小型电容薄膜真空规的设计

孙雯君，冯 焱，马 奔，习振华，成永军，赵 澜

(兰州空间技术物理研究所，甘肃兰州730000)

1 引言

在地球应用卫星、载人航天的基础上开展深空探测活动，是人类进一步了解宇宙、认识太阳系、探索地球生命起源与演化的必要手段［1］。火星作为距离地球最近的类地行星，由于其独特的科学价值和技术的跨越性，成为人类开展深空探测的首选目标之一，也是近年来世界深空探测的热点。

对于火星来说，无论是进行环绕探测还是着陆探测，都需要对表面及空间真空度进行测量，一般采用探测器携带真空规的方式进行。在火星探测活动中，探测器携带了大量的载荷仪器，要完成多项科研探测任务，必须考虑探测器及其搭载的载荷仪器的小型化［2］。为了满足对火星表面及不同高度上大气压力的准确探测需求［3］，要求真空规在保证测量准确度的情况下，尽可能减小质量和体积，以节约探测成本。

电容薄膜真空规具有测量准确度高、线性好、测量结果与气体成分种类无关等特点，可以覆盖火星低轨道大气压力的测量范围;但是，商用电容薄膜真空规的测量下限、重量、外形尺寸、工作温度等技术指标均不能满足深空探测的要求。

为了解决上述问题，提出了小型电容薄膜真空规的设计。其整体尺寸为Φ42 mm×24 mm，重量小于200g，满足深空探测中对火星低轨道大气压力的测量需求。

2 结构设计

小型电容薄膜真空规由进气管及其入口挡片、检测膜片基底、检测膜片、固定极板、参考气室机架、引出电极、抽气口、吸气剂等部分组成，如图1所示。气体通过进气管引入到测量室中，由于气体压力作用使检测膜片发生形变，改变了检测膜片与固定极板之间的距离，引起二者之间电容量的改变。利用电学方法测出电容量，通过校准得到电容量与气体压力之间的关系，获得气体压力。

图1 小型电容薄膜真空规结构示意图

外界环境温度变化是影响电容薄膜真空规零点稳定性的主要原因［4］。所以，小型电容薄膜真空规设计的基本原则是，以减小温度变化对电容薄膜真空规测量准确度的影响为前提，尽可能减小其重量和外形尺寸。

2.1 材料的选择

小型电容薄膜真空规在设计时需要满足以下基本条件［5］:(1)膜片、感应电极及外壳材料等应能抵抗腐蚀气体的侵蚀;(2)规管在洁净系统使用时不污染系统;(3)规管各组件应具有良好的热膨胀系数的匹配，能进行高温(400～500℃)烘烤除气。

根据以上条件，检测膜片选用InconelX－750合金材料，机架选用InconelX－600合金材料，避免了不同种类材料热膨胀系数不匹配对规管零点稳定性的影响。选用的镍铬合金具有良好的抗腐蚀性、抗氧化性及抗蠕变断裂强度，在室温高温均有很好的耐应力腐蚀开裂性能，在零下、室温及高温时都具有很好的机械性能。

2.2 检测膜片的设计

不同量程的电容薄膜真空规，其检测膜片的厚度、检测膜片与固定电极之间的标称间距均不同。由于检测膜片的变形量大于其厚度，在设计过程中利用大挠度理论进行初步估算。

周边固定的圆形薄膜在大挠度情况下的一个近似解为:

式中 p为感应压强，r为薄膜半径，E为薄膜材料的弹性模量，h为薄膜厚度，μ为薄膜材料的泊松比，ω为薄膜产生的变形量(挠度)。

将式(1)变换为未知量为挠度ω的方程:

对于最大设计压强为100 Pa、最小设计压强为1×10－2Pa的电容薄膜真空规来讲，当检测膜片的直径设计为42 mm，厚度设计为0.035 mm时，利用式(2)计算可得到检测膜片产生的最大挠度为0.13 mm，考虑冗余设计，检测膜片与固定极板之间的标称间距设计为0.15 mm。

检测膜片基底用于焊接并支撑检测膜片，基底底部开内径为26 mm，外径为34 mm，深度为4 mm的环形槽，以达到减轻整机重量且不影响检测膜片张力的目的。

2.3 固定极板的设计

固定极板整体为倒T型结构的陶瓷板，包括电极板和支柱两部分，固定极板通过支柱连接在参考气室机架内底面中心。为了减小制造和测量过程中，温度变化对固定极板的形变影响，电极板与支柱交界处设计有凹槽结构;同时，采用由测量电极和参考电极组成的双电极结构，消除测量过程中外界杂散电容和温度变化引起的测量信号偏差。

2.3.1 凹槽结构设计

电容薄膜真空规在制造安装过程中，一般采用高温工艺，待其从450℃的高温冷却到常温后，电极板发生弯曲，导致检测膜片与电极板之间的标称距离发生变化;在测量过程中，电容薄膜真空规也会受到外界温度变化的影响，使检测膜片与电极板之间的标称距离发生变化，影响电容薄膜真空规的零点稳定性及其测量准确度。

在支柱与电极板交界处设计的深度为电极板厚度一半的凹槽结构，如图2所示，可以抵消制造和测量过程中温度变化引起的电极板变形，保证电极板的平面度，减小环境温度变化对测量结果的影响，提高测量结果的准确度和稳定性。

图2 固定极板凹槽结构示意图

2.3.2 双电极结构设计

为了减小和抵消测量过程中外界杂散电容和温度变化引起的测量信号偏差，小型电容薄膜真空规采用了面积相同的金属钯银双电极结构，如图3所示。内电极为圆形结构的测量电极，外电极为环形结构的参考电极。测量过程中，气体压力使检测膜片发生形变，改变了检测膜片与固定极板上测量电极和参考电极之间的距离，分别以测量电极和参考电极与检测膜片形成的电容改变量作为测量电容值和参考电容值，利用二者电容值之差与大气压力成正比的关系，可确定压力值的大小，提高测量结果的准确度和稳定性。

图3 电极板双电极结构示意图

2.4 参考气室机架的设计

为消除测量过程中温度变化引起的规管机架结构的热变形，减小电容薄膜真空规测量结果的不确定度，在小型电容薄膜真空规的设计中作了如下考虑:(1)采用了因科镍合金整体机架结构;(2)在机架顶部中央位置处设计有防热变形结构，该结构采用热膨胀系数比机架材料低很多的可伐材料制成，用于抵消温度变化对机架造成的热变形。

参考气室机架底部与检测膜片焊接构成封闭的参考室，通过无氧铜抽气管将参考气室抽真空，抽气结束后将顶部掐死并密封。利用内置锆铝吸气剂使参考气室内部的真空度维持在10－4Pa量级。

为实时修正温度变化对测量结果的影响，在参考气室机架内分布有测温铂电阻，可对管壳温度变化进行测量，为后续压力测量数据的修正提供输入条件。

参考气室机架顶部引出测量电极、参考电极和测温电极，测量电极和参考电极采用软硬结合的连接方式直插在固定极板顶部位置，并在连接处底部设计有类似弹簧结构，防止强震动损坏电极以及测温电极与机架内部测温铂电阻的连线。

2.5 焊接工艺的选择

进气管与管壳之间，检测膜片和基底以及管壳之间均采用自熔焊工艺进行焊接，不使用焊料，避免焊接过程中对膜片和整个电容薄膜真空规材质和应力等产生影响。

小型电容薄膜真空规已完成初步加工调试，实现了预期的技术指标，后续将开展进一步的实验研究工作。

3 结论

设计完成的小型电容薄膜真空规整体尺寸为Φ42×24 mm，重量小于200 g，测量下限为1×10－2Pa，测量不确定度预计小于5%，工作温度范围为－20～55℃，实现了电容薄膜真空规的小型化和预期的技术指标，可以满足深空探测中对火星低轨道大气压力的测量需求和其他领域中的真空测量需求。

［1］叶培建，彭兢.深空探测与我国深空探测展望［J］.中国工程科学，2006，8(10):13～18.

［2］陈昌亚.火星探测技术的发展［J］.科学，2009，5:16 ～19.

［3］David C.Catling.High－sensitivity silicon capacitive sensors for measuring medium－vacuum gas pressures［J］.Sensors and Actuators，1998，64:157 ～164.

［4］李正海.电容薄膜规零点和校准系数的稳定性［J］.真空与低温，1987，6(4):42～48.

［5］王欲知等.真空技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.6，310.