AlN薄膜纵向导热与双坐标自检微阵列气流传感器的研究

发布时间：2020-06-07 13:21

【摘要】：气流传感器被广泛应用于工农业生产、航天探空、微气象站、人类的生活、交通旅游、管道运输和气象监测等领域,是获取气流大小、方向参数的重要手段。在各种类型的气流传感器中,MEMS气流传感器是应用最广的一种,因其具有体积较小、重量较轻、原理简单、便于集成、不易磨损等优势,因而被广泛应用于各种研究领域。其中,热量式气流传感器是通过芯片与自然环境进行热量交换,完成流速、流向的检测。具体可描述为:加热单元为温敏单元提供一个稳定平衡的温度场分布,无气流时,传感器输出为零。当有气流经过时,平衡的温度场被打破,传感器有相应的电压/电流输出,根据输出电信号的大小,确定气流的流速和流向。不同结构的热量型气流传感器的热传递方式不同,量程不同,以其应用趋势为依据,可得MEMS热量型传感器是其主要发展趋势。目前MEMS热量式气流传感器主要存在微结构有测量盲区、导热效率低、无外界附加模块存在的前提下无法自检等问题,难以满足传感器高精度的检测要求。本文围绕MEMS热量型气流传感器的模型结构、热传递方式、高热导率Al N薄膜的研制、气流传感器双坐标自检方法等关键技术展开研究。在气流传感器结构方面。采用ANSYS三维软件对所设计的加热单元形状和数量,热隔离结构等各个因素进行对比优化分析。针对热量式气流传感器温度场中最高温度较高,温敏单元温度较低等问题,分别设计正八边形和圆形的加热线圈结构,在保证相同功耗的前提下,将加热单元的个数设定为1个、2个、4个,根据不同形状、不同数量的加热单元温度场分布结果,确定最优结构。针对热量式气流传感器热损耗高的问题,设计四种热隔离结构模型,对四种结构的温度场仿真结果进行比较分析,确定最优化的热隔离结构。在传感器导热方式分析方面。针对气流传感器“横向”导热时,表现出加快传感器热量传递效率与降低传感器热量损耗相矛盾,以及提高温敏单元温度与减缓传感器老化速度相矛盾的问题。所设计的气流传感器采用“纵向”导热模式进行热量传递,这种导热方式具有加快热量传递效率、减少热量耗散、减缓器件老化程度、降低加热功率等优势。在单a轴择优生长取向的Al N薄膜的研制方面。为了提高热量式气流传感器热量传递效率,并且实现加热单元和温敏单元的电绝缘,采用单a轴择优取向的Al N薄膜绝缘导热膜进行隔离。与其它晶相的Al N晶体相比,a轴择优生长取向的Al N晶体更难制备。首次提出使用射频溅射的方法制备单a轴取向Al N薄膜,通过改变射频溅射功率、溅射压强、退火温度等多个因素,研究薄膜的晶体取向、晶粒尺寸、表面粗糙度等参数,确定Al N薄膜最优化的制备参数。在双坐标自检方法分析方面。目前设计的热量式气流传感器,无法自检,或者需要通过与外界电路、仪器连接以实现传感器测试参数的检测功能,这种自检方法非常繁琐、不易操作。因此,提出双坐标“米”字型温敏单元布局,提高传感器测量量程,减小测量盲区。而且,通过8个温敏单元的电压输出计算流速和流向,根据流速和流向之间的恒关系,在无外界附加模块添加的条件下实现自检功能。研究结果表明:当加热单元形状为正八边形,加热单元数量为2时,气流传感器中温度场最高温度较低,温敏单元位置的温度较高,传感器的热隔离结构有利于提高气流传感器的温度场分布,为传感器的设计提供了理论依据。采取“纵向”导热模式的热量传递方式,有利于加快热量传递效率、减少热量耗散、减缓器件老化程度、降低加热功率。采用单a轴取向的Al N薄膜实现传感器的纵向导热模式,有效地实现加热单元和温敏单元的电绝缘。采用双坐标自检方法对气流传感器的流速和流向进行检测,在无外界附加模块的前提下,实现气流传感器的自检功能。
【图文】：

气流传感器,机械式

仅与传感器的工作原理、工作方与结构和制作工艺有关外，还与局、传感器的数据处理方式等因进展要可以分为两种类型，，分别是转。第一种是转子型机械气流传子的旋转速度对流体的速度进行第二种是旋转型机械流速传感器解释为通过旋浆对流体速度进行]。风杯和风向标是典型的机械式被广泛应用于风速和风向的测量

流速传感器,多普勒,光学,温敏

图 1-4 多普勒光学流速传感器Fig. 1-4 Doppler optical flow velocity sensor器的优点为：空间分辨率高、动态响应好、测量精、能够判别气流的流向，而且可以测量流体的脉感器也有不可避免的缺点，如被测量的流体中必需性要好，激光存在衰减问题，流体必须具有可穿透价格普遍比较昂贵等。气流传感器流传感器建立在传感器芯片和外部环境热交换基础制对流两种方式进行热量交换[37-39]，传感器如图 1-时，温敏单元和外部环境以自然对流方式为主进行系数和热扩散系数都非常小，而且温敏单元表面的使温敏单元的温差较小甚至难以检测，因此自然对以忽略不计。当外部有定向气流存在时，根据强速越大，从上游温敏单元带到下游温敏单元的热量低的越多，下游温敏单元温度升高的越多，温敏单
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212

【参考文献】