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電容式微型真空傳感器在真空絕熱板生產(chǎn)中的應用
發(fā)布時間：2017-09-01
1、引言
隨著科學技術的發(fā)展，建設節(jié)約型社會已經(jīng)成為人們的共識，節(jié)能材料開始大量被使用。例如，電冰箱節(jié)能措施之一是靠加強絕熱，其手段往往是加厚絕 熱層。對于厚度相同的絕熱材料，導熱系數(shù)越小，隔熱效果越好。對于電冰箱節(jié)能而言，增加隔熱層厚度，無疑會起到節(jié)能效果，卻加大了電冰箱體積或減少了使用 空間。因此，尋找更低導熱系數(shù)的絕熱材料，成為電冰箱隔熱節(jié)能的最佳途徑。
近年來，歐洲一些發(fā)達國家率先在節(jié)能建筑和冷藏設備等生產(chǎn)中使用真空絕熱板(Vacuum insulation panel)，以達到節(jié)能的目的。真空絕熱板是由多層金屬、高阻隔薄膜和玻璃纖維芯材、吸氣劑構成。通過最大限度提高內(nèi)部真空度來隔絕熱傳導，達到保溫、 節(jié)能的目的。VIP真空絕熱板是保溫材料的升級換代產(chǎn)品，實現(xiàn)了保溫材料厚度減半，節(jié)能省電一半的效糶。
但是，真空絕熱板的真空度測量是個難題。由于材料不能開孔，真空腔狹窄，普通的測量方法不能使用。利用微機電技術制作的微型真空規(guī)可以有效地解 決這一難題。用微型真空規(guī)與IC電路集成制作的微型埋入式真空板真空測量元件，裝在真空板中，在產(chǎn)品出廠檢驗時使用，從而保證隔熱板產(chǎn)品的真空質量。
2、系統(tǒng)組成及原理
2.1 電容式微型真空傳感器
電容式傳感器主要是利用硅膜片在壓力的作用下產(chǎn)生變形，使得兩極板之間的距離發(fā)生變化，從而使電容產(chǎn)生變化，以此作為測量的基礎。電容式微型真空傳感器的結構。
傳感器是由玻璃襯底、下電極、絕緣層、硅膜片(上電極)、上層密封用的玻璃組成，其中下電極濺射在玻璃襯底上，電極上生長一層絕緣層。硅膜則是 利用硅片的雙面光刻、擴散和各向異性腐蝕技術形成的。該電容式真空傳感器有兩個腔體，上面的腔體是一個真空腔;下面的腔體是鍵合形成的，這個腔體不是密封 的，腔內(nèi)氣體與外界氣體相通。電容器的兩平板間的距離可由硅片腐蝕的深度控制，硅膜片與玻璃電極之間的間隙很小，這也是硅電容式傳感器靈敏度高的原因。
2.2 CVC測試系統(tǒng)電路
本系統(tǒng)采用帶增量調制器的電容一電壓轉換器，它能夠獲得可調節(jié)的信號帶寬和檢測精度。
電容一電壓轉換器把電容值的差(C1-C2)轉換成電壓形式。然后電壓經(jīng)過相關雙采樣以消除低頻噪聲，最后經(jīng)過增量調制器進行低通濾波后輸出。輸出信號V′y與電容差(C1-C2)成正比。
兩個激勵信號(±Vs)對電容C1和C2充電，所以注入到前置放大器的電荷是：△q=Vs(C1-C2)
經(jīng)過測試，此電路能有效地抑制各種噪聲的影響，獲得較好的精度。
2.3 信號放大電路
輸出信號整體基準電壓相對較小，必須進行信號放大，方便采集與傳輸，以便更好的進行后期信號處理。
R4、R5、R6和TL084CN構成放大器，在本系統(tǒng)的實驗測試中，需要該部分的運算放大器放大150倍左右，因此選擇R4=62Ω，R5=1kΩ，此時：
2.4 PIC16F87X系統(tǒng)工作電路
本系統(tǒng)采用PIC16F87X工作電路，如圖4所示。其中兩個47KΩ的電阻與復位鍵Reset組成復位系統(tǒng)，電容C1、C2均為22pF，與32k的晶振組成振蕩系統(tǒng)電路。
3、測量數(shù)據(jù)及分析
(1)電容式微型真空傳感器測試被測環(huán)境的真空度后，產(chǎn)生一個與真空度相對應的微小的電容值;
(2)電容值經(jīng)過電容電壓(CVC)轉換測量電路，轉換為電壓信號;
(3)電壓信號經(jīng)過PIC16F876A進行處理及顯示。
根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，可以得出10-2～10-3Pa范圍內(nèi)真空度與輸出電壓的關系曲線，如圖5所示。可以看出隨著真空度的增高，輸出電壓值增大， 真空度越高電壓變化越小。這是由于真空度越高，真空傳感兩個腔體之間的壓力差越小，傳感器的硼硅膜變化越小，電容值變化也越小，隨之電壓變化越小。
圖5直線部分是真空度與輸出電壓線性擬合曲線，從圖中可以看到，兩曲線之間的誤差值很小，這說明所測電壓與真空度成近似線性的關系，因此傳感器的電容值與真空度成線性關系，其性能良好。
4、結論
經(jīng)測試，該真空傳感器真空度測量可達10-2Pa，完全滿足真空絕熱板真空測量的要求。
電容式微型真空傳感器是利用MEMS技術制作的微器件。該器件用來測量真空度，具有體積小、靈敏度高和可批量制作等優(yōu)點，具有產(chǎn)業(yè)化的潛力。由 于電容式微型真空傳感器與其它微型電容傳感器的制作的加工方法和設備是一樣的，因而在產(chǎn)業(yè)化中很容易形成規(guī)模生產(chǎn)。還可開發(fā)用于真空設備、航空航天裝置等 高精度測試所需的器件，也可用在醫(yī)療、玩具這樣一些普通精度測量中，其市場潛力巨大。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
