真空原理OVER

1、 真空真空 ：zhn kng 英语 vacuum，按其词源本义是虚空，即一无所有的空间. 在真空科学中，一特定空间内部之部份物质被排出，使其压强小于一个标准大气压，则我们通称此空间为真空或真空状态真空或真空状态。 在在“真空真空”中中，声音因为没有介质而无法传递，但电磁波的传递却不受真空的影响。 一、真空的定义：一、真空的定义：二、真空的单位二、真空的单位: 真空常用托尔（Torr）做为压力的单位单位。单位单位帕帕/Pa托托/Torr毫巴毫巴/mbar标准大气压标准大气压1Pa17.510-3 1 10-2 9.87 10-6 1Torr133.311.3331.316 10-3 1mba10

2、00.7519.87 10-4 1atm1.013 1057601.013 103 1各单位间换算关系各单位间换算关系三、真空的分类：1.绝对真空 （物理真空） 本指没有任何实物粒子存在的空间，但什么都没有的空间是不存在的。物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰，能量转化为一对对正反基本粒子，当能量达到波谷，一对对正反基本粒子又相互湮灭，转化为能量。 2.相对真空（工业真空） 相对真空分为自然真空和人造真空，地球以及星球中间的广大太空就是自然真空；工业上的真空指的是气压比一标准大气压小的气体空间，是指稀薄的气体状态，一般是用特制的抽气机（帮浦）得到的，又可分为超高真空、高真

3、空、中真空和粗略真空（见下页）。真空划分压 力分子运动状态PaTorr低 真 空1051027601粘滞流 viscous flow中 真 空10210-1110-3中间流（过渡流） intermediate flow高 真 空10-110-510-310-7分子流 molecular flow超高真空10-510-7分子流 molecular effusion工业真空中，将真空依压力大小分为四个区域如下: 自然真空原本就存在于自然界，离地球表面越高，空气越稀薄，压力越低，在离第100公里的高度为高真空，在400公里已是超高真空状态了如图所示。自然真空 而所谓的人造真空最早发现者为意大利人托里

4、拆利-倒立的玻璃管水银柱（如图所示）。人造真空系统 典型的真空系统包括几个部分：真空室（chamber）,真空泵（vacuum pump），控制系统（control system），真空计（vacuum gag）等 真空技术的应用范团极为广泛，种类繁多，其应用涵盖各种工业领域，如机戚、电子、食品、化学、冶金等等，从较低层次的真空包装、文件或货物的输送、物品的干燥、浓缩储藏，到材料的精炼、烧结、熔接、热处理以及电子显微镜等分析仪器的使用，乃至高科技之粒子加速器与半导体电子工业等，不可尽数，下图很明确的显示了目前高度利用真空的产业项目与所需技术。四、真空技术的应用： 高度利用真空的产业项目与所需技

5、术 真空技术应用的重要性随时间因素而改变，最早期的灯泡工业，十几年前的真空冶金，乃至现在的半导电子工业，不同阶段的应用伴随着真空技术本身的发展，下图显示当真空技术的应用范圈逐渐扩充时，真空抽气邦浦的种类与技术亦不断增多与进步。 各种不同的真空技术应用与其所涉技术层次难易及该种应用领域发展到实用阶段时间长短的关系可用下图来表示。发展时间之长短与技术之难易并无直接的关系，而是由其需求性大小来决定。 真空技术应用发展与技术层次之关系 不论学术研究或工业应用，使用真空的目的，可概分为物理性与化学性两种，真空物理或化学特性如下不论学术研究或工业应用，使用真空的目的，可概分为物理性与化学性两种，真空物理或

6、化学特性如下:A.物理性（1）分子数目少，压力低与大气压力造成压力差。（2）分子密度小，气体稀薄。（3）气体分子平均自由径长，相互间磁撞机会少。（4）气体分子在物件表面之入射碰撞频率少，减少表面污染。B.化学性（1）造就一个非活性空间，避免不必要的化学反应产生污染。（2）电子与离子伴随的化学反应，在大气压力下无法发生，但在真空状态下成为可能。物理意义物理意义使用目的使用目的应用实例应用实例低压力低压力 压力差压力差真空输送带、真真空输送带、真空成形、真空吸空成形、真空吸尘器尘器分子密度小分子密度小有害气体之排有害气体之排除除灯泡、真空包装灯泡、真空包装、热处理、蒸馏、热处理、蒸馏有害成分之去有

7、害成分之去除除干燥、脱水、脱干燥、脱水、脱氧、脱臭、脱氧氧、脱臭、脱氧铸造铸造减少能量传递减少能量传递真空断热、瓶胆真空断热、瓶胆、太空模拟、太空模拟平均自由径平均自由径长长避免碰撞避免碰撞电子管、加速器电子管、加速器、电子显微镜、电子显微镜、分子蒸馏分子蒸馏放电特征放电特征 萤光灯、雷射、萤光灯、雷射、核融合、溅射核融合、溅射入射幅度小入射幅度小清洁表面之维清洁表面之维持持电子放射、超格电子放射、超格子薄膜形成子薄膜形成物理特性之真空技术与应用 现象现象 应应 用用 电浆反应电浆反应材材 料料 合合 成成化学蒸镀（化学蒸镀（CVDCVD）、光反应化学蒸镀）、光反应化学蒸镀（Photo CVD

8、Photo CVD）、）、MOCVDMOCVD、溅射（、溅射（SputteringSputtering）、离子被覆（）、离子被覆（Ion Ion Plat-ingPlat-ing） 薄薄 膜膜 合合 成成电浆蚀刻（电浆蚀刻（Plasma et chinPlasma et chin），离），离子活性蚀刻子活性蚀刻 蚀蚀 刻刻离子注入、照射、电浆照射离子注入、照射、电浆照射 表面层改变表面层改变 真空状态下特殊化现象的应用 大气压力的产生是由于大气（或谓空气）的存在，大气是各种气体的混合，其中百分之九十九以上是氮气与氧气，而其他各种气体的总和还不到百分之一。这是一大气压的情形，如果使用真空邦浦对原

9、本一大气的真空容器抽气，则其成份将随压力的大小而改变，约略估计，在10-3Torr之压力，水气可能占了75%95%的大小。表1 是各种气体在一大气压及超高真空状态下体积百分比或分压的大小。五、真空技术与五、真空技术与LED： 气体分子在容器内的行径是非常繁乱的，且披此互相撞击（Collision）。我们将气体分子与另一个气体分子产生撞击前所移动的距离称为“自由径（FreePath）”。因每个气体分子的自由径略有不同，我们取其平均值，因此称气体分子产生撞击前所移动的平均距离为“平均自由径ManFreePath”。当容器内的压力下降，（容器内的压力也就跟随着降低。这里所指的压力，是指容器壁表面因分

10、子的撞击，在每个单位面积所承受的垂直力）因为气体分子的浓度降低，气体分子的“平均自由径”也就增长了。当气体分子所处的压力颇高时，气体分子的平均自由径将很短。且当极小于容器壁的直径时，分子间将经历多次的碰撞，因此气体分子的运动或流动，与其他气体分子有很大的关系。 LED产业中，为了使某些设备在较低分子浓度下操作，我们需要真空系统（VacuumSystem）来降低反应器内的压力，此时需要特定的设备去除特定空间内的气体，以减低气体分子的数目，形成某种程度的真空状态，从而为薄膜生长提供清洁表面。 随着科技的发展，各种帮浦被陆续设计出来，目前人们可以利用帮浦制造出超高真空状态，此举为LED行业的发展提供

11、了非常好的契机。六、真空帮浦六、真空帮浦帮浦的分类帮浦的分类：按真空帮浦的工作原理，真空帮浦基本上可以分为两种类型，即气体传输帮浦和气体捕捉帮浦。气体传输帮浦是一种能使气体分子不断的吸入和排出，借以达到抽气目的的真空帮浦；气体捕捉帮浦是一种使气体分子被吸附或凝结在帮浦的内表面上，从而减小了容器内气体分子数目而达到抽气目的的真空帮浦。真空帮浦的定义真空帮浦的定义：真空帮浦是用各种方法在某一封闭空间产生、改善和维持真空的装置。真空帮浦可以定义为：利用机械、屋里、化学或物理变化的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。 不同真空帮浦的工作条件条件及所能达到的压力值不一样。为达到某一真空环境，通

12、常需要一种、两种、甚至三种不同帮浦的组合。常用帮浦的工作范围见下表1.旋片式真空帮浦不同类型的真空帮浦简单介绍：不同类型的真空帮浦简单介绍：2.无油滚动式真空帮浦3.往复真空帮浦进气排气4.罗茨真空帮浦5.滑阀式真空帮浦6.冷冻帮浦 冷冻邦浦为高真空邦浦，在系统组合时，必须与粗抽邦浦配合使用，一般使用机械邦浦加冷冻邦浦，有时也可和无油气的吸附邦浦组合。虽然机械邦浦有油气回流的问题，但事实上有很多冷冻邦浦的系统是和机械邦浦一同使用的，只要使用得当，油气污染可维持在要求以下而不造成阻碍，典型的冷冻邦浦系统组合如下图所示。冷冻邦浦系统之组成 冷冻邦浦系统能产生无油污染、极干净的工作环境，这是它的特性

13、，若由于机械邦浦而造成污染，则此优点就不存在了，而且如果工作腔室被油污染了，此油气在高真空阀打开时会飘进冷冻邦浦内部，甚至会进入活性炭所在的部位。油气分子被活性炭吸附后会将其抽气用的细孔塞住，细孔设油气分子塞住后，即使再生也无法将其排除，这时活性炭就不再有抽气作用了，而整个冷冻邦浦第二级低温面需要更换，同时系统也要彻底清洁。因此为了防止油气的污染，如上图所示系统使用了油气捕捉阱于抽气管路上。有些冷冻邦浦系统在真空室及机械邦浦之间没有接过滤器，在此情况下，若真空室粗抽时压力不要抽到低于150或200miliTorr，仍不会有问题，因在此压力范围气体运动仍呈黏滞流现象，气体分子运动都是朝单一方向，

14、所以不会有油蒸气回流发生，如果粗抽压力太低，气体运动进入过渡区域（Transitionflow）甚至分子流区域时，油气分子就可飘进真空室了，所以在较高压力时就需把粗油阀关闭，改开高真空阀以使用冷冻邦浦抽气，这样方可减低油气污染至最低程度七、真空的测量七、真空的测量-真空计：真空计： 真空计（Vacuum Gauge），又称规，是测量真空度或气压的仪器。一般是利用不同气压下气体的某种物理效应的变化进行气压的测量。需要首先指出一点，即由仪器测量出的真空度与真空室的实际真空度之间可能会由于温度不同而存在误差。当测量点处温度较高时，相应测出的气体压力也将偏高。相反，当测量点温度偏低时，测量出的气体压力

15、也将偏低。在气体压力较高，气体的流动状态接近或达到黏滞流状态的情况下，上述温度差别造成的测量误差将趋近于零。这时，任何气体压力差都将由于气体的迅速扩散和流动而趋于消失。 按照真空计测量原理所利用的不同的物理机制，可将主要的真空计分为三大类，分别是利用力学性能、利用气体动力学效应和利用带电粒子效应的真空计。利用力学性能的真空计典型的有波尔登规（Bourdon）和薄膜电容规；利用气体动力学效应的典型真空计有皮拉尼（Pirani）电阻规和热电偶规；利用带电粒子效应的典型真空计有热阴极电离规和冷阴极电离规。1.波尔登规（Bourdon）如下图所示，细的铜管受气体压力不同会有舒展现象，会带动杠杆和齿轮旋

16、转，使得指针指示在不同刻度上，即可读出相应的气压值。这种规的测量范围一般在100Pa至1atm。2.薄膜电容规 如下图所示，在不同压力下金属膜片受力不同会有不同尺度的变形，使得金属膜片和电极之间的电容变化，通过测量电容的变化量，即可知道金属膜片上气压的变化。这种规的测量范围一般横跨4个量级，比如可能是0.01Pa至100Pa、0.1Pa至1000Pa等。这种规的优点是灵敏度很高。缺点是必须在高于环境温度的恒温条件下使用，以消除温度不同对膜片力学性能的影响，使用前一般需要预热数小时。3.皮拉尼电阻规：如右图所示，由于不同气压下气体分子热传导能力不同，当给热丝加恒定的电流时，由于气压不同通过气体传

17、导走的热量不同，热丝所保持的温度就不同，这导致热丝电阻大小不同，通过测量热丝电阻大小就可以推算气压大小。如果配合电桥测量热丝电阻的变化，将有效提高测量的准确度。这种规的测量范围一般在0.1Pa至1000Pa。由于不同气体在相同气压时导热性不同，所以这种规需要在不同的使用气体下标定。4.热电偶规热电偶规与皮拉尼电阻规基本原理一致，只是它不用测量热丝电阻的变化，而是用热电偶直接测量热比的温度变化。测量范围一般与在0.1Pa至1000Pa。与皮拉尼电阻规一样，这种规也需要在不同的使用气体下标定。5.热阴极电离规热阴极电离规中，由热阴极即灯丝发射电子，电离真空中的气体分子，产生离子，由收集极收集产生的离子，形成离子电流，通过测量离子电流的大小即可推算出真空中气体分子的密度，进而得到气压大小。这种规的测量范围一般为1.0E-05Pa至0.1Pa。经改进后的热阴极电离规，Bayard-Alpert规，可以将测量下限降低至1.0E-09Pa。 由于不同气体在相同气压下的电离率不同，这种规在使用时也需要在不同气体下进行标定。6.冷阴极电离规如下图所示，冷阴极电离规也是通过电离气体分子收集离子电流的方法进行气压测量，但与热阴极电离规不同的是，它是利用磁控放电电离气体分子产生离子。 这种规的测量范围一般为1.0E-07Pa至0.