金属丝的分子碰撞传递到气体中,这些碰撞的频率以及传递热量度取决于压力和气体分子的分子量。热传导压力计量程从大气压到-4乇。包括电阻压力计和皮拉尼计等,广泛用于通用的真空测量且相对便宜可靠。
皮拉尼真空计
皮拉尼真空计基于暴露于气压介质中的热金属丝。皮拉尼真空计测量从加热丝到周围气体的与真空压力相关的热导率。加热的皮拉尼传感器灯丝通常由细 (<25 µm) 钨、镍或铂丝制成。当气体分子与灯丝线碰撞时,热量从热线传输。热损失是气体压力的函数,并且在低压下,低气体密度和气体分子之间的平均自由程提供低热导率。在高压下,高气体密度和分子之间的短平均自由程将导致高热导率。
INFICON陶瓷膜片真空计
MKS金属膜片真空计
皮拉尼真空计原理图
电离真空计
当压力低于 10 -3 Torr 时,热导真空计随压力的变化太小而无法用于压力测量。电容膜片压力计和皮拉尼计等直接测量真空计不再有效。在高真空(低于 10 -3至 10 -9 Torr)、超高真空(UHV,1×10 -9至 1×10 -12 Torr)和极高真空(XHV,<1×10 -12Torr) 测量时,压力测量常使用气体电离计,有热阴极电离计 和冷阴极电离计 。电离计通过测量压力计内高能电子与残留的中性气体分子之间的碰撞产生的离子通量来确定压力值。热阴极压力计使用来自灯丝的热离子发射作为电子源,而冷阴极计通过循环空间的电荷来产生自由电子等离子体。
电离真空计原理图
热阴极电离计
热阴极电离真空计典型应用是Bayard-Alpert (BA) 真空计,有效测量范围在 10 -11和 10 -2之间托。热阴极电离计具有三个电极:阴极或灯丝、集电极和阳极栅极。通常,集电极处于低电位,阳极为高压,灯丝点亮电压是30-80V之间。从阴极发射的高能电子向阳极栅极加速,与气相中的分子碰撞并电离。碰撞中产生的正离子被加速朝向位于阳极栅轴上的收集器。在集电极聚集的电流和压力之间有严格的线性关系。
冷阴极电离计
冷阴极电离计也称为 Penning 真空计,可有效测量 10 -12和 10 -2乇之间的真空压力。这种类型的电离计使用两个电极之间的高电压 (kV) 来加速产生的自由电子,这些自由电子与残留的气体原子碰撞,产生一个正离子和另一个自由电子。自由电子被磁场俘获,产生电子等离子体。等离子体中的原子或分子被电离和测量。阳极棒位于中心保持在高电压,阴极是与阳极同心的处于接地电位的圆柱形金属笼。陶瓷或稀土磁体围绕阳极/阴极排列。交叉的电场和磁场控制电子电流路径,长时间捕获循环电子电流。
热阴极电离真空计图
冷阴极电离真空计原理图
旋转陀螺仪原理图
真空计校准和标定
由于不同的使环用境和长时间使用后发生电漂移等影响,所有类型的真空计出厂前和固定周期都必须经专业的标定设备来计量检测精度误差和量程范围的校正。标定设备必须符合行业标准和适用于不同类型的真空计。旋转陀螺仪(SRG)是最压力测量的主要参考标准器,SRG 也称为分子阻力计或气体粘度计,测量从传感器到周围气体的能量传递,以确定气体的密度。在旋转陀螺仪中,一个小钢球被磁悬浮在一个非磁性管内,该管水平安装并连接到真空系统。在测量过程中,使用旋转磁场将球旋转到几百赫兹,然后关闭驱动磁场并使用磁传感器测量球的减速率。由于减速是由于碰撞过程中从球到气体分子的能量转移引起的,使用气体动力学理论,它与气体的密度相关,从而与压力相关。SRG 对气体种类很敏感,它们通常用作校准其他类型校准装置的参考仪表。
真空计生产的校准和标定
根据不同类型的真空计设计和制作校正标定装置,常用的真空计校正方法有静态膨胀法和动态比较法。
静态膨胀法
采用高精度电容薄膜规作为标准器,在检验室恒定压力关闭排、进气阀体,对被检真空计和标准计进行比对校准,同时对压力回升速率测量读数和曲线变化比对校正。适用于1×105Pa~1×10-1Pa压力范围的真空计校准。
动态比对法
采用高真空电容薄膜规和电离真空规作为标准器,通过进气控制和腔室压力自动控制系统保证稳定的动态平衡压力,在腔室内对被检真空计进行读数和线性值比对校验,适用于1×10-1Pa~1×10-4Pa范围的真空计校准。
真空获得和压力控制
要对不同类型的真空计校准首先需要快速响应的真空获得设备,通常采用高分辨率的涡轮分子泵+前级真空泵组的方式。极限真空度≤1E-9torr。对于标定电离真空计的极限压力装置则需要达到≤1E-12torr的真空度(离子泵+分子泵+前级真空泵组合)。
真空计校准过程中压力控制装置也是很重要的,通过气体流量计和压控系统快速精确达到标定所需的各种梯度压力值。
参考压力计的选择
根据不同量程选择不同类型的参考真空计,通常在1000torr-0.001torr选择3-5个高精度的电容膜片真空计作为参考压力计。小于0.001torr压力范围选择电离真空计作为参考真空计。所有参考压力计都需定期经专业机构量程和精度校正。
温度系数影响
高精度的电容膜片真空计需要根据模拟实际使用温度进行校准标定。
真空计量程图
真空计校准原理图
真空计量程标识
电容膜片真空计:1E+5至1E-3Pa
皮拉尼真空计:大气压至5.0E-2Pa
冷阴极真空计:1.0E-1至1E-8Pa
热阴极真空计:1.0E-1至1.0E-8Pa
电离复合真空计:大气压至1.0E-8Pa