ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК РАСХОДА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Полезная модель относится к измерительной технике - области микроэлектронных и микромеханических устройств, и может быть использована для измерения расхода жидкостей и газов и температуры окружающей среды. Термоанемометрические датчики расхода широко используются в сфере жилищно-коммунального хозяйства.
Известна полезная модель датчика с нагревателем, состоящего из кремниевого кристалла с мембраной, на которой сформированы нагреватели и термочувствительные элементы /1/.
К недостаткам полезной модели можно отнести низкую точность определения расхода из-за высокой теплопроводности структуры в области мембраны.
Прототипом полезной модели является термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов, содержащий размещенный на мембране нагревательный резистор и чувствительный элемент (платиновый резистор) и резистор температурной коррекции /2/.
К недостаткам прототипа можно отнести низкую точность определения расхода. Для получения зависимости скорости расхода от температуры или температуры от сопротивления необходимо подать напряжение на контакты, измерить силу тока и вычислить по закону Ома сопротивление при фиксированной величине температуры. В процессе подачи напряжения на контакты происходит разогрев за счет протекания тока по закону Джоуля-Ленца. Следовательно, излучается дополнительное тепло, которое увеличивает температуру, а значит и сопротивление (терморезистивный эффект). Поэтому снижается точность определения скорости потока воздуха и температуры окружающей среды.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности определения скорости измерения расхода, увеличение энергоэффективности и расширение перечня измеряемых параметров.
Поставленная задача решается тем, что изготавливают термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов, содержащий размещенный на мембране чувствительный элемент и резистор температурной коррекции, причем чувствительный элемент одновременно выполняет функцию нагревательного резистора и чувствительного элемента, за счет введения тестового кристалла для контроля температуры и скорости расхода жидкости и газов.
По сравнению с прототипом, количество металлических элементов на мембране сокращается. Величина теплоемкости воздуха больше, чем у материала мембраны (материал мембраны обычно диэлектрический), чувствительного и нагревательного платинового элемента. Как известно, теплопроводность - это количество теплоты, которое требуется подвести к телу, чтобы его температура возросла на 1 градус. Следовательно, по сравнению с прототипом температура окружающей среды будет более равномерна (стабильна). Это позволит провести измерения сопротивления более точно. Значит, для датчика на основе терморезистивного эффекта, повышается точность определения скорости расхода, а также температуры окружающей среды.
Также известно, что теплопроводность воздуха меньше, чем теплопроводность материала мембраны, чувствительного и нагревательного платинового элемента. Теплопроводность определяет способность тела передать тепловую энергию через материал. В процессе работы устройства через металлические элементы протекает электрический ток, тем самым формируется тепловое облако. Облако нагревает структуру. Поэтому сокращение количества металлических элементов на мембране позволяет уменьшить затрачиваемую мощность для формирования облака с заданной температурой.
На фиг. 1 представлен вид сбоку на термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов, где: 1 - пластина, 2 - мембрана, 3 - чувствительный элемент, 4 - резистор температурной коррекции.
i
i
Принцип работы. Тестовую структуру помещают в камеру тепла и холода. Далее при фиксированной температуре T с помощью мультиметра определяют значение сопротивления R чувствительного элемента. Затем, варьируя значение температуры, получают экспериментальный график T(R).
i
Следующим шагом, калибровочную структуру размещают в стенде, который создает расход, например, газовый поток. С помощью мультиметра измеряют значение сопротивления R чувствительного элемента. То есть получают экспериментальный график зависимости V(R) скорости расхода от сопротивления.
Затем, на рабочую структуру подают напряжение. Получают значение сопротивления чувствительного элемента. Используя две экспериментальных зависимости T(R) и V(R) полученных ранее, определяют скорость расхода и температуру окружающей среды.
2
2
Пример конкретного исполнения. На кремниевой пластине 1 толщиной 460 мкм формируют мембрану 2 посредством осаждения диэлектрических слоев из оксида кремния толщиной 0.6 мкм и нитрида кремния 0.13 мкм. Затем с помощью групповой кремниевой технологии изготавливают чувствительный элемент 3 и резистор температурной коррекции 4 операциями осаждения слоя платины толщиной 0.3 мкм, фотолитографии и травления до платины до нитрида кремния. Размер кристалла 3×9 мм. Площадь рабочей области пластины диаметром 150 мм составляет 13266 мм. Таким образом, с использованием групповой кремниевой технологии на одной пластине будет сформировано 491 кристаллов. Тем самым, характеристики одного тестового кристалла для контроля температуры и скорости расхода жидкости и газов, описывают параметры остальных 490 кристаллов, используемых в датчиках.
Таким образом, в результате использования предлагаемой конструкции повышается точность определения скорости расхода, снижается энергопотребление, и осуществляется возможность определения температуры окружающей среды.
Источники информации:
1. Полезная модель РФ №145242.
2. Полезная модель РФ №137100 - прототип.