一种电容薄膜真空计检测电路的设计

康 恒，李勇滔,李超波，景玉鹏

(1.中国科学院微电子研究所，北京 100029;2.中国科学院大学，北京 100029;3.集成电路测试技术北京市重点实验室，北京 100088)

0 引言

电容薄膜真空计(CDG)是一种测量真空度的传感器，因其测量精度高、稳定性强等因素被广泛应用于化工、航天等领域。尤其在半导体工艺中，由于许多工艺步骤需要高精度的真空度控制，因此这种传感器在半导体设备中被大量使用。

图1 电容薄膜真空计示意图

电容薄膜真空计的示意图如图1所示。此真空计可以等效为一个可变的平行板式电容器。它由定电极板与周边固支的薄膜动电极板构成。由于定电极板与动电极板之间为高真空，在测量真空度时，在不同的绝对压力作用到动电极板上时，对应着动电极板与定电极板之间的距离变化的不同，产生的电容变化值与压力大小成比例[1]。电容薄膜真空计的电容变化范围是pF量级，容易受到杂散电容的干扰，并且真空计内部电容的变化是非线性的[2-3]，要得到高的精确度必须对非线性进行补偿。目前测量电路设计以基于LC或RC振荡电路为主[4-5]，这种方法测量的灵敏度虽然较高，但是其转换是非线性的，增加了后续信号处理的负担。

本文提出了基于二极管桥电路[6]的检测方案，这种电路结构简单，测量精度高，通过测量差分电容能有效抑制共模杂散电容的影响。为解决真空计电容转换非线性的问题，采用了负反馈的方法进行补偿。

1 电路设计

图2为薄膜真空计检测电路的原理框图。该方案采用二极管桥电路作为检测电路，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，调零等处理得到最终的输出信号。为了解决真空计气压与电容的非线性问题采用了负反馈的方式进行补偿。系统的输入电源为±15 V的直流电源，输出为±13 V的直流分量。

图2 电路原理框图

1.1 二极管桥电路

二极管桥电路如图3所示。二极管桥电路是检测电路的核心部分，图3中C1、C2分别接真空计的测量电容和其参考电容，电容值大小在pF量级。正弦信号经过耦合电容C3、C4进入二极管桥，输出信号的直流分量可通过式(1)计算[6]：

(1)

式中：Vdc为输出直流分量；Vp为正弦激励信号的幅值；ZL、ZS分别为该电路的负载阻抗和输出端的源阻抗；Vd为二极管的正向导通压降。

从式(1)中可以看出输出信号的直流分量近似与C1与C2的差值和正弦波幅度Vp成正比。综合考虑电路的灵敏度和响应速度将C3、C4取为10 nF，正弦信号设计为幅度6 V、频率70 kHz。该电路检测真空计内部检测电容和参考电容的差值能有效抑制因温度等环境因素引起的共模干扰。

图3 二极管桥电路

1.2 振荡电路

图4为文氏振荡电路，该电路产生正弦波信号，其振荡频率可根据式(2)计算：

(2)

选取图4中的参数可得正弦波频率为70.34 kHz。文氏振荡电路的起振条件是满足环路增益A≥1，即在图4的电路中满足式(3)。

(3)

式中RQ为结型场效应管Q1的源漏电阻值。

Q1工作在可变电阻区，其电阻值受栅极电压控制。如果文氏振荡电路的环路增益大于1会发生饱和失真，产生的交流信号类似于方波。为了得到无失真的正弦信号需要在电路起振后将环路增益控制在1左右。本文通过运算电路去控制Q1的栅极电压从而改变RQ，实现控制振荡电路的环路增益，正弦波的反馈信号即为图2中的反馈信号1。这样做能防止电路发生饱和失真，并能控制正弦信号的幅度。

图4 振荡电路

1.3 有源滤波电路

有源滤波电路的目的是滤除交流分量，得到有效的直流信号。其电路如图5所示。该电路为二阶有源滤波电路，低频极点由R2和C4决定，高频极点由R1和C3决定。根据图4中的参数通过Multisim仿真可得电路极点分别为171 Hz和989 kHz，直流增益为7.9 dB。

图5 有源滤波电路

1.4 输出电路

输出电路的目的是将滤波后的信号进行调零和放大，电路如图6所示。该电路为运放的正向放大电路。通过±1.2 V的基准源和可调电阻R2进行零点调节，通过可调电阻R1进行放大倍数的调节，该级放大倍数的调整范围为2.67～6倍。电容C4和C5起滤波作用，稳定输出电压。

图6 输出电路

1.5 幅度控制电路

图7为幅度控制电路，该电路接收2路的反馈信号，第一路为正弦波的半波整流信号对应图7中反馈信号1，第二路为有源滤波后的信号对应图7中反馈信号2。反馈正弦波信号的目的是稳定文氏振荡电路，防止输出正弦信号发生饱和失真；反馈滤波后的信号目的是实现非线性的补偿，其原理在1.6节叙述。2路反馈电路与1.2 V的基准信号通过反向加法电路产生控制信号去控制文氏振荡电路的结型场效应管的栅极，即图4的Q1。基准信号大小和有源滤波信号的反馈系数可以通过图7中可调电阻R1和R2进行调整。R3、C4、C5的作用是稳定反馈环路，其值通过经验和实际调试选取。

图7 幅度控制电路

1.6 非线性补偿

电容薄膜真空计的检测电容随气压变化是非线性的，理论和实验表明薄膜真空计电容的P-C曲线是一个上翘的非线性曲线。但是二极管桥电路C-V曲线是线性的，当两系统级联后整体的输入输出呈现非线性。

本文采用负反馈的方法进行非线性的补偿，即图2中的反馈信号2。设开环电路的传输函数为f(P)，负反馈的系数为F，则闭环电路的传输函数为f(P)/[1+fF(P)]，若f(P)为线性的函数则反馈后的传输函数为下翘的非线性函数。通过调节可调电阻的大小控制反馈系数F的大小，让电路的传输函数与真空计电容上翘的P-C曲线匹配即可实现非线性补偿。非线性补偿的直观原理如图8所示。

图8 非线性补偿原理图

2 仿真及实验

2.1 非线性补偿的仿真实验

为了验证负反馈对真空计非线性的补偿作用，本文首先对真空计电容的形变进行建模，根据相关文献[2，7-8]可知弹性薄膜电容的P-C关系可由式(4)计算：

(4)

根据式(4)取气压p为100～900 Pa的等间隔的9个点，并取R=1.3×10-4m，d0=2×10-8m，h=5×10-7m，ρ= 0.3，E=2.06×1011Pa，∈=8.854 1×10-12F/m为常量，得到对应的电容值C。设电路的开环增益为0.5 V/pF,则未补偿的数据与负反馈补偿后的数据如图9所示，其中补偿数据的反馈系数经过调参选取为0.4，图中数据经过归一化处理。经计算未经过补偿的曲线非线性度为7.27%；采用负反馈补偿的曲线非线性度降为0.661%，非线性得到了很大的改善。

图9 仿真实验结果图

仿真实验表明采用负反馈的补偿方法能够有效减少电容薄膜真空计的非线性，但是电路的灵敏度会降低，实际应用时需要在灵敏度和线性度之间进行折中。

2.2 电路实验

为验证电路检测电容的能力，采用可调电容进行实验。微变电容的电容值由LRC设备Agilent 4285A进行标定，输出电压由数字万用表Keithley2000测量，参考电容选取为50 pF，测试时通过改变可调电容值得到不同的输出数据，测量过程中未使用负反馈进行非线性的补偿。测试结果如图10所示，在测试电容为43～57 pF范围内能够得到输出电压与测试电容正比的关系。经计算电路非线性度为0.4%，灵敏度为1.85 V/pF。为了验证电路的稳定性采用50.2 pF的测量电容进行多次测量，结果显示间隔1 h的短期漂移量小于±30 μV，间隔24 h的长期漂移量小于±200 μV。通过实验证明了该电路能够准确地测量电容值，电路稳定性较好，能够用于电容真空计的检测。

图10 电容检测测试结果

3 结束语

本文设计了一种基于二极管桥电路的检测电路，该电路能够准确地测量电容，与负反馈结合可以进行非线性的补偿，电路复杂度低适用于电容薄膜真空计的检测。仿真和测试均证明了该电路的可行性，为薄膜真空计的电容检测提供了新的方法。后续可进一步将该电路集成到芯片中，进一步提高检测的精度和稳定性。