Исследование работы первичных нитевидных терморезистивных преобразователей и разработка на их основе регулятора малых расходов газа
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 консультант: 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 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:
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.
5. 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:
1. Исследовано напряженно-деформированного состояние нити, 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.
3. Методом компьютерного моделирования исследованы газодинамика и теплообмен в тепловых газовых расходомерах для двух различных конструкций микрочипов с точечным источником нагрева и нитевидным нагревателем.
4. 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 1. Предложен метод расчета напряженно-деформированного 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.
На защиту выносятся следующие основные положения 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 были использованы в ЗАО «Элточприбор» при разработке 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» V-ой (Москва, МИЭТ, 2005 г.), на ежегодных Всероссийских межвузовских научно технических 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 научно технических 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
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы. Определены проблемы первичных преобразователей на основе терморезистивных элементов и 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 резистивных детектора температуры, намотанных вокруг трубы преобразователя, направляют постоянное количество теплоты в газовый поток. Теплопередача между этими элементами определяется 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.
Одним из путей решения проблем является использование полупроводниковых элементов. Миниатюризация первичного 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-электро стойкостью 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 мембраны, сформированные прямым травлением. Соотношение 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.
Для предсказания поведения и прогнозирования технических 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 свободной нити терморезистора в газовом потоке, а также расчет термонапряжений и изменение сопротивления в нитевидных терморезисторах на подложке На свободную, закрепленную на опорах нить (терморезистор), 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.
Относительное изменение сопротивления терморезистора будет 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 напряженно деформированное состояние нити, оценена ее собственная частота и вклад терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора.
Собственная линейная частота системы определится из уравнения 0 f= =, (1) 2 2 m m – масса балки (терморезистора);
0 - круговая частота;
К – жесткость где подвеса.
Расчетное уравнение для максимального напряжения в балке имеет вид 5 ql 2 6 ql max = = 1,25 2. (2) 24 bh 2 bh При симметричном течении лобовое сопротивление на терморезисторе равно U = Сx S, (3) 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.
U q= = C x 1 h, (4) l где h – высота сечения нити, - плотность газа.
В табл. 1 и 2 представлены результаты расчета динамических характеристик кремниевого нитевидного терморезистора сечением 10х10 мкм и 2х2 мкм соответственно в потоке воздуха.
Таблица Динамические характеристики нитевидного терморезистора сечением 10х мкм в потоке воздуха q 10 3, Н/м 0,026 0,16 0,31 0, 2000 5000 7000 U, мм/с max 10 3, 2,93 18,6 34,8 72, МПа f, кГц Таблица Динамические характеристики нитевидного терморезистора сечением 2х2 мкм в потоке воздуха 0,0052 0,032 0,062 0, q 10 3, Н/м 2000 5000 7000 U, мм/с 0,073 0,45 0,87 1, max 10 3, МПа 28, f, кГц 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 R величин температура принималась равной 50 и 100 0С. Величина R соответствует регистрируемому изменению сопротивления, включающему влияние ТНР и ТРР.
Таблица Расчетные значения термонапряжений и изменения сопротивления терморезистора Материал Si - SiNx Pt - SiNx Ni - SiNx Si - Пл. Au - Пл.
тензорезистор - подложка, 0С 50 100 50 100 50 100 50 100 50, МПа 1,7 3,1 48,4 96,9 101,8 203,7 -21,3 - 32 42, R 0,1 0,2 2,8 5,7 4,8 9,7 1,2 2,5 5,3 10, ТНР,% R R 6,5 13 20 39 17 35 6,5 13 18 ТРР,% R R 6,6 13,2 22,8 44,7 21,8 42,7 7,7 15,5 23,3 14,,% R 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 нагревателя должны выбираться из условия B, где B - предел прочности материала.
В третьем разделе приведены результаты компьютерного моделирования газодинамики и теплообмена в тепловых газовых расходомерах. Описаны программы и выбор расчетных моделей. Представленные модели были построены и рассчитаны по размерам существующих экспериментальных расходомеров.
При решении поставленных задач использовался метод конечных элементов, так как с его помощью можно в сравнительно короткие сроки оценить характеристики разных вариантов конструкций и выбрать наилучший.
Перед проведением расчетов были построены расчетные сетки с использованием тетрагональных конечных элементов, включающие более элементов. Моделирование тепловыделения проводилось как путем задания удельной объемной плотности внутренних источников теплоты, так и путем задания поверхностной плотности теплового потока. Теплофизические свойства всех веществ принимались постоянными. Коэффициенты теплоотдачи на тепловыделяющих поверхностях не задавались, так как во всех расчетах решалась задача сопряженного теплообмена.
Течение сухого воздуха моделировалось с использованием различных моделей вязкости (ламинарная модель, k- и k- модели турбулентности).
Полученные результаты показывают, что для учета «тонких» деталей течения предпочтительной является k- модель турбулентности.
Для расчета течения была создана расчетная сетка, которая генерируется на основе геометрической конфигурации. Так как расчету подлежала сопряженная задача газодинамики, конвективного теплообмена и теплопроводности в твердом теле, то в состав расчетной области необходимо было включить как область течения, так и твердые тела. Расчетная область течения представляла собой канал байпаса и камеру теплообмена. Модель расчетной области представлена на рис.1.
Для выявления общих характеристик течения и теплообмена был проведен предварительный расчет в программе Fluent.
В обсуждаемом расчете использовалась программа-генератор сеток – Gambit. Модель, выполненная в Solid Works, была экспортирована в Gambit и разбита на сетку. Поверхности, принадлежащие нитям и микроплощадкам, а также примыкающие к ним поверхности, были разбиты на ячейки. Размер ячеек составлял 0,01мм. Остальные поверхности разбиты ячейками того же типа, но большего размера - 0,1 мм. После построения поверхностных сеток было произведено объемное разбиение. В качестве элементов разбиения были выбраны ячейки Tet/Hybrid типа TGrid.
Вход Вытравленная Корпус чипа Вход воздуха полость Кольцевой зазор Выход воздуха Выход а) Нити датчиков Камера Коническое теплообмена углубление Канал б) Рис.1. Модель расчетной области:
а) геометрия расчетной области;
б) продольное сечение расчетной области.
Для расчета в программе CFX, входящей в систему ANSYS Workbench, геометрия расчетной области создавалась с помощью встроенных CAD – средств, по своим возможностям в целом аналогичных программе Solid Works 2005.
Параметры сетки составили:
• Тип элементов – тетрагональный;
• Число элементов – 1849710;
• Минимальный размер элемента, мм – 0,0027306;
• Максимальный размер элемента, мм – 0,03;
• Отношение максимального и минимального размеров элемента – 11.
Для формулирования тепловых граничных условий при расчете теплового состояния терморезисторов использовалась возможность задания мощности внутренних источников тепловыделения. С этой целью весь объем терморезистора разделялся на зоны, причем центральная зона принималась тепловыделяющей.
Из анализа геометрии конструкции в камере теплообмена было видно сочетание параллелограммов и цилиндров, наличие острых кромок apriori свидетельствующих о том, что течение в такой конфигурации будет отличаться зонами отрыва потока, которые и были обнаружены при анализе полученных результатов.
При моделировании газодинамики и теплообмена рассматривались две различные конструкции преобразователей (микрочипов). Преобразователь N° был изготовлен по отечественной разработке в институте Физпроблем по стандартной МЭМС–технологии с использованием литографии и травления по определенным заказчиком требованиям. Нагреватель и терморезисторы выполнены из платины и расположены на 4-х - слойной мембране (Si3N4/SiO2/Si3N4/SiO2), длина активной части нити терморезистивного элемента 1,6 мм, ширина 19 мкм, толщина 0,25 мкм, размеры мембраны 1,6 х 1,6 мм, толщина 2 мкм, размеры кристалла 3,5 х 3,5 мм.
Преобразователь N°2 представляет собой кремниевый сенсор отечественной разработки с двумя нагревателями, которые выполняют функцию терморезисторов, расположенных над воздушной полостью.
Материал чипа – монокремний, также рамки и нити (резисторы). Размеры кристалла: общие 4х4 мм, вытравленной полости 2,5х2,5 мм, нити 20х20 мкм, расширения на нитях ~ 100х100 мкм или 100х80 мкм (легированы фосфором или сурьмой), толщина кристалла (рамки) 300 мкм Результаты моделирования течения газа в канале аналогичны для двух чипов.
Течение газа в теплообменной камере имело свои особенности для каждой конструкции и представлено на рис.2.
Для преобразователя № 2 неравномерный характер течения потока газа в теплообменной камере подтверждается результатами расчёта в программе Fluent, из которого видно, что скорость потока газа падает с 8,11 м/с в канале до 1,1 – 2,26 м/с в камере теплообмена. Чувствительные элементы при этом не попадают в эту зону. Видны зоны застоя в нижней части конической впадины под чипом, в вытравленной полости в корпусе чипа над чувствительными элементами, а также до и после корпуса микрочипа по ходу движения газа.
Скорость потока газа в этих зонах 0,73 м/с. Наличие отрицательных скоростей (-1,24 м/с, в вытравленной полости корпуса чипа) свидетельствует о существовании зон рециркуляционного, возвратного течения в камере теплообмена.
Конфигурация чипа № 1 характеризуется более равномерным пространственным полем скорости. Вихревые токи воздуха возникают только в коническом углублении. Поверхность чипа, на которой размещены терморезисторы, обтекается пограничным слоем.
Расчёты, проведенные двумя различными программами моделирования, показывают сходимость результатов. Максимальная скорость течения потока газа наблюдается на входе в камеру теплообмена и равна согласно расчётам в Ansys CFX - 7,99 м/с и 7,90 м/с во Fluent.
Зоны рециркуляционного течения терморезисторы а) терморезисторы Сдвоенный нагреватель б) Рис.2. Векторное поле скоростей в камере теплообмена: а - для микрочипа № 2;
б - для микрочипа № 1.
Анализ результатов показал, что существование конического углубления под корпусом обоих микрочипов вызывает нехарактерное течение и распределение скоростей в области расположения чувствительных терморезисторов микрочипов, а также является одной из зон застоя и возвратных течений, отрицательно влияющих на показания прибора.
С целью оценки характера течения газа в теплообменной камере без конического углубления в программе Fluent были построены модели теплообменной камеры для двух вариантов микрочипов, в которых коническая впадина отсутствует.
Данная конструкция, как и предполагалось, характеризовалась более равномерным распределением поля скоростей в камере теплообмена, для обоих вариантов микрочипов. Увеличились скорости течения потока в области расположения микрочипов, 2,36 – 2,84 м/с для первого и 3,28 – 3,70 м/с для второго, а в центральной части канала до 4,98 м/с. Уменьшилось число зон застоя и обратных течений. Однако для второго микрочипа, сохранилась зона возвратного течения в вытравленной полости корпуса над терморезисторами.
Для чипа с мембраной остались только зоны застоя до и после корпуса микрочипа по ходу движения газа, но они не находились в области терморезисторов и существенно не влияли на показания прибора.
В целом для обоих чипов вариант конструкции теплообменной камеры без конической впадины можно считать оптимальным.
Для получения данных о характере распределения тепловых полей и переносе тепла между чувствительными элементами чипов в камере теплообмена, а также для оценки температур тепловых источников и профилей распределения температур по ним было проведено компьютерное моделирование, как с учетом наличия углубления, так и без него для двух чипов.
Разность температур между терморезисторами в области нагрева для чипа № 2 составляла около 15 °. Для чипа № 1 обтекание мембраны характеризовалось профилем скорости, которому соответствует такое распределение температур, при котором разность температур первого и второго (по направлению течения воздуха) терморезисторов намного больше.
В четвертом разделе приведены характеристики исследованных микрочипов различной конструкции: два преобразователя, данные которых использовались при моделировании (№ 1, № 2), преобразователь фирмы Honeywell (№ 3) и, созданный с учетом результатов моделирования, преобразователь (№ 4).
У преобразователя №3 терморезисторы из платины симметрично расположены относительно нагревателя на мембране. В отличие от двух предыдущих сенсоров на самом датчике реализована схема температурной компенсации. Чувствительная и нагревающая схемы преобразователя разделены. Нагревательный элемент и терморезисторы выполнены из тонкопленочной платины с высоким коэффициентом температурного сопротивления (ТКС), размещенной между двумя слоями пассивирующего нитрида кремния. Отверстия вырезались через пассивацию и кремний травился анизотропным травлением из-под нитрида кремния для формирования двух мостов. Каждый из мостов включает один терморезистор нагревателя.
Преобразователь №4 изготовлен в НИИ Физпроблем. Он представляет собой кремниевый кристалл 3,1 х 4 мм. с мембраной 756 х 1200 мкм., платиновыми нагревателем R3 и терморезисторами R2, R4, расположенными на мембране, а также с двумя дополнительными терморезисторами R1, R5 на корпусе микрочипа, предназначенными для температурной компенсации.
Топология микрочипа и его фотография показаны на рис. 3.
Были проанализированы быстродействие, чувствительность, линейность, воспроизводимость, сняты градуировочные кривые.
В табл. 4 представлены результаты по быстродействию испытанных преобразователей и для сравнения данные других приборов.
а) б) Рис.3. а - Топология микрочипа №4: 1- канал для ломки пластины на кристаллы (размер кристалла – 3,1 х 4 мм), 2 – колодец для формирования мембраны (размер колодца 1356 х 1680 мкм), 3 – диэлектрическая мембрана (размер 756 х 1200 мкм), 4 – окна в защите, 5 – контактные площадки 150 х 150 мкм, промежуток – 100 мкм, 6 – платиновые резисторы (R1, R2, R3, R4, R5);
б Фотография микрочипа № 4.
Таблица Показания быстродействия для 4-х микрочипов и для классических сенсоров Преобра- Преобра- Преобра- Преобра- Преобра- Преобра- Преобра зователь зователь зователь зователь зователь зователь зователь №1 №2 №3 №4 РРГ-9 РРГ фирмы РРГ фирмы на с Honeywel Qualiflow Steck мембране полостью l 50 мс 2 мс 4 мс 5 мс 16,63 c 18,88 c 5,22 c При разработке прибора были сформулированы и учтены основные требования к устройствам регулирования потока:
- использовать в качестве основного элемента датчика терморезистивный элемент, позволяющий производить высокоточные измерения, размещенный на микрочипе;
- подбор материалов чувствительного элемента и его малая термомасса, что обеспечивает высокое быстродействие и широкий диапазон измерений, хорошую воспроизводимость;
- оптимальная конструкция канала для газового потока, гарантирующая меньшую относительную зависимость от загрязнения частицами и влажности проходящего газа.
Учитывалось влияние элементов конструкции, вступающих в контакт с газовым потоком, на возможность его загрязнения, использована (реализована) газовоздушная схема с отсутствием (минимальным количеством) мертвых зон, в которых возможно застаивание потока. В задачу разработчиков также входило создание рабочих поверхностей с минимальным рельефом.
При подборе материалов и способе соединения элементов конструкции из этих материалов учитывалась их совместимость с предполагаемыми для контроля реагентами.
Внешний вид прибора РРГ-300 представлен на рис.4.
Рис.4. Внешний вид регулятора расхода газа с полупроводниковым преобразователем.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Показано, что МЭМС технология является наиболее перспективной для создания дозаторов малых расходов с высоким быстродействием, малым энергопотреблением и высокой надежностью. В конструкциях сенсоров основными задачами являются оптимизация геометрии терморезисторов, сокращение теплопотерь от нагревателя к корпусу первичного преобразователя, оптимизация геометрии камеры теплообмена, подбор и использование материалов элементов прибора, обладающих термоэлектростойкостью и механической прочностью.
2. Показано, что для дозаторов малых расходов газа наиболее перспективно применение в качестве датчика трехнитевидного микропреобразователя на подложке. «Свободные» нитевидные преобразователи не обладают достаточной долговечностью из-за адсорбции на поверхности нити посторонних примесей, изменяющих параметры терморезисторов. Такие преобразователи целесообразно использовать в системах с особо чистым газом.
3. Установлено, что изменение сопротивления терморезисторов на подложке определяется тензорезистивным и терморезистивным эффектами, дающими суммарное изменение сопротивления.
Показано, что для уменьшения влияния тензорезистивного эффекта на работу преобразователя необходимо выбирать КЛТР пары материалов тензорезистора и подложки равными или близкими.
4. Предлагается методика испытания микростержней (нитей с жесткими заделками) для определения порога пластичности. Метод позволяет получить важный в разработке микросистемной техники предел текучести материала нити с учётом масштабного эффекта.
5. Установлено, что течение воздуха в канале с байпасом, имеющим коническую впадину, является вихревым с образованием зон рециркуляции. В этом случае возможно обтекание чувствительных элементов возвратным током воздуха. При течении в канале с байпасом, у которого впадина отсутствует, область зон с возвратным течением практически отсутствует, что создает условия более стабильного обтекания чипа.
6. Показано, что для микрочипа с локальным нагревом разность температур между терморезисторами при малых расходах газа составляет ~ 15оС. Влияние впадины на распределение температур по терморезисторам незначительное. При больших расходах газа наблюдается перераспределение скоростей в корпусе с впадиной, приводящих к неконтролируемой разности температур между терморезисторами.
Установлено, что для микрочипа с мембраной разность температур первого и второго терморезисторов выше без впадины в корпусе.
7. Показано, что важным фактором качества работы дозатора является чистота контролируемого газового потока. Установлены причины определяющие генерацию частиц в магистралях расходомера, особенно совместимость материалов элементов прибора с контролируемыми газовыми реагентами.
Определен список материалов рекомендуемых для МЭМС расходомеров, обеспечивающих минимум загрязнения газового потока.
8. Разработана конструкция расходомера с полупроводниковым нитевидным первичным преобразователем для контроля газового потока.
Определены основные метрологические характеристики расходомера – диапазон измеряемых расходов, диапазон рабочих давлений, чувствительность, воспроизводимость, быстродействие.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
Материалы диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
1. Сажнев С.В., Фомичёв М.А., Тимофеев В.Н. Проблема чистоты газового потока в расходомерах на базе МЭМС – технологии. / Оборонный комплекс – научно – техническому прогрессу России, №4 2004, С. 68 – 71.
2. Сажнев С.В., Фомичёв М.А., Тимофеев В.Н. Дозаторы малых расходов газа с полупроводниковыми и микромеханическими элементами. / Оборонный комплекс – научно – техническому прогрессу России, № 2005, С. 84 – 90.
3. Фомичёв М.А. Сравнительный анализ полупроводниковых и традиционных сенсоров в регуляторах расхода газа для технологического оборудования / Микроэлектроника и информатика – 2005. 12-я Всероссийская межвузовская научно – техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2005. – С. 353.
4. Фомичёв М.А. Дозаторы с полупроводниковыми преобразователями и требования к ним / Микроэлектроника и информатика – 2004. 11-я Всероссийская межвузовская научно – техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2004. – С. 342.
5. Сажнев С.В., Фомичёв М.А., Тимофеев В.Н. Применение нитевидных первичных преобразователей в термоконвективных газовых расходомерах / Нано - и микросистемная техника, №1, 2006. – С. 39-40.
6. Фомичёв М.А., Сажнев С.В. Нитевидные первичные преобразователи в термоконвективных газовых расходомерах. / Электроника и информатика 2005. V Международная научно – техническая конференция: Материалы конференции. Часть 1. – М.: МИЭТ, 2005. – С. 86.
7. Фомичёв М.А. Влияние конструктивных особенностей полупроводниковых преобразователей на их технические характеристики / Электроника и информатика 2005. V Международная научно – техническая конференция: Материалы конференции. Часть 1. – М.:
МИЭТ, 2005. – С. 85.
8. Сажнев С.В., Тимофеев В.Н., Фомичев М.А., Миркурбанов Х.А. Физико механические характеристики нитевидных первичных термопреобразователей в газовых расходометрах. Нано- и микросистемная техника, №4, 2007 – С.65-69.