1、引言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)已經(jīng)成為人們的共識(shí)，節(jié)能材料開始大量被使用。例如，電冰箱節(jié)能措施之一是靠加強(qiáng)絕熱，其手段往往是加厚絕熱層。對(duì)于厚度相同的絕熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)越小，隔熱效果越好。對(duì)于電冰箱節(jié)能而言，增加隔熱層厚度，無疑會(huì)起到節(jié)能效果，卻加大了電冰箱體積或減少了使用空間。因此，尋找更低導(dǎo)熱系數(shù)的絕熱材料，成為電冰箱隔熱節(jié)能的最佳途徑。 近年來，歐洲一些發(fā)達(dá)國家率先在節(jié)能建筑和冷藏設(shè)備等生產(chǎn)中使用真空絕熱板（Vacuum insulation panel），以達(dá)到節(jié)能的目的。真空絕熱板是由多層金屬、高阻隔薄膜和玻璃纖維芯材、吸氣劑構(gòu)成。通過最大限度提高內(nèi)部真空度來隔絕熱傳導(dǎo)，達(dá)到保溫、節(jié)能的目的。VIP真空絕熱板是保溫材料的升級(jí)換代產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了保溫材料厚度減半，節(jié)能省電一半的效糶。 但是，真空絕熱板的真空度測(cè)量是個(gè)難題。由于材料不能開孔，真空腔狹窄，普通的測(cè)量方法不能使用。利用微機(jī)電技術(shù)制作的微型真空規(guī)可以有效地解決這一難題。用微型真空規(guī)與IC電路集成制作的微型埋入式真空板真空測(cè)量元件，裝在真空板中，在產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)時(shí)使用，從而保證隔熱板產(chǎn)品的真空質(zhì)量。 2、系統(tǒng)組成及原理 2.1 電容式微型真空傳感器 電容式傳感器主要是利用硅膜片在壓力的作用下產(chǎn)生變形，使得兩極板之間的距離發(fā)生變化，從而使電容產(chǎn)生變化，以此作為測(cè)量的基礎(chǔ)。電容式微型真空傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 傳感器是由玻璃襯底、下電極、絕緣層、硅膜片（上電極）、上層密封用的玻璃組成，其中下電極濺射在玻璃襯底上，電極上生長(zhǎng)一層絕緣層。硅膜則是利用硅片的雙面光刻、擴(kuò)散和各向異性腐蝕技術(shù)形成的。該電容式真空傳感器有兩個(gè)腔體，上面的腔體是一個(gè)真空腔；下面的腔體是鍵合形成的，這個(gè)腔體不是密封的，腔內(nèi)氣體與外界氣體相通。電容器的兩平板間的距離可由硅片腐蝕的深度控制，硅膜片與玻璃電極之間的間隙很小，這也是硅電容式傳感器靈敏度高的原因。 2.2 CVC測(cè)試系統(tǒng)電路 本系統(tǒng)采用帶增量調(diào)制器的電容一電壓轉(zhuǎn)換器，它能夠獲得可調(diào)節(jié)的信號(hào)帶寬和檢測(cè)精度。其電路如圖2所示。 電容一電壓轉(zhuǎn)換器把電容值的差（C1－C2）轉(zhuǎn)換成電壓形式。然后電壓經(jīng)過相關(guān)雙采樣以消除低頻噪聲，最后經(jīng)過增量調(diào)制器進(jìn)行低通濾波后輸出。輸出信號(hào)V′y與電容差（C1－C2）成正比。 兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)（±Vs）對(duì)電容C1和C2充電，所以注入到前置放大器的電荷是：△q＝Vs（C1－C2） 前置放大器的輸出為： 經(jīng)過測(cè)試，此電路能有效地抑制各種噪聲的影響，獲得較好的精度。 2.3 信號(hào)放大電路 輸出信號(hào)整體基準(zhǔn)電壓相對(duì)較小，必須進(jìn)行信號(hào)放大，方便采集與傳輸，以便更好的進(jìn)行后期信號(hào)處理。輸出信號(hào)的放大處理電路如圖3所示。 圖3 輸出信號(hào)放大處理電路 R4、R5、R6和TL084CN構(gòu)成放大器，在本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，需要該部分的運(yùn)算放大器放大150倍左右，因此選擇R4=62Ω，R5=1kΩ，此時(shí)： 2.4 PIC16F87X系統(tǒng)工作電路 本系統(tǒng)采用PIC16F87X工作電路，如圖4所示。其中兩個(gè)47KΩ的電阻與復(fù)位鍵Reset組成復(fù)位系統(tǒng)，電容C1、C2均為22pF，與32k的晶振組成振蕩系統(tǒng)電路。 系統(tǒng)的工作過程如下： 3、測(cè)量數(shù)據(jù)及分析 （1）電容式微型真空傳感器測(cè)試被測(cè)環(huán)境的真空度后，產(chǎn)生一個(gè)與真空度相對(duì)應(yīng)的微小的電容值； （2）電容值經(jīng)過電容電壓（CVC）轉(zhuǎn)換測(cè)量電路，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)； （3）電壓信號(hào)經(jīng)過PIC16F876A進(jìn)行處理及顯示。 根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，可以得出10－2～10－3Pa范圍內(nèi)真空度與輸出電壓的關(guān)系曲線，如圖5所示?？梢钥闯鲭S著真空度的增高，輸出電壓值增大，真空度越高電壓變化越小。這是由于真空度越高，真空傳感兩個(gè)腔體之間的壓力差越小，傳感器的硼硅膜變化越小，電容值變化也越小，隨之電壓變化越小。 圖5直線部分是真空度與輸出電壓線性擬合曲線，從圖中可以看到，兩曲線之間的誤差值很小，這說明所測(cè)電壓與真空度成近似線性的關(guān)系，因此傳感器的電容值與真空度成線性關(guān)系，其性能良好。 4、結(jié)論 經(jīng)測(cè)試，該真空傳感器真空度測(cè)量可達(dá)10－2Pa，完全滿足真空絕熱板真空測(cè)量的要求。 電容式微型真空傳感器是利用MEMS技術(shù)制作的微器件。該器件用來測(cè)量真空度，具有體積小、靈敏度高和可批量制作等優(yōu)點(diǎn)，具有產(chǎn)業(yè)化的潛力。由于電容式微型真空傳感器與其它微型電容傳感器的制作的加工方法和設(shè)備是一樣的，因而在產(chǎn)業(yè)化中很容易形成規(guī)模生產(chǎn)。還可開發(fā)用于真空設(shè)備、航空航天裝置等高精度測(cè)試所需的器件，也可用在醫(yī)療、玩具這樣一些普通精度測(cè)量中，其市場(chǎng)潛力巨大。