Page 45 - 《真空与低温》2025年第3期

316 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

of 3.58%. This research lays a foundation for developing practical wide range MEMS hot cathode ionization vacuum gauge.
Key words：MEMS；hot ionization gauge；stable electronic current circuit；ion current measurement circuit

0 引言 1×10 ～40 Pa 内变化时，归一化离子流呈现出近似
−4
[8]
真空技术广泛应用于生活、生产、科研等各个方 线性的变化 。为了研制实用化的 MEMS 热阴极
面。其中，用于加热有毒有害金属的真空加热炉 、 电离真空计，需要设计合适的电路系统与真空规相
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用于核聚变的托卡马克装置 以及用于真空镀膜 结合。
[3]
的镀膜设备 等，其内部都需要维持高真空环境， 本文首先简要介绍了本课题组前期研制的
因此需要真空计对腔室内部的压力进行检测。热 MEMS 热阴极电离真空规的工作原理，继而描述了
阴极电离真空计具有测量精度高、线性度好等优 其配套电路系统的设计方案，最后通过真空规与电
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点，因此被广泛应用于高真空环境中的压力测量 。 路系统的联合测试开展系统性能研究。

热阴极电离真空计主要包括由阴极、栅极、离
1 电路系统的设计
子收集极组成的规管以及电路系统。传统的热阴
极电离真空规因体积较大、集成困难，导致难以规 1.1 MEMS 热阴极电离真空计的工作原理
模化制造，进而使得生产成本较高，这限制了其广 热阴极电离真空计的工作原理为：阴极受热后
发射电子，电子被施加高压偏置的栅极和阴极间的
泛应用。随着微机电系统（Micro-Electro-Mechani-
cal System，MEMS）技术的成熟，真空传感器逐渐实 电势差加速后，与空气中的气体分子发生碰撞电离，
现了微型化，各类真空测量仪器的微型化也成为重 电离产生的正离子数目与气体压力成正比。具体
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要的研究方向 。美国伯克利实验室 Williams 课题 理论关系可以用式（1）来表示：
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组 和中国大连理工大学 Wang 课题组 [7] 都报道 Lσ
I c = I e p = I e Sp （1）
了 MEMS 热阴极电离真空规，但是受限于灯丝材 kT
式中：I c 为被离子收集极收集的正离子产生的离子
料和加工工艺，上述 MEMS 热阴极电离真空规普
遍存在上限较低、重复性较差等问题 。此外，传统 流；I e 为被栅极收集的电子形成的发射电流；L 为
的热阴极真空计控制器尺寸较大，规管和控制器之 电子运动的轨迹长度；σ 为电子与被测气体分子的
间需要分立放置，彼此通过电缆连接，导致真空计 电离截面；k 为玻尔兹曼常数；T 为环境温度；p 为
整体体积庞大、组装不便。在前期工作中，本课题 待测压力；S 为灵敏度 [4，9] 。由于灵敏度 S 对于确定
组开发出一款 MEMS 热阴极电离真空规，其整体 的真空规管来说为常数，因此电路系统控制发射电
尺寸仅为 14 mm×9 mm×3.6 mm，可用于微小腔室 流也为常数时，离子流便与压力成简单的线性关系，
内部的压力测量。设置阴极两端电压为定值，栅 有 助 于 简 化 校 准 流 程、 提 高 测 量 精 度 。 图 1（a）
极电压为 210 V，离子收集极电压为 0 V，压力在 则为 MEMS 热阴极真空计的工作示意图。

发射电流 栅极

A 栅极电路模块
阴极
离子收集极
A
电路模块 离子
收集极
离子流 阴极电路模块

（a）示意图 （b）真空规实物图

图 1 MEMS 热阴极电离真空计
Fig. 1 MEMS hot ionization gauge

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图 1（a）中的真空规为三层堆叠结构，从下至 璃间隔层和栅网层 。通过回流工艺制作的 TGV
上可分为玻璃通孔（Through Glass Via，TGV）层、玻 层包含绝缘玻璃和硅馈通柱，绝缘玻璃结构将馈通