На правах рукописи

ФОМИЧЁВ МАТВЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПЕРВИЧНЫХ НИТЕВИДНЫХ

ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И РАЗРАБОТКА

НА ИХ ОСНОВЕ РЕГУЛЯТОРА МАЛЫХ РАСХОДОВ ГАЗА

Специальность 05.11.13 – приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007 2

Работа выполнена на кафедре Технической механики Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Тимофеев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Кольцов Владимир Борисович кандидат технических наук Собакин Константин Михайлович

Ведущая организация: ОАО “НИИТМ” г. Москва

Защита состоится “” 2008 г. на заседании диссертационного совета Д212.134.04 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, Москва, К-498, МИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан “” 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор А.И. Погалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Динамичное развитие малоразмерных аппаратов и устройств нового поколения обусловило возрастающую потребность в микромеханических сенсорах и микроэлектромеханических системах.

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.

Использование различных физических эффектов в качестве основы для реализации процесса измерения определяет разнообразие конструкций расходомеров, их размеров, используемых материалов и, в конечном итоге, их стоимость. Совершенствование первичных преобразователей, как неотъемлемой части регуляторов расхода газов (РРГ) ведется с целью повышения надежности и точности контроля газового потока, особенно при малых расходах газа.

Рост требований к этим характеристикам, а также повышение экономической эффективность контрольно-измерительной техники, в наибольшей степени удовлетворяется приборами с теплообменными преобразователями. Однако конструктивные решения при проектировании сдерживаются отсутствием данных расчетных моделей. В настоящий момент признается, что работы в области физического дизайна, подбора материалов напряженно-деформированного состояния и электрофизических параметров терморезисторов.

Для понимания функционирования и предсказания технических характеристик микросистем требуется всестороннее моделирование поведения как отдельных материалов и деталей, так и узлов и конструкций в целом.

технологий изготовления чувствительных элементов, расширение областей применения микромеханических систем выдвигают новые проблемы конструкторско-технологического характера. К ним относятся: выбор расчетных схем и расчетных моделей, наиболее полно учитывающих микромеханических систем; оптимизация параметров конструкций, обеспечивающих требуемые динамические характеристики чувствительных элементов; подбор и создание материалов с необходимыми физикомеханическими характеристиками; поиск способов уменьшения влияния напряженно-деформированного состояния конструкций, а также стабильность характеристик микромеханических систем; выбор электронных элементов с минимальным уровнем собственных шумов и др.

Решение указанных проблем открывает пути к существенному улучшению достигнутых технических характеристик микромеханических изделий, а, следовательно, и к 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:

1. Расчёт напряженно-деформированного состояния и собственной частоты колебаний свободной нити терморезистора в газовом потоке.

2. Расчёт термонапряжений и изменения сопротивления в нитевидном терморезисторе на подложке.

3. Компьютерное моделирование газодинамики и теплообмена в тепловых газовых расходомерах.

4. Газодинамический расчёт течения газов в канале и в камере теплообмена.

терморезистивных элементов и полупроводникового микрочипа.

6. Разработка регулятора расхода газа с нитевидным полупроводниковым первичным преобразователем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

оценена ее собственная частота и вклад терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора.

2. Проведен анализ изменения сопротивления терморезисторов на подложке за счёт терморезистивного и тензорезистивного эффектов.

газодинамика и теплообмен в тепловых газовых расходомерах для двух различных конструкций микрочипов с точечным источником нагрева и нитевидным нагревателем.

чувствительными элементами чипов в камере теплообмена, оценены температуры тепловых источников и профили распределения температур.

Практическая значимость состояния нити и оценки ее собственной частоты и вклада терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора.

2. Проведен анализ газодинамических параметров потока в первичных преобразователях различной конструкции. Установлено распределение температуры в потоке, аномальность течения газа в конструкциях с коническим углублением.

3. Предложены методики расчёта параметров чипа для новой конструкции расходомера.

4. Разработана конструкторская документация и изготовлен прибор газового расходомера с чипом оптимальной конструкции.

диссертационной работы:

- анализ напряженно-деформированного состояния нити, оценка ее собственной частоты и вклад 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;

- метод расчета термомеханической устойчивости;

- результаты компьютерного моделирования газодинамики и теплообмена в 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.

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.

Внедрение и использование результатов. Результаты исследований 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 обсуждались на:

Международной конференции «Электроника и информатика»

(Москва, МИЭТ, 2005 г.), на ежегодных Всероссийских межвузовских научнотехнических 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 тезисов докладов, 5 статей. Материалы диссертации отражены в 2 научнотехнических 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 11 таблиц.

Список литературы содержит 125 источников, включая 5 работ с участием автора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

сформулирована цель работы. Определены проблемы первичных полупроводникового микрочипа в регуляторах расхода газа.

В первом разделе дан обзор по разработке и применению первичных преобразователей в тепловых расходомерах различной конструкции. Показано, что разработанные и используемые расходомеры различаются способом нагрева, расположением нагревателя (снаружи или внутри трубопровода) и характером функциональной зависимости между расходом и измеряемым сигналом. Представлена классификация основных групп тепловых неконтактных расходомеров.

«Байпас-технология» является стандартом сенсорной технологии в разработках 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 преобразователя, направляют постоянное количество теплоты в газовый взаимодействием с молекулами протекающего газа, независимого от давления или температурных колебаний. Усовершенствование этой технологии было направлено на преодоление турбулентности потока. Недостатком конструкции с байпасом является чувствительность капиллярной трубки к накоплению загрязнений, что в итоге может привести к отклонению от калибровки и забивке, а также ее значительная термомасса.

преобразователя позволила повысить скорость срабатывания прибора и повысить точность дозирования, особенно при малых расходах, снизить их цену, используя поточные технологические приемы.

Появление новых измерительных устройств поставило новые задачи в области воспроизводимости их параметров и надежности, при снижении потребляемой мощности, что связано как с технологическими методами и приемами, так и с материалами, используемыми при их создании.

Используемые в конструкциях сенсоров материалы должны быть совместимы между собой, стойки к окислителям, обладать термо-электростойкостью и механической прочностью. Их совокупность совместно с конструктивными особенностями датчика должна гарантировать чистоту измеряемого потока.

При конструкции первичных преобразователей ключевая роль отводится сокращению теплопотерь от нагревателя к корпусу. В сенсорах на основе кремния с этой целью традиционно используются три структуры: cantilever (консоль), мембрана, получаемая боковым травлением и мостики или геометрических размеров указанных конструктивных элементов и нагревателя, а также конструкция полости (или ее отсутствие), играют решающую роль в сокращении теплопотерь и повышении, таким образом, чувствительности сенсора, улучшении его быстродействия.

характеристик Микроэлектромеханических (МЭМС) сенсоров и приборов на их основе, а также для расширения теоретической базы для обоснования уже созданных измерительных систем, используют методы численного моделирования. Основной проблемой, с которой сталкиваются при моделировании, является сложность системы, которая вынуждает принимать ряд упрощений для сокращения шагов, что приводит к расхождению результатов модели с реальным экспериментом. Кроме этого, в условиях моделирования используются данные по характеристикам материалов в их «твердой» форме, а не в тонкой пленке, что также отрицательно сказывается на результатах моделирования.

В России комплексные исследования работы нитевидных первичных преобразователей в виде терморезистивных элементов и полупроводниковых микрочипов в регуляторах расхода газа с использованием компьютерного моделирования в литературе практически отсутствуют.

В связи с необходимостью разработки отечественного оборудования для прецизионного измерения газовых потоков актуальность исследования газодинамических и теплофизических процессов, а, следовательно, и разработка расходомера, очевидна.

Во втором разделе приведены физико–механические характеристики нитевидных первичных преобразователей в газовых расходомерах, расчет напряженно-деформированного состояния и собственной частоты колебаний терморезисторах на подложке находящуюся в газовом потоке действует распределенная нагрузка от давления газа, движущегося со скоростью U. Напряженное состояние нити определяется ее прогибом, тем больше, чем выше скорость газового потока.

соответствовать упругой деформации, определяющей тензорезистивный эффект, и тепловому нагружению, определяющему терморезистивный эффект.

Частота 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.

Учитывая выше изложенное, было проанализировано напряженнодеформированное состояние нити, оценена ее собственная частота и вклад терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора.

Собственная линейная частота системы определится из уравнения m – масса балки (терморезистора); 0 - круговая частота; К – жесткость где подвеса.

Расчетное уравнение для максимального напряжения в балке имеет вид При симметричном течении лобовое сопротивление на терморезисторе равно где U - скорость течения газового потока; S - площадь миделевого сечения, т.е. площадь проекции нити на плоскость, перпендикулярную вектору скорости; Сх - коэффициент лобового сопротивления.

Погонная нагрузка (q) на длину нити равна отношению P к длине, т.е.

где h – высота сечения нити, - плотность газа.

характеристик кремниевого нитевидного терморезистора сечением 10х10 мкм и 2х2 мкм соответственно в потоке воздуха.

Динамические характеристики нитевидного терморезистора сечением 10х мкм в потоке воздуха Динамические характеристики нитевидного терморезистора сечением 2х2 мкм в потоке воздуха 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.

В табл. 3 приведены расчетные значения термонапряжений в пленочных терморезисторах ( ), а также изменения сопротивления тензорезисторов от тензорезистивного эффекта (ТНР) и от терморезистивного эффекта (ТРР).

Рассмотрены наиболее применяемые сочетания материалов терморезисторов и подложки, используемые в приборах микросистемной техники. Для сравнения величин температура принималась равной 50 и 100 0С. Величина соответствует регистрируемому изменению сопротивления, включающему влияние ТНР и ТРР.

терморезистора тензорезисторподложка Из анализа приведенных результатов в таблице 3 следуют два основных требования к конструкции микропреобразователей:

- разница между КЛТР для тензорезистора и подложки должна быть минимальной;

- температура тензорезистора, а, следовательно, и расстояние его до