真空傳感器是用于測(cè)量真空系統(tǒng)中壓力的設(shè)備，真空系統(tǒng)被定義為壓力明顯低于大氣壓的空間。這些傳感器在半導(dǎo)體制造、制藥、食品加工和研究實(shí)驗(yàn)室等各個(gè)行業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。了解真空傳感器的工作原理及其應(yīng)用對(duì)于優(yōu)化工藝和確保真空條件至關(guān)重要的環(huán)境中的**至關(guān)重要。

一、了解真空和真空傳感器

• 確保需要真空條件的工藝的完整性。
• 防止敏感環(huán)境中的污染。
• 在壓差至關(guān)重要的系統(tǒng)中保持**。

二、真空傳感器的工作原理

1、電容式真空傳感器

電容式壓力計(jì)是測(cè)量壓力和真空的機(jī)電式壓力計(jì)。電容計(jì)將薄隔膜中的壓力調(diào)制運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為與壓力成比例的電信號(hào)。上圖顯示了商用電容壓力計(jì)的主要部件。壓力傳感器是一個(gè)薄隔膜，通過入口管暴露在測(cè)量的壓力或真空中。電極，通常是具有導(dǎo)電通路的陶瓷盤，安裝在該隔膜后面的參考腔中，并由電信號(hào)（交流或直流）供電。過程和參考腔之間的壓力差使隔膜略微偏轉(zhuǎn)，從而改變了隔膜和電極之間的距離。該距離的變化導(dǎo)致隔膜和電極之間的電容變化，電信號(hào)的這種變化與壓力變化成正比。該信號(hào)由車載電子設(shè)備放大，并輸出到設(shè)備的電氣連接器，以傳輸?shù)綁毫χ甘酒骱瓦^程控制器。 

由于隔膜偏轉(zhuǎn)與力（壓力）成正比，電容式真空壓力計(jì)的壓力測(cè)量與被測(cè)氣體的成分無關(guān)。因此，如果過程中的氣體成分發(fā)生變化，電容式真空壓力計(jì)的輸出也不會(huì)改變。在許多化學(xué)和薄膜工藝中，化學(xué)成分可以逐秒變化；電容式壓力計(jì)在這種過程中提供了關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)。電容式壓力計(jì)通常讀取50年范圍內(nèi)的壓力或真空；即從1000托到0.01托。電容式壓力計(jì)傳感器有兩種基本類型：
**電容壓力計(jì)，其中參考腔被抽真空至高真空，因此壓力測(cè)量始終以真空為參考。差分電容壓力計(jì)沒有參考腔，只有一個(gè)可以連接到任何壓力或真空源的管子或通道。這些壓力計(jì)讀取入口管和電極背面參考腔之間的壓力差。它們通常用作**開關(guān)和氣流壓降測(cè)量
電容式壓力計(jì)經(jīng)常被用作其他類型儀表的參考裝置（即，它們是測(cè)量其他類型儀表所依據(jù)的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)）。未加熱的1000托電容壓力計(jì)的精度規(guī)格（包括可重復(fù)性）約為讀數(shù)的0.25%。這可以與相同范圍的皮拉尼或熱電偶真空傳感器測(cè)量?jī)x的5-25%的讀數(shù)精度進(jìn)行比較，即100X的比率。
注意：切勿使用熱式或機(jī)械式壓力計(jì)校準(zhǔn)壓力計(jì)，因?yàn)閴毫τ?jì)的精度要高得多。
電容式真空壓力計(jì)是半導(dǎo)體行業(yè)的真空測(cè)量主力。由于**電容壓力計(jì)對(duì)氣體成分不敏感，幾乎在每個(gè)半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到**電容壓力表，用于監(jiān)測(cè)過程中的壓力。差分電容壓力計(jì)廣泛應(yīng)用于需要基于壓力的開關(guān)和控制的領(lǐng)域，如腔室負(fù)載鎖。

• 半導(dǎo)體制造
• 真空鍍膜工藝
• 科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室

2、PIRANI皮拉尼熱導(dǎo)率真空傳感器

熱導(dǎo)率真空傳感器根據(jù)氣體的熱導(dǎo)率測(cè)量壓力。該原理依賴于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力而變化的事實(shí)。皮拉尼熱導(dǎo)真空計(jì)物理學(xué)，皮拉尼真空計(jì)儀*早是在20世紀(jì)初開發(fā)的。如前所述，真空傳感器元件是一根已知電阻和已知電阻溫度系數(shù)（即其電阻如何隨溫度變化）的導(dǎo)線。該元件構(gòu)成了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)從中帶走熱量，改變其電阻值，使電橋相對(duì)于其參考狀態(tài)不平衡。由于碰撞次數(shù)以及傳遞到氣體的熱量與氣體壓力成正比，因此保持電橋平衡所需的電壓與壓力成正比。 皮拉尼真空計(jì)儀表在使用時(shí)必須認(rèn)識(shí)到其局限性。由于不同的氣體具有不同的從燈絲傳遞熱量的能力（即不同的比熱容），皮拉尼儀表的響應(yīng)取決于系統(tǒng)中存在的氣體。因此，用戶必須校準(zhǔn)皮拉尼儀表，以確定系統(tǒng)中預(yù)期的殘留氣體。在相同壓力下，用氦氣吹掃的系統(tǒng)將產(chǎn)生與用氮?dú)獯祾叩牟煌钠だ嵴婵沼?jì)儀表讀數(shù)（見圖1和圖2）。由于皮拉尼真空元件在100至150°C的溫度下工作，因此必須注意將可能分解并在元件上沉積固體物質(zhì)的反應(yīng)性氣體排除在儀表之外。如果出現(xiàn)此類沉積物（或腐蝕性氣體與元素發(fā)生反應(yīng)），皮拉尼的準(zhǔn)確性將降低。由于皮拉尼真空傳感器依賴于周圍氣體對(duì)元件的散熱，當(dāng)壓力降至約10-4Torr以下時(shí)，皮拉尼會(huì)失去精度，從而顯著降低熱傳遞。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)的皮拉尼壓力計(jì)的構(gòu)造是為了允許壓力計(jì)內(nèi)的對(duì)流力來幫助分子流動(dòng)。后一種設(shè)計(jì)使皮拉尼壓力計(jì)能夠以高達(dá)760托的精度使用。皮拉尼壓力真空規(guī)傳感器通常用于氮?dú)庑?zhǔn)，與其他氣體一起使用時(shí)需要校準(zhǔn)曲線。皮拉尼真空傳感器壓力計(jì)相對(duì)較快，對(duì)壓力變化的響應(yīng)時(shí)間為十分之一秒或更短。

3.溫度差：測(cè)量加熱器和溫度傳感器之間的溫差。該差值用于計(jì)算腔室中的壓力。

• 實(shí)驗(yàn)室真空系統(tǒng)
• 氣體分析
• 環(huán)境監(jiān)測(cè)

皮拉尼真空計(jì)傳感器的相對(duì)低成本、小尺寸和良好的靈敏度使其成為中低真空范圍內(nèi)常規(guī)真空測(cè)量的優(yōu)選。相對(duì)于其他類型的真空計(jì)，它們的精度較低（讀數(shù)的5%），這限制了它們?cè)诜顷P(guān)鍵應(yīng)用中的使用。它們對(duì)反應(yīng)性氣體的敏感性意味著它們必須與工藝氣流隔離。

3、電離計(jì)真空傳感器

電離計(jì)真空傳感器工作原理
1.氣體被電離：燈絲在加熱時(shí)會(huì)發(fā)射電子，與真空室中的氣體分子碰撞，使其電離。
2.離子收集：產(chǎn)生的離子被吸引到帶正電的電極上，產(chǎn)生離子電流。
3.電流測(cè)量：該離子電流的大小與存在的氣體分子數(shù)量成正比，這與真空室中的壓力有關(guān)。

電離計(jì)真空傳感器用于測(cè)量高真空和超高真空壓力。它們通過電離氣體分子并測(cè)量由此產(chǎn)生的離子電流來工作。UHV超高真空和XHV壓力測(cè)量通常使用配置為熱陰極計(jì)（HCG）或冷陰極計(jì)（CCG）的電離計(jì)真空傳感器進(jìn)行。這兩種傳感器類型都通過測(cè)量高能電子和儀表內(nèi)殘留中性氣體分子碰撞產(chǎn)生的離子通量來確定壓力（見我們前面的討論）。HCG利用燈絲的熱離子發(fā)射作為電子源，而CCG利用循環(huán)空間電荷產(chǎn)生自由電子等離子體。 當(dāng)真空系統(tǒng)的壓力低于約10^-4Torr時(shí)，電容式真空傳感器壓力計(jì)和皮拉尼真空傳感器壓力計(jì)等直接壓力測(cè)量方法不再有效，有必要使用基本上計(jì)算氣體空間中分子數(shù)量的方法。后一個(gè)量稱為數(shù)密度，通常用符號(hào)n表示。就數(shù)密度而言，壓力可以計(jì)算如下： p=cnT
其中p是壓力，c是常數(shù)，T是溫度。電離氣體并收集離子是建立氣相中數(shù)密度的一種方便方法，因?yàn)楫a(chǎn)生離子的碰撞動(dòng)力學(xué)與氣體中分子的數(shù)密度之間存在明確的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，從而與氣體的壓力有關(guān)。電離計(jì)使用熱離子發(fā)射或等離子體產(chǎn)生產(chǎn)生的自由電子進(jìn)行測(cè)量。一旦真空壓力計(jì)被校準(zhǔn)，負(fù)偏壓收集器收集的離子電流就可以與壓力相關(guān)。電離規(guī)的基本規(guī)方程為： IC=KnIe
其中Ic是離子電流，K是與電離概率相關(guān)的常數(shù)，n是氣體分子的數(shù)密度，Ie是電離電子電流。
 

冷陰極電離計(jì)真空傳感器測(cè)量?jī)x，也稱為彭寧測(cè)量?jī)x（以其***的名字命名），自20世紀(jì)30年代末以來一直在使用。CCG與HCG的不同之處在于，它們?cè)陔姌O之間使用高壓（在kV范圍內(nèi)）代替熱絲，產(chǎn)生自由電子和交叉磁場(chǎng)，在測(cè)量?jī)x中產(chǎn)生受控的電流路徑。CCG依靠宇宙射線、放射源和場(chǎng)發(fā)射引起的隨機(jī)發(fā)射電子，在規(guī)范的電流路徑內(nèi)引發(fā)穩(wěn)定的電子等離子體。自發(fā)明以來，冷陰極電離計(jì)壓力計(jì)經(jīng)歷了許多進(jìn)化發(fā)展，擴(kuò)大了其范圍和精度。倒置磁控管傳感器幾何形狀現(xiàn)在*常用于CCG，因?yàn)樗姆秶軓V，沒有雜散效應(yīng)。倒置磁控管設(shè)計(jì)的出現(xiàn)使得能夠在10-10Torr以下進(jìn)行測(cè)量的緊湊型CCG得以開發(fā)。其他改進(jìn)，如集電極的隔離和保護(hù)電極的使用，進(jìn)一步拓寬了CCG的應(yīng)用范圍。如今，CCG與簡(jiǎn)單可靠的控制器配合使用，可用于各種真空測(cè)量應(yīng)用，特別是那些需要堅(jiān)固耐用和高靈敏度/精度的應(yīng)用。冷陰極壓力計(jì)的壓力測(cè)量上限與熱陰極壓力計(jì)相似。通常，CCG可有效測(cè)量10-10至10-2Torr范圍內(nèi)的工作壓力。與HCG一樣，出于類似的原因，CCG讀數(shù)取決于氣體。然而，由于操作原理不同，CCG需要與HCG不同的氣體校正系數(shù)。CCG的重復(fù)性通常不如HCG一致，典型值約為±5%，真空傳感器間的再現(xiàn)性為20-25%并不罕見。對(duì)于高精度操作，CCG通常根據(jù)傳遞標(biāo)準(zhǔn)（如旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子量規(guī)或高精度HCG）進(jìn)行校準(zhǔn)。

• 超高真空系統(tǒng)
• 物理與材料科學(xué)研究應(yīng)用
• 表面分析技術(shù)

7、暖通空調(diào)系統(tǒng)： 真空傳感器用于暖通空調(diào)系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)制冷劑管路中的真空度并確保正常運(yùn)行。 保持正確的真空度對(duì)于暖通空調(diào)系統(tǒng)的效率和壽命至關(guān)重要。

真空傳感器是廣泛應(yīng)用中不可或缺的工具，從半導(dǎo)體制造到食品加工和研究實(shí)驗(yàn)室。它們?cè)谡婵窄h(huán)境中準(zhǔn)確測(cè)量壓力的能力對(duì)于確保過程完整性、**性和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。了解各種類型真空傳感器的工作原理，使用戶能夠根據(jù)自己的特定需求選擇合適的傳感器。隨著技術(shù)的進(jìn)步，真空傳感器不斷發(fā)展，提供了更高的精度、可靠性和集成能力。 隨著工業(yè)越來越依賴真空系統(tǒng)來提高效率和生產(chǎn)力，真空傳感器的重要性只會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。通過投資高質(zhì)量的真空傳感器并實(shí)施適當(dāng)?shù)木S護(hù)和校準(zhǔn)實(shí)踐，組織可以優(yōu)化其??程并提高真空環(huán)境中的**性。