介紹

氣壓基礎

容器內的氣體壓力定義為單個氣體分子或原子與壁碰撞而施加在容器壁上的累積力（圖 1）。

圖 1. 氣壓的基本來源。

壓力被確定為力/面積或F / A。單個分子在單位時間內對容器壁施加的力等于分子與壁之間的動量傳遞，可以表示為：

其中t是分子與壁碰撞之間??的時間，m是分子質量，v是其速度。因此，壓力可以定義為：

其中NV是容器中的分子總數，m是分子的質量，v是其平均速度，V是容器的體積。由于分子的平均動能與絕對溫度有關：

我們可以替換并重新排列等式（2）成為：

其中k是能量與溫度之間關系的比例常數，稱為玻爾茲曼常數，T是絕對溫度。由于理想氣體常數R只是玻爾茲曼常數乘以阿伏伽德羅數（N 0，一摩爾物質中的分子數 - 6.022×10 23），因此等式（4）完全等價于熟悉的理想氣體定律：

其中n是氣體的摩爾數，R是理想氣體常數。氣體的摩爾體積是一個常數（阿伏伽德羅定律），在 STP（標準溫度和壓力，1 個大氣壓，0°C）下，一摩爾氣體占據 22.4L。有關真空科學和技術分子基礎的更詳細討論，請參見參考文獻 [1] 和 [2]。

早期壓力測量

大氣壓力首先由 17 世紀的科學家 Evangelista Torricelli 測量。他使用了一個裝滿水銀的真空玻璃管，然后將其倒置在盛有水銀的盤子中（這種類型的測量裝置被稱為水銀壓力計）。流體靜力平衡要求玻璃管中汞柱施加的壓力必須等于大氣對盤中汞施加的壓力。他發現，海平面上的大氣對盤中汞的作用力將支撐管中 760 毫米高的汞柱。這就是這個測量系統中大氣壓力單位看似奇數的原因——大氣壓力被分為 760 個單位，稱為“托” 歐洲和亞洲系統中的真空和氣象測量通常指“大氣”中的壓力，其中 1 個大氣壓（稱為 1 bar）是海平面的正常大氣壓。該系統中的真空測量值通常以 1/1000 大氣壓（毫巴）為單位進行報告。帕斯卡是 SI 系統中用于壓力測量的單位。帕斯卡定義為每單位面積的力，等于 1 牛頓/米2 .

表 1. 常用壓力測量單位及其在大氣壓下的值。

表 1 顯示了壓力測量的常用單位及其在大氣壓下的值。可以在線找到各種壓力單位轉換計算器（例如，https://www.unitconverters.net/pressure-converter.html）。

圖 2. 充滿液體的壓力計。

自 Torricelli 時代以來，充液壓力計（圖 2）一直作為絕對真空壓力測量的基本標準使用。液體壓力計對真空和壓力進行直接絕對測量，通常被認為是其他壓力測量設備測量的基本測量標準。

現代壓力測量

直接壓力測量

最常見的直接壓力測量類型使用機械變形作為測量壓力的基本原理。由于壓力是單位面積力的量度，因此壓差可以以可重復的方式使不同種類的材料元件變形。元件經受的變形程度與元件的材料特性和施加在其上的壓力成正比。因此，薄而柔韌的元件可用于測量低壓差，而較厚、較硬的元件可類似地用于測量高壓差。可以通過多種方式測量這些元件的偏轉程度，包括直接機械測量、包含該元件的設備的電氣特性變化以及光學探頭的偏轉。

圖 3. 壓力測量裝置中常用的機械變形元件及其隨壓力變化的變形模式。

圖 3 顯示了可用作機械壓力測量裝置中的變形元件的一些結構。機械變形計包括電容壓力計、波登壓力計、共振膜片壓力計、波紋管壓力計、壓電壓力計等。

電容壓力計

大氣壓和中真空壓力下的直接壓力測量值可以通過在機電隔膜壓力計中測量金屬或陶瓷薄膜的偏轉來確定（圖 4）。隔膜偏轉與儀表中存在的氣體種類無關，并且與隔膜上的壓差成正比。

圖 4. 使用隔膜偏轉的直接壓力測量。

圖4表示膜片的撓度與壓差d的關系，撓度距離與壓差成正比；比例常數k取決于隔膜厚度、材料和尺寸。k是通過對參考壓力計進行校準來確定的。

圖 5. 電容壓力計中的信號測量。

通過測量電極和隔膜之間的電容（電容壓力計，圖 5）可以生成與壓力成比例的電信號。在電容壓力計中，膜片向低壓側偏轉，如圖 4 所示。這些壓力計中膜片的偏轉程度決定了與壓力差 (P2 – P1) 成正比的電信號，公式如下：圖 5. 在絕對壓力計中，隔膜的一側（參考腔）是一個密封的真空腔，其中壓力恒定且實際上為零。絕對電容壓力計通常用于過程真空測量。因此，隔膜上的壓差總是以真空為參考。差動電容壓力計沒有參考腔 - 只是一個可以連接到任何壓力或真空源的管或通道。這些壓力計讀取隔膜上的壓力差。電容式壓力計是半導體行業的真空測量主力。由于絕對電容壓力計對氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監測過程中壓力的半導體工藝工具中都可以找到絕對電容壓力計。差分電容壓力計在需要基于壓力的開關和控制的領域得到廣泛應用，例如腔室負載鎖定。它們通常用作安全開關和氣流壓降測量。這些壓力計讀取隔膜上的壓力差。電容式壓力計是半導體行業的真空測量主力。由于絕對電容壓力計對氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監測過程中壓力的半導體工藝工具中都可以找到絕對電容壓力計。差分電容壓力計在需要基于壓力的開關和控制的領域得到廣泛應用，例如腔室負載鎖定。它們通常用作安全開關和氣流壓降測量。這些壓力計讀取隔膜上的壓力差。電容式壓力計是半導體行業的真空測量主力。由于絕對電容壓力計對氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監測過程中壓力的半導體工藝工具中都可以找到絕對電容壓力計。差分電容壓力計在需要基于壓力的開關和控制的領域得到廣泛應用，例如腔室負載鎖定。它們通常用作安全開關和氣流壓降測量。由于絕對電容壓力計對氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監測過程中壓力的半導體工藝工具中都可以找到絕對電容壓力計。差分電容壓力計在需要基于壓力的開關和控制的領域得到廣泛應用，例如腔室負載鎖定。它們通常用作安全開關和氣流壓降測量。由于絕對電容壓力計對氣體成分不敏感，因此幾乎在所有用于監測過程中壓力的半導體工藝工具中都可以找到絕對電容壓力計。差分電容壓力計在需要基于壓力的開關和控制的領域得到廣泛應用，例如腔室負載鎖定。它們通常用作安全開關和氣流壓降測量。

最常見的商用機電真空計以MKS Instruments 的 Baratron® 電容壓力計為例。Baratron 電容式壓力計具有高真空參考腔、焊接的耐腐蝕隔膜傳感器和配置如圖 6 所示的對電極。

圖 6. MKS Instruments Baratron® 電容壓力計。

密封的參考腔被抽真空至<10 -7 Torr，真空由吸氣泵維持。測量側的高壓使隔膜偏轉導致隔膜和對電極之間的測量電容增加。電容的變化使儀器中的交流電橋電路失衡，產生一個電壓，該電壓被整流和線性化為 0 到 10 VDC 之間的模擬信號，對應于 4 個十倍數的動態壓力范圍。

圖 7. 不同類型的 Baratron® 電容壓力計（10 -5到 10 5 Torr）。

圖 7 顯示了 MKS 提供的各種Baratron 電容壓力計配置適用于不同的壓力和工藝環境。這些壓力計通常在四個十年的范圍內測量真空。它們可以提供加熱和非加熱版本。加熱版本在 >0.1% Full Scale 時最準確和可靠，而未加熱版本在 >0.5% Full Scale 時提供可比性能。所有壓力計，無論制造商如何，都必須定期歸零，以實現其測量的最佳精度和可重復性。當基礎壓力 < 0.01% 滿量程時，可實現最佳調零和設備精度。在壓力控制應用中使用時，量程低于 100 mTorr Full Scale 的 Baratron 電容壓力計應在 >1% Full Scale 下運行；

圖 8. 使用 Baratron® 電容壓力計的范圍和壓力控制。

MKS Instruments 提供具有高工作溫度的標準和過程關鍵 Baratron 壓力表。

壓阻計

 

圖 9. 壓阻式隔膜壓力計。

壓阻式壓力計的構造與電容式壓力計類似，但使用了一個壓阻元件，該元件在應變時會改變其電阻；這些元件連接到壓力計隔膜上，如圖 9 所示。壓阻元件包括薄膜電阻器、應變儀、金屬合金和多晶半導體。當隔膜向壓力表的低壓側偏轉時，感應曲率會使元件應變，從而改變其電阻。然后使用橋式電路將這種電阻變化轉換為電輸出信號。這些壓力計的構造如圖 10 所示，其中左側顯示了傳感元件，中間顯示了橋接電路，以及傳感器在壓力計中的物理位置。傳感器，

 

圖 10. 顯示電橋電路的壓阻式壓力計的物理結構。

壓阻式傳感器廣泛用于消費和技術應用。數以百萬計的這些被整合到可以安裝在汽車輪胎內的輪胎壓力監測設備中。MKS Instruments 提供用于技術應用的MKS 901P和MKS 902B壓阻式壓力表（圖 11）。MKS 901 傳感器是一種差動壓阻式傳感器，范圍為 -760 至 760 Torr，通常用于負載鎖定。MKS 901P 還可以配置一個熱導率計，將其范圍擴展到 5x10 -4高達 1000 Torr 的高真空負載鎖應用，使其非常適用于向大氣開放的負載鎖和傳輸端口。MKS 902B 是一款絕對壓阻式傳感器，量程為 0.1 至 1000 Torr。它經常用于無菌應用，例如冷凍干燥和等離子滅菌。902B 不應用于 1 Torr 以下的關鍵測量。

 

圖 11. MKS Instruments 壓阻式 901P 和 902B 傳感器。

間接壓力測量

在非常低的壓力下（低于約 10 -4Torr），不同壓力下隔膜偏轉測量值之間的相對差異不再足夠敏感，無法用于實際尺寸的壓力計。因此，針對這種壓力狀態的真空計設計基于氣體密度和一些與物種相關的分子特性（例如比熱）的測量。這些儀器的兩種主要類型是熱導率儀和氣體電離儀。熱導儀通過測量從熱線到周圍氣體的能量傳遞來確定氣體壓力。熱量通過與金屬絲的分子碰撞傳遞到氣體中，這些碰撞的頻率（以及因此傳遞的熱量程度）取決于氣體壓力和氣體分子的分子量。-4和 10 托。熱導率計，包括熱電偶、熱敏電阻和皮拉尼計，通常相對便宜且可靠。

 

圖 12. 熱陰極電離規組件。

當壓力下降超過 10 -3 Torr 時，熱導率隨壓力的變化變得太小而無法用于壓力測量。在高真空（低于 10 -3至 10 -9 Torr）、超高真空（UHV，1×10 -9至 1×10 -12 Torr）和極高真空（XHV，<1×10 -12Torr) 方案，壓力測量最常使用氣體電離計，配置為熱陰極計 (HCIG) 或冷陰極計 (CCIG)。HCIG 和 CCIG 都通過測量壓力計內高能電子與殘留中性氣體分子之間的碰撞產生的離子通量來確定壓力。HCIG 使用來自燈絲的熱離子發射作為電子源，而 CCIG 使用循環空間電荷來產生自由電子等離子體。在 HCIG（圖 12）中，燈絲（陰極）通過熱離子發射發射電子，電離柵上的正電勢加速這些電子遠離燈絲。電子在網格中振蕩，直到它們最終撞擊網格或氣體分子。當電子撞擊氣體分子時，產生帶正電的陽離子，該陽離子被稱為收集器的負極加速并收集。以這種方式產生的電流與氣相中產生的離子數量成正比，而氣相中產生的離子數量又與氣體密度成正比，因此也與氣體壓力成正比。

由于所使用的物理特性是氣體特定的，因此間接壓力測量讀數總是取決于氣體種類（即所有間接壓力表都需要氣體特定校準）。

皮拉尼壓力計

皮拉尼真空計最早是在 1900 年代初開發的。傳感元件是一種細線，它具有已知的電阻和已知的電阻溫度系數（即，它的電阻如何隨溫度變化），它浸入氣體中并被電加熱。該元件構成平衡惠斯通電橋的一條腿。當氣體分子與加熱元件碰撞時，它們會如上所述從加熱元件中提取熱量，從而改變其電阻，從而使電橋相對于其參考狀態失衡。由于碰撞次數以及因此傳遞給氣體的熱量與氣體壓力成正比，因此保持電橋平衡所需的功率與壓力成正比。圖 13 顯示了現代MKS Instruments Convectron® 皮拉尼真空計的橫截面以及殘余氮氣的功率與壓力曲線。

 

圖 13. (a) MKS Convectron® 皮拉尼真空計；(b) 具有氮氣殘余氣體的系統中皮拉尼壓力計的功率與壓力曲線。

皮拉尼壓力計對壓力變化的響應取決于系統中存在的氣體，因為每種氣體都有不同的比熱容。它還取決于氣體的分子質量和適應系數，該系數說明了氣體分子與皮拉尼元素接觸的停留時間。因此，用戶必須針對系統中預期的殘余氣體校準皮拉尼壓力計。圖 14 顯示了氮氣校準的皮拉尼真空計對不同殘留氣體的響應曲線（指示壓力）的圖形表示，說明了正確校準皮拉尼真空計的重要性。

 

圖 14. 不同氣體的對流壓力讀數與實際壓力的關系。

在此示例中，指示的 10 托的氬氣壓力代表 1000 托的真實壓力。該數據清楚地表明，皮拉尼壓力計校準不當會導致嚴重的系統過壓風險，從而引發安全問題。此外，由于皮拉尼元件在 100 至 150°C 的溫度下工作，因此必須從壓力表中排除會分解并在元件上沉積固體材料的反應性氣體。由于傳熱顯著降低到約 10 -4以下Torr, Pirani 壓力計精度在此壓力以下下降。在高壓（10 托及以上）下，氣體分子的平均自由程減小到非線性進入壓力-電壓關系并降低儀表靈敏度的程度。先進的皮拉尼真空計的構造允許真空計內的對流力幫助分子流動。后一種設計使皮拉尼壓力計能夠以高達 760 托壓力的良好精度使用。皮拉尼真空計通常在收到時針對氮氣進行校準，并且需要校準曲線才能與其他氣體一起使用。皮拉尼壓力計相對較快，可以在十分之一秒或更短的時間內響應壓力變化。它們通常用于真空室粗加工管線、渦輪泵前級管線、負載鎖、

MKS Instruments 的 275 Convectron Convectron 對流增強型皮拉尼真空壓力傳感器（圖 13）和475 系列儀表控制器為 10 -4 Torr 到大氣壓之間的測量提供了異常穩定的性能。這些皮拉尼傳感器在較高壓力下采用對流輔助熱損失，將傳統皮拉尼壓力表（通常為 10 托）的最大精確壓力測量擴展到大氣壓。MKS 皮拉尼壓力計可提供鍍金線（標準）和鉑線。雖然鍍金線更準確，但鉑線更耐化學腐蝕。MKS Instruments 還在MicroPirani™ 傳感器的設計中利用了 MEMS 技術比傳統的皮拉尼真空計具有更快的動態響應、更小的體積和更好的穩定性。MEMS 傳感器的聚對二甲苯涂層可用于抗蝕刻化合物。

 

圖 15. MKS Instruments MicroPirani™ 結構和商用儀表。

圖 15 顯示了 MicroPirani 傳感器的示意圖以及兩個商業 MKS Pirani 壓力計和采用該技術的系統的圖像。

電離計

在低于 10 -4 Torr 的壓力下，電容壓力計和皮拉尼計等直接壓力測量方法不再有效，因此必須使用依賴于氣體密度的方法。壓力與氣體密度的關系如下式：

 

其中P是壓力，c是常數，n是氣體的數密度，T是溫度。如上所述，電離計使用通過熱電子發射或等離子體產生產生的自由電子來執行此測量。一旦校準了壓力計，由負偏置收集器收集的離子電流可能與壓力有關。電離規的基本規方程為：

 

其中Ic是離子電流，k是常數，n是殘余氣體分子的數量密度，Ie是電離電子電流。代入n并重新排列得到壓力表達式：

 

這可以通過合并常數并將電離率定義為Ic / Ie來簡化：

 

其中K是通過校準確定的與氣體相關的常數，I是與分子密度成正比的電離率。

Bayard-Alpert (BA) 真空計是熱陰極電離真空計，有效測量范圍在 10 -11和 10 -2之間托。熱陰極電離計具有三個電極：陰極或燈絲、集電極和陽極柵極。通常，集電極處于地電位，陽極為 180V，燈絲為 30V。從陰極發射的高能電子向陽極柵極加速，與氣相中的分子碰撞并電離。碰撞中產生的正離子被加速朝向位于陽極柵軸上的收集器，產生由規靜電計測量的離子電流。這種儀表配置在集電極電流和壓力之間產生嚴格的線性關系。因此，集電極相對于燈絲和陽極是負的，電子只能到達陽極。測量的下限由 X 射線限值決定。在 HCIG 中，當電子撞擊網格時會發射 X 射線。這些 X 射線中的一小部分會撞擊離子收集器，導致電子通過光電效應噴射出來。由這種電子噴射產生的正離子被檢測為正離子電流，有助于壓力讀數。最佳傳統 HCIG 的測量下限約為 10-11 Torr 因為這個現象。通過良好的操作協議和適當的校準，Bayard-Alpert HCIG 讀數的傳感器間重復性通常約為 2%。讀數的重復性為 1-2%，主要受無法控制的隨機靈敏度變化限制。

 

圖 16. 冷陰極電離規的內部配置、電子路徑/離子生成和物理配置。

MKS 提供多種不同儀器配置的 Bayard-Alpert 壓力計。傳統的 BA 壓力計，例如圖 16 所示的裸露或玻璃封閉壓力計，是一種穩定、經濟的解決方案，用于測量高真空和超高真空狀態下的壓力。熱陰極規的重復性為 1-2%。玻璃封閉儀表通常具有 ±25% 的儀表間重現性（未在工廠測試）。裸規配置的測量范圍在 X 射線下限 (10 -11 Torr) 和 0.001 Torr 之間；玻璃封閉的 BA 量規具有稍高的測量下限 <1.0x10 -9 Torr。MKS Micro-Ion® Bayard-Alpert 真空計是最小的 BA 真空計，適合安裝在復雜、擁擠的真空系統中。與傳統的裸露或玻璃封閉儀表相比，它們提供了更堅固的封裝，消除了玻璃破損的風險并確保了長期穩定性。Micro-Ion 規的規間重現性為 ±20%（在工廠測試）。這些儀表的范圍（5x10 -10到 5x10 -2 Torr）比玻璃封閉的 BA 儀表更寬。MKS Instruments Stabil-Ion® BA 真空計帶 Convectron 真空計選項是一種突破性的真空壓力計，可提供最廣泛的壓力測量能力 (2.0x10 -11高達 999 Torr）和最佳的儀表間重現性（360 系列為 ±6%，370 系列為 ±4%），采用堅固封裝，不會發生玻璃破損、玻璃分解或氦氣滲透。Stable-Ion 真空計采用接地的金屬測量管外殼進行完全靜電屏蔽，可確保在存在外部電氣干擾的情況下穩定運行。穩定離子規是第一個具有足夠長期穩定性的電離規，可以證明將校準數據存儲在內存中是合理的。每個 Stabil-Ion 壓力計都提供基于 15 個單獨校準的壓力值的校準數據。參考主要參考標準（見下文）的 HCG 工廠具有 2-3% 的可重復性。

冷陰極電離計，CCIG，也稱為 Penning 真空計，可提供 10 -12和 10 -2之間的有效真空壓力測量托。這種類型的電離計使用兩個電極之間的高 (kV) 電壓來加速隨機的、自然產生的自由電子（來自例如宇宙射線碰撞），這些自由電子與殘留的氣體原子碰撞，產生一個正離子和另一個自由電子。自由電子被磁場俘獲，產生電子等離子體。等離子體中的原子或分子與 HCG 一樣被電離和測量。在 CCIG 內，陽極是位于中心的保持在高電壓的棒，陰極是與陽極同心的處于接地電位的圓柱形金屬籠。陶瓷或稀土磁體圍繞陽極/陰極排列（圖 17a）。在操作中，交叉的電場和磁場控制電子電流路徑，長時間捕獲近乎恒定的循環電子電流，電極之間的環內的擺線軌跡（圖 17b）。這些電子與殘留氣體分子碰撞，在陰極產生正離子通量，該通量與殘留氣體原子的數量密度成正比。

 

圖 17. MKS Instruments 提供的 Bayard-Alpert 熱陰極電離規。

MKS Instruments 提供冷陰極真空計，例如971B UniMag™ Cold Cathode 真空傳感器、972B DualMag™ Cold Cathode MicroPirani 真空傳感器和974B QuadMag™ Cold CathodeMicroPirani-Piezo 真空傳感器。971B UniMag 的測量范圍從 1x10 -8到 5x10 -3 Torr，DualMag 的測量范圍從 1x10 -8 Torr 到大氣壓，QuadMag 壓力計的測量范圍從 1x10 -8托至 1500 托。與所有電離真空計一樣，MKS Instruments 的 HCIG 和 CCIG 真空計必須針對真空系統中預期的殘余氣體進行校準。然而，由于不同的工作原理，CCIG 需要與 HCIG 不同的氣體校正因子。CCIG 的可重復性通常不如 HCIG 一致，典型值約為 ±5%，傳感器間的可重復性值為 30%。對于高精度操作，CCIG 通常根據傳輸標準進行校準，例如旋轉轉子量規或高精度 HCIG。雖然 CCIG 具有不會燒壞的熱燈絲的優點，但它們會受到壓力指示隨時間漂移、壓力指示與真實壓力的不連續性以及啟動不確定性的影響。

主要參考標準量規

旋轉轉子規

旋轉轉子壓力計 (SRG)是壓力測量的主要參考標準。與皮拉尼計一樣，SRG 也稱為分子阻力計或粘度計，測量從傳感器到周圍氣體的能量傳遞，以確定氣體的數密度。在旋轉轉子真空計的情況下，一個小鋼球被磁懸浮在一個水平安裝并連接到真空系統的非磁性管中。圖 18 顯示了 SRG 的示意圖。

 

圖 18. 旋轉轉子量規。

在測量過程中，使用旋轉磁場將球旋轉到幾百赫茲，然后關閉驅動場并使用磁傳感器測量球的減速率。由于減速是由碰撞過程中從球到氣體分子的能量轉移引起的，使用氣體動力學理論，它可以與氣體的數密度相關，從而與壓力相關。SRG 對氣體種類很敏感，它們通常用作校準其他儀表類型的參考儀表。

固定長度光學腔 (FLOC) 測量儀

 

圖 19. FLOC 器件光學腔。

MKS Instruments 與 NIST 合作開發基于光學測量的新壓力主要標準。固定長度光學腔 (FLOC) 壓力計是一種便攜式設備，它使用光來測量壓力，其準確度和精度比大多數商用壓力計都高。它測量通過兩個光學腔、一個參考真空通道和一個充滿被測氣體的通道的光頻率的細微差異。有關 FLOC 壓力測量裝置的更詳細討論，請參見 https://www.nist.gov/news-events/news/2019/02/floc-takesflight-first-portable-prototype-photonic-pressure-sensor。

結論 - 真空計選擇

許多不同類型的真空計可用于具有不同范圍、精度和材料要求的應用。對于給定的真空應用，真空計的選擇取決于預期的真空環境和測量所需的準確度。例如，預期在沉積或蝕刻期間測量工藝壓力的儀表必須必然暴露于工藝氣體中。這可能會影響測量精度并導致儀表組件出現物理化學問題。如果在殘余氣體的化學性質未知的系統中需要真空計來測量基礎壓力，則測量依賴于被測氣體的分子特性的真空計可能不適合。在制造環境中，量規選擇具有成本效益也很重要。在真空計的情況下，根據設計和相關的輔助設備，真空計成本可能會相差幾個數量級。一旦確定了真空計范圍、精度、工藝兼容性和成本的規格，選擇最符合這些規格的真空計就很重要。

 

表 2. 不同真空計類型的性能和成本比較。

表 2 提供了不同類型真空計的性能和成本比較，圖 20 提供了使用直接和間接真空計的最佳壓力狀態的快速直觀指南。

圖 2. 直接和間接真空計的測量范圍。