气压和流速对微热板气体传感器的影响

微热板具有加热功耗低和热电动态响应快的优点,是集成气体传感器等微传感器的核心部件.通过实验测定,介绍气压和流速对微热板气体传感器性能的影响.     

陶瓷微热板阵列式可燃气体传感器

设计了基于陶瓷基底的悬桥式微热板结构以解决硅微热板高温稳定性差的问题。分析了微热板的传热过程,并通过有限元工具对其稳态热响应特性及微加热器电极结构进行了模拟。采用常规微电子技术结合激光微加工技术,实际制作了基底厚度为100μm,桥宽度为2mm的微结构,并对结构的加热功率-温度关系进行了测试。结果表明:热板具有较好的高温稳定性,1.5W加热功率可使板上平均温度达到630℃。将桥式微热板作为阵列传感器的加热平台,Pd掺杂原子数百分比为0.2%和10%的SnO2纳米材料分别作为阵列中两只传感器的敏感膜材料,设计并制作了阵列式气体传感器。传感器在恒电压加热方式下可实现CO或CH4单一模式气体检测;阵列传感器在高、低温脉冲电压加热模式下可实现对CO和CH4两种混合气体的定量检测。     

利用有限元分析工具优化设计微气体传感器结构

利用金属铂的热阻、热敏特性以及SiO2、SiNx良好的绝热绝缘特性，设计一种以金属铂薄层为加热器，叉指状金薄层为信号电极，SiO2和SiNx为隔热和电绝缘层的硅基微结构气敏元件。利用有限元分析工具ANSYS，对该硅基微结构气敏元件的加热衬底的温度场进行模拟和分析，根据分析的结果对所设计的气敏元件优化，优化后的气敏元件热损耗将更小，响应速度将更快。     

用于微热板气体传感器的EHD打印有限元仿真北大核心CSCD

为了研究通过电流体动力学(EHD)打印在微热板上涂覆气敏材料过程中各参数对锥射流形成的影响,采用多物理场有限元仿真软件分析了锥射流形成过程。高速摄像机拍摄锥射流形成过程与仿真锥射流形成过程一致,验证了仿真分析的有效性。仿真结果表明:随着针头与衬底之间距离减小,锥射流形成时间单调减小;针头内径和接触角的增大都会使锥射流直径增大。根据仿真结果优化EHD打印参数,在微热板上打印花状气敏材料,不但保留了材料的微观纳米结构,而且形成了较为均匀的薄膜。     

新型共平面微气体传感器微热板的优化设计

利用金属铂良好的热敏、热阻特性,以及Si O2良好的绝热、绝缘性能,设计了以铂为加热电极、以Si O2为绝缘材料的新型共平面微结构气体传感器。为了使该传感器获得高且均匀的温度分布,利用有限元软件ANSYS对该传感器的电极和基底进行仿真分析,并进一步优化该传感器的基底以及电极参数。仿真结果表明:传感器基底形状设计为方形结构,基底的前Si O2层、中间Si层、后Si O2层的厚度依次为1、199、100μm,且加热电极的宽度及间距均为20μm、信号电极宽度为40μm时,传感器上获得了最佳的温度分布,此时的磁场分布也较好,有利于传感器整体性能的提高。     

微热光电系统燃烧器的研究

介绍了一种新颖的微动力机电系统，即微热光电系统。该系统可以取代电池作为各种微型机械的动力，广泛应用于民用与军工部门。微燃烧器是微热光电系统的一个重要元件，其外表面必须产生一个高而均匀的温度分布，以尽可能高地输出辐射能。结合三维数值模拟与实验对微燃烧室进行了研究。研究结果表明，带有台阶的微火焰管燃烧室非常适合于微热光电系统的应用。     

陶瓷微板热隔离气体传感器阵列热干扰分析

热干扰特性是影响微热板气体传感器阵列热结构设计的重要因素之一。为探讨微热板阵列传感器单元之间的热力学特性关系,设计并制备了具有独立式加热功能的热隔离结构4单元微热板气体阵列,传感器阵列单元由Al N陶瓷衬底、Pt膜电极组成,为提高加热效率,阵列单元中间加热区采用激光微加工刻蚀热隔离通孔设计,与边缘形成微梁连接结构。利用有限元法对传感器阵列结构进行了热干扰仿真分析,验证了热隔离结构设计的合理性。给出了4种热干扰测试模式,并进行了热干扰特性测试分析,给出了4单元之间的热干扰规律曲线,得出传感器单元功耗300m W时最大干扰温度达169.6℃,最小热干扰温度84.7℃。热隔离通孔设计可有效降低传感器单元热传导损耗,热干扰分析对微热板传感器阵列的热结构设计具有重要意义。     

微热板式气压传感器结构设计与热分析

给出了采用牺牲层技术制作的微热板式气压传感器的加工工艺和工作原理.分析了微热板各层薄膜厚度、微热板下气隙高度、支撑桥尺寸、微热板面积大小对传感器加工、工作性能的影响,并结合实际工艺条件设计了一种采用不同支撑桥尺寸的传感器结构.理论分析了恒温加热方式下微热板各种传热途径随气压的变化关系;用有限元方法模拟了恒流加热方式下气压对传感器温度分布和温度大小的影响.分析结果显示,气压较高时微热板传热以气体导热为主,而气压较低时以支撑桥导热为主;微热板区域温度分布较均匀,温度大小受气压影响较大;设计的传感器测量范围为10～10⁵Pa,功耗在毫瓦级,且具有尺寸小、热响应快、易与电路集成等优点.     

基于微热板的加热控温集成电路设计

根据实验室中已存在的一款大功率微热板CQ1,提出基于PWM方式控温的电路设计。根据CQ1的热学特性建立电学模型,实现微热板在Cadence软件中的仿真模拟,利用Verilog-A语言来描述微热板,该模型可以直接被Spectre读取和仿真。再基于PWM的方式来实现对微热板的控温电路设计,提出了如何根据功耗和电流的关系来计算最小测试电流的方法,同时对温控电路做了优化和改进。     

微热光电系统燃烧的若干影响因素的试验研究

微热光电(MPTV)系统是一种新型微动力机电系统。通过试验研究,分析阐述了不同氢氧混合气流量、氢氧混合比等因素对MTPV燃烧器内的燃烧状况、管壁以及出口端面的温度分布的影响。试验证明,氢氧混合气在微型燃烧器内易实现稳定燃烧。当流量为2.167×10-5m3/s、混合比为2:1时,微型燃烧器的壁面温度可以达到1 300K左右。     

用于气体传感器的微热板工艺流程与性能对比

微热板式气体传感器具有功耗低、体积小和灵敏度高等优点,具有良好的产业化前景,而传感器芯片批量制造成品率与单芯片加工成本是其能否产业化的关键。在传感器芯片批量制造中引入成熟标准CMOS工艺,采用四臂支撑悬空结构,以钨为加热丝,多层介质薄膜为机械支撑膜,顶层金属为气敏电极;作为对比,同时设计了MEMS工艺流程,制造了以铂为加热丝,PECVD氧化硅和氮化硅为机械支撑膜,黄金气敏电极的相同结构传感器芯片。对比了工艺成本和器件性能,CMOS微热板芯片的功耗、热响应、热稳定性以及成本等性能均达到甚至优于MEMS微热板水平。由于CMOS工艺线量产能力和加工精度均优于常见MEMS工艺线,因此单芯片成本更低,集成度更高,非常适合微热板式气体传感器阵列芯片的产业化生产制造。     

微加热板气体传感器的仿真及结构优化

针对微加热板气体传感器敏感薄膜上温度分布不均的缺点,在传统的微加热板传感器中加入了硅岛结构以均匀薄膜温度分布。利用有限元分析软件ANSYS对带有不同尺寸硅岛的传感器的温度分布进行了仿真和分析,得出了最佳的硅岛尺寸,并提出了一种新型的微加热板气体传感器结构设计,该传感器结构可以在性能不受影响的情况下简化制作工艺。     

硅微热板气体传感器应力调节系统设计与仿真

将微热板与静电梳齿执行器结合,设计出一种恒温加热状态下调节气敏薄膜(SnO_2)应力的系统结构。采用有限元软件(COMSOL Multiphysics)仿真分析了不同温度下器件的形变、气敏薄膜中的应力分布及其调节范围。仿真结果表明,气敏薄膜中的应力随着静电梳齿执行器驱动电压的升高而下降,成功实现对气敏薄膜中应力分布的调节,该结构可用于应力对薄膜气敏特性影响的研究。     

面向微热板气体传感器的控温采集无线节点设计

微热板近年来被广泛应用到气体传感器领域。为了提高微热板式气体传感器工作的稳定性,文中设计了一种可控温WIFI采集传感器节点。它以CC3200为WIFI节点核心,结合Dut13微热板驱动芯片以及高速ADC和DAC模块实现对微热板气体传感器的无线控温和气敏信号采集。实验结果表明,在环境温度10~45℃范围内,微热板目标温度350℃以内,该节点的控温精度优于±4℃,节点平均总功耗小于350 m W。     

微热管轴向微沟槽高速充液旋压成形实验研究

对铜微热管内壁轴向微沟槽高速充液旋压成形工艺进行实验研究,研究关键工艺参数包括拉管速度、旋压钢球数量、多齿芯头位置,分析其对微沟槽成形的影响,优化加工工艺参数.通过观察微沟槽横截面显微照片,分析微沟槽旋压成形过程中的塑性变形,初步探讨轴向微沟槽高速充液旋压成形机理.实验结果表明,拉管速度应在48 cm/min～64cm...     

微热管红外测温系统的设计

根据集成发光二极管(LED)的微热管尺寸小、温升快、温度梯度变化剧烈等特点,搭建了非接触式红外测温系统,以实现对其不同特征区域的温度测量。对该系统的信号采集与转换、误差分析与补偿、测温特性指标、以及微热管的热性能进行了研究。该系统通过LabVIEW编程软件实现红外传感器的电信号采集与温度转换;将不同温度的加热块作为等温体参考,对比热电偶与红外测温结果完成静态和动态测温特性分析,进而通过环境温度补偿方法修正LED辐射热引起的传感器漂移误差;最后基于线性拟合法完成传感器的校准。利用该测试系统在不同热负载下测试了微热管的热性能。结果显示:测温系统的准确度、重复性及线性度分别为1.2~1.5℃、1%和0.2%;时间常数T和响应时间t0.05分别约为15ms和30ms。该红外非接触测温系统能够减小传感元件对被测温度场的影响,具有测温精度高和热惰性小的特点,为微热管热性能评估提供了新的测量方法。     

恒温式微热板电阻真空传感器

研究了微热板的传热特性,从理论上分析了恒温模式下工作温度和结构尺寸对微热板电阻真空传感器工作特性的影响.设计了一种边长为93 μm、四臂支撑的方形微热板结构的电阻真空传感器,支撑桥长65 μm、宽21 μm,微热板与衬底之间的气隙高度为0.5 μm;采用表面微机械加工技术成功实现了该传感器的加工.用恒温电路进行测试的结果显示,该微热板真空传感器气压测量范围约2～105 Pa,且响应特性与理论计算结果相符.     

MEMS工艺微热管传热性能的定量分析

介绍了一种基于硅体加工技术以及阳极键合技术的微热管阵列.通过两种传热模型对微热管的性能进行了分析.利用传统热管理论及经典传热理论对传热性能进行定量计算,将传热过程逐步分解并建立传热模型,对热管热阻进行估算.这种较简易的分析模型可为热管设计提供初步的参考结果.再利用有限元法以同样的参数来模拟热管传热过程以得到更加精确的热阻及热场分布结果,采用Ansys软件来进行有限元的分析.     

恒温式微热板电阻真空传感器的研究

微热板(MHP)作为一种微结构广泛运用在各种微传感器中。本文通过对微热板的传热分析,从理论上分析了恒温模式下工作温度和结构尺寸对微热板电阻真空传感器工作特性的影响;设计了一种边长为93μm、四臂支撑的方形微热板结构的电阻真空传感器,支撑桥长65μm、宽21μm,微热板与衬底之间的气隙高度为0.5μm;采用表面微机械加工技术成功实现了该传感器的加工。测试结果显示,该微热板真空传感器气压测量范围约2Pa～105Pa,且响应特性与理论计算结果相符。     

微热管的灌注抽真空制造技术

微热管是高热流密度光电芯片领域广泛应用的高效热传导元件,抽真空和灌注是其性能的重要影响工序。通过分析目前微热管制造工艺中常用的抽真空灌注技术,提出灌注抽真空微热管制造技术;分析该技术的工作原理和二次除气理论,建立工质额外充液量、微热管工作死区、二次除气集气段长度等数学模型;对比分析抽真空灌注与灌注抽真空两种制造技术的特点;搭建微热管性能测试平台,对采用灌注抽真空技术制造的铜—水沟槽式微热管进行性能测试;对比研究引入额外充液量前后,灌注抽真空技术制造的微热管传热性能的差异,发现引入额外充液量后,微热管性能提高了12倍。试验结果表明灌注抽真空技术可以很好地满足微热管的制造需求。