CN107850506B - 电离压力计和操作电离压力计的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了电离压力计和操作电离压力计的方法，以操作热阴极电离压力计(HCIG)。晶体管电路可以被配置用于以低输入阻抗传递电子发射电流并且用于控制阴极偏置电压。发射电流和阴极偏置电压可以被彼此独立地控制，而无需伺服稳定时间。可以关于泄漏电流来校准HCIG。
Description
相关申请
本申请要求于2015年7月9日提交的美国非临时申请号14/795,729的权益。上述美国临时申请的全部教导通过引用结合在此。
技术领域
本发明涉及一种电离压力计和操作电离压力计的方法。
背景技术
电离真空压力计可以用于各种各样的应用，诸如半导体制造、薄膜沉积、高能物理、离子注入以及空间模拟。电离计可以包括冷阴极电离计(cold cathode ionizationgauge，CCIG)和热阴极电离计(hot cathode ionization gauge，HCIG)两者，并且一些示例HCIG设计包括Bayard-Alpert(BA)仪表、Schulz-Phelps仪表以及三极管仪表。典型的热阴极电离真空压力计的传感器包括阴极(电子源，也被称为灯丝)、阳极(也被称为栅)以及离子收集器电极。对于BA仪表，阴极被径向地定位在由阳极限定的电离空间(阳极体积)之外。离子收集器电极被布置在阳极体积内。电子从阴极朝着阳极行进并行进通过阳极，并且最终由阳极收集。然而，在电子的行进中，电子撞击气体的分子和原子，从而构成压力将被测量的大气并且产生离子。在阳极体积之内产生的离子被阳极之内的电场吸引到离子收集器电极。大气内的气体的压力P可以通过公式P＝(1/S)(ii/ie)根据离子和电子电流来计算，其中，S是比例系数(仪表灵敏度)，单位为1/托并且是特定仪表几何形状、电气参数以及压力范围所特有的；并且ii是离子电流且ie是电子发射电流。
阴极通过由电压源开始的电流进行加热以便引起电子发射。电压源受伺服控制以便使用例如+30伏特的固定阴极偏置电压来维持期望的电子发射电流。阴极偏置电压与阳极的阴极偏置电压之间的电压差决定了所发射电子在其进入电离体积时的能量。反过来，因为电子的能量影响电离电流，所以仪表的准确度取决于对阴极偏置电压的精确控制。电子发射电流的大小由在阴极内施加的加热功率决定。
电离计通常包括具有连接引脚的若干电馈通(每个传感器电极被制作成具有被连接至馈通电连接引脚或导体的电极连接柱)，所述电馈通延伸穿过汇集管壳体以便向传感器提供电力并从所述传感器接收信号。可以在馈通引脚与汇集管壳体及其他传感器部件之间提供电绝缘体，以便维持操作安全性和信号完整性并防止电流从馈通引脚泄漏到如连接至仪表封套的汇集管壳体。
发明内容
出于若干种原因，对热阴极电离计(HCIG)中的阴极加热电流进行伺服控制可能是有问题的。高性能伺服电路的成本和复杂性可能很高。而且，因为在传统仪器设计中电子发射电流和阴极偏置电压相耦合(一个影响另一个)，所以当电子发射电流设置改变时或者当仪表中的压力改变时，阴极偏置电压受到影响。在压力或电子发射电流发生变化之后，在可持续长达3秒的伺服稳定时间(死区时间)期间，压力测量通常不可用。死区时间是指灯丝阴极偏置电压已经偏离期望标称值(在所述期望标称值中，仪器校准有效)的瞬变状况，所以压力测量结果是未校准且不准确的。因此，伺服控制会导致仪表不准确性或不可用性间隔。
此外，电馈通绝缘体的有效性可能由于可能在电离计(诸如，HCIG)的馈通绝缘体上积累的导电污染物而受到影响，现在将对此进行详细描述。污染物可能在馈通引脚(导体)与HCIG传感器的汇集管壳体之间形成导电通路，从而允许传感器信号电流的一部分跨馈通绝缘体流动。这些泄漏电流可能会造成不期望的影响，范围从不准确的压力测量结果到完全传感器故障。例如，来自阴极电馈通的泄漏可能会导致不正确的电子发射电流测量结果和不正确的压力测量结果。此外，期望的是维持较低的电子发射电流(例如，低于20微安(μA))以延长阴极使用期。然而，当泄漏电流相对于电子发射电流或其他信号电流变得足够大时，变得有必要以更高的电子发射电流来操作HCIG阴极以便维持压力测量准确度，这降低了阴极使用期。此外，阳极馈通绝缘体也可能会变得被污染，特别是在阳极结构被加热的脱气过程期间。除了阴极馈通绝缘体和阳极馈通绝缘体之外，其他馈通绝缘体(诸如离子收集器馈通绝缘体)也可能会变得被污染并且影响传感器运行。
根据本发明的实施例，提供了用于设定彼此解耦的电子发射电流和阴极偏置电压的设备和方法，这些设备和方法也消除了传统的基于伺服的测量方法所特有的死区时间。此外，实施例设备和方法可以用于从使用保持处于其正常使用环境中的HCIG来得到压力测量结果中消除泄漏电流的影响，从而导致更可靠的压力测量结果和较长的仪表服务间隔。实施例可以提供提高的压力测量准确度、在宽范围上电子发射电流的连续可调性、无死区时间的较快速电子发射电流控制、和对压力变化的较快响应以及减少的制造成本。
一种电离压力计以及相应方法可以包括阴极，所述阴极被配置成被加热以便以电子发射电流来发射电子。所述电离压力计还可以包括晶体管电路，所述晶体管电路被配置用于以低输入阻抗传递所述电子发射电流并且用于控制阴极偏置电压。所述低输入阻抗可以基本上为零，从而使得可以在不影响阴极偏置电压的情况下在所述晶体管电路中感测到所述电子发射电流。所述电子发射电流可以被传递到电流测量电路，所述电流测量电路可以包括电流传感器。所述电离压力计还可以包括：可变加热电源，所述可变加热电源可变地加热阴极。
所述晶体管电路可以独立于所述电子发射电流的大小而控制阴极偏置电压。例如，晶体管电路可以包括场效应晶体管(FET)，所述FET在源极和漏极之间以接近于零的输入阻抗传递电子发射电流，同时控制栅极电压以便独立地控制阴极偏置电压。阴极偏置电压可以等于施加到所述FET的栅极上的电压加上所述FET的偏移电压，并且所述FET的栅极可以电连接至可变电压源以便可变地控制阴极偏置电压。可以在不影响阴极偏置电压的情况下检测从源极传递至漏极的电子发射电流。晶体管电路可以电连接至泄漏测试电流源以便在阴极电子发射电流为零的情况下实现通过晶体管的电流，从而为准确的电子发射电流感测提供电流偏移量。泄漏测试电流源可以包括耦合至阳极偏置电压供应的电阻。泄漏电流范围选择开关可以被配置用于根据泄漏电流的电平来切换泄漏测试电流源的电流范围。
所述电离压力计可以包括检测晶体管电路中的晶体管的偏移量的电路，并且检测所述偏移量的所述电路可以包括电连接至所述晶体管电路的二极管。
所述电离压力计可以包括微控制器，所述微控制器可以计算在阴极被加热的情况下所测量的电子发射电流与在阴极未被加热的情况下所测量的电子发射电流之差，其中，所述差可以用于关于泄漏电流而校准电离压力计。所述微控制器还可以具有电连接至阴极加热电源的控制信号、晶体管电路的阴极偏置电压控制输入端以及泄漏电流范围选择器开关。所述微控制器还可以包括电连接至电流传感器以便测量阴极电子发射电流的电输入端。
一种操作电离压力计的方法以及相应设备可以包括：加热阴极以便以电子发射电流来发射电子；经由晶体管电路控制阴极偏置电压；以及经由所述晶体管电路以低输入阻抗来传递所述阴极的所述电子发射电流。所述低输入阻抗可以基本上上为零。可以将所述电子发射电流传递到电流测量电路，所述电流测量电路可以包括电流传感器。控制阴极偏置电压可以包括向FET的栅极施加可变电压源。所述阴极偏置电压可以独立于所述电子发射电流的大小而被控制。加热所述阴极可以包括进行可调节加热以便以用户所选的电子发射电流来发射所述电子。
所述方法可以包括：通过在所述电子发射电流被设定为零的情况下将泄漏测试电流传递通过所述晶体管电路来针对泄漏电流校准电离压力计。所述方法可以包括：通过使用在所述阴极被加热的情况下所测量的电子发射电流与在所述阴极未被加热的情况下所测量的电子发射电流之差来针对泄漏电流校准电离压力计。所述泄漏测试电流可以被传递通过电耦合至阳极偏置电源的电阻并且根据泄漏电流的电平进行切换。
所述方法可以包括：将来自微控制器的控制信号输出至阴极加热电源以及晶体管电路的阴极偏置电压控制输入端。所述方法可以进一步包括：将来自微控制器的控制信号输出至晶体管电路中的泄漏电流范围选择器开关。所述方法还可以包括：将来自晶体管电路中的电流传感器的电信号输入至微控制器。
晶体管电路可以包括传递电子发射电流的场效应晶体管(FET)。阴极偏置电压可以等于施加到FET的栅极上的电压加上FET的偏移电压。所述方法可以包括：通过检测晶体管电路中的晶体管的偏移量来校准晶体管电路，并且校准晶体管电路可以包括使用二极管。二极管可以电连接至晶体管电路中的晶体管并且用于促进对晶体管的偏移量的测量。电流传感器可以用于测量通过晶体管电路中的晶体管的电子发射电流。
所述方法还可以包括：在压力测量中不存在死区时间的情况下，将电子发射电流从一个值改变为另一个值。
一种电离压力计可以包括：用于加热阴极以便以电子发射电流来发射电子的装置；用于经由晶体管电路控制阴极偏置电压的装置；以及用于经由所述晶体管电路以低输入阻抗来传递所述电子发射电流的装置。
附图说明
根据以下对如在附图中所展示的本发明的示例实施例的更具体说明，上述内容将是明显的，在附图中，贯穿不同视图，相同的参照字符是指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是着重展示本发明的实施例。
图1A是示意图，展示了现有的Bayard-Alpert(BA)热阴极电离计(HCIG)。
图1B包括图1A中的阴极的电子发射电流和阴极偏置电压的曲线图。
图1C是示意图，展示了图1A的具有可变电子发射电流源的现有BAHCIG。
图2A是示意图，展示了实施例HCIG，其结合了用于传递电子发射电流的场效应晶体管(FET)电路。
图2B是流程图，展示了操作电离压力计(诸如图2A中所示的电离压力计)的实施例方法。
图3A是是示意图，展示了替代性实施例HCIG，其具有用于传递电子发射电流的FET晶体管电路、微控制器以及用于减轻泄漏电流的电路系统。
图3B是图3A中所展示的HCIG的更详细示意图。
图3C是流程图，展示了减轻泄漏电流的影响的实施例方法。
具体实施方式
以下是对本发明的示例实施例的说明。
热阴极电离真空压力计(HCIG)用于各种各样的应用，诸如半导体制造、薄膜沉积、高能物理、离子注入以及空间模拟。这些应用中的许多应用要求高仪表可靠性、低故障率以及超过多个压力数量级的良好压力测量准确度。此外，这些应用中的许多应用要求以很小的时间间隔重复的准确的压力测量，并且可能不能容忍用于控制HCIG的电子发射电流控制回路的伺服稳定时间。考虑到这些因素，非常重要的是，提高HCIG以很小的时间间隔报告非常准确的压力测量结果的能力，而不用考虑控制回路稳定和过长使用期。
图1A展示了典型的Bayard-Alpert(BA)HCIG。在美国专利号7,295,015和7,429,863中描述了如上文所描述的这种仪表的一般工作原理，这些美国专利通过引用以其全部内容结合在此。阴极208被配置成通过由阴极加热器电源VH所供应的电流进行加热。阴极加热器电源VH由伺服107借助于控制信号109进行控制。阴极208保持处于阴极偏置电压VC(其可以是例如+30V)。当监测阴极偏置电压VC的电压传感器165读取到指定的运行阴极偏置电压(例如，+30V)时，测量结果是有效且经校准的。
当被电加热时，阴极208朝着阳极206发射电子e-。这种电子发射由电子发射电流ie(即，在与电子流相反的方向上的等效正电流)限定。如图1A中所示的，阳极可以被配置为限定了阳极体积(电离体积)的圆柱形线栅(阳极栅)。离子收集器电极217被布置在电离体积内。阳极偏置电压使电子e-朝着阳极206加速远离阴极，并且通过阳极206。阳极保持处于阳极偏置电压VA(通常为+180V)。最终，从阴极处发射的所有电子都由阳极收集。在电子的行进中，高能电子撞击可能存在的气体分子和原子，从而产生正离子。然后，正离子被在阳极体积中产生的电场推向离子收集器电极217。电场可以由可以维持处于例如+180V的阳极以及可以维持处于例如地电位的离子收集器产生。然后，在离子收集器中生成收集器电流，并且可以根据离子电流计算电离体积内的气体的压力。离子收集器217连接至静电计(跨阻抗放大器皮可安培计)223，所述静电计测量离子收集器电流并且通常以虚拟地进行操作。
伺服107的目的是使阴极底部的阴极偏置电压VC精确地保持处于+30V。如果电压VC下降到低于+30V，则伺服107增大阴极加热功率，这增加了阴极208和阳极206之间的电子流并且提高了阴极底部的电压。另一方面，如果电压VC上升到超过+30V，则伺服107降低阴极加热功率，这降低了电子流并允许电压VC下降。在给定的阴极偏置电压VC下，可以通过开关Se来选择将在伺服平衡状态下流动的电子发射电流ie的量。最佳电子发射电流取决于气体压力、期望的阴极使用期、测量准确度等。开关Se通过来自微控制器(未示出)的命令信号111来控制。在最左边的开关位置中，当电子发射电流ie＝+30V/10kΩ＝3mA时，系统将是有效且经校准的。对应于其他开关位置的其他电子发射电流选择分别是+30V/100kΩ＝0.3mA和+30V/1MΩ＝30μA。
现有HCIG(诸如图1A中所示的HCIG)存在若干缺点。首先，开关Se仅具有有限数量的位置。在任何给定的开关位置处，电子发射电流仍然通常远离测量准确度与仪表寿命之间的最佳权衡。期望使电子发射电流维持低于例如20微安(μA)以便延长阴极使用期。然而，在存在泄漏电流的情况下，实际电子发射电流可能是未知的，并且HCIG阴极必须以足够高的电子发射电流进行操作，所述电子发射电流超过泄漏电流并维持压力测量准确度。此外，伺服107通常需要是相对复杂且昂贵的，以便使死区时间最小化并提供期望的准确度。而且，因为任何真实的伺服实施方式都具有非零稳定时间和控制误差，所以阴极偏置电压VC的实际值经常显著偏离+30V。
图1B展示了图1A中的伺服107的非零稳定时间的效果。图1B的顶部曲线展示了随时间推移的电子发射电流ie，而图1B的底部曲线展示了随时间推移的阴极偏置电压VC。如顶部曲线中所展示的，开关Se在时间130a处改变位置，这立即使阴极偏置电压VC下降。伺服107将最终使电压VC再次上升(通过增大阴极加热功率，这增大了电子发射电流)，但是这需要时间间隔132a(死区时间)，在所述时间间隔期间，压力测量不可用。稳定时间132a可以高达例如3秒，这是行业标准稳定时间。这种行为通常是不可接受的，因为一些HCIG用户要求有效压力例如每隔25ms进行更新。如同样在图1B中所展示的，在时间130b处，HCIG中的气体压力可能快速变化，从而使得电子发射电流ie和阴极偏置电压VC暂时上升或下降。在时间段132b内，压力测量结果同样无效。如图1B中所展示的，在传统的HCIG中，电子发射电流和阴极偏置电压VC是“耦合的”，或者一个影响另一个。
图1C展示了用于电子发射电流控制的替代性现有方式。在图1C中所示的示意图中，开关Se和电阻器组被代替为可变电流源115。电流源115通过来自微控制器(未示出)的命令113来控制。这解决了受限于少量的离散预选电子发射电流选择的问题，并且因此电子发射电流可以是任何值。
然而，图1C的设计架构引入了严重的问题。阴极208底部的节点对地具有接近无限大的阻抗，从而导致对阴极功率和电子发射电流极其敏感的阴极偏置电压VC。伺服107变得非常复杂、不太准确并且可能不稳定。伺服107可能需要很长时间来达到稳定。因此，使电流源115可调节的优点与电路稳定性和可靠性的显著权衡并存。
根据本发明的实施例，可以克服和电子发射电流与阴极偏置电压之间的耦合或依赖性相关联的问题。晶体管电路可以用于独立地控制电子发射电流和阴极偏置电压。这种晶体管电路可以以非常低的输入阻抗传递电子发射电流，同时独立于电子发射电流而控制阴极偏置电压。可以消除具有图1A至图1C中所示的伴随的稳定时间的伺服107，以便不论气体压力或电子发射电流如何都提供持续有效的压力测量结果。此外，一些实施例可以提供对泄漏电流的减轻，从而使较长的仪表使用期内的压力测量结果更加准确。
图2A是示意图，展示了具有晶体管电路220的HCIG，所述晶体管电路用于以低输入阻抗传递电子发射电流并且用于控制阴极偏置电压。图2A中所展示的HCIG的晶体管电路220包括代替了图1A中的开关Se、电压传感器165以及伺服107的共栅极金属氧化物半导体FET(MOSFET)221和电流传感器219两者。例如，电流传感器219可以是安培计或任何电流感测设备或电路。在其他实施例中，除了单个MOSFET 221和电流传感器219之外，晶体管电路220还包括附加电气部件。
来自微控制器(未示出)的命令信号209可变地控制可变阴极加热电源VH以便可变地加热所述阴极。命令信号209还代替来自图1A中的伺服107的控制信号109。在对图3A的描述中进一步描述的微控制器因此提供控制信号209，所述控制信号电连接至阴极加热电源VH以便控制阴极加热功率。电流传感器219测量通过晶体管221的电子发射电流。馈送至微控制器的来自所述传感器的输出可以用于控制通过信号209的电子发射电流。与图1A和图1C的伺服控制不同，反馈来自用于对独立于阴极偏置电压的电子发射电流进行控制的感测到的电子发射电流，而不是来自感测到的阴极偏置电压。
如本文中使用的，“低输入阻抗”表示足够小以至于电子发射电流的变化不会显著地改变阴极偏置电压的阻抗。例如，阴极偏置电压容差可以是±1.0V以便提供期望的测量准确度，并且最大预期电子发射电流可以是10μA。在那种情况下，如果输入阻抗小于约1.0V/10μA＝100kΩ，则晶体管电路可以提供期望益处。如果晶体管电路的输入阻抗小于以上所计算的值(诸如典型FET的输入阻抗)，则其将被认为是“基本为零”。例如，可以使用诸如本文中所展示的电路等电路来实现大约1000Ω的基本上为零的输入阻抗。此外，可以通过添加感测或估计FET偏移电压并将其消除的电路来进一步改进图2A中所展示的晶体管电路。这种改进可以进一步将有效输入阻抗减小为约1到100Ω范围的基本上为零的输入阻抗。晶体管电路的输入阻抗可能变化很大，并且可能取决于发射电流、晶体管电路中的晶体管的特定选择、电路复杂性等。
在图2A中，电子发射电流ie流过共栅极MOSFET放大器晶体管221，所述共栅极MOSFET放大器晶体管在其发射极与集电极参考端子之间传递阴极电子发射电流。发射极与基极控制端子之间的电压可以具有大约1.5V的标称电压。因此，向栅极施加固定电压(这里是+28.5V)在阴极的基极处产生了+30V的标称电压VC，所述标称电压对从源极流到漏极的电子发射电流ie的量不敏感。因此，电子发射电流ie和阴极偏置电压VC是“解耦的”并且是独立的。换句话说，晶体管电路独立于电子发射电流的大小而控制阴极偏置电压。此外，由于源极处的低输入阻抗，所以电子发射电流不受包括电流传感器219的晶体管电路的显著影响。
图2A的HCIG中不具有诸如图1B中所展示的间隔132a和132b等死区时间。因此，使用图2A的HCIG来得到的所有压力测量结果在任何时候都是有效且经校准的。如果出于任何原因而期望不同的更优电子发射电流，则微控制器(图2A中未示出)可以仅仅向阴极加热电源VH发送不同的命令209以便在对阴极偏置电压没有显著影响的情况下改变电子发射电流。电子发射电流可以具有作为阴极功率的函数的值的连续范围中的任何一个值，并且不限于如图1A中的一小组预选值。类似地，通过在不影响电子发射电流的情况下改变晶体管221的基极的控制电压，可以容易且迅速地改变阴极偏置电压。
在其他实施例中，晶体管电路可以被配置用于仅使用某些离散值来控制阴极偏置电压。然而，优选的是，允许如图2A的晶体管电路中的晶体管电路在仅由微控制器的数字分辨率限制的连续值范围内可变地控制阴极偏置电压。即使在阴极温度随着电子发射电流的变化而上升或下降为不同的值时，压力测量结果继续有效。因此，图2A展示了即使在将电子发射电流从一个值改变为另一个值时，可以如何使用本发明的实施例、利用电离计来测量压力。
图2B是流程图，展示了操作电离压力计(诸如图2A中所展示的仪表)的方法。在241处，阴极208被加热以便以电子发射电流ie来发射电子。在243处，经由晶体管电路来控制阴极偏置电压VC。在图2A中，例如，晶体管电路220包括晶体管221和电流传感器219。在245处，电子发射电流ie经由VH而被控制并且经由晶体管电路以低输入阻抗而被传递到电流测量电路。在图2A中，电流测量电路包括电流传感器219。在其他实施例中，电流测量电路可以包括被配置用于测量电子发射电流的任何数量的部件或设备。
在图2A中所展示的电路实施方式是共栅极MOSFET放大器。然而，其他实施方式可以呈现各种其他设计情况的最佳实践。示例替代方案包括共栅极JFET放大器、共基极双极型晶体管放大器以及跨阻抗放大器。所有实施方式都共同具有基本上为零的输入阻抗以及与电子发射电流成比例的电压输出。然而，双极型晶体管的实施方式是次优选的，因为电子发射电流中的一些流过晶体管基极并且在电流传感器219处未被考虑。例如，FET实施方式不具有这种缺点并且因此比双极型晶体管实施方式更为优选。
图3A是示意图，展示了HCIG电路，在所述HCIG电路中，图2A的FET 221的直接偏置被可变电压源331代替。可变电压源331具有阴极偏置电压控制输入端以便接收来自微控制器232的栅极控制信号327。可变电压源331因此受微控制器232的控制，所述微控制器用于控制晶体管221栅极(控制端子)的偏置电压。尽管在图3A的实施例中使用可变电压源331，但是在其他实施例中可以使用来自微控制器或固定电压源的直接输入。如图2A中所示，因为FET在源极参考端子与栅极控制端子之间具有对电子发射电流不敏感的偏移电压，所以阴极偏置电压可通过栅极电压加上偏移量来精确地设定。同样，为了以上所讨论的优点，电子发射电流遇到实质上为零的输入阻抗。
与包括连接至+12V的二极管335的偏移电路334相组合的可变电压源331允许对FET偏移电压VGS的精确校准。具体地，阴极208的阴极偏置电压等于施加到FET的栅极(经由电源331)上的电压加上FET 221的偏移电压。二极管335电连接至晶体管电路以便促进对FET晶体管221的偏移量的检测。二极管压降是明确限定的。在零阴极加热功率和零实际电子发射电流的情况下，FET 221的栅极电压可以逐渐减小，直到在219处感测到电流。在那时，FET源极栅极偏移量为(+12.0V减去二极管电压)与栅极电压331之差。偏移电压在很宽的源(发射)电流范围内相对恒定。即使不存在对+30V节点的直接测量，这也允许将阴极底部的电压非常准确地设定为例如+30V。避免对+30V节点的任何直接测量是本实施例的有用特征，因为对节点电压的任何直接测量都将漏出一些非零电流，这可能导致电子发射电流测量误差。在图3A的实施例中，二极管335是检测晶体管221偏移量的偏移电路334的唯一部件。然而，在其他实施例中，替代性偏移电路可以包括分别地或彼此组合地被配置用于检测晶体管221的偏移量的任何数量的部件。
甚至是在没有二极管335的情况下，使用图3A中的HCIG来进行的压力测量可以具有例如约5％内的准确度。然而，在使用二极管335来校准FET偏移电压的益处的情况下，理论压力测量准确度在例如大约1％内。应该注意的是，虽然用于校准FET偏移量的二极管方式非常紧凑且经济，但是还可以使用替代性校准方式。而且，虽然是次优选的，但是可以测量实际的阴极偏置电压，而不是将FET栅极电压设定为期望的阴极偏置电压减去FET偏移电压。这种替代性方式还允许阴极偏置电压在不进行FET校准的情况下就非常准确。然而，在这种替代性方式中，由于一些电子发射电流流入阴极偏置电压测量电路中，所以电子发射电流准确度可能在某种程度上降低。
微控制器232经由电输出且连接自电流传感器219的电输入端325来监测流过电流传感器219的电流。具体地，微控制器232使用电子发射电流监测器输入端325来对电流传感器219进行读取。
图3A还展示了可以如何使用本发明的实施例来减轻泄漏电流。HCIG通常具有一个或多个电馈通，所述电馈通承载例如阴极和阳极中的每一个与HCIG的外部之间的信号。例如，电子发射电流ie由一个这种馈通引脚承载。这些引脚通过馈通绝缘体与仪表汇集管壳体以及其他接地通路绝缘。然而，随着时间的推移，可能在馈通绝缘体上形成导电涂层，这可能导致泄漏电流的低阻抗通路。例如，所述涂层可以将从馈通引脚到仪表的汇集管壳体的等效电阻从数垓欧(TΩ)降低为数兆欧(MΩ)并且在一些情况下甚至更少，并且降低的阻抗可以允许在内部电极与汇集管壳体或其他接地通路之间产生泄漏电流。可以通过各种物理化学过程来涂覆绝缘体。从仪表内表面溅射的材料的视线沉积物可能导致导电涂层的产生。经由热过程或电子撞击过程分解前体气体可能产生副产物，所述副产物可能结合到绝缘体上并且还允许电流在绝缘体中传导。如果馈通在升高的温度下运行，则沉积涂层的导电性还可能通过对涂层的附加分解而增强。阴极电馈通绝缘体上的污染物可能通过这种表面分解机制变得导电，因为例如相比电馈通的剩余部分，所述阴极电馈通绝缘体在较热的环境下运行。阴极馈通通常较热，因为它们牢固地连接至炽热阴极并经常在汇集管中表现出最大程度的污染。
随着污染物增加，污染物可能积聚并且可能最终使仪表故障(例如，通过阴极降解)。污染物也是泄漏电流的原因，如果被忽略的话，这会引起不准确性。泄漏电流限制了可以用于HCIG中的最小实际电子发射电流，从而限制了HCIG可以被操作的上压力。由于需要在这些压力下测量非常低的离子电流，所以泄漏电流还可以限制HCIG可以被操作的下压力。
图3A展示了一条这样的泄漏电流通路，所述泄漏电流通路重新引导来自电子发射电流通路的一些电流。此电流由iCL表示，其流过由馈通绝缘体污染物引起的电阻RCL(被示出为RCL)。使用下文结合图3B所描述的过程，可以消除泄漏电流iCL的影响，使得微控制器232可以获得对真实的电子发射电流
的指示。下文结合图3C所描述的过程利用附加电流供应(即，泄漏测试电流源337)，所述电流供应连接至如图3A中所示的电子发射电流通路。图3A的实施例利用阳极电源333作为方便的电流源。在其他实施例中，电流可以由单独的电源(诸如晶体管电流源)或者由系统中已经存在的不同电源来提供。
在图3A中，两个电阻器——1MΩ电阻器和10MΩ电阻器并联电连接至阳极电源333，从而形成泄漏测试电流源337。因此，泄漏测试电流源337包括耦合至阳极偏置电源的电阻。进而，MOSFET晶体管221电连接至泄漏测试电流源337以便即使在电子发射电流被设定为零的情况下，也实现通过晶体管221的电流。电流被允许或者流过单独的10MΩ电阻器或流过并联的10MΩ和1MΩ电阻器到达电子发射电流通路，这取决于泄漏电流范围选择开关Ss的位置，所述泄漏电流范围选择开关由微控制器232经由电连接的泄漏电流范围选择器信号329控制。如下文进一步描述的，开关Ss被配置用于根据泄露电流iCL的电平来切换泄漏测试电流源337的电流范围。开关Ss允许在更宽的泄漏电阻范围内的更准确的泄漏电流消除。然而，在其他实施例中，可以使用10MΩ电阻器或者单独使用不同的电阻器来执行在中等泄漏电阻RCL范围内的中等准确的消除。下面关于图3C描述对泄漏测试电流源337的使用。
图3B是来自图3A的实施例HCIG的示意图。在图3B中未示出图3A中的微控制器232。然而，在图3B中展示了来往于微控制器232的各种信号。图3B中的示意图的对应于图3A的HCIG中的特征的部分标记有相同的参考号。
图3B中的泄漏电流源337示出了如图3A中所示的一个10MΩ电阻器。图3A的开关SS在此示意图中未被实现。如图3B的右上方所示的，灯丝208的阴极偏置电压通过到FET阴极的连接来提供。
可变栅极电压控制器331从图3A中所展示的微控制器232处接收控制信号327。控制器331中的运算放大器(op amp)U1的输出驱动晶体管Q2的基极。U1的非反相输入是反馈电压，所述反馈电压用于确保对FET栅极控制电压的适当设定。然后，运算放大器U1的输出在被施加到FET 221的栅极上之前被升高到可以覆盖10V到50V的范围。
在电流传感器219处，运算放大器U2感测电子发射电流并缓冲输入电压，并且输出端325连接至微控制器232。电阻器R1是用于不同电流范围的可切换电流感测电阻器。
图3A中所展示的可选二极管335是图3B中的CR1。虽然FET电源电压标称地比栅极电压高1.5V，但是此值可能由于部件公差而变化。通过在电流传感器219处读取电流(虽然不存在真实的电子发射电流)的同时调整设定栅极电压并且缓慢地减小设定栅极电压，直到电子发射电流开始流动，可以以更高的精度获知偏移量，并且可以以更高的精度设定阴极偏置电压。
图3C是流程图，展示了可以用于测量并消除图3A中所展示的HCIG中的泄漏电流的影响的示例过程。在351处，经由阴极加热功率控制209将阴极加热功率设定为零。在这种情况下，不可能发生来自阴极208的发射。在353处，阳极电压VA被设定为正常运行值(例如，+180V)。在355处，阴极偏置电压VC被设定为正常运行值(例如，+30V)。在357处，流过电流传感器219的校准电流i校准由微控制器232测量并记录。请注意，阳极与FET源极之间的电阻是Rs。在开关SS断开的情况下，Rs＝10MΩ。在这种情况下，在电流传感器处测量的所有电流i校准都通过电流源337的10MΩ电阻器。来自10MΩ电阻器的电流的一部分流过泄漏电阻器RCL，而剩余部分向下流过MOSFET 221和电流传感器219。使用这种校准方法来获知流过这两条通路的分数电流是不必要的。泄露电流可以被计算为通过Rs的电流与被感测为i校准的电流之差，或者iCL＝[(VA–VC)/RS)]–i校准，并且泄漏电阻可以通过RCL＝VC/iCL进行计算。
继续参考图3C，在359处，阴极加热电源VH被接通至其正常运行值。然后，发生来自阴极208的发射，并且HCIG的正常运行开始。在361处，流过电流传感器219的电流
由微控制器232测量并记录。因为阴极偏置电压VC与校准电流i校准被测量时相同，所以通过泄漏通路的电流保持为iCL＝30V/RCL。任何实际的电子发射电流将完全向下流过FET 221和电流传感器219以便测量
在363处，微控制器232确定真实的电子发射电流
因为i校准包含通过RS的流。因此，微控制器232计算在阴极被加热的情况下测量的电子发射电流与在阴极未被加热的情况下测量的电子发射电流之差，并且因此所述差用于关于泄漏电流而校准电离压力计，即，从电子发射电流ie的测量结果中移除泄漏电流iCL的影响。真实的电子发射电流
因此移除了泄漏电流的影响。
此外，由电离压力计测量的压力可以以提高的准确度计算并报告，因为所测量的压力也可以移除泄漏电流的影响。如在图3C中进一步展示的，在365处，测量电离电流ii。在367处，由微控制器232根据上述针对压力P的等式计算压力，除了真实的电子发射电流
被使用如下：P＝(1/S)(ii/ie 真实)之外。因此，分别使用例如图3A至图3C的实施例装置和方法，可以针对泄漏电流的影响而对HCIG进行测试。甚至是在仪表处于真空下的情况下，也可以在其正常使用环境下就地进行所述测试。通过测量反应了泄漏电流的i校准来测试泄漏电流。然后，例如可以通过在如上所述的微控制器232内减去泄漏电流的影响来应对泄漏电流，从而增加压力测量准确度。
优选地，通过10MΩ电阻器或两个并联电阻器的总电流略大于漏电流iCL。在那种情况下，i校准接近于零且
并且在减法运算中将积累较小的误差。开关Ss允许选择两个不同的泄漏消除电流之一。Ss将通常是断开的，但是例如当泄漏电流iCL超过VC/10MΩ时，其可以闭合。因此，开关SS被配置用于根据泄漏电流的电平来切换泄漏测试电流源的电流范围。
应该理解的是，可以使用与图3A中的电路相似的电路连同各种修改形式、以许多其他方式来执行精确的泄漏电流消除。例如，可以使用可变且可编程的泄漏电流源来代替电流源337。例如，可以调整这种可编程泄漏电流源，直到其达到在电流传感器处所测量的大于零的最小可分辨电流电平。在这种情况下，电流传感器219处的电流测量结果将是实际的电子发射电流。同样，在一些实施例中，在对i校准进行测量期间不需要断开阴极加热功率。例如，阳极电压VA可以暂时断开以使电子发射电流为零，而不需要冷却阴极。这些实施例具有这样的优点：可以非常快速地、在使HCIG的运行较少中断的情况下执行对i校准的测量。
除了如结合图3A和图3C所描述的漏电流校准之外，存在可以用于关于泄漏电流而校准HCIG的许多替代性设备和方法。在题为“Devices and Methods for FeedthroughLeakage Current Detection and Decontamination in Ionization Gauges(用于电离计中的馈通泄漏电流检测和去污染的设备和方法)”的美国专利申请14/795,706中描述了各种替代性设备和方法，所述美国专利申请通过代理人案卷号5089.3003-000来标识、于2015年7月9日提交并且列出了发明人史蒂芬C.布卢奇(Stephen C.Blouch)、保罗C.阿诺德(Paul C.Arnold)、赫拉尔多A.布鲁克(Gerardo A.Brucker)、卫斯理J.格拉巴(WesleyJ.Graba)以及道格拉斯C.汉森(Douglas C.Hansen)。前述申请以及本文中引用的任何其他专利、公开申请以及参考文献的教导通过引用以其全部内容结合。
虽然已经参考本发明的示例实施例具体示出并描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解的是，在不偏离由所附权利要求书所涵盖的本发明的范围的情况下，可以在所述范围内做出在形式和细节方面的各种改变。例如，晶体管电路的单晶体管可以用更复杂的晶体管电路来代替。
Claims (22)
1.一种电离压力计，包括：
阴极，所述阴极被配置成被加热以便以电子发射电流来发射电子；以及
晶体管电路，所述晶体管电路被配置用于以低输入阻抗传递所述电子发射电流并且用于控制所述阴极的阴极偏置电压，
其中，所述电离压力计检测由所发射电子产生的离子电流，并且基于所述离子电流和所述电子发射电流提供压力的指示。
2.如权利要求1所述的电离压力计，其中，所述低输入阻抗基本上为零。
3.如权利要求1或权利要求2所述的电离压力计，其中，所述晶体管电路独立于所述电子发射电流的大小而控制阴极偏置电压。
4.如权利要求1所述的电离压力计，进一步包括：可变加热电源，所述可变加热电源可变地加热所述阴极。
5.如权利要求1所述的电离压力计，所述晶体管电路包括场效应晶体管FET，所述FET将所述电子发射电流传递通过其源极并且使用所施加的栅极电压来控制阴极偏置电压。
6.如权利要求5所述的电离压力计，其中，阴极偏置电压等于施加到所述FET的栅极上的电压加上所述FET的偏移电压。
7.如权利要求5或权利要求6所述的电离压力计，其中，所述FET的栅极电连接至可变电压源以便可变地控制阴极偏置电压。
8.如权利要求1所述的电离压力计，进一步包括检测所述晶体管电路中的晶体管的偏移量的电路。
9.如权利要求8所述的电离压力计，其中，检测所述晶体管的所述偏移量的所述电路包括电连接至所述晶体管电路的二极管。
10.如权利要求1所述的电离压力计，所述晶体管电路包括电流传感器，所述电流传感器测量通过所述晶体管电路中的晶体管的所述电子发射电流。
11.一种操作电离压力计的方法，所述方法包括：
对阴极进行加热以便以电子发射电流来发射电子；
经由晶体管电路控制所述阴极的阴极偏置电压；
经由所述晶体管电路以低输入阻抗来传递所述电子发射电流；以及
检测由所发射电子产生的离子电流，并且基于所述离子电流和所述电子发射电流提供压力的指示。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述低输入阻抗基本上为零。
13.如权利要求11或权利要求12所述的方法，阴极偏置电压是独立于所述电子发射电流的大小而被控制的。
14.如权利要求11所述的方法，其中，加热所述阴极包括：可变地加热以便以可变电子发射电流来发射所述电子。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述晶体管电路包括场效应晶体管FET，所述FET将所述电子发射电流传递通过其源极并且使用所施加的栅极电压来控制阴极偏置电压。
16.如权利要求15所述的方法，其中，阴极偏置电压等于施加到所述FET的栅极上的电压加上所述FET的偏移电压。
17.如权利要求15或权利要求16所述的方法，其中，控制阴极偏置电压包括：将可变电压源施加到所述FET的栅极上。
18.如权利要求11所述的方法，进一步包括：通过检测所述晶体管电路中的晶体管的偏移量来校准所述晶体管电路。
19.如权利要求18所述的方法，其中，检测所述晶体管的所述偏移量包括使用二极管。
20.如权利要求11所述的方法，进一步包括：使用电流传感器来测量通过所述晶体管电路中的晶体管的所述电子发射电流。
21.如权利要求11所述的方法，进一步包括：在压力测量中不存在死区时间的情况下，将所述电子发射电流从一个值改变为另一个值。
22.一种电离压力计，包括：
用于对阴极进行加热以便以电子发射电流来发射电子的装置；
用于经由晶体管电路控制所述阴极的阴极偏置电压的装置；
用于经由所述晶体管电路以低输入阻抗来传递所述电子发射电流的装置；以及
用于检测由所发射电子产生的离子电流并且用于基于所述离子电流和所述电子发射电流提供压力的指示的装置。
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