一种基于薄膜电容器的气体真空度检测方法及系统与流程

1.本发明检测技术领域，尤其涉及一种基于薄膜电容器的气体真空度检测方法及系统。


背景技术：

2.真空测量技术被广泛应用于半导体制造、化工冶金、航空航天等领域，随着科技不断进步，基于不同原理的真空度检测技术也层出不穷，如：压缩式真空检测、热阴极电离真空检测、皮拉尼热阻真空检测等。不同的检测方法适用于不同的真空测量范围，如：对流真空检测、汞柱真空检测、电阻真空检测、热电偶真空检测等适用于中低真空范围，电离真空检测、热阴极磁控真空检测方案适用于中高真空范围。
3.对于中高真空范围的检测，需要方案具有相对较高的精度，而目前针对中高真空范围的真空度测量的方案大都比较复杂，例如，一种基于二极管桥的薄膜电容真空计的电容检测电路中，其原理如图1所示，即采用二极管桥电路作为检测电路，具体是将真空计内部的检测电容和测量电容直接接入电路，通过正弦交流信号的激励后其输出信号的直流分量与这两个电容的差值成正比，后续经过滤波，放大，调零等处理就能得到最终的输出信号。其中，如图2所示的二极管桥电路是该电容检测方法的核心部分，图中的测量电容和参考电容的电容值为pf量级，正弦信号经过耦合电容进入二极管桥后，输出检测信号，由图1和图2可以看出，该检测电路包含振荡电路部分且控制复杂，且根据其实验数据来看，测量范围仅在0.75-7.5torr，真空度并不高。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于薄膜电容器的气体真空度检测方法及系统，用以解决现有技术中对中高真空范围的真空度测量方法方案复杂，且真空度不高的缺陷，实现中高真空范围的高真空度的准确检测，且检测方法简单易于实施。
5.本发明提供一种基于薄膜电容器的气体真空度检测方法，包括：
6.将预设的激励信号分别输入含有薄膜电容器的检测电路和含有参考电容器的基准电路，在所述激励信号的作用下分别由所述检测电路和基准电路得到输出信号；
7.根据所述检测电路的输出信号以及所述基准电路的输出信号，得到检测信号；
8.对所述检测信号进行解算，得到气体真空度检测值；
9.其中，所述参考电容器为除薄膜电容器外的其他种类的电容器。
10.根据本发明所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测方法，所述将预设的激励信号分别输入含有薄膜电容器的检测电路和含有参考电容器的基准电路前，还包括：
11.实时监测检测空间内的温度，并在监测的温度超出预设的温度范围时，对所述检测空间内的温度进行调节，以使所述检测空间内的温度始终维持在所述温度范围内。
12.根据本发明所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测方法，所述将预设的激励信号分别输入含有薄膜电容器的检测电路和含有参考电容器的基准电路，具体包括：
13.将幅值和频率可调的载波作为所述激励信号分别输入由薄膜电容器和第一放大电路构成的检测电路，以及由参考电容器和第二放大电路构成的基准电路。
14.根据本发明所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测方法，所述将幅值和频率可调的载波作为所述激励信号分别输入由薄膜电容器和第一放大电路构成的检测电路，以及由参考电容器和第二放大电路构成的基准电路，具体包括：
15.将幅值和频率可调的载波作为所述激励信号分别输入由薄膜电容器和含有第一反馈电容器的第一放大电路构成的检测电路，以及由参考电容器和含有第二反馈电容器的第二放大电路构成的基准电路；
16.其中，所述薄膜电容器的初始电容值和所述参考电容器的电容值相等；所述第一反馈电容器和第二反馈电容器为电容值与所述参考电容器的电容值相等的相同种类的电容器。
17.根据本发明所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测方法，所述根据所述检测电路的输出信号以及所述基准电路的输出信号，得到检测信号，具体包括：
18.将所述检测电路的输出信号以及所述基准电路的输出信号作为差分放大电路的输入，由所述差分放大电路得到以所述检测电路与基准电路的输出信号的差值放大值形式进行表示的检测信号。
19.本发明还提供一种基于薄膜电容器的气体真空度检测系统，包括：
20.信号获取模块，用于将预设的激励信号分别输入含有薄膜电容器的检测电路和含有参考电容器的基准电路，在所述激励信号的作用下分别由所述检测电路和基准电路得到输出信号；
21.信号处理模块，用于根据所述检测电路的输出信号以及所述基准电路的输出信号得到检测信号；
22.信号解算模块，用于对所述检测信号进行解算，得到气体真空度检测值；
23.其中，所述参考电容器为除薄膜电容器外的其他种类的电容器。
24.根据本发明所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测系统，还包括：
25.温控模块，用于实时监测检测空间内的温度，并在监测的温度超出预设的温度范围时，对所述检测空间内的温度进行调节，以使所述检测空间内的温度始终维持在所述温度范围内。
26.根据本发明所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测系统，所述信号处理模块为差分放大模块；
27.所述差分放大模块用于将所述检测电路的输出信号以及所述基准电路的输出信号作为输入，并输出所述检测电路的输出信号与所述基准电路的输出信号的差值放大值。
28.根据本发明所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测系统，还包括：
29.数模转换模块，用于通过数模转换生成作为所述激励信号的载波；
30.调整模块，用于将所述载波的幅值和频率调整至满足所述检测电路和基准电路的输入要求。
31.根据本发明所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测系统，还包括：
32.模数转换模块，用于将所述差分放大模块输出的差值放大值由模拟信号转换为数字信号后，输入所述信号解算模块进行解算。
33.本发明提供的一种基于薄膜电容器的气体真空度检测方法及系统，通过将预设的激励信号分别输入含有薄膜电容器的检测电路和含有参考电容器的基准电路，利用薄膜电容器会随气压形变，使其电容值发生改变的特性，使得在检测空间内气压发生变化时，在所述激励信号作用下由检测电路输出的信号会发生改变，而非薄膜电容器的参考电容器所在的基准电路的输出信号并不会因为气压的变化发生变化，进而以基准电路的输出信号作为比较基准，能够方便的得到与所述薄膜电容器的电容值变化量相关的检测信号，即所述检测空间内的气体真空度变化，之后通过将检测信号解算，就能得到气体真空度检测值，检测方法简单易于实施。
34.通过将预设的激励信号分别输入检测电路和基准电路，使得检测电路和基准电路以同一激励信号作为输入，进而避免了因输入信号不同造成的噪声和偏移对检测结果的影响，提高了检测的准确度。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1是现有的一种基于二极管桥的薄膜电容真空计的电容检测电路的检测原理框架图；
37.图2是图1所示的一种基于二极管桥的薄膜电容真空计的电容检测电路中的二极管桥电路；
38.图3是本发明提供的一种基于薄膜电容器的气体真空度检测方法的流程示意图；
39.图4是本发明提供的一种基于薄膜电容器的气体真空度检测方法的电容检测原理图；
40.图5是本发明提供的一种电容检测电路的电路图；
41.图6是采用本发明提供的电容检测电路的电路图进行气体真空度检测的检测效果图；
42.图7是将图5的电容检测电路图改为两路载波输入的电路图；
43.图8是采用图5所示电容检测电路得到的气压检测稳定性测试结果图；
44.图9是采用图7所示的电容检测电路得到的气压检测稳定性测试结果图；
45.图10是本发明提供的一种基于薄膜电容器的气体真空度检测系统的结构示意图。
具体实施方式
46.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.下面结合图3至图9描述本发明的一种基于薄膜电容器的气体真空度检测方法，该方法包括以下步骤：
48.101、将预设的激励信号分别输入含有薄膜电容器的检测电路和含有参考电容器的基准电路，在所述激励信号的作用下分别由所述检测电路和基准电路得到输出信号；
49.102、根据所述检测电路的输出信号以及所述基准电路的输出信号，得到检测信号；
50.103、对所述检测信号进行解算，得到气体真空度检测值；
51.其中，所述参考电容器为除薄膜电容器外的其他种类的电容器。
52.需要说明的是，薄膜电容器是以金属箔当电极，将其和聚乙酯，聚丙烯，聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜，从两端重叠后，卷绕成的圆筒状的电容器，薄膜电容器具有无极性、绝缘阻抗高、频率响应广、介质损失小等诸多优点，同时，具有会随气压形变，从而使其电容值发生改变的特性，即在被测气体的真空度发生变化时，薄膜电容器的薄膜的间隙会发生改变，进而其电容值也会发生改变，基于此，在本发明的技术方案中，将薄膜电容器接入电容检测电路中，用于气体真空度的检测。
53.具体地，通过将预设的激励信号分别输入含有薄膜电容器的检测电路和含有参考电容器的基准电路，在检测空间内真空度发生改变，即气压发生变化时，在激励信号作用下由检测电路输出的信号会因薄膜电容器的电容值的变化而发生改变，而基准电路内的电容器并不是薄膜电容器，所以输出信号不会发生改变，进而以基准电路的输出信号作为比较基准，就能方便的得到与所述薄膜电容器的电容值变化量相关的检测信号，即所述检测空间内的气体真空度的变化，之后通过对检测信号进行解算，就能得到气体真空度检测值。
54.在上述的检测方法中，仅需要设置激励信号后，将激励信号输入包含薄膜电容器的检测电路，以及包含参考电容器的基准电路，然后对输出信号进行解算，就能得到检测空间的真空度变化，检测方法步骤少，且简单易于实施。
55.更具体地，检测电路和基准电路的输入端得到是一个激励信号，即针对检测电路和基准电路的噪声和偏移都是相同的，从而有效避免了因输入信号不同而造成的噪声和偏移对检测准确度的影响。
56.进一步地，温度对薄膜电容器以及检测电路、基准电路的参数均具有一定的影响，因而温度的变化，会直接影响对检测空间内真空度检测的准确性。
57.基于此，在本发明的一个实施例中，在将预设的激励信号分别输入含有薄膜电容器的检测电路和含有参考电容器的基准电路前，还包括：
58.实时监测检测空间内的温度，并在监测的温度超出预设的温度范围时，对所述检测空间内的温度进行调节，以使所述检测空间内的温度始终维持在所述温度范围内。
59.需要说明的是，通过实时监测检测空间内的温度，并通过对温度的实时调节，使得检测空间内的温度始终保持在预设的温度范围内，可以理解的是，温度始终保持在一个固定值上，是最为理想的检测状态，然而，温度始终固定在使用应用中，基本不可能实现，所以，在上述实施例中，将温度范围设定的相对较小，使检测空间内的温度尽可能的维持在一个固定值上，从而有效消除了温度对薄膜电容器，以及其他各项电路参数的影响，提高了检测的精度。
60.在中高真空范围的气体真空度检测中，被测气体真空度的绝对变化量往往比较微小，因而因气压变化造成的薄膜电容器电容值的变化也会比较小，单纯根据对薄膜电容器电容值的微小变化进行解算，会使得对真空度的准确检测变得相对困难。同时，可以理解的
是，电容器的容抗值是一个和频率有关的量，因而当电路中含有电容器时，对于载波的频率也应有一定的考虑。
61.基于此，在本发明的另一个实施例中，是将幅值和频率可调的载波作为所述激励信号分别输入由薄膜电容器和第一放大电路构成的检测电路，以及由参考电容器和第二放大电路构成的基准电路。
62.需要说明的是，第一放大电路和第二放大电路为完全相同的放大电路，进而避免因信号放大的不同对检测电路和基准电路的输出信号的影响。
63.进一步地，幅值可调的作用主要是防止后级信号放大电路输出饱和，频率可调的作用主要是找到电路运行的最佳频率，比如当多个检测电路一起工作时可能会发生拍频现象，微调每一个检测电路的载波频率，可消除拍频带来的检测干扰，因而，通过将幅值和频率可调的载波作为激励信号分别输入检测电路和基准电路，能够使得检测电路和基准电路更为稳定有效地运行。
64.进一步地，为了进一步保证检测结果的准确度，在本发明的另一个实施例中，在放大电路中应用的是反馈电容器，即：
65.将幅值和频率可调的载波作为所述激励信号分别输入由薄膜电容器和含有第一反馈电容器的第一放大电路构成的检测电路，以及由参考电容器和含有第二反馈电容器的第二放大电路构成的基准电路；
66.其中，所述薄膜电容器的初始电容值和所述参考电容器的电容值相等；所述第一反馈电容器和第二反馈电容器为电容值与所述参考电容器的电容值相等的相同种类的电容器。
67.进一步地，当薄膜电容器的初始电容值和参考电容器的电容值电容值相差较大时，在实际应用的时候会有诸多不便，比如：气体真空度还未改变时后级输出已经饱和、输出零位较大，等等。因而，选用与薄膜电容器的初始电容值相等的参考电容器是最方便实际应用的。而第一反馈电容器和第二反馈电容器分别用于薄膜电容器和参考电容器的输出信号的放大，所以电容值均与参考电容器的电容值相等或相近，即第一反馈电容器和第二反馈电容器实质为电容值相等的电容器，则会使得在检测空间真空度变化时，对于薄膜电容器的变化量的解算更加方便。
68.更进一步地，基准电路的作用在于利用其输出信号作为检测电路的输出信号的基准，因而，当将检测电路的输出信号与基准电路的输出信号的差值能够直接反映检测电路中薄膜电容器的电容值的变化量，也就是气体真空度的变化，基于此，在本发明的另一个实施例中，是将所述检测电路的输出信号以及所述基准电路的输出信号作为差分放大电路的输入，由所述差分放大电路得到以所述检测电路与基准电路的输出信号的差值放大值形式进行表示的检测信号。
69.需要说明的是，如图4所示，将载波1作为第一放大电路2和第二放大电路3的一个输入，第一放大电路2和第二放大电路3分别与薄膜电容器4和参考电容器5构成放大电路，而后第一放大电路2和第二放大电路3的输出信号分别作为差分放大电路6的输入信号，则差分放大电路6的输出信号就是一个与薄膜电容器4的变化量相关的信号，因此可用差分放大电路的输出信号来表征薄膜电容器4电容值的变化量，也就是气体真空度的变化。通过第一放大电路2、第二放大电路3和差分放大电路6的引入，使得因气体真空度变化造成的薄膜
电容器4的电容值的变化量不仅得到放大，便于进一步解算，且采用同一载波1作为第一放大电路2和第二放大电路3的输入，在利用差分放大电路6进行差值计算时，检测电路和基准电路的输出信号的噪声和漂移能够相互抵消，从而进一步减小由载波本身带来的噪声和漂移。
70.具体地，以选用放大器构成的第一放大电路和第二放大电路为例，在引入第一反馈电容器和第二反馈电容器后，本发明所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测方法所应用的电容检测电路如图5所示，即将载波接在放大器同相输入端，参考电容器c
ref
和薄膜电容器c
x
分别连接在放大器反相输入端，并在放大器输出端和反向输入端匹配与参考电容器c
ref
和薄膜电容器c
x
的电容值相等或相近的反馈电容器cf，然后将放大器的输出端连接差分放大电路，则差分放大电路的输出即为薄膜电容器的变化量，也就是气体真空度的变化量。在此条件下可推导差分放大电路的输出信号的幅值out与薄膜电容器的变化量δc
x
的关系，如下式所示：
[0071][0072]
其中，v
in
是输入载波信号幅值，gain为差分放大电路的增益。
[0073]
更具体地，以频率为10khz，幅值为5v的正弦载波信号作为如图5所示的电容器检测电路的输入载波，通过对差分放大电路的输出进行解算，得到的气体真空度检测效果如图6所示，可见，采用本发明实施例所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测方法，气体真空度的测量范围为10e-4-0.1torr，即达到了由几近绝对真空到0.1torr的高真空度检测，且检测结果的线性度很高。
[0074]
进一步地，设置由两路载波，载波1和载波2分别输入与薄膜电容器和参考电容器相连的放大器中，其他部分均与图5的电容器检测电路相同，电路图如图7所示，通过分别对图5和图7的差分放大电路的输出进行解算，得到真空条件下对气压的稳定性测试结果如图8和图9所示，可见，采用一路载波作为检测电路和基准电路的输入时，噪声水平有有明显的下降，这是因为采用同一路载波后，噪声、漂移都是相同的，求差后噪声、漂移能够互相抵消，从而减小由载波本身带来的噪声、漂移。
[0075]
下面结合图10对本发明提供的一种基于薄膜电容器的气体真空度检测系统进行描述，下文描述的一种基于薄膜电容器的气体真空度检测系统与上文描述的一种基于薄膜电容器的气体真空度检测方法可相互对应参照。
[0076]
如图10所示，本发明提供的一种基于薄膜电容器的气体真空度检测系统，包括：信号获取模块110、信号处理模块120和信号解算模块130；其中，
[0077]
所述信号获取模块110用于将预设的激励信号分别输入含有薄膜电容器的检测电路和含有参考电容器的基准电路，在所述激励信号的作用下分别由所述检测电路和基准电路得到输出信号；
[0078]
所述信号处理模块120用于根据所述检测电路的输出信号以及所述基准电路的输出信号得到检测信号；
[0079]
所述信号解算模块130用于对所述检测信号进行解算，得到气体真空度检测值；
[0080]
其中，所述参考电容器为除薄膜电容器外的其他种类的电容器。
[0081]
本发明提供的一种基于薄膜电容器的气体真空度检测系统，通过将预设的激励信
号分别输入含有薄膜电容器的检测电路和含有参考电容器的基准电路，利用薄膜电容器会随气压形变，使其电容值发生改变的特性，使得在检测空间内气压发生变化时，在所述激励信号作用下由检测电路输出的信号会发生改变，而非薄膜电容器的参考电容器所在的基准电路的输出信号并不会因为气压的变化发生变化，进而以基准电路的输出信号作为比较基准，能够方便的得到与所述薄膜电容器的电容值变化量相关的检测信号，即所述检测空间内的气体真空度变化，之后通过将检测信号解算，就能得到气体真空度检测值，检测方法简单易于实施。
[0082]
通过将预设的激励信号分别输入检测电路和基准电路，使得检测电路和基准电路以同一激励信号作为输入，进而避免了因输入信号不同造成的噪声和偏移对检测结果的影响，提高了检测的准确度。
[0083]
可选的是，检测电路由薄膜电容器和第一放大电路组成；基准电路由参考电容和第二放大电路组成。
[0084]
进一步可选的是，第一放大电路中含有第一反馈电容，第二放大电路中含有第二反馈电容，且所述薄膜电容器的初始电容值和所述参考电容器的电容值相等；所述第一反馈电容器和第二反馈电容器为电容值与所述参考电容器的电容值相等的相同种类的电容器。
[0085]
在一个优选方案中，所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测系统，还包括温控模块130。
[0086]
所述温控模块130用于实时监测检测空间内的温度，并在监测的温度超出预设的温度范围时，对所述检测空间内的温度进行调节，以使所述检测空间内的温度始终维持在所述温度范围内。
[0087]
需要说明的是，所述温控模块包含了测温部分和变温部分，其主要功能是保持系统内温度尽量稳定在某个固定值，以消除温度对薄膜电容器，以及其他各项电路参数的影响。
[0088]
在另一个优选方案中，所述信号处理模块120为差分放大模块；
[0089]
所述差分放大模块用于将所述检测电路的输出信号以及所述基准电路的输出信号作为输入，并输出所述检测电路的输出信号与所述基准电路的输出信号的差值放大值。
[0090]
需要说明的是，差分放大模块和检测电路、基准电路共同构成所述基于薄膜电容器的气体真空度检测系统的电容检测电路，通过将载波输入电容检测电路，对输出的检测信号利用信号解算模块进行解算，就能得到气体真空度检测值。
[0091]
在另一个优选方案中，所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测系统，还包括数模转换模块和调整模块；其中，
[0092]
所述数模转换模块用于通过数模转换生成作为所述激励信号的载波；
[0093]
所述调整模块用于将所述载波的幅值和频率调整至满足所述检测电路和基准电路的输入要求。
[0094]
所述模数转换模块用于将所述差分放大模块输出的差值放大值由模拟信号转换为数字信号后，输入所述信号解算模块进行解算。
[0095]
需要说明的是，用于将载波的幅值和频率调整至满足所述检测电路和基准电路的输入要求的调整模块可以为一个具有这一功能的单独模块，也可以作为信号解算模块的一
个功能，进而通过信号解算模块实现载波的幅值和频率的调整。
[0096]
在另一个优选方案中，所述的基于薄膜电容器的气体真空度检测系统，还包括模数转换模块；
[0097]
所述模数转换模块用于将所述差分放大模块输出的差值放大值由模拟信号转换为数字信号后，输入所述信号解算模块进行解算。
[0098]
需要说明的是，基于薄膜电容器的无极性，绝缘阻抗高，频率响应宽广，而且介质损失很小的优点，薄膜电容器大都被使用在模拟电路上，因而，采用模数转换模块实现对检测放大信号的采样，以使所述信号解算模块根据放大的检测信号解算气体真空度值。
[0099]
可以理解的是，本发明所述的一种基于薄膜电容器的气体真空度检测系统还应该包括能够为各模块进行供电的电源模块，同时，为了丰富系统的功能，还可以配置与信号解算模块分别连接的通信模块、调参模块以及指示模块；从而使得信号解算模块通过通信模块能够实现与外界系统在规定协议下的通信、通过调参模块能够实现使系统能够适应新的应用环境而调整系统的参数的功能、以及通过指示模块能够实现根据信号解算模块的命令，显示系统的状态。
[0100]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。