基于聚酰亚胺和硅基底的微型热式MEMS流量传感器研究

发布时间：2020-11-11 02:57

　　 对流体进行检测和控制在工业生产和日常生活中都至关重要,流速测量的仪器和方法广泛应用于食品、化工和医药等领域。热式流量传感器因为其工作量程大和工作原理简单而被广泛研究和使用。近年来医疗器械和精密化学分析等行业的发展对相关溶液和药液测量和控制的要求越来越高,传统热式流量计器件往往存在精度较低和体积重量大等问题,而热式MEMS流量传感器具有极高测量精度、微型化和加工成本低等特点,使其拥有极高的应用价值和研究意义。本文研究了基于柔性基底聚酰亚胺和刚性基底硅的两种微型热式流量传感器的设计和加工,探索热处理工艺和合金化工艺的工艺参数优化,提高传感器的性能。本文根据热式流量传感器的工作原理建立一维导热微分方程及边界条件,获得数学模型的解析结果对热式流量传感器的工作特性进行描述。基于COMSOL仿真软件分别对二元件热阻型和三元件热电堆流量传感器建立仿真模型,研究其关键尺寸参数对传感器性能的影响。利用微机械加工工艺在聚酰亚胺基底上制作二元件热阻型流量传感器和在硅基底上制作三元件热电堆流量传感器,并对已完成的热式流量传感器分别进行热处理和合金化的工艺参数优化,由实验数据对比得到相对优的热处理和合金化工艺参数。使用控制电路对制作的两种流量传感器进行了初步测试,对聚酰亚胺基底热阻型流量传感器进行了性能测试,对硅基底热电堆流量传感输入恒压电源,验证了热电堆的成功制作。通过数学模型和仿真模型研究了热式流量器的关键尺寸参数对工作性能的影响,并由仿真结果给出较优的参数组合;根据实验结果,350℃保温两小时的热处理工艺能使镍金属薄膜达到良好的性能以及450℃保温两小时的合金化工艺能使重掺杂磷多晶硅和铝金属组成的热电堆满足所需要的合金化要求;通过测试,所制作的柔性基底热阻型流量传感器信号能在所工作范围呈近线性关系和验证热电堆的成功制作。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB937;TP212
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
        1.1.1 课题背景
        1.1.2 热式流量传感器的分类
    1.2 国内外发展现状
        1.2.1 微机电系统
        1.2.2 国内外发展现状
        1.2.3 热阻式流量传感器
        1.2.4 热电偶结构流量传感器
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 热式MEMS流量传感器的数学模型及仿真
    2.1 热式流量传感器的原理
    2.2 热式流量传感器数学模型
    2.3 柔性基底的二元件热式流量传感器三维模型仿真
        2.3.1 加热元件宽度（D）的影响
        2.3.2 加热元件与测温元件距离（D1）的影响
        2.3.3 测温元件宽度（D2）的影响
        2.3.4 柔性基底热阻型流量传感器的工作性能
    2.4 刚性基底的三元件热式流量传感器二维模型仿真
        2.4.1 模型验证
        2.4.2 模型的尺寸参数分析
        2.4.3 热电堆热点与加热元件距离（D）的影响
        2.4.4 基底厚度（h）的影响
        2.4.5 微流道高度（H）的影响
        2.4.6 刚性基底热电堆流量传感器的工作特性
    2.5 本章小结
第3章 热式MEMS流量传感器的制造
    3.1 聚酰亚胺流量传感器的制作工艺
        3.1.1 聚酰亚胺的选取与前处理
        3.1.2 聚酰亚胺流量传感器的制作
    3.2 硅基底热电堆流量传感器的制作工艺
        3.2.1 重掺杂多晶硅电阻的制作方法
        3.2.2 硅基底热电堆流量传感器的制作
    3.3 热处理改善镍金属薄膜性能
        3.3.1 镍金属薄膜的电阻温度系数
        3.3.2 镍金属薄膜的热处理
        3.3.3 镍金属薄膜的表征
    3.4 合金化及多晶硅电阻性能
        3.4.1 热电堆的合金化处理
        3.4.2 合金化处理对多晶硅电阻的影响
    3.5 本章小结
第4章 热式MEMS流量传感器的测试
    4.1 测试原理
    4.2 测量电路及控制算法
    4.3 传感器测试
        4.3.1 聚酰亚胺基底热阻型流量传感器的测试
        4.3.2 硅基底热电堆流量传感器的测试
    4.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢

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本文编号：2878653