低漏率電控針閥和手動可變泄漏閥在超高真空度自動控制中的應用

1. 問題的提出

超高真空一般是指10-7Pa~10-2Pa范圍的真空度，相應的超高真空技術應用也十分廣泛，特別是對于芯片級原子鐘（CSACs）、電容膜片規（CDGs）、顯微鏡、質譜儀和和新型金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）等需要超高真空環境的設備，其真空度控制的穩定性通常非常重要。

超高真空度控制的基本原理如圖1所示，可采用開環和閉環兩種控制形式，基本控制原理是固定真空泵的抽速，通過調節進氣流量來實現不同真空度的控制。對于超高真空控制，要求進氣量非常微小，所以一般采用可變泄漏閥（varible leakage valve）進行調節進氣量。

圖1 超高真空度控制的基本原理和各種可

如圖1所示，目前常用的可變泄漏閥有手動和自動兩種形式，但在實際應用中存在以下兩方面的問題：

（1）手動可變泄漏閥只能組成開環控制回路，需要人工調節泄漏閥開度并同時觀察真空計讀數進行超高真空度控制。這種開環控制方法很難實現真空度的穩定，氣源和真空腔體內稍有擾動就會帶來嚴重的波動，另外就是在多個真空度點控制時很難操作和控制。

（2）自動可變泄漏閥是在手動泄漏閥上配置了一個電子致動器和PID控制器，與真空計可構成閉環控制回路，可實現超高真空度的精密控制，但存在的問題是價格昂貴，自動可變泄漏閥要比手動泄漏閥貴三倍左右。

針對目前可變泄漏閥具體使用中存在的上述問題，本文提出了如下解決方案。

2. 解決方案

解決方案的基本思路是采用價格相對較低的手動可變泄漏閥以提供微小的很定進氣流量，然后再配備低漏率的電控針閥對此微小進氣流量進行電動調節，以實現最終超高真空度的自動控制，由此構成的超高真空度控制系統結構如圖2所示。

圖2 手動泄漏閥和電動針閥組合式超高真

由圖2所示的控制系統可以看出，整個系統由手動泄漏閥、電控針閥、真空計和PID真空壓力控制器構成，并形成閉環控制系統。在具體控制過程中，首先將手動泄漏閥調節到某一固定位置使其保持恒定的微小進氣流量，真空壓力控制器根據采集到的真空計信號與設定值比較后對電控針閥進行動態調節。由于電控針閥自身有很小的真空漏率，所以電控針閥的開度變化相當于是對手動泄漏閥進氣流量的進一步調節，由此電動針閥與手動泄漏閥配合可實現對進入腔體的流量進行調節而最終實現超高真空度的控制。

在圖2所示的控制系統中，真空計采用了組合式皮拉尼真空計，真空度測試范圍可以從一個大氣壓到5×10-8Pa，全量程真空度對應的模擬信號輸出為0~10V。此真空計信號可以直接被真空壓力PID控制器接收，PID控制器具有24位AD、16位DA和0.01%最小輸出百分比技術指標，并帶有程序控制和RS485通訊功能，可很好的進行超高真空度的全量程自動控制。

此解決方案除了可以滿足小型真空腔室的超高真空度控制之外，也可以用于較大腔室的控制，所需的僅是改變手動可變泄漏閥開度大小。