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王逊，唐镇松，张云峰
（北京大学电子学系，北京 100871）
摘要：本文提出一种用特性曲线设计石英真空计的方法。实验发现，在一定的条件下，与石英晶振串接的电阻R上的电压UBC与气体压强P有一定的函数关系。这个电压UBC经过放大、检波与调节后的读数V与气体压强P的关系V-P曲线称特性曲线。实验证明该曲线具有很好的稳定性和重复性。用该曲线可以测量气体压强。
关键词：石英真空计；谐振阻抗；特性曲线
Design of a quartz friction vacuum gauge
Wang xun，Tang zhen-song，Zhang yun-feng
(Department of Electronics，Peking University，Beijing 100871，China)
Abstract：A design conception of the quartz friction vacuum gauge based on the characteristic curve has been proposed in this paper。It is found that a definite relationship exists between the gas pressure (P) and the voltage (UBC) on the resistor connected to the quartz crystal under certain circumstance。After amplification,rectification and appropriate adjustment , UBC is transformed into a value V that can be read on a digital display。The relationship between V and the gas pressure P，V-P curve，is called the characteristic curve。The experimental results have shown that such characteristic curve have good stability and repeatability。It can be used to measure the pressure of the gas。
Keywords：quartz friction vacuum gauge；resonant impedance；characteristic curve
一、引言
用石英的谐振阻抗与气体压强有关的特性做真空计，早在上世纪八十年代就有人研究[1]。国内在上世纪九十年代也有人对这种特性进行了研究[2]。目前这种真空计已经上市，测量范围是1Pa到大气压[3]。本文提供一种石英真空计的设计方案，即采用石英晶振的特性曲线，不测量谐振阻抗的变化。
二、工作原理
石英真空计的工作原理是应用石英晶振在谐振时谐振阻抗的变化Z-Z0与气体压强有关的特性。Z为晶振在被测气体压强的谐振阻抗，Z0为晶振的固有阻抗，它是在气体压强为零时的谐振阻抗。
Z-Z0随P的增长单调上升，见图1
图1 谐振阻抗与压强的关系
Fig.1 Relationship between resonant impedance and pressure
测量Z-Z0即可知气体的压强。
三、石英晶振的特性曲线
谐振阻抗的测量电路如图2所示：
图2谐振阻抗的测量电路
Fig.2 Resonant impedance measuring circuit
阻抗 
UAB—是谐振时晶振AB两端电压
I—是谐振时通过晶振的电流
在本电路中
UBC—是电阻两端电压
所以 
在测量过程中，振荡电路电压UAC保持恒定，约100mV，Z0在温度不变时为常数，R为固定电阻，可见Z-Z0单值地决定于UBC，气体压强也单值地决定于UBC。在P=0时，将晶振调至谐振，即调振荡电路的频率，使UBC调至最大值（因为晶振谐振为串联谐振）。在此条件下UBC，与气体压强是单值关系。UBC，经放大，检波后由电压测量电路输出，输出电压读数V与压强P的关系曲线如图3所示 
图3 V与P关系曲线
Fig.3 output of voltage measuring circuit vs pressure
在压强为零时，V约为800mV，在大气时约为10mV。不同的晶振略有不同。
本电压测量电路还设置了两个调节电位器，一是零点调节，即在压强为零时调节测量电路使输出电压读数就是固定数值800mV，另一是大气调节，即在压强为大气时调节测量电路使输出电压就是固定数值10mV。这时电压测量电路输出电压读数V与压强P的关系曲线称晶振的特性曲线。实验发现，特性曲线是稳定、重复性好的曲线，用该曲线可以测量气体压强。本文采用 晶振做试验，标称频率为32.768kHz 。图4 为晶振的特性曲线。
图4  晶振的特性曲线
Fig.4 characteristic curve of quartz crystal
在真空计中，数码显示器显示特性曲线对应的压强值,零点调节是在压强为零时使数码显示器显示0.0 ×100 ，大气调节是在压强为大气时，使数码显示器显示9.9×104 。
四、石英真空计的测量范围
石英真空计的上限为105Pa，由特性曲线可知，压强从105Pa到9±104时，电压读数从10mV变化到13mV。在合理的测量时间（4小时）内实际读数的漂移为2mV，因此在105Pa，误差小于10% 。石英真空计的下限由误差小于10%的范围决定。 晶振在10±1Pa，对应电压读数的变化为765±3mV。实测电压读数值在4小时内的漂移约为±3mV，因此下限约为10Pa。文献［４］报导，影响下限的因素是温度对Ｚ０的影响。控制温度可以扩展下限。制作专门测量气体压强的石英晶振也是一条扩展下限的途径［５］。
五、与其他真空计的比较
按本文设计的方案做的真空计，与其他真空计的比较如图5所示：
横坐标是ＭＫＳ薄膜真空计及ＤＬ－４压敏电阻真空计读数，纵坐标是石英真空计读数。由图可见，用 晶振，按本文设计方案所作的石英真空计在10Pa-105Pa之间误差为10%，当小于10Pa，误差逐渐增大。
图5 石英真空计与其他真空计的比较
Fig.5 Comparison of the quartz friction vacuum gauge and other vacuum gauges
六、讨论
１、根据上述石英真空计的性能，按计量部门真空计量器具的分类，石英真空计可属于工作用计量器具。
２、本文设计方案已不要测量Ｚ０值，Z0变化的影响由零点调节来解决。
３、晶振性能虽有零散，但经零点调节和大气调节后，特性曲线是统一的曲线，能保证测量误差为10% 。
4、作为批量生产的真空计产品，误差还应当适当放宽些。
5、石英晶振的谐振阻抗与晶振谐振时的机械振动所受气体阻力有关，而阻力与气体性质有关，因此石英真空计的读数与气体种类有关。
综上所述，石英真空计具有价格低廉，误差较小，量程较宽等优点，值得推广使用。
参考文献：
[1] M.Ono,M.Hirata,K.Kokubum,and H.Murakami .
Design and performance of a quartz oscillator vacuum gauge with a controller.J.Vac.Sci.Technol.A 3(3),May/Jun 1985：1746
[2] 刘斌，徐电，王新中，陈杭生。石英晶振传感器及真空计的研制，真空电子技术，1995年第5期17页
[3] 第九届国际真空展展品，2007，Model cc-10,Tokyo Electronics Co.Ltd
[4] T Kobayashi,H Hojo and M ono
Pressure measurement from 1 atm to 0.01Pa using a quartz oscillator . Vacuum/Volume44/Pages613 to 616/1993
[5]M.Ono，M.hirata,K.Kokubun,and H.Marakami Quartz friction Vacuum gauge for pressure from
0.001 to 1000Torr J.Vac.sci.Technol.A4(3),May/Jun 1986
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