автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование работы первичных нитевидных терморезистивных преобразователей и разработка на их основе регулятора малых расходов газа

На правах рукописи

ФОМИЧЁВ МАТВЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПЕРВИЧНЫХ НИТЕВИДНЫХ ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И РАЗРАБОТКА НА ИХ ОСНОВЕ РЕГУЛЯТОРА МАЛЫХ РАСХОДОВ ГАЗА

Специальность 05 11 13 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00317Т57Э

Москва - 2007

003177579

Работа выполнена на кафедре Технической механики Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Тимофеев Владимир Николаевич

Официальные оппоненты. доктор химических наук, профессор

Кольцов Владимир Борисович

кандидат технических наук Собакин Константин Михайлович

Ведущая организация ОАО "НИИТМ"

Защита состоится "_" _ 2007 г на заседании

диссертационного совета Д212 134 04 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу 124498, Москва, К-498, МИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " & " X/_2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор /" А И Погалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Динамичное развитие малоразмерных аппаратов и устройств нового поколения обусловило возрастающую потребность в микромеханических сенсорах и микроэлектромеханических системах

Проблема точного дозирования исходных газовых реагентов высокой степени чистоты, контроля и детектирования газов при работе комплексных систем существует в новых технологических процессах микроэлектроники, химии, фармакологии, биохимии, медицины, в системах охраны окружающей среды и др областях промышленности

Использование различных физических эффектов в качестве основы для реализации процесса измерения определяет разнообразие конструкций расходомеров, их размеров, используемых материалов и, в конечном итоге, их стоимость Совершенствование первичных преобразователей, как неотъемлемой части регуляторов расхода газов (РРГ) ведется с целью повышения надежности и точности контроля газового потока, особенно при малых расходах газа

Рост требований к этим характеристикам, а также повышение экономической эффективность контрольно-измерительной техники, в наибольшей степени удовлетворяется приборами с теплообменными преобразователями Однако конструктивные решения при проектировании новых систем часто базируются на эмпирических зависимостях и сдерживаются отсутствием данных расчетных моделей В настоящий момент признается, что работы в области физического дизайна, подбора материалов для производства первичных преобразователей требуют широкого компьютерного моделирования динамики газового потока, анализа напряженно-деформированного состояния и электрофизических параметров терморезисторов

Для понимания функционирования и предсказания технических характеристик микросистем требуется всестороннее моделирование поведения как отдельных материалов и деталей, так и узлов и конструкций в целом

Учет масштабных факторов и групповых микроэлектронных технологий изготовления чувствительных элементов, расширение областей применения микромеханических систем выдвигают новые проблемы конструкторско-технологического характера К ним относятся выбор расчетных схем и расчетных моделей, наиболее полно учитывающих факторы, которые влияют на технические характеристики микромеханических систем, оптимизация параметров конструкций, обеспечивающих требуемые динамические характеристики чувствительных элементов, подбор и создание материалов с необходимыми физико-механическими характеристиками, поиск способов уменьшения влияния напряженно-деформированного состояния конструкций, а также технологических, температурных и иных факторов на точность и стабильность характеристик микромеханических систем, выбор электронных элементов с минимальным уровнем собственных шумов и др Решение указанных проблем открывает пути к существенному улучшению достигнутых технических характеристик микромеханических изделий, а, следовательно, и к расширению сферы их применения

Цель работы - Определение основных закономерностей работы первичных нитевидных преобразователей в виде терморезистивных элементов и разработка дозатора малых расходов газа

В работе решаются следующие задачи

1 Расчёт напряженно-деформированного состояния и собственной частоты колебаний свободной нити терморезистора в газовом потоке

2 Расчет термонапряжений и изменения сопротивления в нитевидном терморезисторе на подложке

3 Компьютерное моделирование газодинамики и теплообмена в тепловых газовых расходомерах

4 Газодинамический расчет течения газов в канале и в камере теплообмена

5 Исследование работы первичных преобразователей в виде терморезистивных элементов и полупроводникового микрочипа

6 Разработка регулятора расхода газа с нитевидным полупроводниковым первичным преобразователем

Научная новизна работы состоит в следующем-

1 Исследовано напряженно-деформированного состояние нити, оценена ее собственная частота и вклад терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора

2 Проведен анализ изменения сопротивления терморезисторов на подложке за счет терморезистивного и тензорезистивного эффектов

3 Методом компьютерного моделирования исследованы газодинамика и теплообмен в тепловых газовых расходомерах для двух различных конструкций микрочипов с точечным источником нагрева и нитевидным нагревателем

4 Впервые методом компьютерного моделирования исследован характер распределения тепловых полей и переноса тепла между чувствительными элементами чипов в камере теплообмена, оценены температуры тепловых источников и профили распределения температур

Практическая значимость

1 Предложен метод расчета напряженно-деформированного состояния нити и оценки ее собственной частоты и вклада терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора

2 Проведен анализ газодинамических параметров потока в первичных преобразователях различной конструкции Установлено распределение температуры в потоке, аномальность течения газа в конструкциях с коническим углублением

3 Предложены методики расчета параметров чипа для новой конструкции расходомера

4 Разработана конструкторская документация и изготовлен прибор газового расходомера с чипом оптимальной конструкции

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы

- анализ напряженно-деформированного состояния нити, оценка ее собственной частоты и вклад терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора,

- метод расчета термонапряжений и собственной частоты кремниевого нитевидного терморезистора,

- метод расчета термонапряжений и изменения сопротивления в нитевидном терморезисторе на подложке,

- метод расчета термомеханической устойчивости,

- результаты компьютерного моделирования газодинамики и теплообмена в газовых расходомерах,

- результаты газодинамического расчета течения газов в канале и в камере теплообмена,

- результаты исследования работы первичных преобразователей на основе терморезистивных элементов и полупроводникового микрочипа

Личный вклад соискателя. Автору принадлежит анализ современного состояния и формулирование задач в области совершенствования тепловых первичных преобразователей газовых расходомеров, выполнение экспериментов, расчетов, систематизация и анализ результатов Автором был осуществлен комплекс работ по компьютерному моделированию газодинамики и теплообмена в тепловых газовых расходомерах, проведен анализ и обобщение полученных результатов, сделаны выводы и рекомендации для создания оптимальных конструкций газовых расходомеров

Основной объем исследований и разработок, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с С В Сажневым, которому автор благодарен за тесное и плодотворное научное сотрудничество

Внедрение и использование результатов. Результаты исследований были использованы в ЗАО «Элточприбор» при разработке быстродействующего прецизионного газового дозатора РРГ-300 Прибор опробован и внедрен в системах контроля газовых потоков на предприятиях НПФ "Крио-практик", ООО "Микросенсорная техника", что отражено в актах о внедрении

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждались на

У-ой Международной конференции «Электроника и информатика» (Москва, МИЭТ, 2005 г), на ежегодных Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электроника и информатика» (Москва, МИЭТ, 2004 - 2005 г г), на 12-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2006 г )

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 тезисов докладов, 5 статей. Материалы диссертации отражены в 2 научно-технических отчетах

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, где изложена сущность и актуальность проблемы, 4 разделов, выводов и приложений

Диссертация изложена на 182 страницах, из которых 170 составляет основной текст работы, включая 96 рисунков и 11 таблиц

Список литературы содержит 125 источников, включая 5 работ с участием автора

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы Определены проблемы первичных

преобразователей на основе терморезистивных элементов и полупроводникового микрочипа в регуляторах расхода газа

В первом разделе дан обзор по разработке и применению первичных преобразователей в тепловых расходомерах различной конструкции Показано, что разработанные и используемые расходомеры различаются способом нагрева, расположением нагревателя (снаружи или внутри трубопровода) и характером функциональной зависимости между расходом и измеряемым сигналом Представлена классификация основных групп тепловых неконтактных расходомеров

«Байпас-технология» является стандартом сенсорной технологии в разработках РРГ Характерной особенностью этой технологии является изоляция первичного преобразователя от измеряемого потока Это достигается расположением нагревателя и терморезисторов на внешней стороне капиллярной сенсорной трубки, через которую проходит определенная часть потока Измерение потока основывается на принципе передачи тепла Два резистивных детектора температуры, намотанных вокруг трубы преобразователя, направляют постоянное количество теплоты в газовый поток Теплопередача между этими элементами определяется взаимодействием с молекулами протекающего газа, независимого от давления или температурных колебаний Усовершенствование этой технологии было направлено на преодоление турбулентности потока Недостатком конструкции с байпасом является чувствительность капиллярной трубки к накоплению загрязнений, что в итоге может привести к отклонению от калибровки и забивке, а также ее значительная термомасса Одним из путей решения проблем является использование полупроводниковых элементов Миниатюризация первичного преобразователя позволила повысить скорость срабатывания прибора и повысить точность дозирования, особенно при малых расходах, снизить их цену, используя поточные технологические приемы

Появление новых измерительных устройств поставило новые задачи в области воспроизводимости их параметров и надежности, при снижении потребляемой мощности, что связано как с технологическими методами и приемами, так и с материалами, используемыми при их создании

Используемые в конструкциях сенсоров материалы должны быть совместимы между собой, стойки к окислителям, обладать термо-электро-стойкостью и механической прочностью Их совокупность совместно с конструктивными особенностями датчика должна гарантировать чистоту измеряемого потока

При конструкции первичных преобразователей ключевая роль отводится сокращению теплопотерь от нагревателя к корпусу В сенсорах на основе кремния с этой целью традиционно используются три структуры cantilever (консоль), мембрана, получаемая боковым травлением и мостики или мембраны, сформированные прямым травлением Соотношение геометрических размеров указанных конструктивных элементов и нагревателя, а также конструкция полости (или ее отсутствие), играют решающую роль в сокращении теплопотерь и повышении, таким образом, чувствительности сенсора, улучшении его быстродействия

Для предсказания поведения и прогнозирования технических характеристик Микроэлектромеханических (МЭМС) сенсоров и приборов на их основе, а также для расширения теоретической базы для обоснования уже созданных измерительных систем, используют методы численного моделирования Основной проблемой, с которой сталкиваются при моделировании, является сложность системы, которая вынуждает принимать ряд упрощений для сокращения шагов, что приводит к расхождению результатов модели с реальным экспериментом Кроме этого, в условиях моделирования используются данные по характеристикам материалов в их «твердой» форме, а не в тонкой пленке, что также отрицательно сказывается на результатах моделирования

В России комплексные исследования работы нитевидных первичных преобразователей в виде терморезистивных элементов и полупроводниковых микрочипов в регуляторах расхода газа с использованием компьютерного моделирования в литературе практически отсутствуют

В связи с необходимостью разработки отечественного оборудования для прецизионного измерения газовых потоков актуальность исследования газодинамических и теплофизических процессов, а, следовательно, и разработка расходомера, очевидна

Во втором разделе приведены физико-механические характеристики нитевидных первичных преобразователей в газовых расходомерах, расчет напряженно-деформированного состояния и собственной частоты колебаний свободной нити терморезистора в газовом потоке, а также расчет термонапряжений и изменение сопротивления в нитевидных терморезисторах на подложке

На свободную, закрепленную на опорах нить (терморезистор), находящуюся в газовом потоке действует распределенная нагрузка от давления газа, движущегося со скоростью и Напряженное состояние нити определяется ее прогибом, тем больше, чем выше скорость газового потока

Относительное изменение сопротивления терморезистора будет соответствовать упругой деформации, определяющей тензорезистивный эффект, и тепловому нагружению, определяющему терморезистивный эффект

Частота колебаний нити, обусловленная действием внешнего источника, при равенстве собственной частоте колебаний нити может привести к резонансу системы, что вызовет колебания нити с большой амплитудой, а, следовательно, и к появлению ложного знакопеременного сигнала на преобразователе, а в ряде случаев и к разрушению

Учитывая выше изложенное, было проанализировано напряженно-деформированное состояние нити, оценена ее собственная частота и вклад терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора

Собственная линейная частота системы определится из уравнения

2л 2л V т

где т - масса балки (терморезистора), ю0 - круговая частота, К - жесткость подвеса

Расчетное уравнение для максимального напряжения в балке имеет вид

<^=^1 = 1,25 4 (2)

"" 24 Ыг ЬИ К '

При симметричном течении лобовое сопротивление на терморезисторе

равно

ЬС, 5 р (3)

где и - скорость течения газового потока, 5 - площадь миделевого сечения,

т е площадь проекции нити на плоскость, перпендикулярную вектору

скорости, Сх - коэффициент лобового сопротивления

Погонная нагрузка (д) на длину нити равна отношению Р к длине, т е

Р и2

<7 = у = С, 1 А р (4)

где И - высота сечения нити, р - плотность газа

В табл 1 и 2 представлены результаты расчета динамических характеристик кремниевого нитевидного терморезистора сечением 10x10 мкм и 2x2 мкм соответственно в потоке воздуха

Таблица 1

Динамические характеристики нитевидного терморезистора сечением 10x10 мкм в потоке воздуха

? 103,Н/м 0,026 0,16 0,31 0,64

и, мм/с 2000 5000 7000 10000

о™ Ю3, МПа 2,93 18,6 34,8 72,0

/.кГц 160

Таблица 2

Динамические характеристики нитевидного терморезистора сечением 2x2 мкм в потоке воздуха

q 103, Н/м 0,0052 0,032 0,062 0,128

U, мм/с 2000 5000 7000 10000

<*«, ю3, МПа 0,073 0,45 0,87 1,79

/, кГц 28,6

Из анализа результатов расчета следует, что уровень напряжения в терморезисторе от действия газового потока незначительный и даже при наличии концентраторов напряжения в теле терморезистора ими можно пренебречь

Собственная частота терморезистора велика, что исключает вероятность резонанса в приборе при действии внешних источников колебаний

В табл 3 приведены расчетные значения термонапряжений в пленочных терморезисторах (стт), а также изменения сопротивления тензорезисторов от тензорезистивного эффекта (ТНР) и от терморезистивного эффекта (ТРР) Рассмотрены наиболее применяемые сочетания материалов терморезисторов и подложки, используемые в приборах микросистемной техники Для сравнения величин температура

ДТ принималась равной 50 и 100 °С Величина соответствует

регистрируемому изменению сопротивления, включающему влияние ТНР и ТРР

Таблица 3

Расчетные значения термонапряжений и изменения сопротивления терморезистора

Материал тензорезистор-- подложка - Б^х Р1 - Б^х N1 - Б^х - Пл Аи-Пл

ДТ,°С 50 100 50 100 50 100 50 100 50 100

стт, МПа 1,7 3,1 48,4 96,9 101,8 203,7 -21,3 42,5 32 64

ТНР—,% Я од 0,2 2,8 5,7 4,8 9,7 1,2 2,5 5,3 10,7

ТРР —,% Я 6,5 13 20 39 17 35 6,5 13 18 36

^ /г 6,6 13,2 22,8 44,7 21,8 42,7 7,7 15,5 23,3 14,3

Из анализа приведенных результатов в таблице 3 следуют два основных требования к конструкции микропреобразователей

- разница между КЛТР для тензорезистора и подложки должна быть минимальной,

- температура тензорезистора, а, следовательно, и расстояние его до нагревателя должны выбираться из условия <тт«<тв, где ав - предел прочности материала

В третьем разделе приведены результаты компьютерного моделирования газодинамики и теплообмена в тепловых газовых расходомерах. Описаны программы и выбор расчетных моделей Представленные модели были построены и рассчитаны по размерам существующих экспериментальных расходомеров

При решении поставленных задач использовался метод конечных элементов, так как с его помощью можно в сравнительно короткие сроки оценить характеристики разных вариантов конструкций и выбрать

наилучший Перед проведением расчетов были построены расчетные сетки с использованием тетрагональных конечных элементов, включающие более 10б элементов Моделирование тепловыделения проводилось как путем задания удельной объемной плотности внутренних источников теплоты, так и путем задания поверхностной плотности теплового потока Теплофизические свойства всех веществ принимались постоянными Коэффициенты теплоотдачи на тепловыделяющих поверхностях не задавались, так как во всех расчетах решалась задача сопряженного теплообмена

Течение сухого воздуха моделировалось с использованием различных моделей вязкости (ламинарная модель, k-Е и к-со модели турбулентности) Полученные результаты показывают, что для учета «тонких» деталей течения предпочтительной является k-ю модель турбулентности

Для расчета течения была создана расчетная сетка, которая генерируется на основе геометрической конфигурации Так как расчету подлежала сопряженная задача газодинамики, конвективного теплообмена и теплопроводности в твердом теле, то в состав расчетной области необходимо было включить как область течения, так и твердые тела Расчетная область течения представляла собой канал байпаса и камеру теплообмена Модель расчетной области представлена на рис 1

Для выявления общих характеристик течения и теплообмена был проведен предварительный расчет в программе Fluent

В обсуждаемом расчете использовалась программа-генератор сеток -Gambit Модель, выполненная в Solid Works, была экспортирована в Gambit и разбита на сетку Поверхности, принадлежащие нитям и микроплощадкам, а также примыкающие к ним поверхности, были разбиты на ячейки Размер ячеек составлял 0,01мм Остальные поверхности разбиты ячейками того же типа, но большего размера - 0,1 мм После построения поверхностных сеток было произведено объемное разбиение В качестве элементов разбиения были выбраны ячейки Tet/Hybrid типа TGrid

Вытравленная полость

Корпус чипа

Вход воздуха

Кольцевой зазор

Выход воздуха

Выход

а)

датчиков

Камера теплообмена

Коническое углубление

Канал

б)

Рис. 1. Модель расчетной области: а) геометрия расчетной области; б) продольное сечение расчетной области.

Для расчета в программе CFX, входящей в систему ANSYS Workbench, геометрия расчетной области создавалась с помощью встроенных CAD -средств, по своим возможностям в целом аналогичных программе Solid Works 2005

Параметры сетки составили

• Тип элементов — тетрагональный,

• Число элементов - 1849710,

• Минимальный размер элемента, мм - 0,0027306,

• Максимальный размер элемента, мм - 0,03 ;

• Отношение максимального и минимального размеров элемента -11.

Для формулирования тепловых граничных условий при расчете теплового состояния терморезисторов использовалась возможность задания мощности внутренних источников тепловыделения С этой целью весь объем терморезистора разделялся на зоны, причем центральная зона принималась тепловыделяющей

Из анализа геометрии конструкции в камере теплообмена было видно сочетание параллелограммов и цилиндров, наличие острых кромок apriori свидетельствующих о том, что течение в такой конфигурации будет отличаться зонами отрыва потока, которые и были обнаружены при анализе полученных результатов

При моделировании газодинамики и теплообмена рассматривались две различные конструкции преобразователей (микрочипов) Преобразователь №1 был изготовлен по отечественной разработке в институте Физпроблем по стандартной МЭМС-технологии с использованием литографии и травления по определенным заказчиком требованиям Нагреватель и терморезисторы выполнены из платины и расположены на 4-х - слойной мембране (Si3N4/Si02/Si3N4/Si02), длина активной части нити терморезистивного элемента 1,6 мм, ширина 19 мкм, толщина 0,25 мкм, размеры мембраны 1,6 х 1,6 мм, толщина 2 мкм, размеры кристалла 3,5 х 3,5 мм

Преобразователь №2 представляет собой кремниевый сенсор отечественной разработки с двумя нагревателями, которые выполняют функцию терморезисторов, расположенных над воздушной полостью Материал чипа — монокремний, также рамки и нити (резисторы) Размеры кристалла- общие 4x4 мм, вытравленной полости 2,5x2,5 мм, нити 20x20 мкм, расширения на нитях ~ 100x100 мкм или 100x80 мкм (легированы фосфором или сурьмой), толщина кристалла (рамки) 300 мкм

Результаты моделирования течения газа в канале аналогичны для двух

чипов

Течение газа в теплообменной камере имело свои особенности для каждой конструкции и представлено на рис 2

Для преобразователя № 2 неравномерный характер течения потока газа в теплообменной камере подтверждается результатами расчета в программе Fluent, из которого видно, что скорость потока газа падает с 8,11 м/с в канале до 1,1 — 2,26 м/с в камере теплообмена Чувствительные элементы при этом не попадают в эту зону Видны зоны застоя в нижней части конической впадины под чипом, в вытравленной полости в корпусе чипа над чувствительными элементами, а также до и после корпуса микрочипа по ходу движения газа Скорость потока газа в этих зонах 0,73 м/с. Наличие отрицательных скоростей (-1,24 м/с, в вытравленной полости корпуса чипа) свидетельствует о существовании зон рециркуляционного, возвратного течения в камере теплообмена

Конфигурация чипа № 1 характеризуется более равномерным пространственным полем скорости Вихревые токи воздуха возникают только в коническом углублении Поверхность чипа, на которой размещены терморезисторы, обтекается пограничным слоем

Расчеты, проведенные двумя различными программами моделирования, показывают сходимость результатов Максимальная скорость течения потока газа наблюдается на входе в камеру теплообмена и равна согласно расчетам в Ansys CFX - 7,99 м/с и 7,90 м/с во Fluent

б)

Рис.2. Векторное поле скоростей в камере теплообмена: а - для микрочипа № 2; б - для микрочипа № 1.

Анализ результатов показал, что существование конического углубления под корпусом обоих микрочипов вызывает нехарактерное течение и распределение скоростей в области расположения чувствительных терморезисторов микрочипов, а также является одной из зон застоя и возвратных течений, отрицательно влияющих на показания прибора

С целью оценки характера течения газа в теплообменной камере без конического углубления в программе Fluent были построены модели теплообменной камеры для двух вариантов микрочипов, в которых коническая впадина отсутствует

Данная конструкция, как и предполагалось, характеризовалась более равномерным распределением поля скоростей в камере теплообмена, для обоих вариантов микрочипов Увеличились скорости течения потока в области расположения микрочипов, 2,36 - 2,84 м/с для первого и 3,28 - 3,70 м/с для второго, а в центральной части канала до 4,98 м/с Уменьшилось число зон застоя и обратных течений Однако для второго микрочипа, сохранилась зона возвратного течения в вытравленной полости корпуса над терморезисторами Для чипа с мембраной остались только зоны застоя до и после корпуса микрочипа по ходу движения газа, но они не находились в области терморезисторов и существенно не влияли на показания прибора

В целом для обоих чипов вариант конструкции теплообменной камеры без конической впадины можно считать оптимальным

Для получения данных о характере распределения тепловых полей и переносе тепла между чувствительными элементами чипов в камере теплообмена, а также для оценки температур тепловых источников и профилей распределения температур по ним было проведено компьютерное моделирование, как с учетом наличия углубления, так и без него для двух чипов

Разность температур между терморезисторами в области нагрева для чипа № 2 составляла около 15 ° Для чипа № 1 обтекание мембраны характеризовалось профилем скорости, которому соответствует такое

распределение температур, при котором разность температур первого и второго (по направлению течения воздуха) терморезисторов намного больше В четвертом разделе приведены характеристики исследованных микрочипов различной конструкции два преобразователя, данные которых использовались при моделировании (№ 1, № 2), преобразователь фирмы Honeywell (№ 3) и, созданный с учетом результатов моделирования, преобразователь (№ 4)

У преобразователя №3 терморезисторы из платины симметрично расположены относительно нагревателя на мембране В отличие от двух предыдущих сенсоров на самом датчике реализована схема температурной компенсации Чувствительная и нагревающая схемы преобразователя разделены Нагревательный элемент и терморезисторы выполнены из тонкопленочной платины с высоким коэффициентом температурного сопротивления (ТКС), размещенной между двумя слоями пассивирующего нитрида кремния Отверстия вырезались через пассивацию и кремний травился анизотропным травлением из-под нитрида кремния для формирования двух мостов Каждый из мостов включает один терморезистор Vz нагревателя

Преобразователь №4 изготовлен в НИИ Физпроблем Он представляет собой кремниевый кристалл 3,1 х 4 мм с мембраной 756 х 1200 мкм, платиновыми нагревателем R3 и терморезисторами R2, R4, расположенными на мембране, а также с двумя дополнительными терморезисторами Rl, R5 на корпусе микрочипа, предназначенными для температурной компенсации Топология микрочипа и его фотография показаны на рис 3

Были проанализированы быстродействие, чувствительность, линейность, воспроизводимость, сняты градуировочные кривые

В табл 4 представлены результаты по быстродействию испытанных преобразователей и для сравнения данные других приборов

б)

Рис.3, а - Топология микрочипа №4: 1- канал для ломки пластины на кристаллы (размер кристалла - 3,1 х 4 мм), 2 - колодец для формирования мембраны (размер колодца 1356 х 1680 мкм), 3 - диэлектрическая мембрана (размер 756 х 1200 мкм), 4 - окна в защите, 5 - контактные площадки 150 х 150 мкм, промежуток - 100 мкм, 6 - платиновые резисторы (Rl, R2, R3, R4, R5); б - Фотография микрочипа № 4.

Таблица 4

Показания быстродействия для 4-х микрочипов и для классических сенсоров

Преобра- Преобра- Преобра- Преобра- Преобра- Преобра- Преобра-

зователь зователь зователь зователь зователь зователь зователь

№1 №2 №3 №4 РРГ-9 РРГ фирмы РРГ фирмы

на с Honeywel (ЗиаЬЯоху Steck

мембране полостью 1

50 мс 2 мс 4 мс 5 мс 16,63 с 18,88 с 5,22 с

При разработке прибора были сформулированы и учтены основные требования к устройствам регулирования потока

- использовать в качестве основного элемента датчика терморезистивный элемент, позволяющий производить высокоточные измерения, размещенный на микрочипе,

- подбор материалов чувствительного элемента и его малая термомасса, что обеспечивает высокое быстродействие и широкий диапазон измерений, хорошую воспроизводимость,

- оптимальная конструкция канала для газового потока, гарантирующая меньшую относительную зависимость от загрязнения частицами и влажности проходящего газа

Учитывалось влияние элементов конструкции, вступающих в контакт с газовым потоком, на возможность его загрязнения, использована (реализована) газовоздушная схема с отсутствием (минимальным количеством) мертвых зон, в которых возможно застаивание потока В задачу разработчиков также входило создание рабочих поверхностей с минимальным рельефом

При подборе материалов и способе соединения элементов конструкции из этих материалов учитывалась их совместимость с предполагаемыми для контроля реагентами

Внешний вид прибора РРГ-300 представлен на рис.4.

Рис.4. Внешний вид регулятора расхода газа с полупроводниковым преобразователем.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что МЭМС технология является наиболее перспективной для создания дозаторов малых расходов с высоким быстродействием, малым энергопотреблением и высокой надежностью. В конструкциях сенсоров основными задачами являются оптимизация геометрии терморезисторов, сокращение теплопотерь от нагревателя к корпусу первичного преобразователя, оптимизация геометрии камеры теплообмена, подбор и использование материалов элементов прибора, обладающих термоэлектростойкостью и механической прочностью.

2. Показано, что для дозаторов малых расходов газа наиболее перспективно применение в качестве датчика трехнитевидного микропреобразователя на подложке. «Свободные» нитевидные преобразователи не обладают достаточной долговечностью из-за адсорбции на поверхности нити посторонних примесей, изменяющих параметры

терморезисторов Такие преобразователи целесообразно использовать в системах с особо чистым газом

3 Установлено, что изменение сопротивления терморезисторов на подложке определяется тензорезистивным и терморезистивным эффектами, дающими суммарное изменение сопротивления.

Показано, что для уменьшения влияния тензорезистивного эффекта на работу преобразователя необходимо выбирать КЛТР пары материалов тензорезистора и подложки равными или близкими

4 Предлагается методика испытания микростержней (нитей с жесткими заделками) для определения порога пластичности Метод позволяет получить важный в разработке микросистемной техники предел текучести материала нити с учётом масштабного эффекта

5 Установлено, что течение воздуха в канале с байпасом, имеющим коническую впадину, является вихревым с образованием зон рециркуляции В этом случае возможно обтекание чувствительных элементов возвратным током воздуха При течении в канале с байпасом, у которого впадина отсутствует, область зон с возвратным течением практически отсутствует, что создает условия более стабильного обтекания чипа

6 Показано, что для микрочипа с локальным нагревом разность температур между терморезисторами при малых расходах газа составляет ~ 15°С Влияние впадины на распределение температур по терморезисторам незначительное. При больших расходах газа наблюдается перераспределение скоростей в корпусе с впадиной, приводящих к неконтролируемой разности температур между терморезисторами

Установлено, что для микрочипа с мембраной разность температур первого и второго терморезисторов выше без впадины в корпусе

7 Показано, что важным фактором качества работы дозатора является чистота контролируемого газового потока Установлены причины определяющие генерацию частиц в магистралях расходомера, особенно

совместимость материалов элементов прибора с контролируемыми газовыми реагентами

Определен список материалов рекомендуемых для МЭМС расходомеров, обеспечивающих минимум загрязнения газового потока

8 Разработана конструкция расходомера с полупроводниковым нитевидным первичным преобразователем для контроля газового потока

Определены основные метрологические характеристики расходомера -диапазон измеряемых расходов, диапазон рабочих давлений, чувствительность, воспроизводимость, быстродействие

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Материалы диссертационной работы изложены в следующих публикациях

1 Сажнев С В , Фомичев М А, Тимофеев В Н Проблема чистоты газового потока в расходомерах на базе МЭМС - технологии / Оборонный комплекс - научно - техническому прогрессу России, №4

2004, С 68-71

2 Сажнев С В , Фомичев М А , Тимофеев В Н Дозаторы малых расходов газа с полупроводниковыми и микромеханическими элементами / Оборонный комплекс - научно - техническому прогрессу России, №1

2005, С 84-90

3 Фомичев М А Сравнительный анализ полупроводниковых и традиционных сенсоров в регуляторах расхода газа для технологического оборудования / Микроэлектроника и информатика -2005 12-я Всероссийская межвузовская научно - техническая конференция студентов и аспирантов Тезисы докладов. - М МИЭТ, 2005 -С 353

4 Фомичев М А Дозаторы с полупроводниковыми преобразователями и требования к ним / Микроэлектроника и информатика - 2004 11-я

Всероссийская межвузовская научно - техническая конференция студентов и аспирантов Тезисы докладов - М МИЭТ, 2004 - С 342

5 Сажнев С В , Фомичёв М А, Тимофеев В Н Применение нитевидных первичных преобразователей в термоконвективных газовых расходомерах / Нано - и микросистемная техника, №1,2006 - С. 39-40

6 Фомичёв М А., Сажнев С В Нитевидные первичные преобразователи в термоконвективных газовых расходомерах / Электроника и информатика 2005 V Международная научно - техническая конференция Материалы конференции Часть 1 - М МИЭТ, 2005 -С 86

7 Фомичёв М А Влияние конструктивных особенностей полупроводниковых преобразователей на их технические характеристики / Электроника и информатика 2005 V Международная научно - техническая конференция Материалы конференции Часть 1 - М • МИЭТ, 2005 - С 85

8 Сажнев С В , Тимофеев В Н , Фомичёв М А , Миркурбанов X А Физико-механические характеристики нитевидных первичных термопреобразователей в газовых расходометрах Нано- и микросистемная техника, №4,2007 — С 65-69

Подписано в печать

Заказ Тираж экз Уч -изд л Формат 60x84 1/16

Отпечатано в типографии МИЭТ 124498, Москва, МИЭТ

Введение.

1. Состояние проблемы разработки расходомеров на базе микромеханических систем.

1.1. Первичные преобразователи в тепловых расходомерах различной конструкции.

1.1.1. Термоконвективные расходомеры на основе "байпас технологии".

1.2. Тепловые расходомеры с полупроводниковыми элементами.

1.3. Расходомеры на базе микромеханических систем.

1.3.1. Влияние материалов и конструктивных особенностей МЭМС первичных преобразователей в термоконвективных газовых расходомерах на их технические характеристики.

1.3.2. Оценка физико-механических свойств мембран МЭМС сенсоров.

1.4. Моделирование МЭМС сенсоров.

Выводы по разделу 1.

2. Физико-механические характеристики нитевидных первичных преобразователей в газовых расходомерах.

2.1. Классификация термомикросистем.

2.2. Исследование напряженно-деформированного состояния и собственной частоты колебаний свободной нити терморезистора в газовом потоке.

2.2.1. Анализ напряженно-деформированного состояния.

2.2.2. Расчёта термонапряжений и собственной частоты кремниевого нитевидного терморезистора.

2.3. Расчёт термонапряжений и изменения сопротивления в нитевидном терморезисторе на подложке.

2.4. Термомеханическая устойчивость нитевидных преобразователей в микроэлектромеханических системах.

Выводы по разделу 2.

3. Компьютерное моделирование газодинамики и теплообмена в газовых расходомерах с нитевидными преобразователями.

3.1. Описание программ и выбор расчётных моделей.

3.1.1. Программы моделирования, цель их применения.

3.1.2. Выбор моделей теплового расходомера (с локальным нагревом, с проволочным, размеры терморезисторов, расположение их в чипе).

3.2. Газодинамический расчёт течения газов в канале и в камере теплообмена.

3.2.1. Течение газа в канале.

3.2.2. Течение газа в теплообменной камере.

3.3. Температура газа в теплообменной камере.

3.3.1. Термодинамические характеристики микрочипа с точечным источником нагрева.

3.3.2. Температура газа в теплообменной камере для чипа с терморезисторами на мембране.

Выводы по разделу 3.

4. Разработка расходомера с нитевидными преобразователями для малых расходов газа.

4.1. Аспекты чистоты при разработке расходомеров на базе МЭМС технологии.

4.2. Конструкция и материалы первичных преобразователей.

4.3. Основные характеристики преобразователей.

4.3.1. Быстродействие.

4.3.2. Градуировочные кривые.

4.3.3. Линейность.

4.3.4. Чувствительность.

4.3.5. Воспроизводимость.

4.3.6. Термокомпенсация.

4.4. Конструкция регулятора расхода газа с полупроводниковым первичным преобразователем.

4.4.1.Требования к прибору.

4.4.2. Описание прибора.

4.4.3. Устройство и работа регулятора.

Возрастающая потребность в микромеханических сенсорах и микро -электромеханических системах обусловлена динамичным развитием малоразмерных аппаратов и устройств нового поколения [1-3]. Эта тенденция определяет динамику мирового рынка изделий МСТ (микросистемной техники).

Проблема точного дозирования исходных газовых реагентов высокой степени чистоты, контроля и детектирования газов при работе комплексных систем существует в новых технологических процессах микроэлектроники, химии, фармакологии, биохимии, медицины, в системах охраны окружающей среды и др. областях промышленности.

В области техники измерения расходов применяются более двух десятков различных методов, в которых используются разнообразные физические эффекты. Каждый метод может иметь несколько вариантов реализации, что обусловлено существованием широкого диапазона расходов, которые необходимо измерять (от больших - свыше 1000 л/ч до сверхмалых - менее 1 л/ч).

Использование различных физических эффектов в качестве основы для реализации процесса измерения обусловливает разнообразие конструкций расходомеров, их размеров, материалов и, в конечном итоге, их стоимость [4-7]. Совершенствование первичных преобразователей, как неотъемлемой части регуляторов расхода газов (РРГ) ведется с целью повышения надежности и точности контроля газового потока. Возрастающие требования к этим характеристикам, а также к экономической эффективности устройств контрольно-измерительной техники, в наибольшей степени удовлетворяется теплообменными измерительными преобразователями [8].

Конструктивные решения при проектировании новых систем часто базируются на эмпирических зависимостях и сдерживаются отсутствием данных расчетных моделей. В настоящий момент признается, что работы в области физического дизайна, подбора материалов для производства первичных преобразователей требуют широкого компьютерного моделирования динамики потока, анализа параметров напряженно -деформированного состояния и изменения электрофизических параметров терморезисторов. Для понимания функционирования и предсказания технических характеристик микросистем необходимо всестороннее моделирование поведения как отдельных материалов и деталей, так и узлов и конструкций в целом [2,9].

Актуальность проблемы Учет факторов масштабирования и групповых микроэлектронных технологий изготовления чувствительных элементов, расширение областей применения микромеханических систем выдвигают новые проблемы конструкторско-технологического характера. К ним относятся: выбор расчетных схем и моделей, наиболее полно учитывающих факторы, влияющие на технические характеристики микромеханических систем, оптимизация параметров конструкций, обеспечивающих требуемые динамические характеристики чувствительных элементов; подбор и создание материалов, поиск способов уменьшения влияния напряженно-деформированного состояния конструкций, технологических, температурных и иных факторов на точность и стабильность характеристик микромеханических систем; выбор электронных элементов с минимальным уровнем собственных шумов и др. Решение указанных проблем ведет к существенному улучшению технических характеристик микромеханических изделий и расширению сферы их применения.

Цель работы - Определение основных закономерностей работы первичных нитевидных преобразователей в виде терморезистивных элементов и разработка дозатора малых расходов газа.

В работе решаются следующие задачи:

1. Расчёт напряженно-деформированного состояния и собственной частоты колебаний свободной нити терморезистора в газовом потоке.

2. Расчёт термонапряжений и изменения сопротивления в нитевидном терморезисторе на подложке.

3. Компьютерное моделирование газодинамики и теплообмена в тепловых газовых расходомерах.

4. Газодинамический расчёт течения газов в канале и в камере теплообмена.

5. Исследование работы первичных преобразователей в виде терморезистивных элементов и полупроводникового микрочипа.

6. Разработка регулятора расхода газа с нитевидным полупроводниковым первичным преобразователем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Исследовано напряженно-деформированного состояние нити, оценена ее собственная частота и вклад терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора.

2. Проведен анализ изменения сопротивления терморезисторов на подложке за счёт терморезистивного и тензорезистивного эффектов.

3. Методом компьютерного моделирования исследованы газодинамика и теплообмен в тепловых газовых расходомерах для двух различных конструкций микрочипов с точечным источником нагрева и нитевидным нагревателем.

4. Впервые методом компьютерного моделирования исследован характер распределения тепловых полей и переноса тепла между чувствительными элементами чипов в камере теплообмена, оценены температуры тепловых источников и профили распределения температур.

Практическая значимость

1. Предложен метод расчета напряженно-деформированного состояния нити и оценки ее собственной частоты и вклада терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора.

2. Проведен анализ газодинамических параметров потока в первичных преобразователях различной конструкции. Установлено распределение температуры в потоке, аномальность течения газа в конструкциях с коническим углублением.

3. Предложены методики расчёта параметров чипа для новой конструкции расходомера

4. Разработана конструкторская документация и изготовлен прибор газового расходомера с чипом оптимальной конструкции.

Личный вклад соискателя

Автору принадлежит анализ современного состояния и формулирование задач в области совершенствования тепловых первичных преобразователей газовых расходомеров; выполнение экспериментов, расчетов; систематизация и анализ результатов. Автором был осуществлен комплекс работ по компьютерному моделированию газодинамики и теплообмена в тепловых газовых расходомерах, проведен анализ и обобщение полученных результатов, сделаны выводы и рекомендации для создания оптимальных конструкций газовых расходомеров.

Основной объем исследований и разработок, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с С. В. Сажневым, которому автор благодарен за тесное и плодотворное научное сотрудничество.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:

- анализ напряженно-деформированного состояние нити, оценка ее собственной частоты и вклада терморезистивного эффекта в общий сигнал терморезистора

- метод расчёта термонапряжений и собственной частоты кремниевого нитевидного терморезистора,

- метод расчета термонапряжений и изменения сопротивления в нитевидном терморезисторе на подложке

- результаты компьютерного моделирования газодинамики и теплообмена в тепловых газовых расходомерах

- результаты газодинамического расчёта течения газов в канале и в камере теплообмена

- результаты исследования работы первичных преобразователей на основе терморезистивных элементов и полупроводникового микрочипа.

Внедрение и использование результатов

Результаты исследований были использованы в ЗАО «Элточприбор» при разработке быстродействующего прецизионного газового дозатора РРГ-300. Прибор опробован и внедрен в системах контроля газовых потоков на предприятиях НПФ "Крио-практик", ООО "Микросенсорная техника", что отражено в актах о внедрении.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на V-ой Международной конференции «Электроника и информатика» (Москва, МИЭТ, 2005 г.), на ежегодных Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электроника и информатика» (Москва, МИЭТ, 2004 - 2005 г.г.), на 12-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2006 г.)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 4 тезисов докладов, 5 статей. Материалы диссертации отражены в 2 научно-технических отчетах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, где изложена сущность и

Общие выводы.

1. Показано, что МЭМС технология является наиболее перспективной для создания дозаторов малых расходов с высоким быстродействием, малым энергопотреблением и высокой надежностью. В конструкциях сенсоров основными задачами являются оптимизация геометрии терморезисторов, сокращение теплопотерь от нагревателя к корпусу первичного преобразователя, оптимизация геометрии камеры теплообмена, подбор и использование материалов элементов прибора, обладающих термоэлектростойкостью и механической прочностью.

2. Показано, что для дозаторов малых расходов газа наиболее перспективно применение в качестве датчика трехнитевидного микропреобразователя на подложке. «Свободные» нитевидные преобразователи не обладают достаточной долговечностью из-за адсорбции на поверхности нити посторонних примесей, изменяющих параметры терморезисторов. Такие преобразователи целесообразно использовать в системах с особо чистым газом.

3. Установлено, что изменение сопротивления терморезисторов на подложке определяется тензорезистивным и терморезистивным эффектами, дающими суммарное изменение сопротивления.

Показано, что для уменьшения влияния тензорезистивного эффекта на работу преобразователя необходимо выбирать KJITP пары материалов тензорезистора и подложки равными или близкими.

4. Предлагается методика испытания микростержней (нитей с жесткими заделками) для определения порога пластичности. Метод позволяет получить важный в разработке микросистемной техники предел текучести материала нити с учётом масштабного эффекта.

5. Установлено, что течение воздуха в канале с байпасом, имеющим коническую впадину, является вихревым с образованием зон рециркуляции. В этом случае возможно обтекание чувствительных элементов возвратным током воздуха. При течении в канале с байпасом, у которого впадина отсутствует, область зон с возвратным течением практически отсутствует, что создает условия более стабильного обтекания чипа.

6. Показано, что для микрочипа с локальным нагревом разность температур между терморезисторами при малых расходах газа составляет ~ 15°С. Влияние впадины на распределение температур по терморезисторам незначительное. При больших расходах газа наблюдается перераспределение скоростей в корпусе с впадиной, приводящих к неконтролируемой разности температур между терморезисторами.

Установлено, что для микрочипа с мембраной разность температур первого и второго терморезисторов выше без впадины в корпусе.

Пространственное обтекание терморезисторов более эффективно с точки зрения теплоотвода по сравнению с обтеканием поверхности.

7. Показано, что важным фактором качества работы дозатора является чистота контролируемого газового потока. Установлены причины определяющие генерацию частиц в магистралях расходомера, особенно совместимость материалов элементов прибора с контролируемыми газовыми реагентами.

Определен список материалов рекомендуемых для МЭМС расходомеров, обеспечивающих минимум загрязнения газового потока.

8. Разработана конструкция расходомера с полупроводниковым нитевидным первичным преобразователем для контроля газового потока.

Определены основные метрологические характеристики расходомера - диапазон измеряемых расходов, диапазон рабочих давлений, чувствительность, воспроизводимость, быстродействие.

1. Соколов J1.B. Анализ возрастающих потребностей в микромеханических сенсорах и МЕМС/ Датчики и системы. №6. 2005.-С.41-43.

2. R.W. Gehman, M.G. Murray, J.W. Speldrich. Reduced Package Size for Medical Flow Sensor/ Honeywell Freeport, IL 61032. IMAPS Technical Symposium. May 3. 2000.- pp. 1-5.

3. Market Analysis for Microsystems 2000-2005: A Report from the NEXUS Task Force/MST news № 2/02.2002,- pp. 43-44.

4. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества./Справочник/JT.: Машиностроение, 1989. 700с.

5. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества / Справочник: Кн. 1 / СП: Политехника. 2002. 409 с.

6. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем. Т.2./ М.:Мир. 1992.- 420 с.

7. Попов С.Г. Измерение воздушных потоков /М.-Л.: ГИТТл, 1977.- 296 с.

8. Olin J. The evolution of Thermal Mass Flow Meters/ October. 2002. www.ianmag.com

9. Smart Materials and Sensors: Atomistic to Macro Physics Models/http://www.cisr.gwu.edu/research/atomistic details.html)

10. Поломошнов С.А. Конструктивно-технологический базис термомикросистем с малой потребляемой мощностью. Диссертация к.т.н./ М. 2005. МИЭТ (ТУ).

11. Дубовой Н.Д., Дударев Д.А. Анализ и перспективы развития современных газовых расходомеров. / Средства контроля и измерения. №1-2. 1998.- С.20-23.

12. Сажнев С.В., Миркурбатов Х.А., Тимофеев В.Н. Прецизионный термоконвективный регулятор расхода газа для технологического оборудования/ Средства контроля и измерения. №2. 2003.- С.70-75.

13. Jr. H. Cadman. A Mass Flow Controller that Semicon Can't Touch/ Sensor, January. 2002.http://archives.sensorsmag.eom/articles/Q 102/mass/main.shtml

14. Официальный сайт компании "OVAL Corporation" http://www.oval.co.jp.

15. Официальный сайт компании "Vogtlin Instruments AG" www.voegtlin.com;

16. Официальный сайт компании "TOKYO KEISO CO., LTD" http ://www.toky okeiso. со. j p;

17. Официальный сайт компании "Bronkhorst High-Tech B.V" www.bronkhorst.com

18. Сажнев C.B., Фомичев M.A., Тимофеев B.H. Дозаторы малых расходов газа с полупроводниковыми и микромеханическими элементами./ Оборонный комплекс научно - техническому прогрессу России. № 1. 2005.- С. 84-90.

19. US Pat.6.843.122 Mass flow controller for control purge and managing method of the same, http://www.uspto.gov/patft/index.html

20. US Pat. 6.343.617 System and method of operation of a digital mass flow controller, http ://www.uspto. gov/patft/index.html

21. Соколов Г.А., Беляев Д.В., Обновленский П.А. Тепловой расходомер с применением полупроводниковых терморезисторов. / Известия вузов. Приборостроение. №8.1973.-С.98-102.

22. Коротков П.А., Беляев Д.В., Рукин Я.В. Тепловой неконтактный расходомер с полупроводниковым нагревателем./Известия вузов.

23. Приборостроение. №4.1965.-С. 117-120.172

24. С.М. Но. Review: MEMS and its applications for flow control./J. of Fluids Eng. V.l 18. №9. 1996- pp.437-447.

25. Романченко А.Ф. Расширение функциональных возможностей термоанемометрических датчиков нестационарного энергетического состоянию./Электронный журнал «Исследовано в России». http.V/www.zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/050.pdf

26. Котов В.И., Черепахин И.И. Твердотельный микроанемометр для жидких и газообразных сред./ Электроника и Информатика XXI век. IV Международная научно-техническая конференция: тезисы докладов, часть 2. М:МИЭТ. 2002.- С.42.

27. Вагнер В.Д., Пурцхванидзе И.А. Микростстемы: проблемы и решения./ Микросистемная техника. №10. 2002.- С.13-18.

28. Котов В.И., Черепахин И.И. Интегральный кремниевый микроанемометр для измерения жидких и газообразных сред./ Микросистемная техника. № 5. 2003.- С. 14-20

29. S.Wu, Q.Lin, Y.Yuen. MEMS flow sensor for nano-fluidic application/Sensors and Actuators A 89. 200.- pp. 152-158.

30. S.He, M.M.Mench, S.Tadigadapa. Thin film temperature sensor for realtime measurement of electrolyte temperature in polymer electrolyte fuel cell/Sensors and Actuators A 125. 2006.-pp. 170-177.

31. T.H.Kim, S.J.Kim. Development of micro-thermal flow sensor with thin filmthermocouples/J.Micromech.Microeng. №16. 2006.- pp.2502-2508.

32. Зиновьев Д.В. Разработка интегральных термосенсоров на основе монокристаллической кремниевой фольги и исследование иххарактеристик. Диссертация к.т.н./ М. 1999. МИЭТ (ТУ).173

33. K. S. Teh, L. Lin. Time-dependent buckling phenomena of polysilicon micro beams./ Microelectronics Journal. № 30. 1999 pp.1169-1172.

34. Th. Borca-Tascuic, W.Liu, J.Liu, K.L.Wang, G. Chen. Anisotropic thermal conductivity of a Si/Ge quantum dot superlattice/. IMECE. HTD. V.№ 3662. 2000.- pp.381-384.

35. A. Ziegler et al. A bridge in understanding./ Materialstoday. Janaury. 2005,-p.14, перепечатка из Science (2004) 306, p. 1768.

36. Сажнев C.B., Фомичев M.A., Тимофеев B.H., Проблемы чистоты газового потока в расходомерах на базе МЕМС-технологии./ Оборонный комплекс научно - техническому прогрессу России. №4 2004.- С. 68-71.

37. K.Williams and R.Muller. Etch rates for micromachining processing./ IEEE J.Microelectromech Syst. №5. 1996.- pp. 256-269 .

38. E.Dehan, A.Henning, E.Arcilic, Y.Harros. Evaluating the use of MEMS-based gas and fluid delivery systems./ www.micromagazin.com/MICROJuly-August98UltrapureMaterialsDelivery by Edward В Dehan, (p i 01).htm

39. F.Mayer, O.Paul, H.Baltes.Influence of geometry and packaging on response of thermal CMOS flow sensor./Presented at Traduceds'95.

40. Eurosensor IX. Stockholm. Swden.1995.174

41. С.Bang . A new approach to MEMS fabrication / www.sensorsmag.com

42. S.Renard, V.Gaff. The romies of generic micromachining technology of MEMS / www.sensorsmag.com

43. S.W.Yason, H.Halvajian, K.Brener./MEMS, Microengineering and Aerospace Systems/ Reprint: American Institute of Aeronautics and Astronautics. 1999- (AIAA99-3802)

44. Ермаков А.П., Яценко C.H. Нитевидные кристаллы кремния как модельные объекты для создания первичных преобразователей физических величин./ Sensor&Systems. №5. 2000.- pp. 14-16.

45. Ермаков А.П. Механические свойства нитевидных кристаллов кремния и германия при внешних воздействиях и методы их изучения. Автореф. Дисс.д.т.н./Тула. ТПИ (ГУ).2000.- 32с

46. Петров П.П., Дугаев В.К, Новиков А.А. Нитевидные кристаллы твердых растворов Si-Ge с улучшенными метрологическими характеристиками./ Тезисы докладов 3 Всероссийской конференции. Воронеж. 1978.-С. 1-10.

47. Ермаков С.А., Ермаков А.П., Дрожжин А.И. Первичные преобразователи на основе нитевидных кристаллов кремния и их применение в информационных системах. http://www.sibsau.ru/science/archiv/PERSPEKTIVNYE%20MATERIALY %20I%2QTEHNOLOGII.pdf

48. Multiscale modeling of polycrystalline material ./Smart Materials and Sensors: Atomistic to Macro Physics Models./2005. http://www.cisr.gwu.edu/research/atomisticdetails.html

49. C.Liu, J-B.Huang, A. Zhu, F. Jiang, S.Tung, Y.C.Tai and C.M. Ho. A Mi-cromachined Flow Shear Stress Sensor based on Thermal Transfer Principle/ J. of Microelectromechanical Systems. V.8. №1.1999.- pp. 90-99.

50. T.Yoshino, Y.Suzuki, N.Kasagi, S.Kamiunten. Optimum design of micro thermal flow sensor and its evaluation in wall stress measurements./

51. Reprint:MEMS-03. Kyoto. Japan. Jan. 19-23. 2003.175

52. Meng E., Wu S., Tai Y-C. Silicon couplers for microfluidic applications. Fresenius Journal of Analytical Chemistry. N 371(2).2001-pp.270-275.

53. Meng E., Gassman S., Tai Y-C. A MEMS body fluid flow sensor. Micro Total Analysis Systems.2001. Monterey, CF.2001- pp.167-168.

54. Meng E., Tai Y-C. A Parylene MEMS flow sensing array. Technical Digest, the 12 International Conference on Solid Static Sensors, Actuators and Microsystems. Transducers 03, Boston, USA.2003- pp.686-689.

55. Y.Xie, Y.Shihand, Yu-C. Tai. Integrated surface-micromachined mass flow controller./Reprint: California Institute of Technology. Caltech. Micromachining Lab. Electrical Engineer 136-93. 2003.

56. Z.Fan, J. M.Engel, J.Chen, Ch. Liu. Parylene Surface-Micromachined Membranes for Sensor Applications/J. of Microelectomechanical Systems. V.3. №3.2004.- pp. 484-490.

57. P.Cousseau, O. Dubochet, Ph. Lerch, Ph. Renaud. A Comparison of the Behavioral Characteristics of Miniature Gas Flow Sensors./ Swiss Federal Institute of Technology Laussane.2000. http://www.nsti.org/procs/MSM2000/13/T42.09

58. J.Han, Z.Y.Tan, K. Sato, M. Shikida Three-dimensional interconnect technology on a flexible polyimidefilm./ J. Micromech. Microeng. №14. 2004.-pp.3 8-48.

59. Z.Y. Tan, M. Shikida, M. Hirota, K. Sato. On-wall in-tube inserted thermal flexible micro sensor for measuring mass flow./ http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.isp?url=/iel5/l 0597/33 507/01590000 .pdf?arnumber=T 590000

60. C.Lyons, A.Friedberger, W.Welser, G.Muller, G.Krotz, R.Kassing, B.Dai -mler, A.G. Munchen. A high-speed mass flow sensor with heated silicon carbide bridges./MEMS 98. Proceedings. The Eleventh Annual International Workshop. 1998- pp.356-360.

61. CMOSens PerformanceLine Mass Flow Controller for Gases./Preliminary1.formation VI.4. July 2003. www.sensirion.com176

62. US Pat 6.813.944 Flow sensor http://www.uspto.gov/patft/index.html

63. US Pat. 6.550.324 Method and sensor for measuring a mass flow. http://www.uspto.gov/patft/index.html

64. EP 0698786 Atmosphere measuring device and flow sensor. http://www.european-patent-oftice.org/index.en.php

65. US Pat 6.779.712 Flow sensor and method for producing the same. http:// www, uspto. go v/patft/in d ex.html

66. EP 1092962 Offset reduction for mass flow sensor, http://www.european-patent-office.org/index.en.php

67. US Pat 6.502.983 Micro-machined thermo-conductivity detector. http ://www.uspto. gov/patft/index.html

68. US Pat. 6.868.723 Thermal anemometry mass flow measurement apparatus and method, http://www.uspto.gov/patft/index.html

69. US Pat. 6.868.722 Air flow rate measuring apparatus http ://www.uspto. go v/patft/index .html

70. USPat 6.078.030 Component heater for use in semiconductor manufacturing equipment, http://www.uspto.gov/patft/index.html

71. US Pat 6.160.243 Apparatus and method for controlling fluid in a micromachined boiler http://www.uspto.gOv/patfl:/index.html

72. US Pat 6.627.465 System and method for detecting flow in a mass flow controller http://www.uspto.gov/patft/index.html

73. US Pat 6.568.261 Hot wire gas flow sensor http://www.uspto.gov/patft/index.html

74. USPat 6.112.591 Flow sensor http://www.uspto.gov/patft/index.html

75. US Pat 6.659.131 System and method for integrating gas components http ://www. uspto. gov/patft/index.html

76. US Pat. 7.107.835 Thermal mass flow sensor http ://www. uspto .go v/patft/index.html

77. Васильев A.A, Гогиш-Клушин С.Ю., Харитонов Д.Ю., Paranjape

78. М.(М.Паранджапе), Певгов В.Г., Писляков А.В. Новый подход к микро177машинной технологии изготовления сенсоров: микроэлектронные чипы с тонкой мембраной из оксида алюминия./Сенсор. №3. 2002.-С.23-29/ www. sensor-magazine ли

79. Васильев А.А. Микромощные полупроводниковые сенсоры на тонких диэлектрических мембранах./ Датчики и Системы. №10. 2004.-С.23-28.

80. T.McKnight. A Highly Automated Testing Facility for Calibration and Performance Testing of Mass Flow Controller./ IEEE. 1995.- pp. 157-160.

81. SEMASPEC #92051107A-STD SEMATECH Guide for Contamination Control in the Design, Assembly, and Delivery of Semiconductor Manufacturing Equipment

82. SEMASPEC #92071231B-STD SEMASPEC Provisional Test Method for Evaluating the Electromagnetic Susceptibility of Thermal Mass Flow Controllers

83. SEMASPEC #92071233B-STD SEMASPEC Provisional Test Method for Determining the Corrosion Resistance of Mass Flow Controllers

84. SEMASPEC #92071223B-STD SEMASPEC Provisional Test Method for Determining Warm-Up Time of Mass Flow Controllers

85. SEMASPEC #92071230B-STD SEMASPEC Provisional Test Method for Determining Steady-State Supply Voltage Effects for Mass Flow Controllers

86. SEMASPEC #92071228B-STD SEMASPEC Provisional Test Method for Determining Mass Flow Controller Performance Characteristics from Ambient and Gas Temperature Effects

87. SEMASPEC #92071225B-STD SEMASPEC Provisional Test Method for Verification of Calibration Accuracy and Calculation of Conversion Factors for a Mass Flow Controller Using Surrogate Gases

88. SEMASPEC #92071221B-STD SEMASPEC Provisional Test Method for Determining Accuracy, Linearity, Repeatability, Short Term Reproducibility, Hysteresis, and Dead band of Thermal Mass Flow Controllers

89. N.Sabate. Mechanical characterization of thermal flow sensor membranes./ Sensors and Actuators A125. 2006.- pp.260-266

90. J.Puigcorbe, D.Vogel, B.Michel, A. Vila, I.Gracia, C. Cane, J.R.Morante. Thermal and mechanical analysis of micromachined gas sensors./ J.Micromech.Microeng. №13. 2003.- pp.548-556.

91. J.Hurly. Thermophysical Properties of Semiconductor Processing Gases./ http ://www. cse. clrc. ac.uk/ceg/papers/rgd23 .pdf

92. Q.Lin, F.Jiang, Xu.Q Wang, Y. Xu, Z. Han, Yu.C Tai, J.Lew, Ch. M. Ho. Experiments and simulations of MEMS thermal sensors for wall shear-stress measurements in aerodynamic control applications./ J.Micromech.Microeng.V. 14. 2004.- pp. 1640-1649.

93. Q.Lin, Y.Xu, F.Jiang, Yu.C.Tai, Ch.M.Ho. Parametrized Three-Dimensional Model for MEMS Thermal Shear-Stress Sensors./Journal of Micro Electromechanical Systems. V.14, №3. 2005.- pp.625-633.

94. J.Hildenbrand. Simulation and Characterisation of a Micromachined Gas Sensor and Preparation for Model Order Reduction. Diploma Thesis of Institute for Microsystem Technology./ Albert Ludwig University Freiburg, Germany. 2003. 141p.

95. K.Mutamba, A.I.Ahmed, V.Guimapi Tsague. Analysis of Micromachined Thermal Sensor Structures./ Institute fur Hochfrequenztechnik TUD. 2003-pp.42-43.

96. C.Moosmann, E.B.Rudnyi, A.Greiner, J.G.Korvink. Model Order Reduction for Linear Convective Thermal Flow./ IMTEK 2004.-9p. http://modelreduction.com/doc/papers/moosmann04THERMIMC.pdf

97. Рак A.Yu. Tensosensitivity of hot-wire probe./ Институт теоретической и прикладной механики СО КФР./ Новосибирск. 2002.-С. 128-132 http://itam.nsc.ruMibr/eLib/confer/lCMAR/2002/part 2/pak.pdf

98. Пикулев А.А. Теоретическое исследование коэффициента теплоотдачи нагретой проволочки в потоке газа./ Журнал технической физики. Том 73, вып.6. 2003.- С. 32-35.

99. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости./ М.:Наука. 1975.-575с.

100. Физические величины. Справочник под ред. И.Г.Григорьева./ М.: Энергоатомиздат. 1991. -1200 с.

101. КлоковаН.П. Тензорезисторы./М.:Машиностроение. 1990. 222 с.

102. Штефель И.Т. Терморезисторы./М. :Наука. 1973. 416 с.

103. Энциклопедия неорганических материалов / Т. 1. Киев. ГРУСЭ. 1977. 840 с.

104. Сажнев С.В., Фомичёв М.А., Тимофеев В.Н. Применение нитевидных первичных преобразователей в термоконвективных газовых расходомерах. Нано- и микро системная техника, №1, 2006 - С.39-43.

105. Сажнев С.В., Тимофеев В.Н., Фомичев М.А., Миркурбанов Х.А. Физико-механические характеристики нитевидных первичных термопреобразователей в газовых расходометрах. Нано- и микросистемная техника, №4, 2007 С.65-69.

106. Y. Fukuta, D. Collard, Т. Akiyama, Е.Н. Yang, Н. Fujita, Microactuated self-assembling of 3D polysilicon structures with reshaping technology,

107. Proceedings of the 1997 IEEE 10th Annual International Workshop on MEMS, 1997, pp. 477-481.

108. Q. Wu, K.M. Lee, C.C. Liu, Development of chemical sensors using microfabrication and micromachining techniques, Proceedings of the Fourth International Meeting on Chemical SensorsB13 (1-3) (1993) 1-6.

109. Беляев H.M. Сопротивление материалов. / M.: Наука, 1975 605с.

110. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттехов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых структур. / М.: Радио и связь. 1982 -239с.

111. Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева. / М.: Энергоатомиздат. 1991. 1200 с.

112. Maarten P., Brian D., Fernando В. A small area in-situ MEMS test structure to measure fracture strength by electrostatic probing. // SPJE Proceedings r.3875. 1999.

113. A.B. Чигарев, А. С. Кравчук, А. Ф. Смалюк ANSYS для инженеров. Справочное пособие./Машиностроение-1, 2004 г.- 512 с.

114. Теория тепломассообмена. Под ред. А.И.Леонтьева./ М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997.- 683 с.

115. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена./ М.: Атомиздат, 1979.416 с.

116. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя./ М.: Наука, 1974.- 712 с.

117. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа./ М.: Наука, 1973.- 848 с.

118. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача./ М.: Энергия, 1981.-416 с.

119. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости./ М.: Энергия. 1984.- 149 с.

120. Патанкар С., Сполдинг Д. Тепло и массообмен в пограничных слоях./ М.: Энергия. 1952.-318 с.

121. Шнейдер П. Инженерные проблемы теплопроводности./ М.: Изд-во Иностр. Литер. I960.- 478 с.

122. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен./ М.: Мир. 1976.- 616 с.

123. Отчет по НИР Исследование работы первичных преобразователей на основе терморезистивных элементов и полупроводникового микрочипа в регуляторах расхода газа./ Шифр «Ермак», УДК 621.382.049.77.002, № 01040002332, МИЭТ, НИЧ, 2004 51с.

124. Отчет по НИР Исследование и разработка преобразователей на основе полупроводниковых кристаллов с нитевидным элементом в регуляторах расхода газа./ Шифр «Ель», УДК 681.2.8, МИЭТ, НИЧ, 2006, 51с.I1. Генер

125. УТВЕРЖДАЮ» ?Й директор ЗАО «Электронточмаш» ''/ Миркурбанов Х.А., к.т.н.» 2007 г.2007 г.1. АКТ

126. Об использовании результатов диссертационной работы Фомичёва Матвея Алексеевича

127. Исследование работы первичных нитевидных терморезистивных преобразователей в регуляторах расхода газа»

128. Об использовании результатов диссертационной работы Фомичева Матвея Алексеевича

129. Исследование работы первичных нитевидных терморезистивных преобразователей в регуляторах расхода газа»

130. Использование указанного датчика позволяет повысить точность контроля газового потока и качество работы хроматографа в целом.1. Зам.директора по науке1. Хононзон Г.А.,к.т.н.1ЕРЖДАЮ»л /

131. Генеральный шпектоо НПФ «Кяио-поактик»1. АКТ

132. Об использовании результатов диссертационной работы Фомичева Матвея Алексеевича

133. Исследование работы первичных нитевидных терморезистивных преобразователей в регуляторах расхода газа»

134. Эксплуатация прибора показала его высокую надежность при круглосуточном режиме работы оборудования.J1. Главный инженер1. Андреев В.Ю.