5. Использование сенсоров температуры в комбинации с другими преобразователями

5.1. Каталические сенсоры концентрации газов

Как отмечалось во введении, в некоторых комбинированных сенсорных преобразователях в качестве промежуточного этапа преобразований используется сенсор температуры. Так, для измерения концентрации содержащихся в воздухе некоторых легкоокисляющихся веществ (пары бензина, спиртов, эфиров, водорода, метана и пр.) используются каталические сенсоры. Они содержат развитую поверхность, покрытую тонкой пленкой катализатора (платина, палладий), в присутствии которого происходит окисление (сгорание) вещества, концентрация паров которого измеряется. Сгорание сопровождается выделением тепла и нагревом поверхности. Таким образом, измеряя температуру можно судить о концентрации измеряемой примеси в воздухе.

На рис. 12 приведена структура интегрального каталического сенсора водорода [5]. Измерение температуры в нем осуществляется по изменению напряжения эмиттер – база в биполярном транзисторе (принцип таких измерений рассмотрен в разделе 3).

Таким образом, в сенсоре реализуется цепочка преобразований N – Q – T– U,

где N – концентрация примеси, Q – теплота, Т – температура, U – напряжение.

Рис. 12. Интегральный кремниевый сенсор водорода:

1 – коллектор; 2 – пиролитическая SiO₂ (0,6мкм);

3 – контакты к базе Al; 4 – контакты к эмиттеру; 5 – слой Al₂O₃ (0,1мкм); 6 – Pd-катализатор (0,02мкм).

Сенсор выполнен на кремниевом чипе. Это позволяет использовать весь арсенал типовых технологических процессов микроэлектроники при его изготовлении. Использование анизотропного травления кремния позволяет выполнить всю активную структуру на тонкой диафрагме, что уменьшает ее массу и теплоемкость. В результате повышается чувствительность и быстродействие (сокращается время протекания инерционных тепловых процессов).

5.2. Тепловые расходомеры

Для измерения расхода жидкости или газа, протекающих по трубе, необходимо знать среднюю скорость потока и его сечение. Традиционные методы измерения расхода, основанные на использовании подвижных элементов (поршни, турбины и т.д.) неэффективны при малых расходах и плохо поддаются миниатюризации.

Если в некоторой точке потока установить нагревательный элемент, то распределение температуры в его окрестностях будет зависеть от скорости потока V (рис. 13).

Рис.13. Канал газового потока с нагревателем Р в нем (А) и распределение температуры в канале (В)

При нулевой скорости потока распределение температуры симметрично с максимумом, совпадающим с положением источника тепла. При конечной скорости потока положение максимума сохраняется, а кривая распределения температуры «перекосится», так как набегающий «холодный» поток снизит температуру слева от нагревателя и повысит ее справа за счет нагрева. Таким образом, перепад температуры ΔТ между двумя точками, расположенными слева и справа относительно нагревателя несет информацию о скорости потока.

Конструкции тепловых расходомеров несколько различаются в зависимости от принятого способа измерения температуры (рис. 14).

В структуре, представленной на рис. 14, А измерение температуры производится с помощью терморезисторов (1) расположенных симметрично относительно нагревателя (2) и включенных в мостовую схему измерений. И нагреватель (тоже резистивного типа) и терморезисторы выполнены на тонкой мембране, полученной анизотропным травлением кремния, ориентированного в плоскости (100). Использование мембраны позволяет существенно снизить теплоемкость структуры и повысить скорость ее реагирования на изменение расхода. Кроме того, тонкая мембрана уменьшает нежелательную тепловую связь через подложку между нагревателем и терморезисторами. Тем не менее, для дальнейшего уменьшения этой связи, источник тепла формируется на консоли (рис. 14, В), что позволяет повысить чувствительность расходомера.

Рис. 14. Кремниевые тепловые сенсоры расходомеров:

А – на диафрагме; В – консольного типа; 1 – терморезистор;

2 – нагреватель; 3 – пленочные проводники; 4 – диафрагма;

5 – консоль.

Другой вариант конструкции расходомера получается, если для измерения температуры использовать термопару или термобатарею. Это возможно и в структурах, представленных на рис. 14, с заменой терморезисторов на термопары. Ранее (рис. 4) приводился вариант структуры, в котором проводники термопары располагались вдоль направления вектора скорости измеряемого потока; холодный и горячий спай теплопары реагирует на перепад температуры потока в точках, расположенных слева и справа от источника тепла (на рисунке не показан).

Для нормальной работы тепловых расходомеров обычно достаточно маломощных источников тепла, обеспечивающих максимальный перегрев жидкости (газа) в области нагревателя в несколько десятков градусов относительно исходной температуры потока.

Тепловые расходомеры обеспечивают широкий диапазон измерений, высокую чувствительность, не содержат подвижных элементов и очень малогабаритны.