Page 48 - 《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 319

此需要在跨接电阻 R T 两端并联足够大的跨接电容 STM32F103C8T6 型单片机与 ADS1115 型 ADC 共同
C T ，引入一个极点，使得噪声增益曲线随开环增益 构成单片机电路模块的主要元件。

曲线具有至少−20 dB/dec 的增益，从而维持电路的
2 电路系统的测试
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稳定 。在本模块中，可选择容值为 500 pF 的跨接
电容，用以防止自激振荡。 2.1 测试系统的搭建

1.2.4 单片机电路模块主要元件设计 在电路系统设计并制版完成后，需要与 MEMS
单片机模块电路模块中主要包括单片机和数 热阴极电离真空规组合进行测试，组装完成后的实
模转换模块。单片机可以选择 STM32F103 型单片 物图如图 3 所示。图 3（a）为电路系统实物图。由
机，其内部有 6 个定时器，其功能包括：能够生成占 于 PCB 整体直径不超过 48 mm，因此电路系统各
空比可调的 PWM 波，用以控制阴极加热电路输出 模块被分别设计在两块 PCB 上，上方的 PCB 集成
幅值不同的电流；支持 USART 通信和 I2C 通信，能 了阴极电路模块与栅极电路模块，而离子收集极电
够与外界设备进行通信，获取发射电流、离子电流 路模块与单片机电路模块则位于下方的 PCB 上。
数值和传递压力数值等信息。 两块 PCB 板之间的控制信号传输通过 FFC 排线
对于模数转换模块（Analog-to-Digital Converter， 进行传输，而高压直流则通过排针排母进行传
ADC），单片机内部的 ADC 分辨率为 12 位，在 3.3 V 递。图 3（b）为 MEMS 热阴极电路真空计的实物图。
电源电压的情况下，难以满足对 20 nA 离子电流信 MEMS 热阴极电离真空规通过支架固定在 KF40
号进行读取的需要；且最低分辨电压为 0.8 mV，难 的法兰中，法兰上方伸出四根由不锈钢制成的直径
以精准实现对微安级别发射电流的控制，因此需 2 mm 的圆柱，与 PCB 下板中心位置 4 个通孔相互连
要选择外接 ADC。德州仪器公司的 ADS1115 型 接。电路系统的供电需求可通过电脑等设备转接
ADC，分辨率为 16 位，支持 4 通道数据采集，支持 线 连接 USB 口 提 供 5 V 电 压 满 足 ， 同 时 USB 口
I2C 通信协议，可以与单片机进行通信。因此选择 还可对外进行发射电流、离子电流等数据的传输。

栅极电路模块

电路系统
阴极电路模块

真空规
离子收集极
电路模块
单片机
电路模块
（a）电路系统实物图 （b）MEMS热阴极电离真空计实物图

图 3 MEMS 热阴极电离真空计电路及组装图
Fig. 3 Circuit and assembly diagram of MEMS hot ionization gauge

真空计组装完成后，需要在真空系统中进行测 控制腔室内部的压力。

试。首先将 MEMS 热阴极电离真空计通过标准真 2.2 测试结果的分析
空电馈通连接至真空腔体，再通过真空控制台打开 在 MEMS 热阴极电离真空计工作过程中，发
机械泵，待压力降至 10 Pa 以下时，打开主阀，打开 射电流稳定效果如图 4 所示。设定发射电流为

−3
−1
分子泵，继续抽气。DL-7 真空规控制器通过电缆 10 µA，当压力在 1.5×10 ～1×10 Pa 范围内变化时，
与 DL-7 真空规相连接，在整个测试流程中，可以通 可以发现发射电流的平均值为 10.1 µA，相对标准
过观察真空规控制器的示数获得真空腔体内部的 偏差（Relative Standard Deviation，RSD）为 0.51%，满
压力数值。在测试过程中，可以通过转动主阀，以 足 RSD<1% 的设计指标。