基于XTR106 的電容薄膜真空計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)

王鳳雙，劉喬，黃星星，侯少毅，畢詩博，肖慧

（季華實(shí)驗(yàn)室，廣東佛山，528200）

0 引言

高性能電容薄膜真空計(jì)主要用于低真空的測(cè)量，是半導(dǎo)體裝備、航空航天、石油化工、光電能源、核能等領(lǐng)域不可或缺的測(cè)量器件，具有精度高、響應(yīng)快、靈敏度高、檢測(cè)與氣體成分及種類無關(guān)等特點(diǎn)[1～2]。電容薄膜真空計(jì)分為絕壓式與差壓式兩種。其中，絕壓式電容薄膜真空計(jì)具有較好的線性度、較高的測(cè)量精度及分辨率，且結(jié)構(gòu)牢靠，使用方便，廣泛應(yīng)用于科研及工業(yè)領(lǐng)域[3]。目前，高性能電容薄膜真空計(jì)基本被國(guó)外品牌壟斷，國(guó)內(nèi)尚無替代產(chǎn)品。本文將對(duì)絕壓式的電容薄膜真空計(jì)進(jìn)行研究，電容薄膜真空計(jì)電路檢測(cè)主要對(duì)固定電極與可變電極之間等效的電容信號(hào)進(jìn)行提取，此電容信號(hào)變化量20pF 左右，屬于微小變化電容信號(hào)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)微小信號(hào)檢測(cè)也在探索階段，同時(shí)，滿足電容薄膜真空計(jì)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，對(duì)電容薄膜真空計(jì)的檢測(cè)電路研究也是具有十分重要的意義。

本文設(shè)計(jì)基于XTR106 的電容薄膜真空計(jì)信號(hào)檢測(cè)電路，以量程為0～1333.2 Pa 的絕壓式電容薄膜真空計(jì)為研究對(duì)象，通過對(duì)其可變電極與固定電極之間形成的等效電容信號(hào)進(jìn)行理論分析，并搭建信號(hào)檢測(cè)電路。在不同壓力下，此電容信號(hào)為變化值，針對(duì)此變化的電容信號(hào)，對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電容薄膜真空計(jì)的電路研究。

1 電容薄膜真空計(jì)工作原理

電容薄膜真空計(jì)主要包括殼體、真空腔體、電路3 部分。其中，真空腔體主要包括可變電極、固定電極、接管、抽氣空、吸氣泵等部分，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電容薄膜真空計(jì)結(jié)構(gòu)圖[9]

可變電極與固定電極由兩片圓形膜片組成，且分別在這膜片上鍍有導(dǎo)電層。當(dāng)氣體壓力作用在可變電極上時(shí)，可變電極會(huì)產(chǎn)生微小的形變，而此時(shí)固定電極是固定在陶瓷膜片上不發(fā)生變化，此微小的膜片變化會(huì)使可變電極與固定電極之間的距離h、等效電容c 會(huì)發(fā)生變化[4～8]?？勺冸姌O與固定電極膜片變形等效電容如圖2 所示，其中可變電極初始位置在實(shí)線處，當(dāng)抽真空時(shí)候，可變電極的膜片位置向虛線處移動(dòng)；p 為進(jìn)氣口的壓力，單位為pa；h 為可變電極與固定電極之間的變形量，單位為mm；r 為可變電極偏離中心處的距離，單位mm；α 為可變電極薄膜半徑，單位為mm；ω(r)為在壓力p 下膜片形變距離中心的偏移量。

圖2 可變電極與固定電極膜片變形等效電容。

本文在做實(shí)驗(yàn)的過程中均采用99.999%的氮?dú)庾鳛槌錃獾臍怏w。當(dāng)壓力p 在大氣壓狀態(tài)下時(shí)，可變電極與固定電極的距離最??；當(dāng)真空系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)壓抽氣時(shí)，可變電極與固定電極之間的距離會(huì)逐漸變大。根據(jù)彈性理論可知，在壓力p 下，膜片形變距離中心的偏移量ω(r)為：

式中：T 為薄膜所受的張力。

將公式(1)的級(jí)數(shù)展開，可得：

當(dāng)可變電極在圖1 虛線處，此時(shí)偏離中心的中心處的距離，r=0 則有：

可變電極為圓形膜片，受到壓力時(shí)可以看成是一個(gè)球面。假設(shè)固定電極與可變電極沒受到壓力時(shí)的距離為d0，球面寬度為dr長(zhǎng)度為2rπ的窄角度環(huán)帶電容為：

式中：ε0為介電常數(shù)。

電容薄膜真空計(jì)的靈敏度為：

由公式(8)可以看出：電容薄膜真空計(jì)的靈敏度與張力T、可變電極與固定電極之間的變化距離d0成反比；與可變電極薄膜半徑成正比。

2 電容薄膜真空計(jì)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

電容薄膜真空計(jì)采用的電路檢測(cè)形式和精度決定了壓力檢測(cè)的準(zhǔn)確性。電路檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 電路檢測(cè)系統(tǒng)框圖

首先，利用惠斯通橋式電路將電容薄膜真空計(jì)可變電極與固定電極之間的等效電容信號(hào)轉(zhuǎn)為0.5～4.5 V的電壓信號(hào)；然后，為提高電壓信號(hào)的抗干擾性能，利用XTR106 芯片將0.5～4.5 V 的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA 的電流信號(hào)，同時(shí)，利用采樣電路，將4～20 mA 的電流信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)并放大濾波，得到0～10 V 的輸出；最后，通過上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前壓力值。

XTR106 為電壓轉(zhuǎn)換電流芯片，轉(zhuǎn)換精度高達(dá)0.05%，輸出電流為4～20 mA，其電壓轉(zhuǎn)換電流的公式為：

式中：VIn為XTR106 芯片5 腳與2 腳的電壓壓差，單位V；RG為增益值，單位Ω。

圖4 為電壓專電流電路圖，當(dāng)壓力p 在負(fù)壓10-2量級(jí)時(shí)，可變電極與固定電極之間的距離h 最大，此時(shí)兩電極之間的等效電容最小。此時(shí)輸出的0.5 V信號(hào)連接XTR106的5腳；通過滑動(dòng)變阻器W1 調(diào)節(jié)XTR106 的2 腳電壓，使2 腳輸出電壓為0.5 V；此時(shí)VIn電壓為0 V，同時(shí)W1 保持不變。當(dāng)壓力p 接近1333.2 pa 時(shí)，可變電極與固定電極之間距離h最小，此時(shí)兩電極之間的等效電容最大，此時(shí)輸出電壓為2.9 V。為保證XTR106 的轉(zhuǎn)換精度0.05%，5 腳與2 腳的電壓差最佳范圍為0 ≤VIn≤ 2.4。XTR106 芯片的自身具有調(diào)節(jié)W2 既改變?cè)鲆鍾G，使輸出測(cè)量量程調(diào)節(jié)一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶?/p>

圖4 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路圖

電壓-電流轉(zhuǎn)換電路圖如圖4 所示。

由圖4 可以看出，IC1 為XTR106 芯片，其輸入電壓為15 V，為XTR106 芯片提供供電電源，其自帶5V 基準(zhǔn)電壓，為惠斯通橋式電路提供驅(qū)動(dòng)電源。首先，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器W1 使0 ≤VIn≤2.4；然后，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器W2 使XTR106 輸出電流信號(hào)為4～20 mA；最后，通過15Ω 電阻采樣4～20 mA 電流信號(hào)，并輸出0～10 V 電壓。電流信號(hào)處理電路如圖5 所示。

由圖5 可以看出，XTR106 輸出的4～20 mA 的電流信號(hào)IO 通過采樣電阻R16 后，首先，利用反向放大運(yùn)算進(jìn)行電壓放大處理；然后，當(dāng)壓力p 為10-2pa 量級(jí)時(shí)，通過調(diào)節(jié)電位器PR1，利用加法電路，使電路輸出為0 V；然后，當(dāng)壓力p=1333.2 pa 時(shí)，調(diào)節(jié)電位器PR2，提高加法電路的放大倍數(shù)使電路輸出為10 V。通過以上的調(diào)節(jié)，使薄膜規(guī)真空計(jì)輸出的0～10 V 對(duì)應(yīng)壓力0～1333.2 pa；最后，通過上位機(jī)顯示出所測(cè)的壓力值。

3 實(shí)驗(yàn)

針對(duì)電容薄膜真空計(jì)可靠性能測(cè)試和精確的校準(zhǔn)測(cè)試需求，搭建了電容薄膜真空計(jì)測(cè)試平臺(tái)用于電容薄膜真空計(jì)的校準(zhǔn)測(cè)試，如圖6 所示。本測(cè)試平臺(tái)既可獨(dú)立用于高性能薄膜真空計(jì)的檢測(cè)、校準(zhǔn)及維修，也可以配合用于電容薄膜真空計(jì)可變電極的變形特性測(cè)試、性能調(diào)試，為電容薄膜真空計(jì)的研發(fā)、制造、維修測(cè)試提供支撐。系統(tǒng)采用界面式全自動(dòng)控制方式，具有數(shù)據(jù)獲取和曲線顯示功能，被測(cè)元器件量程及單位可根據(jù)實(shí)際需求任意切換，操作簡(jiǎn)單、觀察方便。此外，真空器件接口可便捷更換、拓展，可適用于當(dāng)前市場(chǎng)上的各種類型、各種量程的真空計(jì)測(cè)試和校準(zhǔn)，可滿足電容薄膜真空計(jì)的批量生產(chǎn)需求。

圖6 電容薄膜真空計(jì)測(cè)試平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)是在室溫25℃的條件下，采用對(duì)比測(cè)量的方法對(duì)所研制的電容薄膜真空計(jì)與MKS 的電容薄膜真空計(jì)進(jìn)行參考測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中是以MKS 型號(hào)為626C11TBE、量程為0-1333.2 pa 的電容薄膜真空計(jì)作為參考標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量電容薄膜真空計(jì)。在測(cè)試的過程中，只要利用測(cè)試平臺(tái)對(duì)電容薄膜真空計(jì)進(jìn)行壓力的動(dòng)態(tài)進(jìn)行調(diào)試，MKS 與自研的電容薄膜真空計(jì)的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 MKS電容薄膜真空計(jì)與自研電容薄膜真空計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)表1 中的MKS 電容薄膜真空計(jì)與自制電容薄膜真空計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)的進(jìn)行線性處理，如圖7 所示。

圖7 MKS 電容薄膜真空計(jì)與自研電容薄膜真空計(jì)線性曲線

由圖7 可看出：利用比對(duì)法進(jìn)行測(cè)試，自制電容薄膜真空計(jì)誤差分布均勻；經(jīng)過曲線擬合，合成基本誤差為0.242%，滿足設(shè)計(jì)要求（0.25%）。

4 結(jié)論

本文通過基于XTR106 對(duì)電容薄膜真空計(jì)電路的研究與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電容薄膜真空計(jì)信號(hào)的高線性度輸出，使電容薄膜真空計(jì)輸出線性誤差為0.242%，滿足0.25%的設(shè)計(jì)要求。本文對(duì)電容薄膜真空計(jì)的研究?jī)H限于電路研究方面，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在室溫25℃的條件下進(jìn)行測(cè)量所得，下一步將會(huì)進(jìn)行溫度對(duì)電容薄膜真空計(jì)輸出的影響以及溫度對(duì)電容薄膜真空計(jì)線性度的影響進(jìn)行研究。