Моделирование тепловых процессов в датчиках газового состава

Рис. 34. Изменение температуры мембраны в процессе нагрева

По итогам моделирования, были построены семейства температурных характеристик в зависимости от координаты для нагрева и охлаждения. Результаты моделирования приведены на рисунках 35-36.

Рис. 35. Семейство характеристик температуры от координаты Х для разных времен

Рис. 36. Семейство характеристик температуры от координаты Y для разных времен

Распределение температуры в процессе охлаждения, а также семейства температурных характеристик в зависимости от координаты представлены на рисунках 37-39.

Рис. 37. Изменение температуры мембраны в процессе охлаждения

Рис. 38. Семейство характеристик температуры от координаты Х для разных времен

Рис. 39. Семейство характеристик температуры от координаты Y для разных времен

В итоге были построены семейства зависимостей температуры от времени для различных координат Х и Y. Результаты представлены на рисунках 40-41.

Рис. 40. Семейство характеристик зависимости температуры от времени для различных координат Х

Рис. 40. Семейство характеристик зависимости температуры от времени для различных координат Y

На полученных графиках видно, что максимальная температура выше, чем в случае с нитридом, что свидетельствует о меньших потерях температуры на теплоотвод. Время спада и нарастания также малы по сравнению с рабочим временем датчика. Изменения температуры в установившемся режиме составляют около десяти градусов, что также является приемлемым результатом для успешного детекирования газа.

Значительное отличие времени нагрева структуры от остальных структур является подозрительным и, возможно, обусловлено программными ошибками в расчетах.

3.6 Сравнение полученных результатов

В итоге работы, для более наглядного представления результатов, семейства характеристик для различных структур были построены на одном графике.

Зависимость температуры от координаты Х были построены для времени 0.2 с - в момент наибольшего нагрева структуры.

Заключение

датчик газовый температура тепловой

В данном дипломном проекте проводилось моделирование тепловых процессов чувствительного элемента датчика газового состава. В ходе выполнения работы были изучены основные инструменты системы автоматического моделирования Sentaurus TCAD, такие как Sentaurus Structure Editor, Sentaurus Device и Tecplot_SV. При помощи этих инструментов было проведено моделирование структуры чувствительного элемента датчика, отличающиеся материалами мембраны и конструкцией нагревательного элемента. Получены семейства температурных зависимостей от времени и координаты.

Анализ полученных результатов позволил получить информацию о максимальной температуре нагрева для каждой из структур при одинаковой форме и длительности импульса. Для мембраны из оксида кремния максимальная температура равна 1100К и 850К для различного типа резисторов. Разница в значении обусловлена различием в сопротивлении нагревательного элемента из-за изменения его длины. Для мембраны из нитрида кремния и многослойной структуры состава SiO₂-Si₃N₄-SiO₂, максимальные температуры соответственно равны 430К и 500К. Такие отличия значений от мембраны из оксида кремния обусловлено большой разницей в удельных теплопроводностях материалов, которые равны 0.014 и 0.185 для оксида кремния и нитрида кремния соответственно. времена нагрева и охлаждения структуры достаточно малы и равны 20 мс и 60 мс, соответственно. Эти времена значительно ниже, чем рабочее время датчика, необходимое для детектирования газа. Более равномерное распределение температуры наблюдается при моделировании многослойной структуры.

Список литературы

1. Полупроводниковые газовые сенсоры для автономных и карманных газоаналитических приборов, 2004, с. 13. www.bankrabot.com/work_70002.html

2. А. Васильев, И. Олихов, А. Соколов. Газовые сенсоры для пожарных извещателей. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, №2, 2005, с. 24.

3. А.А. Васильев, С.Ю. Гогиш-Клушин, О.С. Гогиш-Клушина, Д.Ю. Харитонов. Измерительные элементы газовых датчиков на основе тонких мембран из нанокристаллического оксида алюминия. Датчики и системы, №10, 2006, с. 4-6.

4. Deal, S.E. Hansen, M.E. Law, C.S. Rafferty, G. Chin, C.C. Lin, SUPREM-IV.GS Two Dimensional Process Simulation for Silicon and Gallium Arsenide user reference manual, 1993

5. Королев М.А., Красюков А.Ю., Крупкина Т.Ю., Чаплыгин Ю.А. Виртуальное производство интегральных полупроводниковых структур в системе двухуровневой подготовки кадров в области наноинженерии

6. Сопова О. Программное обеспечение для приборно-технологического моделирования от компании Synopsys.

7. TCAD Sentaurus Tutorial, March 2010

8. Sentaurus Workbench User Guide Version D-2010.03, March 2010

9. Sentaurus Structure Editor User Guide Version D-2010.03, March 2010

10. Sentaurus Process User Guide Version D-2010.03, March 2010

11. Sentaurus Device User Guide Version D-2010.03, March 2010

Размещено на Allbest.ru