热导气体传感器敏感元件

热导气体传感器敏感元件

气体热导率是衡量气体导热能力的核心参数，靠分子热运动碰撞传递热量。常见气体中，热导率高的，氢气和氦气排在前两位，甲烷次之。热导气体传感器的原理是‌基于不同气体热导率的差异，将热导率变化转化为可测量的电信号以换算目标气体浓度‌。

热导原理测量气体浓度前提‌：不同气体的导热能力（热导率）不同，比如氦气、氢气热导率远高于空气，二氧化碳热导率低于空气；混合气体的热导率会随目标气体的浓度线性变化。具体又分为：热丝式和MEMS热导气体传感器。

1、热丝式热导气体传感器结构

信号转换‌：热丝传感器敏感元件内置两个配对的热敏元件（多为铂电阻）：一个暴露在待测气体中作为检测臂，一个密封在充满参考气体的腔体中作为参比臂，共同构成惠斯通电桥；恒定电流给热敏元件加热至稳态，待测气体流入后，热导率变化会改变检测元件的散热速率，引发其温度和电阻值改变，打破电桥平衡。
输出换算‌：电桥输出的不平衡电压与目标气体浓度成正比，通过标定曲线即可换算得到待测气体的准确浓度，参比臂同时补偿了环境温度波动带来的干扰。

热丝式热导气体传感器结构

2、MEMS热导气体传感器结构

MEMS热导气体传感器是利用微加工技术集成的热导传感器工作原理：
芯片结构基础‌：采用氮化硅低热导率悬空薄膜，将加热电阻、温度感应单元（铂电阻或热电堆）、环境补偿PT100铂电阻集成在微米尺度硅基底上，部分型号增加硅盖结构阻挡气流干扰。
热平衡建立‌：加热电阻恒定通电，加热薄膜中心区域达到稳态热平衡。
热扰动感应‌：待测气体流入后，气体热导率会改变敏感区域与环境间的有效热阻，引发薄膜中心温度变化：热导率越高，散热越快，中心温度降幅越大。
电信号转换‌：温度变化由热电堆或铂电阻转化为电信号，输出电压与目标气体浓度成正比，旁置的PT100用于补偿环境温度漂移，然后换算得到准确浓度。

低功耗快速响应式MEMS热导气体传感器结构

热丝和MEMS式热导气体传感器比较

带焊接管帽的TCD-5880热导气体传感器（中间）

热导气体传感器常见气体组分测量

热导气体传感器仅适合测量‌热导率差异足够大、其余背景气体热导率接近‌的二元/准二元配对气体组份，常见配对气体组份组合如下：
氢气H₂/氮气N2：氢气热导率约为空气的7倍，差异显著，是氢能源、合成氨工艺常用的检测配对，可覆盖0~100%全量程测量。

氢气H₂/氧气O2：氧中氢和氢中氧是电解水制氢气常用的检测配对，可覆盖0~100%全量程测量。

氢气H₂/氩气Ar：氩气是常见的载气，用于铝水和钢水氢气含量，可覆盖0~25%全量程测量。
氦气He/空气Air或氮气N2：氦气热导率约为空气的6倍，多用于氦气回收和提纯、潜水呼吸气检测、医疗呼吸气分析。
六氟化硫（SF₆）/氮气N2：六氟化硫热导率远低于空气，用于高压电器设备的六氟化硫浓度检测。
冷媒制冷剂（R32/R22等）/空气Air：用于制冷行业冷媒泄漏监测。

TCD-5880-P2RW热导气体传感器敏感元件技术参数规格（22℃和1 V电源）
参数                          类型*               单位                  符号                注释
尺寸
裸模die尺寸                2.50 x 3.33        平方毫米
裸模厚度                     0.3                mm
膜厚                            1                    μm
重量                            0.72              克                     TO-5上的XEN-TCG3880
重量                            1.05                克                         XEN-TCG3880
输出
真空中 在0毫巴            130             V/W            具体取决于生产批次
温度系数（0 Pa）        -0.0            6%/K
空气中在100 kPa         30             V/W                       无上部散热器
空气中在100 kPa         6              V/W                     上部散热器为20μm
氦气中在100 kPa         7             V/W
在空气中，10 MPa         -13         %                 与输出100 kPa相比的变化，R版本
氦气中，10 MPa             2            %             与输出100 kPa相比的变化，R版本
时间常数
在空气中                     9             ms
真空中                         36         ms

稳定性
短期                         10         ppm                                 1天，温度良好+相对湿度稳定
长期                         1200      ppm                                 1年，温度和相对湿度校正
热电堆 

阻抗                         55                     千欧                         Rtp
有效灵敏度                 1.3                 mV/K                     Stp                     指加热器的温度
固有灵敏度                 2.4                 mV/K                 平均塞贝克系数0.2 mV/K，12根线
温度系数                     0.05                 K
加热器
阻抗                             0.6          千欧                 Rheat
温度系数                     0.1             K                     加热器电阻的
热电阻
薄膜                         100             kK/W             真空输出除以热电堆灵敏度
温度系数                    -0.11             K                 真空中
膜+气体                     23             kK/W                 空气中
温度系数                 -0.08                 K         空气中
Max.加热电压                                      Uheat
在空气中                 2.5                 V
真空中                     1                     V
传感器环境温度                                                         不保证终身无保障
Min.限度                     -250                     ℃                 输出信号可能没有显著变化
                                -250至-273             ℃                     输出信号减少
Max.限度                     240                     ℃                     在类似设备上测试，时间短
加热器Max.温度             250                 ℃                 长期无漂移，绝 对 Max.额定值
Pt100                 B级         ± 0.3         0℃                             0℃时误差