商用電容薄膜真空規(guī)存在體積大、重量重等問(wèn)題，無(wú)法滿足深空探測(cè)中真空測(cè)量需求，因此設(shè)計(jì)了一種小型電容薄膜真空規(guī)。設(shè)計(jì)中采用倒T 型結(jié)構(gòu)固定極板和防熱變形結(jié)構(gòu)，防止測(cè)量過(guò)程中溫度變化導(dǎo)致的規(guī)管部件熱變形; 采用面積相同的雙電極結(jié)構(gòu)，消除測(cè)量過(guò)程中外界雜散電容和溫度變化引起的測(cè)量信號(hào)偏差。小型電容薄膜真空規(guī)整體尺寸為Φ42 × 24 mm，重量小于200 g，真空測(cè)量下限為10^-2Pa，測(cè)量不確定度預(yù)計(jì)小于5%，能適應(yīng)較寬的工作溫度范圍，可以滿足深空探測(cè)需求。

1、引言

　　在地球應(yīng)用衛(wèi)星、載人航天的基礎(chǔ)上開展深空探測(cè)活動(dòng)，是人類進(jìn)一步了解宇宙、認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系、探索地球生命起源與演化的必要手手段^[1]�；鹦亲鳛榫嚯x地球最近的類地行星，由于其獨(dú)特的科學(xué)價(jià)值和技術(shù)的跨越性，成為人類開展深空探測(cè)的首選目標(biāo)之一，也是近年來(lái)世界深空探測(cè)的熱點(diǎn)。對(duì)于火星來(lái)說(shuō)，無(wú)論是進(jìn)行環(huán)繞探測(cè)還是著陸探測(cè)，都需要對(duì)表面及空間真空度進(jìn)行測(cè)量，一般采用探測(cè)器攜帶真空規(guī)的方式進(jìn)行。在火星探測(cè)活動(dòng)中，探測(cè)器攜帶了大量的載荷儀器，要完成多項(xiàng)科研探測(cè)任務(wù)，必須考慮探測(cè)器及其搭載的載荷儀器的小型化^[2]。為了滿足對(duì)火星表面及不同高度上大氣壓力的準(zhǔn)確探測(cè)需求^[3]，要求真空規(guī)在保證測(cè)量準(zhǔn)確度的情況下，盡可能減小質(zhì)量和體積，以節(jié)約探測(cè)成本。

　　電容薄膜真空規(guī)具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、線性好、測(cè)量結(jié)果與氣體成分種類無(wú)關(guān)等特點(diǎn)，可以覆蓋火星低軌道大氣壓力的測(cè)量范圍; 但是，商用電容薄膜真空規(guī)的測(cè)量下限、重量、外形尺寸、工作溫度等技術(shù)指標(biāo)均不能滿足深空探測(cè)的要求。

　　為了解決上述問(wèn)題，提出了小型電容薄膜真空規(guī)的設(shè)計(jì)。其整體尺寸為Φ42 mm ×24 mm，重量小于200g，滿足深空探測(cè)中對(duì)火星低軌道大壓力的測(cè)量需求。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　小型電容薄膜真空規(guī)由進(jìn)氣管及其入口擋片、檢測(cè)膜片基底、檢測(cè)膜片、固定極板、參考?xì)馐覚C(jī)架、引出電極、抽氣口、吸氣劑等部分成，如圖1 所示。氣體通過(guò)進(jìn)氣管引入到測(cè)量室中，由于氣體壓力作用使檢測(cè)膜片發(fā)生形變，改變了檢測(cè)膜片與固定極板之間的距離，引起二者之間電容量的改變。利用電學(xué)方法測(cè)出電容量，通過(guò)校準(zhǔn)得到電容量與氣體壓力之間的關(guān)系，獲得氣體壓力。

圖1 小型電容薄膜真空規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖

　　外界環(huán)境溫度變化是影響電容薄膜真空規(guī)零點(diǎn)穩(wěn)定性的主要原因^[4]。所以，真空技術(shù)網(wǎng)(www.healwit.com.cn)給出了小型電容薄膜真空規(guī)設(shè)計(jì)的基本原則是，以減小溫度變化對(duì)電容薄膜真空規(guī)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響為前提，盡可能減小其重量和外形尺寸。

2.1、材料的選擇

　　小型電容薄膜真空規(guī)在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足以下基本條件^[5] : (1) 膜片、感應(yīng)電極及外殼材料等應(yīng)能抵抗腐蝕氣體的侵蝕; (2) 規(guī)管在潔凈系統(tǒng)使用時(shí)不污染系統(tǒng); (3) 規(guī)管各組件應(yīng)具有良好的熱膨脹系數(shù)的匹配，能進(jìn)行高溫( 400 ～ 500 ℃) 烘烤除氣。根據(jù)以上條件，檢測(cè)膜片選用InconelX - 750 合金材料，機(jī)架選用InconelX - 600 合金材料，避免了不同種類材料熱膨脹系數(shù)不匹配對(duì)規(guī)管零點(diǎn)穩(wěn)定性的影響。選用的鎳鉻合金具有良好的抗腐蝕性、抗氧化性及抗蠕變斷裂強(qiáng)度，在室溫高溫均有很好的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，在零下、室溫及高溫時(shí)都具有很好的機(jī)械性能。

2.2、檢測(cè)膜片的設(shè)計(jì)

　　不同量程的電容薄膜真空規(guī)，其檢測(cè)膜片的厚度、檢測(cè)膜片與固定電極之間的標(biāo)稱間距均不同。由于檢測(cè)膜片的變形量大于其厚度，在設(shè)計(jì)過(guò)程中利用大撓度理論進(jìn)行初步估算。周邊固定的圓形薄膜在大撓度情況下的一個(gè)近似解為:

　　式中p 為感應(yīng)壓強(qiáng)，r 為薄膜半徑，E 為薄膜材料的彈性模量，h 為薄膜厚度，μ 為薄膜材料的泊松比，ω 為薄膜產(chǎn)生的變形量( 撓度) 。將式(1) 變換為未知量為撓度ω 的方程:

　　對(duì)于最大設(shè)計(jì)壓強(qiáng)為100 Pa、最小設(shè)計(jì)壓強(qiáng)為1 × 10^-2 Pa 的電容薄膜真空規(guī)來(lái)講，當(dāng)檢測(cè)膜片的直徑設(shè)計(jì)為42 mm，厚度設(shè)計(jì)為0. 035 mm 時(shí)，利用式( 2) 計(jì)算可得到檢測(cè)膜片產(chǎn)生的最大撓度為0. 13 mm，考慮冗余設(shè)計(jì)，檢測(cè)膜片與固定極板之間的標(biāo)稱間距設(shè)計(jì)為0. 15 mm。

　　檢測(cè)膜片基底用于焊接并支撐檢測(cè)膜片，基底底部開內(nèi)徑為26 mm，外徑為34 mm，深度為4 mm 的環(huán)形槽，以達(dá)到減輕整機(jī)重量且不影響檢測(cè)膜片張力的目的。

2.3、固定極板的設(shè)計(jì)

　　固定極板整體為倒T 型結(jié)構(gòu)的陶瓷板，包括電極板和支柱兩部分，固定極板通過(guò)支柱連接在參考?xì)馐覚C(jī)架內(nèi)底面中心。為了減小制造和測(cè)量過(guò)程中，溫度變化對(duì)固定極板的形變影響，電極板與支柱交界處設(shè)計(jì)有凹槽結(jié)構(gòu); 同時(shí)，采用由測(cè)量電極和參考電極組成的雙電極結(jié)構(gòu)，消除測(cè)量過(guò)程中外界雜散電容和溫度變化引起的測(cè)量信號(hào)偏差。