Моделирование тепловых и газодинамических процессов в тонкоплёночном термоэлектрическом преобразователе напряжения переменного тока

Моделирование тепловых и газодинамических процессов в тонкоплёночном термоэлектрическом преобразователе напряжения переменного тока

СОДЕРЖАНИЕ

Введение              3

1 Особенности и структура тепловых датчиков              4

1.1 Основные типовые особенности тепловых датчиков              4

1.2 Термоэлектрические преобразователи переменных электрических

сигналов (напряжения, тока, мощности)               5

1.3 Конструкция тонкоплёночного термоэлектрического

преобразователя напряжения переменного тока              6

1.4 Потенциальное применение теплового преобразователя              13

2 Постановка задачи              14

2.1 Тепловые акселерометры, инклинометры              14

2.2 Основные этапы решения задачи              15

3 Результаты работы              16

Заключение              23

Список литературы              24

ВВЕДЕНИЕ

Тепловые датчики – это датчики, в которых при преобразова­нии измеряемой величины в выходной сигнал тепло­вые процессы выполняют определяющую или сущест­венную роль. 

Поэтому целью исследования является моделирование работы теплового преобразователя напряжения переменного тока.

Решение данной задачи включает в себя:

-                     обзор источников литературы по структурам и особенностям тепловых датчиков;

-                     моделирование генерации джоулева тепловыделения и передачи тепла в датчике посредством теплопроводности;

-                     моделирование процесса конвективного нагрева воздуха над датчиком и образование над ним температурного облака.

Далее в зависимости от типа устройства:

-                     для инклинометра:   моделирование работы инклинометра при отклонении на различные углы;

-                     для акселерометра: моделирование работы акселерометра при различных скоростях потока.

На основе анализа полученных результатов:

-                     оценить влияние формы корпуса на температурное облако над датчиком;

-                     дать рекомендации по расширению диапазона чувствительности датчика.

1 Особенности и структура тепловых датчиков

1.1 Основные типовые особенности тепловых датчиков

В остальных типах датчиков тепловые процессы являются паразитными и их влияние стремятся минимизировать.

При миниатюри­зации тепловых датчиков характеристики тепловых процес­сов в них изменяются. Эти изменения заключают­ся в следующем:

-                     при малых габаритных размерах и массе про­цессы передачи теплоты и изменения темпера­туры происходят за малые времена, т. е. имеют малую инерционность;

-                     вследствие малых размеров значительно умень­шается рассеяние теплоты за счет конвективно­го и радиационного теплообмена с окружающей средой;

-                     возможность изготовления элементов крепле­ния и проводящих слоев с малыми поперечны­ми сечениями позволяет уменьшить рассеяние теплоты за счет теплопроводности;

-                     при малых габаритных размерах и массе и зна­чительном уменьшении рассеяния теплоты для нагрева элементов датчика до  определенной температуры требуется меньшая мощность.

Указанные особенности тепловых процессов позволяют улучшить ряд характеристик датчиков по сравнению с объ­емными конструкциями: увеличить чувствитель­ность и быстродействие, уменьшить потребляемую мощность. Кроме того, микроминиатюризация и изменение характеристик тепловых процессов в микрообъектах позволили создать ряд тепловых микродатчиков, объемные аналоги которых отсутствуют. Та­ковыми являются, например, теп­ловые акселерометры и инклинометры. Однако для достижения высоких эксплуатационных характеристик тепловых микродатчиков необходимо решать ряд конструкторско-технологических задач при их проектировании и изготовлении.

В конструкциях тепловых микродатчиков используются следующие элементы:

-                   основа­ния;

-                   термически изолированные структуры;

-                   теплогенерирующие элементы;

-                   термочувствительные элементы;

-                   теплопередающие элементы;

-                   элементы, обеспечивающие передачу электрических сигналов;

-                   специальные элементы, обеспечивающие чувстви­тельность к различного вида измеряемым величинам.

Основным элементом конструкции теплового микродатчика является термически изолированная структура, которая изготовляется с помощью мик­росистемных технологий. Эта структура имеет ма­лые размеры и теплопроводность и служит для раз­мещения на ней остальных элементов [1].

1.2 Термоэлектрические преобразователи переменных электрических сигналов (напряжения, тока, мощности)

В метрологии, электроизмерительной и вычислительной технике, термоэлектрическими преобразователями принято называть устройства, содержащие две основные части – электрический нагреватель (иногда несколько нагревателей) и термоэлемент (чаще всего термопару или батарею термопар). Связь между напряжением U, подводимым к нагревателю, и ЭДС, получаемой на термоэлементе, определяется выражением:

                                                                                               (1)

где  - выходное напряжение термоЭДС, ‑ коэффициент, зависящий от материала нагревателя и термоэлемента, конструкции термопреобразователя, условий его работы и т.д., – входное напряжение, – сопротивление нагревателя.

Из выражения 1 следует основная особенность термопреобразователя - независимость ЭДС на его выходе от направления тока через входную цепь; это позволяет использовать преобразователь для измерения действующих значений переменного напряжения, тока и мощности.

По способу взаимосвязи входных и выходных цепей преобразователи разделяют на контактные и бесконтактные.

В контактных преобразователях нагреватель и термопара находятся в электрическом и тепловом контакте, в бесконтактных электрическая связь между нагревателем и термоэлементом отсутствует, а тепловой контакт осуществляется через электроизолятор из материала, обладающего по возможности хорошей теплопроводностью.

По конструкции термопреобразователи разделяют на воздушные, вакуумные и газонаполненные.

В первом случае нагреватель и термоэлемент находятся в среде окружающего воздуха, во втором помещаются в стеклянный или металлический баллон, откуда откачан воздух, в третьем используются герметичные камеры, наполненные газом, чаще всего инертным, определенного давления.

Преобразователи разделяют также на одноэлементные (содержащие одну термопару) и многоэлементные (использованы батареи термопар).

1.3 Конструкция тонкоплёночного термоэлектрического преобразователя напряжения переменного тока

Существуют множество исполнений термоэлектрических преобразователей. Объектом данного исследования является разработка лаборатории микротехнологий и микроэлектромеханических систем СПБГПУ.

Рис. 1. Внешний вид микромеханического теплового преобразователя напряжения переменного тока в корпусе

                                                        а)                                                                       b)

Рис. 2. Внешний вид микромеханического теплового преобразователя напряжения переменного тока: (а) – вид спереди, (b) – вид противоположной стороны

Разрабатываемое устройство состоит из следующих компонентов

-                     Кремниевый каркас из стандартной пластины с кристаллографической ориентацией (100);

-                     Тонкая пятислойная мембрана;

-                     Батарея термопар;

-                     Нагреватель;

-                     Электростатический экран;

-                     Контактные дорожки и площадки к батарее термопар, экрану и нагревателю.

Рассмотрим каждый из представленных компонентов подробнее:

Кремниевый каркас вместе с мембраной являются несущими конструкциями. Кроме того, каркас должен обеспечивать хороший теплоотвод для поддержания постоянной температуры холодных концов термопар в течение длительного времени. Кремний взят в качестве материала т.к. он обладает хорошей теплопроводностью и важными химическими свойствами (Возможность глубокого анизотропного травления с целью создания требуемой геометрии окна. Под окном подразумевается область мембраны, полученная в результате глубокого травления)

На мембране находятся активные элементы структуры преобразователя (нагреватель и горячие спаи термопар). Главной задачей мембраны (несущая функция – необходимая задача мембраны) является равномерное распределение тепла при маленьком теплоотводе. Также мембрана должна обладать достаточно высокой механической прочностью и выдерживать значительные перегрузки. Поэтому мембрана должна обладать малым коэффициентом теплового расширения. В качестве основного материала мембраны выбран оксид кремния. В качестве компенсирующего материала взят нитрид кремния. Выбор обусловлен тем, что у нитрида противоположный по знаку коэффициент теплового расширения по сравнению с оксидом. Таким образом, наилучшими материалами для мембраны, исходя из технологических соображений, являются SiO2 и Si3N4.

Две батареи термопар, расположенные  по обе стороны от нагревателя на мембране по  20 термоэлементов с каждой стороны. Таким образом, получаем две батареи термопар – левую и правую. Толщина одной полоски термопары 10 мкм и, следовательно, толщина левой и правой батарей термопар 400 мкм, а с учетом расстояния между полосками 800 мкм (из технологических соображений расстояние между полосками взято 10 мкм). Геометрические размеры половины батареи термопар следующие: длина 130 мкм (без учета длины контактов), ширина 800 мкм, толщина 0,8 мкм.

Нагреватель один из основных элементов преобразователя. В зависимости от его формы, размеров, материала и расположения зависят все характеристики теплового преобразователя. Форма нагревателя – бифилярная, то есть нагреватель в виде двух полосок, соединенных друг с другом материалом с большой удельной электропроводностью, в нашем случае Al. В качестве материала для нагревателя  взят хром(Cr).

Толщин хрома  0,3 мкм, длина 2220 мкм. Расстояние между вертикальными полосками  300 мкм.

Изготовлением электростатического экрана преследовалась цель уменьшить погрешности обусловленные токами утечки  и создание равномерного теплового поля. Форма экрана повторяет форму нагревателя, а размеры несколько больше. Длина вертикальных полосок 1230 мкм при ширине 50 мкм, длина горизонтальной полоски 480 мм при ширине 10 мкм. Материал электростатического экрана Al.

Контактные дорожки, площадки и омические контакты к обеим батареям термопар, экрану и нагревателю также изготовлены из алюминия. Размеры контактных дорожек к поликремнию обусловлены геометрией термопар, поэтому ширина дорожки соединяющей две полоски термопары равна 30 мкм. Длина контактных дорожек 340 мкм.

Кроме контактных дорожек для выводов необходимо изготавливают омические контакты, соединяющие горячие спаи термопар. Длина соединяющей дорожки  75 мкм. Размеры контактных площадок
250х250 мкм.

Размеры окна, получаемого в результате глубокого анизотропного травления монокристаллического кремния 760х1550 мкм на лицевой стороне. Размер окна  с противоположной стороны 2087х1297 мкм [2].

Таблица 1

Материал основных элементов