Page 44 - 《真空与低温》2025年第3期

第 31 卷 第 3 期 真空与低温
2025 年 5 月 Vacuum and Cryogenics 315

MEMS 热 阴 极 电 离 真 空 计 电 路 系 统 的 开 发

刘晨溪 ，郑润涵 ，李志伟 ，赵彦晴 ，余玉强 ，李 洋 ，郭等柱 ，王雨薇 ，魏贤龙 2*
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（1. 湖南大学 电气与信息工程学院，长沙 410082；2. 北京大学电子学院
纳米器件物理与化学教育部重点实验室，北京 100871）
摘要：热阴极电离真空计凭借其稳定可靠的性能以及优异的高真空探测能力，广泛应用于半导体、航空航天
以及医药医疗等行业中。然而，传统的热阴极电离真空计至今仍存在体积大、难以并行加工与集成等瓶颈。针对
上述问题，基于课题组之前加工的 MEMS 热阴极电离真空规，配套开发了一套以 STM32 单片机为控制核心的电
路系统。该电路系统能通过反激电路为热阴极电离真空规的栅极施加 210 V 直流偏压，并调节恒流芯片的输出电
流以调节阴极的加热功率从而获得稳定的发射电流，同时处理经过离子电流测量电路 I-V 转换的电压信号从而获
得 压 力 数 值 。 该 套 电 路 系 统 搭 配 课 题 组 开 发的 MEMS 热 阴 极 电 离 真 空 规 ， 仪 器 整 体 尺 寸 仅 为 ϕ5.5 cm×
7.6 cm，在小型化方面展现出优势，将来可被应用于体积受限的场景中进行真空测量。在真空测试环境中，该真空
计的发射电流平均值为 10.1 μA， RSD 为 0.51%；能够测量 2.1×10 Pa 至 1.8×10 Pa 的压力，线性度为 3.58%。研究
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成果为开发实用化的宽量程 MEMS 热阴极电离真空计奠定了基础。
关键词：MEMS；热阴极电离真空计；稳流电路；离子流测量电路
中图分类号：TB772 文献标志码：A 文章编号：1006−7086（2025）03−0315−07
DOI：10.12446/j.issn.1006-7086.2025.03.004

Development of Circuit System for MEMS Hot Ionization Gauge

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LIU Chenxi ，ZHENG Runhan ，LI Zhiwei ，ZHAO Yanqing ，YU Yuqiang ，LI Yang ，
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GUO Dengzhu ，WANG Yuwei ，WEI Xianlong 2*
（1. College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；2. Key Laboratory
for the Physics and Chemistry of Nanodevices，School of Electronics，Peking University，Beijing 100871，China）
Abstract：Depending on its stable and reliable performance and excellent high vacuum detection capability，hot cathode
ionization vacuum gauge has been widely used in many industries such as semiconductors，aerospace，and medicine，playing
a vital role in ensuring the accuracy of vacuum measurement. However，conventional hot cathode ionization vacuum gauge
persistently suffers from critical engineering limitations，including excessive size and incompatibility with parallel microfab-
rication processes. To solve such problems， an innovative approach was presented. A circuit system was developed with
STM32 microcontroller as the control core based on the MEMS hot cathode ionization vacuum gauge previously developed
by the research group. The circuit system can apply a precisely regulated 210 V DC bias voltage to the grid of the hot cathode
ionization vacuum sensor through a flyback circuit；Additionally，the single chip microcomputer can obtain stable electronic
current by adjusting the output current of constant current chip to adjust the heating power of cathode. This is crucial for accu-
rate ion current generation. Meanwhile，the voltage signal converted by the ion current measuring circuit I-V is processed to
obtain the pressure value. The overall size of the instrument which combined with the circuit system and MEMS hot ionization
vacuum sensor developed by the research group is only ϕ5.5 cm×7.6 cm，which showing advantages in miniaturization and repre-
senting an improvement in terms of compactness compared to traditional gauge. The small size of the vacuum gauge enables
the instrument to be deployed in spatially constrained applications. In the vacuum test environment，the average emission cur-
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rent of the gauge is 10.1 μA，and its RSD is 0.51%；it can measure pressure from 2.1×10 Pa to 1.8×10 Pa ，with a linearity

收稿日期：2024−12−16
基金项目：国家自然科学基金面上项目（62471178）
作者简介：刘晨溪。E-mail：Lcx123@hnu.edu.cn
通信作者：王雨薇，博士，副教授。E-mail：yuweiwang@hnu.edu.cn
魏贤龙，博士，长聘副教授。E-mail：weixl@pku.edu.cn