真空傳感器是用于測量真空系統(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、食品加工和研究實驗室等各個行業(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

1、真空的定義：
當(dāng)給定體積內(nèi)的壓力降至大氣壓以下（海平面約101.3 kPa或14.7 psi）時，就會產(chǎn)生真空。真空度可分為不同的范圍：
低真空：壓力從大氣壓降至約1kPa（0.01atm）。
中等真空：壓力范圍為1 kPa至10^-3 kPa（10^-5 atm）。
高真空：壓力從10^-3 kPa到10^-7 kPa（10^-9 atm）。
超高真空（UHV）：壓力低于10^-7 kPa（10^-9 atm）。
2、真空傳感器的重要性
真空傳感器對于監(jiān)測和控制真空環(huán)境至關(guān)重要。它們提供壓力水平的實時數(shù)據(jù)，使操作人員能夠做出明智的決定和調(diào)整。真空條件的**測量對于以下方面至關(guān)重要：

• 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

真空傳感器基于各種物理原理工作。傳感器的選擇取決于具體應(yīng)用、壓力范圍和所需的精度。以下是*常見的真空傳感器類型及其工作原理。

1、電容式真空傳感器

電容式壓力計是測量壓力和真空的機電式壓力計。電容計將薄隔膜中的壓力調(diào)制運動轉(zhuǎn)換為與壓力成比例的電信號。上圖顯示了商用電容壓力計的主要部件。壓力傳感器是一個薄隔膜，通過入口管暴露在測量的壓力或真空中。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（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，電信號的這種變化與壓力變化成正比。該信號由車載電子設(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，電容式真空壓力計的壓力測量與被測氣體的成分無關(guān)。因此，如果過程中的氣體成分發(fā)生變化，電容式真空壓力計的輸出也不會改變。在許多化學(xué)和薄膜工藝中，化學(xué)成分可以逐秒變化；電容式壓力計在這種過程中提供了關(guān)鍵的優(yōu)勢。電容式壓力計通常讀取50年范圍內(nèi)的壓力或真空；即從1000托到0.01托。電容式壓力計傳感器有兩種基本類型：
**電容壓力計，其中參考腔被抽真空至高真空，因此壓力測量始終以真空為參考。差分電容壓力計沒有參考腔，只有一個可以連接到任何壓力或真空源的管子或通道。這些壓力計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)和氣流壓降測量
電容式壓力計經(jīng)常被用作其他類型儀表的參考裝置（即，它們是測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量儀的5-25%的讀數(shù)精度進行比較，即100X的比率。
注意：切勿使用熱式或機械式壓力計校準(zhǔn)壓力計，因為壓力計的精度要高得多。
電容式真空壓力計是半導(dǎo)體行業(yè)的真空測量主力。由于**電容壓力計對氣體成分不敏感，幾乎在每個半導(dǎo)體工藝工具中都可以找到**電容壓力表，用于監(jiān)測過程中的壓力。差分電容壓力計廣泛應(yīng)用于需要基于壓力的開關(guān)和控制的領(lǐng)域，如腔室負載鎖。

電容式真空傳感器根據(jù)壓力變化時發(fā)生的電容變化來測量壓力。傳感器由一個隔膜組成，隔膜會隨著壓力變化而偏轉(zhuǎn)。
電容式真空傳感器工作原理
1.隔膜偏轉(zhuǎn)：隔膜放置在參考壓力（通常為大氣壓）和真空室之間。當(dāng)真空室中的壓力變化時，隔膜會偏轉(zhuǎn)。   
2.電容變化：偏轉(zhuǎn)會改變隔膜和固定電極之間的距離，從而改變系統(tǒng)的電容。電容的變化與施加的壓力成正比。
3.信號處理：電容變化被轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后進行校準(zhǔn)以提供壓力讀數(shù)。
電容式真空傳感器應(yīng)用

• 半導(dǎo)體制造
• 真空鍍膜工藝
• 科學(xué)研究實驗室

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。皮拉尼熱導(dǎo)真空計物理學(xué)，皮拉尼真空計儀*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，它們會從中帶走熱量，改變其電阻值，使電橋相對于其參考狀態(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。 皮拉尼真空計儀表在使用時必須認識到其局限性。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)生與用氮氣吹掃的不同的皮拉尼真空計儀表讀數(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元件的散熱，當(dāng)壓力降至約10-4Torr以下時，皮拉尼會失去精度，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入壓力-電壓關(guān)系并降低儀表靈敏度的程度。先進的皮拉尼壓力計的構(gòu)造是為了允許壓力計內(nèi)的對流力來幫助分子流動。后一種設(shè)計使皮拉尼壓力計能夠以高達760托的精度使用。皮拉尼壓力真空規(guī)傳感器通常用于氮氣校準(zhǔn)，與其他氣體一起使用時需要校準(zhǔn)曲線。皮拉尼真空傳感器壓力計相對較快，對壓力變化的響應(yīng)時間為十分之一秒或更短。

PIRANI皮拉尼熱導(dǎo)率真空傳感器工作原理
1.加熱：將一個小型加熱器放置在真空室中，溫度傳感器（熱電偶或熱電堆或熱敏電阻）放置在距離加熱器已知距離處。
2.氣體導(dǎo)熱測量：當(dāng)存在氣體時，它會將熱量從加熱器中傳導(dǎo)出去。傳熱速率受氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力而變化。

3.溫度差：測量加熱器和溫度傳感器之間的溫差。該差值用于計算腔室中的壓力。

PIRANI皮拉尼熱導(dǎo)率真空傳感器

• 實驗室真空系統(tǒng)
• 氣體分析
• 環(huán)境監(jiān)測

皮拉尼真空計傳感器的相對低成本、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)真空測量的優(yōu)選。相對于其他類型的真空計，它們的精度較低（讀數(shù)的5%），這限制了它們在非關(guān)鍵應(yīng)用中的使用。它們對反應(yīng)性氣體的敏感性意味著它們必須與工藝氣流隔離。

3、電離計真空傳感器

電離計真空傳感器工作原理
1.氣體被電離：燈絲在加熱時會發(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)。

電離計真空傳感器用于測量高真空和超高真空壓力。它們通過電離氣體分子并測量由此產(chǎn)生的離子電流來工作。UHV超高真空和XHV壓力測量通常使用配置為熱陰極計（HCG）或冷陰極計（CCG）的電離計真空傳感器進行。這兩種傳感器類型都通過測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，電容式真空傳感器壓力計和皮拉尼真空傳感器壓力計等直接壓力測量方法不再有效，有必要使用基本上計算氣體空間中分子數(shù)量的方法。后一個量稱為數(shù)密度，通常用符號n表示。就數(shù)密度而言，壓力可以計算如下： 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，因為產(chǎn)生離子的碰撞動力學(xué)與氣體中分子的數(shù)密度之間存在明確的統(tǒng)計關(guān)系，從而與氣體的壓力有關(guān)。電離計使用熱離子發(fā)射或等離子體產(chǎn)生產(chǎn)生的自由電子進行測量。一旦真空壓力計被校準(zhǔn)，負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。
 

冷陰極電離計真空傳感器測量儀，也稱為彭寧測量儀（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，它們在電極之間使用高壓（在kV范圍內(nèi)）代替熱絲，產(chǎn)生自由電子和交叉磁場，在測量儀中產(chǎn)生受控的電流路徑。CCG依靠宇宙射線、放射源和場發(fā)射引起的隨機發(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，冷陰極電離計壓力計經(jīng)歷了許多進化發(fā)展，擴大了其范圍和精度。倒置磁控管傳感器幾何形狀現(xiàn)在*常用于CCG，因為它的范圍很廣，沒有雜散效應(yīng)。倒置磁控管設(shè)計的出現(xiàn)使得能夠在10-10Torr以下進行測量的緊湊型CCG得以開發(fā)。其他改進，如集電極的隔離和保護電極的使用，進一步拓寬了CCG的應(yīng)用范圍。如今，CCG與簡單可靠的控制器配合使用，可用于各種真空測量應(yīng)用，特別是那些需要堅固耐用和高靈敏度/精度的應(yīng)用。冷陰極壓力計的壓力測量上限與熱陰極壓力計相似。通常，CCG可有效測量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）進行校準(zhǔn)。

電離計真空傳感器應(yīng)用

• 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)

三、真空傳感器的應(yīng)用
真空傳感器在各個行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。以下是一些*重要的應(yīng)用：
1、半導(dǎo)體制造：在半導(dǎo)體制造中，真空傳感器對于化學(xué)氣相沉積（CVD）和物**相沉積法（PVD）等工藝至關(guān)重要。這些工藝需要**控制真空條件，以確保薄膜和半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。 準(zhǔn)確的壓力測量對于防止半導(dǎo)體材料中的污染和缺陷至關(guān)重要。
2、藥品 ：在制藥行業(yè)，真空傳感器用于冷凍干燥（凍干）和真空蒸餾等過程。 這些過程需要受控的真空條件，以保持敏感化合物的完整性并確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性。
3、食品加工 ：真空包裝廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，以延長保質(zhì)期并保持產(chǎn)品質(zhì)量。真空傳感器監(jiān)測包裝機中的壓力，以確保真空度足夠。
4、研究實驗室 ：在研究實驗室中，真空傳感器用于各種應(yīng)用，包括：
材料科學(xué)：真空系統(tǒng)用于涉及薄膜沉積和表面分析的實驗。
物理實驗：粒子加速器和其他實驗裝置通常需要高真空和超高真空條件。
5、工業(yè)中的真空系統(tǒng)：許多工業(yè)過程，如真空干燥、真空成型和真空蒸餾，都依賴于真空傳感器進行監(jiān)測和控制。**的壓力測量可確保*佳的操作條件，提高效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
6、航空航天 ：在航空航天應(yīng)用中，真空傳感器用于真空室等系統(tǒng)，用于在模擬飛行條件下測試組件和材料。 確保真空系統(tǒng)正確運行對于航空航天部件的**性和可靠性至關(guān)重要。

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)測制冷劑管路中的真空度并確保正常運行。 保持正確的真空度對于暖通空調(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驗室。它們在真空環(huán)境中準(zhǔn)確測量壓力的能力對于確保過程完整性、**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繼續(xù)增長。通過投資高質(zhì)量的真空傳感器并實施適當(dāng)?shù)木S護和校準(zhǔn)實踐，組織可以優(yōu)化其流程并提高真空環(huán)境中的**性。