Разработка конструкции и технологии микроэлектронных приборов точного измерения параметров газовых сред

• Автор: Локтев, Дмитрий Викторович
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 112 с. : ил.

Содержание.

ГЛАВА 1.Аналитический обзор литературы.

1.1.Значение измерений свойств и параметров газовых сред.

1.2.Материалы, конструкции и математические модели терморезисторов

1.2.1.Свободная и остеклованная проволока

1.2.2.Тонкопленочная и мембранная конструкция

1.2.3.Кремниевая нанообъемная конструкция

1.3.Приборное применение терморезисторов.

1.3.1.Термометры сопротивления.

1.3.2.Термоанемометр ы.

1.3.3.Датчики теплопроводности хроматографов.

Выводы по главе 1
ГЛАВА 2.Физико математическая модель нанообъемного нагревателя
2.1. Дифференциальное уравнение теплопроводности в сферических
координатах
2.2.0дномерная и двумерная задачи теплопроводности.
Выводы по главе 2
ГЛАВА З.Нанообъемный терморезистор, как инструмент
исследования свойств газов.
3.1.Преимущества монокристаллического кремния в качестве материала чувствительного элемента.
3.2.Моделирование геометрической формы.
3.3. Технология изготовления нанообъемных терморезисторов
3.4.Модель тепловой инерционности
3.5.Схема автоматического регулирования
3.5.1.Аналоговая схема поддержания постоянной температуры микронагревателя.
3.5.2.Схема микропроцессорной обработки
Выводы по главе 3
ГЛАВА 4.Исследование свойств газов в микросистемах.
4.1 .Температурная зависимость теплопроводности
4.2.Влияние давления и состава газа
4.3.Конвективная устойчивость
4.4.Термофорез в плотном газе
4.5.Тепловая детурбулизация потока.
Выводы по главе 4
ГЛАВА 5.Разработка приборов, метрологические характеристики, натурные испытания и внедрение.
5.1.1.Термоанемометр для малых расходов газов
5.1.2.Автомобильный датчик массового расхода воздуха.
5.1.3.Измерительная часть системы обнаружения мест утечки осушенного воздуха в магистральных телефонных кабелях.
5.2.Датчики по теплопроводности для хроматографов
5.3.Термокондукционный миниатюрный газоанализатор.
Выводы по главе 5.
Общие выводы по работе
Заключение
Список литературы


Была впервые достигнута трехмерная миниатюризация и сосредоточение тепловыделения в точке (отметим, что типографская точка имеет диаметр более 0 мкм). Однако, долгое время природа его оставалась неясной, как и роль, которую он способен сыграть в тепловых МЭМС. Поэтому была поставлена цель теоретического изучения этого эффекта и сопровождающих его явлений, разработки модели и создания на новой основе ряда тепловых МЭМС следующего поколения. Помимо чисто практического значения решение задачи миниатюризации тепловых сенсоров, пригодных для точных, скоростных измерений при длительной эксплуатации, содержит перспективу расширения теоретических представлений в теплотехнике, которая до сих пор не имела средств для таких измерений. Научная новизна. На основании решений уравнений Фурье и Больцмана дано возможное теоретическое обоснование эффекта гигантской теплоотдачи телами субмиллиметровых размеров. Предложена физико - матеметическая модель теплопроводности плотных газов в условиях высокого температурного градиента. Показано, что в условиях высокого температурного, проявляется существенная неравновесность, служащая причиной частичной упорядоченности в явлениях переноса. Предсказаны и обнаружены экспериментально особенности газовых сред, проявляющиеся в тепловом пограничном слое микронагрсвателя: аномальная температурная зависимость коэффициента теплопроводности, термофорез, конвективная устойчивость и ламинаризирующая поток способность. Практическая ценность. Разработаны принципиально новые конструкции измерительных приборов. Прецизионный термоанемометр для малых расходов. Измеритель массового расхода воздуха для двигателей автомобилей. Измерительная часть системы обнаружения мест утечки осушенного воздуха в магистральных телефонных кабелях. Термокондукционный миниатюрный газоанализатор. Катарометр для хромотографов. ЗАО НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ». Приводятся акты внедрения. Положения, выносимые на защиту. Использование базового материала микроэлектроники, групповой технологии производства чувствительных элементов термосенсоров, микропроцессорной обработки выходного сигнала позволяет создать новое эффективное средство для изучения тепловых процессов в микросистемах. Пограничный тепловой слой, окружающий микронагреватель, вследствие высокого температурного градиента структуризируется, и типичное для плотных газов в обычном состоянии хаотическое движение преобразуется в частично упорядоченное. Следствиями (и дополнительными доказательствами) предложенной модели служат явления термофореза, конвективной устойчивости и детурбулизации, обнаруженные экспериментально. Нанообъемный терморезистор - микронагреватель обладает по сравнению с традиционными проволочными и тонкопленрчными конструкциями комплексом преимуществ, подтвержденных в испытаниях и при эксплуатации опытных образцов термоанемометров, катарометров и газоанализаторов. Апробация работы. Основные результаты работы обсуждены на -й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - " (Москва, г. Second International Conference on Transport Phenomena in Micro and Nanodevices. II Ciocco Hotel and Conference Center ( Barga, Italy, ), -й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - " (Москва, г. THERMES : Thermal Chelenges in Next Generation Electronic Systems, ( USA,), -й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - " (Москва, г. Всероссийском конкурсном отборе инновационных проектов молодых ученых, аспирантов и студентов в рамках научно-технической конференции “Электроника - ” (Москва, г. Публикации. По теме диссертации опубликовано работ и 1 научно-технический отчет по НИР. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти основных глав с выводами, общих выводов, заключения, списка использованных источников из наименований и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 3 страницах и содержит рисунка и таблиц.