Мікромеханічні терморезисторні перетворювачі

Přispěvatelé: Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Електроніки, Мікроелектроніки
Jazyk: ukrajinština
Rok vydání: 2017
Předmět:
Popis: Дисертаційна робота присвячена розробці терморезисторних первинних перетворювачів (ТРПП) за технологією мікроелектромеханічних систем на кремнії та встановленню фізико-технічних і конструктивних закономірностей зв’язку їх електричних і температурних характеристик із параметрами оточуючого середовища. Виконано моделювання місткових і мембранних термоізольованих структур в каналі прямокутного перетину на основі спільного розв’язку рівнянь теплопровідності для місткового перетворювача і середовища в каналі. Встановлено аналітичну залежність теплового опору термоізольованої структури від теплопровідності середовища, форми і геометричних розмірів теплогенеруючого елементу і каналу. Доведено функціональні і конструктивно-топологічні переваги багатоелементних ТРПП над одноелементними аналогами на прикладі калориметричного ТРПП лінійної швидкості рідини та газу. Аналітично встановлено, що діапазон монотонної лінійної залежності вихідної характеристики триелементного калориметричного ТРПП є конструкттивно керованим, а чутливість занурювального перетворювача шириною 40 мкм в каналі висотою 300 мкм в 2,5 рази вища за чутливість одноелементного аналога за величини лінійної швидкості повітря в каналі 0,1 м/с. Виявлено закономірності впливу зміни температури вимірюваного середовища на характеристику перетворення теплогенеруючого елементу в самозбалансованих місткових схемах, розроблено новий спосіб компенсації температурної чутливості за методом модуляції струму живлення. Розроблено способи виготовлення первинних перетворювачів, способи вимірювання абсолютного тиску та густини газів за методикою динамічного нагрівання. Проведено апробацію перетворювачів лінійної швидкості (об’ємних витрат) газу в приладах діагностики функції зовнішнього дихання людини з виконанням комплексу медико-технічних вимог до сучасних спірометрів. This thesis is devoted to investigation of micrometer size bridge and membrane thermal resistive transducers manufactured by the technology of micro-electro-mechanical systems (MEMS). The thermal fields design procedures into the planar bridge and membrane resistors, based on the joint solution of the heat conductivity equation in two-dimensional approach, were offered. Mathematical models and algorithms which allow up to simulate distributions of temperature along bridge and membrane structure and into the microfluidics flow channel are designed. Intrinsic correlations between a fluid properties, transducer’s thermal and electrical behavior under a basis of a self-heating effect were specified. The dependence of a heater thermal resistance on its shape and a channel geometry, the operation modes, the thickness of dielectric layers and membrane area were investigated. Ifluence of self-heating effect on the output voltage characteristics is established for non-intrusive fluid velocity transducer mounted at a flow channel wall with rectangular cross-section. The dependence of the self-balanced bridge feedback voltage from an ambient fluid temperature were defined analytically; the recommendations for choosing the self-heating technique compensation method based on switching resistors were proposed. The transducers were used into a lung diagnostics medical device. Диссертационная работа посвящена разработке терморезисторных первичных преобразователей (ТРПП) по технологии микроэлектромеханических систем на кремнии и выяснению физико-технических и конструктивных закономерностей связи их электрических характеристик с параметрами окружающей среды. Предложена методика расчета тепловых полей в теплоизолированных структурах, основанная на решении уравнений теплопроводности в двумерном приближении. Получены аналитические выражения для параметра рассеяния мощности мостиковых и мембранных теплоизолированных структур в потокоформирующем канале прямоугольного сечения. Доказаны функциональные преимущества активных многоэлементных ТРПП над одноэлементными аналогами на примере калориметрического поверхностного ТРПП линейной скорости газа. Аналитически доказано, что диапазон монотонной зависимости выходной характеристики трехэлементного калориметрического ТРПП линейной скорости флюида задается конструктивно соотношением высоты потокоформирующего канала и расстоянием между нагревателем и измерителем температуры. Установлено, что чувствительность погружного мостикового калориметрического преобразователя с ширинй активного нагревателя 40 мкм в канале висотой 300 мкм в 2,5 раза выше чувствительности одноэлементного термоанемометричсекого аналога при скорости воздуха в канале 0,1 м/с. Разработаны и запатентованы способы изготовления первичных преобразователей, способы измерения абсолютного давления и плотности газов по методике динамического нагрева, способ компенсации влияния нестабильности температуры среды на характеристику преобразования в самобалансирующихся схемах. Разработанные ТРПП использованы в медицинском приборе для диагностики функции внешнего дыхания человека.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: