一种全量程真空计的制作方法

[0001]
本申请涉及测量技术领域，特别是涉及一种全量程真空计。


背景技术：

[0002]
真空规为真空计量仪器的敏感元件，真空计则是一个完整的产品，含有真空规、测试电路与控制单元。
[0003]
硅微谐振规和阻尼型粘滞性真空规分别被用来测试低中真空与中高真空，两者原理与测试真空度区间不同。目前尚未有相关的产品或者论文报道同一规表测试全量程真空度(该处全量程是指低真空：105～102pa、中真空：102～10-1
pa、高真空10-1
～10-5
)。
[0004]
硅微谐振规利用谐振频率测试气体压力，敏感元件在不同气体压力下的谐振频率不同，谐振频率与气体压力值成正相关的关系。硅微谐振规具有体积小、重量轻、功耗低、动态响应快以及抗干扰能力强，稳定性高等优点而被研究使用，用于粗低真空测试。阻尼型粘滞性真空规具有测量灵敏度高，测量重复性好的特点被用于中高真空测试，被广泛用作中高真空计量标准器具与量值传递溯源器具，目前报道的粘滞性真空计有reva型粘滞性真空计与磁悬浮转子真空计两种。
[0005]
reva型粘滞性真空规的敏感元件是一根金属丝，金属丝外有永久性磁铁，金属丝通电时产生的电磁场会与永久磁铁产生的磁场通过电磁力相互作用而振动，随着压力的变化，为维持金属丝振幅保持恒定需要的电流值也会跟着改变，使金属丝的振幅保持恒定，能从金属丝的电流变化读取出环境的气体压力信息，该规表的测量范围为105pa～10-1
pa，常用的测量范围是10pa～10-1
pa。
[0006]
磁悬浮转子真空计是利用转子转速的相对衰减率与气体压力成正比的关系来测量压力。磁悬浮转子规的敏感部件为金属小球转子，转子置于金属管内，金属管外有一对永久磁铁以及三对电磁线圈。转子受到的重力与转子和永久磁铁之间的磁力相互抵消，使转子悬浮于待测环境中。使用电磁线圈产生的磁场调节转子的空间位置以及驱动转子高速旋转、测试转子的转速衰减。断开旋转磁场驱动后，转子在真空环境中自由旋转，在气体分子的阻尼作用下，转子的转速不断减小。转子转速的衰减速率与测试环境的气体压力有关，所以测试衰减时间就能准确的反映测试环境的气体压力。这种磁悬浮转子规的测试范围为1pa～10-4
pa，测试时不会产生离子、电子、光子，不会改变测试环境的气体压力与气体成分，无抽气效应，测试结果稳定，重复性好灵敏度高，是测试中高真空范围内性能最优良的真空计，经常被用作标准器具校准其他类型的真空计或者作为真空量值溯源和传递的标准器具。但是这种真空计存在制作困难、控制电路复杂、造价昂贵的问题，目前只有美国的mks公司实现了磁悬浮转子粘滞性规的商业化生产，中高真空度量值传递标准器具的国产化任然处于空白。


技术实现要素：

[0007]
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种实现全量程的全量程真空计及其测
试方法。
[0008]
一种全量程真空计，包括：
[0009]
敏感模块、控制模块以及数据处理模块；
[0010]
所述敏感模块包括多个尺寸互异的敏感单元；
[0011]
所述控制模块与所述敏感单元连接；所述敏感单元通过多个测试模态和多个尺寸互异的敏感单元进行真空测量；
[0012]
所述数据处理模块持续采集所述敏感单元在不同测试模态下的输出参数，根据输出参数计算测试环境的实际压力值。
[0013]
在其中一个实施例中，所述敏感单元为mems敏感单元。
[0014]
在其中一个实施例中，所述敏感单元包括盖板保护层、运动部件层以及下电极层；所述下电极层包括驱动电极和敏感电极；所述驱动电极驱动所述运动部件层产生相对运动。
[0015]
在其中一个实施例中，所述运动部件包括：质量块、敏感轴和固定锚点；所述质量块的数量为一个或者偶数个；所述质量块的形状沿着所述敏感轴的轴向呈全对称分布。
[0016]
在其中一个实施例中，所述质量块厚度为20μm～500μm，质量块的表面积为0.5cm2～8cm2；敏感轴长度为0.02～0.3mm，敏感轴的宽度为8
×
10-3
mm～4
×
10-2
mm，敏感轴的截面面积为4
×
10-4
mm2～4
×
10-3
mm2。
[0017]
在其中一个实施例中，所述敏感轴的截面形状为非全对称图形，所述敏感轴的截面形状基于干法刻蚀工艺成l形、凹形、凸形；或，基于湿法刻蚀工艺的平行四边形、五边形、六边形；或，干湿法结合刻蚀工艺的几何非全对称图形。
[0018]
在其中一个实施例中，所述质量块的表面设置压膜阻尼面；通过调整所述压膜阻尼面的尺寸或者在所述质量块的表面刻蚀阻尼孔，调节衰减法的测量范围和灵敏度。
[0019]
上述全量程真空计，通过敏感单元在测试环境中谐振，进行测试环境中压强的测量，真空计的敏感模块包括多个尺寸互异的敏感单元，可以知道，尺寸互异的敏感单元可以测量的压强区间不同，通过合理设计尺寸互异的敏感单元，可以覆盖全量程的真空范围，在测量上，通过不同的测试模态，敏感单元可以工作在不同的量程区间，从而进一步提升真空度测量的精度。
附图说明
[0020]
图1为一个实施例中全量程真空计的结构框图；
[0021]
图2为一个实施例中运动部件层的示意性结构图；
[0022]
图3为一个实施例中敏感轴截面形状的示意图；
[0023]
图4为一个实施例中全量程真空计的测试方法的流程示意图。
具体实施方式
[0024]
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0025]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种全量程真空计，包括：
[0026]
敏感模块102、控制模块104以及数据处理模块106。
[0027]
敏感模块102包括多个尺寸互异的敏感单元，在控制模块104输出的不同的测试模态驱动下，敏感单元包括多个测试模态；多个所述测试模态和多个尺寸互异的敏感单元，分别采用频率响应法、频率漂移法测量测量低真空和中真空的测试区间，采用衰减法和pid控制法测量高真空的测试区间，数据处理模块106持续采集敏感单元在不同测试模态下的输出参数，根据输出参数计算测试环境的实际压力值。
[0028]
在本实用新型中所提及的频率响应法、频率漂移法、衰减法和pid控制法，其定义如下：
[0029]
1：频率漂移法：在一个扫频周期内，采集最大振动幅值对应的频率值，该频率值会随着气体压力的变化而变化。具体变化为：频率值随着压力值的上升而上升。
[0030]
2：频率响应法：在一个扫频周期内，拟合频率-输出电压扫频后的曲线后可以计算出品质因素。该品质因素的数值大小与气体压力变化有关，具体变化为：随之压力值上升，品质因素下降。
[0031]
3：衰减法：施加交流偏置电压与直流偏置电压，驱动运动部件以恒定的振动幅值振动使其输出稳定的电压值u。关闭交流偏置电压后，输出电压值u会衰减，衰减的速率与气体压力相关。从前述的品质因素计算公式可以得到品质因素的数值，其值大小与气体压力相关，具体表现为品质因素值与气体压力值成反比。
[0032]
4：pid控制法：使用pid控制器控制运动部件以稳定的振幅振动并输出稳定的电压值，当气体压力上升时，运动部件的气体阻尼力随之上升。在pid控制下，为了维持原有的振动幅值，偏置电压也随之升高。即pid控制法是从偏执电压中分离环境的气体压力信息。
[0033]
具体的，低真空指的105～102pa的压力范围；中真空指的是：102～10-1
pa的压力范围；高真空指的是：10-1
～10-5
压力范围。
[0034]
本实施例中，在真空的环境下，敏感单元在测量环境中，由于气体的压膜阻尼效应，在无外驱动力的作用下，敏感模块的谐振幅度会逐渐减小至零，通过压膜阻尼，可以有效的对真空度进行测量。值得说明的是，对于真空度的读取，可以通过数显表进行显示，具体是将数显表与数据处理模块106进行连接。
[0035]
上述全量程真空计，通过敏感单元在测试环境中谐振，进行测试环境中压强的测量，真空计的敏感模块包括多个尺寸互异的敏感单元，可以知道，尺寸互异的敏感单元可以测量的压强区间不同，通过合理设计尺寸互异的敏感单元，可以覆盖全量程的真空范围，在测量上，通过不同的测试模态，敏感单元可以工作在不同的量程区间，从而进一步提升真空度测量的精度。
[0036]
本实用新型实施例设计的真空计，基于尺寸互异的敏感单元，可以测量不同量程的真空度，以下进行具体说明。
[0037]
在一个实施例中，敏感单元包括盖板保护层、运动部件层以及下电极层，下电极层包括驱动电极和敏感电极，驱动电极驱动运动部件层产生相对运动。
[0038]
在另一个实施例中，如图2所示，运动部件包括：质量块41-32、敏感轴21-23和固定锚点11-12，质量块的数量为一个或者偶数个，质量块的形状沿着敏感轴的轴向呈全对称分布。
[0039]
敏感模块包含质量块与敏感轴，质量块和下电极之间施加一定强度的直流偏置电
压以及与敏感单元谐振频率相同频率的交流偏置电压时，质量块会产生与交流偏置电压相同频率的谐振。谐振时，质量块与检测电极之间的电容值变化，输出采样电压值a。由于气体的压膜阻尼效应影响，关闭交流偏置电压后，敏感元件的振动幅度会逐渐的减小直到变为零。定义为衰减时间截止电压值(e为自然对数的底数)，取关闭交流信号的一刻到输出电压等于时刻之间的时间隔为自然衰减时间t，则衰减时间t能反映出测试环境的气体压力p。
[0040]
敏感元件的品质因素q表示为
[0041]
q＝π
×
f
×
t
ꢀꢀ
(1)
[0042]
其中,f是谐振频率，t是衰减时间，因此可以使用敏感单元的品质因素q表征环境的气体压力。从实际的测试结果得知，由于mems工艺的加工精度误差，同一批流片的敏感单元，其谐振频率有200hz左右的相对偏差。
[0043]
振动结构的q值可以定义为一个振动周期内存储的最大振动能量与能量损耗之比，表示为:
[0044][0045]
q值大小与损耗机理相关表示为：
[0046][0047]
其中，q
air
、q
ted
、q
sup
、q
sub
、q
sur
、q
others
分别表示空气阻尼、热弹性阻尼、支撑损耗、基底能量损耗、表面损耗以及其他损耗。
[0048]
从公式(1)～(3)可知，振动结构的品质因素q与空气阻尼有关，还与热弹性阻尼以及支撑阻尼有关。
[0049]
敏感单元的q值与空气阻尼q
air
相关，若将敏感单元的运动模型简化，简化为矩形平板的上下振动，同时矩形平板的下方有一静止面。从流体力学可知，上下振动的运动平板，会压缩或者膨胀平板和固定面之间的空间，产生不均匀的压力分布阻止物体的运动。当矩形板向下运动时，间隙内的压力增大，间隙内的气体向外流溢，当矩形板向上运动时，间隙内的压力减小，外部气体会流入间隙中。矩形板运动的阻尼力f为：
[0050][0051]
h表示矩形板与其下部固定面之间的距离，表示矩形板相对固定面的运动速度，阻力系数c表示为：
[0052][0053]
其中，μ是气体粘滞系数，与气体种类和气体温度有关，b、l分别表示矩形的宽和矩形的长，公式中的表示为：
[0054][0055]
阻尼系数c越大，则矩形板运动受到的阻力越大，谐振后的衰减时间越短。从上述分析可知，影响矩阻尼力的参数有气体种类、气体温度、矩形板的长度l、矩形板的宽度b以及板间间距h。l、b是矩形板的几何参数，所以敏感单元的压膜阻尼面面积响气体阻尼力，压膜阻尼面越大则气体阻尼效果越明显，压膜阻尼面越小则气体阻尼效果越弱。h是板间间距，板间间距越小则阻尼系数越大，压膜阻尼效应越明显。
[0056]
同时，敏感元件的q值与支撑梁的热弹性阻尼q
ted
相关。热弹性阻尼表示的是振动过程中应力场合热流产生的温度梯度导致的阻尼。对于热弹性体而言，应力场与温度场之间存在耦合，热弹性体的松弛是通过不可逆的热流实现。不可逆热流是由局部温度场梯度和应力场耦合引起，这部分的能量损耗称热弹性阻尼。只要材料的热膨胀系数不为零，则一定存在热弹性阻尼。zener建立了弯曲谐振梁的热弹性阻尼解析式，表示为：
[0057][0058]
其中，
[0059][0060]
上式中，e是材料的杨氏模量，ρ是材料密度，c
t
是材料的比热容，χ是材料的热扩散率，α是支撑梁长度方向的热膨胀系数，t是绝对温度，ω是谐振频率，w是梁的宽度。即说明，当温度和材料一定的条件下，热弹性阻尼主要受谐振频率ω和梁宽度w的影响。所以敏感轴尺寸直接影响热弹性阻尼大小，敏感越细长则热弹性阻尼越小，敏感越短粗则热弹性阻尼越大。
[0061]
综上，可以知道，测量高真空使用大面积的质量块与细长的敏感轴，测量粗真空则使用小面积的质量块与短粗的敏感轴。然而，单一敏感元件的量程较窄。规表上有多个敏感元件时，由于敏感元件之间的尺寸互异，每个元件的敏感区间范围也不同，可以实现宽量程范围的覆盖。
[0062]
在其中一个实施例中，敏感单元为mems敏感单元。mems敏感单元使用mems工艺制作，具有制作工艺成熟、制作成本低的优点。由于制备方法采用光刻工艺、刻蚀工艺，可以有效与cmos工艺兼容，可以有效解决传统的中高真空计量仪器体积大的问题，满足仪器仪表小型化的发展趋势。本实施例中，可以有效的降低中高真空计量仪器制作成本，解决中高真空传感器制作困难、造价昂贵的问题。
[0063]
另外，对于尺寸互异的敏感单元设计，通过mems工艺，可以定向设计不同尺寸组合，实现目标量程区间的高灵敏度测量，从而提高真空计的灵敏度范围。
[0064]
在其中一个实施例中，如图3所示，敏感轴的截面形状为非全对称图形，敏感轴的截面形状基于干法刻蚀工艺成l形、凹形、凸形，或，基于湿法刻蚀工艺的平行四边形、五边形、六边形，或，干湿法结合刻蚀工艺的几何非全对称图形。本实施例中，解决了水平方向上制作驱动电极的难度较大的问题，便于质量块在偏置电压的驱动下产生第四阶谐振模态，该工作模态的运动近似为为质量块水平方向上的异向简谐振动。由于截面的几何非对称，
敏感轴会产生水平方向上的运动分量，故电极驱动后可以产生第四阶谐振模态。
[0065]
在一个实施例中，质量块的表面设置压膜阻尼面，通过调整压膜阻尼面的尺寸或者在质量块的表面刻蚀阻尼孔，调节衰减法的测量范围和灵敏度。
[0066]
在其中一个实施例中，质量块的表面刻蚀阻尼孔。本实施例中，为了适应不同量程的测量范围以及满足制作简单的要求，可以在敏感轴尺寸形状相同、质量块形状大小相同的情况下，在质量块的表面刻蚀出阻尼孔，阻尼孔越多则质量块的压膜阻尼面的面积越小，压膜阻尼效应越弱，真空计对真空度的敏感层度越高。
[0067]
在其中一个实施例中，为了拓宽测量范围，规表上有多个敏感单元，敏感单元之间的尺寸参数不同，包括敏感轴的长度、宽度以及其截面几何形状。其中，质量块厚度为20μm～500μm，质量块的表面积为0.5cm2～5cm2，敏感轴长度为0.08～0.3mm，质量块与下电极之间的距离为0.5μm～5μm。每个敏感单元的敏感区间范围有所差异，具体体现在压膜阻尼面的大小以及敏感轴的尺寸，从而使真空计的量程覆盖5
×
10-5
pa～1
×
103pa。
[0068]
在其中一个实施例中，针对测试环境的真空度不同，读出测试输出参数后能自动切换到另外一个敏感元件或者自动切换不同的测试模态以满足测试需求，比如停止当前敏感元件的工作转而驱动灵敏度最高的敏感元件，或者改变驱动频率以及激励方式，将敏感单元工作状态从低频率低幅值的第三阶谐振模态转换到第五阶谐振模态。
[0069]
在其中一个实施例中，真空计还采用pid控制器闭环驱动自动调频，具体是每个敏感单元的谐振频率不同，使用第三阶模态、第四阶模态、第五阶模态、第六阶模态谐振衰减法测试环境的气体压力时，通过pid控制器闭环驱动自动调频，使真空计工作在稳定的谐振幅值，输出稳定的电压值。
[0070]
值得说明的是，交流偏置电压的频率不同以及激励方式不同会使敏感部件产生不同的谐振状态。敏感单元有几种谐振模态，其中适合于测试的模态共有三种，分别为第三阶谐振模态(该模态为质量块在垂直方向上的上下同向振动)、第四阶谐振模态(该模态为质量块在水平方向的左右异向振动)、第五阶谐振模态(该模态为质量块在垂直方向上的上下异向振动)。每一种谐振模态对应的谐振频率、谐振幅值不同，衰减时间也各异，对应的敏感区间也不相同。
[0071]
在其中一个实施例中，提供一种全量程真空计的测试方法，步骤包括：
[0072]
步骤一，启动上述真空计；
[0073]
步骤二，驱动所述多个尺寸互异的敏感单元中的敏感单元a，扫描a的谐振频率，判断谐振频率是否高于参考频率，若谐振频率大于参考频率，则输出测试真空度；所述参考频率是频率漂移法测量下限真空度对应的频率值；
[0074]
步骤三，当谐振频率小于参考频率时时，设置敏感元件的测试工作模态为a＝1，输出测量换算的品质因素值q
aa
；其中，a＝1是频率响应法；
[0075]
步骤四，判断品质因素值q
aa
是否在敏感元件a在a＝1模态下的预设的品质因素q范围内；若在预设范围，则将品质因素值q
aa
转化为真空度p输出；若小于建议预设的品质因素q，则返回步骤二；
[0076]
步骤五，若高于预设的品质因素q范围，判断1<a<6是否成立，若是，则修改测试方法为a＝a+1，输出品质因素值q
aa
；其中，a＝a+1模态比a＝1模态测量真空度更高的模态；
[0077]
步骤六，重复步骤四，若品质因素值q
aa
在当前模态的预设的品质因素q范围，则输
出真空度p，若输出品质因素值q
aa
高于当前模态的预设的品质因素q值范围，则重复步骤五；
[0078]
步骤七，若1<a<6不成立，则令a＝a+1，在a＝1模态下输出品质因素值q
aa
；其中，敏感元件a+1是比敏感元件a测量真空度更高的单元；
[0079]
步骤八，判断品质因素值q
aa
是否在该敏感元件a+1当前模态下的预设的品质因素q范围内；若输出品质因素值q
aa
在当前模态的预设的品质因素q范围，则输出真空度p；
[0080]
步骤九，若高于当前模态的预设的品质因素q范围，则判断1<a<n是否成立；其中n是敏感单元的个数；若成立则重复步骤五至步骤七；
[0081]
步骤十，若不成立则输出超出量程范围。
[0082]
本实施例中，切换后的敏感单元具有真空度更高的模态，因此可以满足更高真空度的测量需求，另外通过不同的测试模态，也可以拓宽量程。
[0083]
在其中一个实施例中，根据谐振频率，计算得到敏感单元对应的品质因素，包括：获取敏感单元谐振时输出的电压值u；根据电压值u获取敏感单元的衰减时间t为电压值u衰减至所需的时间：e表示自然对数底数；根据所述谐振频率和所述衰减时间，得到敏感单元对应的品质因素为：
[0084]
q＝π
×
f
×
t
[0085]
其中，f表示谐振频率。
[0086]
在另一个实施例中，采用pid控制法切换敏感单元的测试模态或者切换另一敏感单元测试，直至达到稳态。稳态指的是控制理论中的稳态。
[0087]
在一个具体实施例中，敏感单元的模态总共包括：频率漂移法、频率响应法、第三谐振模态、第四谐振模态、第五谐振模态和第六谐振模态。敏感单元为n个。在具体的实施例中，如图4所示，具体步骤如下：
[0088]
步骤1，开启真空计。
[0089]
步骤2，驱动敏感单元a，扫描a的谐振频率，判断谐振频率是否高于参考频率f0，若f>f0,则输出测试真空度。参考频率f0是频率漂移法测量下限真空度对应的频率值。
[0090]
步骤3，当f<f0时，令敏感元件的测试工作模态为a＝1，输出测量换算的品质因素q
aa
值。其中，a＝1是频率响应法。
[0091]
步骤4，判断q
aa
值是否在该敏感元件该模态下的建议q值范围内。若在建议范围，则转化为真空度p输出；若低于该建议q值，则返回步骤2；
[0092]
步骤5，若高于建议q值范围，判断1<a<6是否成立，成立则修改测试方法为a＝a+1，输出测量值q
aa
。其中，a＝a+1模态比a＝1模态测量真空度更高的模态。
[0093]
步骤6，重复步4，若输出q
aa
在该模态的建议q值范围，则输出真空度p，若输出q
aa
高于该模态的建议q值范围，则重复步骤5。
[0094]
步骤7，若1<a<6不成立，则令a＝a+1，a＝1输出q
aa
。其中，a+1敏感元件是是比a敏感元件测量测量真空度更高的单元。
[0095]
步骤8，判断q
aa
值是否在该敏感元件该模态下的建议q值范围内。若输出q
aa
在该模态的建议q值范围，则输出真空度p。
[0096]
步骤9，若高于该模态的建议q值范围，则判断1<a<n是否成立，其中n是敏感单元的个数。若成立则重复步5-7。
[0097]
步骤10，若不成立，则输出over range。
[0098]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0099]
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。