真空计原理及测量范围

真空计原理与测量范围
真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态，是一种物理现象。

在真空技术里，真空系针对大气而言，一般指特定空间内部之部份物质被排出，使其压力小于一个标准大气压，则我们通称此空间为真空或真空状态。

真空常用帕斯卡（Pascal）托尔（Torr）毫巴（mbar）等做为压力的单位。

真空的分类：
前级真空：1*10-3Torr~1000Torr
高真空：1*10-9Torr~10-3Torr
超高真空：10-9Torr以下
真空计（Vacuum Gauge），也称真空表、真空规管，是测量真空度或低气压的仪器。

一般是利用不同气压下气体的某种物理效应的变化进行气压的测量。

在科研和工业生产中广泛使用。

按照真空计测量原理所利用的不同的物理机制，可将主要的真空计分为三大类，
分别是利用力学性能、利用气体动力学效应利用带电粒子效应的真空计。

利用力学性能的真空计典型的有波尔登规（Bourdon）和电容薄膜规；利用气体动力学效应的典型真空计有皮拉尼（Pirani）电阻规和热电偶规、热传导规；
利用带电粒子效应的典型真空计有热阴极电离规和冷阴极电离规。

市场上真空计的形式：
真空规管+真空测量计（真空计控制器）：需配套使用。

真空变送器（真空计）：本体集成电路部分，可输出各类型号。

两种形式客户可根据实际应用进行选择，真空规和控制器的形式，主要应用在一些恶劣的现场环境或者早期的集成设备，由规管、线缆、控制器三部分组成，前期成本略高，典型优点是后期维护更换真空规便宜；随着工业自动化的发展，真空变送器（真空计）已经成为真空测量的主要产品，可根据现场能处理的信号（数字/模拟）选择相应通讯的产品。

真空计测量范围：
电容薄膜真空计
如上图，压力变化引起膜片不同层度的形变，使得膜片和电极之间的电容变化，通过测量电容的变化量，即可知道膜片上压力的变化。

（膜片主要有两种材质：金属膜片和陶瓷膜片）
电容薄膜压力计，测量读数无关气体组分，主要受环境温度的影响（温度补偿），是测量差分或全部气体压力最准确的设备（包括蒸汽凝结、操作温度不规则的环境），目前已知产品最大测量压力为25000Torr，最低测量压力在10-5Torr左右。

大部分精度为读数的0.25%，其中高精度有0.08%—0.025%。

测量范围跨度一般有4个数量级或5个数量级。

应用：
1.半导体行业蚀刻，CVD,PVD,ALD等
2.光伏行业，PECVD等
3.液晶显示屏制造设备
4.工业真空设备，标准真空计
5.国防科研应用
热偶真空规
如上图，灯丝通过恒流源供电加热，由于气体粒子与电阻丝碰撞离开时带走了能量，电阻丝的温度会发生变化，灯丝温度引起热电偶电压（恒压）变化，根据电压变化测算出气压。

（热丝的能量损失与热丝周围的气体浓度及气体成分成比例关系）测量的压力范围：10Torr至10-3Torr
应用：
1.前级真空测量，如前级真空泵，镀膜，光伏，等离子行业
2.中低真空测量行业，如冶金
3.高真空计的连锁控制
皮拉尼真空计（Pirani Vacuum Gauge）
如上图，灯丝通过恒流源供电加热，由于气体粒子与电阻丝碰撞离开时带走了能量，电阻丝的温度会发生变化（恒温）引起电桥（惠斯通）电阻变化，根据电阻变化测算出气压。

（热丝的能量损失与热丝周围的气体浓度及气体成分成比例关系）
测量的压力覆盖范围：100Torr至10-5Torr（具体参考实际产品指标）应用：
1.前级真空测量，如前级真空泵，镀膜，光伏，等离子行业
2.中低真空测量行业，如冶金
3.高真空计的连锁控制
热损失/热传导真空计（Convectron&Convection Vacuum Gauge）
该真空规是结构同皮拉尼，其压力测量基于传感器导线的热损失率。

与传统的热偶规和皮拉尼真空规仅使用传导性损失不同，热损失真空规由于在较高压时使用对流散热，从而充分利用了热损失。

使测量范围延伸到大气端。

测量范围：10-4torr至大气压；精度优于一般皮拉尼真空规。

应用：
1.前级真空测量，如前级真空泵，镀膜，光伏，等离子行业
2.中低真空测量行业，如冶金
3.高真空计的连锁控制
热阴极电离真空计（Bayard-Alpert）
热阴极离子规管的压力指示是基于气体分子电离产生的连续电流。

负电子由从加热的阴极以控制良好的固定速率射出并朝着带正电
的栅极（阳极）加速运动。

电子进入栅极和对地连接的收集极空间内。

在这个空间内电子与真空系统中的气体分子碰撞产生正离子。

然后正离子被位于柱状栅极中心轴处的接地的收集极收集。

在固定的灯丝对栅极的电压和电子发射电流下，压力低于10-3Torr时正离子形成率直接与分子密度（压力）相关。

离子流的强度在经压力单位调校的微安计上显示出来。

由于压力的指数是线性的，热阴极离子规管通常在压力低于10-3Torr时被认为进行连续的压力测量时精确的。

离子规的测量下限由这类型规管的X射线极限决定。

X射线极限因不同规管设计而不同。

阴极发射的电子与栅极及其支撑网碰撞产生X射线。

由于离子规的几何结构原因，仅有一小部分发射的X射线会被收集极收集。

当X射线碰撞收集极丝时，收集极上会有光电子发射。

X射线电流限制了压力测量范围，使其等效压力下限到10-10或
10-11Torr范围，取决于规管型号。

早期的规管在栅极外有个柱状收集极，这种规管的X射线极限大约在10-8Torr。

当气体非常稀薄且规管所获得的电流输出几乎全部都来源于X射线光电发射时，X射线极限就决定了规管最小压力测量值。

电极被碳氢化合物污染后会使X射线极限增加，这是因为在X射线轰击下污染表面会放出更多的二次电子。

这种污染通常可以通过电极除气来消除。

测量覆盖的范围：10-2Torr至10-12Torr（具体参考实际产品的指标）
冷阴极离子真空计（Cold cathode vacuum gauge）
冷阴极电离规也是通过电离气体分子收集离子电流的方法进行气压测量，但与热阴极电离规不同的是，它是利用磁控放电电离气体分子产生离子。

冷阴极电离规无热灯丝，容易清洗保养。

测量覆盖范围：10-2Torr至10-11Torr（具体参考实际产品的指标）。