eng
Выпуск #9/2018
Новиков Дмитрий Валерьевич, Онуфриенко Андрей Петрович, Гусев Евгений Эдуардович, Дюжев Николай Алексеевич
Тепловые преобразователи физических величин
Тепловые преобразователи физических величин
Просмотры: 1545
В современном мире, где сенсоры являются неотъемлемой частью практически любого электронного устройства, требования к преобразователям физических величин постоянно растут. Технология МЭМС давно зарекомендовала себя в сфере производства датчиков, что позволяет на основе имеющихся технологических решений в дальнейшем совершенствовать параметры их работы. В данной работе рассматривается семейство тепловых преобразователей физических величин, а также предлагаются различные подходы по их оптимизации.
УДК 681.121
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.552.553
УДК 681.121
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.552.553
Теги: gas flow sensor pressure sensor thermal accelerometer thermal converter thermal sensor датчик давления датчик потока газа тепловой акселерометр тепловой преобразователь тепловой сенсор
На тепловом принципе возможно построить следующие датчики [1]:
• счетчик массового расхода газа,
• датчик давления газа,
• акселерометр,
• датчик угла наклона,
• датчик взрывоопасных газов и многие другие.
Наиболее очевидным и достаточно легко реализуемым примером является счетчик расхода газа. Принцип действия счетчика представлен на рис. 1. Тепловое облако, создаваемое нагревателем, смещается потоком; это смещение фиксируется двумя измерительными резисторами до и после нагревателя.
Второе потенциальное применение — датчик давления. В режиме анемометра температура нагревателя будет зависеть от теплопроводности окружающей среды, которая зависит от давления газа. На рис. 2 представлены результаты измерения работы такого датчика. Диапазон измерений можно расширить, изменяя размеры мембраны и расстояние от мембраны до подложки, меняя ее таким образом, чтобы она была близкой к длине свободного пробега для этого давления. Кроме того, изменять теплопроводность газа могут примеси, что дает возможность построить на этом принципе детектор метана, так как его теплопроводность значительно отличается от теплопроводности воздуха.
Кроме того, так как на распределение теплового облака могут влиять внешние силы, на основе теплового преобразователя возможно построение ускорения и угла наклона. В работе представлены экспериментальные измерения характеристик разработанных тепловых датчиков расхода газа, датчиков давления, а также проведено сравнение полученных результатов измерений с теоретическими моделями их функционирования, построенными в программном пакете моделирования Comsol MultiPhysics [2] на основе решения уравнения теплопроводности с учетом перераспределения теплового потока газа при заданном давлении среды. Посредством такого полномасштабного анализа, совмещающего в себе как теоретические, так и экспериментальные исследования, были выбраны оптимальные конструктивные параметры тепловых сенсоров, обеспечивающие улучшение их чувствительности в заданном диапазоне температур. Рассмотренные в работе тепловые преобразователи физических величин (датчики расхода газа, датчики давления, тепловые акселерометры и т. д.) могут найти широкое применение в бытовой технике, военной аппаратуре, автомобильной электронике, а также медицинском и метеорологическом оборудовании [3].
Работа выполнена на оборудовании ЦКП «МСТ и ЭКБ» при поддержке Минобрнауки РФ, соглашение № 14.578.21.0188 (RFMEFI57816X0188)
ЛИТЕРАТУРА
1. Waldrop M. M. The Chips Are Down for Moore’s Law / Waldrop M. M. // Nature. — 2016, Vol. 530. — P. 7589; DOI: 10.1038/530144a.
2. Интернет ресурс: https://www.comsol.ru.
3. Wu B. Extreme Ultraviolet Lithography and Three Dimensional Integrated Circuits — A Review / Wu B. and Kumar A. // Appl. Phys. Rev. — 2014, Vol. 1. — P. 011104; DOI: 10.1063/1.4863412.
• счетчик массового расхода газа,
• датчик давления газа,
• акселерометр,
• датчик угла наклона,
• датчик взрывоопасных газов и многие другие.
Наиболее очевидным и достаточно легко реализуемым примером является счетчик расхода газа. Принцип действия счетчика представлен на рис. 1. Тепловое облако, создаваемое нагревателем, смещается потоком; это смещение фиксируется двумя измерительными резисторами до и после нагревателя.
Второе потенциальное применение — датчик давления. В режиме анемометра температура нагревателя будет зависеть от теплопроводности окружающей среды, которая зависит от давления газа. На рис. 2 представлены результаты измерения работы такого датчика. Диапазон измерений можно расширить, изменяя размеры мембраны и расстояние от мембраны до подложки, меняя ее таким образом, чтобы она была близкой к длине свободного пробега для этого давления. Кроме того, изменять теплопроводность газа могут примеси, что дает возможность построить на этом принципе детектор метана, так как его теплопроводность значительно отличается от теплопроводности воздуха.
Кроме того, так как на распределение теплового облака могут влиять внешние силы, на основе теплового преобразователя возможно построение ускорения и угла наклона. В работе представлены экспериментальные измерения характеристик разработанных тепловых датчиков расхода газа, датчиков давления, а также проведено сравнение полученных результатов измерений с теоретическими моделями их функционирования, построенными в программном пакете моделирования Comsol MultiPhysics [2] на основе решения уравнения теплопроводности с учетом перераспределения теплового потока газа при заданном давлении среды. Посредством такого полномасштабного анализа, совмещающего в себе как теоретические, так и экспериментальные исследования, были выбраны оптимальные конструктивные параметры тепловых сенсоров, обеспечивающие улучшение их чувствительности в заданном диапазоне температур. Рассмотренные в работе тепловые преобразователи физических величин (датчики расхода газа, датчики давления, тепловые акселерометры и т. д.) могут найти широкое применение в бытовой технике, военной аппаратуре, автомобильной электронике, а также медицинском и метеорологическом оборудовании [3].
Работа выполнена на оборудовании ЦКП «МСТ и ЭКБ» при поддержке Минобрнауки РФ, соглашение № 14.578.21.0188 (RFMEFI57816X0188)
ЛИТЕРАТУРА
1. Waldrop M. M. The Chips Are Down for Moore’s Law / Waldrop M. M. // Nature. — 2016, Vol. 530. — P. 7589; DOI: 10.1038/530144a.
2. Интернет ресурс: https://www.comsol.ru.
3. Wu B. Extreme Ultraviolet Lithography and Three Dimensional Integrated Circuits — A Review / Wu B. and Kumar A. // Appl. Phys. Rev. — 2014, Vol. 1. — P. 011104; DOI: 10.1063/1.4863412.
Отзывы читателей
