RU200149U1 - Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга - Google Patents

Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга Download PDF

Info

Publication number
RU200149U1
RU200149U1 RU2020121000U RU2020121000U RU200149U1 RU 200149 U1 RU200149 U1 RU 200149U1 RU 2020121000 U RU2020121000 U RU 2020121000U RU 2020121000 U RU2020121000 U RU 2020121000U RU 200149 U1 RU200149 U1 RU 200149U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
flow
liquids
gases
temperature
Prior art date
Application number
RU2020121000U
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Эдуардович Гусев
Николай Алексеевич Дюжев
Владимир Александрович Беспалов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Priority to RU2020121000U priority Critical patent/RU200149U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU200149U1 publication Critical patent/RU200149U1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

Суть полезной модели состоит в увеличении точности измерения расхода и повышении срока эксплуатации прибора с неизменной точностью измерения расхода. Применение технических решений в разработанной конструкции устройства позволяет значительно снизить влияние загрязненности среды и турбулентности измеряемого потока.Использование тестового кристалла, полученного по групповой кремниевой технологии, позволяет получить экспериментальные зависимости скорости расхода жидкостей и газов от сопротивления и температуры окружающей среды от сопротивления. Далее в процессе эксплуатации датчика на основе терморезистивного эффекта используются характеристики тестового кристалла.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике - области микроэлектронных и микромеханических устройств, и может быть использована для измерения расхода жидкостей и газов и температуры окружающей среды. Термоанемометрические датчики расхода широко используются в сфере жилищно-коммунального хозяйства.
Известна полезная модель датчика с нагревателем, состоящего из кремниевого кристалла с мембраной, на которой с лицевой стороны сформированы нагреватели и термочувствительные элементы [1].
К недостаткам полезной модели можно отнести малый срок службы прибора из-за высокой вероятности загрязнения нагревательного и чувствительного элемента, которые расположены с лицевой стороны мембраны. Также при высоких расходах будет возникать турбулентность потока, что приводит к снижению точности определения расхода газа.
Известно техническое решение изготовления термоанемометрического датчика расхода, включающего в себя кремниевую рамку основание, мембрану из чередующихся слоев SiO2 и Si3N4, нагревательный и чувствительный элемент с разделительным слоем из материала, обладающего высоким коэффициентом теплопроводности [2].
Недостатками данной конструкции является технологическая сложность изготовления многоуровневой структуры: мембрана-нагреватель-разделительный материал-чувствительный элемент. Очевидно, что плоскостность чувствительного элемента будет значительно меньше, чем у аналогичных элементов, сформированных на мембране. Следовательно, равномерность распределения теплового потока снизиться, что приведет к уменьшению точности измерения. Кроме того, разделительный слой не может целиком закрывать нагревательный элемент, так как необходимо контактировать с нагревателем для подачи напряжения или тока. Поэтому по периферийной области тепло будет поступать к чувствительному элементу, причем паразитный эффект будет усиливаться с увеличением скорости расхода.
Известна конструкция термоанемометрического датчика расхода жидкостей и газов, содержащий размещенный на мембране нагревательный резистор и чувствительный элемент (платиновый резистор) и резистор температурной коррекции [3].
К недостаткам аналога можно отнести низкую точность определения расхода. Для получения зависимости скорости расхода от температуры или температуры от сопротивления необходимо подать напряжение на контакты, измерить силу тока и вычислить по закону Ома сопротивление при фиксированной величине температуры. В процессе подачи напряжения на контакты происходит разогрев за счет протекания тока по закону Джоуля-Ленца. Следовательно, излучается дополнительное тепло, которое увеличивает температуру, а значит и сопротивление (терморезистивный эффект). Поэтому снижается точность определения скорости потока воздуха и температуры окружающей среды.
Прототипом полезной модели является термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов, содержащий размещенный на мембране чувствительный элемент и резистор температурной коррекции, причем чувствительный элемент одновременно выполняет функцию нагревательного резистора и чувствительного элемента [4].
К недостаткам можно отнести малый срок эксплуатации прибора с заданной точностью измерения. В процессе работы может произойти загрязнение чувствительного элемента, что часто проводит к деградации характеристик прибора в виде термоизоляции чувствительного элемента, либо к выделению дополнительной тепловой мощности. В результате значительно снижается точность измерения.
Задачей настоящей полезной модели является увеличение точности измерения расхода и повышение срока эксплуатации прибора с неизменной точностью измерения расхода.
Поставленная задача решается тем, что изготавливают термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга, содержащий размещенный на мембране чувствительный элемент, причем чувствительный элемент выполнен в виде спирали и расположен внутри полости с обратной стороны мембраны, полость с обратной стороны мембраны закрыта крышкой,
атмосфера в полости с обратной стороны мембраны вакуумирована и заполнена газом с минимальным коэффициентом теплопроводности.
По сравнению с прототипом, возрастает срок эксплуатации прибора с заданной точностью измерения. Поскольку чувствительный элемент располагается с обратной стороны, то значительно снижается деградация чувствительности прибора из-за загрязнений. Кроме того, минимизируется влияние турбулентности потока на чувствительный элемент, так как перенос тепловой энергии с потока на чувствительный элемент осуществляется через плоскую мембрану. Это приводит к повышению точности измерений расхода. Конструкция чувствительного элемента в виде спирали позволяет более равномерно распределить тепловое облако по объему полости (с обратной стороны мембраны), что приводит к дополнительному увеличению точности измерений расхода.
Как известно, в процессе работы устройства через металлические элементы протекает электрический ток, тем самым формируется тепловое облако. Уменьшение тепловодности в области чувствительного элемента, позволит при аналогичных динамических характеристиках измерения (частота подачи импульса напряжения на чувствительный элемент), получить более точные значения расхода. Поэтому замена атмосферы воздуха с коэффициентом теплопроводности 0.022 Вт/м⋅К на атмосферу Kr (криптона) с коэффициентом теплопроводности 0.0095 Вт/м⋅К обеспечит улучшение характеристик разрабатываемого прибора.
Обеспечение атмосферы Kr может быть достигнуто посредством герметизации (с предварительной операцией вакуумирования, которое снижает теплопроводность) прибора крышкой в виде полупроводниковой или кварцевой пластины, а именно области полости с обратной стороны мембраны.
На фиг. 1 представлен двухмерный вид сбоку с сечением А-А на термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга, где: 1 - чувствительный элемент, 2 - мембрана, 3 - материал с малым коэффициентом теплопроводности, 4 - пластина, 5 - адгезивный материал, 6 - крышка, 7 - полость.
На фиг. 2 представлена трехмерная конструкция устройства.
На фиг. 3 представлено конструктивное исполнение устройства в виде матрицы из 25 элементов.
На фиг. 4 показан физический принцип работы предлагаемого устройства, где: 8 - тепловое облако чувствительного элемента с температурой Тчэ, 9 - тепловое облако потока с температурой Тп.
Принцип работы. На чувствительный элемент подают импульс напряжения, в результате которого формируется тепловое облако со стабильной температурой Тчэ. Стабильность температуры достигается благодаря крайне низкой величины теплопроводности достигаемой за счет давления внутри полости с обратной стороны мембраны близкого к вакуумному и использованию атмосферы Kr. Причем поддерживают величину температуры Тчэ гораздо большей, чем температура Тп теплового облака потока. Крайне низкие незначительные потери тепла в процессе передачи тепловой энергии от потока к чувствительному элементу через мембрану осуществляются благодаря очень высокому коэффициенту теплопроводности материала мембраны. В результате передачи температура чувствительного элемента уменьшается, следовательно, уменьшается и сопротивление.
Предварительно проводят эксперименты на тестовой структуре (из матрицы структур) в камере тепла и холода, поддерживая температуру Ti. С помощью мультиметра определяют значение сопротивления Ri чувствительного элемента. Затем, варьируя значение температуры, получают экспериментальный график T(R).
Затем калибровочную структуру размещают в стенде, который создает расход при неизменной температуре, например, газовый поток. С помощью мультиметра измеряют значение сопротивления Rt чувствительного элемента. То есть получают экспериментальный график зависимости V(R) скорости расхода от сопротивления при постоянной температуре.
После этого на рабочую структуру подают напряжение. Согласно закону Ома рассчитывают значение сопротивления чувствительного элемента. Используя две экспериментальных зависимости T(R) и V(R), полученных ранее, определяют скорость расхода или температуру окружающей среды.
Пример конкретного исполнения. На кремниевую (150 Вт/м⋅К) пластину 4 толщиной 460 мкм осаждают материал с малым коэффициентом теплопроводности 3 в виде оксида кремния (1.4 Вт/м⋅К) по технологии химического осаждения из газовой фазы (PECVD). Затем на оксиде кремния формируют мембрану 2 в виде
тонкой высокотеплопроводной пленки оксида бериллия (210 Вт/м⋅К) или нитрида алюминия (285 Вт/м⋅К). Следующим шагом наносят фоторезист 5 с хорошими адгезионными свойствами толщиной 2.0 мкм на обратную сторону. Проводят операцию фотолитографии и сухое травление кремниевой пластины в Bosch процессе с обратной стороны до SiO2. Затем, используя элегаз SF6, удаляют SiO2 с обратной стороны мембраны в области формирования чувствительного элемента. Следующим шагом в области полости мембраны 7 (с обратной стороны) формируют чувствительный элемент 1 из платины (70 Вт/м⋅К) толщиной 0.3 мкм в виде спирали. После этого, выполняют операцию соединения (бондинга) текущей структуры с крышкой 6 в виде кремниевой или кварцевой пластины толщиной 460 мкм. В процессе бондинга соединяемые элементы помещаются в рабочую камеру, из которой откачивается воздух от 1000 мбар (1 атм) до 0.8 мбар. Затем атмосфера рабочей камеры заполняется криптоном Kr (0.0095 Вт/м⋅К) и проводится соединение при температуре не менее 150°С.
Размер кристалла 6×6 мм2. Площадь рабочей области пластины диаметром 150 мм составляет 13266 мм2. Таким образом, с использованием групповой кремниевой технологии на одной пластине будет сформирована матрица из 368 кристаллов. Тем самым, характеристики одного тестового кристалла для контроля температуры и скорости расхода жидкости и газов, описывают параметры остальных кристаллов, используемых в датчиках.
Таким образом, в процессе работы тепловая энергия потока будет передаваться на чувствительный элемент через мембрану с высоким коэффициентом теплопроводности. При этом тепловое облако, формируемое чувствительным элементом, будет значительно более стабильным по сравнению с прототипом из-за использования вакуумирования и атмосферы Kr, что приведет к значительному повышению точности и стабильности измерений.
Источники информации:
1. Полезная модель РФ №145242.
2. Патент на изобретение РФ №2276775.
3. Полезная модель РФ №137100.
4. Полезная модель РФ №177514 - прототип.

Claims (1)

  1. Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга, содержащий размещенный на мембране чувствительный элемент, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде спирали и расположен внутри полости с обратной стороны мембраны, полость с обратной стороны мембраны закрыта крышкой, атмосфера в полости с обратной стороны мембраны вакуумирована и заполнена криптоном.
RU2020121000U 2020-06-25 2020-06-25 Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга RU200149U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020121000U RU200149U1 (ru) 2020-06-25 2020-06-25 Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020121000U RU200149U1 (ru) 2020-06-25 2020-06-25 Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU200149U1 true RU200149U1 (ru) 2020-10-08

Family

ID=72744366

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020121000U RU200149U1 (ru) 2020-06-25 2020-06-25 Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU200149U1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11118553A (ja) * 1997-10-09 1999-04-30 Tokyo Gas Co Ltd フローセンサ
KR20020020945A (ko) * 2000-05-19 2002-03-16 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시 감열식 유량 검출 소자 및 그 홀더
US6892571B2 (en) * 2001-05-21 2005-05-17 Forschungszentrum Karlsrue Gmbh Sensor for the measurement of flowspeeds and method for operating the same
RU137100U1 (ru) * 2013-08-23 2014-01-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов
RU177514U1 (ru) * 2017-12-20 2018-02-28 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11118553A (ja) * 1997-10-09 1999-04-30 Tokyo Gas Co Ltd フローセンサ
KR20020020945A (ko) * 2000-05-19 2002-03-16 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시 감열식 유량 검출 소자 및 그 홀더
US6892571B2 (en) * 2001-05-21 2005-05-17 Forschungszentrum Karlsrue Gmbh Sensor for the measurement of flowspeeds and method for operating the same
RU137100U1 (ru) * 2013-08-23 2014-01-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов
RU177514U1 (ru) * 2017-12-20 2018-02-28 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6550325B1 (en) Electric device and method of driving the same
US9580305B2 (en) Single silicon wafer micromachined thermal conduction sensor
US5347869A (en) Structure of micro-pirani sensor
US6988826B2 (en) Nano-calorimeter device and associated methods of fabrication and use
JP3118459B2 (ja) 熱抵抗の変化を利用して被測定体の固有値を測定するセンシングシステム
JPH07325002A (ja) 拡大された感度域を有するマイクロ真空センサ
JPWO2017213118A1 (ja) 露点測定方法及び露点測定装置
JP2016148525A (ja) 気密検査装置
JP3310430B2 (ja) 計測装置および計測方法
RU200149U1 (ru) Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов для экологического мониторинга
JP2008209284A (ja) 圧力測定装置および圧力測定方法
CN111721469A (zh) 一种高灵敏度微型皮拉尼计
Saremi et al. A MEMS-based hot-film thermal anemometer with wide dynamic measurement range
RU2451295C1 (ru) Термоанемометр и способ его изготовления
RU177514U1 (ru) Термоанемометрический датчик расхода жидкостей и газов
JP3501746B2 (ja) 流体の計測方法
Choi et al. Fabrication and characteristics of micro-electro-mechanical-system-based tilt sensor
CN114804007B (zh) 一种基于多孔硅隔热层的mems真空计及其制备方法
Chang et al. 11.5: A MEMS-based vacuum gauge for measuring pressure and out-gassing rates in miniaturized vacuum microelectronic devices
US20240280415A1 (en) Sensor, sensor system and method for detecting thermodynamic parameters of a sample, and use of the sensor or sensor system
Jain et al. An instrument for the measurement of thermal properties of gases and metal wires
CN113790846B (zh) 扩展量程真空测量芯片及其成形方法
JPH06241933A (ja) 真空度測定用センサ
JP2002323464A (ja) 計測装置および計測方法
Jiang et al. Micro‐scale, In‐plane Thermal Conductivity of PEDOT: PSS Thin Films Measured by a Suspended Membrane Device