XEN-3880-RW皮拉尼真空計傳感器

XEN-3880-RW皮拉尼真空計傳感器
XEN-3880對薄膜中心的熱電堆的熱接點和芯片框架上的冷接點之間的熱阻進行測量。這是通過使用加熱器電阻器加熱膜的中心來實現的。由此產生的中心溫度升高通過熱電堆來測量。實際溫度升高取決于膜中心和環境之間的有效熱阻，這受到環境氣體熱阻的影響。XEN-3880-RW安裝在6引腳TO-5上金屬基座上。

XEN-3880-RW皮拉尼真空計傳感器技術參數

@環境溫度22°C和1 V電源
尺寸：敏感元件尺寸（mm3)：2.50 x 3.33 x 0.3
尺寸：TO-5晶體管基座（mm2)：9Фx 6
針腳長度（mm）：13.5
TO-5重量（g）：0.71
TO-5+帶篩網金屬帽+過濾器的重量（g）：1.05
輸出
在<1 mPa（V/W）的真空中：130
在100 kPa（V/W）的空氣中：30
在10 MPa（V/W）的空氣中：26
在氦氣中，100 kPa（V/W）：7
在氦氣中，10 MPa（V/W）：6.9
時間常數
空氣中（ms）：9
在真空中（ms）：36
穩定性
短期，1天（ppm）：1
長期，1年（ppm）：100
熱阻
膜（kK/W）：100
膜+空氣（kK/W）23
Max.加熱電壓
空氣中（V）：2.5
真空（V）1

MEMS Pirani皮拉尼真空計傳感器、儀表或傳感器是一種用于通過測量沉積在懸掛的微機械隔膜上的加熱電阻元件的壓力相關熱損失來測量真空氣體壓力的裝置。90年時間內MEMS Pirani真空計傳感器可以在從測量大氣壓到1.0E-6毫巴（7.5E-7托）的真空氣體壓力。微機電系統（MEMS）傳感器可以通過傳統的半導體制造技術制成，例如使用氣相沉積工藝的材料的光刻、蝕刻、退火和沉積。硅可以用作MEMS傳感器器件的基底晶片材料，并且也是MEMS Pirani真空計傳感器的優選材料。Pirani真空計工作原理分為兩種，一種是熱電偶式，另一種是惠斯通電橋式。

MEMS皮拉尼測量儀和傳感器通常也稱為微型皮拉尼測量器或傳感器。丹麥技術公司Wenzel Instruments于1993年推出了一款基于MEMS Pirani傳感器技術的商用真空計。2003年，Wenzel儀器公司被MKS儀器股份有限公司收購，MEMS Pirani真空計產品線繼續以MKS品牌經營。MEMS Pirani測量儀和傳感器已經使用了幾十年，并在半導體行業、分析設備和涂層行業的許多不同應用中證明了其優勢。
1906年由Marcello S.Pirani發明的傳統Pirani測量儀由懸掛在管中的薄電阻金屬絲組成。電線Pirani傳感器在平衡惠斯通電橋電路中操作，其中電橋電路中的一個支路是電阻傳感器電線，而電橋電路中其他支路用作溫度補償和平衡。

圖1展示了MEMS Pirani傳感器的橫截面。MEMS Pirani傳感器基于沉積在超薄隔膜（5）上的電阻元件，該超薄隔膜懸浮在測量氣體壓力的真空中。隔膜是機械固定的，不會隨著真空氣體壓力的變化而彎曲或移動。電阻元件（1）由諸如鎳的具有高溫度系數的材料制成。

MEMS Pirani真空傳感器橫截面：當電流流過電阻元件時，熱量通過焦耳加熱產生，焦耳加熱通常也稱為電阻加熱或歐姆加熱。沉積在電阻傳感器元件中的功率必須足以加熱傳感器元件，以確保對周圍氣體的有效發射率，用于通過熱損失測量壓力。與沉積在有線Pirani傳感器元件中的功率相比，操作MEMS Pirani電阻元件所需的功率顯著較低，通常在微瓦范圍內。在電阻傳感器元件上方形成空腔（3），該空腔用作散熱器，以在氣體分子的平均自由程變得小于燈絲和散熱器之間的距離的更高壓力下增加測量靈敏度。由于傳感器的幾何形狀，氣體僅通過擴散而不是通過流動傳遞到空腔。電阻傳感器元件由氮化硅鈍化層（4）保護。
MEMS Pirani熱膜片：如圖2所示，次級電阻元件（7）可以沉積在MEMS傳感器結構上，并進行操作以測量與氣體壓力無關的環境溫度。溫度測量用于補償壓力和溫度相關的燈絲（6）。 MEMS Pirani皮拉尼真空傳感器的優勢：傳統金屬絲皮拉尼真空計中使用的超薄金屬絲對真空泵送系統可能產生的振動具有機械敏感性，重力沖擊可能導致金屬絲斷裂。MEMS Pirani皮拉尼傳感器的小質量使其對幾百Gs的連續振動和機械沖擊具有極強的魯棒性。與通過手工制作將超薄導線懸掛在管中相比，MEMS傳感器器件的制造過程使用定義明確且可控的半導體工藝具有高度可重復性。
使用由電阻材料制成的次級電阻元件，該電阻材料具有與熱損失電阻元件相同的溫度系數并且在兩個電阻元件之間具有極低的溫度梯度，使得能夠對測量漂移進行溫度補償，該溫度補償達到用線Pirani設計無法實現的水平。對流不會發生在測量腔內，因此MEMS Pirani可以水平或垂直安裝，而不會影響測量性能或校準。

MEMS Pirani真空計傳感器的權衡：傳統的MEMS Pirani由硅材料制成，因此與半導體工業中常用的腐蝕性蝕刻工藝氣體（例如氫氟酸）不兼容。然而，新近引入了新的先進保形涂層技術，使其能夠用于積極的真空應用。涂層起到有效阻隔侵HF等腐蝕性氣體的作用。材料在MEMS傳感器膜片上的沉積和冷凝可能有助于校準的偏移。然而，在真空傳感器真空法蘭中集成特殊擋板設計已被證明是阻止微小顆粒到達并損壞Pirani傳感器元件的有效方法。這種微小顆粒經常出現在物理蒸汽處理應用中，也稱為PVD應用或工業爐熱處理。

皮拉尼真空壓力計通過測量熱損失間接測量壓力，因此測量取決于氣體的導熱特性。如果用戶改變傳感器的補償設置，現代Pirani真空傳感器可以用普通氣體的氣體校正因子進行數學補償。

MEMS皮拉尼真空測量技術的變革:MEMS Pirani可以在平衡惠斯通電橋中操作；然而，橋接電路中的單個元件與多個溫度系數因素有關，這些因素共同導致測量漂移、不穩定性和噪聲。因此，惠斯通電橋電路不是用于實現高性能的實用設計，并且所使用的傳統電路已經被先進的信號和數據處理所取代。MEMS Pirani真空計MEMS Pirani真空計技術的時新展示了一種新的技術，該技術將新穎的MEMS傳感器設計與操作MEMS Pirany真空傳感器的新方法相結合。荷蘭XENSOR INTEGRATON開發的技術采用先進的精密數字信號處理技術，消除了傳統的皮拉尼-惠斯通電橋電路。與傳統的Pirani真空計傳感器操作相比，溫度補償和熱損失測量轉換為校準真空氣體壓力讀數的數字方法已被證明可以提高測量性能。
MEMS Pirani真空計測量儀應用：一般來說，在大多數真空應用中，MEMS Pirani真空計測量儀可以是傳統金屬絲Pirani真空度測試儀的性能升級，并且具有可選的保形傳感器涂層，也適用于測量儀暴露于腐蝕性氣體的應用。然而，具有集成真空系統的分析設備，如質譜儀和掃描電子顯微鏡，使用MEMS Pirani測量儀具有幾個明顯的優勢。MEMS Pirani真空傳感器的很寬測量范圍可以在某些類型的分析設備中消除對高真空計（如冷陰極或熱陰極電離計）的需求。在雜散磁場、離子產生和定期維護通常不可取的分析應用中，應避免使用ION電離式真空計。此外，ION電離真空計與皮拉尼計相比是昂貴的。

MEMS Pirani的小尺寸使其易于在空間狹小的設備中進行系統集成。MEMS Pirani熱電阻絲工作所需的功率非常低，這使其成為便攜式電池供電設備的明智選擇。

熱損失Pirani真空計是真空行業中常用的真空計，它因其動態測量范圍廣、堅固耐用和成本低而廣受歡迎。MEMS Pirani傳感器是機械堅固的固體結構，因此其靈敏度和零點漂移的趨勢較小。真空行業一直致力于擴大真空計的動態范圍，以很大限度地降低真空系統的復雜性和真空計的成本。

MEMS Pirani技術已經在許多類型的真空應用中使用了20多年，并被證明是可靠和穩健的。市場上沒有一種真空計類型是所有應用的正確選擇，MEMS Pirani真空計也不適用于所有應用。然而，在許多工業和科學真空應用中，下一代MEMS Pirani真空計傳感器將擴展到幾個應用，因為測量范圍已經擴展到以冷陰極和熱陰極電離真空計為主的范圍。