真空计原理及测量范围

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1、1 真空计原理与测量范围真空计原理与测量范围 真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态， 是一 种物理现象。在真空技术里，真空系针对大气而言，一般指特定空间 内部之部份物质被排出，使其压力小于一个标准大气压，则我们通称 此空间为真空或真空状态。真空常用帕斯卡（Pascal）托尔（Torr） 毫巴（mbar）等做为压力的单位。 真空的分类：真空的分类： 前级真空： 1*10 -3 Torr1000 Torr 高真空：1*10 -9 Torr10 -3 Torr 超高真空：10 -9 Torr 以下 真空计（Vacuum Gauge），也称真空表、真空规管，是测量真空 度或低气压的仪

2、器。 一般是利用不同气压下气体的某种物理效应的变 化进行气压的测量。在科研和工业生产中广泛使用。按照真空计测量 原理所利用的不同的物理机制，可将主要的真空计分为三大类， 分别是利用力学性能、 利用气体动力学效应利用带电粒子效应的真空 计。 2 利用力学性能的真空计典型的有波尔登规（Bourdon）和电容薄膜规； 利用气体动力学效应的典型真空计有皮拉尼（Pirani）电阻规和热电 偶规、热传导规； 利用带电粒子效应的典型真空计有热阴极电离规和冷阴极电离规。 市场上真空计的形式：市场上真空计的形式： 真空规管+真空测量计（真空计控制器）：需配套使用。 真空变送器（真空计）：本体集成电路部分，可输出

3、各类型号。 两种形式客户可根据实际应用进行选择，真空规和控制器的形 式，主要应用在一些恶劣的现场环境或者早期的集成设备，由规管、 线缆、控制器三部分组成，前期成本略高，典型优点是后期维护更换 真空规便宜；随着工业自动化的发展，真空变送器（真空计）已经成 为真空测量的主要产品，可根据现场能处理的信号（数字/模拟）选 择相应通讯的产品。 真空计测量范围：真空计测量范围： 3 电容薄膜真空计电容薄膜真空计 4 如上图，压力变化引起膜片不同层度的形变，使得膜片和电极之间的 电容变化， 通过测量电容的变化量， 即可知道膜片上压力的变化。 （膜 片主要有两种材质：金属膜片和陶瓷膜片） 电容薄膜压力计， 测

4、量读数无关气体组分， 主要受环境温度的影响 （温 度补偿） ， 是测量差分或全部气体压力最准确的设备 （包括蒸汽凝结、 操作温度不规则的环境） ， 目前已知产品最大测量压力为 25000 Torr， 最低测量压力在 10 -5 Torr 左右。大部分精度为读数的 0.25%，其中高 精度有 0.08%0.025%。测量范围跨度一般有 4 个数量级或 5 个数量 级。 应用：应用： 1.半导体行业蚀刻，CVD,PVD,ALD 等 2.光伏行业，PECVD 等 3.液晶显示屏制造设备 4.工业真空设备，标准真空计 5.国防科研应用 热偶真空规热偶真空规 5 如上图，灯丝通过恒流源供电加热，由于气体

5、粒子与电阻丝碰撞离开 时带走了能量，电阻丝的温度会发生变化，灯丝温度引起热电偶电压 （恒压）变化，根据电压变化测算出气压。 （热丝的能量损失与热丝周围的气体浓度及气体成分成比例关系） 测量的压力范围：10Torr 至 10 -3Torr 应用：应用： 1.前级真空测量，如前级真空泵，镀膜，光伏，等离子行业 2.中低真空测量行业，如冶金 3.高真空计的连锁控制 皮拉尼真空计皮拉尼真空计（Pirani Vacuum Gauge） 6 如上图，灯丝通过恒流源供电加热，由于气体粒子与电阻丝碰撞离开 时带走了能量， 电阻丝的温度会发生变化 （恒温） 引起电桥 （惠斯通） 电阻变化，根据电阻变化测算出气压

6、。 （热丝的能量损失与热丝周围的气体浓度及气体成分成比例关系） 测量的压力覆盖范围： 100Torr 至 10 -5Torr （具体参考实际产品指标） 应用：应用： 1.前级真空测量，如前级真空泵，镀膜，光伏，等离子行业 2.中低真空测量行业，如冶金 3.高真空计的连锁控制 热损失热损失/热传导真空计热传导真空计（Convectron&Convection Vacuum Gauge） 7 该真空规是结构同皮拉尼， 其压力测量基于传感器导线的热损失 率。与传统的热偶规和皮拉尼真空规仅使用传导性损失不同，热损失 真空规由于在较高压时使用对流散热，从而充分利用了热损失。使测 量范围延伸到大气端。 测

7、量范围：10 -4torr 至大气压；精度优于一般皮拉尼真空规。 应用：应用： 1.前级真空测量，如前级真空泵，镀膜，光伏，等离子行业 2.中低真空测量行业，如冶金 3.高真空计的连锁控制 热阴极电离真空计热阴极电离真空计（Bayard-Alpert） 8 热阴极离子规管的压力指示是基于气体分子电离产生的连续电 流。 负电子由从加热的阴极以控制良好的固定速率射出并朝着带正电 9 的栅极 （阳极） 加速运动。 电子进入栅极和对地连接的收集极空间内。 在这个空间内电子与真空系统中的气体分子碰撞产生正离子。 然后正 离子被位于柱状栅极中心轴处的接地的收集极收集。 在固定的灯丝对 栅极的电压和电子发射

8、电流下，压力低于 10-3Torr 时正离子形成率 直接与分子密度（压力）相关。离子流的强度在经压力单位调校的微 安计上显示出来。由于压力的指数是线性的，热阴极离子规管通常在 压力低于 10 -3Torr 时被认为进行连续的压力测量时精确的。 离子规的测量下限由这类型规管的 X 射线极限决定。X 射线极限 因不同规管设计而不同。 阴极发射的电子与栅极及其支撑网碰撞产生 X 射线。由于离子规的几何结构原因，仅有一小部分发射的 X 射线会 被收集极收集。 当 X 射线碰撞收集极丝时， 收集极上会有光电子发射。 X 射线电流限制了压力测量范围，使其等效压力下限到 10 -10 或 10 -11Tor

9、r 范围， 取决于规管型号。 早期的规管在栅极外有个柱状收集 极，这种规管的 X 射线极限大约在 10 -8Torr。当气体非常稀薄且规管 所获得的电流输出几乎全部都来源于 X 射线光电发射时，X 射线极限 就决定了规管最小压力测量值。 电极被碳氢化合物污染后会使 X 射线极限增加， 这是因为在 X 射 线轰击下污染表面会放出更多的二次电子。 这种污染通常可以通过电 极除气来消除。测量覆盖的范围：10 -2Torr 至 10-12Torr（具体参考实 际产品的指标） 冷阴极离子真空计冷阴极离子真空计（Cold cathode vacuum gauge） 10 冷阴极电离规也是通过电离气体分子收集离子电流的方法进行气压 测量，但与热阴极电离规不同的是，它是利用磁控放电电离气体分子 产生离子。冷阴极电离规无热灯丝，容易清洗保养。测量覆盖范围： 10 -2Torr 至 10-11Torr（具体参考实际产品的指标）