CC BY
35
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малинин А. Н., Шуабов А. К., Шимон Л. Л. и др. Новые высокоэффективные электроразрядные лампы видимого и ультрафиолетового диапазонов спектра // Прикладная физика. 2006. № 1. С. 27—29.
2. Калориметрия. Теория и практика // В. Хеминегер, Г. Хене. М.: Химия, 1990. 176 с.
Владимир Антонович Кораблев
Юрий Тихонович Нагибин
Александр Васильевич Шарков —
Сведения об авторах
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: [email protected]
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра твердотельной оптоэлектроники; E-mail: [email protected] д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: Sharkov@ grv.ifmo.ru
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга
Поступила в редакцию 07.12.09 г.
УДК 536.6
Ю. З. Бубнов, Г. В. Бирюлин, В. И. Егоров, С. В. Постернаков АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЕНСОРОВ
Представлены результаты конечно-элементного моделирования нестационарного теплового поля мембранной структуры сенсора газосигнализатора с нагревателем, работающим в импульсном режиме.
Ключевые слова: газосигнализатор, мембрана, моделирование, тепловой режим.
В странах с развитой промышленностью выделяются значительные средства на создание систем экологического мониторинга и портативных газоаналитических приборов и сигнализаторов, своевременно информирующих о превышении содержания в воздухе токсичных и горючих газов, что позволяет оценивать границы допустимости технологических процессов и предупреждать нежелательные явления, например пожары.
Анализ путей развития газовых сенсоров показал, что наиболее перспективными для массового применения являются полупроводниковые газовые сенсоры, отличающиеся высокой надежностью, простотой в эксплуатации и низкой стоимостью.
Одна из особо важных задач в повышении потребительских характеристик полупроводниковых газовых сенсоров — снижение их энергопотребления, что связано, в первую очередь, с условиями работы газоаналитических приборов в автономном режиме, т.е. при электропитании от портативных аккумуляторов. Потребляемая мощность этих приборов должна составлять нескольких десятков милливатт.
Как показывает анализ конструкторско-технологических решений по минимизации потерь тепла, наиболее предпочтительным является применение мембранных структур, совмещенных с подложкой сенсора, которая подвешивается к выводам корпуса сенсора с помощью тонкой золотой проволоки. При этом для эффективной экономии тепла при использовании мембраны в рабочей зоне кристалла ее толщина (И) должна быть менее 5 мкм. Минимальная
Анализ тепловых режимов полупроводниковых сенсоров
39
толщина мембраны при существующих конструкторско-технических ограничениях составляет 2—4 мкм. При выборе конструкции сенсора и параметров режимов работы нагревателя необходимо иметь подробную информацию по распределению температуры в кристалле в различные моменты времени.
В конструкции сенсора используется корпус широко применяемого транзистора; схема конструкции представлена на рис. 1, где 1 — основание корпуса, 2 — крышка, 3 — кремниевая подложка. В крышке 2 имеется отверстие для доступа внутрь корпуса анализируемых газов. На мембране кремниевой подложки размещены компоненты сенсора, изготовленные по пленочной технологии.
Рис. 1
Нагреватель, в качестве которого используется слой поликремния толщиной 0,4 мкм, размещен в центре мембраны и имеет размеры 0,62x0,68 мм. Нагреватель работает в импульсном режиме с периодом порядка 6 с. Длительность (тн) максимального нагрева составляет примерно 1 с. Схематично разрез подложки представлен на рис. 2, где 1 — кремниевая подложка, 2 — мембрана, 3 — чувствительный слой, 4 — нагреватель.
Расчет нестационарного нелинейного трехмерного температурного поля подложки сложной геометрической формы проводился с помощью компьютерной программы, основанной на методе конечных элементов. В математической и тепловой моделях коэффициенты конвективного теплообмена являются функцией температуры; коэффициент лучистого теплообмена рассчитывался в программе непосредственно по формуле Стефана — Больцмана
при коэффициенте черноты 0,9. По технологическим причинам необходимо обеспечить периодический нагрев сенсора до 450 0С и охлаждение до 100 0С, поэтому напряжение на нагреватель подается в импульсном режиме с периодом примерно 6 с: нагрев — 1 с, остывание — 5 с. Так как сопротивление нагревателя зависит от температуры, его мощность непостоянна.
Экспериментально была определена зависимость сопротивления нагревателя от его температуры; мощность нагревателя в программе задавалась в виде нелинейной функции
Р(т,,)=иЧ
К(<)
где и (т) — функция напряжения от времени, Я^) — зависимость сопротивления нагревателя от температуры, Р(т, I) — функция мощности.
В результате расчета было получено распределение температур в объеме подложки в зависимости от времени для различных толщин мембраны и различной средней мощности импульса. В таблице приведены полученные значения температур, где ¿шах и — максимальное и минимальное значение температуры чувствительного элемента, расположенного над нагревателем; Д^н и Д^м — максимальный перепад температуры по нагревателю и по мембране соответственно.
к, мкм Р, Вт '•шах? ^ / ■ °С Дн, °С Дг °С
3 0,42 510 90 110 150
3 0,57 570 100 130 220
4 0,42 365 80 70 120
4 0,5 440 90 85 140
4 0,57 515 100 100 165
6 0,57 460 90 70 120
На рис. 3 представлен график распределения температуры ¿(х) в плоскости мембраны в момент окончания действия нагревателя (при к = 4 мкм, Р = 0,42 Вт), где х = 0 соответствует центру мембраны, а х = 0,35 мм — краю мембраны.
°с
360 340 320 300
280 260
240
0 1 2 3 4 х, мхШ-4 Рис. 3
В процессе нагрева в зоне тепловыделений на мембране возникает высокая неравномерность температурного поля. Наблюдается резкое падение температуры в зоне перехода от мембраны к массиву кремния.
Экспериментальные исследования газоаналитических характеристик сенсоров с мембраной толщиной 3—4 мкм показали, что максимальная величина отклика на 0,5 % СН4 достигается при Р = 0,4±0,03 Вт, при этом длительность нагрева тн = 1,0 с, а период 5 с. Эти
Моделирование тепловых режимов электронных систем 41
параметры хорошо согласуются с данными, приведенными в таблице. Также известно [1, 2], что максимум отклика полупроводникового газового сенсора на метан соответствует температуре его чувствительного элемента (400—430 °С). Это косвенно подтверждает достоверность теплового расчета.
Использование сенсора без мембраны увеличивает среднюю мощность в 3 раза [3], что доказывает эффективность применения мембранных сенсорных структур.
Хорошее соответствие результатов тепловых расчетов и экспериментальных данных свидетельствует о возможности применения полученной тепловой модели при проектировании других типов сенсоров с мембраной и выборе режимов их работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бубнов Ю. З. Полупроводниковые газовые сенсоры // Петербургский журнал электроники. 1996. № 3. С. 87—91.
2. Датчики газов: "Figaro" (Япония). М.: Изд. дом „Додэка—XXI", 2003.
3. Бубнов Ю. З., Голиков А. В., Казак А. В. Полупроводниковые газовые сенсоры и газоаналитические приборы на их основе // Электроника: наука, технология, бизнес. 2008. Спецвыпуск. С. 72—80.
Юрий Захарович Бубнов —
Гавриил Владимирович Бирюлин —
Владимир Иванович Егоров —
Сергей Владимирович Постернаков —
Сведения об авторах
д-р техн. наук, профессор; ОАО „Авангард", Санкт-Петербург; главный конструктор
аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: [email protected]
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: [email protected] ОАО „Авангард", Санкт-Петербург; вед. инженер
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 07.12.09 г.
УДК 536.6
Д. А. Данилов, В. И. Егоров, С. В. Фадеева, А. В. Шарков
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИЕЙ
Представлены результаты моделирования тепловых и гидродинамических полей в радиоэлектронном аппарате кассетного типа. Сопоставлены результаты расчетов с использованием программы, разработанной на основе метода конечных элементов, и расчетов по программе, реализующей метод поэтапного моделирования.
Ключевые слова: радиоэлектронная аппаратура, моделирование, тепловой режим.
Существующая в настоящее время тенденция к типизации и унификации конструкций радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), обусловленная их разнообразием, ведет к автоматизации проектирования устройств и снижению их стоимости. При этом сохраняется необходимость
