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

Таблица 2

Размеры основных элементов и расстояний между ними

Рис. 3. Топология термоэлектрического преобразователя напряжения переменного тока

Измерение величины напряжения переменного тока термоэлектрическими преобразователями подразумевает (рис. 4):

-                     во-первых, преобразование электрической энергии в тепловую, посредством Джоулевой теплоты, выделяемой на нагревателе при прохождении через него электрического тока;

-                     во-вторых, перенос тепла через среду (мембрану) с определенной теплопроводностью и теплоемкостью, и нагрев горячих спаев термопар;

-                     в-третьих, преобразование разницы температуры между горячими и холодными спаями термопар в выходное напряжение посредством термоэлектрического эффекта Зеебека.

Рис. 4. Принципиальная схема работы теплового преобразователя [3]

Уравнения, описывающие работу прибора, согласно представленной схеме, можно представить в следующем виде:

                    (2),

где – входное напряжение, – электрическая мощность нагревателя, Q– тепловая мощность, – сопротивление нагревателя, – разница температуры между горячими и холодными спаями термопар, ,С– суммарная теплопроводность и теплоёмкость, – выходное напряжение, – коэффициент термоЭДС, N – число термопар.

Электротепловая задача решается, исходя из начальных условий, в явном виде: если на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения веществ, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника.

1.4 Потенциальное применение теплового преобразователя

На основе термоэлектрического преобразователя, возможно создать  ряд тепловых микродатчиков:

-                     Датчик вакуума. Диапазона измерений от 1*10-5 до 1 мм.рт.ст.

-                     Тепловой датчик угла (инклинометр).

-                     Датчик расхода газов и жидкостей.

-                     Термоанемометр.

-                     Тепловой акселерометр.

-                     Инфракрасный тепловой датчик.

В данной работе наибольший интерес представляет применение преобразователя как инклинометра и акселерометра.

2 Постановка задачи

2.1 Тепловые акселерометры, инклинометры

Принцип работы тепловых акселерометров и инклинометров основывается на тепловой конвекции и заключается в измерении величины смещения шара нагретого воздуха при его движении с ускорением в герметичной воздушной полости над полупроводниковой подложкой в корпусе датчика.

Основной частью данных датчиков является нагревательный элемент и симметрично расположенные вокруг него термопары. При подаче напряжения питания над нагревательным элементом образуется область нагретого воздуха шарообразной формы. Максимальная температура газа в герметичной полости будет приходиться на центр этой области и постепенно спадать по мере удаления от нагревательного элемента. Расположенные вокруг нагревательного элемента термопары регистрируют температуру окружающего воздуха и формируют сигнал для схемы его обработки.

В статическом режиме (в отсутствии ускорения, либо при нулевом угле наклона) температура воздуха над термопарами будет постоянной. При приложении к акселерометру (инклинометру) внешнего воздействия, например силы ускорения, поворота датчика  или вибрации, область нагретого воздуха, расположенная над центром нагревательного элемента, смещается в сторону направления воздействия, либо в сторону, противоположную наклону прибора, поскольку плотность холодного воздуха вокруг шара выше, чем теплового воздуха над нагревательным элементом. В результате термопарами будет зафиксировано изменение температуры окружающего их воздуха (температурный градиент), влияющее на их сопротивление [3].

Рис.5. Принцип работы теплового акселерометра[4]

2.2 Основные этапы решения задачи

-                     Построение трехмерной модели датчика;

-                     Решение сопряженной задачи теплообмена;

-                     Решение задачи смещения облака нагретого воздуха под действием наклона датчика либо ускорения потока;

-                     Анализ полученных результатов, рекомендации по расширению диапазона чувствительности прибора;

3 Результаты работы

Для решения круга поставленных задач было решено использовать модульную систему ANSYS Workbench. Центральным объектом при работе в WB(Workbench) является проект, под которым понимается совокупность геометрических, физических и конечно-элементных моделей тел рассматриваемой задачи, а также результатов численного решения. Проект может состоять из одного или нескольких блоков, реализующих отдельные виды инженерного анализа. В свою очередь блок состоит из элементов- структурных частей блока, отвечающих за определенный этап анализа.             Полученные на данный момент результаты будем относить к тому или иному этапу работы над проектом.

Построение трехмерной модели преобразователя осуществлялось в CAD пакете SolidWorks:

Рис.6. Модель преобразователя в корпусе

Рис.7. Модель преобразователя без корпуса

Рис.8. Модель преобразователя без корпуса (крупнее)

Для решения сопряженных задач в WB имеется возможность связывать между собой блоки с различным видом инженерного анализа. Данный тип анализа называется FSI (Fluid-Structural Interaction). Связываемые блоки должны обмениваться информацией и иметь возможность обновлять содержимое при изменениях в зависимых элементах. WB поддерживает два типа связей, устанавливаемых между блоками инженерного анализа: простая связь для передачи данных (Transfer Data) или совместно используемая связь (Share). При наличии простой связи данные из одного блока передаются как входные в другой блок. При наличии совместно используемой связи, устанавливается соответствие между связанными ячейками, что накладывает ограничения на редактирование и сброс данных в зависимых элементах. В этом случае все операции с данными могут быть выполнены только в родительских элементах.

Для решения данной задачи необходима простая связь для передачи данных (Transfer Data) между тепловым и газодинамическим блоками, а именно между двумя модулями ANSYS Multiphisics и ANSYS CFX.

Поскольку нас интересует как будет влиять поток на нагретую область над датчиком, то сначала нам необходимо получить распределение тепла в области над датчиком (тепловая задача-блок Thermal), а затем влияние потока на распределение тепла в этой области(газодинамическая задача-блок Fluid Flow (CFX)). Поскольку для FSI анализа связка блоков Thermal-Fluid Flow не является стандартной, было решено воспользоваться блоком-посредником в виде прочностного инженерного анализа. Таким образом, данные полученные в Transient Thermal передаются сначала в Transient Structural, а затем без изменении в CFX.

Рис.9. FSI схема в WB

В качестве подготовительного этапа была решена стационарная задача распределения тепла (тепловая задача-блок Steady-State Thermal) в датчике, а также в воздушной полости над ним. С учетом симметрии относительно плоскости OYZ  рассматривалась только одна половина  модели. Для построения КЭ модели использовали упрощенный вариант преобразователя:

-                     Исключили часть контактных дорожек, которые идут к стокам тепла;

-                     Исключили электростатический экран;

-                     Убрали Al часть бифилярного нагревателя;

В данной постановке вместо электрического напряжение на вход нагревателя, задавали температуру нагревателя выше температуры окружающей среды. На рис. 10,11 приведены примеры расчетной сетки для данной задачи. На рис.12-15 приведены результаты расчета при температуре нагревателя T = 303 К. Основание преобразователя и внешние границы воздушной области  поддерживались при постоянной температуре T = 293 К.

Отладка этой задачи вызвало ряд трудностей, прежде всего связанных с ограниченностью вычислительных ресурсов.

Рис.10 Пример полученной КЭ сетки на мембране

Рис.11 КЭ сетка на термопарах, контактных дорожках, нагревателе

Рис.12 Контуры температуры в областях над и под датчиком

Рис.13 Изолинии и контуры температуры в областях над и под датчиком

Рис.14 Контуры и изоповерхности температуры в областях над и под датчиком (аксонометрия)

Рис.15 Изолинии и контуры температуры на поверхности датчика

Рис.16 Упрощенная модель для отладки связной задачи

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате решения данной работы были выполнены следующие этапы:

-                     проведен обзор источников литературы по структуре и особенностям тепловых датчиков;

-                     промоделированы генерация джоулева тепловыделения и передачи тепла в датчике посредством теплопроводности и процесс конвективного нагрева воздуха над датчиком и образование над ним температурного облака.

-                     проанализированы полученные результаты.

В настоящий момент работа идет над корректной передачей (приемом) данных из блока Thermal в Fluid Flow. Для отладки задачи на этом этапе была сделана упрощенная модель (рис. 16), в которой датчик заменен телом простой прямоугольной формы, воздушная полость осталась без изменений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.        Козлов А.Г. Нано- и микросистемная техника. – 2006. – № 4

2.        Одинцов А.В. Тонкоплёночные термоэлектрические преобразователи напряжения переменного тока: диссертация на соискание уч. ст. к.т.н./СПбГТУ  СПб., 2004. – 120 с.

3.        Laiz H.M. Low frequency behaviour of thin-film multijunction thermal converter// Dissertation TU Braunschweig. Ca 130 S., ISBN 3-89701-321-5, 1999, ca. DM 36.00.

4.        http://www.kit-e.ru/articles/elcomp/2005_6_44.php

5.        Ansys Inc. «Coupled-Field Analysis Guide». 1.3. System of Units.  Ansys 6.0 Documentation

6.        Бабичев А. П. Физические величины: Справочник под ред.
И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова.  М.: Энергоатомиздат, 1991.

7.        Ansys Inc.  Chapter 6. «Micro-Electromechanical System (MEMS) Tutorial».  Ansys Tutorials 6.1.2.1.  Ansys 6.0 Documentation

8.        http://www.hut.fi/Units/MEC/documents/Si_SiO2.htm

24