热电堆式MEMS气体流量传感器设计及性能研究

提出一种由微加热器和热电堆构成的热式MEMS气体流量传感器用以实现高灵敏、快响应且低功耗的气体流量检测。采用N/P型重掺杂多晶硅材料构造双层堆叠的热电堆结构,可以实现低热导和高塞贝克系数,具有更高的温度敏感性。实验测试表明,该传感器件在0~1000 sccm的气流范围内灵敏度可达0.309 mV/sccm(58.22 mV/ms-1),响应时间仅约139 ms,其工作电压为2.56 V时,微加热器的加热功耗仅有34.9 mW。该器件的整体尺寸仅有1300 mm×1300 mm,有利于检测系统的小型化和集成化,在动力氢燃料电池、医疗辅助呼吸设备等流速流量检测场景中具有一定应用价值。

(111)硅片的高性能热堆式气体流量传感器及其封装技术研究

流量测控在生物医疗、农业监测、汽车电子等方面具有举足轻重的作用。针对现有热堆式气体流量传感器普遍存在着器件尺寸大、灵敏度低、成本高等不足,基于(111)硅片的单面微机械加工工艺设计了一款p^(+)Si/Au热电堆式气体流量传感器。采用高塞贝克系数的p^(+)Si/Au材料制作热电偶,结合“鱼骨状”隔热薄膜和嵌入式隔热腔体结构,最大程度增大了器件的热阻,降低了热损耗,提升了器件的灵敏度。同时,热电偶冷端与单晶硅衬底之间采用高导热的复合金属相连,不仅增大了热电偶冷热端之间的温度差,而且简化了工艺的复杂度。得益于单面微机械加工工艺,传感器尺寸仅有0.65 mm×0.65 mm。在此基础上,基于气体流道封装以及信号处理电路,设计了集传感器芯片,气流流道以及处理电路于一体的气体流量检测模块。测试结果表明,在320倍电压放大及1.0 V的电压偏置下,该器件的归一化灵敏度约为5.4 mV/sccm/mW,响应时间为1.44 ms。

基于MEMS的量热式传感器气体流量测量的模型研究

气体流量测量广泛应用于呼吸监测、管道运输等领域。本研究细致分析了MEMS量热式传感器温度一维分布模型中的热边界层参数,进行了相应的经验修正。并且在温度一维分布模型的基础上,针对具有两对上下游测温电阻芯片结构的MEMS量热式传感器,提出了一种新的传感器输出电压关于气体流量的半修正理论模型。该理论模型能够适用于不同类型的单介质气体。同时,开展了N_(2)、CO_(2)流量测量实验,与理论模型进行对比,证明所提出的理论模型可以正确预测不同气体介质的流量,其中针对CO_(2)测量介质的均方根误差为0.15%。此外,结合理论分析,提出了一种高精度,拟合形式简单、针对确定气体适用性更好的测量模型,其中针对CO_(2)测量介质的均方根误差为0.05%。

p+Si/Au热电堆式气体流量传感器一维模型及其应用

为了优化热电堆式气体流量传感器的结构参数使其灵敏度达到最佳,建立了一个一维数学模型,此模型能够快速反映当器件关键尺寸变化时传感器输出电压的变化,有限元仿真软件结果证实了此一维模型的有效性。并利用此模型对一系列器件关键参数进行仿真分析,结合工艺参数得到了一个最优化的器件尺寸。根据这一尺寸制造了一个p+Si/Au热电堆式气体流量传感器以进一步验证一维模型。测试得到的传感器归一化灵敏度为481 [mV/(m/s)]/W。此参数比之前的工作高出数倍。此外,测试所得的输出电压曲线与一维模型仿真的曲线一致性也较好,进一步证明了这一一维模型的正确性。

基于恒温法的热膜式气体流量传感器的设计

设计了一种新的基于恒温法的热膜式气体流量传感器,介绍了该传感器的建模过程及其敏感元件的结构设计,并给出了流量传感器的详细设计方案。仿真和实测结果表明:该流量传感器既能对小流量信号敏感又能准确地反映大流量的输出,功耗低于0.1W,响应时间小于50m s,精度可达到0.6%FS,能够满足低功耗、快响应、高精度等性能技术指标的要求。

污染物对热膜式气体流量传感器精度的影响

为了预测污染物对热膜式气体流量传感器精度的影响,研究传感器精度下降机理。首先,分析传感器测量原理,建立传感器电压输出理论数学模型,并基于绕流理论推导气体流经污染物后流速公式;然后,搭建污染物颗粒累积试验平台,进行长时间颗粒累积试验,验证理论模型合理性。研究结果表明:传感器的输出电压与所测气体流速、基底隔膜厚度以及导热系数有关;气体流速下降幅度随污染物高度增加而增大,随污染物与加热电阻中心距离增加而减小;污染物颗粒主要围绕热膜电阻周边呈“U”型分布,热膜电阻上方基本无累积,说明传感器精度下降主要是由热膜电阻前端累积的污染物改变气流流速所致;传感器电压输出理论计算值和试验测量值相吻合,证实了理论模型的合理性。

热隔离式MEMS气体质量流量传感器设计

研制了一种热隔离式微机电系统（MEMS）气体质量流量传感器。加热电阻器和上下游测温电阻器采用热隔离悬梁式结构,间隔240μm。对恒温差电路的设计要点进行了分析并制作了系统电路。测试拟合了传感器输出电压随气体流量的关系曲线,并对传感器进行了标定。测试结果表明：在0～20 L/min的流量范围内,传感器响应速度快,灵敏度高,输出信号平滑,适合于工业及医疗等领域。

密立根法测量热膜式气体流量传感器中污染物颗粒带电量

热膜式气体流量传感器在实际使用过程中,其芯片表面很容易被微小颗粒污染,使精度达不到工作要求。试验研究发现,传感器通电工作时,芯片表面电场力是造成污染物颗粒吸附堆积的主要因素。因此,污染物颗粒带电量的大小对芯片表面颗粒的堆积有着直接影响。文中采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪和密立根油滴仪联合测量了颗粒群的平均粒径和平均带电量。激光粒度分析仪所测污染物颗粒的平均粒径为3.311μm,根据此平均粒径值,密立根油滴仪所测3.2~3.4μm范围内的颗粒所带平均带电量为6.4×10^(-17) C,此带电量即为整个颗粒群的平均带电量。

一种热温差式悬空结构气体流量传感器设计

基于热温差原理,利用MEMS技术加工制备出高灵敏度微型气体流量传感器。该流量传感器采用热敏电阻器悬空结构,其热隔离性能较好,并利用温度系数大的VO2制备热敏电阻器;同时,利用机械性能和密封性能好的SU—8胶制备气流沟道,工艺简单,稳定性好,且成本较低,适合批量生产。实验表明:当传感器处于适当偏压下时,在0～30 mL/min的流速范围内响应速度快,灵敏度高,而且具有良好的线性度,适合生化检测、医疗等领域的应用。

基于化学氧化和堆式热脱附技术修复污染土壤的环境足迹分析

在“双碳”背景下,我国土壤修复工程使用技术类型不断向低碳、低能耗和绿色可持续修复技术转变,修复活动本身所产生的环境足迹受到了广泛关注和重视。采用环境足迹评估工具SiteWise^(TM)对重庆市某钢铁厂汞和多环芳烃污染场地化学氧化和堆式热脱附修复全过程的环境足迹进行了定量评价。结果表明:修复3483 m^(3)污染土壤,共排放温室气体(GHG)990.52 t,消耗能源1.57×10^(7) MJ,排放空气污染物4.94×10^(3) kg;GHG排放量、能源消耗量、空气污染物排放量占整个工程的比例在施工准备阶段为6.0%~9.1%,化学氧化阶段为43.6%~48.1%,化学氧化+堆式热脱附阶段为45.9%~47.5%;化学氧化+堆式热脱附技术相比化学氧化技术的环境影响更大,修复单方量污染土壤的GHG排放量、能源消耗量、空气污染物排放量为化学氧化技术的5.28~5.97倍。案例研究结果显示,材料消耗是对环境足迹贡献度最高的环节,其次为设备使用、运输、废物处理。

油污对热膜式气体流量传感器测量精度影响研究

为探究油污对热膜式气体流量传感器测量精度的影响,建立了传感器内部流道的三维几何模型以及基于厚度和位置分布的油污模型,仿真分析了不同流量条件下油污厚度和位置对传感器测量值的影响。进行了分阶段油污自然沉积试验,分析了各油污污染阶段传感器精度的变化。仿真和实验结果表明:油污沉积在传感器芯片中间电阻上时,对传感器测量精度的影响显著,随着油污厚度的增加,传感器的测量误差逐渐增大。

基于气旋原理的MEMS热膜式气体流量传感器除尘装置

为了提高MEMS热膜式气体流量传感器的防尘能力,设计了一种基于气旋原理的除尘装置。运用正交试验的方法,在适当的范围内选取尺寸参数进行组合,以提高除尘效率为优化目标,通过仿真确定了除尘装置尺寸参数的具体数值,并且进一步分析了除尘装置的除尘性能。通过实验测量除尘装置的支路流量比例、压力损失和除尘效率,验证了仿真分析的结果,测定了防尘装置的实际工作性能。结果表明:除尘装置对粒径在5μm以上的粉尘具有良好的除尘效果,除尘效率最高可达80%。

基于热膜探头的新型气体流量传感器研究

基于热膜探头的热传递原理,设计了一种新型的气体流量传感器。首先研究了在不同环境温度和电流下热膜探头的温度特性,确定其工作电流。然后分析热膜探头中测量电阻和补偿电阻之间的关系,设计了具有温度补偿功能的气体流量传感器电路,减小了环境温度对气体流量测量的影响。最后根据气体流量标定实验数据,建立了流量传感器的数学模型。实验结果表明,该气体流量传感器具有较好的一致性,测量精度优于0.8%,流量量程比达100∶1。

热电薄膜型气体流量传感器的热模拟分析

本文利用有限元分析工具ANSYS/FLOTRAN ,模拟并分析了一个基于薄膜结构的热电型气体流量传感器的温度场 .并具体地分析了在气体流量通道入口处气体的流向角度对传感器输出信号以及气体流动状态的影响 .将最终的模拟计算结果与实验数据进行比较 ,发现二者基本吻合 .利用此热学模型来模拟和分析此类传感器 ,不但可以减少大量的模拟分析过程而且可以降低计算的复杂度 。

温差式热膜空气质量流量传感器

论述了热膜式空气质量流量计的基本工作原理 ,通过对传感器单元的传热分析设计了一种温差式热膜空气质量流量传感器 ,试验结果表明 。

热隔离式MEMS气体流量传感器的设计

本文设计了一种热隔离式MEMS气体流量传感器系统,系统基于复合支撑薄膜电调制红外辐射源,是单片式电容硅基微传声器,借助接口连接微孔粉尘过滤、低温除湿器,实现MEMS与IC集成。在紧急应急方面,借助长光程气体池、光路系统,对光源、检测器进一步优化,通过可扩充多气体分析软件、仪器自动操控软件,在线监测化工区域生产数据,一旦出现突发问题会自动启动应急救援系统,避免灾害进一步扩大。

热球式气体小流量传感器的研制

本文阐述了一种专为某卫星压力控制系统研制的新型气体小流量传感器。该传感器是一种质量流量传感器,采用热式测量中的旁热式换能原理,在被测气体介质的温度和压力波动的条件下,可以直接测定气体的标准流量,不需要进行温度和压力修正。与国内同量程的气体流量计相比,这种传感器具有体积小、重量轻、设计新颖、反应灵敏、精度高、压力损失小等重要特点。本文简述了传感器的原理和结构特点,列举了试验项目和数据分析结果。通过实际地面试验和飞行考验证明,该传感器各项性能指标均达到设计要求,是一种理想的气体小流量传感器。

热电薄膜型气体流量传感器的热模拟分析

利用有限元分析工具ANSYS/FLOTRAN ,模拟并分析了一个基于薄膜结构的热电型气体流量传感器的温度场。并具体地分析了在气体流量通道入口处气体的流向角度对传感器输出信号以及气体流动状态的影响。将最终的模拟计算结果与实验数据进行比较 ,发现二者基本吻合。利用此热学模型来模拟和分析此类传感器 ,不但可以减少大量的模拟分析过程而且可以降低计算的复杂度 ,另外也为此类传感器的设计和验证提供了一个非常简单而有效的方法和依据。

差压式流量传感器测量一般气体流量时的温度压力补偿方法

简要介绍使用差压式流量传感器进行一般气体流量测量时的温压补偿方法;指出了差压方式流量传感器测量一般气体的通用流量温压补偿公式,并写出了公式的推导过程;与线性流量传感器温压补偿方法进行对比,强调指出了采用差压式流量传感器时进行温压补偿的注意要点。对公用工程中的一般气体的流量计量工作有一定的指导作用。

基于悬浮薄膜堆叠式结构的微气体传感器设计

本文基于MEMS工艺所设计的气体传感器,克服了以往同类传感器响应时间长,读取数据量小,功耗大等缺点。由于温度作为气体传感器的一个重要工作条件,其敏感薄膜上温度的均衡度直接影响气体传感器的工作性能。该传感器采用悬浮薄膜式堆叠结构,堆叠层主要包含硅基底、隔离层、加热电极、绝缘层以及敏感薄膜。这样的结构设计是为了形成热隔离真空腔,真空环境可以有效降低温度瞬变对敏感薄膜的影响。利用ANSYS软件建立该结构建模,并对其进行温度仿真后发现该结构符合预期的理论分析,其响应时间缩短,拾取的数据量大幅增加,同时功耗有效降低。