热导式传感器及皮拉尼真空规背后的故事

2021-01-23 12:46

1880年出生于柏林的意大利后裔，马塞洛·皮拉尼在很小的时候就注定要对真空技术做出重大贡献。他在1904年完成了数学和物理方面的研究，并在研究生阶段完成了研究，之后加入了西门子和哈尔斯克（Gluhampenwerk）白炽灯厂。他主要研究光源，也研究钽灯的制造，钽灯的制造需要比碳丝更高的真空度。

一个典型的问题是使用玻璃麦克劳德真空计进行真空测量。它们在手动操作和对破损特别敏感方面存在问题；这样做时会溢出有毒的汞。皮拉尼考虑到了这个问题，因此在1906年他发表了题为“直接指示真空计”的论文，后来被称为“皮拉尼真空计”。

热导式传感器及皮拉尼真空规背后的故事

皮拉尼真空计的设计是通过利用电线的热损失随周围压力的变化来测量低压。被加热的金属丝（在现代仪表中通常是铂丝）由于气体分子与金属丝的碰撞而将热量损失给气体。热损失取决于与金属丝碰撞的次数，因此取决于气体的压力／密度。随着真空度的增加，存在的分子数量将成比例地减少。这降低了导线的冷却效果。

电线的电阻随温度而变化。皮拉尼真空计以三种模式之一工作：恒压、恒流或恒电阻（即温度）。惠斯通电桥电路通常用于皮拉尼真空计灯丝是四臂电桥的一个臂的情况。压力计的读数必须针对不同的气体（具有不同的导热系数）进行校正或校准。与麦克劳德压力计相比，皮拉尼压力计具有自动化的优点。现代压力计可以测量从100／10到10－4毫巴，并通过利用对流损失的压力依赖性扩展到更高的压力。

热导式传感器及皮拉尼真空规背后的故事

皮拉尼进一步致力于高温的光学测量，然后在1919年加入欧司朗，担任科学技术局局长。他在那里进行了广泛的研究，从钽对气体的吸附到白炽灯到气体放电灯的转变。在工业期间，他曾在柏林的技术大学和Technishe Hochschule担任过多个职位。

从1936年起，皮拉尼在英国从事各种活动，包括耐高温材料和细煤尘的利用。1953年，他回到德国，为欧司朗提供咨询服务，88岁时在他出生的城市去世。

如今，皮拉尼规进化到MEMS技术，MEMS 传感器遵循没有化学反应的物理皮拉尼原理，能够基于气体热导率变化对于压力进行检测。比如工采网代理的瑞士Neroxis 热导式气体传感器MTCS2601就是基于皮拉尼原理的用于真空度检测的传感器，由 4 个 Ni－Pt 电阻组成的微机械的热电导率传感器，此热导传感器安装在小型的 SMD 封装内，功耗低。同时结合了低功耗 CMOS 标准集成电路，非常适合 OEC厂商的气体泄漏检测。