Page 46 - 《真空与低温》2025年第3期

刘晨溪等：MEMS 热阴极电离真空计电路系统的开发 317

柱与剩余的硅区域隔离，而馈通柱上下两端通过磁 原理图如图 2 所示。参考课题组前期工作和市面
控溅射镀有 800 nm/10 nm 的 Au/Ti 膜作为馈通电 主流真空计参数，固定离子收集极电位为 0 V，与
极。铂铱丝阴极通过点焊的方式在真空规的内侧 地电位相等，阴极对地电位、栅极对地电位分别为
连接到 2 个馈通电极上，相应的馈通柱的外侧电极 30 V、210 V。在不进行稳流控制的情况下，当压力
−4
则与阴极电路模块相连接，用于灯丝加热以及调节 为 1.3×10 Pa 时，发射电流能上升至 58 µA，若通
电子发射电流。TGV 层外圈未镀膜的硅层则可作 过稳流电路将 MEMS 热阴极电离真空规的发射电
为离子收集极，在离子收集极电路模块的作用下收 流稳定在较大值，会缩短阴极寿命，影响真空规的
集正离子，形成离子流。栅网层与 TGV 层通过绝 长期使用，因此可将发射电流设置在 10 µA 附近。
缘玻璃层隔离，其中分布着矩形通孔阵列，在外接 此外，为了发挥 MEMS 热阴极电离真空规微型化
栅极电路模块后，栅网层可以起到收集电子形成发 的优势，制造小体积的热阴极电离真空计，电路系
射电流的功能。图 1（b）为 MEMS 热阴极电离真空 统尺寸也不应过大。当真空计应用在微小腔室内
规的实物图，其尺寸仅为 14 mm×9 mm×3.6 mm，具 部压力测量等多样化真空场景中时，也应尽可能简
备微型化的特征。由于其是通过 TGV 技术加工 4-in 化真空计的配套设备，如通过电脑等设备的 USB
晶圆获得，且灯丝加工工艺与 CMOS 工艺相兼容， 口提供 5 V 电压电路即可工作，压力数据也可通过
[8]
因此具备大规模批量化生产制造的潜力 。 USB 数据线进行传输，实现只需一根 USB 线，便可

1.2 电路系统的理论分析 实现供电与通讯等功能。综上，电路系统设计指标
MEMS 热阴极电离真空计电路系统整体模块 如表 1 所列。

MEMS真空规 栅极电路模块
T 1 反激电源
栅极
R sense 芯片
阴
可调 极 离子
电流源 收集极
数字
R F2 R F1 离子
C F1 隔离模块 单片机 C T
C F2 流
发射 R B1 模数转 R T
电流 换模块 运放
R B2

阴极电路模块 单片机电路模块 离子收集极电路模块

图 2 MEMS 热阴极电离真空计电路系统原理图
Fig. 2 The schematic of MEMS hot ionization gauge circuit system

态调节发射电流的功能。本文选择以 LGS6304X

表 1 电路系统设计指标
芯片为核心搭建阴极加热电路，该款芯片可以实现
Tab. 1 Design index of circuit system
动态的高精度电流的输出，而输出电流峰值可以通
电路参数 设计指标
过图 2 中的限流电阻 R sens 进行设置，从而避免加
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电气连接 USB Type-A（公头）
热电流过大烧毁真空规。通过向芯片的控制引脚
电路板直径 ≤48 mm
输入占空比变化的 PWM 信号或者幅值变化的直
供电电压 5 V
流电压信号，可以调节输出电流。本文选择通过单
阴极电位电压 30 V
栅极电位电压 210 V 片机提供占空比可调的 PWM 信号，经过由 R F1 、C F1 、
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发射电流 10 µA±1% R F 和 2 C F 组成的两级 RC 滤波电路滤波成近似直
离子流测量电路量程 50～20 nA 流的信号后输入芯片，避免了直接输入 PWM 信号
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导致的阴极加热电流高频波动的缺点 。对于发
1.2.1 阴极电路模块主要元件设计 射电流采样电路，可以通过电阻 R B 和 1 R B 进行采
2
阴极电路模块需要具备对阴极进行加热和动 样。同时，当发射电流流经采样电阻时，会产生阴