Моделирование нестационарных режимов работы теплофизических микросенсоров Козлов Александр Геннадьевич Омский государственный университет

Содержание I.Введение II.Метод моделирования III.Примеры использования IV.Заключение Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 1

I. Введение Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 2

I. Введение 1) тепловые при- емники излучения; 3)микроболометры; 2) электротепловые преобразователи; 3) микрокалори- метры; 4) биметаллические приемники ИК излучения с оптическим считыванием. Тепловые микросенсоры с промежуточным тепловым преобразованием Тепловые микросенсоры 1) тепловые микро- сенсоры для изме- рения параметров потоков жидкостей и газов; 2) тепловые вакуумные микросенсоры; 3) кондуктометри- ческие газовые ми- кросенсоры; 4) тепловые акселерометры; 5) тепловые инклинометры. Тепловые микросенсоры с управляемыми тепловыми потоками Тепловые микросенсоры прямого преобразования 1) микросенсоры для измерения температуры; 2) микрокалори- метры; 3) микросенсоры для измерения тепловых потоков. Тепловые микросенсоры с температурной активацией и управлением 1) газовые микросенсоры на основе оксидных полупроводни- ковых материалов; 2) газовые микросенсоры на основе твердых электролитов; 3) газовые микросенсоры на основе МП и МДП структур; 4) резонансные ми- кросенсоры. Комбинирован- ные тепловые микросенсоры 1) термокаталити- ческие газовые микросенсоры (пеллисторы). Классификация тепловых микросенсоров. Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 3

II. Метод моделирования Алгоритм метода: 1.Термически изолированная структура теплофизического микросенсора разделяется на прямоугольные зоны в зависимости от состава слоев и условий тепловыделения. Каждая зона заменяется эквивалентной зоной с однородными параметрами: эквивалентной толщиной, коэффициентом теплопроводности, объемной теплоемкостью и коэффициентом температуропроводности. 2.Для каждой зоны определяются условия теплообмена с окружающей средой посредством теплопередачи через газовую среду и радиационного теплообмена через нижнюю и верхнюю поверхности зоны и посредством теплопроводности через края зоны с соседними зонами и основанием и начальные условия. 3.Для каждой зоны определяется нестационарное уравнение теплопроводности и затем это уравнение, граничные и начальное условия для зоны модифицируются с помощью прямого преобразования Фурье, чтобы исключить переменную по времени и перейти в частотную область. Трансформируемое уравнение решается в частотной области методом собственных функций. 4.Используя условия сопряжения между каждыми соседними зонами, определяются значения весовых коэффициентов в частотной области. 5.Осуществляется обратное преобразование Фурье. Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 4

II. Метод моделирования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 5 1. Разделение структуры микросенсора на зоны ;

II. Метод моделирования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 6 2. Определение условий теплообмена для каждой зоны

II. Метод моделирования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 7 где 3. Нестационарное уравнение теплопроводности и его решения для каждой зоны:

II. Метод моделирования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 8 где

II. Метод моделирования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 9 где

II. Метод моделирования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского Определение значений весовых коэффициентов:

II. Метод моделирования 5. Обратное преобразование Фурье Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 1

III. Примеры использования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 1212 Мембранный теплофизический микросенсор: (а) структура; (б) деление области моделирования на зоны.

III. Примеры использования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 1313 Теплофизический микросенсор: (а) консольная структура; (б) мостовая структура; (в) деление области моделирования на зоны.

III. Примеры использования Зависимости модуля и аргумента комплексной частотной характеристики микроэлектронных приемников излучения c (1) консольной, (2) мостовой и (3) мембранной термически изолированными структурами. Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 1414

III. Примеры использования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 1515 Временные зависимости входного воздействия (пунктирная линия) и температуры перегрева горячих спаев термопар (сплошная линия) теплового приемника излучения с консольной термически изолированной структурой при импульсном входном воздействии: а) t i =0,025 с, t p =0,1 с; б) t i =0,025 с, t p =0,05 с.

III. Примеры использования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 1616 (a) Рис. 1. Многофункциональный теплофизический микросенсор в корпусе ТО-8 (a) и его структура (б). (б)(б) 1. A. G. Kozlov, D. Randjelović, Z. Djurić. Analytical modeling of transient processes in thermal microsensors / // 12 th International Conference on thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems. EuroSimE 2011: Proceedings. – Linz, Austria, – P. 1–7.

III. Примеры использования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 1717 Рис. 2. Многофункциональный теплофизический микросенсор: (a) структура; (б) разделение области моделирования на зоны.

III. Примеры использования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 1818 Нормализованный модуль и аргумент частотной характеристики многофункционального теплофизического микросенсора: (1) d Si =0 мкм; (2) d Si =1 мкм; (3) d Si =20 мкм.

III. Примеры использования Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 1919 Отклик теплофизического микросенсора на входной импульсный сигнал: (1) d n-Si =0 мкм; (2) d n-Si =1 мкм. Зависимость тепловой постоянной времени теплофизического микросенсора от толщины остаточного n-Si.

IV. Заключение 1.Предложен метод моделирования нестационарного распределения температуры в теплофизических микросенсорах с консольной, мостовой и мембранной термически изолированными структурами. 2.На основании данных моделей проведено определение частотной характеристики тепловых приемников излучения на консольной, мостовой и мембранной термически изолированных структурах. Показано, что тепловые приемники излучения на мембранной термически изолированной структуре имеют наибольшую граничную частоту и, соответственно, наименьшую тепловую постоянную времени. Установлено, что аргумент частотной характеристики при больших частотах становится меньше 90º. 3.Определены временные зависимости температуры горячих спаев термопар тепловых приемников излучения при импульсных воздействиях. Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 20

Спасибо за внимание Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского 21