基于XTR106 的电容薄膜真空计信号检测电路的实现

王凤双，刘乔，黄星星，侯少毅，毕诗博，肖慧

（季华实验室，广东佛山，528200）

0 引言

高性能电容薄膜真空计主要用于低真空的测量，是半导体装备、航空航天、石油化工、光电能源、核能等领域不可或缺的测量器件，具有精度高、响应快、灵敏度高、检测与气体成分及种类无关等特点[1～2]。电容薄膜真空计分为绝压式与差压式两种。其中，绝压式电容薄膜真空计具有较好的线性度、较高的测量精度及分辨率，且结构牢靠，使用方便，广泛应用于科研及工业领域[3]。目前，高性能电容薄膜真空计基本被国外品牌垄断，国内尚无替代产品。本文将对绝压式的电容薄膜真空计进行研究，电容薄膜真空计电路检测主要对固定电极与可变电极之间等效的电容信号进行提取，此电容信号变化量20pF 左右，属于微小变化电容信号，目前国内对微小信号检测也在探索阶段，同时，满足电容薄膜真空计不断增长的市场需求，对电容薄膜真空计的检测电路研究也是具有十分重要的意义。

本文设计基于XTR106 的电容薄膜真空计信号检测电路，以量程为0～1333.2 Pa 的绝压式电容薄膜真空计为研究对象，通过对其可变电极与固定电极之间形成的等效电容信号进行理论分析，并搭建信号检测电路。在不同压力下，此电容信号为变化值，针对此变化的电容信号，对电路进行设计，实现电容薄膜真空计的电路研究。

1 电容薄膜真空计工作原理

电容薄膜真空计主要包括壳体、真空腔体、电路3 部分。其中，真空腔体主要包括可变电极、固定电极、接管、抽气空、吸气泵等部分，其结构如图1 所示。

图1 电容薄膜真空计结构图[9]

可变电极与固定电极由两片圆形膜片组成，且分别在这膜片上镀有导电层。当气体压力作用在可变电极上时，可变电极会产生微小的形变，而此时固定电极是固定在陶瓷膜片上不发生变化，此微小的膜片变化会使可变电极与固定电极之间的距离h、等效电容c 会发生变化[4～8]。可变电极与固定电极膜片变形等效电容如图2 所示，其中可变电极初始位置在实线处，当抽真空时候，可变电极的膜片位置向虚线处移动；p 为进气口的压力，单位为pa；h 为可变电极与固定电极之间的变形量，单位为mm；r 为可变电极偏离中心处的距离，单位mm；α 为可变电极薄膜半径，单位为mm；ω(r)为在压力p 下膜片形变距离中心的偏移量。

图2 可变电极与固定电极膜片变形等效电容。

本文在做实验的过程中均采用99.999%的氮气作为充气的气体。当压力p 在大气压状态下时，可变电极与固定电极的距离最小；当真空系统进行负压抽气时，可变电极与固定电极之间的距离会逐渐变大。根据弹性理论可知，在压力p 下，膜片形变距离中心的偏移量ω(r)为：

式中：T 为薄膜所受的张力。

将公式(1)的级数展开，可得：

当可变电极在图1 虚线处，此时偏离中心的中心处的距离，r=0 则有：

可变电极为圆形膜片，受到压力时可以看成是一个球面。假设固定电极与可变电极没受到压力时的距离为d0，球面宽度为dr长度为2rπ的窄角度环带电容为：

式中：ε0为介电常数。

电容薄膜真空计的灵敏度为：

由公式(8)可以看出：电容薄膜真空计的灵敏度与张力T、可变电极与固定电极之间的变化距离d0成反比；与可变电极薄膜半径成正比。

2 电容薄膜真空计检测电路的设计

电容薄膜真空计采用的电路检测形式和精度决定了压力检测的准确性。电路检测系统框图如图3 所示。

图3 电路检测系统框图

首先，利用惠斯通桥式电路将电容薄膜真空计可变电极与固定电极之间的等效电容信号转为0.5～4.5 V的电压信号；然后，为提高电压信号的抗干扰性能，利用XTR106 芯片将0.5～4.5 V 的电压信号转换为4～20 mA 的电流信号，同时，利用采样电路，将4～20 mA 的电流信号转成电压信号并放大滤波，得到0～10 V 的输出；最后，通过上位机实时显示当前压力值。

XTR106 为电压转换电流芯片，转换精度高达0.05%，输出电流为4～20 mA，其电压转换电流的公式为：

式中：VIn为XTR106 芯片5 脚与2 脚的电压压差，单位V；RG为增益值，单位Ω。

图4 为电压专电流电路图，当压力p 在负压10-2量级时，可变电极与固定电极之间的距离h 最大，此时两电极之间的等效电容最小。此时输出的0.5 V信号连接XTR106的5脚；通过滑动变阻器W1 调节XTR106 的2 脚电压，使2 脚输出电压为0.5 V；此时VIn电压为0 V，同时W1 保持不变。当压力p 接近1333.2 pa 时，可变电极与固定电极之间距离h最小，此时两电极之间的等效电容最大，此时输出电压为2.9 V。为保证XTR106 的转换精度0.05%，5 脚与2 脚的电压差最佳范围为0 ≤VIn≤ 2.4。XTR106 芯片的自身具有调节W2 既改变增益RG，使输出测量量程调节一个适当的范围。

图4 电压-电流转换电路图

电压-电流转换电路图如图4 所示。

由图4 可以看出，IC1 为XTR106 芯片，其输入电压为15 V，为XTR106 芯片提供供电电源，其自带5V 基准电压，为惠斯通桥式电路提供驱动电源。首先，调节滑动变阻器W1 使0 ≤VIn≤2.4；然后，调节滑动变阻器W2 使XTR106 输出电流信号为4～20 mA；最后，通过15Ω 电阻采样4～20 mA 电流信号，并输出0～10 V 电压。电流信号处理电路如图5 所示。

由图5 可以看出，XTR106 输出的4～20 mA 的电流信号IO 通过采样电阻R16 后，首先，利用反向放大运算进行电压放大处理；然后，当压力p 为10-2pa 量级时，通过调节电位器PR1，利用加法电路，使电路输出为0 V；然后，当压力p=1333.2 pa 时，调节电位器PR2，提高加法电路的放大倍数使电路输出为10 V。通过以上的调节，使薄膜规真空计输出的0～10 V 对应压力0～1333.2 pa；最后，通过上位机显示出所测的压力值。

3 实验

针对电容薄膜真空计可靠性能测试和精确的校准测试需求，搭建了电容薄膜真空计测试平台用于电容薄膜真空计的校准测试，如图6 所示。本测试平台既可独立用于高性能薄膜真空计的检测、校准及维修，也可以配合用于电容薄膜真空计可变电极的变形特性测试、性能调试，为电容薄膜真空计的研发、制造、维修测试提供支撑。系统采用界面式全自动控制方式，具有数据获取和曲线显示功能，被测元器件量程及单位可根据实际需求任意切换，操作简单、观察方便。此外，真空器件接口可便捷更换、拓展，可适用于当前市场上的各种类型、各种量程的真空计测试和校准，可满足电容薄膜真空计的批量生产需求。

图6 电容薄膜真空计测试平台

本实验是在室温25℃的条件下，采用对比测量的方法对所研制的电容薄膜真空计与MKS 的电容薄膜真空计进行参考测量。实验中是以MKS 型号为626C11TBE、量程为0-1333.2 pa 的电容薄膜真空计作为参考标准的测量电容薄膜真空计。在测试的过程中，只要利用测试平台对电容薄膜真空计进行压力的动态进行调试，MKS 与自研的电容薄膜真空计的对比测试数据如表1 所示。

表1 MKS电容薄膜真空计与自研电容薄膜真空计测试数据

对表1 中的MKS 电容薄膜真空计与自制电容薄膜真空计测试数据的进行线性处理，如图7 所示。

图7 MKS 电容薄膜真空计与自研电容薄膜真空计线性曲线

由图7 可看出：利用比对法进行测试，自制电容薄膜真空计误差分布均匀；经过曲线拟合，合成基本误差为0.242%，满足设计要求（0.25%）。

4 结论

本文通过基于XTR106 对电容薄膜真空计电路的研究与设计，实现电容薄膜真空计信号的高线性度输出，使电容薄膜真空计输出线性误差为0.242%，满足0.25%的设计要求。本文对电容薄膜真空计的研究仅限于电路研究方面，实验数据是在室温25℃的条件下进行测量所得，下一步将会进行温度对电容薄膜真空计输出的影响以及温度对电容薄膜真空计线性度的影响进行研究。