皮拉尼热导率真空传感器的解析与介绍

盛思瑞特-叶工 20250527

惠斯通电桥原理

真空传感器是用于测量真空系统中压力的设备，真空系统被定义为压力明显低于大气压的空间。这些传感器在半导体制造、制药、食品加工和研究实验室等各个行业中发挥着至关重要的作用。了解真空传感器的工作原理及其应用对于优化工艺和确保真空条件至关重要。

1、真空的定义:

当给定体积内的压力降至大气压以下(海平面约101.3 kPa或14.7 psi)时，就会产生真空，真空度可分为不同的范围:

低真空:压力从大气压降至约1kPa(0.01atm)。

中等真空:压力范围为1kPa至10^-3 kPa(10^-5 atm)。

高真空:压力从10^-3 kPa到10^-7 kPa(10^-9 atm)。

超高真空(UHV):压力低于10^-7 kPa(10^-9 atm)

PIRANI皮拉尼热导率真空传感器

核心工作机制

基于气体热传导特性与压力的相关性，其核心组件包括：

加热元件：电阻丝或薄膜，通电后产生稳定热量
温度传感器：热电偶/热敏电阻，监测加热元件温度变化
惠斯通电桥：通过电阻平衡状态检测压力变化

真空传感器元件是一根已知电阻和已知电阻温度系数(即其电阻如何随温度变化)的导线。该元件构成了平衡惠斯通电桥的一条腿。当气体分子与加热元件碰撞时，它们会从中带走热量，改变其电阻值，使电桥相对于其参考状态不平衡。由于碰撞次数以及传递到气体的热量与气体压力成正比，因此保持电桥平衡所需的电压与压力成正比。

皮拉尼真空计仪表在使用时必须认识到其局限性。由于不同的气体具有不同的从灯丝传递热量的能力(即不同的比热容)，皮拉尼仪表的响应取决于系统中存在的气体。因此，用户必须校准皮拉尼仪表，以确定系统中预期的残留气体。

由于皮拉尼真空元件在100至150°℃的温度下工作，因此必须注意将可能分解并在元件上沉积固体物质的反应性气体排除在仪表之外。如果出现此类沉积物(或腐蚀性气体与元素发生反应)，皮拉尼的准确性将降低。

由于皮拉尼真空传感器依赖于周围气体对元件的散热，当压力降至约10-4Torr以下时，皮拉尼会失去精度，从而显著降低热传递。在高压(10托及以上)下，气体分子的平均自由程减小到非线性进入压力-电压关系并降低仪表灵敏度的程度。先进的皮拉尼压力计的构造是为了允许压力计内的对流力来帮助分子流动。后一种设计使皮拉尼压力计能够以高达760托的精度使用。

皮拉尼压力真空规传感器通常用于氮气校准，与其他气体一起使用时需要校准曲线。皮拉尼真空传感器压力计相对较快，对压力变化的响应时间为十分之一秒或更短。

芯体