Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы разработки расходомеров на базе микромеханических систем 11
1.1. Первичные преобразователи в тепловых расходомерах различной конструкции 11
1.1.1. Термоконвективные расходомеры на основе "байпас - технологии" 11
1.2. Тепловые расходомеры с полупроводниковыми элементами 19
1.3. Расходомеры на базе микромеханических систем 22
1.3.1. Влияние материалов и конструктивных особенностей МЭМС первичных преобразователей в термоконвективных газовых < расходомерах на их технические характеристики 24
1.3.2. Оценка физико-механических свойств мембран МЭМС сенсоров 47
1.4. Моделирование МЭМС сенсоров 49
Выводы по разделу 1 < 58
2. Физико-механические характеристики нитевидных первичных преобразователей в газовых расходомерах 59
2.1. Классификация термомикросистем 59
2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния и собственной частоты колебаний свободной нити терморезистора в газовом потоке 64
2.2.1. Анализ напряженно-деформированного состояния 64
2.2.2. Расчёта термонапряжений и собственной частоты кремниевого нитевидного терморезистора 70
2.3. Расчёт термонапряжений и изменения сопротивления в нитевидном терморезисторе на подложке 72
2.4. Термомеханическая устойчивость нитевидных преобразователей в микроэлектромеханических системах 78
Выводы по разделу 2 88
3. Компьютерное моделирование газодинамики и теплообмена в газовых расходомерах с нитевидными преобразователями 89
3.1. Описание программ и выбор расчётных моделей 89
3.1.1. Программы моделирования, цель их применения 89
3.1.2. Выбор моделей теплового расходомера (с локальным нагревом, с проволочным, размеры терморезисторов, расположение их в чипе) 102
3.2. Газодинамический расчёт течения, газов в канале и в камере теплообмена 111
3.2.1. Течение газа в канале. 111
3.2.2. Течение газа в теплообменной камере 111
3.3. Температура газа в теплообменной камере 121
3.3.1. Термодинамические характеристики микрочипа с точечным источником нагрева 126
3.3.2. Температура газа в теплообменной камере для чипа с терморезисторами на мембране 126
Выводы по разделу 3 133
4. Разработка расходомера с нитевидными преобразователями для малых расходов газа 134
4.1. Аспекты чистоты при разработке расходомеров на базе МЭМС технологии 134
4.2. Конструкция и материалы первичных преобразователей 141
4.3. Основные характеристики преобразователей 146
4.3.1. Быстродействие 149
4.3.2. Градуировочные кривые 152
4.3.3. Линейность 158
4.3.4. Чувствительность 158
4.3.5. Воспроизводимость 161
4.3.6. Термокомпенсация 162
4.4. Конструкция регулятора расхода газа с полупроводниковым первичным преобразователем 162
4.4.1 .Требования к прибору 162
4.4.2. Описание прибора 163
4.4.3. Устройство и работа регулятора 165
Общие выводы 169
Литература 171
Приложение 1
Акты внедрения
- Термоконвективные расходомеры на основе "байпас - технологии"
- Исследование напряженно-деформированного состояния и собственной частоты колебаний свободной нити терморезистора в газовом потоке
- Программы моделирования, цель их применения
- Конструкция и материалы первичных преобразователей
Введение к работе
Возрастающая потребность в микромеханических сенсорах и микро. -электромеханических .системах обусловлена динамичным развитием малоразмерных аппаратов и устройств нового поколения [1-3]. Эта тенденция определяет динамику мирового рынка изделий МСТ (микросистемной техники).
Проблема точного дозирования исходных газовых реагентов высокой степени чистоты, контроля и детектирования газов при работе комплексных систем существует в новых технологических процессах микроэлектроники, химии, фармакологии, биохимии, медицины, в системах охраны окружающей среды и др. областях промышленности.
В области техники измерения расходов применяются более двух десятков различных методов, в которых используются разнообразные физические эффекты. Каждый метод может иметь несколько вариантов реализации, что обусловлено существованием широкого диапазона расходов, которые необходимо измерять (от больших - свыше 1000 л/ч до сверхмалых — менее 1 л/ч).
Использование различных физических эффектов в качестве основы для реализации процесса измерения обусловливает разнообразие конструкций расходомеров, их размеров, материалов и, в конечном итоге, их стоимость [4-7]. Совершенствование первичных преобразователей, как неотъемлемой части регуляторов расхода газов (РРГ) ведется с целью повышения надежности и точности контроля газового потока. Возрастающие требования к этим характеристикам, а также к экономической эффективности устройств контрольно-измерительной техники, в наибольшей степени удовлетворяется теплообменными измерительными преобразователями [8].
Конструктивные решения при проектировании новых систем часто базируются на эмпирических зависимостях и сдерживаются отсутствием данных расчетных моделей. В настоящий момент признается, что работы в
области физического дизайна, подбора, материалов' для производства первичных преобразователей требуют широкого компьютерного моделирования динамики потока, анализа параметров напряженно -деформированного состояния и изменения электрофизических параметров терморезисторов. Для понимания функционирования и предсказания
»
технических характеристик микросистем необходимо всестороннее моделирование поведения как отдельных материалов и деталей, так и узлов и конструкций в целом [2,9].
Актуальность проблемы Учет факторов масштабирования и групповых
микроэлектронных технологий изготовления чувствительных элементов,
расширение областей применения микромеханических систем выдвигают
новые проблемы конструкторско-технологического характера. К ним
относятся: выбор расчетных схем и моделей, наиболее полно
учитывающих факторы, влияющие на технические характеристики
микромеханических систем, оптимизация параметров конструкций,
обеспечивающих требуемые динамические характеристики
чувствительных элементов; подбор и создание материалов, поиск способов уменьшения влияния напряженно-деформированного состояния конструкций, технологических, температурных и иных факторов- на точность и стабильность характеристик микромеханических систем; выбор электронных элементов с минимальным уровнем собственных шумов и др. Решение указанных проблем ведет к существенному улучшению технических характеристик микромеханических изделий и расширению сферы их применения.
Цель работы - Определение основных закономерностей работы первичных нитевидных преобразователей в виде терморезистивных элементов и разработка дозатора малых расходов газа. В работе решаются следующие задачи:
Расчёт напряженно-деформированного состояния и собственной частоты колебаний свободной нити терморезистора в газовом потоке.
Расчёт термонапряжений и изменения сопротивления в нитевидном терморезисторе на подложке.
3. Компьютерное моделирование газодинамики и теплообмена в
тепловых газовых расходомерах.
Газодинамический расчёт течения газов в канале и в камере теплообмена.
Исследование работы первичных преобразователей в виде терморезистивных элементов и полупроводникового микрочипа.
6. Разработка регулятора расхода газа . с нитевидным полупроводниковым первичным преобразователем.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Г. Исследовано напряженно-деформированного состояние нити, оценена ее собственная частота и вклад терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора.
Проведен анализ изменения сопротивления терморезисторов на подложке за счёт терморезистивного и тензорезистивного эффектов.
Методом компьютерного моделирования исследованы газодинамика и теплообмен в тепловых газовых расходомерах для двух различных конструкций микрочипов с точечным источником нагрева и нитевидным нагревателем.
Впервые методом компьютерного моделирования исследован характер распределения тепловых полей и переноса тепла между чувствительными элементами чипов в камере теплообмена, оценены температуры тепловых источников и профили распределения температур.
Практическая значимость
Предложен метод расчета напряженно-деформированного состояния нити и оценки ее собственной частоты и вклада терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора.
Проведен анализ газодинамических параметров потока в первичных преобразователях различной конструкции. Установлено распределение температуры в потоке, аномальность течения газа в конструкциях с коническим углублением.
Предложены методики расчёта параметров чипа для новой конструкции расходомера
Разработана конструкторская документация и изготовлен прибор газового расходомера с чипом оптимальной конструкции.
Личный вклад соискателя
Автору принадлежит анализ современного состояния и формулирование задач в области совершенствования тепловых первичных преобразователей газовых расходомеров; выполнение экспериментов, расчетов; систематизация и анализ результатов. Автором был осуществлен комплекс работ по компьютерному моделированию газодинамики и теплообмена в тепловых газовых расходомерах, проведен анализ и обобщение полученных результатов, сделаны выводы и рекомендации для создания оптимальных конструкций газовых расходомеров.
Основной объем исследований-и разработок, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с С. В. Сажневым, которому автор благодарен за тесное и плодотворное научное сотрудничество.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
- анализ напряженно-деформированного состояние нити, оценка ее
собственной частоты и вклада терморезистивного эффекта в общий сигнал
терморезистора
- метод расчёта термонапряжений и собственной частоты кремниевого
нитевидного терморезистора,
- метод расчета термонапряжений и изменения сопротивления в нитевидном
терморезисторе на подложке
результаты компьютерного моделирования газодинамики и теплообмена в тепловых газовых расходомерах
результаты газодинамического расчёта течения газов в канале и в камере теплообмена
результаты исследования работы первичных преобразователей на основе терморезистивных элементов и полупроводникового микрочипа.
Внедрение и использование результатов
Результаты исследований были использованы в ЗАО «Элточприбор» при разработке быстродействующего прецизионного газового дозатора РРГ-300. Прибор опробован и внедрен в системах контроля газовых потоков на предприятиях НПФ "Крио-практик", ООО "Микросенсорная техника", что отражено в актах о внедрении.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на V-ой Международной конференции «Электроника и информатика» (Москва, МИЭТ, 2005 г.), на ежегодных Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электроника и информатика» (Москва, МИЭТ, 2004 - 2005 г.г.), на 12-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2006 г.)
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 тезисов докладов, 5 статей. Материалы диссертации отражены в 2 научно-технических отчетах.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, где изложена сущность и
актуальность проблемы, 4 разделов, выводов и приложений.
Диссертация изложена на 182 страницах, из которых 170 составляет
основной текст работы, включая 96 рисунков и 12 таблиц.
Список литературы содержит 125 источника, включая 5 работ с участием
автора.
Термоконвективные расходомеры на основе "байпас - технологии"
Действие тепловых расходомеров основано на измерении температуры потока, зависящем от расхода газа. Разработанные и используемые расходомеры различаются способом нагрева, расположением нагревателя (снаружи или внутри трубопровода) и характером функциональной зависимости между расходом и измеряемым сигналом. Основной способ нагрева - электрический омический. По характеру теплового взаимодействия с потоком тепловые расходомеры подразделяются на калориметрические, термоконвективные и термоанемометрические. При электрическом омическом нагреве у калориметрических расходомеров нагреватель расположен внутри, а у термоконвективных - снаружи трубы [4-7].
Тепловые неконтактные расходомеры, т.е. такие, у которых в поток измеряемого газа не вводятся нагревающие или охлаждающие элементы, датчики температуры, могут быть разделены на следующие группы: а) расходомеры, в которых при постоянной мощности нагревателя используется эффект изменения температуры в месте нагрева или разности температур до и после нагревателя; б) расходомеры, в которых поддерживается на постоянном уровне температура нагрева или- разность температур и измеряется мощность нагревателя; в) расходомеры, в которых температура нагревателя изменяется синусоидально, а скорость (расход) потока определяется по величине фазового смещения сигналов, получаемых на измерителе относительно сигналов на нагревателе.
Приведенный перечень групп тепловых расходомеров не является исчерпывающим; Первыми появились термоанемометрические приборы [8] для измерения местных скоростей потоков, затем калориметрические расходомеры с внутренним нагревом и термоконвективные расходомеры.
В термоанемометрах метод измерения расходов газа и скорости потока основан на контроле равновесия между нагретым элементом и движущейся средой: Отсюда принцип его работы - сравнение теряемого тепловым источником количества тепла и скорости потока газа [4-7,10]. Такой прибор позволяет измерить как массовый, так и объемный расход в широком диапазоне расходов.
Для, термоанемометров существуют различные эмпирические формулы для определения расхода,,дающие неплохие результаты. Однако прибор не обладает достаточным быстродействием, .потому что терморезисторы и нагреватель изолированы от газовой трубки слоем малотеплопроводного материала; кроме того, нагреватель, не термостатирован; и терморезисторами измеряется только разница температур, тогда как теплопередача зависит и от абсолютного её значения. Конструкция не обеспечивает механической точности, а значит и полной идентичности закономерности и интенсивности теплопередачи, так что необходима индивидуальная градуировка, резко удорожающая прибор. Существенным недостатком таких приборов является нарушение стабильности градуировки вследствие старения и перекристаллизации материала первичного преобразователя, а также хрупкость самих преобразователей.
Термоконвективные расходомеры по конструктивным особенностям можно разделить на следующие группы [4,5]: 1) квазикалориметрические; - с симметричным расположением термопреобразователей, - с нагревателем, совмещенным с термопреобразователем, - с нагреванием непосредственно стенки трубы, - с асимметричным расположением термопреобразователей; 2) измеряющие разность температуры пограничного слоя; 3) для труб большого диаметра.
Благодаря наружному расположению нагревателя, термоконвективные расходомеры находят широкое применение в промышленности, особенно квазикалориметрические и теплового пограничного слоя. В первых измеряется разность температур потока, или же мощность нагрева, во-вторых - разность температур пограничного слоя или же соответствующая мощность нагрева. Они применяются для измерения расхода в трубах небольшого диаметра от 0,5 - 2,0 до 100 мм. Для измерения расхода в трубах большого диаметра находят применение особые разновидности термоконвективньгх расходомеров: парциальные с нагревателем на обводной трубе; с тепловым зондом; с наружным нагревом ограниченного участка трубы и др.
Термоконвективные расходомеры измеряют массовый расход при условии неизменности теплоемкости измеряемого вещества, что является их достоинством. Другое их достоинство - отсутствие контакта с измеряемым веществом. Однако уже при создании первых термоконвективных расходомеров отмечалось, что инерционность является одним из их основных недостатков. Приведенная погрешность термоконвективных расходомеров первого поколения находилась в пределах +(1.5-3)%. У калориметрических расходомеров она соответствовала +(0.3-1)% .
Термоконвективные регуляторы расхода, используемые для контроля газовых потоков в полупроводниковом производстве, претерпели значительные изменения за последнее десятилетие [11-19].
Так называемая «байпас-технология» стала стандартом сенсорной технологии в индустрии РРГ. Характерной- особенностью этой технологии является изоляция первичного преобразователя от измеряемого потока. Это достигается расположением нагревателя и терморезисторов на внешней стороне капиллярной, сенсорной трубки, через которую проходит определенная часть потока. Измерение потока основывается на принципе передачи тепла. Два резистивных детектора температуры, намотанных вокруг трубы преобразователя, направляют постоянное количество теплоты в газовый поток. Теплопередача между этими элементами следует из взаимодействия с молекулами протекающего газа, независимого от давления или температурных колебаний. На рис. 1.1. а, б показан принцип действия такого устройства, m - общий поток, т.\ - часть потока, проходящая через сенсорную трубку (преобразователь), т2 - поток через байпас. На рис. 1.2 представлено распределение температур в газовом потоке и элементы первичного преобразователя расходомера.
Исследование напряженно-деформированного состояния и собственной частоты колебаний свободной нити терморезистора в газовом потоке
На свободную, закрепленную на опорах нить (терморезистор), находящуюся в; газовом потоке действует распределенная нагрузка! от давления газа, движущегося со скоростью U. Напряженное состояние нити; определяется ее прогибом, тем больше, чемшыше скорость газового потока1.
Относительное изменение сопротивления терморезистора? будет соответствовать упругой деформации;., определяющей» тензорезистивный эффект, и/ тепловому нагружению, определяющему терморезистивный эффект.
Частота, внутренних колебаний нити, .обусловленная действием внешнего источника; при равенстве собственной частоте колебаний; нити; может привести к резонансу системы, что вызовет колебания нити с большой; амплитудой, а следовательно и к появлению ложного! знакопеременного сигнала на преобразователе, а в ряде случаев и к разрушению.
Для решения задачи воспользуемся аналитическим методом, разбив задачу на две - балку на двух шарнирных опорах, нагруженную равномерно распределенной нагрузкой, и балку с двумя сосредоточенными моментами на шарнирных опорах.
Далее решим вторую задачу с сосредоточенными на опорах моментами (рис. 2.4, г). Дифференциальное уравнение изогнутой оси балки соответствует уравнению (2.1) с постоянным моментом М. Интегрирование уравнения дает угол поворота сечение балки.
Поскольку система симметричная, угол поворота сечения при д: = — равен нулю, что является граничным условием для определения С\.
Рассчитывались параметры кремниевого нитевидного терморезистора длиной 300 мкм и сечениями 2x2 мкм и 10x10 мкм. Принималась плотность кремния pSi =230 кг/м3 и плотность воздуха рй =1,2928 кг/м3 [104]. Терморезистор в газовом (воздушном) потоке, движущемся со скоростями 2000-10000 мм/с с температурой 100 и 50 С.
Распределенная нагрузка на терморезистор от действия воздушного потока при скорости /7=5000 мм/с определяется как q = Cx-l-h-p-uZ/ = 1-1-10-6 Л0Л,292 -52 -0,5 = 1,62-10-4 Н/м. Коэффициент лобового сопротивления Сх принимаем равным единице из условия предельного сопротивления при обтекании газовым потоком пластины. Максимальные термонапряжения в терморезисторе определяются из уравнения (2.19) і о. qt , „ 16,2-ю-5 -о,з2 -ю-6 10 ІЛ_2 Л/ГГТ 5max =1,25-1—= 1,25—- = 1,86-10 2МПа bh2 103-Ю-18 Собственную частоту колебаний нитевидного терморезистора сечением 10x10 мкм определим из уравнения (2.15) ro1_J_ ГК__1_ 42,6-1,7-1011 0,83-10"21 _ 10б 271 2% V т 2% V 0,33-Ю-9-0,69-10-10 2я -З іг 2 1Л-12 _л/сп 1Л-Ю где m = 2,3-10J -0,3-10-J -10" -10"" =0,69-10"1и кг, 70 12 J = fib3 4-Ю"24 = 0,33-10 M В таблице 2.1 и 2.2 приведены результаты расчета динамических характеристик нитевидного терморезистора сечением 10x10 мкм и 2x2 мкм соответственно в потоке воздуха. Таблица 2.1 Динамических характеристик нитевидного терморезистора сечением 10x10 мкм в потоке воздуха 4-103,Н/м 0,026 0,16 0,31 0,64 U, мм/с 2000 5000 7000 10000 МПа 2,93 18,6 34,8 72,0 /, кГц 160 Таблица 2.2 Динамических характеристик нитевидного терморезистора сечением 2x2 мкм в потоке воздуха 2-103,Н/м 0,0052 0,032 0,062 0,128 U, мм/с 2000 5000 7000 10000 МПа 0,073 0,45 0,87 1,79 /,кГц 28,6 Из анализа результатов расчета следует, что уровень напряжения в терморезисторе от действия газового потока незначительный и даже при наличии концентраторов напряжения в теле терморезистора ими можно пренебречь. Собственная частота терморезистора велика,\ что исключает вероятность резонанса в приборе при действии внешних источников колебаний.
Работа терморезистивных преобразователей расхода газа основана на изменении их сопротивлений при нагреве проходящим потоком. Изменение сопротивления связано с изменением температуры потока за счет изменения удельной проводимости, сечения и длины терморезистора. В полупроводниковых терморезисторах наибольшее влияние на изменение сопротивления оказывает изменение удельной проводимости [105].
В микропреобразователях расхода газа в основном используют пленочные терморезисторы в виде ленты на подложке (диафрагме), сформированной путем напыления или эпитаксии. Такие терморезисторы свободны с трех сторон, что аналогично расположению обычных фольговых терморезисторов [106]. Схема температурной деформации подобных резисторов показана на рис: 2.5.
Программы моделирования, цель их применения
Моделирование проводилось с использованием следующих коммерческих программных продуктов: SolidWorks - создание трехмерной геометрии расчетной области для расчета в программе CFX; CFX - дискретизация геометрии расчетной области (построение расчетной конечно-элементной сетки) и расчет гидрогазодинамики и теплообмена; Gambit - создание трехмерной геометрии расчетной области и дискретизация геометрии расчетной области для расчета в программе Fluent; Fluent - расчет газодинамики и теплообмена. CFX - программный модуль, входящий в пакет моделирования ANSYS Workbench. ANSYS - один из наиболее мощных коммерческих программных продуктов, использующий метод конечных элементов. Особенностью ANSYS является чрезвычайно широкий спектр задач, которые он в состоянии решать. Сюда входят задачи: расчетов на прочность (как линейные, так и нелинейные), теплообмена, газодинамики, смешанные и даже акустики. FLUENT - другой пакет моделирования, использующий метод конечных элементов и предназначенный для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким диапазоном свойств. Посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью, он обеспечивает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона моделируемых скоростных режимов.
Метод конечных элементов является наиболее эффективным и широко используемым современным средством в, области исследования работоспособности машин и их элементов. Первоначально метод рассматривался как специальная инженерная процедура для построения матричных решений задач при расчете напряжений и перемещений. Однако позже стало очевидно; что этой процедуре можно дать вариационную интерпретацию, если ввести в рассмотрение потенциальную энергию системы.
Сущность метода конечных элементов состоит в аппроксимации- исследуемого тела некоторой моделью, которая представляет собой совокупность элементов с конечным числом степеней свободы. Эти элементы взаимосвязаны только в узловых точках, куда прикладываются фиктивные силы, эквивалентные поверхностным напряжениям, распределенным по границам элементов. Параметры приведенной идеализированной системы определяются исходя из соответствующих вариационных решений. Метод конечных элементов позволяет значительно уменьшить затраты при разработке новых изделий, так как позволяет существенно сократить объемы или даже полностью отказаться от дорогостоящих стендовых испытаний. Кроме того, с помощью метода конечных элементов можно в сравнительно короткие сроки оценить характеристики разных вариантов конструкций и выбрать наилучшую.
В последнее время метод конечных элементов применяется в самых разных отраслях промышленности и науки. С его помощью выполняются расчеты в архитектуре, причем не только расчеты на прочность, но также расчеты акустики и тепловые расчеты. Широкое применение программные продукты, использующие данный, метод, получили в машиностроении для расчетов на прочность самых разных узлов и конструкций современных машин. Решаемые задачи не ограничиваются прочностными, также важными являются задачи расчета температурного режима узлов и механизмов.
Отдельным, и тоже важным классом задач, решаемых методом конечных элементов, являются газодинамические задачи, причем современные программные комплексы умеют решать практически любые задачи данного класса.
Перед проведением расчетов были построены расчетные сетки с использованием тетрагональных конечных элементов, включающие более 106 элементов. Построение расчетных сеток осложнялось большой разницей1 в размерах отдельных участков расчетных областей (от 2,5 мкм до 40 мм). Данное обстоятельство обусловило необходимость пошагового разбиения всей расчетной области на отдельные участки, создания для этих участков сеток с переменным шагом и последующего «склеивания» отдельных сеток. Продолжительность генерирования сеток составляла более 10 часов процессорного времени.
Моделирование тепловыделения проводилось как путем задания удельной объемной плотности внутренних источников теплоты, так и путем задания поверхностной плотности теплового потока. Теплофизические свойства всех веществ принимались постоянными. Коэффициенты теплоотдачи на тепловыделяющих поверхностях не задавались, так как во всех расчетах решалась задача сопряженного теплообмена.
Течение сухого воздуха моделировалось с использованием различных моделей вязкости (ламинарная модель, k-є и к-со модели турбулентности). Полученные результаты показывают, что для учета «тонких» деталей течения предпочтительной является ko модель турбулентности.
Для расчета течения необходимо создать расчетную сетку, которая генерируется на основе геометрической конфигурации. Так как расчету подлежит сопряженная задача газодинамики, конвективного теплообмена и теплопроводности в твердом теле, то в состав расчетной области необходимо включить как область течения, так и твердые тела. Расчетная область течения включает канал байпаса и камеру теплообмена.
Для выявления общих характеристик течения и теплообмена был проведен упрощенный расчет в программе Fluent. При создании геометрии были опущены некоторые элементы, которые, как полагалось, могли оказать малое влияние на течение. Расчетная сетка создавалась с относительно небольшим количеством конечных элементов.
Модель для расчета течения газового потока в канале и камере теплообмена, созданная в среде Solid Works 2005 показана на рис. 3.1 а. Характерные размеры отдельных участков сильно отличаются друг от друга: размеры кристалла общие (кристалл с двумя нагревателями) 4 4 мм; вытравленной полости 2,5 2,5 мм; нити 20 20 мкм; расширения на нитях 100 80 мкм; толщина кристалла (рамки) 300 мкм; расстояние между терморезисторами (нагревателями) 600 мкм; длина канала 40 мм. Данное обстоятельство сильно затруднило создание трехмерного объекта, который предназначен для создания расчетной сетки. Отображение объекта не отличается наглядностью, не все детали видны. Поэтому на рис. 3.1 б показан продольный разрез расчетной области.
В обсуждаемом расчете использовалась программа-генератор сеток -Gambit. Модель, выполненная в Solid Works, была экспортирована в Gambit и разбита на сетку. Поверхности, принадлежащие нитям и микроплощадкам, а также примыкающие к ним поверхности, были разбиты на ячейки. Размер ячеек сетки составлял 0,01мм. Остальные поверхности разбиты ячейками того же типа, но большего размера - 0,1 мм. После построения поверхностных сеток было произведено объемное разбиение. В качестве элементов разбиения были выбраны ячейки Tet/Hybrid типа TGrid, показанные на рис. 3.2. Основной объем разбит ячейками размера 0,1 мм, а нити и пластинки - 0,01 мм. Общее число ячеек составило 768824 шт., а число поверхностей разбиения - 1609632 шт. Общий вид сетки представлен нарис. 3.3.
Конструкция и материалы первичных преобразователей
При разработке регулятора расхода газа с полупроводниковым чувствительным элементом, предназначенным для измерения неагрессивных потоков (например, в газовой хроматографии) сначала рассматривались три первичных преобразователя: два отечественной разработки и один зарубежный фирмы Honeywell. В процессе работы были получены данные, которые показали недостатки каждого из преобразователей. В результате был создан 4-й преобразователь, в конструкции которого постарались учесть и исправить недостатки остальных микрочипов.
С целью выбора оптимального по своим показателям датчика, на испытательных стендах ЗАО "Элточприбор" проводилось тестирование всех 4-х первичных преобразователей.
Выбор материала чувствительного элемента, терморезистора, в значительной степени определяет метрологические характеристики преобразователя. Основные требования, которым должен удовлетворять материал чувствительного элемента и сам датчик следующие: 1) нечувствительность к малым примесям; 2) простота технологии получения и изготовления. Традиционными материалами являются спеченные оксиды, платина, золото, медь, моно и поликристаллический кремний. Однако при использовании указанных материалов приходится сталкиваться с рядом недостатков: - использование одного и того же тока для нагрева и для автоматического регулирования вынуждает использовать прецизионные компоненты при изготовлении теплового автомата; - поскольку градуировка в термостате оказывается невозможной из-за разных условий теплоотдачи токовводами, сенсор приходится испытывать непосредственно по объекту измерения, расходу газа, что усложняет процесс производства и препятствует исключению из него дефектных заготовок на ранних этапах. Эти причины сдерживают развитие ряда газоанализаторов.
Учитывалось также, что технология кремниевого- микромашининга широко используется в настоящее время в качестве перспективной возможности для производства различных типов сенсоров и позволяет изготавливать различные датчики, в том числе и расхода газа. Одним из наиболее интересных применений этой технологии является изготовление микронагревателей, применяемых в качестве элементов газовых сенсоров.
Преобразователь №3 изготовлен фирмой Honeywell. Терморезисторы из платины симметрично расположены относительно нагревателя на мембране. В отличии от двух предыдущих сенсоров, на самом датчике реализована схема температурной компенсации.
Чувствительная и нагревающая схемы преобразователя разделены. Нагревательный элемент и терморезисторы выполнены из тонкопленочной платины с высоким коэффициентом температурного сопротивления (ТКС), размещенной между двумя слоями пассивирующего нитрида кремния. Отверстия вырезались через пассивацию, и кремний травился анизотропным травлением из-под нитрида кремния для формирования двух мостов. Каждый из мостов включает один терморезистор. Разработчиками приведен типичный график зависимости выходного напряжения от расхода при напряжении питания 10+0,0 Г Vdc и окружающей температуре 25С.
Последний преобразователь №4 изготовлен также как и первый в НИИ Физпроблем. Он представляет собой кремниевый кристалл 3,1 х 4 мм, с мембраной 756 х 1200 мкм, платиновыми нагревателем R3 и терморезисторами R2, R4, расположенными на мембране. В конструкции предусмотрены два дополнительных терморезистора Rl, R5 на корпусе микрочипа для температурной компенсации. Топология микрочипа и его фотография показаны на рис. 4.4 (а, б).
