MEMS熱導(dǎo)式傳感器的工業(yè)應(yīng)用

MEMS熱導(dǎo)率傳感器是用于測(cè)量氣體和液體熱導(dǎo)率的重要元件和組件。這些傳感器基于傳熱原理工作，通過(guò)測(cè)量通過(guò)物質(zhì)的熱流來(lái)確定物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。由于其靈敏度和準(zhǔn)確性，熱導(dǎo)式傳感器在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程、氫能源燃料電池車和科學(xué)研究等。熱導(dǎo)傳感器的廣泛應(yīng)用于氣體傳感器、真空傳感器、氣體流量傳感器和氣相色譜（GC）檢測(cè)器。

MEMS熱導(dǎo)式傳感器工作原理：熱導(dǎo)率傳感器通過(guò)測(cè)量氣體或液體的導(dǎo)熱能力來(lái)工作。當(dāng)向材料施加熱量時(shí)，其散熱速率受到其導(dǎo)熱性的影響。在典型的熱導(dǎo)率傳感器中，兩個(gè)溫度傳感器（通常是熱電偶或電阻溫度傳感器）以已知距離放置。加熱器產(chǎn)生已知量的熱量，并測(cè)量?jī)蓚€(gè)傳感器之間的溫差。然后，可以根據(jù)熱流和溫差計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。 熱導(dǎo)率氣體傳感器敏感芯片測(cè)量膜中心熱電堆熱結(jié)和芯片厚邊緣冷結(jié)之間的熱阻。這是通過(guò)使用電阻器加熱器Rheat加熱膜的中心來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由此產(chǎn)生的中心溫度升高由熱電堆溫度傳感器測(cè)量。實(shí)際溫度升高取決于膜中心和環(huán)境之間的有效熱阻，這受到膜熱阻、環(huán)境氣體熱阻、任何存在的氣體流量和（通?？梢院雎圆挥?jì)）發(fā)射輻射等因素的影響。

MEMS熱導(dǎo)率傳感器測(cè)量溫度有幾種類型，包括：

• 電阻溫度傳感器：這些傳感器利用材料的電阻變化來(lái)確定溫度。
• 熱電堆傳溫度感器：這些傳感器由多個(gè)串聯(lián)的熱電偶組成，提供更高的輸出電壓和靈敏度。

TCD-5880-P2RW氣體傳感器敏感元件為了測(cè)量時(shí)準(zhǔn)確補(bǔ)償環(huán)境溫度變化，可以在熱導(dǎo)率傳感器芯片旁邊安放一個(gè)2x2 mm的PT100鉑電阻溫度傳感器。這允許根據(jù)溫度DIN B等級(jí)準(zhǔn)確測(cè)量傳感器芯片的溫度。標(biāo)準(zhǔn)為100歐姆電阻器（0oC時(shí)為100歐姆，靈敏度為0.39%/oC），可選為0oC下為100歐姆的Pt100。所謂的"Roof硅蓋"是粘在薄膜熱點(diǎn)上的硅散熱器，在距離薄膜100μm處形成散熱器（見(jiàn)圖4.5）?！肮枭w”有兩個(gè)應(yīng)用。首先，熱導(dǎo)率傳感器周圍的任何氣流都被硅蓋阻擋，無(wú)法到達(dá)熱膜，因此傳感器的對(duì)流量靈敏度大大降低。因此，在有流量的情況下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，硅蓋選項(xiàng)很有趣。其次，附近的散熱器將傳感器可以測(cè)量的上部真空壓力增加了大約3倍。因此，當(dāng)將熱導(dǎo)率傳感器用作真空計(jì)傳感器時(shí)，硅蓋選項(xiàng)也可能引起人們的興趣。 MEMS熱導(dǎo)氣體傳感器：熱導(dǎo)氣體傳感器用于檢測(cè)和測(cè)量各種環(huán)境中的氣體濃度。它們特別適用于檢測(cè)熱導(dǎo)率與空氣顯著不同的氣體，如氫氣H2、氦氣He、六氟化硫SF6、甲烷CH4、冷媒氟利昂制冷劑和二氧化碳CO2等。
在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，熱導(dǎo)傳感器用于測(cè)量溫室氣體和污染物的濃度。例如，它們可以檢測(cè)天然氣管道中的甲烷泄漏，或監(jiān)測(cè)城市地區(qū)的二氧化碳水平。通過(guò)提供氣體濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些傳感器有助于評(píng)估空氣質(zhì)量和環(huán)境影響。
在工業(yè)環(huán)境中，熱導(dǎo)率傳感器對(duì)于**應(yīng)用至關(guān)重要。它們可以檢測(cè)到可能構(gòu)成爆炸風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)氣體，如氫氣。這些傳感器通常集成到化工廠、煉油廠和制造設(shè)施的**系統(tǒng)中，以提供氣體泄漏的早期預(yù)警，從而保護(hù)工人并防止事故發(fā)生。

熱導(dǎo)傳感器也用于醫(yī)療設(shè)備，以測(cè)量呼吸應(yīng)用中的氣體濃度。例如，他們可以在手術(shù)過(guò)程中監(jiān)測(cè)麻醉氣體的濃度，或評(píng)估患者呼吸中的二氧化碳和氦氣水平，從而幫助進(jìn)行呼吸診斷。 在呼吸機(jī)上，熱導(dǎo)式氧氣傳感器得到大量使用，比起電化學(xué)氧氣傳感器，熱導(dǎo)式氧氣傳感器使用壽命長(zhǎng)達(dá)10年。

在氫能源燃料電池車上，有許多熱導(dǎo)氫氣傳感器用于氫氣監(jiān)測(cè)泄漏和殘氫排放。許多熱導(dǎo)式氣體傳感器應(yīng)用在鋰電熱失控監(jiān)測(cè)的過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣等。

在制冷行業(yè)，熱導(dǎo)氣體傳感器用于冷媒制冷劑泄漏監(jiān)測(cè)，例如R32和R22的冷媒氣體濃度測(cè)量。

皮拉尼真空傳感器：它的工作原理?是基于熱傳導(dǎo)原理，具體來(lái)說(shuō)是通過(guò)測(cè)量加熱元件（通常是鉑絲）在真空環(huán)境中的熱傳導(dǎo)變化來(lái)推斷氣體壓力。皮拉尼真空傳感器包含一個(gè)加熱部件，如加熱絲或薄膜，通常通過(guò)使用橋接電路將其加熱至高溫。當(dāng)氣體分子密度發(fā)生變化時(shí)，熱量從金屬絲傳遞到氣體會(huì)受到影響，這種熱損失取決于氣體類型和壓力，從而使金屬絲保持在溫度下所需的能量也相應(yīng)變化。能量的變化可以轉(zhuǎn)換為壓力值，從而實(shí)現(xiàn)真空測(cè)量?。皮拉尼真空傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括測(cè)量范圍廣（5 x 10^-4至1000 mbar）和在特定范圍內(nèi)的測(cè)量精度較高（例如在1 x 10^-3至100毫巴范圍內(nèi)精度為±50%）?。

?加熱元件?：皮拉尼真空計(jì)通常使用一根鉑絲作為加熱元件，這根鉑絲是惠斯通電橋的一個(gè)臂。加熱元件通過(guò)恒定電流加熱，使其溫度升高?。?

熱傳導(dǎo)?：加熱后的鉑絲放置在真空或低壓氣體中，其熱導(dǎo)率會(huì)降低，導(dǎo)致加熱絲變得更熱。熱導(dǎo)率的變化會(huì)影響鉑絲的溫度，進(jìn)而影響其電阻值?。

?溫度測(cè)量?：通過(guò)惠斯通電橋測(cè)量加熱絲的電阻變化或熱電堆直接測(cè)量溫度的變化。

皮拉尼真空傳感器廣泛應(yīng)用于各種真空技術(shù)領(lǐng)域，真空系統(tǒng)用于各種應(yīng)用，包括半導(dǎo)體制造、研究實(shí)驗(yàn)室和真空封裝。熱導(dǎo)率傳感器在低壓環(huán)境中特別有效。包括：

• ?高真空泵的前級(jí)壓力測(cè)量?：如光伏、鍍膜、等離子行業(yè)?。
• ?中低真空測(cè)量?：如照明、冶金行業(yè)?。
• ?真空連鎖控制?：如高真空計(jì)的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)控制?。
• 半導(dǎo)體制造，在半導(dǎo)體制造中，保持高質(zhì)量的真空對(duì)于薄膜沉積和蝕刻等工藝至關(guān)重要。熱導(dǎo)真空傳感器可**測(cè)量真空室中的殘余氣體，確保*佳的生產(chǎn)條件。通過(guò)監(jiān)測(cè)氣體濃度，制造商可以防止半導(dǎo)體器件中的污染和缺陷。
  
• 科學(xué)研究，在研究實(shí)驗(yàn)室中，熱導(dǎo)率傳感器用于測(cè)量需要受控環(huán)境的實(shí)驗(yàn)中的真空度。例如，在涉及高能物理或材料科學(xué)的研究中，**的真空條件對(duì)于獲得可靠的結(jié)果是必要的。這些傳感器幫助研究人員保持所需的真空度，并監(jiān)測(cè)可能影響他們實(shí)驗(yàn)的任何波動(dòng)。
  
• 真空包裝，在食品和包裝行業(yè)，熱導(dǎo)率傳感器用于真空包裝系統(tǒng)，以確保達(dá)到所需的真空水平。通過(guò)測(cè)量包裝室中氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，這些傳感器有助于保持食品的新鮮度和保質(zhì)期。
  

氣體流量傳感器：熱式氣體流量傳感器元件由一個(gè)600歐姆加熱器和對(duì)稱分布在加熱器周邊的6組熱電偶（熱電堆，550k歐姆）構(gòu)成。加熱器和熱電偶的熱節(jié)點(diǎn)位于硅基板的絕熱基座上。加熱器由恒壓或恒流源或恒功率驅(qū)動(dòng)，加熱絕熱基座時(shí)，熱電堆產(chǎn)生毫伏輸出（塞貝克效應(yīng)）。如果通過(guò)傳感器芯片的氣體介質(zhì)不流動(dòng)，熱電堆的輸出電壓固定值。如果氣體介質(zhì)流動(dòng)，熱電偶（熱電堆）輸出的電壓信號(hào)會(huì)隨介質(zhì)的質(zhì)量流速變化。

熱導(dǎo)率傳感器也用于流量測(cè)量應(yīng)用，特別是氣體和液體。這些傳感器可以通過(guò)測(cè)量流體流過(guò)傳感器時(shí)的傳熱特性來(lái)確定流速。

氣體流量測(cè)量 ：在氣體流量應(yīng)用中，熱導(dǎo)率傳感器可以測(cè)量管路中氣體的流量。它們通常用于暖通空調(diào)系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程和環(huán)境監(jiān)測(cè)。通過(guò)提供準(zhǔn)確的流量測(cè)量，這些傳感器有助于優(yōu)化能耗并提高過(guò)程效率。
氣相色譜（GC）熱導(dǎo)式TCD檢測(cè)器 :氣相色譜法是一種廣泛使用的分析技術(shù)，用于分離和分析混合物中的化合物。熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）是氣相色譜中*常用的。在熱導(dǎo)檢測(cè)器中，載氣流過(guò)包含樣品混合物的柱。當(dāng)不同的化合物從柱中洗脫時(shí)，它們會(huì)通過(guò)檢測(cè)器。熱導(dǎo)探測(cè)器由一個(gè)加熱的燈絲和兩個(gè)熱導(dǎo)率傳感器組成。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)與載氣不同的化合物通過(guò)燈絲時(shí)，會(huì)導(dǎo)致溫度變化，由溫度熱電阻傳感器測(cè)量。這種變化與混合物中化合物的濃度成正比。
TCDs熱導(dǎo)式傳感器在分析化學(xué)中被廣泛用于檢測(cè)各種氣體和揮發(fā)性化合物。它們對(duì)于測(cè)量無(wú)機(jī)氣體（如氫氣、氦氣、氧氣和六氟化硫氣體）以及環(huán)境樣本中的有機(jī)化合物特別有效。TCD因其簡(jiǎn)單性、穩(wěn)健性和提供定量數(shù)據(jù)的能力而受到重視。
熱導(dǎo)率傳感器在其他各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括：
暖通空調(diào)系統(tǒng)：用于和室內(nèi)空氣質(zhì)量。冷媒制冷劑泄漏監(jiān)測(cè)和加注。

汽車行業(yè)：用于廢氣分析和排放測(cè)試，以監(jiān)測(cè)污染物并確保符合環(huán)境法規(guī)，在氫能源燃料電池車中，熱導(dǎo)式氫氣傳感器監(jiān)測(cè)氫氣泄漏和殘氫排放濃度。

3.熱導(dǎo)式氣體傳感器的優(yōu)點(diǎn)
高靈敏度、量程范圍寬：熱導(dǎo)率傳感器對(duì)氣體濃度的變化高度敏感，例如氫氣和氦氣量程范圍：0-1000000ppm可以。
快速響應(yīng)時(shí)間：這些傳感器提供快速測(cè)量，使其成為實(shí)時(shí)監(jiān)控至關(guān)重要的應(yīng)用的理想選擇。
高可靠性：憑借其穩(wěn)健的設(shè)計(jì)和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，熱導(dǎo)率傳感器是可以在苛刻環(huán)境中運(yùn)行的可靠?jī)x器。
成本效益：與其他類型的傳感器相比，熱導(dǎo)率傳感器通常更具成本效益，使其可用于各種應(yīng)用。