微型热式气体流量传感器的稳态传热研究

论文摘要

本课题对微型热式气体流量传感器的稳态传热进行了系统研究。首先对薄膜材料热导率测量方法进行研究,建立了薄膜-衬底复合结构传热模型,以该模型为基础将基于拉曼光谱的薄膜热导率测量方法拓展到亚微米和纳米尺度,并使用该方法对传感器中的薄膜材料进行了热导率测量;其次,在准确获得微型热式气体流量传感器的材料热物性参数的基础上,对传感器的对流-导热耦合传热过程进行了研究,建立了传感器的稳态传热模型,并使用数值方法对传感器的工作传热过程进行了分析,以分析结果为基础提出了微型热式气体流量传感器的优化设计方法;再次,以优化设计方法为指导,对微型热式气体流量传感器进行了传感器工作模式设计、传感器材料选择和传感器结构参数设计工作;最后,结合实验室具体设备和工艺条件,制定了合适的传感器制做工艺路线,在工艺实验的基础上对传感器进行了制做,并对传感器进行了稳态工作性能实验测试,测试结果验证了提出的优化设计方法对提升传感器稳态工作性能的有效性。课题的主要研究工作如下:1.薄膜热导率测量方法的研究。针对高斯激光入射生热的情况对传统的基于拉曼光谱的薄膜热导率测量方法进行了修正,并以此为基础,对薄膜-衬底复合结构的传热进行了研究,分析了薄膜热导率、衬底热导率、薄膜/衬底接触面热阻对复合结构传热过程的影响,得到了薄膜热导率的解析表达式,从而实现了对基于拉曼光谱的薄膜热导率测量方法的拓展,使其可以被用来测量亚微米/纳米厚度薄膜的热导率。使用拓展的基于拉曼光谱的薄膜热导率测量方法对多孔硅薄膜试样、二氧化硅薄膜试样、氮化硅薄膜试样的热导率进行了测量,为分析传感器的稳态传热过程提供了准确的参数基础。2.微型热式气体流量传感器的稳态传热模型研究。对微型热式气体流量传感器的对流-导热耦合传热过程进行了分析,并对传感器的稳态传热过程进行了理论建模研究。在模型中,不仅考虑了流体通过对流传热对传感器稳态工作性能的影响,也充分考虑了传感器衬底导热作用的影响。使用有限差分的方法,对传感器的稳态传热理论模型进行了数值仿真分析。根据模型分析结果,以提升传感器的稳态工作性能为目的,分别就温敏元件的空间布置和加热元件的间隔距离提出了优化设计方法,为微型热式气体流量传感器的优化设计提供了理论基础。3.微型热式气体流量传感器的优化设计。对热分布型微型气体流量传感器的温度平衡工作模式进行了理论分析,得到了传感器输出信号与流量之间的关系式,从理论上证明了传感器输出信号具有高线性度。对传感器各元件的材料选择进行了研究,结合实验室本身设备和工艺条件,为提升传感器的工作性能,选择了合适的传感器衬底材料、绝缘层材料、加热元件材料、温度敏感元件材料和保护层材料,并根据提出的微型热式气体流量传感器优化设计方法,对传感器的结构参数进行了设计。4.微型热式气体流量传感器的制备工艺及实验测试研究。通过对各MEMS基本工艺的比较分析,并结合具体的实验室设备和工艺情况,针对设计的微型热式气体流量传感器进行了传感器衬底的制备工艺、绝缘层的制备工艺、加热元件的制备工艺、温度敏感元件和保护层的制备工艺实验研究,在工艺实验基础上制做了微型热式气体流量传感器。对制做的传感器进行了稳态性能实验测试,相关实验结果与传感器稳态传热建模仿真分析结果相符合,对提出的微型热式气体流量传感器稳态性能优化设计方法的有效性进行了验证。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 MEMS技术的发展与特征
• 1.1.1 MEMS技术的发展
• 1.1.2 MEMS技术的特征
• 1.2 微型热式气体流量传感器概述
• 1.2.1 微型热式气体流量传感器的发展历史与现状
• 1.2.2 微型热式气体流量传感器的类型与工作模式
• 1.3 微型热式气体流量传感器的稳态传热研究进展
• 1.4 课题主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 薄膜热导率测量
• 2.1 薄膜传热基本原理
• 2.1.1 温度场
• 2.1.2 热量传递方式
• 2.1.3 传热基本定律
• 2.1.4 热传导方程及定解条件
• 2.1.5 薄膜传热特性
• 2.2 薄膜热导率测量方法研究现状
• 2.2.1 接触式薄膜热导率测量方法
• 2.2.2 非接触式薄膜热导率测量方法
• 2.3 基于拉曼光谱的亚微米/纳米薄膜热导率测量方法
• 2.3.1 拉曼光谱效应
• 2.3.2 传统的基于拉曼光谱的薄膜热导率测量方法
• 2.3.3 高斯激光能量分布
• 2.3.4 薄膜-衬底复合结构传热建模
• 2.4 亚微米/纳米薄膜热导率测量实验
• 2.4.1 薄膜试样的制备
• 2.4.2 薄膜热导率测量步骤
• 2.4.3 薄膜热导率测量结果
• 2.5 本章小结
• 3 微型热式气体流量传感器的稳态传热模型研究
• 3.1 微型热式气体流量传感器的传热机理
• 3.1.1 对流-导热耦合传热
• 3.2 微型热式气体流量传感器的稳态传热建模
• 3.2.1 假设条件
• 3.2.2 控制方程
• 3.2.3 边界条件
• 3.2.4 无量纲化
• 3.3 微型热式气体流量传感器的稳态传热数值模拟及结果分析
• 3.3.1 离散化
• 3.3.2 求解过程
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 微型热式气体流量传感器的优化设计
• 4.1 微型热式气体流量传感器的工作模式设计
• 4.1.1 热分布型流量传感器的基本工作模式
• 4.1.2 温度平衡工作模式
• 4.2 传感器的材料选择
• 4.2.1 传感器衬底的材料
• 4.2.2 传感器绝缘层和保护层的材料
• 4.2.3 加热元件的材料
• 4.2.4 温度敏感元件材料
• 4.3 传感器的结构参数设计
• 4.4 本章小结
• 5 微型热式气体流量传感器的制备工艺及实验测试研究
• 5.1 微型热式气体流量传感器的MEMS制备工艺
• 5.1.1 MEMS基本加工工艺概述
• 5.1.2 传感器衬底的制备
• 5.1.3 传感器绝缘层和保护层的制备
• 5.1.4 传感器绝缘层和保护层的局部刻蚀
• 5.1.5 加热元件的制备
• 5.1.6 温度敏感元件的制备
• 5.1.7 传感器的整体制备步骤
• 5.2 热式流量传感器的实验测试
• 5.2.1 温敏元件为热敏电阻的传感器实验测试结果
• 5.2.2 温敏元件为热电堆的传感器实验测试结果
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要的研究成果及荣誉