热导传感器

[align=center]在正常室温以及大气压下，氦是一种无色无味的气体。其在空气中的体积含量为5.24×10-6，它是人类发现临界温度最（ZUI）低的物质。氦是重要的工业气体之一，氦气广泛用于军事工业  研究  石化  制冷  医疗  半导体  管道泄漏检测等领域，其具体应用如下：[/align]检验和分析应用：核磁共振分析仪的超导磁体需要使用液氦冷却。在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱仪[/url]中，氦气通常用作载气，氦气渗透性良好，不易燃，它还能用于真空泄漏检测。用作保护气体：氦气具有非活泼的化学性质，常用于保护镁  锆  铝  钛等金属焊接。在航空航天技术中，氦气可用作卫星、火箭的挤压和姿态控制发动机空气源。[img=,348,310]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/06/201906051610066391_5463_3422752_3.png!w348x310.jpg[/img]虽然氦气是无毒的，表面上对人体无害，但是大量吸入会引起窒息甚至死亡！这是因为过度吸入窒息会导致人体缺氧，轻者人会感到疲倦，严重的人可能会突然变黑并在眩晕中窒息！因此在使用氦气的环境中必须实时监测氦气的浓度，OFweek Mall推荐使用热导式气体传感器MTCS2601来进行氦气泄露检测。 法国Endetec的热导式气体传感器MTCS2601由基于 MEMS 技术的 4 个 Ni-Pt 电阻组成的微机械的热电导率传感器。此热导式气体传感器安装在小型的 SMD 封装内。同时结合了低功耗 CMOS 标准集成电路，非常适合 OEC厂商的泄漏检测，或者基于帕拉尼原理的真空度检测，需要超低功耗，长寿命和免维护的产品。适用于恶劣环境下初级压力控制，需要功耗和尺寸的限制，或者是气体泄漏或者水分，或者侵入。[b] 法国Endetec热导式气体传感器 MTCS2601特点：[img=,339,295]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/06/201906051609017071_7955_3422752_3.jpg!w339x295.jpg[/img][/b]MEMS 热导式气体传感器遵循没有化学反应的物理皮拉尼原理，基于气体热导率变化对于压力测量范围：0.0001~1000mbar，卓越的可重复性。硅晶片上有加热电阻，并且有优异的温度补偿。超小的传感器气体体积例如0.1cm3 。

1. 前言 热分析方法作为仪器分析方法之一，它与色谱法、光谱法、质谱法、波谱法、能谱法、电子显微镜法等相互并列和互为补充的一种仪器分析方法。 热分析技术是在各种程序温度控制下测量物质的物理性质随温度的变化，用于研究物质在某一特定温度时所发生的热学、力学、声学、光学、电学、磁学等物理参数的变化，由此进一步研究物质的结构和性能之间关系，研究反应规律，指定工艺条件等。 热分析仪器几乎应用在所有行业，热分析仪器厂商众多。国外主要有瑞士梅特勒-托利多、美国TA、德国耐驰、日本岛津、美国珀金埃尔默、法国塞塔拉姆、英国马尔文、德国林赛斯、英国赫尔、日本岛津、日本日立和韩国新科等众多著名热分析仪器厂商和品牌。国内主要有北京恒久、天美科技、南京大展和上海盈诺等少数几家公司。无论从公司的数量、体量、技术水平和产品种类上来说，国内与国外都存在巨大差距。国内热分析仪器市场大部分被国外品牌把持，国产仪器处于市场的低端末梢，绝大部分国产热分析仪器的售价只有国外仪器的一半甚至更低，基本都在五万左右不超过10万，绝大多数都是低价低质仪器。而且因为严重缺少技术研发能力和技术积累，特别是缺少核心技术和核心器件的掌握，国产热分析仪器的市场占有率正在逐步萎缩。2. 温差传感器技术发展概述 热分析仪器测试的基本原理是被测试样在升温、降温或恒温过程中测量被测试样和参比试样上热流的流入或流出量随温度的变化关系。这种代表试样吸热和放热过程所流入和流出的热流量一般都在毫瓦或微瓦量级，这就需要采用温差传感器进行测量，因此温差传感器是热分析测量的核心技术。理想的热分析仪器用温差传感器要求具有高灵敏度、快速响应时间和绝对平直的基线。 温差传感器作为差热分析仪（DTA）、差示扫描量热仪（DSC）、量热仪等多种热分析仪器的核心部件，而这这些热分析仪器由于其用途广泛几乎占有三分之一的热分析仪器市场份额，因此对温差传感器的开发是热分析仪器厂商的研发重点。20世纪70年代末，美国珀金埃尔默公司首次采用微型计算机生产出全计算机自动测控的热分析仪器，自此热分析仪器用温差传感器的技术发展经历了四个技术发展时代： 1980年～1989年：第一代经典温差传感器 1990年～2004年：第二代改进型温差传感器 2005年～2011年：第三代高灵敏度温差传感器 2012年至今：第四代芯片型温差传感器 第三代和第四代传感器都采用了各种形式的多对热电偶温差测量方式，它们的出现不仅仅进一步提高了灵敏度、响应速度和测量准确性，重要的是灵敏度和升降温速度提高后大大拓宽了热分析仪器的应用领域，如制药、医疗、法医学、能源燃料等领域中的微克量级样品的分析。在温差传感器发展的同时，也涌现出其它提高测量准确性方面的技术改进。2.1. 第一代经典温差传感器 如图 2-1所示，第一代经典温差传感器是分别用独立热电偶直接测量和参比物试样温度，那么有效热流可以按照下式计算获得。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609041038_608277_3384_3.gif 式中： Rth表示传感器热阻，ΔTSR 表示试样与参比物之间的温度差， dq/dt表示试样与参比物之间的热流差以及进出试样的热量。 在第一代温差传感器测量公式中，是假设了传感器热阻和试样一侧加热炉与参比物一侧加热炉的热容完全对称和相同（即R=RS=RR和CR=CS），并假设试样与参比物之间的温差近似为0（基线 dΔT/dt≈0）。 这些假设成立的前提是温差传感器要温度均匀，而传感器实际上存在严重的温度梯度，这会导致基线远偏离0使得测量误差较大。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609041047_608278_3384_3.gif图 2-1 第一代经典温差传感器示意图 第一代温差传感器基本都是采用一对热电偶形式，如图 2-2所示，利用康铜合金的热电性质使哑铃型康铜片即做试样承载台又做温差测量，目前国内外热分析仪器中大多数温差传感器还是采用这种结构。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609041048_608279_3384_3.gif图 2-2 哑铃型康铜片第一代温差传感器2.2. 第二代改进型温差传感器 如图 2-3所示，在第二代改进型温差传感器中通过增加一个附加位置来进行温度测量，即单点温度 测量。通过这个改进，也可以进行热阻和热容测量，但计算公式则变化为：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609041050_608280_3384_3.gif 式中： ΔT表示试样与参比物之间的温度差TS-TR，RS 和RR 、 CS和CR 分别表示试样和参比物的热阻和热容。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609041053_608281_3384_3.gif 图 2-3 第二代改进型温差传感器示意图 这个改进后的计算公式也是基于温差传感器的温度均匀，而实际上这个假设只能在等温条件下才能近似满足。由于在不同加热速率时温度梯度变化剧烈，限制了采用数学修正测试误差的可能性。 如图 2-4所示，日本岛津公司生产的热分析仪器配备的就是第二代温差传感器，其中采用三对热电偶相互反向串联后分别放在试样支架底部和参比物支架底部以提高信噪比。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609041054_608282_3384_3.gif图 2-4 日立公司第二代改进型温差传感器2.3. 第三代高灵敏度温差传感器 如图 2-5所示，第三代温差传感器是单独测量试样端和参比物端热流。在每个端部都布置了一组环状热电偶测温点，外环热电偶测温点测量的是传感器温度，内环测温点测量的是试样或参比物温度。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609041056_608283_3384_3.gif图 2-5 第三代高灵敏温差传感器示意图 这种结构热电偶测温输出可以用下式描述：http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609041057_608284_3384_3.gif 式中： ΔTS0和ΔTR0分别表示试样与传感器、参比物与传感器之间的温度差。 如果假设温差传感器采用了100对热电偶，相应的N=25，这代表对传感器温度 进行了25次测量。这样第三代温差传感器就不再要求传感器温度具有一定均匀性，与前两代温差传感器相比显著提高了测量准确性。 国际上有多家公司曾致力于第三代温差传感器的，如瑞士梅特勒公司专利US 5033866，美国TA公司专利US 5288147、US 6431747和US 6488406，但这些都由于实现工艺复杂都没有形成最终产品。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/i