高效双室真空机原理：多功能真空校准装置

高效双室真空机原理：多功能真空校准装置其次，传统真空玻璃的生产工艺中的熔接可能给产品可靠性带来诸多隐患，比如在高温熔接过程中低熔点玻璃焊料被熔化成液态，而平板玻璃保持固体状态，由于两种材料的物理性质和化学成份的差异熔接处留下很大应力，这是安装和使用中导致破损的重要因素，抽气嘴的存在是另一种破损的重要隐患。首先，传统真空玻璃的生产至少要完成以下工序，支撑柱的布置、四周边的熔接、抽气嘴的熔接、抽真空及封口，每一道工序都包含着比较复杂的流程，工序间的节拍差异较大，难以实现传送中的自动化生产，这些最终导致生产成本居高不下；新型真空玻璃的生产只需要两道工序，上玻璃上凹槽加工、上下玻璃在真空中键合，其中凹槽的加工可以借鉴目前在显示器领域里广泛采用的氢氟酸蚀刻线，容易做到流水线自动生产，上下玻璃热压键合可借鉴真空镀膜线，也容易做到流水线自动生产，由于工序少并且容易实现自动化生产，有望显著降低生产成本。如图2所示，新型真空玻璃仅仅由两片平板玻

为满足航天器热试验常用真空计及标准漏孔的校准需要，研制了多功能真空校准装置。该装置可用于进行热偶真空计、压阻规、电容薄膜真空规、潘宁规、热阴极电离规等真空测量传感器的校准，同时也可以用于渗透型真空漏孔的校准。装置选用静态比对法、动态比对法、质谱比对法设计建成，真空校准范围为1.33×105 Pa～1×10-4 Pa，真空漏孔校准范围为5×10-5～5×10-9 Pa·m3/s，装置智能化水平高，操作简便，适合真空规管的批量校准。

随着我国空间科学技术的发展，真空测量技术也得到长足进步，已广泛应用在航空航天、电气电子、石油化工等行业。特别是我国载人飞船、登月工程、火星探测等一系列国防新领域的飞速发展，对真空测量提出了更高的要求，相应的高精度、高可靠性的真空计量校准需求也应运而生。

传统的实验室真空校准装置大多系统设计复杂，研制费用高，校准耗时长，无法满足航天器研制任务的需要。本文研制了一套多功能真空校准装置，该装置选用静态比对法、动态比对法以及质谱比对法的校准原理研制而成，通过设计不同量程的电容薄膜规组成标准规组的方法，解决了单一标准规在满量程范围内精度偏差的问题。装置具有操作简易，自动化程度高，可批量校准等特点，装置校准范围既覆盖了航天领域主要真空校准需求，又具有研制成本低，综合性价比高的优点。

图1 传统真空玻璃结构

如图2所示，新型真空玻璃仅仅由两片平板玻璃构成，没有任何焊接剂，没有抽气嘴，也没有外置的支撑柱。新型真空玻璃的真空空间不是用多种材料围起来的，而是在玻璃上“挖出来”的，即在一片玻璃的周边以外的区域“挖出来”一些凹槽，然后两片玻璃在真空中通过化学键合形成一体，这样处于内部的凹槽就变成了真空空间。

图2 新型真空玻璃结构

从以上对比看出，传统真空玻璃是四种不同材料粘接和叠加在一起构成的，而新型真空玻璃是单一的平板玻璃通过“挖凹槽”和化学键合构成的，无论材料数量还是几何结构后者比前者简单很多。下面进一步分析一下这种结构上的差异导致的不同结果。

首先，传统真空玻璃的生产至少要完成以下工序，支撑柱的布置、四周边的熔接、抽气嘴的熔接、抽真空及封口，每一道工序都包含着比较复杂的流程，工序间的节拍差异较大，难以实现传送中的自动化生产，这些最终导致生产成本居高不下；新型真空玻璃的生产只需要两道工序，上玻璃上凹槽加工、上下玻璃在真空中键合，其中凹槽的加工可以借鉴目前在显示器领域里广泛采用的氢氟酸蚀刻线，容易做到流水线自动生产，上下玻璃热压键合可借鉴真空镀膜线，也容易做到流水线自动生产，由于工序少并且容易实现自动化生产，有望显著降低生产成本。

其次，传统真空玻璃的生产工艺中的熔接可能给产品可靠性带来诸多隐患，比如在高温熔接过程中低熔点玻璃焊料被熔化成液态，而平板玻璃保持固体状态，由于两种材料的物理性质和化学成份的差异熔接处留下很大应力，这是安装和使用中导致破损的重要因素，抽气嘴的存在是另一种破损的重要隐患。

在新型真空玻璃中，密封中不采用熔接，而采用化学键合，也就是通过真空中的热压把上下两片玻璃表面的原子相互键合，使两片玻璃变成一片玻璃，不仅留下的应力相对很小，而且消除了碍事的抽气嘴，外形上比较接近同样厚度的单片玻璃，大大降低了安装要求。

生产新型真空玻璃需要解决两大技术问题，一个是凹槽的加工技术，另一个是化学键合技术，下面简要地探讨一下这两个技术。凹槽的深度是0.1毫米至0.3毫米，而玻璃的常用厚度是6毫米，此时凹槽的深度仅为玻璃厚度的1/60到1/20，对玻璃强度的影响不大，凹槽的形状可以是很多样；凹槽的加工采用湿法刻蚀及技术，比如氢氟酸蚀刻技术，这种技术在显示器领域已经比较成熟，具体地说采用丝网印刷等方式在上玻璃上形成耐酸油墨图案，经烘干坚膜后形成牢固的抗蚀剂层，接着上氢氟酸蚀刻线腐蚀几十分钟，高级的蚀刻线是密闭通道内喷淋的流水自动化生产线，效率很高。化学键合玻璃是关键的新型技术，其工艺包含很多技术诀窍，总的来说要创造条件使上下玻璃表面的原子相互充分键合，而这种键合实质是上下玻璃表面的化学反应，也就是一种固体对固体的特殊化学反应。原则上讲，上下玻璃表面的所有原子都彼此键合了，那么两片玻璃的界面将消失，变成一块完整的玻璃，事实上很难做到这种境界，但在一些条件下可以做到接近这种境界。本发明者在一些实验条件下做到了这样一种状态，两块键合的玻璃可以像一片玻璃那样轻松地用金刚石玻璃刀切断，端面上基本无法用裸眼观察到两玻璃的界面。如同其它类型的化学反应，温度是一个重要条件，除此之外玻璃表面粗糙度、表面清洁度和施加的压力显得特别重要，这是固体对固体的反应特殊情况所决定的。我们知道A物质和B物质形成化学键必须要两种物质的原子相互靠近到非常近的距离，也就是零点几个纳米的距离，比如熔融的焊锡液体对金属铜固体之间的焊接反应中液体完全浸润固体表面，相互靠近的距离是不成问题，但对两个固体物质相互靠近就很成问题，由于固体的刚性很难实现表面的大量原子同时接近到零点几个纳米的距离，在没有显著的塑性变形的情况下仅有极少比例的表面原子接近到纳米距离，不足以形成稳固的化学结合。我们设想一下下列情形，两个固体物质的表面接近完美的几何平面，所有的表面原子都排列在同一个平面上，并且其表面没有吸附任何气体分子，当它们平行地相互靠近时可以同时接近到纳米距离，只要温度条件满足就可以形成强大的化学键。由此看出，当玻璃非常平整，表面粗糙度非常低，表面没有吸附外来分子，那么其情形和上面的设想接近，为大量的表面原子的相互键合创造了条件，事实上新鲜且干净的浮法玻璃在某些工艺条件下就接近这种情形，这是因为在熔融的锡液上形成的浮法玻璃具有先天性的无与伦比的平整表面。施加压力可以改善表面平整度，有利于键合条件。