【摘要】：氣流傳感器被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航天探空、微氣象站、人類的生活、交通旅游、管道運輸和氣象監(jiān)測等領(lǐng)域,是獲取氣流大小、方向參數(shù)的重要手段。在各種類型的氣流傳感器中,MEMS氣流傳感器是應(yīng)用最廣的一種,因其具有體積較小、重量較輕、原理簡單、便于集成、不易磨損等優(yōu)勢,因而被廣泛應(yīng)用于各種研究領(lǐng)域。其中,熱量式氣流傳感器是通過芯片與自然環(huán)境進(jìn)行熱量交換,完成流速、流向的檢測。具體可描述為:加熱單元為溫敏單元提供一個穩(wěn)定平衡的溫度場分布,無氣流時,傳感器輸出為零。當(dāng)有氣流經(jīng)過時,平衡的溫度場被打破,傳感器有相應(yīng)的電壓/電流輸出,根據(jù)輸出電信號的大小,確定氣流的流速和流向。不同結(jié)構(gòu)的熱量型氣流傳感器的熱傳遞方式不同,量程不同,以其應(yīng)用趨勢為依據(jù),可得MEMS熱量型傳感器是其主要發(fā)展趨勢。目前MEMS熱量式氣流傳感器主要存在微結(jié)構(gòu)有測量盲區(qū)、導(dǎo)熱效率低、無外界附加模塊存在的前提下無法自檢等問題,難以滿足傳感器高精度的檢測要求。本文圍繞MEMS熱量型氣流傳感器的模型結(jié)構(gòu)、熱傳遞方式、高熱導(dǎo)率Al N薄膜的研制、氣流傳感器雙坐標(biāo)自檢方法等關(guān)鍵技術(shù)展開研究。在氣流傳感器結(jié)構(gòu)方面。采用ANSYS三維軟件對所設(shè)計的加熱單元形狀和數(shù)量,熱隔離結(jié)構(gòu)等各個因素進(jìn)行對比優(yōu)化分析。針對熱量式氣流傳感器溫度場中最高溫度較高,溫敏單元溫度較低等問題,分別設(shè)計正八邊形和圓形的加熱線圈結(jié)構(gòu),在保證相同功耗的前提下,將加熱單元的個數(shù)設(shè)定為1個、2個、4個,根據(jù)不同形狀、不同數(shù)量的加熱單元溫度場分布結(jié)果,確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)。針對熱量式氣流傳感器熱損耗高的問題,設(shè)計四種熱隔離結(jié)構(gòu)模型,對四種結(jié)構(gòu)的溫度場仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析,確定最優(yōu)化的熱隔離結(jié)構(gòu)。在傳感器導(dǎo)熱方式分析方面。針對氣流傳感器“橫向”導(dǎo)熱時,表現(xiàn)出加快傳感器熱量傳遞效率與降低傳感器熱量損耗相矛盾,以及提高溫敏單元溫度與減緩傳感器老化速度相矛盾的問題。所設(shè)計的氣流傳感器采用“縱向”導(dǎo)熱模式進(jìn)行熱量傳遞,這種導(dǎo)熱方式具有加快熱量傳遞效率、減少熱量耗散、減緩器件老化程度、降低加熱功率等優(yōu)勢。在單a軸擇優(yōu)生長取向的Al N薄膜的研制方面。為了提高熱量式氣流傳感器熱量傳遞效率,并且實現(xiàn)加熱單元和溫敏單元的電絕緣,采用單a軸擇優(yōu)取向的Al N薄膜絕緣導(dǎo)熱膜進(jìn)行隔離。與其它晶相的Al N晶體相比,a軸擇優(yōu)生長取向的Al N晶體更難制備。首次提出使用射頻濺射的方法制備單a軸取向Al N薄膜,通過改變射頻濺射功率、濺射壓強、退火溫度等多個因素,研究薄膜的晶體取向、晶粒尺寸、表面粗糙度等參數(shù),確定Al N薄膜最優(yōu)化的制備參數(shù)。在雙坐標(biāo)自檢方法分析方面。目前設(shè)計的熱量式氣流傳感器,無法自檢,或者需要通過與外界電路、儀器連接以實現(xiàn)傳感器測試參數(shù)的檢測功能,這種自檢方法非常繁瑣、不易操作。因此,提出雙坐標(biāo)“米”字型溫敏單元布局,提高傳感器測量量程,減小測量盲區(qū)。而且,通過8個溫敏單元的電壓輸出計算流速和流向,根據(jù)流速和流向之間的恒關(guān)系,在無外界附加模塊添加的條件下實現(xiàn)自檢功能。研究結(jié)果表明:當(dāng)加熱單元形狀為正八邊形,加熱單元數(shù)量為2時,氣流傳感器中溫度場最高溫度較低,溫敏單元位置的溫度較高,傳感器的熱隔離結(jié)構(gòu)有利于提高氣流傳感器的溫度場分布,為傳感器的設(shè)計提供了理論依據(jù)。采取“縱向”導(dǎo)熱模式的熱量傳遞方式,有利于加快熱量傳遞效率、減少熱量耗散、減緩器件老化程度、降低加熱功率。采用單a軸取向的Al N薄膜實現(xiàn)傳感器的縱向?qū)崮Ｊ?有效地實現(xiàn)加熱單元和溫敏單元的電絕緣。采用雙坐標(biāo)自檢方法對氣流傳感器的流速和流向進(jìn)行檢測,在無外界附加模塊的前提下,實現(xiàn)氣流傳感器的自檢功能。
【圖文】：

僅與傳感器的工作原理、工作方與結(jié)構(gòu)和制作工藝有關(guān)外，還與局、傳感器的數(shù)據(jù)處理方式等因進(jìn)展要可以分為兩種類型，，分別是轉(zhuǎn)。第一種是轉(zhuǎn)子型機械氣流傳子的旋轉(zhuǎn)速度對流體的速度進(jìn)行第二種是旋轉(zhuǎn)型機械流速傳感器解釋為通過旋漿對流體速度進(jìn)行]。風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)是典型的機械式被廣泛應(yīng)用于風(fēng)速和風(fēng)向的測量

圖 1-4 多普勒光學(xué)流速傳感器Fig. 1-4 Doppler optical flow velocity sensor器的優(yōu)點為：空間分辨率高、動態(tài)響應(yīng)好、測量精、能夠判別氣流的流向，而且可以測量流體的脈感器也有不可避免的缺點，如被測量的流體中必需性要好，激光存在衰減問題，流體必須具有可穿透價格普遍比較昂貴等。氣流傳感器流傳感器建立在傳感器芯片和外部環(huán)境熱交換基礎(chǔ)制對流兩種方式進(jìn)行熱量交換[37-39]，傳感器如圖 1-時，溫敏單元和外部環(huán)境以自然對流方式為主進(jìn)行系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)都非常小，而且溫敏單元表面的使溫敏單元的溫差較小甚至難以檢測，因此自然對以忽略不計。當(dāng)外部有定向氣流存在時，根據(jù)強速越大，從上游溫敏單元帶到下游溫敏單元的熱量低的越多，下游溫敏單元溫度升高的越多，溫敏單
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 薛嚴(yán)冰;唐禎安;;陶瓷微熱板陣列式可燃?xì)怏w傳感器[J];光學(xué)精密工程;2012年10期

2 顧斌;陳志堅;陳欣迪;;基于氣象參數(shù)的混凝土箱梁日照溫度場仿真分析[J];東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2012年05期

3 李小飛;張明軍;王圣杰;趙愛芳;馬潛;;中國空氣污染指數(shù)變化特征及影響因素分析[J];環(huán)境科學(xué);2012年06期

4 肖建莊;宋志文;趙勇;錢岳紅;;基于氣象參數(shù)的混凝土結(jié)構(gòu)日照溫度作用分析[J];土木工程學(xué)報;2010年04期

5 熊娟;顧豪爽;胡寬;吳小鵬;;Mo電極上磁控反應(yīng)濺射AlN薄膜[J];稀有金屬材料與工程;2009年S2期

6 張燕波;沈廣平;董自強;秦明;黃慶安;;基于微控制器的風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)設(shè)計[J];儀器儀表學(xué)報;2009年10期

7 陳德鵝;吳志明;李偉;王軍;袁凱;蔣亞東;;圖形反轉(zhuǎn)工藝用于金屬層剝離的研究[J];半導(dǎo)體技術(shù);2009年06期

8 沈廣平;秦明;黃慶安;張驊;吳劍;;低熱導(dǎo)率襯底的熱風(fēng)速風(fēng)向傳感器研究[J];儀器儀表學(xué)報;2009年05期

9 陳梅;洪飛;李鑫;許正榮;;風(fēng)速風(fēng)向傳感器在風(fēng)機控制中的應(yīng)用與研究[J];自動化技術(shù)與應(yīng)用;2008年04期

10 楊保和;徐娜;陳希明;薛玉明;李化鵬;;射頻磁控濺射生長C軸擇優(yōu)取向AlN壓電薄膜[J];光電子.激光;2007年12期

本文編號：2701479