對流體進行檢測和控制在工業(yè)生產和日常生活中都至關重要,流速測量的儀器和方法廣泛應用于食品、化工和醫(yī)藥等領域。熱式流量傳感器因為其工作量程大和工作原理簡單而被廣泛研究和使用。近年來醫(yī)療器械和精密化學分析等行業(yè)的發(fā)展對相關溶液和藥液測量和控制的要求越來越高,傳統(tǒng)熱式流量計器件往往存在精度較低和體積重量大等問題,而熱式MEMS流量傳感器具有極高測量精度、微型化和加工成本低等特點,使其擁有極高的應用價值和研究意義。本文研究了基于柔性基底聚酰亞胺和剛性基底硅的兩種微型熱式流量傳感器的設計和加工,探索熱處理工藝和合金化工藝的工藝參數(shù)優(yōu)化,提高傳感器的性能。本文根據(jù)熱式流量傳感器的工作原理建立一維導熱微分方程及邊界條件,獲得數(shù)學模型的解析結果對熱式流量傳感器的工作特性進行描述�；贑OMSOL仿真軟件分別對二元件熱阻型和三元件熱電堆流量傳感器建立仿真模型,研究其關鍵尺寸參數(shù)對傳感器性能的影響。利用微機械加工工藝在聚酰亞胺基底上制作二元件熱阻型流量傳感器和在硅基底上制作三元件熱電堆流量傳感器,并對已完成的熱式流量傳感器分別進行熱處理和合金化的工藝參數(shù)優(yōu)化,由實驗數(shù)據(jù)對比得到相對優(yōu)的熱處理和合金化工藝參數(shù)。使用控制電路對制作的兩種流量傳感器進行了初步測試,對聚酰亞胺基底熱阻型流量傳感器進行了性能測試,對硅基底熱電堆流量傳感輸入恒壓電源,驗證了熱電堆的成功制作。通過數(shù)學模型和仿真模型研究了熱式流量器的關鍵尺寸參數(shù)對工作性能的影響,并由仿真結果給出較優(yōu)的參數(shù)組合;根據(jù)實驗結果,350℃保溫兩小時的熱處理工藝能使鎳金屬薄膜達到良好的性能以及450℃保溫兩小時的合金化工藝能使重摻雜磷多晶硅和鋁金屬組成的熱電堆滿足所需要的合金化要求;通過測試,所制作的柔性基底熱阻型流量傳感器信號能在所工作范圍呈近線性關系和驗證熱電堆的成功制作。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB937;TP212
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 課題背景及研究的目的和意義
        1.1.1 課題背景
        1.1.2 熱式流量傳感器的分類
    1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀
        1.2.1 微機電系統(tǒng)
        1.2.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀
        1.2.3 熱阻式流量傳感器
        1.2.4 熱電偶結構流量傳感器
    1.3 本文的主要研究內容
第2章 熱式MEMS流量傳感器的數(shù)學模型及仿真
    2.1 熱式流量傳感器的原理
    2.2 熱式流量傳感器數(shù)學模型
    2.3 柔性基底的二元件熱式流量傳感器三維模型仿真
        2.3.1 加熱元件寬度（D）的影響
        2.3.2 加熱元件與測溫元件距離（D1）的影響
        2.3.3 測溫元件寬度（D2）的影響
        2.3.4 柔性基底熱阻型流量傳感器的工作性能
    2.4 剛性基底的三元件熱式流量傳感器二維模型仿真
        2.4.1 模型驗證
        2.4.2 模型的尺寸參數(shù)分析
        2.4.3 熱電堆熱點與加熱元件距離（D）的影響
        2.4.4 基底厚度（h）的影響
        2.4.5 微流道高度（H）的影響
        2.4.6 剛性基底熱電堆流量傳感器的工作特性
    2.5 本章小結
第3章 熱式MEMS流量傳感器的制造
    3.1 聚酰亞胺流量傳感器的制作工藝
        3.1.1 聚酰亞胺的選取與前處理
        3.1.2 聚酰亞胺流量傳感器的制作
    3.2 硅基底熱電堆流量傳感器的制作工藝
        3.2.1 重摻雜多晶硅電阻的制作方法
        3.2.2 硅基底熱電堆流量傳感器的制作
    3.3 熱處理改善鎳金屬薄膜性能
        3.3.1 鎳金屬薄膜的電阻溫度系數(shù)
        3.3.2 鎳金屬薄膜的熱處理
        3.3.3 鎳金屬薄膜的表征
    3.4 合金化及多晶硅電阻性能
        3.4.1 熱電堆的合金化處理
        3.4.2 合金化處理對多晶硅電阻的影響
    3.5 本章小結
第4章 熱式MEMS流量傳感器的測試
    4.1 測試原理
    4.2 測量電路及控制算法
    4.3 傳感器測試
        4.3.1 聚酰亞胺基底熱阻型流量傳感器的測試
        4.3.2 硅基底熱電堆流量傳感器的測試
    4.4 本章小結
結論
參考文獻
攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其它成果
致謝

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本文編號：2878653