[发明专利]一种微型热导气体传感器

说明书

本发明涉及一种微型热导气体传感器，包括下盖、以及与所述下盖气密性键合的上盖，所述下盖的上表面设有两个悬浮的热丝组件，其中，每个热丝组件连接一组焊盘；所述上盖的下表面上设有两组依次连接的第一浅槽气道、气道和第二浅槽气道，其中，两个气道分别与两个旁路测试腔室相连，所述两个旁路测试腔室所在的位置与两个所述热丝组件所在的位置相互对应。本发明可以对气体实现分流，避免流动的气体直吹热丝，从而使得整个微型热导气体传感器对流速不敏感，能够有效降低气路流速波动产生的噪声。

技术领域

本发明涉及一种气体传感器，特别是涉及一种微型热导气体传感器。

背景技术

热导检测器(Thermal ConductivityDetector，TCD)是一种非破坏性、物理的通用性检测器，它通过测量被测组分和载气的导热系数不同来实现气体浓度检测。热导检测器的操作原理、基本理论和响应特征在60年代就已经成熟。它基本对所有气体物质都有响应，且结构简单，性能可靠，定量准确，价格低廉，经久耐用。由于热导检测器是非破坏性的检测器，所以它还能与其他检测器联用。因此，热导检测器始终充满着旺盛的生命力，至今仍是应用最广的检测器。微型热导检测器(μ-TCD)是采用微机电系统(Micro-Eletro-Mechanical-System，MEMS)技术制造的热导检测器。由于采用MEMS加工技术，相比于传统的TCD传感器，μ-TCD具有体积小、精度高、一致性好、响应时间快等特点。

微型热导检测器通常包含两个气室通道，分别为测量通道和参比通道。微型热导检测器工作时，两个气室通道内的热丝处于高温的状态，且维持一定的温度T_f，微型热导检测器整体也保持在一定的温度T_d下，且温度T_f应大于温度T_d，以保证器件正常工作。微型热导检测器响应是一个热平衡的过程，在平衡状态下，悬浮热丝上所产生的热量与散失的热量相等。热丝的散热方式有四种：热丝周围气体热传导散热(Q_gas)；热丝周围气体热对流散热(Q_con)；热丝的热辐射散热(Q_rad)；热丝支撑膜的热传导散热(Q_solid)，其中，Q_gas是TCD对气体浓度响应的主要因素，Q_con是TCD对气体流速响应的主要因素。当其中某一散热方式的平衡被打破，便能引起热丝温度变化，最终导致热丝的电阻阻值发生变化。

对于气体热传导散热Q_gas而言，可以通过以下公式计算：其中，λ表示气体导热系数，单位是W/(m·K)；A表示热丝表面积；l表示传热长度；T_d表示微型热导检测器温度，T_f表示热丝温度。

气体通过热丝的上下两个面进行热传导，当载气(一般选择氢气或氦气)中目标气体浓度发生变化，混合气体的等效导热系数发生变化，气体带走的热量发生变化，热丝的温度就会发生变化。因此，提高Q_gas占整体散热的比例(例如可以通过直接提高Q_gas或降低Q_con、Q_rad和Q_solid的方式实现)，可以有效地提高μ-TCD对气体浓度的灵敏度。

对于气体热对流散热Q_con而言，可以通过以下公式计算：Q_con＝h(T_f-T_g)A。其中，h表示对流平均传热系数，单位是W/(m²·K)；A表示热丝表面积；T_g为气流温度。

无论是强制对流还是自然对流，都可以采用上述公式，只是计算使用的平均传热系数，分别取强制对流平均传热系数和自然对流平均传热系数。显然，提高Q_con占整体散热的比例(例如可以通过直接提高Q_con或降低Q_gas、Q_rad和Q_solid的方式实现)，可以有效地提高μ-TCD对气体浓度的灵敏度。