真空压力测量简介

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介绍

气压基础知识

容器内的气体压力定义为单个气体分子或原子与容器壁碰撞而施加在容器壁上的累积力（图 1）。

气体压力的基本来源。

压力被确定为力/面积或F / A。单位时间内单个分子施加在容器壁上的力等于分子与壁之间的动量传递，可表示为：

单个分子每单位时间施加在容器壁上的力（方程式）

其中t是分子与壁碰撞之间的时间，m是分子质量，v 是它的速度。因此，压力可以定义为：

分子质量和速度的压力测量（方程式）

其中NV是容器中分子的总数，m是分子的质量，v是它的平均速度，V是容器的体积。由于分子的平均动能与绝对温度的关系为：

与绝对温度相关的分子平均动能（方程式）

我们可以将等式（2）代入并重新整理为：

理想气体定律结果（方程式）

其中k是能量和温度之间关系的比例常数，称为玻尔兹曼常数，T是绝对温度。由于理想气体常数R只是玻尔兹曼常数乘以阿伏加德罗数（N 0，一摩尔物质中的分子数 - 6.022×10 23），等式（4）完全等同于熟悉的理想气体定律:

理想气体定律（方程式）

其中n是气体的摩尔数，R是理想气体常数。气体的摩尔体积是常数（阿伏加德罗定律），在 STP（标准温度和压力，1 个大气压，0°C）下，一摩尔气体占据 22.4L。在参考文献 [1] 和 [2] 中可以找到关于真空科学和技术的分子基础的更详细讨论。

早期压力测量

大气压力首先由 17 世纪的科学家 Evangelista Torricelli 测量。他使用了一个抽空的玻璃管，里面装满了水银，然后倒置在一个水银盘中（这种测量装置被称为水银压力计）。流体静力平衡要求玻璃管中的水银柱施加的压力必须等于大气对培养皿中的水银施加的压力。他发现海平面大气对盘中水银的作用力会支撑管中 760 毫米高的水银柱。这就是这个测量系统中看似奇数的大气压力单位背后的原因 - 大气压力被分为 760 个单位，称为“Torr” 欧洲和亚洲系统中的真空和气象测量通常指“大气”中的压力，其中 1 个大气压（简称 1 巴）是海平面的正常大气压力。该系统中的真空测量值通常以大气压的 1/1000（毫巴）表示。帕斯卡是 SI 系统中用于压力测量的单位。帕斯卡是根据单位面积的力定义的，等于 1 牛顿/米2 .

压力测量

的常用单位及其在大气压力下的值。

表 1. 压力测量的常用单位及其在大气压力下的值。

表 1 显示了压力测量的常用单位及其在大气压力下的值。可以在线找到各种压力单位转换计算器（例如，https://www.unitconverters.net/pressure-converter.html）。

充满液体的压力计。

图 2. 充满液体的压力计。

自 Torricelli 时代以来，充液压力计（图 2）一直被用作绝对真空压力测量的基本标准。液体压力计对真空和压力进行直接和绝对的测量，通常被认为是其他压力测量装置测量结果可以参考的基本测量标准

现代压力测量

直接压力测量

最常见的直接压力测量类型使用机械变形作为测量压力的基本原理。由于压力是单位面积力的量度，压差可以以可再现的方式使不同种类的材料元素变形。元件所经历的变形程度与元件的材料特性和施加在其上的压力成正比。因此，薄而灵活的元件可用于测量低压差，而较厚、较硬的元件可类似地用于测量高压差。这些元件的偏转程度可以通过多种方式测量，包括直接机械测量、包含该元件的设备的电气特性变化以及光学探针的偏转。

压力测量装置中常用的机械变形元件及其随压力变化的变形模式。

图 3. 压力测量装置中使用的常见机械变形元件及其随压力变化的变形模式。

图 3 显示了一些可用作机械压力测量装置中的变形元件的结构。机械变形计包括电容压力计、波登压力计、谐振膜片压力计、波纹管压力计、压电压力计等。

电容压力计

大气压和中等真空压力下的直接压力测量可以通过测量机电隔膜压力计中金属或陶瓷薄隔膜的挠度来确定（图 4）。隔膜偏转与压力表中存在的气体种类无关，并与隔膜上的压差成正比。

使用隔膜偏转的直接压力测量。

图 4. 使用隔膜偏转的直接压力测量。

图4为隔膜挠度与压差d的关系，挠度距离与压差成正比；比例常数k取决于隔膜厚度、材料和尺寸。k由参考压力计校准确定。

电容压力计中的信号测量。

图 5. 电容压力计中的信号测量。

可以通过测量电极和隔膜之间的电容（电容压力计，图 5）来生成与压力成比例的电信号。如图 4 所示，在电容式压力计中，隔膜向低压侧偏转。这些压力表中隔膜的偏转程度决定了与压力差 (P2 – P1) 成正比的电信号，根据中所示的等式图 5. 在绝对压力压力计中，隔膜的一侧（参考腔）是一个密封的真空腔，其中压力恒定且实际上为零。绝对电容压力计通常用于过程真空测量。因此隔膜上的压差总是以真空为参考。差分电容压力计没有参考腔——只有一根可以连接到任何压力源或真空源的管子或通道。这些压力计读取隔膜上的压力差。电容压力计是半导体行业中的真空测量主力。由于绝对电容压力计对气体成分不敏感，因此几乎在每个半导体工艺工具中都可以找到绝对电容压力计，它们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，例如腔室负载锁。它们通常用作安全开关和气流压降测量。这些压力计读取隔膜上的压力差。电容压力计是半导体行业中的真空测量主力。由于绝对电容压力计对气体成分不敏感，因此几乎在每个半导体工艺工具中都可以找到绝对电容压力计，它们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，例如腔室负载锁。它们通常用作安全开关和气流压降测量。这些压力计读取隔膜上的压力差。电容压力计是半导体行业中的真空测量主力。由于绝对电容压力计对气体成分不敏感，因此几乎在每个半导体工艺工具中都可以找到绝对电容压力计，它们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，例如腔室负载锁。它们通常用作安全开关和气流压降测量。由于绝对电容压力计对气体成分不敏感，因此几乎在每个半导体工艺工具中都可以找到绝对电容压力计，它们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，例如腔室负载锁。它们通常用作安全开关和气流压降测量。由于绝对电容压力计对气体成分不敏感，因此几乎在每个半导体工艺工具中都可以找到绝对电容压力计，它们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，例如腔室负载锁。它们通常用作安全开关和气流压降测量。

最常见的商用机电真空计以MKS Instruments 的 Baratron® 电容压力计为例。Baratron 电容压力计具有一个高真空参考腔、一个焊接的耐腐蚀隔膜传感器和一个如图 6 所示配置的对电极。

MKS Instruments Baratron® 电容压力计。

图 6. MKS Instruments Baratron® 电容压力计。

密封的参比腔抽真空至 <10 -7 Torr，真空由吸气泵维持。测量侧的高压引起的隔膜偏转导致隔膜和对电极之间的测量电容增加。电容的变化使仪器中的交流电桥电路不平衡，产生一个电压，该电压被整流和线性化为 0 到 10 VDC 之间的模拟信号，对应于 4 个十进制的动态压力范围。

不同类型的 Baratron® 电容压力计（10^-5 至 10⁵ Torr）。

图 7. 不同类型的 Baratron® 电容压力计（10 -5至 10 5托）。

图 7 显示了MKS 提供的各种Baratron 电容压力计配置适用于不同的压力和过程环境。这些压力计通常测量四个十进制范围内的真空。它们可以提供加热和非加热版本。加热版本在 >0.1% 满量程时最准确和可靠，而未加热版本在 >0.5% 满量程时提供相当的性能。所有压力计，无论制造商如何，都必须定期调零，以实现最佳测量精度和可重复性。当基准压力 < 0.01% 满量程时，可实现最佳调零和设备精度。当用于压力控制应用时，范围低于 100 mTorr 满量程的 Baratron 电容压力计应在 >1% 满量程下运行；

使用 Baratron® 电容压力计进行量程和压力控制。

图 8. 使用 Baratron® 电容压力计进行量程和压力控制。

MKS Instruments 提供具有高工作温度的标准和过程关键型 Baratron 压力表。

压阻式压力表

压阻式膜片压力计。

图 9. 压阻式隔膜压力计。

压阻式压力计的构造类似于电容式压力计，但使用的压阻元件在受力时会改变其电阻；这些元件连接到压力计隔膜，如图 9 所示。压阻元件包括薄膜电阻器、应变计、金属合金和多晶半导体。当隔膜向压力表的低压侧偏转时，诱发的曲率会使元件变形，从而改变其电阻。然后使用桥式电路将这种电阻变化转换为电输出信号。这些压力计的构造如图 10 所示，左侧是传感元件，中间是电桥电路，传感器在压力计中的物理位置。传感器，

显示电桥电路的压阻式压力计的物理结构。

图 10. 显示电桥电路的压阻式压力计的物理结构。

压阻式传感器广泛用于消费和技术应用。数以百万计的这些被整合到可以安装在汽车轮胎内的轮胎压力监测设备中。MKS Instruments 为技术应用提供MKS 901P和MKS 902B压阻式压力计（图 11）。MKS 901 传感器是一种差分压阻式传感器，范围为 -760 至 760 托，通常用于负载锁。MKS 901P 还可以配置热导率计，将其范围扩展到 5x10 -4至 1000 Torr，适用于高真空负载锁定应用，这使其非常适用于向大气开放的负载锁定和传输端口。MKS 902B 是绝对压阻式传感器，范围从 0.1 到 1000 Torr。它经常用于无菌应用，例如冷冻干燥和等离子灭菌。902B 不应用于低于 1 Torr 的关键测量。

MKS Instruments 压阻式 901P 和 902B 传感器。

图 11. MKS Instruments 压阻式 901P 和 902B 传感器。

间接压力测量

在非常低的压力下（低于约 10 -4Torr)，不同压力下隔膜挠度测量值之间的相对差异不再足够灵敏，无法用于实际尺寸的压力计。因此，这种压力状态的真空计设计基于气体密度的测量和一些依赖于物种的分子特性，例如比热。这些仪器的两种主要类型是热导率计和气体电离计。热导率计通过测量从热线到周围气体的能量传递来确定气体压力。热量通过与电线的分子碰撞传递到气体中，这些碰撞的频率（以及因此传递的热量的程度）取决于气体压力和气体分子的分子量。-4和 10 托。热导率计，包括热电偶、热敏电阻和皮拉尼计，通常相对便宜且可靠。

热阴极电离规组件。

图 12. 热阴极电离规组件。

当压力下降超过 10 -3 Torr 时，热导率随压力的变化变得太小而无法用于压力测量。在高真空（10 -3至10 -9托以下）、超高真空（UHV，1×10 -9至1×10 -12托）和极高真空（XHV，<1×10 -12Torr) 制度，压力测量最常使用气体电离计，配置为热阴极计 (HCIG) 或冷阴极计 (CCIG)。HCIG 和 CCIG 都通过测量高能电子与仪表内残余中性气体分子之间碰撞产生的离子通量来确定压力。HCIG 使用灯丝的热电子发射作为电子源，而 CCIG 使用循环空间电荷来产生自由电子等离子体。在 HCIG（图 12）中，灯丝（阴极）通过热电子发射发射电子，电离栅极上的正电势加速这些电子远离灯丝。电子在栅格中振荡，直到它们最终撞击栅格或气体分子。当电子撞击气体分子时，产生带正电的阳离子，该阳离子被加速朝向称为收集器的负电极并被其收集。以这种方式产生的电流与气相中产生的离子数量成正比，而气相中的离子数量又与气体密度成正比，因此与气体压力成正比。

由于使用的物理特性是特定于气体的，因此间接压力测量读数始终取决于气体种类（即所有间接压力表都需要特定于气体的校准）。

皮拉尼压力表

皮拉尼压力表最初是在 1900 年代初期开发的。传感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）的细线，它浸入气体中并被电加热。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，它们会如上所述从中吸取热量，从而改变其电阻，从而使电桥相对于其参考状态不平衡。由于碰撞次数以及传递给气体的热量与气体压力成正比，因此维持桥平衡所需的功率与压力成正比。图 13 显示了现代MKS Instruments Convectron® Pirani 真空计的横截面以及残余氮气的功率与压力曲线。

皮拉尼压力计的功率与压力曲线。

图 13.(a) MKS Convectron® 皮拉尼真空计；(b) 具有氮气残余气体的系统中皮拉尼压力计的功率与压力曲线。

皮拉尼压力计对压力变化的响应取决于系统中存在的气体，因为每种气体都有不同的比热容。它还取决于气体的分子质量和解释气体分子与皮拉尼元件接触的停留时间的调节系数。因此，用户必须针对系统中预期的残余气体校准皮拉尼真空计。图 14 显示了氮气校准皮拉尼压力计针对不同残余气体的响应曲线（指示压力）的图形表示，说明了正确校准皮拉尼压力计的重要性。

Convectron 压力读数与不同气体的实际压力。

图 14. Convectron 压力读数与不同气体的实际压力。

在此示例中，指示的 10 Torr 氩气压力代表 1000 Torr 的真实压力。该数据清楚地表明，皮拉尼压力计校准不当会导致严重的系统过压风险，从而引发安全问题。此外，由于皮拉尼元件的工作温度在 100 至 150°C 之间，因此仪表必须排除可分解并在元件上沉积固体物质的反应气体。由于传热显着降低至约 10 -4以下Torr, Pirani 压力表精度低于此压力会降低。在高压（10 Torr 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。高级皮拉尼真空计的构造允许真空计内的对流力帮助分子流动。后一种设计使皮拉尼压力计能够在高达 760 Torr 的压力下以良好的精度使用。皮拉尼压力计通常在收到时已针对氮气进行校准，并且需要校准曲线才能用于其他气体。皮拉尼压力计相对较快，可以在十分之一秒或更短时间内响应压力变化。它们通常用于真空室粗加工线、涡轮泵前级线、负载锁上的压力指示，

MKS Instruments 的 275 Convectron 对流增强型皮拉尼真空压力传感器（图 13）和475 系列仪表控制器为 10 -4托至大气压之间的测量提供了异常稳定的性能。这些皮拉尼传感器在较高压力下采用对流辅助热损失，将传统皮拉尼压力计（通常为 10 托）的最大精确压力测量范围扩展到大气压力。MKS 皮拉尼真空计可提供镀金线（标准）和铂线。虽然镀金线更准确，但 Pt 线更耐化学腐蚀。MKS Instruments 还在MicroPirani™ 传感器的设计中采用了 MEMS 技术比传统皮拉尼真空计具有更快的动态响应、更小的体积和更好的稳定性。MEMS 传感器的聚对二甲苯涂层可用于抵抗蚀刻化合物。

MKS Instruments MicroPirani™ 结构和商用仪表。

图 15. MKS Instruments MicroPirani™ 结构和商用仪表。

图 15 显示了 MicroPirani 传感器的示意图以及采用该技术的两个商用 MKS Pirani 压力表和系统的图像。

电离规

在低于 10 -4 Torr 的压力下，电容式压力计和皮拉尼压力计等直接压力测量方法不再有效，因此有必要使用依赖于气体密度的方法。压力通过以下表达式与气体密度相关：

与气体密度相关的压力（方程式）

其中P是压力，c是常数，n是气体的数密度，T是温度。如上所述，电离计使用由热电子发射或等离子体生成产生的自由电子来执行此测量。一旦仪表被校准，由负偏压收集器收集的离子电流可以与压力相关。电离规的基本规程方程为：

电离规的基本规范方程（方程）

其中Ic是离子电流，k是常数，n是残留气体分子的数密度，Ie是电离电子电流。替换n并重新排列会产生压力表达式：

压力表方程（方程式）

这可以通过合并常数并将电离率定义为Ic / Ie来简化：

电离规的规范方程（方程）

其中K是通过校准确定的与气体相关的常数，I是与分子密度成比例的电离率。

Bayard-Alpert (BA) 规是热阴极电离规，有效测量范围在 10 -11和 10 -2之间托尔。热阴极电离规具有三个电极：阴极或灯丝、收集器和阳极栅。通常，集电极处于地电位，阳极处于 180V，灯丝处于 30V。从阴极发射的高能电子被加速朝向阳极栅格，与气相中存在的分子碰撞并电离。碰撞中产生的正离子被加速朝向位于阳极栅格轴上的收集器，产生由计量静电计测量的离子电流。这种仪表配置在集电极电流和压力之间产生严格的线性关系。因此，集电极相对于灯丝和阳极是负的，电子只能去阳极。测量的下限由 X 射线限制确定。在 HCIG 中，当电子撞击栅极时会发出 X 射线。这些 X 射线中的一小部分撞击离子收集器，导致电子因光电效应而被射出。由这种电子喷射产生的正离子被检测为正离子电流，有助于压力读数。最佳传统 HCIG 的测量下限约为 10-11 Torr 因为这种现象。通过良好的操作协议和正确的校准，Bayard-Alpert HCIG 读数的传感器到传感器的再现性通常约为 2%。读数的重复性为 1-2%，主要受无法控制的随机灵敏度变化的限制。

冷阴极电离计的内部配置、电子路径/离子生成和物理配置。

图 16. 冷阴极电离规的内部配置、电子路径/离子生成和物理配置。

MKS 提供多种不同仪器配置的 Bayard-Alpert 测量仪。传统的 BA 压力表，例如图 16 中所示的裸露压力表或玻璃密封压力表，是一种稳定、经济的高真空和超高真空压力测量解决方案。热阴极规的重复性为 1-2%。玻璃密封量规通常具有 ±25% 的量规重现性（未经工厂测试）。裸规配置的测量范围介于 X 射线下限 (10 -11 Torr) 和 0.001 Torr 之间；玻璃封装的 BA 量规的测量下限略高，为 <1.0x10 -9 Torr。MKS Micro-Ion® Bayard-Alpert 规是可用的最小的 BA 真空计，适合安装在复杂、拥挤的真空系统中。它们提供比传统的裸露或玻璃密封仪表更坚固的封装，消除了玻璃破碎的风险并确保长期稳定性。Micro-Ion 规的规规再现性为 ±20%（在工厂测试）。这些仪表比玻璃封装的 BA 仪表具有更宽的范围（5x10 -10至 5x10 -2 Torr）。MKS Instruments Stabil-Ion® BA 真空计与 Convectron 真空计选项是一种突破性的真空压力计，提供尽可能广泛的压力测量能力 (2.0x10 -11到 999 Torr）和最佳的量规重现性（360 系列为 ±6%，370 系列为 ±4%）在坚固的封装中，没有玻璃破裂、玻璃分解或氦气渗透的可能性。Stable-Ion 测量仪采用接地金属测量管外壳进行完全静电屏蔽，确保在存在外部电气干扰的情况下稳定运行。Stable-Ion 规是第一款具有足够长期稳定性的电离规，可以证明将校准数据存储在内存中是合理的。每个 Stabil-Ion 真空计都提供基于 15 个单独校准压力值的校准数据。参考主要参考标准（见下文）的 HCG 工厂具有 2-3% 的重复性。

冷阴极电离真空计，CCIG，也称为潘宁真空计，提供 10 -12和 10 -2之间的有效真空压力测量托尔。这种类型的电离计使用两个电极之间的高 (kV) 电压来加速随机的、自然发生的自由电子（来自例如宇宙射线碰撞），这些自由电子与残留的气体原子碰撞，产生一个正离子和另一个自由电子。自由电子被磁场捕获，产生电子等离子体。等离子体中的原子或分子被电离并与 HCG 一样进行测量。在 CCIG 中，阳极是一个位于中心的保持高压的棒，阴极是一个与阳极同心的处于地电位的圆柱形金属笼。陶瓷或稀土磁铁围绕阳极/阴极布置（图 17a）。在操作中，交叉的电场和磁场控制着电子电流路径，在很长一段时间内捕获近乎恒定的循环电子电流，电极间环内的摆线轨迹（图 17b）。这些电子与残余气体分子碰撞，在阴极产生与残余气体原子数密度成正比的正离子通量。

Bayard-Alpert 热阴极电离规可从 MKS Instruments 获得。

图 17. MKS Instruments 提供的 Bayard-Alpert 热阴极电离计。

MKS Instruments 提供冷阴极真空计，例如971B UniMag™ 冷阴极真空传感器、972B DualMag™ 冷阴极 MicroPirani 真空传感器和974B QuadMag™ 冷阴极MicroPirani-Piezo 真空传感器。971B UniMag 的测量范围为 1x10 -8至 5x10 -3 Torr，DualMag 的测量范围为 1x10 -8 Torr 至大气压力，QuadMag 的测量范围为 1x10 -8托至 1500 托。与所有电离规一样，MKS Instruments 的 HCIG 和 CCIG 规必须针对真空系统中的预期残余气体进行校准。然而，由于不同的工作原理，CCIG 需要与 HCIG 不同的气体校正因子。CCIG 的可重复性通常不像 HCIG 那样一致，典型值约为 ±5%，传感器到传感器的再现性值为 30%。对于高精度操作，CCIG 通常根据传递标准进行校准，例如旋转转子量规或高精度 HCIG。虽然 CCIG 的优点是没有会烧坏的热灯丝，但它们会随着时间的推移出现压力指示漂移、压力指示与真实压力之间的不连续性以及启动不确定性。

主要参考标准仪表

旋转转子测量仪

旋转转子压力计 (SRG)是压力测量的主要参考标准。与皮拉尼真空计一样，SRG（也称为分子阻力或粘度计）测量从传感器到周围气体的能量传递，以确定气体的数密度。在旋转转子测量仪的情况下，一个小钢球在水平安装并连接到真空系统的非磁性管内磁悬浮。图 18 显示了 SRG 的示意图。

纺纱转子规。

图 18. 旋转转子量规。

在测量过程中，使用旋转磁场将球旋转至几百赫兹，然后关闭驱动场并使用磁传感器测量球的减速率。由于减速是由能量在碰撞过程中从球转移到气体分子引起的，因此使用气体动力学理论，它可以与气体的数密度相关联，从而与压力相关联。SRG 对气体种类很敏感，它们通常用作校准其他仪表类型的参考仪表。

固定长度光腔 (FLOC) 规

FLOC 器件光腔。

图 19. FLOC 器件光腔。

MKS Instruments 与 NIST 合作开发了一种基于光学测量的新压力标准。固定长度光腔 (FLOC) 压力表是一种便携式设备，它使用光来测量压力，其准确度和精度高于大多数市售压力表。它测量通过两个光学腔、一个参考真空通道和一个充满被测气体的通道的光频率的细微差异。有关 FLOC 压力测量设备的更详细讨论，请访问 https://www.nist.gov/news-events/news/2019/02/floc-takesflight-first-portable-prototype-photonic-pressure-sensor。

结论 - 真空计的选择

许多不同类型的真空计可用于具有不同量程、精度和材料要求的应用。为给定的真空应用选择真空计取决于预期的真空环境和测量所需的准确度。例如，预计在沉积或蚀刻过程中测量工艺压力的压力表必然会暴露在工艺气体中。这可能会影响测量精度并导致仪表组件出现物理化学问题。如果在残余气体的化学性质未知的系统中需要真空计来测量基础压力，则测量值依赖于被测气体分子特性的真空计可能不合适。在制造环境中，选择具有成本效益的仪表也很重要。就真空计而言，根据设计和相关的辅助设备，真空计的成本可能相差几个数量级。一旦定义了真空计范围、精度、过程兼容性和成本的规格，选择最符合这些规格的真空计就很重要了。

不同真空计类型的性能和成本比较。

表 2. 不同真空计类型的性能和成本比较。

表 2 提供了不同类型真空计的性能和成本比较，图 20 提供了使用直接和间接真空计的最佳压力范围的快速视觉指南。

直接和间接真空计的测量范围。

图 2. 直接和间接真空计的测量范围。

参考：

[1] A. Roth，真空技术，第三版，更新和扩大版，阿姆斯特丹：Elsevier Science BV，1990。 [2]

JF O'Hanlon，真空技术用户指南，新泽西州霍博肯：John Wiley & Sons , 2003.