گیج وکیوم پیرانی یکی از پرکاربردترین و قابل‌اعتمادترین ابزارهای اندازه‌گیری فشار در محدوده خلأ متوسط است که بر اساس تغییر رسانایی حرارتی گاز در فشارهای مختلف عمل می‌کند. این مقاله بر پایه منابع علمی، به بررسی جامع تاریخچه، اصول فیزیکی، انواع مختلف، تولیدکنندگان، کاربردها و چالش‌های این فناوری می‌پردازد.
مقدمه
اندازه‌گیری دقیق فشار در محیط‌های خلأ برای بسیاری از فرایندهای صنعتی و تحقیقاتی اهمیت حیاتی دارد. گیج وکیوم پیرانی که نام آن از مارچلو پیرانی (Marcello Pirani) دانشمند آلمانی گرفته شده، در سال ۱۹۰۶ کشف شد. پیرانی متوجه شد که جریان حرارتی موردنیاز برای ذوب فلزات در محیط خلأ با کاهش فشار هوا کاهش می‌یابد، به عبارت دیگر، زمانی که چگالی هوا در یک محفظه کاهش می‌یابد، انتقال حرارت از طریق گاز نیز به‌طور همزمان کاهش می‌یابد. این پدیده “اثر پیرانی” نامیده شد و اساس طراحی سنسورهایی قرار گرفت که بر اساس تغییر هدایت حرارتی، فشار گاز را تشخیص می‌دهند.
اصول فیزیکی عملکرد گیج وکیوم پیرانی
مبانی انتقال حرارت
گیج وکیوم پیرانی بر اساس این اصل کار می‌کند که رسانایی حرارتی یک گاز به فشار آن بستگی دارد. در این دستگاه، یک المنت حرارتی (معمولاً یک سیم یا فیلامنت) توسط جریان الکتریکی گرم می‌شود. حرارت از این المنت از سه مسیر می‌تواند تلف شود:
- هدایت جامد: انتقال حرارت از طریق اتصالات فیزیکی المنت به ساختار نگهدارنده
- هدایت گازی: انتقال حرارت از طریق برخورد مولکول‌های گاز با سطح المنت گرم
- تابش حرارتی: انتقال حرارت به‌صورت امواج الکترومغناطیسی
در محدوده فشار متوسط (حدود ۱۰⁻³ تا ۱۰² میلی‌بار)، هدایت گازی مکانیزم غالب انتقال حرارت است. هرچه فشار گاز بیشتر باشد، تعداد مولکول‌های بیشتری برای انتقال حرارت در دسترس هستند و در نتیجه دمای المنت کاهش می‌یابد. برعکس، در فشارهای پایین‌تر، کمبود مولکول‌های گاز منجر به کاهش انتقال حرارت و افزایش دمای المنت می‌شود.
رابطه دما و مقاومت الکتریکی
از آنجا که مقاومت الکتریکی فلزات با دما رابطه مستقیم دارد، تغییر مقاومت المنت می‌تواند به‌عنوان نشانه‌ای از تغییر فشار استفاده شود. این رابطه معمولاً توسط ضریب دمایی مقاومت (Temperature Coefficient of Resistance – TCR) توصیف می‌شود. هرچه TCR بالاتر باشد، حساسیت سنسور به تغییرات دما و در نتیجه فشار بیشتر خواهد بود.
مدهای عملکردی
گیج‌های پیرانی می‌توانند در دو مد اصلی کار کنند:
۱. مد جریان ثابت (Constant Current Mode): در این مد، جریان عبوری از المنت ثابت نگه‌داشته می‌شود و تغییرات ولتاژ در دو سر المنت اندازه‌گیری می‌شود. این مد برای فشارهای پایین‌تر حساسیت بالاتری دارد.
۲. مد دمای ثابت (Constant Temperature Mode): در این روش، دمای المنت با استفاده از یک مدار فیدبک در مقدار ثابتی نگه‌داشته می‌شود و توان موردنیاز برای حفظ این دما اندازه‌گیری می‌شود. این مد برای فشارهای بالاتر حساسیت بهتری ارائه می‌دهد.
تحقیقات نشان داده‌اند که برای شرایط قابل مقایسه، عملکرد دمای ثابت حساسیت بالاتری برای فشارهای بالا دارد، در حالی که عملکرد جریان ثابت حساسیت بیشتری در فشارهای پایین نشان می‌دهد. برخی از گیج‌های پیشرفته از سیستم سه‌مُدی بهره می‌برند تا حساسیت را در محدوده‌های مختلف بهینه کنند.
انواع مختلف گیج‌های پیرانی مبتنی بر MEMS
با پیشرفت فناوری سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS)، گیج‌های پیرانی سنتی که بزرگ، گران و دشوار در تولید انبوه بودند، به سنسورهای کوچک، کم‌مصرف و قابل تولید انبوه تبدیل شده‌اند.
۱. گیج وکیوم پیرانی مبتنی بر ترمیستور (Thermistor-Based)
این نوع از گیج‌ها از یک ترمیستور به‌عنوان هم گرمکن و هم عنصر حسگر استفاده می‌کنند. مقاومت ترمیستور تابعی از دما است و تغییر دما با فشار هوا ارتباط نزدیکی دارد. این گیج‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- پیکربندی انتقال حرارت عمودی: در این نوع، گرمکن و چاه حرارتی به‌صورت عمودی توزیع شده‌اند. ساختارهای میکروبریج با فاصله نانومتری بین گرمکن و چاه حرارتی برای تشخیص فشارهای بالا مناسب هستند، در حالی که ساختارهای غشای دی‌الکتریک با سطح بزرگ‌تر برای فشارهای پایین مطلوب‌اند.
- پیکربندی انتقال حرارت جانبی: در این طراحی، گرمکن و چاه حرارتی به‌صورت افقی کنار هم قرار دارند و معمولاً از یک لایه مشترک ساخته می‌شوند، که فرایند تولید را ساده‌تر می‌کند.
۲. گیج‌های پیرانی مبتنی بر ترموکوپل (Thermocouple-Based)
این سنسورها بر اساس اثر سیبک (Seebeck effect) کار می‌کنند. زمانی که سرهای داغ گرم می‌شوند، در سرهای سرد ولتاژی تولید می‌شود. معمولاً چندین جفت نوار ترموکوپل به‌صورت سری متصل شده و یک ترموپایل تشکیل می‌دهند. این نوع گیج‌ها کاملاً سازگار با فرایند CMOS هستند و می‌توانند در محدوده ۱۰⁻³ تا ۱۰⁵ پاسکال عمل کنند.
۳. گیج‌های خلا پیرانی مبتنی بر دیود (Diode-Based)
این سنسورها از ضریب دمایی دیودهای p/n-junction استفاده می‌کنند و نیاز به مواد حساس به حرارت خاصی ندارند. فرایند ساخت آن‌ها بسیار ساده و سازگار با CMOS است و امکان یکپارچه‌سازی آسان با سایر دستگاه‌ها و مدارها را فراهم می‌کند. این گیج‌ها می‌توانند محدوده بسیار وسیعی از ۲×۱۰⁻³ تا ۱۰⁵ پاسکال را پوشش دهند.
۴. گیج‌های پیرانی مبتنی بر موج صوتی سطحی (SAW-Based)
برخلاف سایر انواع که بر اساس تغییر مقاومت کار می‌کنند، گیج‌های SAW بر اساس تغییر فرکانس موج عمل می‌کنند[1]. فرکانس انتشار موج صوتی سطحی به پارامترهایی مانند دما، فشار و رطوبت محیط اطراف بسیار حساس است. این سنسورها می‌توانند تغییرات کوچک فشار تا حد ۱۰⁻³ پاسکال را تشخیص دهند[1].
۵. گیج وکیوم پیرانی مبتنی بر مواد عملکردی
در سال‌های اخیر، استفاده از مواد عملکردی نوین در گیج وکیوم پیرانی گزارش شده است که شامل:
- اکسید آلومینیوم آندی نانومتخلخل (AAO): افزایش سطح حساس موثر و کاهش هدایت جامد
- نانولوله‌های کربنی (CNT): به دلیل اندازه نانومتری، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا
- گرافن: مواد دوبعدی با سطح بزرگ، هدایت الکتریکی عالی و پایداری شیمیایی خوب
- کامپوزیت گرافن اکسید کاهش‌یافته با αFe₂O₃: با TCR بالا و سطح وسیع
این مواد می‌توانند محدوده حساسیت را گسترش دهند و کاربردهای گیج‌های پیرانی را افزایش دهند.
تولیدکنندگان و محصولات تجاری
صنعت اندازه‌گیری خلأ توسط چندین شرکت پیشرو در سطح جهانی تسلط یافته است که محصولات پیشرفته گیج پیرانی ارائه می‌دهند. اگرچه اطلاعات دقیق درباره تمام تولیدکنندگان در منابع بررسی‌شده موجود نیست، اما برخی از شرکت‌های برجسته عبارتند از:
۱. Inficon: این شرکت یکی از تولیدکنندگان شناخته‌شده گیج‌های وکیوم است. محصولات آن‌ها در سیستم‌های اکتساب داده خلأ و کاربردهای صنعتی مختلف استفاده می‌شوند. مدل‌های مختلفی مانند BPG400 برای کاربردهای تخصصی طراحی شده‌اند.
۲. Pfeiffer Vacuum: یکی از شرکت‌های پیشرو در فناوری خلأ که طیف گسترده‌ای از گیج‌های پیرانی و ترکیبی را تولید می‌کند. سری TPG این شرکت از محبوبیت بالایی در صنایع نیمه‌هادی و تحقیقاتی برخوردار است.
۳. Edwards (Atlas Copco): تولیدکننده تجهیزات خلأ با سابقه طولانی که محصولات کیفیت بالا برای کاربردهای صنعتی ارائه می‌دهد. گیج وکیوم APG200 جزو گیج های پرکاربرد در ایران می باشد.
۴. MKS Instruments: تولیدکننده ابزارهای دقیق اندازه‌گیری و کنترل فرایند که گیج‌های پیرانی پیشرفته برای صنایع نیمه‌هادی تولید می‌کند.
۵. Leybold (Atlas Copco): شرکت معتبر آلمانی با سابقه دیرینه در فناوری خلأ که راه‌حل‌های نوآورانه برای صنایع غذایی، داروسازی و نیمه‌هادی ارائه می‌دهد.
۶. Kurt J. Lesker Company: تامین‌کننده تجهیزات خلأ و مواد برای کاربردهای تحقیقاتی و صنعتی.
۷. Agilent Technologies: تولیدکننده تجهیزات تحلیلی و اندازه‌گیری که گیج‌های خلأ دقیق برای کاربردهای آزمایشگاهی تولید می‌کند.
شرکت‌های تولیدکننده چینی مانند Jiangsu Hinovaic Technologies نیز در سال‌های اخیر وارد بازار شده و محصولات MEMS Pirani با قیمت رقابتی ارائه می‌دهند.
محدوده اندازه‌گیری و دقت
گیج وکیوم پیرانی معمولاً قادر به اندازه‌گیری فشار در محدوده ۱۰⁻³ تا ۱۰² میلی‌بار (معادل ۰.۱ تا ۱۰،۰۰۰ پاسکال) هستند. با این حال، این محدوده بسته به طراحی خاص و مواد استفاده‌شده می‌تواند متفاوت باشد:
- گیج‌های MEMS پیشرفته می‌توانند تا ۱۰⁻⁴ پاسکال را تشخیص دهند
- گیج‌های مبتنی بر مواد عملکردی مانند نانولوله‌های کربنی می‌توانند محدوده ۱۰⁻⁴ تا ۱۰⁵ پاسکال را پوشش دهند
- گیج‌های ترکیبی که از چند المنت با اندازه‌های مختلف استفاده می‌کنند، می‌توانند هم دقت بالا و هم محدوده گسترده را ارائه دهند
دقت گیج‌های پیرانی معمولاً در حدود ۵ تا ۱۰ درصد مقدار واقعی است. عوامل مختلفی بر دقت تأثیر می‌گذارند:
- وابستگی به نوع گاز: رسانایی حرارتی گازهای مختلف متفاوت است، بنابراین گیج باید برای گاز خاصی (معمولاً نیتروژن) کالیبره شود
- تغییرات دمای محیط: دمای محیط می‌تواند بر عملکرد گیج تأثیر بگذارد
- پیری فیلامنت: با گذشت زمان، خواص فیلامنت می‌تواند تغییر کند
- آلودگی: رسوب مواد بر روی فیلامنت می‌تواند عملکرد را تحت تأثیر قرار دهد
کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی
گیج‌های پیرانی در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می‌شوند:
صنایع نیمه‌هادی
در تولید نیمه‌هادی‌ها، کنترل دقیق خلأ برای فرایندهایی مانند:
- لیتوگرافی نوری فرابنفش شدید (EUV)
- اچینگ یونی واکنشی (RIE)
- رسوب شیمیایی بخار (CVD)
- رسوب فیزیکی بخار (PVD)
فضایی و نظامی
گیج‌های پیرانی MEMS به دلیل اندازه کوچک، وزن کم و قابلیت اطمینان بالا در سیستم‌های موشک‌های صوتی و ماهواره‌ها استفاده می‌شوند.
پوشش‌های نازک
در فرایندهای تبخیر فیزیکی بخار برای تولید پوشش‌های نازک فلزی، دی‌الکتریک و نوری.
دستگاه‌های تحلیلی
در تجهیزات آزمایشگاهی مانند:
- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
- طیف‌سنج جرمی
- طیف‌سنج فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS)
- رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR)
بسته‌بندی خلأ
نظارت بر سطح خلأ در دستگاه‌های بسته‌بندی‌شده مانند:
- ژیروسکوپ‌های MEMS
- شتاب‌سنج‌های دقیق
- آرایه‌های کانونی مادون قرمز غیرخنک‌شده (UFPA)
- میکروبولومترها
- سوئیچ‌های فرکانس رادیویی
صنایع خودرو و غذایی
برای نظارت بر فرایندهای تحت خلأ، فریز خشک کردن و بسته‌بندی.
مقایسه با سایر گیج‌های خلأ
برای درک بهتر جایگاه گیج پیرانی، مقایسه آن با سایر انواع گیج‌های خلأ مفید است:
| نوع گیج | محدوده فشار (Pa) | اصل عملکرد | مزایا | معایب |
|---|---|---|---|---|
| پیرانی | ۱۰⁻¹ تا ۱۰⁴ | رسانایی حرارتی | ارزان، قابل اعتماد، پاسخ سریع | وابسته به نوع گاز، دقت متوسط |
| پنینگ (Penning) | ۱۰⁻⁶ تا ۱۰⁻¹ | یونیزاسیون سرد | دقت بالا در خلأ بالا | نیاز به ولتاژ بالا، پاسخ کند |
| یونیزاسیون گرم | ۱۰⁻⁸ تا ۱۰⁻² | یونیزاسیون داغ | دقت بسیار بالا | شکننده، گران، نیاز به کاتد داغ |
| خازنی (Capacitance) | ۱۰⁻¹ تا ۱۰⁵ | تغییر شکل غشاء | دقت بالا، مستقل از گاز | گران، حساس به ارتعاش |
| مک‌لئود (McLeod) | ۱۰⁻⁴ تا ۱۰⁰ | فشرده‌سازی مکانیکی | دقیق، مطلق | حجیم، کند، استفاده از جیوه |
در عمل، برای پوشش محدوده وسیع خلأ، اغلب از ترکیب گیج پیرانی (برای خلأ متوسط) و گیج پنینگ یا یونیزاسیون (برای خلأ بالا) استفاده می‌شود.
کالیبراسیون و نگهداری
کالیبراسیون دوره‌ای گیج‌های پیرانی برای حفظ دقت ضروری است. تحقیقات نشان داده‌اند که گیج‌های خلأ می‌توانند در طول زمان انحراف قابل توجهی از مقدار کالیبره‌شده اولیه داشته باشند، به‌ویژه در محدوده‌های بالایی و پایینی خلأ متوسط.
روش‌های کالیبراسیون
کالیبراسیون معمولاً با استفاده از روش مقایسه انجام می‌شود که در آن گیج مورد آزمایش با یک استاندارد کاری که دارای کالیبراسیون قابل ردیابی SI است، مقایسه می‌شود. برای گیج‌های پیرانی، معمولاً از گیج‌های خازنی به‌عنوان مرجع استفاده می‌شود زیرا مستقل از نوع گاز هستند.
عوامل مؤثر بر عمر مفید
- آلودگی سطح فیلامنت که می‌تواند خواص حرارتی را تغییر دهد
- پیری مواد به‌ویژه در دماهای بالای عملکرد
- تغییرات در خواص الکتریکی مدارها
- شوک‌های مکانیکی و ارتعاشات
برای افزایش عمر مفید، توصیه می‌شود:
- از قرار دادن گیج در معرض فشارهای بالا برای مدت طولانی خودداری شود
- از گازهای خورنده یا واکنش‌دهنده که می‌توانند به فیلامنت آسیب برسانند، اجتناب شود
- کالیبراسیون منظم طبق توصیه سازنده انجام شود
- محدوده دمای عملکرد رعایت شود
چالش‌ها و جهت‌گیری‌های آینده
چالش‌های موجود
- غیرخطی بودن پاسخ: رابطه بین فشار و خروجی سیگنال در سراسر محدوده خطی نیست
- وابستگی به گاز: ضرایب تصحیح برای گازهای مختلف نیاز است
- محدودیت محدوده: یک گیج واحد نمی‌تواند کل طیف خلأ از اتمسفر تا خلأ فوق‌العاده بالا را پوشش دهد
- سازگاری با CMOS: برخی طراحی‌های پیشرفته با فرایندهای استاندارد CMOS سازگار نیستند
نوآوری‌های اخیر
تحقیقات اخیر بر روی موارد زیر متمرکز شده است:
- گیج‌های چند مُدی: استفاده از چند مد عملکرد برای بهینه‌سازی حساسیت در محدوده‌های مختلف
- گیج‌های ترکیبی: استفاده از چند المنت با اندازه‌های مختلف برای گسترش محدوده و افزایش دقت
- یکپارچه‌سازی با سنسور دما: کامپانسیشن خودکار تغییرات دمای محیط
- کالیبراسیون تطبیقی مبتنی بر یادگیری ماشین: جبران خودکار برای تغییرات دمای محیط، ترکیب گاز و پیری فیلامنت
- سنسورهای بی‌سیم: گیج‌های پیرانی مبتنی بر SAW که به‌صورت کاملاً بی‌سیم کار می‌کنند
چشم‌انداز آینده
آینده فناوری گیج پیرانی در جهت‌های زیر پیش می‌رود:
- مینیاتوری‌سازی بیشتر: گیج‌های فوق‌کوچک برای یکپارچه‌سازی در دستگاه‌های قابل حمل و پوشیدنی
- مصرف انرژی پایین‌تر: طراحی‌های جدید با توان مصرفی در حد میکرووات برای کاربردهای باتری‌دار
- هوشمندسازی: سنسورهای هوشمند با قابلیت خود-کالیبراسیون و خود-تشخیص
- محدوده گسترده‌تر: ترکیب با فناوری‌های نوین برای پوشش محدوده از ۱۰⁻⁶ تا ۱۰⁵ پاسکال
- چندعملکردی: سنسورهایی که علاوه بر فشار، نوع گاز را نیز تشخیص دهند
نتیجه‌گیری
گیج وکیوم پیرانی به‌عنوان یکی از ابزارهای کلیدی اندازه‌گیری فشار در محدوده خلأ متوسط، ترکیبی موفق از سادگی، قابلیت اطمینان و مقرون‌به‌صرفه بودن را ارائه می‌دهد. از زمان کشف اثر پیرانی در سال ۱۹۰۶ تاکنون، این فناوری تحولات قابل توجهی داشته است، به‌ویژه با ورود تکنولوژی MEMS که امکان مینیاتوری‌سازی، کاهش مصرف انرژی و تولید انبوه را فراهم کرده است.
تنوع در انواع گیج‌های پیرانی شامل ترمیستوری، ترموکوپلی، دیودی، SAW و مبتنی بر مواد عملکردی، انعطاف‌پذیری لازم برای کاربردهای مختلف را تأمین می‌کند. تولیدکنندگان معتبر جهانی مانند Pfeiffer Vacuum، Inficon، Edwards و MKS Instruments محصولات متنوعی را برای صنایع نیمه‌هادی، فضایی، تحقیقاتی و صنعتی ارائه می‌دهند.