CN87200798U - 宽量程半导体真空计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种根据热传导原理和半导体PN结的感温特性而设计的宽量程半导体真空计。它能够实现粗、低、高真空的连续测量，解决了常规的真空测量中的衔接误差问题，减少了测量设备，使用方便。由于在规管中设置了一个补偿二极管，所以测量中不受环境温度变化的影响，测量精度高。在10-10^-1帕压强范围内，测量信号达300毫伏以上，从而大大简化了测量线路。

Description

本实用新型涉及一种半导体PN结型真空计，它是一种能够连续测量粗、低、高真空的宽量程半导体真空计。适用于测量2×10⁴～5×10^－2帕的真空。

现有的测量真空度的真空计及规管种类较多，但大多仅适用于某一压强区域的真空的测量。例如热电偶型规，其测量范围仅为10～10^－1帕；测量高真空需用电离真空计，测量粗真空需用弹簧真空表相衔接。但它们之间衔接误差太大，而且操作也很不方便。目前仅有电容薄膜规测量范围为1×10⁴～10^－2帕，测量精度也高；但它需要二个规头，且价格昂贵，不宜工业上使用。

本实用新型的目的是提供一种能够实现粗、、低、高真空连续测量，灵敏度高，成本低，使用方便的宽量程半导体真空计。

本实用新型所述的半导体真空计是根据热传导真空规的基本原理设计而成的，它主要由半导体真空规管和控制电路两部分组成的。半导体真空规管是利用半导体PN结的正向压降或反向饱和电流对温度的敏感特性来工作的。本实用新型的半导体真空规管是利用半导体PN结的正向压降对温度的敏感特性来工作的。根据半导体PN结的正向压降与温度的关系可知，对于硅管压降大约为0.6～0.8伏，对于锗管压降大约为0.1～0.3伏。硅管正向压降的温度系数约为        －2.4毫伏／℃，即温度升高1℃压降下降约为2.4毫伏。规管管芯如图1所示，在单晶硅片上用半导体平面工艺制造PN结，再在PN结的周围扩散成一个电阻网络，作为PN结的加热器。在电阻网络加热功率恒定时，当规管中压强降低，引起气体热传导减小，导致管芯硅单晶片温度升高，PN结的正向压降减小，由此得到压强与PN结正向压降的对应关系。即当被测系统中压强发生变化时，引起气体热传导变化，于是规管芯片的温度发生变化，导致规管中PN结的正向压降变化。从而可用PN结正向压降变化量的大小来表征被测系统的真空度的高低。由于半导体PN结的感温特性，环境温度的变化也导致PN结正向压降的变化，这给真空测量带来了误差。为此，在规管中设置了一个与规管芯片上的PN结性能相同的PN结补偿二极管，用来对规管进行环境温度的补偿，使芯片上PN结的正向压降不受环境温度的影响，以及保持规管本身特性的稳定。从而保证了测量精度。

本实用新型的有效测量范围为2×10⁴～5×10^－2帕，可反应范围为10⁵～1×10^－2帕，实现了粗、低、高真空的连续测量，克服了常规的使用弹簧管真空表、热电偶真空计、电离真空计的接力测量，减小了衔接误差，节省了测量设备，使用方便。由于不受环境温度的影响，所以测量精度高。在10～10^－1帕压强范围内，热电势信号达300毫伏以上，从而大大地简化了测量线路，降低了成本，并且便于实现自动控制。

以下结合实施例对本实用新型进一步详细描述。

图1是本实用新型的半导体真空规管的结构图。

图2是本实用新型的控制电路图。

1、半导体真空规管（G）。如图1所示，按图1所示图形及半导体工艺要求制作一套光刻板。规管芯片（1）用电阻率在50欧姆厘米左右的P型或N型单晶硅或外延片，切片至0.4毫米左右；磨片至0.3毫米，将其一面抛光；清洗；放入氧化炉氧化；在抛光的一面刻出PN结（2）、电阻网络（3）和欧姆结（4）的图形；清洗后送入硼扩炉扩硼，扩硼浓度为10¹⁹原子／厘米³左右；进行氧化；在扩硼面光刻出PN结图形；清洗后扩磷，浓度为10²¹原子／厘米³左右；用真空镀膜或真空烧结等方法，制备电阻网络（3）和PN结（2）的欧姆接触，电阻网络阻值为100～1000欧姆；再按对芯片（1）大小的要求划片。即得到所需要的芯片（1）。图1中，规管管壳（5）采用金属或经涂黑处理的玻璃等，最好采用LY12合金铝或 1Cr18Ni9Ti不锈钢制成。支架（6）采用钼丝或陶瓷或聚四氟乙稀等材料制成。PN结补偿二极管（7）其性能与芯片（1）上的PN结（2）性能相同。电极引线（8）用硅铝丝或其他金属丝。密封圈（9）用丁晴橡胶。绝缘板芯柱（10）用聚乙稀板或其他绝缘材料与镍或铜质管脚（13）胶结而成；绝缘板芯柱（10）也可用小七脚金属陶瓷或金属玻璃芯柱则更好。垫圈（11）和压紧螺母（12）均采用铝或铜。按图1，将芯片（1）固定在支架（6）上，芯片（1）上的欧姆结（4）和PN结（2）及PN结补偿二极管（7）分别与电极引线（8）用超声点焊，电极引线（8）再与相对应的管脚（13）超声点焊。然后，将规管（G）整个封装。漏率要求小于10^－4帕升／秒。测量时，将规管（G）的测量端（15）与待测容器（14）接通，并密封相接部位，即可测量该容器的真空度。

2、控制电路（L）。如图2所示，整个电路（L）分（L1）（L2）和（L3）三个部分，由变压器（B）分别经过整流桥路（ZL1）、（ZL2）、（ZL3）、（ZL4）和（ZL5）整流供电。稳压电源（WY1）供给规管（G）一个恒定的电压，加在管脚（13a）和（13d）上，其右边的电路为测量桥路（L1），PN结补偿二极管（7）为一只桥臂。规管（G）中PN结（2）的工作电流为2毫安（即管脚（13b）、（13C）之间的工作电流为2毫安），由于三极管（BG）的作用，其电流值为常数，并且工作在饱和段。从而PN结（2）正向压降的变化与电流变化几乎无关，而仅与温度有关。当环境温度变化时，PN结（2）的正向压降等于PN结补偿二极管（7）的正向压降。规管（G）的管脚（13b）和（13e）之间的电压为一常数，从而使本真空计受环境影响甚小。在10～10^－1帕范围内，环境温度影响＜7％。稳压电源（WY2）为桥路（L1）的电源。稳压电源（WY3）和（WY4）为运算放大器（Y）的电源。运算放大器（Y）可以是F007或5G24等其他型号。（L2）为信号放大电路。（L3）为信号补偿电路，用于对换档时补偿，稳压电源（WY5）为补偿电路电源。整个电路（L）当合上开关（K1），指示灯（XD）亮，稳压电源（WY1）给规管（G）的电阻网络（3）加热，调节电位器（W10）使加热电流达额定值20毫安。此时测量开关（K2）和（K3）分别放置在预热位置（K21）和（K31），运算放大器（Y）无信号输出，指示电表（CB）无指示。预热约10分钟，规管（G）的芯片（1）温度达到平衡。当将开关（K2）、（K3）分别置在（K22）、（K32）或（K23）、（K33）或（K24）、（K34）位置时，指示电表（CB）可相应地指示出10⁵～10³帕和10³～10帕及10～10^－2帕范围的压强值。电位器（W51）、（W52）为10²～10帕、10～10^－2帕范围内的压强信号补偿调节器，调节电位器（W51）、（W52），可使每个测量档均能从零点开始指示其真空度的值。

下面给出控制电路（L）中的各有关值。变压器（B）原边输入交流220伏，付边分别输出20伏、16.5伏、16.5伏、16.5伏、13.5伏，并分别接在整流桥（ZL1）、（ZL2）（ZL3）、（ZL4）、（ZL5）上。C₁₁、C₂₁、C₃₁、C₄₁、C₅₁均为1000微法的电容，C₁₂、C₂₂、C₃₂、C₄₂、C₅₂均为100微法的电容。电位器（W10）阻值为510欧，（W11）、（W12）、（W13）、（W14）、（W15）均为3.3千欧，（W51）、（W52）为4.7千欧。R₁₁、R₁₃、R₁₉、R₂₀、R₂₁、R₅₂、R₅₃均为1千欧的电阻，R₁₂、R₁₈为10千欧，R₁₇为1兆欧，R₁₄为20千欧，R₁₅为200欧，R₁₆为10欧，R₅₁为270欧，R₅₄、R₅₅为43千欧。

Claims (4)

1、一种由半导体真空规管(G)和控制电路(L)构成的宽量程半导体真空计，其特征是：

(1)、规管(G)中封装有由PN结(2)电阻网络(3)及欧姆结(4)构成的硅单晶芯片(1)和PN结补偿二极管(7)；

(2)、控制电路(L)由测量桥路(L1)、信号放大电路(L2)和信号补偿电路(L3)组成，PN结补偿二极管(7)为测量桥路(L1)的一只桥臂。

2、按权利要求1所述的宽量程半导体真空计，其特征是规管（G）中硅单晶芯片（1）上的电阻网络（3）的阻值为100－1000欧姆。

3、按权利要求1所述的宽量程半导体真空计，其特征是规管（G）中硅单晶芯片（1）的扩硼浓度为10¹⁹原子／厘米³，扩磷浓度为10²¹原子／厘米³。

4、按权利要求1所述的宽量程半导体真空计，其特征是PN结补偿二极管（7）被封装在规管（G）中，且性能与硅单晶芯片（1）上的PN结（2）相同。

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