一种新型双模式热感微流量计及其共轭传热仿真

发布时间：2020-06-08 00:27

【摘要】：微机电系统是指以微米级元件实现电路-机械转换功能的系统。它是21世纪最领先的技术之一。微流量传感器是微电子机械系统中应用最广的一种,与传统流量计相比,它有着功耗低、响应快、测量准等优点,可应用于汽车工业、航空航天、生物研究、临床诊断等多个领域,有着广阔的前景。热式微流量计凭借其简单的结构、可靠的性能,最为人们所采用,其中量热式流量计具有流向侦测、小流量下灵敏响应的优点尤其受到偏爱。然而,大流量下量热式流量计的响应趋于饱和甚至会失灵。为此本文提出了一种新型复合工作模式的热感微流量传感器:它能灵活地切换量热与热线工作模式,从而不失灵敏度地拓宽量程.通过二维、可压缩、变物性的共轭传热(流-固耦合传热)数值仿真,本文呈现了大流量跨度下(0.01-160SCCM)芯片通道内的流型,并研究了它对温度场的影响。在小流量下,热扩散作用占主导地位,输运对温度产生的扰动可以看作是一阶线性的,由此探测器温差对流速的响应是线性的。随着流量的增大,固体域周围的边界层受到破坏,从而使更多的热量被携带到下游。由于对流换热的非线性本质,温差响应趋于平缓。进一步增大流量,会凸显粘性耗散对探测器的作用,尤其是在前翼。由于剧烈的摩擦产生大量的热,探测器的温度上升,温差随着流量的增大而下降,探测器失灵。另外,大流量下通道的流型变得复杂,一维模型的均匀来流假设无法正确预测响应。此外,本文还得到了探测器响应临界变化时相关的无量纲数,它们可以根据相似原理用于今后的优化设计。加热器的功率响应在大流量下依然保持良好的灵敏度。另外,功率对流量的关系可以用修正后的King’s Law拟合,具有良好的相关性。对于可压缩流动,如果考虑额外的压缩项,M~2_(mi)/Re_(mi)可以获得更好的相关性。实验的流量计系统芯片由Invensense公司0.18μm CMOS-MEMS的工艺制造而成。经过简易封装、电路搭建后,芯片能够将流动转换成电信号并被单片机(Arduino Yun)读取。以两个作为参考的商业流量计进行校准后,根据灵敏度划定了流量计两种工作模式(量热式、热线式)的切换临界流量,并分别用不同函数拟合。新型流量计与参考流量计之间对比的结果表明,本设计有良好的精度,相对误差在±2%之内。另外,它的量程相比之前的工作模式扩大了近三倍,最大流量量程达到140SCCM,以通道中部的尺寸计,流速最大可达73m/s。此外,流量计原型系统中的单片机整合有无线传输模块,这样就能将采集到的数据上传到云端服务器,有望用于未来物联网节能建筑中暖通系统的流量监控。
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由此可以计算特定组织里红细胞的基于传热原理研发的，相比于非热早的热感式微流量计诞生于 1974 年给其加装上了微通道 (Micro Chann微加工技术的成熟，微流量计系统读取相关电信号[12]。感式流量传感器的核心，它由流量工作模式：恒温 (Constant Temper，热式流量传感器可以分为：热c)、飞渡式(Time of flight)。式流量传感器的加热装置由细金属其发热并向周围传递热量。热线以能建立功率与流量的关系。

图 1.12 某种量热式流量计三种工作模式的输出曲线过二维、可压缩、变物性的共轭传热（流-固(0.01-160SCCM)微传感器芯片通道内的流型输出变化的因素，为今后的优化设计提供参的量程受限，本文提出了一种以复合模式工机地结合在一起。ttion 与 Middelhoek 研制了第一片硅基微流量传感器安装在管道壁面，用以监测流速。 发明了用于小流量检测的微流传感器[10]。Tabata[20]制造了一个热式流量传感器，，它是恒对应关系。由于在传感器与硅基座间新添加n) 来绝热，其响应时间仅为 100ms。黄金彪[21]采用平面 CMOS 工艺制备了恒温式 型金氧半场效晶体管 (N-type Metal-Oxide-S
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH814

【参考文献】

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1 童勤义,黄金彪;CMOS集成硅流量传感器[J];电子学报;1987年01期

本文编号：2702230