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)，稱為玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。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，請參見參考文獻(xiàn) [1] 和 [2]。

早期壓力測量

大氣壓力首先由 17 世紀(jì)的科學(xué)家 Evangelista Torricelli 測量。他使用了一個(gè)裝滿水銀的真空玻璃管，然后將其倒置在盛有水銀的盤子中（這種類型的測量裝置被稱為水銀壓力計(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盤中汞施加的壓力。他發(fā)現(xiàn)，海平面上的大氣對盤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，稱為“托” 歐洲和亞洲系統(tǒng)中的真空和氣象測量通常指“大氣”中的壓力，其中 1 個(gè)大氣壓（稱為 1 bar）是海平面的正常大氣壓。該系統(tǒng)中的真空測量值通常以 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. 常用壓力測量單位及其在大氣壓下的值。

表 1 顯示了壓力測量的常用單位及其在大氣壓下的值。可以在線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. 充滿液體的壓力計(jì)。

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

現(xiàn)代壓力測量

直接壓力測量

最常見的直接壓力測量類型使用機(jī)械變形作為測量壓力的基本原理。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量低壓差，而較厚、較硬的元件可類似地用于測量高壓差?？梢酝ㄟ^多種方式測量這些元件的偏轉(zhuǎn)程度，包括直接機(jī)械測量、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量值可以通過在機(jī)電隔膜壓力計(jì)中測量金屬或陶瓷薄膜的偏轉(zhuǎn)來確定（圖 4）。隔膜偏轉(zhuǎn)與儀表中存在的氣體種類無關(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是通過對參考壓力計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)來確定的。

圖 5. 電容壓力計(jì)中的信號測量。

通過測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。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，公式如下：圖 5. 在絕對壓力計(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。絕對電容壓力計(jì)通常用于過程真空測量。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)的真空測量主力。由于絕對電容壓力計(jì)對氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監(jiān)測過程中壓力的半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到絕對電容壓力計(jì)。差分電容壓力計(jì)在需要基于壓力的開關(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關(guān)和氣流壓降測量。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)的真空測量主力。由于絕對電容壓力計(jì)對氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監(jiān)測過程中壓力的半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到絕對電容壓力計(jì)。差分電容壓力計(jì)在需要基于壓力的開關(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關(guān)和氣流壓降測量。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)的真空測量主力。由于絕對電容壓力計(jì)對氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監(jiān)測過程中壓力的半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到絕對電容壓力計(jì)。差分電容壓力計(jì)在需要基于壓力的開關(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關(guān)和氣流壓降測量。由于絕對電容壓力計(jì)對氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監(jiān)測過程中壓力的半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到絕對電容壓力計(jì)。差分電容壓力計(jì)在需要基于壓力的開關(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關(guān)和氣流壓降測量。由于絕對電容壓力計(jì)對氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監(jiān)測過程中壓力的半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到絕對電容壓力計(jì)。差分電容壓力計(jì)在需要基于壓力的開關(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關(guān)和氣流壓降測量。

最常見的商用機(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。測量側(cè)的高壓使隔膜偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致隔膜和對電極之間的測量電容增加。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，該電壓被整流和線性化為 0 到 10 VDC 之間的模擬信號，對應(yīng)于 4 個(gè)十倍數(shù)的動(dòng)態(tài)壓力范圍。

圖 7. 不同類型的 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)，無論制造商如何，都必須定期歸零，以實(shí)現(xiàn)其測量的最佳精度和可重復(fù)性。當(dāng)基礎(chǔ)壓力 < 0.01% 滿量程時(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。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)以百萬計(jì)的這些被整合到可以安裝在汽車輪胎內(nèi)的輪胎壓力監(jiān)測設(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放的負(fù)載鎖和傳輸端口。MKS 902B 是一款絕對壓阻式傳感器，量程為 0.1 至 1000 Torr。它經(jīng)常用于無菌應(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)鍵測量。

 

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

間接壓力測量

在非常低的壓力下（低于約 10 -4Torr），不同壓力下隔膜偏轉(zhuǎn)測量值之間的相對差異不再足夠敏感，無法用于實(shí)際尺寸的壓力計(jì)。因此，針對這種壓力狀態(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）的測量。這些儀器的兩種主要類型是熱導(dǎo)率儀和氣體電離儀。熱導(dǎo)儀通過測量從熱線到周圍氣體的能量傳遞來確定氣體壓力。熱量通過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)，通常相對便宜且可靠。

 

圖 12. 熱陰極電離規(guī)組件。

當(dāng)壓力下降超過 10 -3 Torr 時(shí)，熱導(dǎo)率隨壓力的變化變得太小而無法用于壓力測量。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 都通過測量壓力計(jì)內(nèi)高能電子與殘留中性氣體分子之間的碰撞產(chǎn)生的離子通量來確定壓力。HCIG 使用來自燈絲的熱離子發(fā)射作為電子源，而 CCIG 使用循環(huán)空間電荷來產(chǎn)生自由電子等離子體。在 HCIG（圖 12）中，燈絲（陰極）通過熱離子發(fā)射發(fā)射電子，電離柵上的正電勢加速這些電子遠(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)生帶正電的陽離子，該陽離子被稱為收集器的負(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，因此間接壓力測量讀數(shù)總是取決于氣體種類（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 年代初開發(fā)的。傳感元件是一種細(xì)線，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。

 

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。

皮拉尼壓力計(jì)對壓力變化的響應(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)說明了氣體分子與皮拉尼元素接觸的停留時(shí)間。因此，用戶必須針對系統(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)對不同殘留氣體的響應(yīng)曲線（指示壓力）的圖形表示，說明了正確校準(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)過壓風(fēng)險(xiǎn)，從而引發(fā)安全問題。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)針對氮?dú)膺M(jìn)行校準(zhǔn)，并且需要校準(zhǔn)曲線才能與其他氣體一起使用。皮拉尼壓力計(jì)相對較快，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、渦輪泵前級管線、負(fù)載鎖、

MKS Instruments 的 275 Convectron Convectron 對流增強(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）的最大精確壓力測量擴(kuò)展到大氣壓。MKS 皮拉尼壓力計(jì)可提供鍍金線（標(biāo)準(zhǔn)）和鉑線。雖然鍍金線更準(zhǔn)確，但鉑線更耐化學(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)等直接壓力測量方法不再有效，因此必須使用依賴于氣體密度的方法。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)使用通過熱電子發(fā)射或等離子體產(chǎn)生產(chǎn)生的自由電子來執(zhí)行此測量。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：

 

這可以通過合并常數(shù)并將電離率定義為Ic / Ie來簡化：

 

其中K是通過校準(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、集電極和陽極柵極。通常，集電極處于地電位，陽極為 180V，燈絲為 30V。從陰極發(fā)射的高能電子向陽極柵極加速，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極柵軸上的收集器，產(chǎn)生由規(guī)靜電計(jì)測量的離子電流。這種儀表配置在集電極電流和壓力之間產(chǎn)生嚴(yán)格的線性關(guān)系。因此，集電極相對于燈絲和陽極是負(fù)的，電子只能到達(dá)陽極。測量的下限由 X 射線限值決定。在 HCIG 中，當(dāng)電子撞擊網(wǎng)格時(shí)會(huì)發(fā)射 X 射線。這些 X 射線中的一小部分會(huì)撞擊離子收集器，導(dǎo)致電子通過光電效應(yīng)噴射出來。由這種電子噴射產(chǎn)生的正離子被檢測為正離子電流，有助于壓力讀數(shù)。最佳傳統(tǒng) HCIG 的測量下限約為 10-11 Torr 因?yàn)檫@個(gè)現(xiàn)象。通過良好的操作協(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（未在工廠測試）。裸規(guī)配置的測量范圍在 X 射線下限 (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)并確保了長期穩(wěn)定性。Micro-Ion 規(guī)的規(guī)間重現(xiàn)性為 ±20%（在工廠測試）。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)（見下文）的 HCG 工廠具有 2-3% 的可重復(fù)性。

冷陰極電離計(jì)，CCIG，也稱為 Penning 真空計(jì)，可提供 10 -12和 10 -2之間的有效真空壓力測量托。這種類型的電離計(jì)使用兩個(gè)電極之間的高 (kV) 電壓來加速隨機(jī)的、自然產(chǎn)生的自由電子（來自例如宇宙射線碰撞），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 一樣被電離和測量。在 CCIG 內(nèi)，陽極是位于中心的保持在高電壓的棒，陰極是與陽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極/陰極排列（圖 17a）。在操作中，交叉的電場和磁場控制電子電流路徑，長時(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 的測量范圍從 1x10 -8到 5x10 -3 Torr，DualMag 的測量范圍從 1x10 -8 Torr 到大氣壓，QuadMag 壓力計(jì)的測量范圍從 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)是壓力測量的主要參考標(biāo)準(zhǔn)。與皮拉尼計(jì)一樣，SRG 也稱為分子阻力計(jì)或粘度計(jì)，測量從傳感器到周圍氣體的能量傳遞，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)。

在測量過程中，使用旋轉(zhuǎn)磁場將球旋轉(zhuǎn)到幾百赫茲，然后關(guān)閉驅(qū)動(dòng)場并使用磁傳感器測量球的減速率。由于減速是由碰撞過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 對氣體種類很敏感，它們通常用作校準(zhǔn)其他儀表類型的參考儀表。

固定長度光學(xué)腔 (FLOC) 測量儀

 

圖 19. FLOC 器件光學(xué)腔。

MKS Instruments 與 NIST 合作開發(fā)基于光學(xué)測量的新壓力主要標(biāo)準(zhǔn)。固定長度光學(xué)腔 (FLOC) 壓力計(jì)是一種便攜式設(shè)備，它使用光來測量壓力，其準(zhǔn)確度和精度比大多數(shù)商用壓力計(jì)都高。它測量通過兩個(gè)光學(xué)腔、一個(gè)參考真空通道和一個(gè)充滿被測氣體的通道的光頻率的細(xì)微差異。有關(guān) FLOC 壓力測量裝置的更詳細(xì)討論，請參見 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)境和測量所需的準(zhǔn)確度。例如，預(yù)期在沉積或蝕刻期間測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)影響測量精度并導(dǎo)致儀表組件出現(xiàn)物理化學(xué)問題。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)來測量基礎(chǔ)壓力，則測量依賴于被測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。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)類型的性能和成本比較。

表 2 提供了不同類型真空計(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)的快速直觀指南。

圖 2. 直接和間接真空計(jì)的測量范圍。