МЕМБРАННЫЙ ТЕРМОАНЕМОМЕТР
MEMBRANE HOT-WIRE ANEMOMETER

Изобретение относится к микросенсорам, а именно к микроэлектромеханическим системам для измерения потоков жидкостей и газов и для измерения давления.
Известен термоанемометр, содержащий помещаемые в измеряемый поток нагреватель и термодатчик. Действие их основано на измерении количества теплоты, переносимого потоком от нагревателя к термодатчику. Чувствительность такого устройства тем выше, чем меньше тепла от нагревателя передается термодатчику, минуя измеряемый поток.
Известен термоанемометр в микроисполнении, в котором для уменьшения передачи тепла от тонкопленочного нагревателя к тонкопленочному термодатчику подложка под ними выполнена в виде тонкой мембраны /1/. Теплоперенос по объему в нем мал из-за малости площади ее поперечного сечения. Недостатком таких устройств является паразитная теплопередача.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является сенсор датчика с газонаполненной герметичной полости кристалла. В нем для измерения температуры окружающей среды используется один из термодатчиков на мембране или вне нее. Технологическая реализация такого устройства возможна при формировании бондинг процессов, так как собирается из двух пластин /2/. Первым недостатком этого аналога является низкая чувствительность, связанная с тем, что тепло, полученное измеряемым потоком от нагревателя, быстро (по времени и на коротком расстоянии) рассеивается. Рассеивание тепла дополнительно усиливается турбулентностью пристеночного потока, возрастающей или возникающей за счет выступающих над поверхностью мембраны элементов конструкции. Другим недостатком этого аналога является повышенная вероятность загрязнения экспонируемой измеряемому потоку поверхности с нагревателем и термодатчиком, приводящего, в частности, к термоизоляции термодатчика от нагревателя или, наоборот, увеличивающего паразитную теплопередачу между ними, т.е. приводящего к невозможности проведения измерений или к неконтролируемому снижению их точности.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и надежности термоанемометра.
Указанная задача решается формированием нагревателя и термодатчика внутри газонаполненной полости, а газ в полости подбирать с диапазоном значений теплопроводности не выше, чем одна десятая от теплопроводности материала мембраны.
Предлагаемое устройство можно использовать также в качестве датчика давления, используя эффект отвода тепла с мембраны.
Мембранный термоанемометр снабжен также системой управления и регистрации любой известной конструкции и мостовой схемой обработки первичного сигнала, как в интегральном исполнении, так и на отдельной печатной плате.
Мембранный термоанемометр может фиксировать измерение переноса остаточной средой тепла от нагревателя к термодатчику, в том числе в интегральном исполнении: чем выше давление остаточных газов (в известных пределах), тем больше тепла переносится от нагревателя к термодатчику.
На фиг.1 представлен чертеж кристалла мембранного термоанемометра, где стрелкой обозначено направление потока газа, 1 - кристалл (сторона без выводов), 2 - мембрана, 3 - нагреватель и темодатчики, 4 - газонаполненная область, FF - разрез функциональной части кристалла.
Предлагаемое устройство в качестве термоанемометра действует так: тепло, выделяемое нагревателем, передается термодатчику через мембрану. Температуру нагревателя в термоанемометрах (и в известных устройствах, и в данном случае) поддерживают существенно более высокую, чем у материала измеряемого потока, поэтому, при увеличении скорости потока, больше тепла будет отведено им от мембраны за единицу времени и тем меньшее количество тепла получит термодатчик. Следовательно, чем выше скорость потока, тем ниже температура термодатчика. Чувствительность предлагаемого мембранного термоанемометра может быть увеличена за счет увеличения расстояния от нагревателя до термодатчика, т.е. за счет увеличения площади поверхности теплообмена с материалом потока.
Предлагаемое устройство в качестве датчика давления действует так: чем выше давление остаточных газов в вакуумной, например, тем больше теплоотвод от мембраны и, следовательно, ниже температура термодатчика. В высоком вакууме, за пределами чувствительности предлагаемого устройства, температура термодатчика будет определяться температурой нагревателя, интенсивностью излучения от устройства и теплоотводом через элементы крепления. Расстоянием от нагревателя до термодатчика определяется площадь теплообмена между чувствительной частью прибора и материалом потока, т.е. определяется чувствительность анемометра.
Такие датчики способны регистрировать довольно слабые изменения давления исследуемой среды.
Источники информации
1. Патент США 20080168842.
2. Патент США 6631638 - прототип.