MEMS热导式传感器的工业应用
MEMS热导率传感器是用于测量气体和液体热导率的重要元件和组件。这些传感器基于传热原理工作，通过测量通过物质的热流来确定物质的导热系数。由于其灵敏度和准确性，热导式传感器在各个领域都有应用，包括环境监测、工业过程、氢能源燃料电池车和科学研究等。热导传感器的广泛应用于气体传感器、真空传感器、气体流量传感器和气相色谱（GC）检测器。
MEMS热导式传感器工作原理：热导率传感器通过测量气体或液体的导热能力来工作。当向材料施加热量时，其散热速率受到其导热性的影响。在典型的热导率传感器中，两个温度传感器（通常是热电偶或电阻温度传感器）以已知距离放置。加热器产生已知量的热量，并测量两个传感器之间的温差。然后，可以根据热流和温差计算导热系数。 热导率气体传感器敏感芯片测量膜中心热电堆热结和芯片厚边缘冷结之间的热阻。这是通过使用电阻器加热器Rheat加热膜的中心来实现的。由此产生的中心温度升高由热电堆温度传感器测量。实际温度升高取决于膜中心和环境之间的有效热阻，这受到膜热阻、环境气体热阻、任何存在的气体流量和（通常可以忽略不计）发射辐射等因素的影响。
MEMS热导率传感器测量温度有几种类型，包括：
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电阻温度传感器：这些传感器利用材料的电阻变化来确定温度。
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热电堆传温度感器：这些传感器由多个串联的热电偶组成，提供更高的输出电压和灵敏度。
TCD-5880-P2RW气体传感器敏感元件为了测量时准确补偿环境温度变化，可以在热导率传感器芯片旁边安放一个2x2
mm的PT100铂电阻温度传感器。这允许根据温度DIN
B等级准确测量传感器芯片的温度。标准为100欧姆电阻器（0ºC时为100欧姆，灵敏度为0.39%/ºC），可选为0ºC下为100欧姆的Pt100。所谓的"Roof硅盖"是粘在薄膜热点上的硅散热器，在距离薄膜100μm处形成散热器（见图4.5）。“硅盖”有两个应用。首先，热导率传感器周围的任何气流都被硅盖阻挡，无法到达热膜，因此传感器的对流量灵敏度大大降低。因此，在有流量的情况下进行测量时，硅盖选项很有趣。其次，附近的散热器将传感器可以测量的上部真空压力增加了大约3倍。因此，当将热导率传感器用作真空计传感器时，硅盖选项也可能引起人们的兴趣。
2.热导传感器的应用
MEMS热导气体传感器：热导气体传感器用于检测和测量各种环境中的气体浓度。它们特别适用于检测热导率与空气显著不同的气体，如氢气H2、氦气He、六氟化硫SF6、甲烷CH4、冷媒氟利昂制冷剂和二氧化碳CO2等。
在环境监测中，热导传感器用于测量温室气体和污染物的浓度。例如，它们可以检测天然气管道中的甲烷泄漏，或监测城市地区的二氧化碳水平。通过提供气体浓度的实时数据，这些传感器有助于评估空气质量和环境影响。
在工业环境中，热导率传感器对于**应用至关重要。它们可以检测到可能构成爆炸风险的危险气体，如氢气。这些传感器通常集成到化工厂、炼油厂和制造设施的**系统中，以提供气体泄漏的早期预警，从而保护工人并防止事故发生。
热导传感器也用于医疗设备，以测量呼吸应用中的气体浓度。例如，他们可以在手术过程中监测麻醉气体的浓度，或评估患者呼吸中的二氧化碳和氦气水平，从而帮助进行呼吸诊断。 在呼吸机上，热导式氧气传感器得到大量使用，比起电化学氧气传感器，热导式氧气传感器使用寿命长达10年。
在氢能源燃料电池车上，有许多热导氢气传感器用于氢气监测泄漏和残氢排放。许多热导式气体传感器应用在锂电热失控监测的过程中产生的氢气等。
在制冷行业，热导气体传感器用于冷媒制冷剂泄漏监测，例如R32和R22的冷媒气体浓度测量。
皮拉尼真空传感器：它的工作原理是基于热传导原理，具体来说是通过测量加热元件（通常是铂丝）在真空环境中的热传导变化来推断气体压力。皮拉尼真空传感器包含一个加热部件，如加热丝或薄膜，通常通过使用桥接电路将其加热至高温。当气体分子密度发生变化时，热量从金属丝传递到气体会受到影响，这种热损失取决于气体类型和压力，从而使金属丝保持在温度下所需的能量也相应变化。能量的变化可以转换为压力值，从而实现真空测量。皮拉尼真空传感器的优点包括测量范围广（5 x 10^-4至1000 mbar）和在特定范围内的测量精度较高（例如在1 x
10^-3至100毫巴范围内精度为±50%）。
加热元件：皮拉尼真空计通常使用一根铂丝作为加热元件，这根铂丝是惠斯通电桥的一个臂。加热元件通过恒定电流加热，使其温度升高。
热传导：加热后的铂丝放置在真空或低压气体中，其热导率会降低，导致加热丝变得更热。热导率的变化会影响铂丝的温度，进而影响其电阻值。
温度测量：通过惠斯通电桥测量加热丝的电阻变化或热电堆直接测量温度的变化。
皮拉尼真空传感器广泛应用于各种真空技术领域，真空系统用于各种应用，包括半导体制造、研究实验室和真空封装。热导率传感器在低压环境中特别有效。包括：
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高真空泵的前级压力测量：如光伏、镀膜、等离子行业。
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中低真空测量：如照明、冶金行业。
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真空连锁控制：如高真空计的点火开关控制。
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半导体制造，在半导体制造中，保持高质量的真空对于薄膜沉积和蚀刻等工艺至关重要。热导真空传感器可**测量真空室中的残余气体，确保*佳的生产条件。通过监测气体浓度，制造商可以防止半导体器件中的污染和缺陷。
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科学研究，在研究实验室中，热导率传感器用于测量需要受控环境的实验中的真空度。例如，在涉及高能物理或材料科学的研究中，**的真空条件对于获得可靠的结果是必要的。这些传感器帮助研究人员保持所需的真空度，并监测可能影响他们实验的任何波动。
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真空包装，在食品和包装行业，热导率传感器用于真空包装系统，以确保达到所需的真空水平。通过测量包装室中气体的导热系数，这些传感器有助于保持食品的新鲜度和保质期。
气体流量传感器：热式气体流量传感器元件由一个600欧姆加热器和对称分布在加热器周边的6组热电偶（热电堆，550k欧姆）构成。加热器和热电偶的热节点位于硅基板的绝热基座上。加热器由恒压或恒流源或恒功率驱动，加热绝热基座时，热电堆产生毫伏输出（塞贝克效应）。如果通过传感器芯片的气体介质不流动，热电堆的输出电压固定值。如果气体介质流动，热电偶（热电堆）输出的电压信号会随介质的质量流速变化。
热导率传感器也用于流量测量应用，特别是气体和液体。这些传感器可以通过测量流体流过传感器时的传热特性来确定流速。
气体流量测量 ：在气体流量应用中，热导率传感器可以测量管路中气体的流量。它们通常用于暖通空调系统、工业过程和环境监测。通过提供准确的流量测量，这些传感器有助于优化能耗并提高过程效率。
气相色谱（GC）热导式TCD检测器 :气相色谱法是一种广泛使用的分析技术，用于分离和分析混合物中的化合物。热导检测器（TCD）是气相色谱中*常用的。在热导检测器中，载气流过包含样品混合物的柱。当不同的化合物从柱中洗脱时，它们会通过检测器。热导探测器由一个加热的灯丝和两个热导率传感器组成。当导热系数与载气不同的化合物通过灯丝时，会导致温度变化，由温度热电阻传感器测量。这种变化与混合物中化合物的浓度成正比。
TCDs热导式传感器在分析化学中被广泛用于检测各种气体和挥发性化合物。它们对于测量无机气体（如氢气、氦气、氧气和六氟化硫气体）以及环境样本中的有机化合物特别有效。TCD因其简单性、稳健性和提供定量数据的能力而受到重视。
热导率传感器在其他各个领域都有应用，包括：
暖通空调系统：用于和室内空气质量。冷媒制冷剂泄漏监测和加注。
汽车行业：用于废气分析和排放测试，以监测污染物并确保符合环境法规，在氢能源燃料电池车中，热导式氢气传感器监测氢气泄漏和残氢排放浓度。
3.热导式气体传感器的优点
高灵敏度、量程范围宽：热导率传感器对气体浓度的变化高度敏感，例如氢气和氦气量程范围：0-1000000ppm可以。
快速响应时间：这些传感器提供快速测量，使其成为实时监控至关重要的应用的理想选择。
高可靠性：凭借其稳健的设计和经过验证的技术，热导率传感器是可以在苛刻环境中运行的可靠仪器。
成本效益：与其他类型的传感器相比，热导率传感器通常更具成本效益，使其可用于各种应用。
