Терморезистивный преобразователь скорости потока газа

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Терморезистивный преобразователь скорости
потока газа мембранного типа
Актуальность исследования
Область применения:
• промышленная индустрия;
• автомобилестроение;
• медицина;
• бытовой сектор.
Преимущества МЭМС датчика расхода:
• высокая точность измерения;
• малые габариты устройства;
• низкая потребляемая мощность;
• высокое быстродействие;
• низкая стоимость производства;
• возможность одновременного измерения
нескольких параметров потока.
Первичный преобразователь скорости потока газа
Поток
Основные элементы первичного
преобразователя скорости потока:
4
3
1.
2.
3.
4.
2
𝑇1
1
подложка Si;
многослойная мембрана;
терморезисторы;
нагреватель.
𝑇2
∆𝑇 = 𝑇2 − 𝑇1 ~𝑈 – выходное разностное
напряжение
Температура, ℃
Поток
0.2 м/с
1 м/с
3 м/с
10 м/с
60
55
50
45
40
35
30
25
-200
-100
0
100
Расстояние вдоль мембраны, мкм
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
20
-300
4
Разность температур ∆T, ℃
65
200
300
0
2
4
6
8
Скорость потока v, м/с
10
12
3
Профиль распределения тепла на поверхности
мембраны
65
𝑅3
60
𝑅1
𝑅2
55
Температура, ℃
50
0.2 м/с
45
0.5 м/с
1 м/с
1.5 м/с
40
3 м/с
5 м/с
10 м/с
35
30
25
20
-300
-200
-100
0
100
200
300
Расстояние вдоль мембраны, мкм
4
Расположение резисторов
10
9
Разность температуры, ℃
8
7
6
0 м/с
0,5 м/с
5
1 м/с
3 м/с
4
5 м/с
3
7 м/с
2
Рис 1. Зависимость
выходного сигнала от
расстояния между
резисторами при
различных скоростях
потока
1
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Расстояние между резисторами, мкм
Разность температур, ℃
14
12
10
8
symmetric
6
asymmetric 1/2
4
asymmetric 3/4
2
0
0
1
2
3
4
Скорость потока, м/с
5
6
Рис 2. Сравнение
выходных характеристик
первичного
преобразователя
скорости потока с
асимметричным и
симметричным
расположением
терморезисторов
5
Параметры мембраны
20
Разность температуры, ℃
15
Полиимид (0,5 мкм)
10
Полиимид (1,5 мкм)
Полиимид (5 мкм)
Полиимид(10 мкм)
Полиимид (20 мкм)
5
Оксид (1,5 мкм)
Оксид/Нитрид (1,5 мкм)
0
0
1
2
-5
3
4
5
6
Сравнение выходных
характеристик
первичного
преобразователя
скорости потока с
многослойной
мембраной и с
мембраной из
полиимида
Скорость потока, м/с
30
25
Разность температуры, ℃
20
15
Полиимид (1,5 мкм)
Оксид/Нитрид (1,5 мкм)
10
Закрытая структура
5
0
0
-5
1
2
3
4
5
Скорость потока, м/с
6
7
8
Сравнение выходных
характеристик
первичного
преобразователя с
открытой и закрытой
ямкой травления
Экспериментальные измерения
70
60
Выходной сигнал, мВ
50
40
Измерения
30
Расчет
20
10
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Расход, л/ч
Сравнение выходных характеристик модельного первичного преобразователя
скорости потока и изготовленного теплового датчика расхода газа
Выводы
Расположение резисторов
Выбрано оптимальное расстояние измерительных резисторов относительно нагревателя,
которое составляет ¼ ширины мембраны. Ассиметричное расположение резисторов не дает
преимущества.
Материал мембраны
Определено, что на чувствительность первичного преобразователя большое влияние играет
теплопроводность мембраны, лучшие результаты показывает тонкая мембрана из полиимида
Нарушение ламинарности течения
Определено, что на чувствительность первичного преобразователя оказывает большое влияние
режим протекания, предлагается заклеивать обратную сторону сенсора, чтобы избежать
завихрений и обеспечить ламинарность потока на больших скоростях
Сравнение с экспериментом
Доказано, что экспериментальная и расчетная зависимости ΔT(V) имеют качественное
согласие.
Спасибо за внимание!