ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК РАСХОДА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

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 с лицевой стороны сформированы нагреватели и термочувствительные элементы [1].
К недостаткам полезной модели можно отнести малый срок службы прибора из-за высокой вероятности загрязнения нагревательного и чувствительного элемента, которые расположены с лицевой стороны мембраны. Также при высоких расходах будет возникать турбулентность потока, что приводит к снижению точности определения расхода газа.
2
3
4
Известно техническое решение изготовления термоанемометрического датчика расхода, включающего в себя кремниевую рамку основание, мембрану из чередующихся слоев SiO и SiN, нагревательный и чувствительный элемент с разделительным слоем из материала, обладающего высоким коэффициентом теплопроводности [2].
Недостатками данной конструкции является технологическая сложность изготовления многоуровневой структуры: мембрана-нагреватель-разделительный материал-чувствительный элемент. Очевидно, что плоскостность чувствительного элемента будет значительно меньше, чем у аналогичных элементов, сформированных на мембране. Следовательно, равномерность распределения теплового потока снизиться, что приведет к уменьшению точности измерения. Кроме того, разделительный слой не может целиком закрывать нагревательный элемент, так как необходимо контактировать с нагревателем для подачи напряжения или тока. Поэтому по периферийной области тепло будет поступать к чувствительному элементу, причем паразитный эффект будет усиливаться с увеличением скорости расхода.
Известна конструкция термоанемометрического датчика расхода жидкостей и газов, содержащий размещенный на мембране нагревательный резистор и чувствительный элемент (платиновый резистор) и резистор температурной коррекции [3].
К недостаткам аналога 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.
Прототипом полезной модели является 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 [4].
К недостаткам можно отнести малый срок эксплуатации прибора с заданной точностью измерения. В процессе работы может произойти загрязнение чувствительного элемента, что часто проводит к деградации характеристик прибора в виде термоизоляции чувствительного элемента, либо к выделению дополнительной тепловой мощности. В результате значительно снижается точность измерения.
Задачей настоящей полезной модели является увеличение точности измерения расхода и повышение срока эксплуатации прибора с неизменной точностью измерения расхода.
Поставленная задача решается тем, что изготавливают термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга, содержащий размещенный на мембране чувствительный элемент, причем чувствительный элемент выполнен в виде спирали и расположен внутри полости с обратной стороны мембраны, полость с обратной стороны мембраны закрыта крышкой,
атмосфера в полости с обратной стороны мембраны вакуумирована и заполнена газом с минимальным коэффициентом теплопроводности.
По сравнению с прототипом, возрастает срок эксплуатации прибора с заданной точностью измерения. Поскольку чувствительный элемент располагается с обратной стороны, то значительно снижается деградация чувствительности прибора из-за загрязнений. Кроме того, минимизируется влияние турбулентности потока на чувствительный элемент, так как перенос тепловой энергии с потока на чувствительный элемент осуществляется через плоскую мембрану. Это приводит к повышению точности измерений расхода. Конструкция чувствительного элемента в виде спирали позволяет более равномерно распределить тепловое облако по объему полости (с обратной стороны мембраны), что приводит к дополнительному увеличению точности измерений расхода.
Как известно, в процессе работы устройства через металлические элементы протекает электрический ток, тем самым формируется тепловое облако. Уменьшение тепловодности в области чувствительного элемента, позволит при аналогичных динамических характеристиках измерения (частота подачи импульса напряжения на чувствительный элемент), получить более точные значения расхода. Поэтому замена атмосферы воздуха с коэффициентом теплопроводности 0.022 Вт/м⋅К на атмосферу Kr (криптона) с коэффициентом теплопроводности 0.0095 Вт/м⋅К обеспечит улучшение характеристик разрабатываемого прибора.
Обеспечение атмосферы Kr может быть достигнуто посредством герметизации (с предварительной операцией вакуумирования, которое снижает теплопроводность) прибора крышкой в виде полупроводниковой или кварцевой пластины, а именно области полости с обратной стороны мембраны.
На фиг. 1 представлен двухмерный вид сбоку с сечением А-А на термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга, где: 1 - чувствительный элемент, 2 - мембрана, 3 - материал с малым коэффициентом теплопроводности, 4 - пластина, 5 - адгезивный материал, 6 - крышка, 7 - полость.
На фиг. 2 представлена трехмерная конструкция устройства.
На фиг. 3 представлено конструктивное исполнение устройства в виде матрицы из 25 элементов.
На фиг. 4 показан физический принцип работы предлагаемого устройства, где: 8 - тепловое облако чувствительного элемента с температурой Тчэ, 9 - тепловое облако потока с температурой Тп.
Принцип работы. На чувствительный элемент подают импульс напряжения, в результате которого формируется тепловое облако со стабильной температурой Тчэ. Стабильность температуры достигается благодаря крайне низкой величины теплопроводности достигаемой за счет давления внутри полости с обратной стороны мембраны близкого к вакуумному и использованию атмосферы Kr. Причем поддерживают величину температуры Тчэ гораздо большей, чем температура Тп теплового облака потока. Крайне низкие незначительные потери тепла в процессе передачи тепловой энергии от потока к чувствительному элементу через мембрану осуществляются благодаря очень высокому коэффициенту теплопроводности материала мембраны. В результате передачи температура чувствительного элемента уменьшается, следовательно, уменьшается и сопротивление.
i
i
Предварительно проводят эксперименты на тестовой структуре (из матрицы структур) в камере тепла и холода, поддерживая температуру T. С помощью мультиметра определяют значение сопротивления R чувствительного элемента. Затем, варьируя значение температуры, получают экспериментальный график T(R).
Затем калибровочную структуру размещают в стенде, который создает расход при неизменной температуре, например, газовый поток. С помощью мультиметра измеряют значение сопротивления Rt чувствительного элемента. То есть получают экспериментальный график зависимости V(R) скорости расхода от сопротивления при постоянной температуре.
После этого на рабочую структуру подают напряжение. Согласно закону Ома рассчитывают значение сопротивления чувствительного элемента. Используя две экспериментальных зависимости T(R) и V(R), полученных ранее, определяют скорость расхода или температуру окружающей среды.
Пример конкретного исполнения. На кремниевую (150 Вт/м⋅К) пластину 4 толщиной 460 мкм осаждают материал с малым коэффициентом теплопроводности 3 в виде оксида кремния (1.4 Вт/м⋅К) по технологии химического осаждения из газовой фазы (PECVD). Затем на оксиде кремния формируют мембрану 2 в виде
2
2
тонкой высокотеплопроводной пленки оксида бериллия (210 Вт/м⋅К) или нитрида алюминия (285 Вт/м⋅К). Следующим шагом наносят фоторезист 5 с хорошими адгезионными свойствами толщиной 2.0 мкм на обратную сторону. Проводят операцию фотолитографии и сухое травление кремниевой пластины в Bosch процессе с обратной стороны до SiO. Затем, используя элегаз SF6, удаляют SiO с обратной стороны мембраны в области формирования чувствительного элемента. Следующим шагом в области полости мембраны 7 (с обратной стороны) формируют чувствительный элемент 1 из платины (70 Вт/м⋅К) толщиной 0.3 мкм в виде спирали. После этого, выполняют операцию соединения (бондинга) текущей структуры с крышкой 6 в виде кремниевой или кварцевой пластины толщиной 460 мкм. В процессе бондинга соединяемые элементы помещаются в рабочую камеру, из которой откачивается воздух от 1000 мбар (1 атм) до 0.8 мбар. Затем атмосфера рабочей камеры заполняется криптоном Kr (0.0095 Вт/м⋅К) и проводится соединение при температуре не менее 150°С.
2
2
Размер кристалла 6×6 мм. Площадь рабочей области пластины диаметром 150 мм составляет 13266 мм. Таким образом, с использованием групповой кремниевой технологии на одной пластине будет сформирована матрица из 368 кристаллов. Тем самым, характеристики одного тестового кристалла для контроля температуры и скорости расхода жидкости и газов, описывают параметры остальных кристаллов, используемых в датчиках.
Таким образом, в процессе работы тепловая энергия потока будет передаваться на чувствительный элемент через мембрану с высоким коэффициентом теплопроводности. При этом тепловое облако, формируемое чувствительным элементом, будет значительно более стабильным по сравнению с прототипом из-за использования вакуумирования и атмосферы Kr, что приведет к значительному повышению точности и стабильности измерений.
Источники информации:
1. Полезная модель РФ №145242.
2. Патент на изобретение РФ №2276775.
3. Полезная модель РФ №137100.
4. Полезная модель РФ №177514 - прототип.