真空PT100

铂热电阻PT100因其精度高、稳定性好、线性度佳且可标准化互换，被广泛用于工业测温。然而，在高真空（10⁻³ Pa级及以上）或超高真空（10⁻⁷ Pa级及以上）环境中，普通PT100面临一系列特殊挑战：

• 传统封装材料与工艺中的气体释放（Outgassing）会污染真空系统；

• 真空绝热效应改变散热条件，影响温度响应与自热误差；

• 绝缘与密封结构需同时满足耐温、耐真空、低释气要求。

为此，发展了专门针对真空环境的真空PT100，其在材料选择、结构设计、封装工艺及性能验证方面均有别于常规PT100。本报告将从真空环境特性与测量难点、材料与结构设计、性能验证方法、典型应用及选型建议五个维度，系统分析真空PT100的技术内涵与工程实现。

二、真空环境特性与测量难点

2.1 真空环境分类与特点

• 低真空：10⁵～10² Pa，气体分子较多，对流换热明显；

• 高真空：10²～10⁻³ Pa，对流可忽略，导热与辐射为主；

• 超高真空：＜10⁻³ Pa，气体分子极少，固体导热与辐射占主导。

2.2 真空对PT100的主要影响

1. 气体释放污染：

   • 有机胶黏剂、普通塑料、含水分陶瓷等在真空加热时释放水蒸气、CO₂、有机物蒸气，污染真空室壁与样品；

   • 释气量超标会影响半导体、光学镀膜、粒子加速器等精密工艺。

2. 散热条件改变：

   • 真空下对流换热消失，散热依赖导热与辐射，传感器自身发热不易散出，导致自热误差增大；

   • 同样激励电流下，真空环境温升高于大气环境。

3. 绝缘与密封挑战：

   • 真空密封不良会导致外界气体渗入，破坏真空度；

   • 真空法兰、玻璃-金属封接等需兼顾温度范围与真空兼容性。

4. 温度响应特性变化：

   • 真空下热容与热阻分布改变，响应时间常数不同于常压，需重新标定。

三、真空PT100的材料与结构设计

3.1 低释气材料体系

选材原则：所有材料必须通过真空热释气测试（如ASTM E595），总质量损失（TML）＜1%，可凝挥发物（CVCM）＜0.1%。

3.2 结构设计与封装工艺

1. 全金属铠装结构：

   • 采用无缝金属管（316L或钛合金）作护套，内部填充高纯Al₂O₃，经振动密实与高温烧结；

   • 端部缩口并激光焊或氩弧焊密封，确保零泄漏。

2. 玻璃-金属封接：

   • 在需要电气引出至真空外的部位，采用可伐合金与硬玻璃封接，形成气密过渡；

   • 封接区需退火消除应力，防止真空热循环中开裂。

3. 低释气绝缘系统：

   • 完全摒弃有机绝缘，采用陶瓷珠、陶瓷管或蓝宝石杆作为引线绝缘；

   • 内部连接采用电阻焊或超声焊，避免焊剂残留。

4. 真空馈通设计：

   • 传感器引线通过真空法兰馈通（KF、CF、ISO法兰），馈通端子材料与绝缘均需低释气；

   • 馈通处加金属屏蔽，减少电磁干扰与电荷积累。

四、性能验证与测试方法

4.1 真空热释气测试

• 按ASTM E595，在真空炉中125℃预热24h，随后在25℃下抽真空24h，测量TML与CVCM；

• 合格指标：TML＜1%，CVCM＜0.1%。

4.2 真空密封性检验

• 氦质谱检漏：泄漏率＜1×10⁻⁹ Pa·m³/s；

• 保压试验：在10⁻⁶ Pa真空度下保压24h，真空度变化不超过一个量级。

4.3 自热误差与功率标定

• 在真空与常压下分别施加相同激励电流，比较温升；

• 调整激励电流，使真空下自热温升＜0.1℃（通常取0.1～0.3mA对应PT100）。

4.4 温度响应与精度测试

• 在真空环境温区（如室温～200℃）与标准铂电阻温度计比对，记录非线性、迟滞与重复性；

• 在变真空度（10⁵→10⁻⁶ Pa）过程中监测输出稳定性，评估真空变化对读数的影响。

五、典型应用案例

5.1 真空热处理与烧结炉

• 在真空炉内多点布置真空PT100，监测炉料与炉壁温度，控温精度达±1℃；

• 全金属铠装结构耐受反复抽真空与高温，不释气污染工件。

5.2 半导体制造设备

• 在CVD、PVD、外延生长设备中，真空PT100用于反应腔、加热器与冷却液温度监控；

• 低释气特性保证薄膜沉积纯度与器件良率。

5.3 空间环境模拟与航天测试

• 在热真空试验舱中，真空PT100用于模拟太空热环境，考核卫星、航天器组件的热性能；

• 可配合辐射加热板与液氮冷板实现宽温区控制。

5.4 粒子加速器与核科学装置

• 在束流管道、超导磁体与靶站中，真空PT100监测低温与常温段温度，保障运行安全；

• 耐辐射与低释气特性满足洁净度要求。

六、选型与设计建议

1. 明确真空等级与温度范围：

   • 超高真空应用必须选用全陶瓷或全金属结构，并通过释气认证；

   • 温度＞600℃时优选Inconel或钛合金护套。

2. 激励电流优化：

   • 真空下降低激励电流以抑制自热，必要时采用脉冲供电或比例测量技术。

3. 安装位置与热耦合：

   • 传感器与被测件间采用低热阻接触（如导热硅脂、金属夹具），避免真空界面热阻引入误差；

   • 避免安装在强辐射热源直射处，以免辐射误差掩盖真实温度。

4. 冗余与校准：

   • 关键工艺节点采用双支真空PT100冗余配置；

   • 定期取出在标准环境下校准，修正长期漂移。

七、结论

真空PT100是在高真空/超高真空、低释气、高洁净度要求下发展的特种温度传感器。其核心在于全无机材料体系、全金属或玻璃-金属气密封装、严格的释气与密封性控制，并需针对真空散热条件优化激励与信号处理。与普通PT100相比，真空型在材料成本、制造工艺、验证流程上要求更高，但在半导体、航天、核科学、真空冶金等领域，其不污染真空环境、长期稳定可靠的优势不可替代。随着真空装备与工艺向更高洁净度与更大规模发展，真空PT100将继续向更高精度、更低释气、更长寿命方向演进。