Введение к работе
з
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 новых систем часто базируются на эмпирических зависимостях и сдерживаются отсутствием данных расчетных моделей. В настоящий момент признается, что работы в области физического дизайна, подбора материалов для производства первичных преобразователей требуют широкого компьютерного моделирования динамики газового потока, анализа 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.
Учет масштабных факторов и групповых микроэлектронных 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 факторы, которые влияют на технические характеристики микромеханических систем; оптимизация параметров конструкций, обеспечивающих требуемые динамические характеристики чувствительных элементов; подбор и создание материалов с необходимыми физико-механическими характеристиками; поиск способов уменьшения влияния напряженно-деформированного состояния конструкций, а также технологических, температурных и иных факторов на точность и 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:
Расчёт напряженно-деформированного состояния и собственной частоты колебаний свободной нити терморезистора в газовом потоке.
Расчёт термонапряжений и изменения сопротивления в нитевидном терморезисторе на подложке.
3. Компьютерное моделирование газодинамики и теплообмена в
тепловых газовых расходомерах.
Газодинамический расчёт течения газов в канале и в камере теплообмена.
Исследование работы первичных преобразователей в виде терморезистивных элементов и полупроводникового микрочипа.
6. Разработка регулятора расхода газа с нитевидным полупроводниковым первичным преобразователем.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Исследовано напряженно-деформированного состояние нити, оценена ее собственная частота и вклад терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора.
Проведен анализ изменения сопротивления терморезисторов на подложке за счёт терморезистивного и тензорезистивного эффектов.
Методом компьютерного моделирования исследованы газодинамика и теплообмен в тепловых газовых расходомерах для двух различных конструкций микрочипов с точечным источником нагрева и нитевидным нагревателем.
Впервые методом компьютерного моделирования исследован характер распределения тепловых полей и переноса тепла между чувствительными элементами чипов в камере теплообмена, оценены температуры тепловых источников и профили распределения температур.
Практическая значимость
Предложен метод расчета напряженно-деформированного состояния нити и оценки ее собственной частоты и вклада терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора.
Проведен анализ газодинамических параметров потока в первичных преобразователях различной конструкции. Установлено распределение температуры в потоке, аномальность течения газа в конструкциях с коническим углублением.
Предложены методики расчёта параметров чипа для новой конструкции расходомера.
4. Разработана конструкторская документация и изготовлен прибор газового расходомера с чипом оптимальной конструкции.
