|
|
|
МИКРОРАСХОДОМЕРЫКонсоль подогревается со скоростью 26 К/мВт при подаче на встроенный резистор электрического напряжения. Типичная передаточная функция расходомера имеет отрицательный наклон порядка 4 мВ/м/с. Тепло от датчика отводится тремя способами: за счет теплопроводности через балку консоли, за счет тепловой радиации, подчиняющейся закону Стефана-Больцмана, и через газовый поток h(y):
где о — постоянная Стефана-Больцмана, а — площадь
поверхности балки, через которую происходит передача тепла в воздух, е — коэффициент
излучения поверхности, a v — скорость потока газа. Из законов сохранения
энергии и массы можно вывести уравнение теплопередачи, определяющее
распределение температур Т(х,у) в потоке газа рядом с поверхностью датчика:
где п — плотность газа, с — теплоемкость молекул газа, к — теплопроводность
газа. При условии, что градиент температуры вдали от поверхности датчика
принимает нулевое значение, решение уравнения (11.25) можно записать в виде
[7]:
На рис. 11.1 ЗА отображена конструкция еще одного
микротермоанемометра [8]. В его состав входят две пленки из титана толщиной 0.1
мкм, выполняющие функции и нагревателей, и детекторов температуры. Эти пленки
расположены между двумя слоями SiOr Применение титана обусловлено его высоким
температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Микронагреватели подвешены на
четырех кремниевых перекладинах на расстоянии 20 мкм друг от друга. В системах управления производством прецизионных
полупроводниковых устройств, химическими и фармацевтическими технологическими
процессами, а также при проведении биомедицинских исследований требуются
миниатюрные расходомеры. Большинство таких микросенсоров основаны на принципе переноса
тепла, описанного в сайте 11.3, и изготавливаются на кремниевых подложках
методами микротехнологий. Почти во всех микрорасходомерах в качестве детекторов
температуры используются термопары [6], однако термоэлектрические коэффициенты
стандартных термоэлементов (см. уравнение (3.91) главы 3), используемых в
монолитных ИС (из кремния и алюминия), отличаются от коэффициентов традиционных
термопар в 10... 100 раз (в меньшую сторону). Поэтому результирующие выходные
сигналы таких преобразователей обычно очень малы, что требует интеграции
усилителей прямо на подложки самих сенсоров.
Рис. 11.12. Монолитный газовый расходомер
На рис. 11.12 отображена конструкция микрорасходомера консольного типа. Толщина многослойной консоли может быть меньше 2 мкм [7]. Сопротивление пленки из титана составляет около 2 кОм. На рис. 11.13Б отображена упрощенная эквивалентная схема такого термоанемометра вместе с интерфейсом, в котором выходное напряжение Л V связано линейной зависимостью с расходом газа. 
Рис. 11.13. Микротермоанемометр с саморазогревающимися
титановыми резисторами: А — конструкция датчика, Б — эквивалентная схема
датчика с интерфейсом: Лц и Rd — сопротивления нагревателей, расположенных выше
и ниже по течению потока
На рис. 11.14 отображен микрорасходомер, реализованный на
основе емкостного датчика давления [9]. Принцип действия такого датчика основан
на методе измерения скорости потока по перепаду давления, описанного в сайте
11.2. Датчик изготовлен на кремниевой подложке, для формирования его структуры
использовался метод травления с барьерным слоем из дифузионного бора. Газ под
давлением Р1 через входное отверстие поступает в корпус датчика. Это же самое
давление устанавливается вокруг кремниевой пластины, включая внешнюю сторону
мембраны.
Рис. 11.14. Конструкция микрорасходомера с емкостным
датчиком давления
Газ проходит во внутреннюю камеру датчика через узкий канал, создающий давлению довольно большое сопротивление. В результате давление Р2 внутри камеры будет ниже Ру Таким образом, на мембрану действует дифференциальное давление. Тогда расход потока можно определить по выражению (11.10). Разность давлений определяется емкостным датчиком давления, состоящим из легированной бором/?++ кремниевой мембраны, подвешенной над металлической пластиной. Перепад давлений приводит к изменению емкости С. между металлической пластиной и кремниевой структурой. Разрешение такого датчика составляет 1 мторр/фФ, а максимально измеряемое давление — около 4 торр. Полная разрешающая способность датчика равняется 14–15 разрядам, а точность измерения давления — 9–10 разрядам. При давлении, приблизительно в два раза превышающим максимальный перепад давлений, мембрана может коснуться металлической пластины, что приведет к электрическому замыканию. Чтобы этого не произошло, на нижнюю часть мембраны наносится диэлектрический слой. Стеклянная подложка служит для механической защиты мембраны от разрушения. В кремниевую подложку по стандартной КМОП технологии встраивается электронная схема, позволяющая проводить измерение емкости. .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
