热电薄膜型气体流量传感器的热模拟分析

利用有限元分析工具ANSYS/ FLOTRAN , 模拟并分析了一个基于薄膜结构的热电型气体流量传感器的温度场。并具体地分析了在气体流量通道入口处气体的流向角度对传感器输出信号以及气体流动状态的影响。将最终的模拟计算结果与实验数据进行比较,发现二者基本吻合。利用此热学模型来模拟和分析此类传感器,不但可以减少大量的模拟分析过程而且可以降低计算的复杂度,另外也为此类传感器的设计和验证提供了一个非常简单而有效的方法和依据。
流量传感器在现代社会中的应用已愈加广泛,它对于工农业生产、气象和医学以及日常生活等都具有很重要的意义。流量传感器的工作原理大致可以分为动量型和传输型。硅热流量传感器属于热式传输型。相对于其它流量传感器而言,硅热流量传感器具有许多明显的优点[1 ] 。它的主要工作原理是依靠被加热的传感器与流体间的对流换热现象。当有流体经过被加热的传感器时,传感器的温度分布将会随流体的流动状态的变化而改变。其温度分布可以利用热敏感元件(如热敏电阻器、二极管或者热电偶等) 来实现测量。按其具体的工作原理,可以将热流量传感器分为三类:热损耗型、热温差型和热收稿日期:2002 - 01 - 28脉冲型。其中热温差型流量传感器的应用则最为广泛。在此类传感器中由热电堆(由热电偶串联而组成) 所构成的热敏感元件则最为常见。此类传感器以其易于集成、尺寸小、价格低和响应时间快等显著优点而倍受青睐。近几年来,在国外(主要有瑞士、荷兰和美国等) 有一些科学家正致力于此方面的研究,其中对于基于薄膜结构的热电型气体流量传感器(主要是利用CMOS MEMS[2 ]技术来制作) 的研究则最为活跃。另外也有一些国外的科学家正致力于此类传感器的计算机模拟和分析[3 ,4 ] ,但是由于模型建立的复杂性以及计算上的难度,从而使此类传感器的模拟分析成为制约其进一步发展的一个障碍。