介紹

氣壓基礎(chǔ)

容器內(nèi)的氣體壓力定義為單個(gè)氣體分子或原子與壁碰撞而施加在容器壁上的累積力（圖 1）。

圖 1. 氣壓的基本來(lái)源。

壓力被確定為力/面積或F / A。單個(gè)分子在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)容器壁施加的力等于分子與壁之間的動(dòng)量傳遞，可以表示為：

其中t是分子與壁碰撞之間??的時(shí)間，m是分子質(zhì)量，v是其速度。因此，壓力可以定義為：

其中NV是容器中的分子總數(shù)，m是分子的質(zhì)量，v是其平均速度，V是容器的體積。由于分子的平均動(dòng)能與絕對(duì)溫度有關(guān)：

我們可以替換并重新排列等式（2）成為：

其中k是能量與溫度之間關(guān)系的比例常數(shù)，稱(chēng)為玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。由于理想氣體常數(shù)R只是玻爾茲曼常數(shù)乘以阿伏伽德羅數(shù)（N 0，一摩爾物質(zhì)中的分子數(shù) - 6.022×10 23），因此等式（4）完全等價(jià)于熟悉的理想氣體定律：

其中n是氣體的摩爾數(shù)，R是理想氣體常數(shù)。氣體的摩爾體積是一個(gè)常數(shù)（阿伏伽德羅定律），在 STP（標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力，1 個(gè)大氣壓，0°C）下，一摩爾氣體占據(jù) 22.4L。有關(guān)真空科學(xué)和技術(shù)分子基礎(chǔ)的更詳細(xì)討論，請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn) [1] 和 [2]。

早期壓力測(cè)量

大氣壓力首先由 17 世紀(jì)的科學(xué)家 Evangelista Torricelli 測(cè)量。他使用了一個(gè)裝滿(mǎn)水銀的真空玻璃管，然后將其倒置在盛有水銀的盤(pán)子中（這種類(lèi)型的測(cè)量裝置被稱(chēng)為水銀壓力計(jì)）。流體靜力平衡要求玻璃管中汞柱施加的壓力必須等于大氣對(duì)盤(pán)中汞施加的壓力。他發(fā)現(xiàn)，海平面上的大氣對(duì)盤(pán)中汞的作用力將支撐管中 760 毫米高的汞柱。這就是這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中大氣壓力單位看似奇數(shù)的原因——大氣壓力被分為 760 個(gè)單位，稱(chēng)為“托” 歐洲和亞洲系統(tǒng)中的真空和氣象測(cè)量通常指“大氣”中的壓力，其中 1 個(gè)大氣壓（稱(chēng)為 1 bar）是海平面的正常大氣壓。該系統(tǒng)中的真空測(cè)量值通常以 1/1000 大氣壓（毫巴）為單位進(jìn)行報(bào)告。帕斯卡是 SI 系統(tǒng)中用于壓力測(cè)量的單位。帕斯卡定義為每單位面積的力，等于 1 牛頓/米2 .

表 1. 常用壓力測(cè)量單位及其在大氣壓下的值。

表 1 顯示了壓力測(cè)量的常用單位及其在大氣壓下的值。可以在線(xiàn)找到各種壓力單位轉(zhuǎn)換計(jì)算器（例如，https://www.unitconverters.net/pressure-converter.html）。

圖 2. 充滿(mǎn)液體的壓力計(jì)。

自 Torricelli 時(shí)代以來(lái)，充液壓力計(jì)（圖 2）一直作為絕對(duì)真空壓力測(cè)量的基本標(biāo)準(zhǔn)使用。液體壓力計(jì)對(duì)真空和壓力進(jìn)行直接絕對(duì)測(cè)量，通常被認(rèn)為是其他壓力測(cè)量設(shè)備測(cè)量的基本測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)代壓力測(cè)量

直接壓力測(cè)量

最常見(jiàn)的直接壓力測(cè)量類(lèi)型使用機(jī)械變形作為測(cè)量壓力的基本原理。由于壓力是單位面積力的量度，因此壓差可以以可重復(fù)的方式使不同種類(lèi)的材料元件變形。元件經(jīng)受的變形程度與元件的材料特性和施加在其上的壓力成正比。因此，薄而柔韌的元件可用于測(cè)量低壓差，而較厚、較硬的元件可類(lèi)似地用于測(cè)量高壓差?？梢酝ㄟ^(guò)多種方式測(cè)量這些元件的偏轉(zhuǎn)程度，包括直接機(jī)械測(cè)量、包含該元件的設(shè)備的電氣特性變化以及光學(xué)探頭的偏轉(zhuǎn)。

圖 3. 壓力測(cè)量裝置中常用的機(jī)械變形元件及其隨壓力變化的變形模式。

圖 3 顯示了可用作機(jī)械壓力測(cè)量裝置中的變形元件的一些結(jié)構(gòu)。機(jī)械變形計(jì)包括電容壓力計(jì)、波登壓力計(jì)、共振膜片壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)、壓電壓力計(jì)等。

電容壓力計(jì)

大氣壓和中真空壓力下的直接壓力測(cè)量值可以通過(guò)在機(jī)電隔膜壓力計(jì)中測(cè)量金屬或陶瓷薄膜的偏轉(zhuǎn)來(lái)確定（圖 4）。隔膜偏轉(zhuǎn)與儀表中存在的氣體種類(lèi)無(wú)關(guān)，并且與隔膜上的壓差成正比。

圖 4. 使用隔膜偏轉(zhuǎn)的直接壓力測(cè)量。

圖4表示膜片的撓度與壓差d的關(guān)系，撓度距離與壓差成正比；比例常數(shù)k取決于隔膜厚度、材料和尺寸。k是通過(guò)對(duì)參考?jí)毫τ?jì)進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)確定的。

圖 5. 電容壓力計(jì)中的信號(hào)測(cè)量。

通過(guò)測(cè)量電極和隔膜之間的電容（電容壓力計(jì)，圖 5）可以生成與壓力成比例的電信號(hào)。在電容壓力計(jì)中，膜片向低壓側(cè)偏轉(zhuǎn)，如圖 4 所示。這些壓力計(jì)中膜片的偏轉(zhuǎn)程度決定了與壓力差 (P2 – P1) 成正比的電信號(hào)，公式如下：圖 5. 在絕對(duì)壓力計(jì)中，隔膜的一側(cè)（參考腔）是一個(gè)密封的真空腔，其中壓力恒定且實(shí)際上為零。絕對(duì)電容壓力計(jì)通常用于過(guò)程真空測(cè)量。因此，隔膜上的壓差總是以真空為參考。差動(dòng)電容壓力計(jì)沒(méi)有參考腔 - 只是一個(gè)可以連接到任何壓力或真空源的管或通道。這些壓力計(jì)讀取隔膜上的壓力差。電容式壓力計(jì)是半導(dǎo)體行業(yè)的真空測(cè)量主力。由于絕對(duì)電容壓力計(jì)對(duì)氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監(jiān)測(cè)過(guò)程中壓力的半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到絕對(duì)電容壓力計(jì)。差分電容壓力計(jì)在需要基于壓力的開(kāi)關(guān)和控制的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如腔室負(fù)載鎖定。它們通常用作安全開(kāi)關(guān)和氣流壓降測(cè)量。這些壓力計(jì)讀取隔膜上的壓力差。電容式壓力計(jì)是半導(dǎo)體行業(yè)的真空測(cè)量主力。由于絕對(duì)電容壓力計(jì)對(duì)氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監(jiān)測(cè)過(guò)程中壓力的半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到絕對(duì)電容壓力計(jì)。差分電容壓力計(jì)在需要基于壓力的開(kāi)關(guān)和控制的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如腔室負(fù)載鎖定。它們通常用作安全開(kāi)關(guān)和氣流壓降測(cè)量。這些壓力計(jì)讀取隔膜上的壓力差。電容式壓力計(jì)是半導(dǎo)體行業(yè)的真空測(cè)量主力。由于絕對(duì)電容壓力計(jì)對(duì)氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監(jiān)測(cè)過(guò)程中壓力的半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到絕對(duì)電容壓力計(jì)。差分電容壓力計(jì)在需要基于壓力的開(kāi)關(guān)和控制的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如腔室負(fù)載鎖定。它們通常用作安全開(kāi)關(guān)和氣流壓降測(cè)量。由于絕對(duì)電容壓力計(jì)對(duì)氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監(jiān)測(cè)過(guò)程中壓力的半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到絕對(duì)電容壓力計(jì)。差分電容壓力計(jì)在需要基于壓力的開(kāi)關(guān)和控制的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如腔室負(fù)載鎖定。它們通常用作安全開(kāi)關(guān)和氣流壓降測(cè)量。由于絕對(duì)電容壓力計(jì)對(duì)氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監(jiān)測(cè)過(guò)程中壓力的半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到絕對(duì)電容壓力計(jì)。差分電容壓力計(jì)在需要基于壓力的開(kāi)關(guān)和控制的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如腔室負(fù)載鎖定。它們通常用作安全開(kāi)關(guān)和氣流壓降測(cè)量。

最常見(jiàn)的商用機(jī)電真空計(jì)以MKS Instruments 的 Baratron® 電容壓力計(jì)為例。Baratron 電容式壓力計(jì)具有高真空參考腔、焊接的耐腐蝕隔膜傳感器和配置如圖 6 所示的對(duì)電極。

圖 6. MKS Instruments Baratron® 電容壓力計(jì)。

密封的參考腔被抽真空至<10 -7 Torr，真空由吸氣泵維持。測(cè)量側(cè)的高壓使隔膜偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致隔膜和對(duì)電極之間的測(cè)量電容增加。電容的變化使儀器中的交流電橋電路失衡，產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓被整流和線(xiàn)性化為 0 到 10 VDC 之間的模擬信號(hào)，對(duì)應(yīng)于 4 個(gè)十倍數(shù)的動(dòng)態(tài)壓力范圍。

圖 7. 不同類(lèi)型的 Baratron® 電容壓力計(jì)（10 -5到 10 5 Torr）。

圖 7 顯示了 MKS 提供的各種Baratron 電容壓力計(jì)配置適用于不同的壓力和工藝環(huán)境。這些壓力計(jì)通常在四個(gè)十年的范圍內(nèi)測(cè)量真空。它們可以提供加熱和非加熱版本。加熱版本在 >0.1% Full Scale 時(shí)最準(zhǔn)確和可靠，而未加熱版本在 >0.5% Full Scale 時(shí)提供可比性能。所有壓力計(jì)，無(wú)論制造商如何，都必須定期歸零，以實(shí)現(xiàn)其測(cè)量的最佳精度和可重復(fù)性。當(dāng)基礎(chǔ)壓力 < 0.01% 滿(mǎn)量程時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)零和設(shè)備精度。在壓力控制應(yīng)用中使用時(shí)，量程低于 100 mTorr Full Scale 的 Baratron 電容壓力計(jì)應(yīng)在 >1% Full Scale 下運(yùn)行；

圖 8. 使用 Baratron® 電容壓力計(jì)的范圍和壓力控制。

MKS Instruments 提供具有高工作溫度的標(biāo)準(zhǔn)和過(guò)程關(guān)鍵 Baratron 壓力表。

壓阻計(jì)

 

圖 9. 壓阻式隔膜壓力計(jì)。

壓阻式壓力計(jì)的構(gòu)造與電容式壓力計(jì)類(lèi)似，但使用了一個(gè)壓阻元件，該元件在應(yīng)變時(shí)會(huì)改變其電阻；這些元件連接到壓力計(jì)隔膜上，如圖 9 所示。壓阻元件包括薄膜電阻器、應(yīng)變儀、金屬合金和多晶半導(dǎo)體。當(dāng)隔膜向壓力表的低壓側(cè)偏轉(zhuǎn)時(shí)，感應(yīng)曲率會(huì)使元件應(yīng)變，從而改變其電阻。然后使用橋式電路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電輸出信號(hào)。這些壓力計(jì)的構(gòu)造如圖 10 所示，其中左側(cè)顯示了傳感元件，中間顯示了橋接電路，以及傳感器在壓力計(jì)中的物理位置。傳感器，

 

圖 10. 顯示電橋電路的壓阻式壓力計(jì)的物理結(jié)構(gòu)。

壓阻式傳感器廣泛用于消費(fèi)和技術(shù)應(yīng)用。數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的這些被整合到可以安裝在汽車(chē)輪胎內(nèi)的輪胎壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備中。MKS Instruments 提供用于技術(shù)應(yīng)用的MKS 901P和MKS 902B壓阻式壓力表（圖 11）。MKS 901 傳感器是一種差動(dòng)壓阻式傳感器，范圍為 -760 至 760 Torr，通常用于負(fù)載鎖定。MKS 901P 還可以配置一個(gè)熱導(dǎo)率計(jì)，將其范圍擴(kuò)展到 5x10 -4高達(dá) 1000 Torr 的高真空負(fù)載鎖應(yīng)用，使其非常適用于向大氣開(kāi)放的負(fù)載鎖和傳輸端口。MKS 902B 是一款絕對(duì)壓阻式傳感器，量程為 0.1 至 1000 Torr。它經(jīng)常用于無(wú)菌應(yīng)用，例如冷凍干燥和等離子滅菌。902B 不應(yīng)用于 1 Torr 以下的關(guān)鍵測(cè)量。

 

圖 11. MKS Instruments 壓阻式 901P 和 902B 傳感器。

間接壓力測(cè)量

在非常低的壓力下（低于約 10 -4Torr），不同壓力下隔膜偏轉(zhuǎn)測(cè)量值之間的相對(duì)差異不再足夠敏感，無(wú)法用于實(shí)際尺寸的壓力計(jì)。因此，針對(duì)這種壓力狀態(tài)的真空計(jì)設(shè)計(jì)基于氣體密度和一些與物種相關(guān)的分子特性（例如比熱）的測(cè)量。這些儀器的兩種主要類(lèi)型是熱導(dǎo)率儀和氣體電離儀。熱導(dǎo)儀通過(guò)測(cè)量從熱線(xiàn)到周?chē)鷼怏w的能量傳遞來(lái)確定氣體壓力。熱量通過(guò)與金屬絲的分子碰撞傳遞到氣體中，這些碰撞的頻率（以及因此傳遞的熱量程度）取決于氣體壓力和氣體分子的分子量。-4和 10 托。熱導(dǎo)率計(jì)，包括熱電偶、熱敏電阻和皮拉尼計(jì)，通常相對(duì)便宜且可靠。

 

圖 12. 熱陰極電離規(guī)組件。

當(dāng)壓力下降超過(guò) 10 -3 Torr 時(shí)，熱導(dǎo)率隨壓力的變化變得太小而無(wú)法用于壓力測(cè)量。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）和極高真空（XHV，<1×10 -12Torr) 方案，壓力測(cè)量最常使用氣體電離計(jì)，配置為熱陰極計(jì) (HCIG) 或冷陰極計(jì) (CCIG)。HCIG 和 CCIG 都通過(guò)測(cè)量壓力計(jì)內(nèi)高能電子與殘留中性氣體分子之間的碰撞產(chǎn)生的離子通量來(lái)確定壓力。HCIG 使用來(lái)自燈絲的熱離子發(fā)射作為電子源，而 CCIG 使用循環(huán)空間電荷來(lái)產(chǎn)生自由電子等離子體。在 HCIG（圖 12）中，燈絲（陰極）通過(guò)熱離子發(fā)射發(fā)射電子，電離柵上的正電勢(shì)加速這些電子遠(yuǎn)離燈絲。電子在網(wǎng)格中振蕩，直到它們最終撞擊網(wǎng)格或氣體分子。當(dāng)電子撞擊氣體分子時(shí)，產(chǎn)生帶正電的陽(yáng)離子，該陽(yáng)離子被稱(chēng)為收集器的負(fù)極加速并收集。以這種方式產(chǎn)生的電流與氣相中產(chǎn)生的離子數(shù)量成正比，而氣相中產(chǎn)生的離子數(shù)量又與氣體密度成正比，因此也與氣體壓力成正比。

由于所使用的物理特性是氣體特定的，因此間接壓力測(cè)量讀數(shù)總是取決于氣體種類(lèi)（即所有間接壓力表都需要?dú)怏w特定校準(zhǔn)）。

皮拉尼壓力計(jì)

皮拉尼真空計(jì)最早是在 1900 年代初開(kāi)發(fā)的。傳感元件是一種細(xì)線(xiàn)，它具有已知的電阻和已知的電阻溫度系數(shù)（即，它的電阻如何隨溫度變化），它浸入氣體中并被電加熱。該元件構(gòu)成平衡惠斯通電橋的一條腿。當(dāng)氣體分子與加熱元件碰撞時(shí)，它們會(huì)如上所述從加熱元件中提取熱量，從而改變其電阻，從而使電橋相對(duì)于其參考狀態(tài)失衡。由于碰撞次數(shù)以及因此傳遞給氣體的熱量與氣體壓力成正比，因此保持電橋平衡所需的功率與壓力成正比。圖 13 顯示了現(xiàn)代MKS Instruments Convectron® 皮拉尼真空計(jì)的橫截面以及殘余氮?dú)獾墓β逝c壓力曲線(xiàn)。

 

圖 13. (a) MKS Convectron® 皮拉尼真空計(jì)；(b) 具有氮?dú)鈿堄鄽怏w的系統(tǒng)中皮拉尼壓力計(jì)的功率與壓力曲線(xiàn)。

皮拉尼壓力計(jì)對(duì)壓力變化的響應(yīng)取決于系統(tǒng)中存在的氣體，因?yàn)槊糠N氣體都有不同的比熱容。它還取決于氣體的分子質(zhì)量和適應(yīng)系數(shù)，該系數(shù)說(shuō)明了氣體分子與皮拉尼元素接觸的停留時(shí)間。因此，用戶(hù)必須針對(duì)系統(tǒng)中預(yù)期的殘余氣體校準(zhǔn)皮拉尼壓力計(jì)。圖 14 顯示了氮?dú)庑?zhǔn)的皮拉尼真空計(jì)對(duì)不同殘留氣體的響應(yīng)曲線(xiàn)（指示壓力）的圖形表示，說(shuō)明了正確校準(zhǔn)皮拉尼真空計(jì)的重要性。

 

圖 14. 不同氣體的對(duì)流壓力讀數(shù)與實(shí)際壓力的關(guān)系。

在此示例中，指示的 10 托的氬氣壓力代表 1000 托的真實(shí)壓力。該數(shù)據(jù)清楚地表明，皮拉尼壓力計(jì)校準(zhǔn)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)過(guò)壓風(fēng)險(xiǎn)，從而引發(fā)安全問(wèn)題。此外，由于皮拉尼元件在 100 至 150°C 的溫度下工作，因此必須從壓力表中排除會(huì)分解并在元件上沉積固體材料的反應(yīng)性氣體。由于傳熱顯著降低到約 10 -4以下Torr, Pirani 壓力計(jì)精度在此壓力以下下降。在高壓（10 托及以上）下，氣體分子的平均自由程減小到非線(xiàn)性進(jìn)入壓力-電壓關(guān)系并降低儀表靈敏度的程度。先進(jìn)的皮拉尼真空計(jì)的構(gòu)造允許真空計(jì)內(nèi)的對(duì)流力幫助分子流動(dòng)。后一種設(shè)計(jì)使皮拉尼壓力計(jì)能夠以高達(dá) 760 托壓力的良好精度使用。皮拉尼真空計(jì)通常在收到時(shí)針對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行校準(zhǔn)，并且需要校準(zhǔn)曲線(xiàn)才能與其他氣體一起使用。皮拉尼壓力計(jì)相對(duì)較快，可以在十分之一秒或更短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)壓力變化。它們通常用于真空室粗加工管線(xiàn)、渦輪泵前級(jí)管線(xiàn)、負(fù)載鎖、

MKS Instruments 的 275 Convectron Convectron 對(duì)流增強(qiáng)型皮拉尼真空壓力傳感器（圖 13）和475 系列儀表控制器為 10 -4 Torr 到大氣壓之間的測(cè)量提供了異常穩(wěn)定的性能。這些皮拉尼傳感器在較高壓力下采用對(duì)流輔助熱損失，將傳統(tǒng)皮拉尼壓力表（通常為 10 托）的最大精確壓力測(cè)量擴(kuò)展到大氣壓。MKS 皮拉尼壓力計(jì)可提供鍍金線(xiàn)（標(biāo)準(zhǔn)）和鉑線(xiàn)。雖然鍍金線(xiàn)更準(zhǔn)確，但鉑線(xiàn)更耐化學(xué)腐蝕。MKS Instruments 還在MicroPirani™ 傳感器的設(shè)計(jì)中利用了 MEMS 技術(shù)比傳統(tǒng)的皮拉尼真空計(jì)具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、更小的體積和更好的穩(wěn)定性。MEMS 傳感器的聚對(duì)二甲苯涂層可用于抗蝕刻化合物。

 

圖 15. MKS Instruments MicroPirani™ 結(jié)構(gòu)和商用儀表。

圖 15 顯示了 MicroPirani 傳感器的示意圖以及兩個(gè)商業(yè) MKS Pirani 壓力計(jì)和采用該技術(shù)的系統(tǒng)的圖像。

電離計(jì)

在低于 10 -4 Torr 的壓力下，電容壓力計(jì)和皮拉尼計(jì)等直接壓力測(cè)量方法不再有效，因此必須使用依賴(lài)于氣體密度的方法。壓力與氣體密度的關(guān)系如下式：

 

其中P是壓力，c是常數(shù)，n是氣體的數(shù)密度，T是溫度。如上所述，電離計(jì)使用通過(guò)熱電子發(fā)射或等離子體產(chǎn)生產(chǎn)生的自由電子來(lái)執(zhí)行此測(cè)量。一旦校準(zhǔn)了壓力計(jì)，由負(fù)偏置收集器收集的離子電流可能與壓力有關(guān)。電離規(guī)的基本規(guī)方程為：

 

其中Ic是離子電流，k是常數(shù)，n是殘余氣體分子的數(shù)量密度，Ie是電離電子電流。代入n并重新排列得到壓力表達(dá)式：

 

這可以通過(guò)合并常數(shù)并將電離率定義為Ic / Ie來(lái)簡(jiǎn)化：

 

其中K是通過(guò)校準(zhǔn)確定的與氣體相關(guān)的常數(shù)，I是與分子密度成正比的電離率。

Bayard-Alpert (BA) 真空計(jì)是熱陰極電離真空計(jì)，有效測(cè)量范圍在 10 -11和 10 -2之間托。熱陰極電離計(jì)具有三個(gè)電極：陰極或燈絲、集電極和陽(yáng)極柵極。通常，集電極處于地電位，陽(yáng)極為 180V，燈絲為 30V。從陰極發(fā)射的高能電子向陽(yáng)極柵極加速，與氣相中的分子碰撞并電離。碰撞中產(chǎn)生的正離子被加速朝向位于陽(yáng)極柵軸上的收集器，產(chǎn)生由規(guī)靜電計(jì)測(cè)量的離子電流。這種儀表配置在集電極電流和壓力之間產(chǎn)生嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系。因此，集電極相對(duì)于燈絲和陽(yáng)極是負(fù)的，電子只能到達(dá)陽(yáng)極。測(cè)量的下限由 X 射線(xiàn)限值決定。在 HCIG 中，當(dāng)電子撞擊網(wǎng)格時(shí)會(huì)發(fā)射 X 射線(xiàn)。這些 X 射線(xiàn)中的一小部分會(huì)撞擊離子收集器，導(dǎo)致電子通過(guò)光電效應(yīng)噴射出來(lái)。由這種電子噴射產(chǎn)生的正離子被檢測(cè)為正離子電流，有助于壓力讀數(shù)。最佳傳統(tǒng) HCIG 的測(cè)量下限約為 10-11 Torr 因?yàn)檫@個(gè)現(xiàn)象。通過(guò)良好的操作協(xié)議和適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，Bayard-Alpert HCIG 讀數(shù)的傳感器間重復(fù)性通常約為 2%。讀數(shù)的重復(fù)性為 1-2%，主要受無(wú)法控制的隨機(jī)靈敏度變化限制。

 

圖 16. 冷陰極電離規(guī)的內(nèi)部配置、電子路徑/離子生成和物理配置。

MKS 提供多種不同儀器配置的 Bayard-Alpert 壓力計(jì)。傳統(tǒng)的 BA 壓力計(jì)，例如圖 16 所示的裸露或玻璃封閉壓力計(jì)，是一種穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的解決方案，用于測(cè)量高真空和超高真空狀態(tài)下的壓力。熱陰極規(guī)的重復(fù)性為 1-2%。玻璃封閉儀表通常具有 ±25% 的儀表間重現(xiàn)性（未在工廠(chǎng)測(cè)試）。裸規(guī)配置的測(cè)量范圍在 X 射線(xiàn)下限 (10 -11 Torr) 和 0.001 Torr 之間；玻璃封閉的 BA 量規(guī)具有稍高的測(cè)量下限 <1.0x10 -9 Torr。MKS Micro-Ion® Bayard-Alpert 真空計(jì)是最小的 BA 真空計(jì)，適合安裝在復(fù)雜、擁擠的真空系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)的裸露或玻璃封閉儀表相比，它們提供了更堅(jiān)固的封裝，消除了玻璃破損的風(fēng)險(xiǎn)并確保了長(zhǎng)期穩(wěn)定性。Micro-Ion 規(guī)的規(guī)間重現(xiàn)性為 ±20%（在工廠(chǎng)測(cè)試）。這些儀表的范圍（5x10 -10到 5x10 -2 Torr）比玻璃封閉的 BA 儀表更寬。MKS Instruments Stabil-Ion® BA 真空計(jì)帶 Convectron 真空計(jì)選項(xiàng)是一種突破性的真空壓力計(jì)，可提供最廣泛的壓力測(cè)量能力 (2.0x10 -11高達(dá) 999 Torr）和最佳的儀表間重現(xiàn)性（360 系列為 ±6%，370 系列為 ±4%），采用堅(jiān)固封裝，不會(huì)發(fā)生玻璃破損、玻璃分解或氦氣滲透。Stable-Ion 真空計(jì)采用接地的金屬測(cè)量管外殼進(jìn)行完全靜電屏蔽，可確保在存在外部電氣干擾的情況下穩(wěn)定運(yùn)行。穩(wěn)定離子規(guī)是第一個(gè)具有足夠長(zhǎng)期穩(wěn)定性的電離規(guī)，可以證明將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中是合理的。每個(gè) Stabil-Ion 壓力計(jì)都提供基于 15 個(gè)單獨(dú)校準(zhǔn)的壓力值的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。參考主要參考標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)下文）的 HCG 工廠(chǎng)具有 2-3% 的可重復(fù)性。

冷陰極電離計(jì)，CCIG，也稱(chēng)為 Penning 真空計(jì)，可提供 10 -12和 10 -2之間的有效真空壓力測(cè)量托。這種類(lèi)型的電離計(jì)使用兩個(gè)電極之間的高 (kV) 電壓來(lái)加速隨機(jī)的、自然產(chǎn)生的自由電子（來(lái)自例如宇宙射線(xiàn)碰撞），這些自由電子與殘留的氣體原子碰撞，產(chǎn)生一個(gè)正離子和另一個(gè)自由電子。自由電子被磁場(chǎng)俘獲，產(chǎn)生電子等離子體。等離子體中的原子或分子與 HCG 一樣被電離和測(cè)量。在 CCIG 內(nèi)，陽(yáng)極是位于中心的保持在高電壓的棒，陰極是與陽(yáng)極同心的處于接地電位的圓柱形金屬籠。陶瓷或稀土磁體圍繞陽(yáng)極/陰極排列（圖 17a）。在操作中，交叉的電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制電子電流路徑，長(zhǎng)時(shí)間捕獲近乎恒定的循環(huán)電子電流，電極之間的環(huán)內(nèi)的擺線(xiàn)軌跡（圖 17b）。這些電子與殘留氣體分子碰撞，在陰極產(chǎn)生正離子通量，該通量與殘留氣體原子的數(shù)量密度成正比。

 

圖 17. MKS Instruments 提供的 Bayard-Alpert 熱陰極電離規(guī)。

MKS Instruments 提供冷陰極真空計(jì)，例如971B UniMag™ Cold Cathode 真空傳感器、972B DualMag™ Cold Cathode MicroPirani 真空傳感器和974B QuadMag™ Cold CathodeMicroPirani-Piezo 真空傳感器。971B UniMag 的測(cè)量范圍從 1x10 -8到 5x10 -3 Torr，DualMag 的測(cè)量范圍從 1x10 -8 Torr 到大氣壓，QuadMag 壓力計(jì)的測(cè)量范圍從 1x10 -8托至 1500 托。與所有電離真空計(jì)一樣，MKS Instruments 的 HCIG 和 CCIG 真空計(jì)必須針對(duì)真空系統(tǒng)中預(yù)期的殘余氣體進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，由于不同的工作原理，CCIG 需要與 HCIG 不同的氣體校正因子。CCIG 的可重復(fù)性通常不如 HCIG 一致，典型值約為 ±5%，傳感器間的可重復(fù)性值為 30%。對(duì)于高精度操作，CCIG 通常根據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)，例如旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子量規(guī)或高精度 HCIG。雖然 CCIG 具有不會(huì)燒壞的熱燈絲的優(yōu)點(diǎn)，但它們會(huì)受到壓力指示隨時(shí)間漂移、壓力指示與真實(shí)壓力的不連續(xù)性以及啟動(dòng)不確定性的影響。

主要參考標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)

旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子規(guī)

旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子壓力計(jì) (SRG)是壓力測(cè)量的主要參考標(biāo)準(zhǔn)。與皮拉尼計(jì)一樣，SRG 也稱(chēng)為分子阻力計(jì)或粘度計(jì)，測(cè)量從傳感器到周?chē)鷼怏w的能量傳遞，以確定氣體的數(shù)密度。在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子真空計(jì)的情況下，一個(gè)小鋼球被磁懸浮在一個(gè)水平安裝并連接到真空系統(tǒng)的非磁性管中。圖 18 顯示了 SRG 的示意圖。

 

圖 18. 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子量規(guī)。

在測(cè)量過(guò)程中，使用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將球旋轉(zhuǎn)到幾百赫茲，然后關(guān)閉驅(qū)動(dòng)場(chǎng)并使用磁傳感器測(cè)量球的減速率。由于減速是由碰撞過(guò)程中從球到氣體分子的能量轉(zhuǎn)移引起的，使用氣體動(dòng)力學(xué)理論，它可以與氣體的數(shù)密度相關(guān)，從而與壓力相關(guān)。SRG 對(duì)氣體種類(lèi)很敏感，它們通常用作校準(zhǔn)其他儀表類(lèi)型的參考儀表。

固定長(zhǎng)度光學(xué)腔 (FLOC) 測(cè)量?jī)x

 

圖 19. FLOC 器件光學(xué)腔。

MKS Instruments 與 NIST 合作開(kāi)發(fā)基于光學(xué)測(cè)量的新壓力主要標(biāo)準(zhǔn)。固定長(zhǎng)度光學(xué)腔 (FLOC) 壓力計(jì)是一種便攜式設(shè)備，它使用光來(lái)測(cè)量壓力，其準(zhǔn)確度和精度比大多數(shù)商用壓力計(jì)都高。它測(cè)量通過(guò)兩個(gè)光學(xué)腔、一個(gè)參考真空通道和一個(gè)充滿(mǎn)被測(cè)氣體的通道的光頻率的細(xì)微差異。有關(guān) FLOC 壓力測(cè)量裝置的更詳細(xì)討論，請(qǐng)參見(jiàn) https://www.nist.gov/news-events/news/2019/02/floc-takesflight-first-portable-prototype-photonic-pressure-sensor。

結(jié)論 - 真空計(jì)選擇

許多不同類(lèi)型的真空計(jì)可用于具有不同范圍、精度和材料要求的應(yīng)用。對(duì)于給定的真空應(yīng)用，真空計(jì)的選擇取決于預(yù)期的真空環(huán)境和測(cè)量所需的準(zhǔn)確度。例如，預(yù)期在沉積或蝕刻期間測(cè)量工藝壓力的儀表必須必然暴露于工藝氣體中。這可能會(huì)影響測(cè)量精度并導(dǎo)致儀表組件出現(xiàn)物理化學(xué)問(wèn)題。如果在殘余氣體的化學(xué)性質(zhì)未知的系統(tǒng)中需要真空計(jì)來(lái)測(cè)量基礎(chǔ)壓力，則測(cè)量依賴(lài)于被測(cè)氣體的分子特性的真空計(jì)可能不適合。在制造環(huán)境中，量規(guī)選擇具有成本效益也很重要。在真空計(jì)的情況下，根據(jù)設(shè)計(jì)和相關(guān)的輔助設(shè)備，真空計(jì)成本可能會(huì)相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。一旦確定了真空計(jì)范圍、精度、工藝兼容性和成本的規(guī)格，選擇最符合這些規(guī)格的真空計(jì)就很重要。

 

表 2. 不同真空計(jì)類(lèi)型的性能和成本比較。

表 2 提供了不同類(lèi)型真空計(jì)的性能和成本比較，圖 20 提供了使用直接和間接真空計(jì)的最佳壓力狀態(tài)的快速直觀(guān)指南。

圖 2. 直接和間接真空計(jì)的測(cè)量范圍。