DOI: https://doi.org/10.20535/2523-4455.2019.24.2.164410

Моделювання багатофункціанального терморезистивного перетворювача, що використовує технологію теплообміну

Sergey M. Osinov, Viktor Fedorovich Zavorotnyi, Boris Ivanovych Lupyna, Olexandr Vasylovych Borisov

Анотація


У роботі проведено аналіз електронних, теплових і гідродинамічних фізичних процесів, характерних для структур первинних перетворювачів, виготовлених за технологією кремнієвої мікроелектромеханіки. Розглянуто фізико-технічні характеристики, структурні та топологічні аспекти функціонування мікромеханічних терморезисторних теплоізольованих структур активного нагрівання, які можуть бути основою для синтезу бібліотеки елементів первинних перетворювачів в системах автоматизованого проектування пристроїв інформаційної електроніки. Особливістю уніфікованої теплоізольованої структури є її багатофункціональність, що надає можливість на базі єдиного модельного підходу до функціонування терморезисторного первинного перетворювача активного нагрівання розробити низку сенсорів фізичних величин: абсолютного та диференційного тиску газового середовища, лінійної швидкості та масових витрат флюїду, потужності електромагнітного випромінювання тощо. Всі перетворювачі засновані на єдиній структурі MEMS (Micro Electro Mechanical System) і відрізняються за функціональністю за рахунок різних режимів роботи і різних принципів визначення параметрів рідини. Це дозволяє розробляти багатофункціональні датчики на основі єдиного обладнання, що включає в себе типову структуру МЕМС і мікропроцесор масового виробництва, наприклад, PSoC (Programmable System On Chip). В роботі розвинено запропоновану авторами в попередніх роботах математичну модель поверхневого терморезисторного первинного перетворювача лінійної швидкості потоку на діелектричній мембрані, вмонтованого в стінку потокоформуючого каналу прямокутного поперечного перерізу. Проведено поглиблений аналіз теплообмінних процесів між елементами теплоізольованої структури, оточуючим флюїдом і елементами корпусу. В запропонованій моделі реальної структури первинного перетворювача враховано геометричні і теплофізичні параметри мембрани, потокоформуючого каналу, геометрії теплоізолюючої порожнини травлення кремнію. Отримано рівняння, яке описує такі процеси в квазістатичному наближенні, наведено його розв’язок, виконано чисельний розрахунок залежності профілю температури теплоізольованої структури від швидкості потоку рідини в потокоформуючому каналі. Наведений в роботі аналітичний розв’язок надає можливість оптимізації чутливості первинного перетворювача до лінійної швидкості потоку флюїду в каналі та його вимірювального діапазону з врахуванням параметрів геометрії теплоізольованої структури і каналу. Запропонована модель може бути використаною у відкритих системах автоматизованого проектування типу COMSOL для розрахунку конструкції та аналізу фізичних засад функціонування пристроїв на основі теплоізольованих резисторних структур активного нагрівання з використання теплообмінних процесів у конструкціях міліметрових, мікронних та субмікронних розмірів..

Бібл. 29, рис.3


Ключові слова


мікроелектромеханічна система; терморезистивний первинний перетворювач; термоанемометричний і кон-дуктометричний метод вимірювання

Повний текст:

PDF (English)

Перелік посилань для Cited-By Linking


N. Damean and P. P. L. Regtien, “Measurement concepts: From classical transducers to new MEMS,” Meas. J. Int. Meas. Confed., vol. 27, no. 3, pp. 159–178, 2000, DOI: 10.1016/S0263-2241(99)00057-3.

Girnyak Y., “Microelectronic Mechanical Systems In Modern Equipment,” Meas. Equip. Metrol., no. 69, pp. 97–102, 2008.

V.M. Tesliuk, Models and Information Technologies for the Synthesis of Microelectromechanical Systems. Lviv: Tower and Co, 2008.

M. Hautefeuille, B. O’Flynn, F. H. Peters, and C. O’Mahony, “Development of a microelectromechanical system (MEMS)-Based multisensor platform for environmental monitoring,” Micromachines, vol. 2, no. 4, pp. 410–430, 2011, DOI: 10.3390/mi2040410 .

S. Seok, Handbook of Mems for Wireless and Mobile Applications. Woodhead Publishing Limited, 2013, ISBN: 9780857092717.

I.Sh. Nevlyudov, V.V. Evseev, V.O. Bortnikova, Ya.O. Zamirets, “Analysis of modern means of automated design of microelectromechanical systems,” Technol. Adm., no. 1, pp. 3–8, 2014.

N. Damean, P. P. L. Regtien, and M. Elwenspoek, “Heat transfer in a MEMS for microfluidics,” Sensors Actuators A Phys., vol. 105, no. 2, pp. 137–149, Jul. 2003, DOI: 10.1016/S0924-4247(03)00100-6.

G. Kozlov, D. Randjelovich, Z. Djurić, “Analytical Modeling of Transient Processes in Thermal Microsensors,” in 12th. Int. Conf. Thermal, Mechanical and Multiphysics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, EuroSimE, 2011, pp. 1 – 7.

Feuchter M., "Investigations on Joule heating applications by multiphysical continuum simulations in nanoscale systems", PhD Disser. Karlsruher Institut fur Technologie (KIT), 2014, ISBN: 978-3-7315-0261-6.

A.G. Kozlov, “Error and adequacy of analytical modeling of temperature distribution in thermal microsystems,” in Problems of the development of promising micro and nanoelectronic systems 2014, Collected., 2014, pp. 167–172.

T. S. J. Lammerink, N. R. Tas, G. J. M. Krijnen, and M. Elwenspoek, “A new class of thermal flow sensors using ΔT=0 as a control signal,” in Proceedings IEEE Thirteenth Annual International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (Cat. No.00CH36308), pp. 525–530, DOI: 10.1109/MEMSYS.2000.838572.

K. Kliche, S. Billat, F. Hedrich, C. Ziegler, and R. Zengerle, “Sensor for gas analysis based on thermal conductivity, specific heat capacity and thermal diffusivity,” in 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2011, pp. 1189–1192, DOI: 10.1109/MEMSYS.2011.5734644.

B. Zheng, C. Zhou, Q. Wang, Y. Chen, and W. Xue, “Deposition of Low Stress Silicon Nitride Thin Film and Its Application in Surface Micromachining Device Structures,” Adv. Mater. Sci. Eng., vol. 2013, pp. 1–4, 2013, DOI: 10.1155/2013/835942.

Lupyna B.I., “Micromechanical surface thermo-resistor transducer of linear fluid velocity in a rectangular cross-section channel,” Electron. Commun., vol. 21, no. 3(92), pp. 17–28, 2016. DOI: 10.20535/2312-1807.2016.21.3.81454

Patent of Ukrane No 76885 “A method for manufacturing a matrix of thermoresistive converters,” 2, 2013.

N. T. Nguyen and W. Dötzel, “Asymmetrical locations of heaters and sensors relative to each other using heater arrays: a novel method for designing multi-range electrocaloric mass-flow sensors,” Sensors Actuators A Phys., vol. 62, no. 1–3, pp. 506–512, Jul. 1997, DOI: 10.1016/S0924-4247(97)01529-X.

A. Talic, S. Cerimovic, R. Beigelbeck, F. Kohl, T. Sauter, and F. Keplinger, “MEMS Flow Sensors Based on Self-Heated aGe-Thermistors in a Wheatstone Bridge,” Sensors, vol. 15, no. 5, pp. 10004–10025, Apr. 2015, DOI: 10.3390/s150510004.

J. W. Van Honschoten, G. J. M. Krijnen, V. B. Svetovoy, H. E. De Bree, and M. C. Elwenspoek, “Analytic model of a two-wire thermal sensor for flow and sound measurements,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 14, no. 11, pp. 1468–1477, 2004, DOI: 10.1088/0960-1317/14/11/006.

G. A. Frolov, O. M. Grudin, I. I. Katsan, B. I. Lupina. “Micromechanical gas heat capasity sensor,” in ESSDERS 96, 26th European Solid State Device Research Conference, 1996, pp. 215–218.

O. M. Grudin, G. A. Frolov, I. I. Katsan, and B. I. Lupina, “Thermal microsensor with a.c. Heating for gas-pressure measurements,” Sensors Actuators, A Phys., vol. 62, no. 1–3, pp. 571–575, 1997, DOI: 10.1016/S0924-4247(97)01571-9.

V.F. Zavorotny, O.V. Borisov, B.I.Lupina, S.M.Osinov. Patent of Ukraine No 18749 “Method of determination of gas density,” 2006.

F. Mailly, H. B. Nguyen, L. Latorre, and P. Nouet, “CMOS implementation of a 3-axis thermal convective accelerometer,” Proc. IEEE Sensors, vol. 2014-December, no. December, pp. 1471–1474, 2014, DOI: 10.1109/ICSENS.2014.6985292.

J. Bahari, R. Feng, and A. M. Leung, “Robust MEMS Gyroscope Based on Thermal Principles,” J. Microelectromechanical Syst., vol. 23, no. 1, pp. 100–116, Feb. 2014, DOI: 10.1109/JMEMS.2013.2262584.

S. Liu and R. Zhu, “Micromachined Fluid Inertial Sensors,” Sensors, vol. 17, no. 2, p. 367, Feb. 2017, DOI: 10.3390/s17020367.

I. Sh. Nevlyudov, V. Bortnikova. “Methods of automated design of manufacturing processes of MEMS accelerometers,” Technol. Approv. Dev., no. 1, pp. 8–10, 2018.

D. Yntema, “An integrated three-dimensional sound-intensity probe. Ph.D. Thesis,” University of Twente, Enschede, The Netherlands, 2008.

O. Pjetri, “Two - Dimentional Acoustic Particle Velocity Sensors Based on a Crossing Wires Topology, PhD Thesis,” University of Twente, Enschede, The Netherlands, 2016.

Sivukhin D.V., The general course of physics. Thermodynamics and molecular physics. Moscow: Nauka, 1979.

O.V.Borisov, I.S.Deineca, B.I.Lupyna. “Measurement of dynamic parameters of micromechanical thermistor converter using NI Elvis II software and hardware,” Electron. Commun., no. 5 (64), pp. 5–12, 2011.


Перелік посилань


  1. N. Damean and P. P. L. Regtien, “Measurement concepts: From classical transducers to new MEMS,” Meas. J. Int. Meas. Confed., vol. 27, no. 3, pp. 159–178, 2000, DOI: 10.1016/S0263-2241(99)00057-3.
  2. Girnyak Y., “Microelectronic Mechanical Systems In Modern Equipment,” Meas. Equip. Metrol., no. 69, pp. 97–102, 2008.
  3. V.M. Tesliuk, Models and Information Technologies for the Synthesis of Microelectromechanical Systems. Lviv: Tower and Co, 2008.
  4. M. Hautefeuille, B. O’Flynn, F. H. Peters, and C. O’Mahony, “Development of a microelectromechanical system (MEMS)-Based multisensor platform for environmental monitoring,” Micromachines, vol. 2, no. 4, pp. 410–430, 2011, DOI: 10.3390/mi2040410 .
  5. S. Seok, Handbook of Mems for Wireless and Mobile Applications. Woodhead Publishing Limited, 2013, ISBN: 9780857092717.
  6. I.Sh. Nevlyudov, V.V. Evseev, V.O. Bortnikova, Ya.O. Zamirets, “Analysis of modern means of automated design of microelectromechanical systems,” Technol. Adm., no. 1, pp. 3–8, 2014.
  7. N. Damean, P. P. L. Regtien, and M. Elwenspoek, “Heat transfer in a MEMS for microfluidics,” Sensors Actuators A Phys., vol. 105, no. 2, pp. 137–149, Jul. 2003, DOI: 10.1016/S0924-4247(03)00100-6.
  8. G. Kozlov, D. Randjelovich, Z. Djurić, “Analytical Modeling of Transient Processes in Thermal Microsensors,” in 12th. Int. Conf. Thermal, Mechanical and Multiphysics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, EuroSimE, 2011, pp. 1 – 7.
  9. Feuchter M., "Investigations on Joule heating applications by multiphysical continuum simulations in nanoscale systems", PhD Disser. Karlsruher Institut fur Technologie (KIT), 2014, ISBN: 978-3-7315-0261-6.
  10. A.G. Kozlov, “Error and adequacy of analytical modeling of temperature distribution in thermal microsystems,” in Problems of the development of promising micro and nanoelectronic systems 2014, Collected., 2014, pp. 167–172.
  11. T. S. J. Lammerink, N. R. Tas, G. J. M. Krijnen, and M. Elwenspoek, “A new class of thermal flow sensors using ΔT=0 as a control signal,” in Proceedings IEEE Thirteenth Annual International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (Cat. No.00CH36308), pp. 525–530, DOI: 10.1109/MEMSYS.2000.838572.
  12. K. Kliche, S. Billat, F. Hedrich, C. Ziegler, and R. Zengerle, “Sensor for gas analysis based on thermal conductivity, specific heat capacity and thermal diffusivity,” in 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2011, pp. 1189–1192, DOI: 10.1109/MEMSYS.2011.5734644.
  13. B. Zheng, C. Zhou, Q. Wang, Y. Chen, and W. Xue, “Deposition of Low Stress Silicon Nitride Thin Film and Its Application in Surface Micromachining Device Structures,” Adv. Mater. Sci. Eng., vol. 2013, pp. 1–4, 2013, DOI: 10.1155/2013/835942.
  14. Lupyna B.I., “Micromechanical surface thermo-resistor transducer of linear fluid velocity in a rectangular cross-section channel,” Electron. Commun., vol. 21, no. 3(92), pp. 17–28, 2016. DOI: 10.20535/2312-1807.2016.21.3.81454
  15. Patent of Ukrane No 76885 “A method for manufacturing a matrix of thermoresistive converters,” 2, 2013.
  16. N. T. Nguyen and W. Dötzel, “Asymmetrical locations of heaters and sensors relative to each other using heater arrays: a novel method for designing multi-range electrocaloric mass-flow sensors,” Sensors Actuators A Phys., vol. 62, no. 1–3, pp. 506–512, Jul. 1997, DOI: 10.1016/S0924-4247(97)01529-X.
  17. A. Talic, S. Cerimovic, R. Beigelbeck, F. Kohl, T. Sauter, and F. Keplinger, “MEMS Flow Sensors Based on Self-Heated aGe-Thermistors in a Wheatstone Bridge,” Sensors, vol. 15, no. 5, pp. 10004–10025, Apr. 2015, DOI: 10.3390/s150510004.
  18. J. W. Van Honschoten, G. J. M. Krijnen, V. B. Svetovoy, H. E. De Bree, and M. C. Elwenspoek, “Analytic model of a two-wire thermal sensor for flow and sound measurements,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 14, no. 11, pp. 1468–1477, 2004, DOI: 10.1088/0960-1317/14/11/006.
  19. G. A. Frolov, O. M. Grudin, I. I. Katsan, B. I. Lupina. “Micromechanical gas heat capasity sensor,” in ESSDERS 96, 26th European Solid State Device Research Conference, 1996, pp. 215–218.
  20. O. M. Grudin, G. A. Frolov, I. I. Katsan, and B. I. Lupina, “Thermal microsensor with a.c. Heating for gas-pressure measurements,” Sensors Actuators, A Phys., vol. 62, no. 1–3, pp. 571–575, 1997, DOI: 10.1016/S0924-4247(97)01571-9.
  21. V.F. Zavorotny, O.V. Borisov, B.I.Lupina, S.M.Osinov. Patent of Ukraine No 18749 “Method of determination of gas density,” 2006.
  22. F. Mailly, H. B. Nguyen, L. Latorre, and P. Nouet, “CMOS implementation of a 3-axis thermal convective accelerometer,” Proc. IEEE Sensors, vol. 2014-December, no. December, pp. 1471–1474, 2014, DOI: 10.1109/ICSENS.2014.6985292.
  23. J. Bahari, R. Feng, and A. M. Leung, “Robust MEMS Gyroscope Based on Thermal Principles,” J. Microelectromechanical Syst., vol. 23, no. 1, pp. 100–116, Feb. 2014, DOI: 10.1109/JMEMS.2013.2262584.
  24. S. Liu and R. Zhu, “Micromachined Fluid Inertial Sensors,” Sensors, vol. 17, no. 2, p. 367, Feb. 2017, DOI: 10.3390/s17020367.
  25. I. Sh. Nevlyudov, V. Bortnikova. “Methods of automated design of manufacturing processes of MEMS accelerometers,” Technol. Approv. Dev., no. 1, pp. 8–10, 2018.
  26. D. Yntema, “An integrated three-dimensional sound-intensity probe. Ph.D. Thesis,” University of Twente, Enschede, The Netherlands, 2008.
  27. O. Pjetri, “Two - Dimentional Acoustic Particle Velocity Sensors Based on a Crossing Wires Topology, PhD Thesis,” University of Twente, Enschede, The Netherlands, 2016.
  28. Sivukhin D.V., The general course of physics. Thermodynamics and molecular physics. Moscow: Nauka, 1979.
  29. O.V.Borisov, I.S.Deineca, B.I.Lupyna. “Measurement of dynamic parameters of micromechanical thermistor converter using NI Elvis II software and hardware,” Electron. Commun., no. 5 (64), pp. 5–12, 2011.


Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.




Copyright (c) 2019 Осінов С. М., Заворотний В. Ф., Лупина Б. І., Борисов О. В.

Creative Commons License
Ця робота ліцензована Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN: 2523-4447
e-ISSN: 2523-4455