真空传感器工作原理和应用

真空传感器是用于测量真空系统中压力的设备，真空系统被定义为压力明显低于大气压的空间。这些传感器在半导体制造、制药、食品加工和研究实验室等各个行业中发挥着至关重要的作用。了解真空传感器的工作原理及其应用对于优化工艺和确保真空条件至关重要的环境中的**至关重要。

一、了解真空和真空传感器

• 确保需要真空条件的工艺的完整性。
• 防止敏感环境中的污染。
• 在压差至关重要的系统中保持**。

二、真空传感器的工作原理

1、电容式真空传感器

电容式压力计是测量压力和真空的机电式压力计。电容计将薄隔膜中的压力调制运动转换为与压力成比例的电信号。上图显示了商用电容压力计的主要部件。压力传感器是一个薄隔膜，通过入口管暴露在测量的压力或真空中。电极，通常是具有导电通路的陶瓷盘，安装在该隔膜后面的参考腔中，并由电信号（交流或直流）供电。过程和参考腔之间的压力差使隔膜略微偏转，从而改变了隔膜和电极之间的距离。该距离的变化导致隔膜和电极之间的电容变化，电信号的这种变化与压力变化成正比。该信号由车载电子设备放大，并输出到设备的电气连接器，以传输到压力指示器和过程控制器。 

由于隔膜偏转与力（压力）成正比，电容式真空压力计的压力测量与被测气体的成分无关。因此，如果过程中的气体成分发生变化，电容式真空压力计的输出也不会改变。在许多化学和薄膜工艺中，化学成分可以逐秒变化；电容式压力计在这种过程中提供了关键的优势。电容式压力计通常读取50年范围内的压力或真空；即从1000托到0.01托。电容式压力计传感器有两种基本类型：
**电容压力计，其中参考腔被抽真空至高真空，因此压力测量始终以真空为参考。差分电容压力计没有参考腔，只有一个可以连接到任何压力或真空源的管子或通道。这些压力计读取入口管和电极背面参考腔之间的压力差。它们通常用作**开关和气流压降测量
电容式压力计经常被用作其他类型仪表的参考装置（即，它们是测量其他类型仪表所依据的校准标准）。未加热的1000托电容压力计的精度规格（包括可重复性）约为读数的0.25%。这可以与相同范围的皮拉尼或热电偶真空传感器测量仪的5-25%的读数精度进行比较，即100X的比率。
注意：切勿使用热式或机械式压力计校准压力计，因为压力计的精度要高得多。
电容式真空压力计是半导体行业的真空测量主力。由于**电容压力计对气体成分不敏感，几乎在每个半导体工艺工具中都可以找到**电容压力表，用于监测过程中的压力。差分电容压力计广泛应用于需要基于压力的开关和控制的领域，如腔室负载锁。

• 半导体制造
• 真空镀膜工艺
• 科学研究实验室

2、PIRANI皮拉尼热导率真空传感器

热导率真空传感器根据气体的热导率测量压力。该原理依赖于气体的导热系数随压力而变化的事实。皮拉尼热导真空计物理学，皮拉尼真空计仪*早是在20世纪初开发的。如前所述，真空传感器元件是一根已知电阻和已知电阻温度系数（即其电阻如何随温度变化）的导线。该元件构成了平衡惠斯通电桥的一条腿。当气体分子与加热元件碰撞时，它们会从中带走热量，改变其电阻值，使电桥相对于其参考状态不平衡。由于碰撞次数以及传递到气体的热量与气体压力成正比，因此保持电桥平衡所需的电压与压力成正比。 皮拉尼真空计仪表在使用时必须认识到其局限性。由于不同的气体具有不同的从灯丝传递热量的能力（即不同的比热容），皮拉尼仪表的响应取决于系统中存在的气体。因此，用户必须校准皮拉尼仪表，以确定系统中预期的残留气体。在相同压力下，用氦气吹扫的系统将产生与用氮气吹扫的不同的皮拉尼真空计仪表读数（见图1和图2）。由于皮拉尼真空元件在100至150°C的温度下工作，因此必须注意将可能分解并在元件上沉积固体物质的反应性气体排除在仪表之外。如果出现此类沉积物（或腐蚀性气体与元素发生反应），皮拉尼的准确性将降低。由于皮拉尼真空传感器依赖于周围气体对元件的散热，当压力降至约10-4Torr以下时，皮拉尼会失去精度，从而显著降低热传递。在高压（10托及以上）下，气体分子的平均自由程减小到非线性进入压力-电压关系并降低仪表灵敏度的程度。先进的皮拉尼压力计的构造是为了允许压力计内的对流力来帮助分子流动。后一种设计使皮拉尼压力计能够以高达760托的精度使用。皮拉尼压力真空规传感器通常用于氮气校准，与其他气体一起使用时需要校准曲线。皮拉尼真空传感器压力计相对较快，对压力变化的响应时间为十分之一秒或更短。

3.温度差：测量加热器和温度传感器之间的温差。该差值用于计算腔室中的压力。

• 实验室真空系统
• 气体分析
• 环境监测

皮拉尼真空计传感器的相对低成本、小尺寸和良好的灵敏度使其成为中低真空范围内常规真空测量的优选。相对于其他类型的真空计，它们的精度较低（读数的5%），这限制了它们在非关键应用中的使用。它们对反应性气体的敏感性意味着它们必须与工艺气流隔离。

3、电离计真空传感器

电离计真空传感器工作原理
1.气体被电离：灯丝在加热时会发射电子，与真空室中的气体分子碰撞，使其电离。
2.离子收集：产生的离子被吸引到带正电的电极上，产生离子电流。
3.电流测量：该离子电流的大小与存在的气体分子数量成正比，这与真空室中的压力有关。

电离计真空传感器用于测量高真空和超高真空压力。它们通过电离气体分子并测量由此产生的离子电流来工作。UHV超高真空和XHV压力测量通常使用配置为热阴极计（HCG）或冷阴极计（CCG）的电离计真空传感器进行。这两种传感器类型都通过测量高能电子和仪表内残留中性气体分子碰撞产生的离子通量来确定压力（见我们前面的讨论）。HCG利用灯丝的热离子发射作为电子源，而CCG利用循环空间电荷产生自由电子等离子体。 当真空系统的压力低于约10^-4Torr时，电容式真空传感器压力计和皮拉尼真空传感器压力计等直接压力测量方法不再有效，有必要使用基本上计算气体空间中分子数量的方法。后一个量称为数密度，通常用符号n表示。就数密度而言，压力可以计算如下： p=cnT
其中p是压力，c是常数，T是温度。电离气体并收集离子是建立气相中数密度的一种方便方法，因为产生离子的碰撞动力学与气体中分子的数密度之间存在明确的统计关系，从而与气体的压力有关。电离计使用热离子发射或等离子体产生产生的自由电子进行测量。一旦真空压力计被校准，负偏压收集器收集的离子电流就可以与压力相关。电离规的基本规方程为： IC=KnIe
其中Ic是离子电流，K是与电离概率相关的常数，n是气体分子的数密度，Ie是电离电子电流。
 

冷阴极电离计真空传感器测量仪，也称为彭宁测量仪（以其***的名字命名），自20世纪30年代末以来一直在使用。CCG与HCG的不同之处在于，它们在电极之间使用高压（在kV范围内）代替热丝，产生自由电子和交叉磁场，在测量仪中产生受控的电流路径。CCG依靠宇宙射线、放射源和场发射引起的随机发射电子，在规范的电流路径内引发稳定的电子等离子体。自发明以来，冷阴极电离计压力计经历了许多进化发展，扩大了其范围和精度。倒置磁控管传感器几何形状现在*常用于CCG，因为它的范围很广，没有杂散效应。倒置磁控管设计的出现使得能够在10-10Torr以下进行测量的紧凑型CCG得以开发。其他改进，如集电极的隔离和保护电极的使用，进一步拓宽了CCG的应用范围。如今，CCG与简单可靠的控制器配合使用，可用于各种真空测量应用，特别是那些需要坚固耐用和高灵敏度/精度的应用。冷阴极压力计的压力测量上限与热阴极压力计相似。通常，CCG可有效测量10-10至10-2Torr范围内的工作压力。与HCG一样，出于类似的原因，CCG读数取决于气体。然而，由于操作原理不同，CCG需要与HCG不同的气体校正系数。CCG的重复性通常不如HCG一致，典型值约为±5%，真空传感器间的再现性为20-25%并不罕见。对于高精度操作，CCG通常根据传递标准（如旋转转子量规或高精度HCG）进行校准。

• 超高真空系统
• 物理与材料科学研究应用
• 表面分析技术

7、暖通空调系统： 真空传感器用于暖通空调系统，以监测制冷剂管路中的真空度并确保正常运行。 保持正确的真空度对于暖通空调系统的效率和寿命至关重要。

真空传感器是广泛应用中不可或缺的工具，从半导体制造到食品加工和研究实验室。它们在真空环境中准确测量压力的能力对于确保过程完整性、**性和产品质量至关重要。了解各种类型真空传感器的工作原理，使用户能够根据自己的特定需求选择合适的传感器。随着技术的进步，真空传感器不断发展，提供了更高的精度、可靠性和集成能力。 随着工业越来越依赖真空系统来提高效率和生产力，真空传感器的重要性只会继续增长。通过投资高质量的真空传感器并实施适当的维护和校准实践，组织可以优化其流程并提高真空环境中的**性。