王浩志

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266104)

0 前言

1654年，德堡半球实验第一次证明了真空状态的存在。如今真空压力传感器广泛用于工业和科学研究领域，种类繁多，样式各异。随着电子技术的发展，尤其是微化工技术的兴起，人们亟需高精度、宽有效测量范围、低功耗、小尺寸器件。

根据测量原理不同，气压传感器可分为3类：气体热扩散式、带电粒子作用式、机械式气压传感器。皮拉尼真空传感器是一种用于测量真空系统压力的热传导气压传感器。它是1906年由马塞洛·皮拉尼(Marcello Pirani)发明的，因其结构简单、可靠性高，被广泛应用于10～10Pa真空环境的测量。目前常用的皮拉尼真空规体积大、功耗较高、响应范围与灵敏度局限性较大。近年来随着微机电系统(MEMS)技术与二维材料加工技术的发展，在保证一定性能的同时,传感元件的尺寸大幅缩减到微纳尺度，而二维材料的高比表面积、高热导率、高温度电阻系数也有助于提高传感器的各项性能。本文设计了一种基于二维材料的MEMS皮拉尼气压传感器，并进行了加工与测试。

1 基础设计方案

1.1 器件结构设计

经典的皮拉尼气压传感器原理模型可以被看成是电加热丝和散热片的组合，其工作原理也可以视为随着气压变化,电加热丝的热损耗速率也随之变化。

电热丝产生的热量(

P

=

I

·

R

)通过3种形式散失，见图1。图中

Q

为通过固体的热扩散；

Q

为热辐射；

Q

为通过气体的热扩散，与气压有关。

图1 经典皮拉尼真空传感器示意