电容薄膜真空规校准方法的研究

本文利用电容薄膜真空计校准装置、高精度数字压力计、稳压电源和数字多用表,采用比较法完成了对(1~1000)Torr绝压电容薄膜真空规的量值溯源,扩展不确定度为U=(0.69%~0.02%)(k=2)。

小型电容薄膜真空规的设计

商用电容薄膜真空规存在体积大、重量重等问题,无法满足深空探测中真空测量需求,因此设计了一种小型电容薄膜真空规。设计中采用倒T型结构固定极板和防热变形结构,防止测量过程中温度变化导致的规管部件热变形;采用面积相同的双电极结构,消除测量过程中外界杂散电容和温度变化引起的测量信号偏差。小型电容薄膜真空规整体尺寸为Φ42×24 mm,重量小于200 g,测量下限为10-2Pa,测量不确定度预计小于5%,能适应较宽的工作温度范围,可以满足深空探测需求。

差压式MEMS电容薄膜真空规的设计与测试

提出了一种基于MEMS技术的差压式电容薄膜真空规设计方案。通过有限元分析软件建立了仿真模型,对感压薄膜尺寸和电极间距离进行了优化。根据优化结果,完成了真空规的研制和性能测试。测试结果表明,测量范围下限5 Pa,上限1000 Pa,灵敏度优于10 fF/Pa,测试曲线可以实现分段线性。

采用环形感压薄膜的MEMS电容薄膜真空规设计

感压薄膜的结构改良能有效改善MEMS电容薄膜真空规的压力-电容输出特性。为解决MEMS电容薄膜真空规宽量程与高灵敏度相矛盾的问题,设计一种环形结构的感压薄膜,利用有限元的方法分析对比5种环形结构的感压薄膜在不同压力下的变形与应力分布情况。分析认为,同心圆结构的感压薄膜具有最优异的性能,同等感测面积情况下真空规的压力-电容线性输出测量上限能从圆片结构的1.1×103 Pa延伸到同心圆结构的1.2×104 Pa,圆片结构感压薄膜的真空规在1～800 Pa区间内的压力-电容输出非线性度为3.9%,灵敏度为10.1 fF·Pa–1;同心圆结构感压薄膜的真空规结构在1～8 000 Pa区间内的非线性度为3.6%,灵敏度为1.3 fF·Pa–1。

感压膜片预张力对电容薄膜真空规输出特性的影响

电容薄膜真空规中感压膜片在安装时通常须先施加预张力,再固定。为研究感压膜片预张力对电容薄膜真空规输出特性的影响,以现有电容薄膜真空规为对象,基于COMSOL Multiphysics软件,建立有限元模型,得到了不同预张力下输出电容的仿真解,并与理论计算结果进行了比较,分析了预张力对输出电容的影响。同时分析了真空规线性度、灵敏度随预张力的变化规律,并对感压膜片在最大负载情况下的强度进行了校核。结果表明:预张力对真空规的输出特性影响明显,输出电容随预张力的增大而减小,输出电容理论计算值与仿真值基本吻合;预张力越大,真空规线性度越好,但灵敏度越低;当感压膜片预张力为50 MPa时,真空规的线性度为7.3%,灵敏度为0.0433 pF/Pa,通过电路补偿后,可获得较好的线性度与灵敏度;感压膜片最大负载情况下的应力为95.5 MPa,能够满足工作要求。

基于Au-Si共晶键合的高灵敏MEMS电容薄膜真空规设计

为了解决真空腔电极引线导致的真空漏气,进一步拓展真空规的测量下限,提出了一种基于Au-Si共晶键合的绝压式MEMS电容薄膜真空规设计方案。阐述了该新型MEMS电容薄膜真空规的制作工艺流程、用浓硼掺杂法制备感压薄膜技术,采用阳极键合协同Au-Si共晶键合技术实现真空腔的密封。通过理论计算和构建有限元模型,针对不同宽厚比,对感压薄膜的整体尺寸进行了优化。在最优尺寸参数下,相比于固定电极在测量腔的结构,新型MEMS电容薄膜真空规的灵敏度提高了9.5倍,高达38 fF/Pa。真空规测量范围在1~1000 Pa之内。

电容薄膜真空规的正确使用

电容薄膜真空规的使用情况直接关系到产品的可靠性。本文从五个方面，详细分析了电容薄膜真空规在正确使用中的注意事项，从而保证了它的准确度及稳定性，提高了其使用寿命。