MEMS型电容薄膜真空计的关键技术研究进展北大核心CSCD

近二十年以来,仪器的小型化发展以及微机电系统(MEMS)技术工艺的发展带动了电容薄膜真空计的发展。其中,MEMS型电容薄膜真空计能将电路和敏感元件集成在同一芯片上,具有体积小、能耗低的优点,能广泛的运用在工业测量、深空探测等领域,是真空计量仪器研究热点之一。然而,体积小伴随着的测量范围窄、输出线性度不高、长久密封困难和残余气体影响问题都制约着真空计的商品化发展。针对上述的技术瓶颈,研究者提出了不同的技术方案来克服。文中总结相关的研究报道后对问题的缘由以及相应解决措施进行了分类整理与分析,对文献报道的MEMS型电容薄膜真空计进行了对比分析。最后,对MEMS型电容薄膜真空计的发展前景提出了展望。     

MEMS电容薄膜真空计及其性能研究

基于微机电系统(MEMS)技术研制了一种新型电容薄膜真空计,结合测量电路,对真空计的整体性能进行了研究。结果表明,MEMS电容薄膜真空计具有良好的稳定性,测量范围为0.2～1 050 Pa,分辨率为0.1 Pa,准确度达到0.1%FS。封装后的MEMS电容薄膜真空计质量为5.0 g,体积为4.1 cm³,整机功耗为2 W左右,具有质量轻、体积小、功耗低、成本低的特点,在空间应用以及工业生产应用中比传统的机械式电容薄膜真空计更具优势。     

真空计的发展概况与趋势

真空计量器具被广泛应用于各科学实验领域,种类繁多,样式各异。真空计的微型化是其主要发展趋势。概述了真空计的发展历程,重点对近年来真空计的最新发展作了梳理,并提出了某些特殊环境下真空度测量方法的构想。     

火星探测小型电容薄膜真空计的性能研究

目前在用电容薄膜真空计存在体积大、重量重等问题,无法满足深空探测中真空测量需求,因此设计了一种具有外形尺寸小、重量轻、工作温度范围宽等特点的小型电容薄膜真空计。在已经建立的金属膨胀式真空标准装置上对小型电容薄膜真空计的线性、稳定性、重复性等各项性能进行了反复的实验研究。实验结果表明,小型电容薄膜真空计具有良好的线性,重复性和稳定性的计算结果均能满足火星探测要求。     

一种“绝对型”电容薄膜真空计的研制

介绍用磁控溅射制作的从大气往真空约覆盖5个量程的“绝对型”电容薄膜真空规，以及与该真空规配套的真空计的电路。该真空计测量范围为1．3～105Pd，真空规与电容信号检测电路置于同一金属壳内，以避免外界干扰。规的恒温胜温度波动小于±0．1℃，有效地降低了温度的影响。电路的非线性小于0．4％，高真空下北输出漂移小于0．1％，在13～105Pa各量程内，最大校准误差小于读数的4％。     

双电容结构对电容薄膜真空计输出特性的影响

单电容结构电容薄膜真空计输出结果常受到工作环境的不利影响,计划设置双电容结构改善这一情况。为研究双电容结构对电容薄膜真空计电容输出特性的影响,根据电容计算理论和FEA(Finite Element Analysis),基于COMSOL Multiphysics软件构建双电容结构有限元模型。通过理论计算和模拟仿真分别得到在不同载荷条件下测量电容和参考电容的理论值和模拟值,分析不同结构的电容随载荷变化情况。结果表明:双电容结构对电容薄膜真空计电容输出特性有一定优化作用。对比单电容结构,双电容结构电容薄膜真空计的优势为,在感压薄膜挠度变化小于其厚度时,线性度提高0.6%,灵敏度降低0.6 pF/Pa;在感压薄膜变形接近固定极板时,线性度提高3.6%,灵敏度降低0.001 pF/Pa。     

薄膜电容真空计电源的研究

介绍了利用交流电桥和相敏检波（PSD）原理设计的薄膜电容真空计电源的电路实施方案、主机电路结构和实测性能，对其中关键的小电容测量方法进行了深入的研究，在8h内测量，电容差值的漂移可小至10－3pF。主机结构采用微机控制和真空计模块化设计，可构成复合真空计或用于组装其他真空计。初步测试结果表明，这种真空计用单规管可以实现从大气至1Pa，覆盖五个数量级的真空度测量。     

温度对电容薄膜真空计测量影响的实验研究

采用了一支满量程为1333Pa的绝压式电容薄膜真空计,在金属膨胀式真空标准装置上对其进行温度变化的影响实验研究,包括在开和未开控制单元的规管恒温和温度补偿功能两种情况下环境温度变化的实验,并在实验过程中记录了电容薄膜真空计的零点漂移情况。其中,在打开控制单元的规管恒温和温度补偿功能的条件下,电容薄膜真空计测量准确度非常好。而在未打开控制单元的规管恒温和温度补偿功能的条件下,在10^-2～10^-1Pa两个量级上电容薄膜真空计的示值与标准值有较大偏差,最大偏差为36％;而在1～10^2Pa量级上电容薄膜真空计测量准确度也非常好。     

静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计检测电路研究

静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计量程宽、稳定性高,具有广阔的应用前景。测量电路是保证静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计性能的关键因素。采用交流激励式检测方法,设计了一种微小电容检测电路,并利用软件仿真和实验测试进行验证。结果表明,该电路能够快速检测微小电容并将其转换为直流电压信号,分辨率为0.33 V/pF。此外,抗驱动电压干扰测试表明,该电路能够在1～100 V范围的直流驱动电压下正常工作,电容测量的输出电压最大标准差为0.010 249 V,并且具有优异的稳定性。     

电容薄膜真空计测量误差修正方法研究

电容薄膜真空计是利用变极距平行平板电容器间接测量压力的仪器,未经过修正的真空计存在较大的测量误差。对电容薄膜真空计进行了校准试验,研究了测量误差与校准曲线的关系。提出了一种修正电容薄膜真空计测量误差的方法,并与仪器标定通用的修正因子法进行了对比分析。结果表明,该方法对误差曲线的修正作用优于单一修正因子法,能在全量程范围内起修正作用。研究结果为提高电容薄膜真空计的测量精度奠定了技术基础。     

对BVD-5真空计的校准

对BVD-5真空计的零点、校准方法进行了分析,讨论了它的相对误差、响应及重复性。     

电容薄膜规的发展和现状

本文介绍了电容薄膜规的四个发展阶段和现状．综述了各阶段的制造、性能特点。对电容规的测量原理、校准技术、特别是主要性能进行了详细讨论。并就电容规的实际使用给出了可供借鉴的操作模式。     

MEMS型电容薄膜真空计研究进展

目前常用的电容薄膜真空计体积大、重量重,不能满足深空探测、临近空间探索、战略武器、战地医疗等特殊领域的真空测量需求。基于MEMS技术的电容薄膜真空计,能够使传感器、信号处理和控制电路等结构微型化,突破了传统电容薄膜真空计外形及质量限制,具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成化等优点,成为真空测量仪器研究的热点,能更好地满足特殊条件下的真空测量需求。文章对MEMS型电容薄膜真空计的发展现状、技术特点等进行了探讨研究,并对其发展前景提出展望。     

电容薄膜真空计的温度特性研究北大核心CSCD

电容薄膜真空计(Capacitance Diaphragm Gauge,CDG)是一种常用的粗低真空测量传感器,具有较高的测量精度和稳定性。温度是影响真空计量准确性的重要因素之一,环境温度的变化会导致CDG的测量结果发生较大的偏移。为探究温度对CDG测量结果的影响情况,开展了温度环境实验,考察了保温型与非保温型CDG在-30℃~50℃环境中测量结果的变化情况。实验结果表明,保温型CDG在额定温度0℃~45℃环境中测量结果较为稳定,温度高于或低于该区间范围时,测量结果会发生一定程度的偏移;温度对非保温型CDG造成的影响较大,利用温度-压力误差曲面可以修正CDG误差,提高真空计测量精度。     

MEMS领域中形状记忆合金薄膜的研究与进展

总结了近年来微机电系统(MEMS)领域中,ti-Ni形状记忆合金(SMA)薄膜的制备与微加工工艺、形状记忆性能、加工性能、防腐耐磨性能及力学性能的研究进展,由此提出了MEMS领域中,SMA薄膜的使用要求和研究方向.     

采用环形感压薄膜的MEMS电容薄膜真空规设计

感压薄膜的结构改良能有效改善MEMS电容薄膜真空规的压力-电容输出特性。为解决MEMS电容薄膜真空规宽量程与高灵敏度相矛盾的问题,设计一种环形结构的感压薄膜,利用有限元的方法分析对比5种环形结构的感压薄膜在不同压力下的变形与应力分布情况。分析认为,同心圆结构的感压薄膜具有最优异的性能,同等感测面积情况下真空规的压力-电容线性输出测量上限能从圆片结构的1.1×103 Pa延伸到同心圆结构的1.2×104 Pa,圆片结构感压薄膜的真空规在1～800 Pa区间内的压力-电容输出非线性度为3.9%,灵敏度为10.1 fF·Pa–1;同心圆结构感压薄膜的真空规结构在1～8 000 Pa区间内的非线性度为3.6%,灵敏度为1.3 fF·Pa–1。     

MEMS电容薄膜真空计微电容测量研究进展

MEMS电容薄膜真空计的小型化和整体性能与微电容测量电路密切相关。由于不同领域的应用需求,MEMS电容薄膜真空规管具有不同的敏感电容结构,而相应的微电容测量法也不同。单侧电极微电容测量法电路结构简单,易于实现;双侧电极微电容测量法电路结构较复杂,但该电路可以减小寄生电容及温度的影响而获得高分辨率;静电力平衡式结构下微电容测量法用闭环电路,在高精度测量的同时还能拓宽真空计的动态范围。介绍了测量原理、电路结构及性能,可以看出,具有精度高、功耗低、易集成的特点,能够应用于多种不同类型的MEMS电容式传感器的微小电容测量电路,对今后MEMS应用从航空航天等高精尖领域向人工智能物联网领域的拓展具有重要意义。     

灭弧室用磁控真空计的研究

介绍了同轴场式脉冲磁控真空计的测量原理以及设计中的有关问题。给出了某些真空灭弧室的压强－离子电流曲线。测量结果表明，该磁控计的压强－离子电流曲线为幂指数函数，磁控放电的离子电流与磁场强度无关，但磁场强度必须足以产生稳定的磁控放电。压强－离子电流曲线与灭弧室电极几何构造和触头的状况有关。