3. Термическийсенсор,чувствительныйкнаправлениюпотока

Врядеслучаев,например,вметеорологии,возникаетнеобходи-мостьвизмерениинетольковеличины,ноинаправлениягазовогопо-тока.Эффектохлаждениямикронагревателявпроцессепринудитель-нойконвекции,рассмотренныйвпредыдущемподпараграфе,даетинформациютолькоободнойвеличине–омодулескорости,хотяне-котораязависимостьвеличиныохлажденияотнаправленияобдуваниямикронагревателяимеется.Вреальныхприборах,однако,ориентациямикронагревателяотносительногазовогопотокафиксированаивы-ходнойсигналзависиттолькоотвеличиныскорости.

Дляизмерениядвухкомпонентовскоростипотокагазавплоскости



термосенсораu_x

2 2

иu_yили,



чтотожесамое,модулявектораскорости

^u_y

uu_xu_y

иегонаправления

arctg _

u

x

оказываетсяцелесооб-

разноиспользоватьэффекткоординатнойзависимоститолщинытерми-ческогопограничногослояпривынужденнойконвекции,рассмотрен-ныйвподпараграфе1.4.4.Какпоказано,толщинатермическогопограничногослоянагретойпластинывверхнейчастипотокаменьше,чемвнижней.Этоприводитктому,чтовсенсоре,гдевотсутствиепо-токасуществовалосимметричноераспределениетемпературы,движе-ниегазавызываетнарушениеэтойсимметрии.Передняячастьсенсора,куда«набегает»поток,охлаждается,атемпературапротивоположнойчасти,скоторойпоток«сбегает»,увеличивается.

Нарис.3.7схематическипоказаноизменениетемпературыбалочки

втермическомсенсоре,гдесимметричныйнагревосуществляетсядвумянагревающимирезисторами.

Измерениетемпературыкаждойчастисенсораможноосуществитьспомощьютерморезисторовитранзисторов,однакосамыйпрямойметодрегистрациивозникающейразноститемператур–спомощьютермопар.Еслитермосенсорсодержитдвеортогональныеструктуры(вдольосей^xиy),подобныеизображеннымнарис.3.7,тооказыва-

етсявозможнымизмеритьнетолькомодуль,ноинаправлениевектораскорости(потока)газа.

TT₁

ΔT(u)

T₀

T₀

–

ПотокгазаuT₁

СпотокомБезпотока

x

T

+

1 _T0

1 2 3

• кремний

• SiO₂

• пассивация

–поликремний

Рис.3.7.Термическийсенсор,чувствительныйкнаправлениюпотока:

1–профилированноеуглублениедлятермоизоляции;

2–термопара;3–нагревательныйрезистор

Нарис.3.8представленварианттакоготермическогосенсора,ис-следованныйвработе[3.7].Сенсорсодержитчетыребатареитермо-пар,попарноориентированныхвдольосейxиy.Нагревающиерези-

сторырасположенысимметричноипараллельносоответствующемублокутермопар.Термопарыинагревающиерезисторысформированыизполикристаллическогокремнияирасположенынатонкойдиэлек-трическоймембране,профилированиекоторойосуществлялосьанизо-тропнымтравлениемкремниявсмесиэтилендиамина,пирокатехолаиводы(EDP-травитель,см.часть1учебногопособия,подпара-граф 1.3.2)спрекращениемтравлениянадиэлектрическомслое.Вка-чествеветвейтермопарыпримененыслоиnиpполикремния.

Движениегазавдольосиxприводитквозникновениюразности

температур

T_x,котораярегистрируетсяx-термопарами

v_xT_x,

где^–коэффициенттермоЭДСбатареитермопар.Концытермопар,вытянутыхвдольосиy(y-термопары),притакомнаправлениипотока

ΔT_x

vy v

ΔT_y ^ΔTy

v_x

ΔT_x

МембранаНагревательТермопара

^T₀ ^T0

• кремний

• SiO₂

• пассивация

–поликремний

Рис.3.8.Схематермическогосен-сора,чувствительногоквеличине

инаправлениюпотока

будутиметьодинаковуютемпературу:

T_y0

иv_y0.Придвиже-

ниигазавдольосиyтермопарыменяютсяролями:^v_y^{T}_y,v_x0.

Вслучае,еслинаправлениепотокагазаобразуетуголсосьюx,обесистемытермопарвыдаютэлектрическиесигналы,равные