1. Термическийвакуумметр

Квакуумметрамотносятсенсоры,регистрирующиеабсолютноедавлениевинтервалемеждунулевымиатмосферным.Наиболееудач-нойконструкциейвакуумметраявляетсяманометрПирани,вкоторомдавлениеопределяетсяпоизменениютеплопроводностигаза.Конст-руктивноманометрреализуетсяввидепрямолинейнойметаллическойнити,вытянутойвдольосицилиндрическогокорпусаизметаллаилистекла.Одинторецкорпусазапаян,адругой–открыт,такчточерезсоединительныйпатрубокманометрсообщаетсясизмеряемым(отка-

чиваемым)объемом.Корпусимееттемпературуокружающейсреды,атемпературанитииеесопротивлениезависятоттеплопотерьи,вча-стности,оттеплопроводностигаза,находящегосямеждунитьюикор-пусом.Условиязависимоститеплопроводностиотдавленияобсужда-лисьвподпараграфе1.2.2.

НитьнакалаявляетсяодновременноиплечоммостаУитстона(рис.3.1).МанометрыПираниобычноработаютврежимепостояннойтемпературынити,длячеговэлектрическуюсхемувводятусилитель,регулирующиймощностьнагрева[3.3].

R₁

R₂=R_п

+

–

U_m

^R4 R₃

Рис.3.1.СхемавключенияманометраПираниврежимеработыснитьюпостояннойтемпературы:

R_п–сопротивлениенитиманометра

Вальтернативномрежимеработымонометра–режимепостоянноймощностиназависимоститемпературынитиотдавления–возникаеттриучастка(рис.3.2).

Температура

3 2 1

Давление

Рис.3.2.Зависимостьтемпературынитиотдавленияврежимепостоянноймощности

Впределахучастка1(областьвысокихдавлений)длинасвободно-гопробегаменьшехарактеристическогоразмераманометра,равно-говрассматриваемомслучаерасстояниюмеждунитьюицилиндриче-

скойповерхностью,

• L_нп.Теплопроводностьгазаприэтомне

зависитотдавления,атемпературанитинеизменяется.

Вобластинизкогодавления(участок3)температуранитиопреде-ляетсяпаразитнымитеплопотерямичерезвыводы,ккоторымприсо-единенанить,апереностеплапутемтеплопроводностигазаперестаетигратьзаметнуюроль.

Участок2являетсярабочимисоответствуетусловиюL_нп,ко-гдамолекулыгазабезстолкновенийпролетаютотнитидоповерхно-стикорпуса.Всенсорахдавлениянатензорезистивномилиемкостномпринципепреобразованияпоказаниянезависятоттипагаза.Вмано-метрахПиранинеобходимапредварительнаякалибровка,посколькутеплопроводностьгазовразлична.

ИдеяманометраПираниможетбытьуспешнореализованана

кремниисприменениемтехнологиимикросистемнойтехники.Приэтомудаетсязначительноуменьшитьгабариты,весистоимостьваку-умметра,существенноснизитьегоэнергопотребление,обеспечитьвы-сокуючувствительностьиразместитьначипеэлектроннуюсхемуоб-работкисигнала.Работыпосозданиютакихвакуумметровинтенсивноразвернулисьвсередине80-хгодовХХвека.Однойизпервыхудач-ныхконструкцийявилсяинтегральныйвакуумныйсенсорбалочноготипа,егоструктурасхематическипредставленанарис.1.20[3.1].

Сенсорсодержитбалочкутолщиной10мкм,длиной3,6мм,шири-ной2,8мм,котораяизготавливаласьодновременносопорнымколь-цомметодомэлектрохимическогоиплазмохимическоготравления.Электрическаясхемавакуумметрасостоитизрезистивногонагревате-ля,размещенногоукраяконсольнойбалочкиибатареитермопар,из-меряющихразностьтемпературмеждугорячимконцомбалочкииопорнымкольцом.

Процессизготовлениятакогосенсораначиналсясвыращиваниянаисходнойкремниевойпластинер-типаэпитаксиальногослояn-типатолщиной10мкм.Электрическаясхемасоздаваласьпобиполярнойтехнологииинтегральныхсхем,длячеготермическойдиффузиейформировалисьр-ветвитермопар,разделительныеслоиинагреваю-щиерезисторы.Другиеветвитермопариэлектрическаяразводкасоз-давалисьфотолитографиейизнапыленногослояалюминия.

Наобратнуюсторонупластиныосаждалсяслойнитридакремния,которыйслужилмаскойприанизотропномтравлениивщелочиKОНнаэтапепрофилированияструктуры.Процессжидкостноготравленияостанавливалсянаp–n-переходепластина–эпитаксиальныйслой.Окончательноеформированиебалочкипроисходилоплазмохимиче-скимтравлениемспланарнойсторонынаглубину10мкм.Батареятермопаримелавнутреннеесопротивлениеоколо70кОмичувстви-тельностьоколо22мВ/К.Нагревающийрезистор,расположенныйусвободногоконцаконсольнойбалочки,имелсопротивлениепримерно

110^3Ом.

Преобразовательнаяхарактеристикавакуумметраопределяетсяза-висимостьюкоэффициентатеплопроводностигазаотдавления(1.2.22)игеометриейприбора.Рассматриваябалочкукакодномерныйобъект,изрешенияуравнениятеплопроводностидляраспределениятемпера-турывдольдлинойосибалочкиполучаем:

T(x)RL^thxPT

, (3.1.1)

s _L 0

k 1

гдеT₀

• температураопорногокольца;

²

^г ;k_г

k_sihd

^иksi

–коэф-

фициентытеплопроводностигазаиматериалабалочки;hиd–соот-ветственнотолщинабалочкиирасстояниеотбалочкидоподложки,

котораяслужиттепловымстоком;

R_s

1

k_sih

–поверхностноетепловое

сопротивлениебалочки;Р–мощность,выделяющаясянанагреваю-щемрезисторе.

Началоотсчетакоординатнаходитсяуместасоединенияопорногокольцаибалочки.

Длявыбранныхгеометрическихразмеровбалочкиописываемоговакуумметраикоэффициентатеплопроводностикремниявыполняется

условие

L1.Этопозволяетупроститьформулу(3.1.1),разложив

гиперболическийтангенсврядпомаломупараметру.Тогдаперепад

температурмеждукраямибалочки(x0

иxL)будетравен

TT(L)T(0)RLP^1^{12L2}. (3.1.2)

s  ₃ 

 

Притакойразноститемпературпривыходебатареитермопарыпо-лучаетсявыходнойсигнал

^ 1k

vNRP1 ^г



, (3.1.3)



^s 3hdk



si

гдеN–числопоследовательносоединенныхвбатарею термопар;–коэффициенттермоЭДСотдельнойтермопары.

Выходнойсигналвакуумметра(3.1.3)имеетдвесоставляющие.Перваясоставляющаянезависитотдавлениягазаиимеетсмыслна-чальноговыходногосигналасенсора.Вторая,пропорциональнаяко-

эффициентутеплопроводностигаза

k_г,представляетсобойполезный

сигнал.Дляувеличенияточностиизмеренийначальныйвыходнойсиг-налнеобходимоскомпенсировать.

Нарис.3.3приведенапреобразовательнаяхарактеристикавакуум-метра.Онаданавнормированнойформекуровнюсигналавакууммет-рапридавлении1,110^3Па,условнопринятогоза«уровеньвакуума».Поосиординатуказаноотклонениеот«уровнявакуума»:

_^u_в^u^p_.

u_в

Приувеличениидавленияpотклонениебудетвозрастатьдотехпор,поканеначнетвыполнятьсяусловиеL_нп.

Изприводимыхданныхвидно,чтовдиапазонерабочихдавлений

0,01...100Пасенсоримеетвысокуючувствительность.

«Плавающая»мембранаявляетсядругойконструктивнойреализа-циейвакуумметраПиранинакремнии.Втакомвакуумметретонкаякремниеваяпластина(мембрана)большойплощадиприсоединенакопорномукольцунесколькими(обычночетырьмя)тонкими,узкимиполосками,такчтобольшаячастьмембраныимееттепловойконтактсизмеряемойгазовойсредой,анескремниемопорногокольца(рис.3.3).

Имембрана,иопорноекольцопредставляютмонокристаллкрем-ния,элементыкоторогоформируютсяметодамижидкостногоиплаз-мохимическоготравления.Наподдерживающихполоскахсоздаетсябатареятермопар,котораяизмеряетразностьтемпературмеждумем-бранойиопорнымкольцом,инамембране–разогревающийрезистор.

γ

Нормированноеотклонение

10⁰

₁₀–1

₁₀–2

₁₀–1

10²

Давление,Па

10⁵_p

Рис.3.3.Преобразовательнаяхарактеристикава-куумметравнормализованнойформе

Размерыподдерживающихполосоквыбираютисходяизкомпро-миссамеждумеханическойпрочностьювсейструктурывцеломитре-буемымвысокимтепловымсопротивлениемполосок.Величинутем-пературногоперепадамеждумембранойиопорнымкольцомможнополучитьизуравнения

 ^w1

T_А_мG_LR

P, (3.1.4)

 s

гдеP–мощность,выделяющаянанагревающемрезисторе;

А_м–

площадьмембраны;G–удельнаятеплопроводностьгазовойсреды;

1

kh

R_s

si

–тепловоесопротивлениеподдерживающихполосок;

^ksi^и

h–теплопроводностькремнияитолщинаполоски;L–еедлина.

Применениеузкихполосоксильноограничиваетчислотермопар,которыеможнонанихразместить.Этоприводиткуменьшениючув-ствительноститермобатареи,что,однако,компенсируетсявозможно-стьюполучитьзначительныеперепадытемпературзасчетвысокоготепловогосопротивленияполосок.Выходнойсигналвакуумметрас

«плавающей»мембранойравен

v_вNP

^{w R}L

A_мG

1

^, (3.1.5)

 ^ 

s 

гдеиN–коэффициенттермоЭДСодиночнойтермопарыичислотермопарвбатарее.

Применение«плавающих»мембранпозволяетсоздаватьвакуум-

метрысвысокойчувствительностью.Так,приплощадимембраны

2

A_м1,4мм

полученачувствительность13%/Па[3.2].Такиеваку-

умметрыпозволяютидентифицироватьтипгаза.Нарис.3.4показана

общаятепловаяпроводимостьвакуумметрадавленияисоставагаза[3.6].

A_мGвзависимостиот

–1

10

Нормированноеотклонение

Гелий

АзотАргон

–6

10

–1 2 5

10 10 10

Давление,Па

Рис.3.4.Влияниетипагазанапреобразовательнуюхарак-теристикутермовакуумметра

Припрактическомиспользованиивакуумметровс«плавающей»мембранойнеобходимоучитывать,чтонарядусвысокойчувствитель-ностьюониимеютдовольнобольшоевремяпереходногопроцессаивесьмачувствительныкмеханическимвоздействиям.