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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

环境温度对电容薄膜真空计修正因子的影响

本文介绍了电容薄膜真空计的原理,对环境温度对电容薄膜规校准结果产生的影响,以及修正方法做了分析。     

电容薄膜真空计测量结果与温度关系的实验研究

利用直接比较法装置,对满量程为133Pa的电容薄膜真空计进行实验。系统研究了在15.0℃~26.1℃范围内的测量结果与温度之间的关系,考察了在不同温度下零点漂移的情况。在实验中,将690 A型满量程为133 Pa的电容薄膜真空计作为参考。研究表明,在不同的温度下,两种电容薄膜真空计均有良好的线性,并且与23℃情况下的偏差基本与温差成正比。而零点漂移与温度的关系不明显,但总体上呈现随着温差的增加,零点漂移更严重的趋势。     

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。     

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。     

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。     

真空计动态响应特性实验研究

在工业应用中,为精确监测生产过程,真空计在极短的时间内(1 s或更短)对压力的快速变化做出响应的能力是至关重要的。采用兰州空间技术物理研究所自主研发的快速动态真空校准装置,研究了四种电容薄膜真空计和一种皮拉尼真空计的动态响应特性。分析了真空计动态真空校准过程中的标准压力建立时间、时间常数和响应时间等参数。并验证了该装置的校准能力。研究结果表明,不同的真空计在毫秒量级上跟踪压力变化的能力有明显差别。研究为真空计实现通常使用条件下的动态真空溯源奠定了基础。     

压差式漏率测试仪的实验研究

将薄膜电容真空计的测量室接于被测密闭容器，静态真空室接于一个比较容器，即组成一台压差式漏率测试仪。首先使两容器压力平衡，真空计读数为零。当被测容器存在漏孔时，真空计薄膜两侧形成压差，真空计指示读数，继而计算出该容器的漏率。应用商品真空计在抽真空测试时，检测的最小可测漏率达10－4～10-5Pa·L／s；而在充压测试时，因受气体温度变化的影响，灵敏度会降低几个量级。该仪器有可能具备寻找漏孔位置和确定漏孔漏率的功能。     

基于Au-Si共晶键合的高灵敏MEMS电容薄膜真空规设计

为了解决真空腔电极引线导致的真空漏气,进一步拓展真空规的测量下限,提出了一种基于Au-Si共晶键合的绝压式MEMS电容薄膜真空规设计方案.阐述了该新型MEMS电容薄膜真空规的制作工艺流程、用浓硼掺杂法制备感压薄膜技术,采用阳极键合协同Au-Si共晶键合技术实现真空腔的密封.通过理论计算和构建有限元模型,针对不同宽厚比,...     

第六讲：真空测量

第六讲：真空测量刘玉岱（东北大学）二、全压力测量７．电容式薄膜真空计（上接１９９７第２期）根据弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电容变化的原理制成的真空计称为电容式薄膜真空计，它由电容式薄膜规管（又称为电容式压力传感器）和测量仪器两部分组成。根据测量...     

ZDR-2型宽量程真空计鉴定会在成都召开

1985年 11月 18日至 23日在成都对成都滨江仪器厂设计的 ZDR-2型宽量程真空计进行了抽样技术鉴定。来自全国各地的院校、研究所、计量部门、工厂以及成都市科委等40余名代表在鉴定会上一致认为,该仪器具有体积小、重量轻、操作简单、电路设计先进、量程较宽、指示稳定可靠(10-2     

适应复杂环境的真空计

采用全陶瓷规管进行电荷屏蔽,实现了对薄膜真空计的改进,以满足在含有大量带电离子及饱和水蒸汽等特殊真空环境中低真空度的快速准确测量。介绍了提高传感精度且降低温度及水蒸气对电容薄膜真空计影响的方法、器件选择以及单片机控制系统等,并给出了部分测试结果。本文设计的低真空度测量系统具有模块化、精度高、响应速度快等优点,为国内特殊真空环境下低真空度测量系统提供了设计参考。     

差压式MEMS电容薄膜真空规的设计与测试

提出了一种基于MEMS技术的差压式电容薄膜真空规设计方案。通过有限元分析软件建立了仿真模型,对感压薄膜尺寸和电极间距离进行了优化。根据优化结果,完成了真空规的研制和性能测试。测试结果表明,测量范围下限5 Pa,上限1 000 Pa,灵敏度优于10 fF/Pa,测试曲线可以实现分段线性。     

容积式真空泵真空度测试装置的技术探讨

本文提出了替代压缩式真空计测量容积式真空泵极限真空度的必要条件 ,并研制一种新颖的能完全替代压缩式真空计的测试仪器以及相关的装置和测试方法