CN105322317A - 一种真空系统、多级真空系统及它们的馈通电气连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种真空系统、多级真空系统及它们的馈通电气连接方法，真空系统包括真空腔体和连接在真空腔体上的印刷电路板，真空腔体具有一真空空间，真空空间内设置有腔体内连接件，印刷电路板的各层均具有金属印制线且还包括处于真空空间之内的第一表面、处于真空空间之外的第二表面、设置于第一表面且穿透印刷电路板的一部分层或全部层的第一金属化过孔、连接在第一表面上的真空内焊盘和连接在第二表面上的真空外焊盘，真空内焊盘和真空外焊盘通过第一金属化过孔或第一金属化过孔以及金属印制线电气连接，真空内焊盘和腔体内连接件电气连接，真空外焊盘与真空腔体外的一电气件电气连接。本发明能减少电缆连接、减少装配零件设计、减轻整机重量。

Description

一种真空系统、多级真空系统及它们的馈通电气连接方法

技术领域

本发明涉及一种真空系统及其真空系统连接方法，包含一个或一个以上的真空腔体的组合方法以及将真空腔体内外部件电气连接的方法。

背景技术

真空系统是一些仪器的重要组成部分，例如质谱仪、电镜等。这些仪器真空内的核心部件主要是各种电极和放大器，例如离子或电子透镜、质量分析器、离子导引、电子倍增器等等。这些核心部件需要在较高真空环境下工作，而且需要输入或输出直流或交流的电压信号或电流信号；但是，供给或接收这些真空部件电信号的装置主要安装在真空系统外。

为了实现真空系统内外的电信号连接，现有的真空系统使用真空馈通连接器连接电信号。这些真空馈通连接器基于玻璃封接、陶瓷封接或密封胶等不漏气的密封技术，将金属引线的一部分和绝缘材料(例如玻璃、陶瓷、环氧树脂等)实施不漏气的密封连接，然后绝缘材料再和金属材质的法兰盘实施不漏气的密封连接，最后将此方法加工出的法兰通过胶圈或金属垫圈密封安装在真空腔体上，法兰上的电极两端分别连接真空内外设备的电信号，以实现电信号的真空内外传输。法兰上可以安装多根金属线，这些金属线相互之间是独立的。如图1a所示的基于陶瓷封接技术的真空馈通连接器为例，真空馈通连接器111包括真空外引线电极11、绝缘陶瓷柱12、安装法兰13、真空内引线电极14、安装法兰13上的通孔或螺纹孔15。通常，真空内引线电极14和真空外引线电极11为一根完整的电极；通孔或螺纹孔15用于将真空馈通连接器111固定在真空腔体112(见图1b)上；真空外引线电极11和绝缘陶瓷柱12、绝缘陶瓷柱12和安装法兰13之间基于陶瓷和金属的封接技术实现真空密封，同时，真空外引线电极11和安装法兰13之间是绝缘的；真空外的电信号连接到真空外引线电极11上，真空内的电信号连接到真空内引线电极14上，真空外引线电极11和真空内引线电极14电气相通，从而实现了电信号的真空内外连接；同理，该真空馈通连接器111上其余电极也通过相同方法实现不同电信号的传输。

如图1b所示，将图1a所指真空馈通连接器111应用到真空腔体112上，是目前真空系统开发中的主要涉及方法，真空系统除了真空馈通连接器111(如图1a所示)和真空腔体112之外，还包括胶圈槽113、电极114、绝缘垫片115、真空泵116和多路输出的电压信号源117。胶圈槽113位于真空腔体112的顶部，用于安装O形密封胶圈，并通过一块盲板将真空腔体112的顶部密封，由于并不影响本发明所述原理的描述，所以图中未画此盲板。电极114为真空系统内需要电信号才能工作的电极，例如离子透镜等，图1b里有三片类似的电极，它们需要不同的电信号，通过绝缘垫片115(树脂或陶瓷等材料加工而成)绝缘和固定。真空泵116用于将真空腔体112内部抽取真空。多路输出的电压信号源117产生的三路电压信号V1、V2、V3分别和真空馈通连接器111中的三根电极连接，这三根电极对应的真空内电极14分别和电极114连接，于是电压信号源117就可以控制电极114的工作状态了；真空馈通连接器111的安装法兰13和真空腔体112上的法兰119之间通过密封胶圈或金属垫圈密封。

由于在真空馈通连接器中，电极和法兰之间密封或封接技术的制作工艺复杂、成本高、体积大，因此不利于小型化、低成本仪器的开发。

发明内容

本发明的目的是解决现有真空馈通连接器中电极和法兰之间密封或封接技术的制作工艺复杂、成本高、体积大的问题，提供一种真空系统及多级真空系统，采用印刷电路板实现真空系统内外电气连接，制作工艺简单、成本低廉。本发明还提供真空系统以及多级真空系统的馈通电气连接方法。

为了实现上述目的，本发明的真空系统，其中，包括真空腔体和连接在所述真空腔体上的印刷电路板，所述真空腔体具有一真空空间，所述真空空间内设置有腔体内连接件，所述印刷电路板的各层均具有金属印制线且还包括：

第一表面和第二表面，所述第一表面处于所述真空空间之内，所述第二表面处于所述真空空间之外；

第一金属化过孔，设置于所述第一表面，且穿透所述印刷电路板的一部分层或全部层；以及

真空内焊盘和真空外焊盘，所述真空内焊盘连接在所述第一表面上，所述真空外焊盘连接在所述第二表面上；

所述真空内焊盘和所述真空外焊盘通过所述第一金属化过孔或所述第一金属化过孔以及所述金属印制线电气连接，所述真空内焊盘和所述腔体内连接件电气连接，所述真空外焊盘与所述真空腔体外的一电气件电气连接。

上述的真空系统，其中，所述第一金属化过孔为金属化通孔，包括第一端和第二端，所述第一端位于所述第一表面，所述第二端位于所述第二表面，所述真空内焊盘设置于所述第一端，所述真空外焊盘设置于所述第二端。

上述的真空系统，其中，所述印刷电路板至少为一层。

上述的真空系统，其中，所述印刷电路板包括依次叠置的顶层、至少一中间层和底层，所述顶层面向所述真空腔体，所述第一金属化过孔为金属化盲孔且穿透至所述中间层，所述印刷电路板还包括设置于所述第二表面的第二金属化过孔，所述真空内焊盘通过所述顶层的金属印制线与所述第一金属化过孔电气连接，所述第一金属化过孔通过所述中间层的金属印制线与所述第二金属化过孔电气连接，所述真空外焊盘与所述第二金属化过孔电气连接。

上述的真空系统，其中，所述第二金属化过孔为金属化通孔或金属化盲孔。

上述的真空系统，其中，所述电气件连接在所述第二表面上。

上述的真空系统，其中，所述印刷电路板和所述真空腔体之间通过一密封件密封。

本发明还提供一种多级真空系统，其中，包括两个或两个上述的真空系统，所述两个或两个以上真空系统按照气体或带电粒子传输方向依次连接，每一所述真空腔体均包括第一法兰部和第二法兰部，其中，所述印刷电路板连接于所述第一法兰部，且后一所述真空系统的印刷电路板连接于前一所述真空系统的真空腔体的第二法兰部，最后一级所述真空系统的真空腔体的第二法兰部连接一尾板，所述印刷电路板的中心具有中心孔部。

上述的多级真空系统，其中，所述中心孔部为绝缘通孔或金属化通孔。

上述的多级真空系统，其中，各级所述真空系统的所述中心孔部的孔径沿着气体或带电粒子传输方向依次减小。

上述的多级真空系统，其中，各所述真空腔体还包括第三法兰部，所述第三法兰部分别与一真空泵相连接。

上述的多级真空系统，其中，所述尾板为另一印刷电路板。

本发明还提供一种上述真空系统的馈通电气连接方法，其中，包括如下步骤：

S10，准备一印刷电路板，并分别设置所述第一金属化过孔、所述真空内焊盘和所述真空外焊盘，所述第一金属化过孔设置于所述第一表面，且穿透所述印刷电路板的一部分层或全部层，所述真空内焊盘设置于所述第一表面上，所述真空外焊盘设置于所述第二表面上；

S20，将所述印刷电路板连接在所述真空腔体上，所述第一表面面向所述真空空间，其中，所述真空内焊盘和所述真空外焊盘通过所述第一金属化过孔或所述第一金属化过孔以及所述金属印制线电气连接，所述真空内焊盘和所述腔体内连接件电气连接，所述真空外焊盘与所述真空腔体外的一电气件电气连接，从而实现真空内外部件的电气连接。

上述的真空系统的馈通电气连接方法，其中，所述步骤S10还包括如下步骤：

S11，所述第一金属化过孔穿透所述印刷电路板的全部层时，其两端分别位于所述第一表面和所述第二表面，所述真空内焊盘设置于所述第一金属化过孔位于所述第一表面的一端，所述真空外焊盘设置于所述第一金属化过孔位于所述第二表面的一端。

上述的真空系统的馈通电气连接方法，其中，所述步骤S10还包括如下步骤：

S12，将一车针穿过所述第一金属化过孔，且对所述第一金属化过孔进行密封。

上述的真空系统的馈通电气连接方法，其中，所述步骤S12还包括如下步骤：

S121，所述车针与所述第一表面或所述第二表面使用真空密封焊接，所述真空密封焊接为锡焊或银焊。

上述的真空系统的馈通电气连接方法，其中，所述步骤S12还包括如下步骤：

S122，所述第一金属化过孔采用金属填充过孔工艺进行填堵，实现密封。

上述的真空系统的馈通电气连接方法，其中，所述步骤S10还包括如下步骤：

所述印刷电路板设置依次叠置的顶层、至少一中间层和底层，其中，所述顶层面向所述真空腔体，所述第一金属化过孔穿透至所述中间层，所述印刷电路板的第二表面设置有第二金属化过孔，所述真空内焊盘通过所述顶层的金属印制线与所述第一金属化过孔电气连接，所述第一金属化过孔通过所述中间层的金属印制线与所述第二金属化过孔电气连接，所述真空外焊盘与所述第二金属化过孔电气连接。

本发明还提供一种上述的多级真空系统的馈通电气连接方法，其中，包括如下步骤：

S100，准备多个所述真空系统；

S200，多个所述真空系统按照气体或带电粒子传输方向依次连接，每一所述印刷电路板连接于所述第一法兰部，且后一所述真空系统的印刷电路板连接于前一所述真空系统的真空腔体的第二法兰部，最后一级所述真空系统的真空腔体的第二法兰部连接通过所述尾板封闭。

本发明的有益功效在于，相对基于真空电馈通连接器设计的真空系统，基于本发明印刷电路板设计的真空系统具有的优点是：能减少电缆连接、减少装配零件的设计、增强整机的紧凑程度、减轻整机重量。

本发明的方法能简化真空系统的组成结构，降低成本，有利于小型真空系统的开发。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1a至图1b为在传统真空系统中实现电信号真空馈通的方法流程图；

图2a至图2e为印刷电路板实现电信号真空馈通连接的方法流程图；

图3a至图3e为多级真空系统连接的方法流程图；

图4a至图4b为本发明真空系统的连接方法步骤图；

图5为本发明多级真空系统的连接方法步骤图。

其中，附图标记

111真空馈通连接器

11真空外引线电极

12绝缘陶瓷柱

13安装法兰

14真空内引线电极

15通孔或螺纹孔

112真空腔体

113胶圈槽

114电极

115绝缘垫片

116真空泵

117电压信号源

119法兰

21印刷电路板

21A顶面

21B底面

21a顶层

21b底层

212连接孔

213、214真空内焊盘

215、216第一金属化过孔

211、219第二金属化过孔

217、218焊盘

221、222第一车针

225、226第二车针

223、224第三车针

31大气压离子源

32离子云

33、35、37、39印刷电路板

34、36、38真空腔体

332通孔

333金属箔

334金属化过孔

335金属印制线

336通孔焊盘

337车针

341法兰

342螺纹孔

343通孔

344O形胶圈槽

345通孔

346法兰

34790度法兰

351金属化通孔

352盲孔

353金属印制线

354金属化通孔

355通孔焊接型车针

357、358表贴型车针

359、356真空外的车针

3711、3712、3713金属印制线

3714电压信号产生电路

3715电压信号程控电路

3716电源和通信接口电路及连接器

379、3717、3710金属化通孔

376、377、378金属印制线

374、375表贴焊接型车针

373金属化通孔

3100、3101、3102真空泵

241电压信号源

242螺栓

500真空腔体

510法兰

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

本发明的真空系统采用模块化设计，每一级真空系统采用“三通”或“多通”结构设计，本文称为“一节”真空腔体。真空腔体可以由金属材料(例如不锈钢、铝、钛等)加工，优点是漏率小、强度高、耐高温，也可以用树脂材料(例如聚醚醚酮、聚酰亚胺等)加工，优点是耐高电压、质量轻。

每节真空腔体通常至少包含三个法兰接口，其中一个用于连接真空泵或连通真空泵的管路，另外两个用于连接其它类似的真空腔体或者盲板。

单级真空系统中，真空腔体的一个法兰上安装一块用于实现电信号真空馈通连接的印刷电路板；或者在设计多级真空系统时，两节真空腔体相接的法兰之间夹一块印刷电路板，法兰与印刷电路板之间用密封胶圈或金属垫圈密封，印刷电路板的外部尺寸大于与之相连法兰的外径，以方便引线外接。

上述的真空系统中，所指的印刷电路板具有以下功能的一种或多种组合：

印刷电路板在和真空腔体内部相通的部分，表面设计有焊盘，通过焊接连接件或导线和真空内的电极等部件相连。

将内部电极电信号通过印刷电路板内层或表面层的金属印制线引出到真空腔体外，并在印刷电路板的表面形成焊盘，在此焊盘上焊接导线或连接器与外部电气部件连接；金属印制线在引出到真空外的路径上，通过印刷电路板的金属化过孔技术来转换金属印制线在多层电路板中的层级，以实现多根交叉金属印制线的引出或不与法兰接口接触；其过孔技术可以是通孔或盲孔，前者将过孔在电路板打穿，使得电路板每一层的导体均可以和通孔相连接，后者只让电路板指定层连接，孔不会在印刷电路板两面打穿；由于印刷电路板加工时，层与层之间具有粘胶和紧密压接工艺，和真空腔体内部相通的盲孔具有真空密封的能力，不需要特殊的真空密封手段；如果和真空腔体内部相通的是通孔，则需要在通孔的焊盘上实施密封焊接工艺，例如锡焊和银焊。

多节真空腔体组合成真空系统时，在相邻腔体之间的印刷电路板位于真空内的部分，设计适当孔径的通孔来实现差级真空，即相邻节真空腔体内有压力差，此通孔可以是绝缘孔，用于传导气体，也可以是金属化孔，用于传输带电粒子。

印刷电路板上设计具有电子元器件的电路，既可以通过印刷电路板的金属印制线直接将电路信号和真空内部件连接，无需在真空馈通连接和电路系统之间连接电缆和设计连接器；也可以实现其它独立的电路功能，而无需设计固定此部分电路系统的结构零件。

总的来说，参阅图2e，本发明的真空系统包括真空腔体500和连接在真空腔体上的印刷电路板21，真空腔体500具有一真空空间E，真空空间E内设置有腔体内连接件，例如离子透镜等，印刷电路板21的各层均具有金属印制线。

印刷电路板21还包括第一表面和第二表面，第一表面处于真空空间E之内，第二表面处于真空空间E之外，第一表面也就是印刷电路板21连接在真空腔体500上之后位于真空腔体500的法兰510内的表面，第二表面是除第一表面之外的其他表面。

印刷电路板21还包括第一金属化过孔、真空内焊盘和真空外焊盘。第一金属化过孔设置于第一表面，且穿透印刷电路板21的一部分层或全部层；真空内焊盘连接在第一表面上，真空外焊盘连接在第二表面上。

真空内焊盘和真空外焊盘通过第一金属化过孔或第一金属化过孔以及金属印制线电气连接，真空内焊盘和腔体内连接件电气连接，真空外焊盘与真空腔体外的一电气件电气连接。从而实现真空腔体内外的电气连接。

第一金属化过孔为金属化通孔时，包括第一端和第二端，第一端位于第一表面，第二端位于第二表面，真空内焊盘设置于第一端，真空外焊盘设置于第二端。此时印刷电路板21至少为一层。

印刷电路板包括依次叠置的顶层、至少一中间层和底层，顶层面向真空腔体，第一金属化过孔为金属化盲孔且穿透至中间层，印刷电路板还包括设置于第二表面的第二金属化过孔，真空内焊盘通过顶层的金属印制线与第一金属化过孔电气连接，第一金属化过孔通过中间层的金属印制线与第二金属化过孔电气连接，真空外焊盘与第二金属化过孔电气连接。第二金属化过孔为金属化通孔或金属化盲孔。

参阅图3a，本发明的多级真空系统，两个或两个以上上述真空系统按照气体或带电粒子传输方向依次连接，其中每一真空腔体均包括第一法兰部和第二法兰部，其中，印刷电路板连接于第一法兰部，且后一真空系统的印刷电路板连接于前一真空系统的真空腔体的第二法兰部，最后一级真空系统的真空腔体的第二法兰部连接一尾板，印刷电路板的中心具有中心孔部，气体或带电粒子从腔体外进入真空腔体34，从真空腔体34进入真空腔体36，从真空腔体36进入真空腔体38。

尾板可为另一印刷电路板，例如印刷电路板39。

中心孔部为绝缘通孔或金属化通孔，且各级真空系统的中心孔部的孔径依次减小。

各真空腔体还包括第三法兰部，第三法兰部分别与一真空泵相连接。

以下参照附图以两个具体实施例详细进行说明。

实施实例一：

如图2e所示，本发明的真空系统包括真空腔体500和印刷电路板21，真空腔体500和图1b中的真空腔体112类似，但通过一块印刷电路板21代替图1a所示的陶瓷封接的真空馈通连接器111，实现了真空腔体500内外电信号的连接。

此设计方案实现真空腔体500内外电信号馈通连接的具体步骤如下：

(1)印刷电路板21的设计

如图2a和2b所示，印刷电路板21具有顶面21A(TOP层)和底面21B(BOTTOM层)两个相对的表面。本实施例中，印刷电路板21是一块四层印刷电路板，从顶面21A至底面21B依次具有叠置的顶层21a、第一中间层(图未示)、第二中间层(图未示)和底层21b，即顶面21A位于顶层21a上，底层21B位于底层21b上。各层均具有金属印制线，且在没有金属印制线的地方是电气绝缘的，金属印制线的厚度大约是几十到一百多微米。为了方便说明，此印刷电路板21设计成圆形，其圆心在本发明中称为印刷电路板21的中心P。印刷电路板21还包括连接孔212，连接孔212从顶面21A贯通至底面21B，其用途和图1a中的通孔或螺纹孔15一样，用于穿过螺栓将印刷电路板21固定在真空腔体500对应的法兰上，本实施例中，印刷电路板21上的连接孔212共有六个，尺寸和位置依据真空腔体500对应安装法兰的螺丝孔的大小和位置来设计。

电信号的真空馈通连接在印刷电路板21基于两种独立类型的技术来实现，分别为基于金属化盲孔实现电信号真空馈通连接和基于真空密封焊接的金属化通孔实现电信号真空馈通连接，它们可以单独使用，也可以混合使用，以下分别予以说明。

(1-1)基于金属化盲孔实现电信号真空馈通连接

参阅图2a和图2b，印刷电路板21包括真空内焊盘213和真空内焊盘214，设置于第一表面。真空内焊盘213和真空内焊盘214是两个单层的焊盘，真空内焊盘213和真空内焊盘214的金属箔(铜、金等金属)只分布在顶层21a，用于焊接连接器(如表贴焊接型车针)或导线。印刷电路板21还包括第一金属化过孔215、第一金属化过孔216、第二金属化过孔211和第二金属化过孔219。第一金属化过孔215和第一金属化过孔216为金属化孔类型的盲孔，且其金属箔只出现在顶层21a和第一中间层。第二金属化过孔211和第二金属化过孔219为金属化孔类型的通孔，其金属箔贯穿各层，即出现在顶层21a、第一中间层、第二中间层和底层21b，也就是说，第二金属化过孔211和第二金属化过孔219可以和印刷电路板21上任意一层的金属印制线连接。

其中，真空内焊盘213通过顶层21a的金属印制线与第一金属化过孔215电气连接在一起。第一金属化过孔215在第一中间层的金属箔通过第一中间层的金属印制线N(由于表面不可见，通过虚线表示)走线连接到第二金属化过孔211上。通过上述设计方式，真空内焊盘213就和第二金属化过孔211电气上连接在一起。

第一金属化过孔215和中心P之间的距离和中心P之间的距离小于连接孔212和中心P的距离，第二金属化过孔211和中心P的距离大于连接孔212和中心P的距离，即第一金属化过孔215设置于处于真空空间E之内的第一表面，第二金属化过孔211设置于处于真空空间E之外的第二表面，当印刷电路板21安装到真空腔体500上时，第二金属化过孔211位于真空腔体500之外，在第二金属化过孔211上焊接连接器或线缆时就不需要使用密封焊接技术。

类似的方式，真空内焊盘214通过顶层21a的金属印制线与第一金属化过孔216电气连接在一起。第一金属化过孔216在第一中间层的金属箔通过第一中间层的金属印制线M走线连接到第二金属化过孔219上。通过上述设计方式，真空内焊盘214就和第二金属化过孔219电气上连接在一起。第二金属化过孔219和中心P的距离大于连接孔212和中心P的距离，第一金属化过孔216和中心P之间的距离分别连接孔212和中心P的距离，当印刷电路板21安装到真空腔体500上时，第二金属化过孔219位于真空腔体500之外，在第二金属化过孔219上焊接连接器或线缆时就不需要密封焊接技术。

本例中，第二金属化过孔211和第二金属化过孔219也可以设计成盲孔，其金属箔不与所有层相贯通。

(1-2)基于真空密封焊接的金属化通孔实现电信号真空馈通连接

印刷电路板21还包括焊盘217和焊盘218，焊盘217和焊盘218是金属化通孔焊盘，即金属化通孔贯穿印刷电路板21各层，且中心孔表面也是金属箔，其金属箔贯穿各层，即在顶层21a和底层21b均有金属箔，使得此孔在顶层21a和底层21b的金属箔是电气连接在一起的。

(2)印刷电路板的焊接

参阅图2c和图2d，本发明的真空系统还包括车针。车针包括第一车针221和第一车针222。第一车针221和第一车针222为表贴焊接型的车针，分别贴焊在真空内焊盘213和真空内焊盘214上，使用普通的印刷电路板焊接方法即可，无需特别的焊接技艺。

车针还包括第二车针225和第二车针226，第二车针225和第二车针226是通孔焊接类型的车针，分别穿过第二金属化过孔219和第二金属化过孔211，并分别在第二金属化过孔219和第二金属化过孔211于顶层21a或底层21b的金属箔上实施普通的印刷电路板焊接方法。

通过上述焊接，第一车针221和真空内焊盘213电气连接，第二车针225和第二金属化过孔219电气连接，通过上述已知真空内焊盘213和第二金属化过孔219电气已连接，则第一车针221和第二车针225实现了电气连接。

类似的，第一车针222和第二车针226实现了电气连接。

车针还包括第三车针223和第三车针224，第三车针223和第三车针224也是通孔焊接类型的车针，但两端均比印刷电路板21的厚度(1～3mm)长大约5mm以上，分别穿过焊盘217和焊盘218，并在焊盘217和焊盘218于顶层21a或底层21b的金属箔上实施真空密封焊接技术，例如锡焊或银焊，以实现真空内外密封。

(3)印刷电路板的使用

如图2e所示，真空腔体和真空泵和图1b原理相同。图2c所示的印刷电路板21的顶面21A面向真空腔体500内，印刷电路板21的底面21B面向真空腔体500外放置。

螺栓242穿过图2a中连接孔212，将印刷电路板21固定在真空腔体500的法兰510上，法兰510表面加工有胶圈槽，用以安装O形密封胶圈(氟树脂等材料)，使用的O形密封胶圈线径2.6mm，而胶圈槽深度设计为2mm，当螺栓拧紧后，印刷电路板21的顶面21A挤压O形密封圈，直至顶面21A和法兰510的表面接触。O形密封圈压缩量0.6mm，足够使得印刷电路板21的顶面21A和真空腔体500的法兰510的表面之间不漏气。

真空腔体500内安装的腔体内连接件为三片离子透镜，结合图2c，三片离子透镜首先在真空腔体500内和印刷电路板21上的第一车针221、第一车针222、第三车针224连接，然后真空系统外的电压信号源241产生的电压信号V1、V2分别连接印刷电路板上的第二车针226、第二车针225，而电压信号V3连接第三车针224的真空腔体500外的部分。由本实例前面所述的印刷电路板的设计和焊接方法可知，第一车针221、第二车针222分别和第三车针225、第三车针226是电气连接在一起的，所以V1、V2、V3通过车针22及印刷电路板21的焊盘、金属印制线传导到真空腔体内的离子透镜上。本实施例中真空腔体内的零件是传输离子用的离子透镜，本发明并不限于此。

实施实例二：

如图3(a)所示，这是一个质谱仪的多级真空系统，用于传输大气压下产生的离子到高真空区域进行分析。其中，大气压离子源31例如是电喷雾离子源、大气压化学电离源等等，大气压离子源31在大气压下产生离子云32；多级真空系统包括印刷电路板33、35、37、39和结构相似的三节真空腔体34、36、38。每节真空腔体均具有三个法兰接口，三个接口之间气路相通，类似于一个三通结构，直通的中心部分用于安装离子传输、分析、检测部件，直通两端的法兰上均有O形胶圈的胶圈槽和固定孔，用于连接印刷电路板，三通的90度法兰用于连接真空泵。如图所示，印刷电路板33、35、37、39分别和真空腔体34、36、38相连接。印刷电路板33的中心是一个具有较大金属箔面的金属化通孔，大气压离子源31距离印刷电路板33中心孔的距离为几毫米到20毫米，在电场力和印刷电路板33两面真空压力差的作用下，大气压离子源31在大气压下产生离子云32被印刷电路板33的中心孔吸入真空腔体34，真空腔体34在真空泵3100的抽取下，真空度大约100Pa；离子云32在真空腔体34中离子传输部件(静电离子透镜、射频多极离子导引器或离子漏斗等离子传输部件)的传输下到达印刷电路板35，印刷电路板35的中心是一个中心孔径0.7mm的金属化通孔，在电场力和印刷电路板35两面真空压力差的作用下，离子云32经过印刷电路板35中心孔进入真空腔体36；真空腔体36在真空泵3101的抽取下，真空度约0.1Pa，真空腔体36中也安装有离子传输部件，将离子云32传输到印刷电路板37中心附近，印刷电路板37的中心孔是一个中心孔径1mm金属化孔，和印刷电路板35结构不同的是，印刷电路板37的板面进行了扩大，并且设计有供电电路，用于给离子传输部件提供所需电信号，在电场力和印刷电路板37两面真空压力差的作用下，离子云32通过印刷电路板37的中心孔进入真空腔体38；真空腔体38在真空泵3102的抽取下，真空度约3E-3Pa，真空腔体38中安装了质量分析器(例如四极滤质器)和离子检测器(例如电子倍增器)，离子云32通过质量分析器和离子检测器就产生了质谱信号；印刷电路板39上设计有质量分析器和离子检测器所需的高压信号源电路、质谱信号接收电路，通过实例一所述的真空馈通连接方法和真空内的质量分析器、电子倍增器连接；印刷电路板39上的电路不仅产生信号，还接受了质谱信号并进行处理，能够现场显示或传输给远程计算机。该系统只需外部连接电源、真空泵和通信接口的电缆，无需安装额外的电路系统就可以实现仪器的控制。

各关键部件的详细设计描述如下：

(1)真空腔体的设计

真空腔体34、36、38的结构类似，在本实例中设计成相同尺寸，以下以真空腔体34为例，如图3(c)所示，直通其中一端的法兰341表面设计有槽深2mm的O形胶圈槽344，用于安装线径2mm的O形氟胶圈；螺纹孔342是M4规格的通孔内螺纹，在和它距离法兰341中心相同的圆周上等距设计了6个M4规格的通孔内螺纹孔342，用于拧螺栓固定电路板；直通另一端的法兰346的外径和胶圈槽尺寸法兰341相同，但是在法兰341的6个M4螺纹孔342对应位置，设计为6个4mm直径的通孔345；通孔343将法兰341和法兰346中心连通，连通的位置安装离子传输等部件；90度法兰347用于连接真空泵或者连接连通真空泵的管路(例如波纹管)。

(2)印刷电路板33的设计

印刷电路板33是一块两层的印刷电路板，包括顶层33a和底层(图未示)，厚3mm，如图3(b)所示，印刷电路板33的中心具有金属化过孔334，金属化过孔334的金属箔333采用镀金的工艺以增强抗污染能力；印刷电路板33的金属化过孔334的孔径约0.15mm，用于在真空泵3100抽真空时，大气压和真空腔体34内部之间产生压力差，并将离子云32从真空外传输到真空腔体34中；通孔332为穿过螺栓的通孔，有6个类似的通孔，用于将印刷电路板33固定在真空腔体34的法兰341上；中心的金属化过孔334通过顶层33a的金属印制线335连接到通孔焊盘336上，通孔焊盘336上焊接了通孔焊接型的车针337，外部电信号可通过车针337连通到金属化过孔334的金属箔333。印刷电路板33的顶层33a面向真空腔体34外，底层面向真空腔体34内。

(3)印刷电路板35的设计

印刷电路板35的设计如图3(d)所示，其大部分类似于图2(b)，不同的是，印刷电路板35中心有个金属化通孔351，孔径约0.7mm，用于在真空腔体34和36之间产生压力差，并且将离子云32从真空腔体34传输到真空腔体36中；利用盲孔352和第一中间层的金属印制线353将金属化通孔351和金属化通孔354连通，金属化通孔354在真空腔体34以及真空腔体36以外，通过普通的焊接技术将通孔焊接型车针355焊接在金属化通孔354上，外部电路系统可以通过连接通孔焊接型车针355来控制金属化通孔351上的电压。印刷电路板35的顶层35a面向真空腔体34，底层面向真空腔体36。根据实例一和图2(c)所述的基于盲孔技术实现电信号真空馈通的原理，真空腔体34内的离子传输部件可通过印刷电路板35上的表贴型车针357和358等，连通到真空外的车针359和356。

(4)印刷电路板37的设计

印刷电路板37的设计如图3(e)所示，它是在印刷电路板34的设计基础上，扩大了印刷电路板的面积，将离子传输装置所需的电压信号产生电路3714、电压信号程控电路3715、电源和通信接口电路及连接器3716设计在新增加的电路板表面，即连接在处于真空空间之外的第二表面。电路的电源通过电源和通信接口电路及连接器3416进入电路板，给电压信号程控电路3715和电压信号产生电路3714供电；电压信号程控电路3715包含了可编程电路，可以独立的或者远程控制来产生低电压的控制信号，以驱动电压信号产生电路3714，电压信号产生电路3414放大电压信号程控电路3715输出的低电压信号，输出多路独立的高电压或高功率信号，再分别通过金属印制线3711、3712、3713连接真空外的金属化通孔379、3717、3710，再通过第一中间层的金属印制线376、377、378连接到内部的表贴焊接型车针374、375以及金属化通孔373。金属化通孔373的金属化通孔的直径约1mm，用于在真空腔体36和真空腔体38之间产生压力差，并将离子云32从真空腔体36中传输到真空腔体38中。印刷电路板37的顶层37a面向真空腔体36，底层面向真空腔体38。真空腔体36内的离子传输部件可以通过连接车针374和车针375来获取所需的电压信号。

(5)印刷电路板39的设计

印刷电路板39的连接方法和印刷电路板37类似，不同的是电路功能不同，例如提供给四极滤质器的是射频高压信号、具有接收电子倍增器的质谱信号放大的电路、质谱信号模拟/数字转换电路、质谱数字信号存储、处理、和传输电路等，并不影响本发明的连接方法。印刷电路板39位于多级真空系统最后一级，印刷电路板39的顶层面向真空腔体38内部，底层面向真空外，因此它的中心没有通孔，以密闭真空。

综上，如图4a和图4b所示，本发明的真空系统的馈通电气连接方法，包括如下步骤：

S10，准备一印刷电路板，并分别设置第一金属化过孔、真空内焊盘和真空外焊盘，第一金属化过孔设置于第一表面，且穿透印刷电路板的一部分层或全部层，真空内焊盘设置于第一表面上，真空外焊盘设置于第二表面上。

S20，将印刷电路板连接在真空腔体上，第一表面面向真空空间，其中，真空内焊盘和真空外焊盘通过第一金属化过孔或第一金属化过孔以及金属印制线电气连接，真空内焊盘和腔体内连接件电气连接，真空外焊盘与真空腔体外的一电气件电气连接，从而实现真空内外部件的电气连接。

其中，步骤S10还包括如下步骤：

S11，第一金属化过孔穿透印刷电路板的全部层时，其两端分别位于第一表面和第二表面，真空内焊盘设置于第一金属化过孔位于第一表面的一端，真空外焊盘设置于第一金属化过孔位于第二表面的一端。

步骤S10还包括如下步骤：

S12，将一车针穿过第一金属化过孔，且对第一金属化过孔进行密封。

步骤S12还包括如下步骤：

S121，车针与第一表面或第二表面使用真空密封焊接，真空密封焊接为锡焊或银焊。

步骤S12还包括如下步骤：

S122，第一金属化过孔采用金属填充过孔工艺进行填堵，实现密封。

步骤S10还包括如下步骤：

印刷电路板设置依次叠置的顶层、至少一中间层和底层，其中，顶层面向真空腔体，第一金属化过孔穿透至中间层，印刷电路板的第二表面设置有第二金属化过孔，真空内焊盘通过顶层的金属印制线与第一金属化过孔电气连接，第一金属化过孔通过中间层的金属印制线与第二金属化过孔电气连接，真空外焊盘与第二金属化过孔电气连接。

如图5所示，本发明的多级真空系统的馈通电气连接方法，包括如下步骤：

S100，准备多个真空系统。

S200，多个真空系统按照气体或带电粒子传输方向依次连接，每一印刷电路板连接于第一法兰部，且后一真空系统的印刷电路板连接于前一真空系统的真空腔体的第二法兰部，最后一级真空系统的真空腔体的第二法兰部连接通过尾板封闭。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (19)

1.一种真空系统，其特征在于，包括真空腔体和连接在所述真空腔体上的印刷电路板，所述真空腔体具有一真空空间，所述真空空间内设置有腔体内连接件，所述印刷电路板的各层均具有金属印制线且还包括：

第一表面和第二表面，所述第一表面处于所述真空空间之内，所述第二表面处于所述真空空间之外；

第一金属化过孔，设置于所述第一表面，且穿透所述印刷电路板的一部分层或全部层；以及

真空内焊盘和真空外焊盘，所述真空内焊盘连接在所述第一表面上，所述真空外焊盘连接在所述第二表面上；

所述真空内焊盘和所述真空外焊盘通过所述第一金属化过孔或所述第一金属化过孔以及所述金属印制线电气连接，所述真空内焊盘和所述腔体内连接件电气连接，所述真空外焊盘与所述真空腔体外的一电气件电气连接。

2.根据权利要求1所述的真空系统，其特征在于，所述第一金属化过孔为金属化通孔，包括第一端和第二端，所述第一端位于所述第一表面，所述第二端位于所述第二表面，所述真空内焊盘设置于所述第一端，所述真空外焊盘设置于所述第二端。

3.根据权利要求2所述的真空系统，其特征在于，所述印刷电路板至少为一层。

4.根据权利要求1所述的真空系统，其特征在于，所述印刷电路板包括依次叠置的顶层、至少一中间层和底层，所述顶层面向所述真空腔体，所述第一金属化过孔为金属化盲孔且穿透至所述中间层，所述印刷电路板还包括设置于所述第二表面的第二金属化过孔，所述真空内焊盘通过所述顶层的金属印制线与所述第一金属化过孔电气连接，所述第一金属化过孔通过所述中间层的金属印制线与所述第二金属化过孔电气连接，所述真空外焊盘与所述第二金属化过孔电气连接。

5.根据权利要求4所述的真空系统，其特征在于，所述第二金属化过孔为金属化通孔或金属化盲孔。

6.根据权利要求1所述的真空系统，其特征在于，所述电气件连接在所述第二表面上。

7.根据权利要求1所述的真空系统，其特征在于，所述印刷电路板和所述真空腔体之间通过一密封件密封。

8.一种多级真空系统，其特征在于，包括两个或两个以上如权利要求1至7任一项所述的真空系统，所述两个或两个以上真空系统按照气体或带电粒子传输方向依次连接，每一所述真空腔体均包括第一法兰部和第二法兰部，其中，所述印刷电路板连接于所述第一法兰部，且后一所述真空系统的印刷电路板连接于前一所述真空系统的真空腔体的第二法兰部，最后一级所述真空系统的真空腔体的第二法兰部连接一尾板，所述印刷电路板的中心具有中心孔部。

9.根据权利要求8所述的多级真空系统，其特征在于，所述中心孔部为绝缘通孔或金属化通孔。

10.根据权利要求8所述的多级真空系统，其特征在于，各级所述真空系统的所述中心孔部的孔径沿着气体或带电粒子传输方向依次减小。

11.根据权利要求8所述的多级真空系统，其特征在于，各所述真空腔体还包括第三法兰部，所述第三法兰部分别与一真空泵相连接。

12.根据权利要求8所述的多级真空系统，其特征在于，所述尾板为另一印刷电路板。

13.一种权利要求1所述真空系统的馈通电气连接方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，准备一印刷电路板，并分别设置所述第一金属化过孔、所述真空内焊盘和所述真空外焊盘，所述第一金属化过孔设置于所述第一表面，且穿透所述印刷电路板的一部分层或全部层，所述真空内焊盘设置于所述第一表面上，所述真空外焊盘设置于所述第二表面上；

S20，将所述印刷电路板连接在所述真空腔体上，所述第一表面面向所述真空空间，其中，所述真空内焊盘和所述真空外焊盘通过所述第一金属化过孔或所述第一金属化过孔以及所述金属印制线电气连接，所述真空内焊盘和所述腔体内连接件电气连接，所述真空外焊盘与所述真空腔体外的一电气件电气连接，从而实现真空内外部件的电气连接。

14.根据权利要求13所述的真空系统的馈通电气连接方法，其特征在于，所述步骤S10还包括如下步骤：

S11，所述第一金属化过孔穿透所述印刷电路板的全部层时，其两端分别位于所述第一表面和所述第二表面，所述真空内焊盘设置于所述第一金属化过孔位于所述第一表面的一端，所述真空外焊盘设置于所述第一金属化过孔位于所述第二表面的一端。

15.根据权利要求14所述的真空系统的馈通电气连接方法，其特征在于，所述步骤S10还包括如下步骤：

S12，将一车针穿过所述第一金属化过孔，且对所述第一金属化过孔进行密封。

16.根据权利要求15所述的真空系统的馈通电气连接方法，其特征在于，所述步骤S12还包括如下步骤：

S121，所述车针与所述第一表面或所述第二表面使用真空密封焊接，所述真空密封焊接为锡焊或银焊。

17.根据权利要求15所述的真空系统的馈通电气连接方法，其特征在于，所述步骤S12还包括如下步骤：

S122，所述第一金属化过孔采用金属填充过孔工艺进行填堵，实现密封。

18.根据权利要求13所述的真空系统的馈通电气连接方法，其特征在于，所述步骤S10还包括如下步骤：

所述印刷电路板设置依次叠置的顶层、至少一中间层和底层，其中，所述顶层面向所述真空腔体，所述第一金属化过孔穿透至所述中间层，所述印刷电路板的第二表面设置有第二金属化过孔，所述真空内焊盘通过所述顶层的金属印制线与所述第一金属化过孔电气连接，所述第一金属化过孔通过所述中间层的金属印制线与所述第二金属化过孔电气连接，所述真空外焊盘与所述第二金属化过孔电气连接。

19.一种权利要求8所述的多级真空系统的馈通电气连接方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100，准备多个所述真空系统；

S200，多个所述真空系统按照气体或带电粒子传输方向依次连接，每一所述印刷电路板连接于所述第一法兰部，且后一所述真空系统的印刷电路板连接于前一所述真空系统的真空腔体的第二法兰部，最后一级所述真空系统的真空腔体的第二法兰部连接通过所述尾板封闭。