XEN-3880-RW皮拉尼真空计传感器

XEN-3880-RW皮拉尼真空计传感器

XEN-3880-RW皮拉尼真空计传感器
XEN-3880对薄膜中心的热电堆的热接点和芯片框架上的冷接点之间的热阻进行测量。这是通过使用加热器电阻器加热膜的中心来实现的。由此产生的中心温度升高通过热电堆来测量。实际温度升高取决于膜中心和环境之间的有效热阻，这受到环境气体热阻的影响。XEN-3880-RW安装在6引脚TO-5上金属基座上。

XEN-3880-RW皮拉尼真空计传感器技术参数

@环境温度22°C和1 V电源
尺寸：敏感元件尺寸（mm3)：2.50 x 3.33 x 0.3
尺寸：TO-5晶体管基座（mm2)：9Фx 6
针脚长度（mm）：13.5
TO-5重量（g）：0.71
TO-5+带筛网金属帽+过滤器的重量（g）：1.05
输出
在<1 mPa（V/W）的真空中：130
在100 kPa（V/W）的空气中：30
在10 MPa（V/W）的空气中：26
在氦气中，100 kPa（V/W）：7
在氦气中，10 MPa（V/W）：6.9
时间常数
空气中（ms）：9
在真空中（ms）：36
稳定性
短期，1天（ppm）：1
长期，1年（ppm）：100
热阻
膜（kK/W）：100
膜+空气（kK/W）23
Max.加热电压
空气中（V）：2.5
真空（V）1

MEMS Pirani皮拉尼真空计传感器、仪表或传感器是一种用于通过测量沉积在悬挂的微机械隔膜上的加热电阻元件的压力相关热损失来测量真空气体压力的装置。90年时间内MEMS Pirani真空计传感器可以在从测量大气压到1.0E-6毫巴（7.5E-7托）的真空气体压力。微机电系统（MEMS）传感器可以通过传统的半导体制造技术制成，例如使用气相沉积工艺的材料的光刻、蚀刻、退火和沉积。硅可以用作MEMS传感器器件的基底晶片材料，并且也是MEMS Pirani真空计传感器的优选材料。Pirani真空计工作原理分为两种，一种是热电偶式，另一种是惠斯通电桥式。

MEMS皮拉尼测量仪和传感器通常也称为微型皮拉尼测量器或传感器。丹麦技术公司Wenzel Instruments于1993年推出了一款基于MEMS Pirani传感器技术的商用真空计。2003年，Wenzel仪器公司被MKS仪器股份有限公司收购，MEMS Pirani真空计产品线继续以MKS品牌经营。MEMS Pirani测量仪和传感器已经使用了几十年，并在半导体行业、分析设备和涂层行业的许多不同应用中证明了其优势。
1906年由Marcello S.Pirani发明的传统Pirani测量仪由悬挂在管中的薄电阻金属丝组成。电线Pirani传感器在平衡惠斯通电桥电路中操作，其中电桥电路中的一个支路是电阻传感器电线，而电桥电路中其他支路用作温度补偿和平衡。

图1展示了MEMS Pirani传感器的横截面。MEMS Pirani传感器基于沉积在超薄隔膜（5）上的电阻元件，该超薄隔膜悬浮在测量气体压力的真空中。隔膜是机械固定的，不会随着真空气体压力的变化而弯曲或移动。电阻元件（1）由诸如镍的具有高温度系数的材料制成。

MEMS Pirani真空传感器横截面：当电流流过电阻元件时，热量通过焦耳加热产生，焦耳加热通常也称为电阻加热或欧姆加热。沉积在电阻传感器元件中的功率必须足以加热传感器元件，以确保对周围气体的有效发射率，用于通过热损失测量压力。与沉积在有线Pirani传感器元件中的功率相比，操作MEMS Pirani电阻元件所需的功率显著较低，通常在微瓦范围内。在电阻传感器元件上方形成空腔（3），该空腔用作散热器，以在气体分子的平均自由程变得小于灯丝和散热器之间的距离的更高压力下增加测量灵敏度。由于传感器的几何形状，气体仅通过扩散而不是通过流动传递到空腔。电阻传感器元件由氮化硅钝化层（4）保护。
MEMS Pirani热膜片：如图2所示，次级电阻元件（7）可以沉积在MEMS传感器结构上，并进行操作以测量与气体压力无关的环境温度。温度测量用于补偿压力和温度相关的灯丝（6）。 MEMS Pirani皮拉尼真空传感器的优势：传统金属丝皮拉尼真空计中使用的超薄金属丝对真空泵送系统可能产生的振动具有机械敏感性，重力冲击可能导致金属丝断裂。MEMS Pirani皮拉尼传感器的小质量使其对几百Gs的连续振动和机械冲击具有极强的鲁棒性。与通过手工制作将超薄导线悬挂在管中相比，MEMS传感器器件的制造过程使用定义明确且可控的半导体工艺具有高度可重复性。
使用由电阻材料制成的次级电阻元件，该电阻材料具有与热损失电阻元件相同的温度系数并且在两个电阻元件之间具有极低的温度梯度，使得能够对测量漂移进行温度补偿，该温度补偿达到用线Pirani设计无法实现的水平。对流不会发生在测量腔内，因此MEMS Pirani可以水平或垂直安装，而不会影响测量性能或校准。

MEMS Pirani真空计传感器的权衡：传统的MEMS Pirani由硅材料制成，因此与半导体工业中常用的腐蚀性蚀刻工艺气体（例如氢氟酸）不兼容。然而，新近引入了新的先进保形涂层技术，使其能够用于积极的真空应用。涂层起到有效阻隔侵HF等腐蚀性气体的作用。材料在MEMS传感器膜片上的沉积和冷凝可能有助于校准的偏移。然而，在真空传感器真空法兰中集成特殊挡板设计已被证明是阻止微小颗粒到达并损坏Pirani传感器元件的有效方法。这种微小颗粒经常出现在物理蒸汽处理应用中，也称为PVD应用或工业炉热处理。

皮拉尼真空压力计通过测量热损失间接测量压力，因此测量取决于气体的导热特性。如果用户改变传感器的补偿设置，现代Pirani真空传感器可以用普通气体的气体校正因子进行数学补偿。

MEMS皮拉尼真空测量技术的变革:MEMS Pirani可以在平衡惠斯通电桥中操作；然而，桥接电路中的单个元件与多个温度系数因素有关，这些因素共同导致测量漂移、不稳定性和噪声。因此，惠斯通电桥电路不是用于实现高性能的实用设计，并且所使用的传统电路已经被先进的信号和数据处理所取代。MEMS Pirani真空计MEMS Pirani真空计技术的时新展示了一种新的技术，该技术将新颖的MEMS传感器设计与操作MEMS Pirany真空传感器的新方法相结合。荷兰XENSOR INTEGRATON开发的技术采用先进的精密数字信号处理技术，消除了传统的皮拉尼-惠斯通电桥电路。与传统的Pirani真空计传感器操作相比，温度补偿和热损失测量转换为校准真空气体压力读数的数字方法已被证明可以提高测量性能。
MEMS Pirani真空计测量仪应用：一般来说，在大多数真空应用中，MEMS Pirani真空计测量仪可以是传统金属丝Pirani真空度测试仪的性能升级，并且具有可选的保形传感器涂层，也适用于测量仪暴露于腐蚀性气体的应用。然而，具有集成真空系统的分析设备，如质谱仪和扫描电子显微镜，使用MEMS Pirani测量仪具有几个明显的优势。MEMS Pirani真空传感器的很宽测量范围可以在某些类型的分析设备中消除对高真空计（如冷阴极或热阴极电离计）的需求。在杂散磁场、离子产生和定期维护通常不可取的分析应用中，应避免使用ION电离式真空计。此外，ION电离真空计与皮拉尼计相比是昂贵的。

MEMS Pirani的小尺寸使其易于在空间狭小的设备中进行系统集成。MEMS Pirani热电阻丝工作所需的功率非常低，这使其成为便携式电池供电设备的明智选择。

热损失Pirani真空计是真空行业中常用的真空计，它因其动态测量范围广、坚固耐用和成本低而广受欢迎。MEMS Pirani传感器是机械坚固的固体结构，因此其灵敏度和零点漂移的趋势较小。真空行业一直致力于扩大真空计的动态范围，以很大限度地降低真空系统的复杂性和真空计的成本。

MEMS Pirani技术已经在许多类型的真空应用中使用了20多年，并被证明是可靠和稳健的。市场上没有一种真空计类型是所有应用的正确选择，MEMS Pirani真空计也不适用于所有应用。然而，在许多工业和科学真空应用中，下一代MEMS Pirani真空计传感器将扩展到几个应用，因为测量范围已经扩展到以冷阴极和热阴极电离真空计为主的范围。