英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于微型热流量传感器的新型车用空气质量流量计
——分析模型和微传感器
Oleg Sazhin 乌拉尔联邦大学 叶卡捷琳堡列宁大街51号 620083 俄罗斯
摘要
设计了一种热流量传感器的分析模型。根据分析模型应用程序的结果设计了具有最佳功能特性的热流量微传感器。描述了微传感器的制造技术。开发了一种用于空气质量流量计的微传感器原型，并且给出了这种微传感器的基本特性。
1介绍
热流量传感器[1-3]在现代的微电子机械系统(MEMS)中占据了很特殊的地位，它们的一般工作原理基于流动介质（流体）对流换热的速度。专利数据库近几年十分重视新型热流量微传感器的设计研究，努力开发微型纳米表面结构的形成技术[4]。的确，具有良好开发性能的表面微观结构形成技术的快速发展使得大部分关键工业技术和微传感器制造技术都取得了巨大发展。尤其是传感器的微型化大大减少了制造成本和电能的消耗，拓宽了它们的实际应用。
汽车[5-7]、化工[8]、电子[9]、医学[10]、航空航天[11]、空调通风[12]以及其他一些领域都用到热流量微传感器。后来热流量微传感器也应用于发展显著的微总量分析系统（）[13]。
根据测量方法，热流量传感器主要分为以下三种：飞行时间传感器（TOF）、热式风速计和量热式传感器。
运用TOF传感器测量流体速度或流体流量的方法在于确定热脉冲的延迟时间。加热器对脉冲进行加热，经过一段时间(飞行时间)，置于流场下游的温度敏感元件对脉冲进行记录。很明显，飞行时间取决于流体速度。
热式风速计是一种比较普遍的测流量的传感器，有很多的实际应用。比如可以用于确定与流体发生热交换而冷却下来的电加热元件的动态特性。反过来，流体的流动速度也大大影响了热交换率。由于温度会影响各种材料的电阻值，因此测量电阻值可以反映温度。
量热式传感器是基于整个流场加热元件附近的温度场的变化工作的，而流体的流速决定了加热器中上下对称分布的温度敏感元件之间的温度差异。
目前也有上述几种传感器的组合应用。量热式传感器对微小流量比较敏感而热式风速计和TOF这两种更适用于对大流量的测量。量热式与TOF两种组合成的一种传感器的工作方法在文章[14,15]中有讲解。测量大范围空气流动以及定义流向的方法在文章[16]中有具体说明。对小流量的测量是根据温度变化规律以及两个温度的平均值判断所得，而大流量的测量原理跟热式风速计相同。平行分布在小洞上的两个相互独立的热电阻丝用于确定大范围内的流体流向和剪切应力的绝对值大小[17]。
值得注意的是测量气液流速的热式风速微传感器得以开发[18]，并且热容低可以用于动态测量，比如：测量脉动流的频率范围可高达几百赫兹。
一般来说，根据实践的需要，热流量微传感器能够测量小流量流速从0.01ml/ min[19]到几升/分钟[20-22]。另外加一支越过传感器的流量百分比并且与总流速相关的分流可以使测得的最大气体流速绝对值显著增加。应用这种方法在Bosch HFM5空气质量流量计上，使得测得的空气质量流量达到103kg/h（1.4times;104L/min），误差小于3%，在管内径82mm。
热流量传感器的一个重要特性就是它的敏感度。其中量热式传感器的灵敏度有以下公式确定：
式中的是指加热器中对称置于流场上下游的温度敏感元件之间的温度差，Q是指流体的质量流量。
文章[23]对量热式传感器的灵敏度进行了实验和数值测试，结果表明温度敏感元件的位置、加热器的尺寸以及供给加热器的电能都大大影响了传感器的灵敏度。文章[24]通过试验表明量热式传感器的灵敏度也受所测流速范围的影响，范围越小，灵敏度越高。
除此以外，衬底温度敏感元件的隔热性也大大影响了传感器的灵敏度，隔热性越好，灵敏度越高。目前新技术和新材料的使用逐步降低了衬底的“寄生效应”对灵敏度的影响力。文章[25]提出了一种具有高热电阻的多孔硅衬底。多孔硅的热导率大小范围在0.1到2W/m/K之间，与孔的储存以及材料的形态有关，相比于广泛用于微电子学热导率约为170W/m/K的多晶硅要小的多[26]。除了多孔硅，其他热导率低的材料也有用到，比如：玻璃（石英或派热克斯）以及热导率为1～1.4W/m/K的二氧化硅。
创建一个空腔，将薄绝缘轴承结构与巨大衬底上的温度敏感元件分离，以此获得较好的隔热性。气体的热导率只有0.03W/m/K，相对于固体小得多，使得整个衬底的热阻会比较高，耐热性好。隔热性好有利于减少传感器的电能消耗。
量热式传感器的实际应用结合了前面所提到的三种测量流体流速和流量的方法，因此本文重点研究量热式。图1为量热式传感器测量管道内气体流量的原理图。传感器装在管道内表面上或者是隔一定距离。传感器的测量部分是一个装在巨大衬底上的隔膜。两个甚至更多的加热器和温度敏感元件就装在隔膜里面。
图1 量热式传感器管道内气体流量测量原理图
想要从理论的角度来描述内部气体流动的传热传质过程是相当难的。实际上传热传质过程与很多因素有关，比如：气体流动规律、管道的形状与大小、管道表面的化学成分、气体种类、表面温度分布、表面的粗糙程度以及增压比。同时也受气体的宏观物性影响。
对于更精确地研究热质传递过程，毫无疑问，使用数值模拟方法，如有限元法，这种方法避免了一系列的假设和固有的简化，但是为了更好地理解传感器设计的问题与建议，分析模型也还是非常重要的。
文献[37]中提到的量热传感器的分析模型是一种常用的模型。这个模型里膜的温度等于与加热器相隔一个无限距离的环境的温度。然而事实上薄膜温度等于与加热器相隔一个有限距离的环境的温度，在那里它是与大量的基板连接着的。
本课题研究的理论目的是开发一个能够进行工程计算的热流量传感器的分析模型。这种计算的结果可能是反映传感器功能特性的临时数据，可以识别系统中最关键的部分，相比于其他几种可供选择的设计，实现了系统操作方面的优化与计算。这项研究的实际目标是尽可能开发性能最佳的微传感器。
2分析模型
假设一个形状为长方形，横截面面积为S和周长为p的膜（图2）。考虑到这个板比较薄和宽，横截面上所有点的温度就可以被认为是相同的并且侧面效果可以忽略不计，因此我们可以采用一个一维方案。板位于沿x轴气体流动速度为U的地方，x方向上的长度为2，加热器的长度为。供给加热器的电能为P，温度敏感原件安装在和 之间。
图2 薄膜结构组成图
为了计算板温度的稳态分布状况，我们可以利用微元体积（沿x轴从x和x dx部分）热传导的微分方程，如下：
（2）
其中表示板的温度；是环境温度；是气体与板之间的热交换小时数，分别是密度，比热容和板材料的电导率热系数。方程从左往右第一部分代表内部热传导，第二部分代表对流换热，第三部分是与周围气体的热交换，以及第四部分是内部产热，方程的边界条件设定如下：
实际上，确定换热系数是研究“流体–固体”系统中热传递过程的主要问题之一，与许多因素有关。其中，流体的流型影响了传热机理，因而对热交换效率有很大影响。在层流的流体颗粒没有混合着移动，因此沿着运动方向的热传递主要是热传导。在湍流中，颗粒移动无规律，单个颗粒的运动方向与速度都是持续变化着的，运动方向上的正常热传递既有热传导率也有热对流，其中对流换热的效果明显超过热传导。
为了弄清楚整个过程中的热量传递问题以确定换热系数，需要提出一个包含了连续性方程，运动方程（Navier–Stokes方程）和能量转移方程的方案，然而想要同时解决这些方程相当复杂，所以比较可行的方法是采用相似理论。
强制对流中热传递的相关方程：
（4）
式中， 都是相似参数，分别是指努谢尔数，雷诺数和普朗特数。
流体在通过直径为D的圆柱形通道内有着统一温度的膜板时，每段流体的流动规律可以写成一个方程组如下[38]。
式中 ， 是指雷诺数。
根据相似理论，上述方程组可以写成：
式中是指流体的导热系数，和分别是指运动粘性系数和动量粘性系数，是指恒压下的流体比热容。需要注意的是，由于膜在通道内，热交换系数的大小便取决于管道内的水气流动模式。因此应该根据圆柱的直径或者矩形通道的高度来确定雷诺数大小。
当雷诺兹数达到临界值时，流体便从层流过渡到了湍流。当 时，流体处于层流状态。当 时，湍流才有可能发生。圆柱形通道中流体的临界雷诺数大约等于2300。时才完全处于湍流状态。范围内属于混合流型。
为了让工程计算不至于过度复杂，多数采用以下一种近似公式来计算热交换系数：
（7）
式中 都是常数，由条件最吻合的某实验的数据确定。实际上大多数情况下，热交换系数都通过实验确定。
使用文献[39]提出的方法，方程（2）在边界条件（3）下的解如下：
其中 。
方程解中加热器最终两端的温度 和 都是未知的。定义这两端的最终温度如下：
式中表示加热器在处的中心温度。显然这只是一个粗略的假设。尽管如此，但在本文的理论研究中没有定量要求我们的分析模型与实验数据的结果要一致，我们主要是要获得过程的定性描述。
式（8）中温度加热器的中心温度由下式给出：
（10）
将假设条件（9）代入公式（10），可以得到 的表达式如下：
（11）
让我们来探讨一下在实践中经常看到的于恒温模式下工作的加热元件。在这种模式下，加热器在不同流体流速下对应的平均温度，可以通过调整提供给加热器的电能来保持恒定。为了计算简便，我们作了另一个假设，即加热器的实际平均温度与加热中心元件的温度一致。
图3表示传感器在恒温条件下，气体流速为三种情况下，膜的稳态温度分布函数。
对称安装在加热器中的上、下游温度敏感元件之间的温度差被定义为：
（12）
如图3所示，在无有向气流（即）时，是一个偶函数并且温度差。定向气流（）改变了加热器上、下游以及加热元件中的薄膜的温度分布，并且温度差。流体流速增加，温度差也随着增大。图3还显示位于下游十分靠近加热器的温度敏感元件的温度可以超过加热器的平均温度。
图3
3微传感器
热流量传感器必须满足相当严格的性能、技术和机械要求。性能方面的要求包括高电平的有效信号、快速的响应能力以及低能耗。传感器还必须相对耐用可靠，不轻易受损和污染。传感器的表面必须是不易发生化学反应的。制造技术必须实现标准微电子生产作业最大化。
本课题中，传感器的制造设备是由集成微制造要求决定的。制造过程需要利用微电子在洁净室内进行，并且需要使用标准设备来生产微机电系统。
微传感器要在单晶硅片上形成，其中制造技术是不可或缺的。微加工批板上包含数百个传感器，每个板块上都有，这种技术在制造过程已经实施，使得传感器参数更加均匀，在大规模生产单一传感器时的制造成本也更。图4表示微机械加工后的带有传感器的板（平面和非平面侧）。
图4 微机械加工后的硅板（平面和非平面侧）
起初，原板进行了力学和化学加工以消除技术阻碍。在这一阶段，利用双面光刻使得双面标签形成，并且在随后的光刻过程中用来组合拓扑结构两侧的钢板。
在下一阶段，为了获得蚀刻屏蔽膜和绝缘的电气电路，板块两侧的氧化厚度需达到1.2–2，随后在平板表面布置0.15厚的氮化硅层。
在板侧面下层掺杂的是多晶硅，用来形成导电体，它的电阻值与温度有关。为了达到
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[148186]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
